Benchmark de control de la orientación de un multirrotor en una estructura de rotación con tres grados de libertad

Abstract

[EN] A fully equipped quadrotor is attached to a structure that allows free rotation without translation. Additionally, a set of MATLAB-Simulink® tools execute the flight controller programming and manage the real-time transmission of commands and flight states for the remote pilot. For this test bench a simulator is offered. It faithfully reproduces the behaviour of the real system in order to propose a benchmark on Control Engineering. This aims to control the quadrotor orientation described using the Euler angles. Thus the three control actions that attack the propulsion system must be generated taking into account the rotation speeds and angles that are estimated by the navigation system and the angle set points. During the performance tests, a modifiable supply voltage replaces the battery charge level and a control action emulates the height control, resulting in dierent operating points of the system as in a real flight. The simulator allows free setup of closed and open loop experiments for model identification tasks or analysing the control performance for dierent inputs and operating points. The final objective is to incorporate a control law that improves the behaviour given as a reference for a certain experiment. After a simulation, an evaluation function quantifies the dierences in tracking error and control action between the current control and the reference control for each degree of freedom. The main challenge is a narrow control bandwidth to govern a complex three-variable system.

[ES] Un cuatrirrotor con todo el equipamiento de vuelo se encuentra fijado a una estructura que permite la rotación en el espacio sin desplazamiento. Además, un conjunto de herramientas software desarrolladas con MATLAB-Simulink® ejecutan la programación de su controladora y gestionan la transmisión en tiempo real de consignas y estados del vuelo pilotado remotamente. Para este banco de pruebas se ofrece un simulador que reproduce fielmente el comportamiento del sistema real con el fin de plantear un benchmark de Ingeniería de Control. El problema propuesto es controlar la orientación del mutirrotor definida por los ángulos de Euler. Para ello, deben generarse las tres acciones de control que atacan al sistema de propulsión, considerando las velocidades y ángulos que estima el sistema de navegacion y las consignas angulares. Para lograr un mayor realismo, en las pruebas de comportamiento se pueden modificar la tensión de alimentación, que simula el nivel de carga de la batería, y una acción de control que emula el control de la altura, lo que da lugar a diferentes puntos de operación. El simulador permite configurar experimentos en lazo abierto o cerrado, para tareas de identificación o para analizar el comportamiento de los controladores en diferentes puntos de operación y ante diferentes entradas. El objetivo final es incorporar una ley de control que mejore el comportamiento dado como referencia para cierto experimento. Tras una simulación, una función de evaluación cuantifica las diferencias en el error de seguimiento y en la acción de control entre el control actual y el de referencia para cada grado de libertad. El principal desafío es optimizar el reducido ancho de banda disponible para controlar un sistema dinámico complejo.