Diseño del sistema de control de un cuadricóptero con rotor basculante 2-DoF

Abstract

[ES] El principal objetivo de este proyecto consiste en presentar un modelo de cuadricóptero para el transporte de carga de pago de manera eficiente. Para cumplir con esta propuesta, un dron de motores giratorios de 2 grados de libertad se ha desarrollado desde diferentes ámbitos.

Para abordar de manera adecuada este proyecto, se han realizado diferentes hipótesis que han permitido desarrollar el prototipo desde los campos de diseño, dinámica y control de sistemas.

La fase de diseño presenta un prototipo útil que permite obtener parámetros coherentes para el modelado y control del mismo. Mediante un modelo en tres dimensiones, se obtiene el dimensionamiento, parámetros másicos y fuerza de empuje.

La etapa de modelado comprende el desarrollo de un sistema de ecuaciones no lineal que representa la dinámica del dron. Los fenómenos físicos más importantes se han incluido, desarrollando así las fuerzas y momentos que actúan sobre el cuadricóptero.

La fase de control abarca la evolución de los algoritmos y arquitectura de los controladores implementados con el objetivo de cumplir con los requerimientos de la misión de diseño. Se desarrolla finalmente un controlador lineal cuadrático integral que permite resolver la sobreactuación del sistema. Este controlador permite el seguimiento de posición en los 3 ejes y el control del ángulo de guiñada con un error de posición nulo.

La misión de diseño se ha simulado para aunar los resultados de las diferentes etapas de desarrollo del dron. La integración se realizó satisfactoriamente y se demostró el seguimiento consecutivo de referencias, probando así la viabilidad de la aeronave.

[EN] The main objective of this project is to present a feasible quadcopter for efficient payload transportation. For this purpose, a 2-Degree of Freedom tiltrotor drone has been developed.

To properly enclose this project, several assumptions were made which allowed presenting a prototype in several fields such as design, dynamics and control.

The design stage presents a useful prototype to obtain coherent parameters for the modelling and control sections. It stages a three-dimensional model from which dimensions, mass, inertia and thrust parameters were obtained.

The modelling phase comprehends the development of the nonlinear dynamic system of equations. The most important physical phenomena were included to properly model the forces and moments acting on the quadcopter.

The control stage addresses the development of several control architectures and algorithms to fulfil the mission requirements. It finally develops a Linear Quadratic Integral regulator to solve the multimodality of the system. Position tracking and yaw control were achieved with zero position error.

The design mission was finally simulated to reproduce the results of the different development phases. The integration was performed successfully and consecutive reference tracking proved the viability of the quadcopter.