Desarrollo de un sistema de control de la orientación de un Quadrotor basado en Quaterniones y en una técnica de estimación de la incertidumbre de modelado

Abstract

[ES] El uso de cuaterniones para la determinación de la orientación de sólidos en el espacio ha demostrado tener numerosas ventajas. En concreto, comparado con el enfoque tradicional basado en ángulos de Euler, permiten eliminar de las matrices de rotación las ambigüedades matemáticas que aparecen, y disminuyen notablemente las no-linealidades del modelo cinemático. Otro problema muy importante, es la ausencia de un modelo dinámico exacto que sea suficientemente válido para diseñar controles suficientemente robustos en quadrotors.En el presente trabajo se analizará y discutirá el uso de cuaterniones como medio para resolver el problema de control de la orientación de quadrotors. Se diseñará y simulará un control cinemático empleando quaterniones que permita eliminar los problemas que aparecen derivados de los ángulos de Euler. Una vez resuelto el problema cinemático, se planteará la integración de este enfoque con el los controles basados en rechazo de perturbaciones (Active Disturbance Rejection Control, ADRC) con objeto de hacer frente, además, a errores importantes de modelado.Una vez verificados los controladores mediante simulaciones, se programarán en una plataforma real

[EN] In the present document the use of quaternions as a tool for solving the attitude control problem for aerial vehicles is presented and discussed. Its main properties are shown and some of them are also demonstrated. Moreover, this document details how to solve an important problem involving quaternions, which is how to obtain a realtime quaternion measurement from low-cost sensors employing C++ as programming language. MatLab and C++ code is given through the document. Its performance is also shown including an experiment with real sensor data. Furthermore, a quaternion-based attitude control system for aerial vehicles is developed. The proposal is made up of two interconnected controllers: an outer loop, which consists of a nonlinear quaternionbased controller, deals with the kinematic model; the inner loop is based on the Active Disturbance Rejection Control and deals with the dynamic model. The stability of each controller is proved and the global performance is illustrated through several simulations. This controller is particularized for quadrotors, but it can be easily generalized for any Remotely Piloted Aircraft Systems.