Diseño y validación experimental del control de un Quadrotor basado en un sistema de posicionamiento OptiTrack

Abstract

The objective of this work is the design and validation of the control of a quadrotor, including the development of its dynamic model, as well as its physical construction. For flight control, a Raspberry Pi device will be employed. The dynamic model of the quadrotor is obtained through physics, specifically through the Lagrangian formulation that allows you to obtain the variables based on time for a system. Thus, through the model, we have access to the variables that represent the position and orientation of the quadrotor. For the construction of the quadrotor, different elements are employed on a prefabricated platform. These elements are fitted onto the platform and are connected to achieve proper communication between them. The whole set of elements, which require a previous calibration, are directed by the controller, located in the center of the platform. During the build, the motors with their corresponding drivers are connected to the Raspberry, which sends the control signal. The Raspberry will receive data from the inertial measurement unit, placed in the center of the platform, at a higher level. To simplify the joining of these elements in the body of the drone, a PCB plate will be made that will facilitate the connection and avoid the excess of cables in the quadrotor. During the work, pertinent simulations will also be carried out to obtain appropriate control. These simulations will be performed using Simulink graphic programming environment, integrated with MATLAB®. To complement the simulation, a quadrotor model will be introduced using Autodesk Inventor Pro 2017, a 3D design program widely used in engineering.

El objeto del presente trabajo es el diseño y la validación del control de un quadrotor, incluyendo el desarrollo de su modelo dinámico, así como su construcción física. Como controlador de vuelo se va a utilizar el dispositivo Raspberry pi. El modelo dinámico del quadrotor se obtiene mediante la física, concretamente mediante el lagrangiano que permite obtener las variables en función del tiempo para un sistema. Así pues mediante el modelo, se tiene acceso a las variables que representan la posición y la orientación del quadrotor. Para la construcción del quadrotor se emplean diferentes elementos sobre una plataforma prefabricada. Estos elementos se montan sobre la plataforma y se conectan para conseguir una comunicación adecuada entre ellos. Todo el conjunto de elementos, que requieren de una calibración previa, están dirigidos por el controlador situado en el centro de la plataforma. En la construcción se conectan los motores con sus respectivos drivers a la Raspberry, que envía la señal de control. La Raspberry recibirá los datos de la unidad de medición inercial, colocada en el centro de la plataforma, a un nivel más alto. Para simplificar la unión de estos elementos en el cuerpo del dron, se realizará una placa PCB que facilita la conexión y evita el exceso de cables en el quadrotor. Durante el trabajo, también se realizarán las simulaciones correspondientes para obtener el control adecuado, mediante controladores PID. Estas simulaciones se realizaran mediante el entorno grafico de programación Simulink, incluido en el programa MATLAB®. Para complementar la simulación, se introducirá un modelo del quadrotor hecho mediante Autodesk Inventor Professional 2017, un programa de diseño 3D ampliamente usado en ingeniería.

L'objecte d'aquest treball és el disseny i la validació del control d'un quadrotor, que hi inclou el desenvolupament del seu model dinàmic, així com la seua construcció física. Com a controlador de vol s'utilitzarà el dispositiu Raspberry pi. El model dinàmic del quadrotor s'obté per mitjà de la física, concretament per mitjà del lagrangià que permet obtindre les variables en funció del temps per a un sistema. Així doncs per mitjà del model, es té accés a les variables que representen la posició i l'orientació del quadrotor. Per a la construcció del quadrotor s'empren diversos elements sobre una plataforma prefabricada. Aquests elements es munten sobre la plataforma i es connecten per a aconseguir una comunicació adequada entre aquests. Tot el conjunt d'elements, que requereixen d'un calibratge previ, estan dirigits pel controlador situat en el centre de la plataforma. En la construcció es connecten els motors amb els seus respectius drivers a la Raspberry, que envia el senyal de control. La Raspberry rebrà les dades de la unitat de mesurament inercial, col·locada en el centre de la plataforma, a un nivell més alt. Per a simplificar la unió d'aquests elements en el cos del dron, es realitzarà una placa PCB que facilita la connexió i evita l'excés de cables en el quadrotor. Durant el treball, també es realitzaran les simulacions corresponents per a obtindre el control adequat. Aquestes simulacions es realitzaran per mitjà de l'entorn gràfic de programació Simulink, inclòs en el programa MATLAB®. Per a complementar la simulació, s'introduirà un model del quadrotor fet per mitjà d'Autodesk Inventor Professional 2017, un programa de disseny 3D àmpliament usat en enginyeria.