Simulación estructural de un Quadcopter de competición e implementación de técnicas de control

Abstract

[ES] El presente TFG surgió dentro del grupo de generación espontánea D.R.O.N.E, el cual presentaba una vertiente dedicada al diseño de quadcopters. En este trabajo se busca establecer el diseño de un quadcopter de competición, para ello se presentará el diseño CAD y el análisis estructural del frame. Posteriormente, se incidirá en la implementación de diversas técnicas de control para este tipo de aeronave. En primer lugar, se empieza con el estudio de las posibles configuraciones para un quadcopter, pasando por el diseño CAD y finalmente por la simulación mediante elementos finitos del elemento estructural conocido como frame. De las simulaciones estructurales se determinará la forma y espesor del frame, buscando minimizar el peso y obtener al mismo tiempo una estructura lo suficientemente rígida. Una vez obtenido el diseño CAD, se procede al análisis del mismo para obtener los diferentes parámetros necesarios para el modelado y control del quadcopter. Entre estos parámetros se encuentran principalmente la masa e inercias. Posteriormente, se realiza el modelado dinámico para obtener las ecuaciones que determinan el comportamiento de la aeronave. Esto constituye el primer paso para la implementación de las leyes de control. Existen diversas técnicas de control tanto lineales como no lineales, en este trabajo se buscará implementar las leyes de control PID, LQR y Backsteping. Las distintas leyes de control se implementarán en Simulink, aprovechando todas las facilidades que este proporciona. El control se realizará sobre la actitud y la altura de la aeronave, como se verá en el trabajo, controlar correctamente las variables de actitud es el primer paso para el control de posición. Finalmente, se compararán los resultados obtenidos, estableciendo las conclusiones oportunas.

[EN] This TFG emerged within the group D.R.O.N.E., which had a dedicated aspect to the design of quadcopters. The aim of this work is to establish the design of a competition quadcopter, for which the CAD design and structural analysis of the frame will be presented. Subsequently, the implementation of various control techniques for this type of aircraft will be discussed. First of all, we start with the study of the possible configurations for a quadcopter, then the CAD design and the structural simulation of the frame using finite elements are done. From the structural simulations, the shape and thickness of the frame will be determined, seeking to minimize the weight while obtaining a sufficiently rigid structure. Once the CAD design is obtained, it is analyzed to obtain the different parameters necessary for the modeling and control of the quadcopter. Among these parameters are mainly mass and inertia. The dynamic modeling is then performed to obtain the motion equations that determine the aircraft's behaviour. This is the first step in the implementation of control laws. There are several control techniques, linear and nonlinear, in this work we will seek to implement the laws of PID, LQR and Backsteping control. The different control laws will be implemented in Simulink, taking advantage of all the facilities it provides. The control will be carried out on the attitude and height of the aircraft, as will be seen in the work, correctly controlling the attitude variables is the first step to position control. Finally, the results obtained will be compared and conclusions will be drawn.