Desarrollo del sistema de control con seguimiento de trayectorias de un cuadrotor para captura de imágenes en afloramientos geológicos de difícil acceso
El trabajo elaborado presenta el diseño, simulación e implementación de dos estrategias de control, PID en su configuración de control proporcional y derivativo (PD), y LQG de 2 grados de libertad (LQR y observador de Luenberger), para ello se comienza por plasmar el modelo matemático del drone, seg...
- Autores:
-
Mejía Espitia, Julián Arturo
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2021
- Institución:
- Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB
- Repositorio:
- Repositorio UNAB
- Idioma:
- spa
- OAI Identifier:
- oai:repository.unab.edu.co:20.500.12749/13725
- Acceso en línea:
- http://hdl.handle.net/20.500.12749/13725
- Palabra clave:
- Mechatronic
Mathematical model
Drone
Afloramientos geológicos
Remotely piloted vehicles
Remote control
Artificial intelligence
Programming
Mecatrónica
Vehículos piloteados de forma remota
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Development of the control system with tracking of the trajectories of a quadrotor for capturing images in geological outcrops that are difficult to access |
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El trabajo elaborado presenta el diseño, simulación e implementación de dos estrategias de control, PID en su configuración de control proporcional y derivativo (PD), y LQG de 2 grados de libertad (LQR y observador de Luenberger), para ello se comienza por plasmar el modelo matemático del drone, seguido de simulaciones para corroborar el modelo, se presenta también la identificación de parámetros del modelo, tales como la masa, momentos de inercia y fuerzas de empuje generadas por los motores, con el fin de ajustar el modelo a parámetros reales del sistema. Para la fase de implementación se elabora un plan de pruebas para control de orientación y para ello se utiliza la controladora de vuelo PX4 la cual es utilizada para proyectos de desarrollo, logrando modificar partes de su código desde Simulink y observando en tiempo real variables de control y actuación del sistema. Se incluye en la sección de resultados, el estado de implementación de las 2 estrategias de control planteadas, para las orientaciones (variables roll, pitch e yaw). |
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Para la fase de implementación se elabora un plan de pruebas para control de orientación y para ello se utiliza la controladora de vuelo PX4 la cual es utilizada para proyectos de desarrollo, logrando modificar partes de su código desde Simulink y observando en tiempo real variables de control y actuación del sistema. Se incluye en la sección de resultados, el estado de implementación de las 2 estrategias de control planteadas, para las orientaciones (variables roll, pitch e yaw).INTRODUCCION ..................................................................................................... 1 1. MARCO TEORICO ........................................................................................... 2 1.1. Historia de los Vehículos Aéreos no Tripulados (UAV) ............................... 2 1.2. Clasificación de los vehículos aéreos no tripulados (UAV) ......................... 6 1.3. Quadrotor: Definición ................................................................................ 10 1.4. Multi-rotores .............................................................................................. 11 2. ESTADO DEL ARTE ....................................................................................... 13 3. OBJETIVOS .................................................................................................... 14 3.1. Objetivo General ....................................................................................... 14 3.2. Objetivos Específicos ................................................................................ 14 4. METODOLOGIA ............................................................................................. 15 5. MODELAMIENTO MATEMATICO DEL QUADROTOR .................................. 17 5.1. Modelo Dinámico ...................................................................................... 17 5.2. Modelo CAD Intel Aero Ready to Fly ........................................................ 21 5.3. Simulación por FEM para verificación de resistencia de la jaula .............. 24 5.4. Identificación de Parámetros .................................................................... 29 5.4.1. Masas ................................................................................................. 29 5.4.2. Momentos de inercia .......................................................................... 30 5.4.3. Fuerza de Empuje .............................................................................. 31 5.5. Sintonización de modelo teórico a partir de datos experimentales. .......... 33 6. DISEÑO Y SIMULACION DEL CONTROLADOR ........................................... 35 6.1. Control de Orientación y Altitud ................................................................ 35 6.1.1. Modelo matemático Lineal, representación en espacio de estados. .. 35 6.1.2. Representación del modelo en espacio de estados en simulink, Matlab 39 6.1.3. Control PID ......................................................................................... 42 6.1.4. Simulación controlador PID (PD_Pseudo derivador) .......................... 42 6.1.5. Control LQR ....................................................................................... 44 6.1.6. Simulación del Controlador LQR ........................................................ 45 6.1.7. Observador para estimación de estados usando ubicación de polos.47 6.1.8. Unificación de control LQR con observador por ubicación de polos (LQG 2DOF) ................................................................................................... 49 6.2. Control para posición X e Y ...................................................................... 50 6.2.1. Ecuaciones de transformación para roll y pitch .................................. 50 6.2.2. Diseño del controlador ....................................................................... 51 6.2.3. Simulación para el control de posición y orientación .......................... 52 6.2.4. Comparación de controladores (PID, LQG 2DOF) ............................. 57 7. CARACTERISTICAS DEL DRONE, HARDWARE Y SOFTWARE ................. 59 7.1. Intel Aero Ready to Fly Drone (Frame) ..................................................... 59 7.2. Pixhawk 4 mini (Flight Controller) ............................................................. 59 7.2.1. Características o especificaciones PX4 mini ...................................... 59 7.2.2. Interfaces ........................................................................................... 60 7.2.3. Pinouts o Conexiones ........................................................................ 61 7.2.4. Dimensiones....................................................................................... 61 7.3. Estructura de control para multicopteros PX4 ........................................... 61 7.3.1. Estructura de control de velocidades angulares. ................................ 62 7.3.2. Estructura de control de orientación ................................................... 62 7.3.3. Estructura de control de velocidad ..................................................... 62 7.3.4. Estructura de control para posiciones. ............................................... 63 7.4. Holybro Telemetry Radio .......................................................................... 63 7.4.1. Especificaciones Técnicas ................................................................. 64 7.5. Qgroundcontrol, configuración y calibración de sensores Pixhawk 4 mini. 64 7.5.1. Firmware ............................................................................................ 64 7.5.2. Fuselaje, frame o marco ..................................................................... 65 7.5.3. Calibración de Sensores .................................................................... 65 8. IMPLEMENTACION........................................................................................ 69 8.1. Planta de pruebas e implementación ........................................................ 69 8.2. Construcción Firmware PX4 para el Drone ............................................... 70 8.2.1. Instalación toolbox Matlab .................................................................. 70 8.2.2. Configuración del paquete de soporte ................................................ 71 8.3. Primeros programas con PX4 y Simulink. ................................................. 72 8.3.1. Lectura de giróscopo PX4 con Simulink ............................................. 73 8.3.2. Verificación de activación de motores con simulink. ........................... 74 8.3.3. Programa de activación y desactivación de motores .......................... 75 8.3.4. Diseño, construcción e implementación de un control PID y LQG 2dof para orientación en la controladora de vuelo PX4 .......................................... 75 9. RESULTADOS ............................................................................................... 79 9.1. Pruebas de vuelo controlador por defecto ................................................ 79 9.1.1. Zonas de pruebas para vuelo del Drone ............................................ 82 9.2. Pruebas controladas de implementación .................................................. 82 9.2.1. Resultados de implementación bajo ambiente controlado (control de roll, pitch y yaw) .............................................................................................. 83 10. ALCANCE DEL PROYECTO ....................................................................... 87 11. CONCLUSIONES ........................................................................................ 90 ANEXOS ................................................................................................................ 91 12. TRABAJOS FUTUROS ................................................................................ 93 13. BIBLIOGRAFIA ............................................................................................ 94PregradoThe work prepared presents the design, simulation and implementation of two control strategies, PID in its proportional and derivative control configuration (PD), and LQG with 2 degrees of freedom (LQR and Luenberger observer), for which it begins by capturing The mathematical model of the drone, followed by simulations to corroborate the model, also presents the identification of model parameters, such as mass, moments of inertia and thrust forces generated by the motors, in order to adjust the model to parameters actual system. For the implementation phase, a test plan for orientation control is elaborated and for this the PX4 flight controller is used, which is used for development projects, managing to modify parts of its code from Simulink and observing control variables in real time. and system performance. The status of implementation of the 2 control strategies proposed for the orientations (variables roll, pitch and yaw) is included in the results section.Modalidad Presencialapplication/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)info:eu-repo/semantics/openAccesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 ColombiaDesarrollo del sistema de control con seguimiento de trayectorias de un cuadrotor para captura de imágenes en afloramientos geológicos de difícil accesoDevelopment of the control system with tracking of the trajectories of a quadrotor for capturing images in geological outcrops that are difficult to accessIngeniero MecatrónicoUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABFacultad IngenieríaPregrado Ingeniería Mecatrónicainfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisTrabajo de Gradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPMechatronicMathematical modelDroneAfloramientos geológicosRemotely piloted vehiclesRemote controlArtificial intelligenceProgrammingMecatrónicaVehículos piloteados de forma remotaControl remotoInteligencia artificialProgramaciónModelo matemáticoDroneAfloramientos geológicos[1] B. 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