Desarrollo de técnicas avanzadas de control para la estabilización de un Gimbal (2DOF)

Presenta el desarrollo y comparación de dos técnicas avanzadas de control, óptimo y robusto, con respecto a un controlador clásico PID para conocer si es posible generar mejores prestaciones al momento de estabilizar dispositivos de grabación que se encuentran instalados en Drones. Inicialmente, en...

Full description

Autores:: Gómez Gómez, Julián Andrés

Tipo de recurso:: Trabajo de grado de pregrado

Fecha de publicación:: 2020

Institución:: Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB

Repositorio:: Repositorio UNAB

Idioma:: spa

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description	Presenta el desarrollo y comparación de dos técnicas avanzadas de control, óptimo y robusto, con respecto a un controlador clásico PID para conocer si es posible generar mejores prestaciones al momento de estabilizar dispositivos de grabación que se encuentran instalados en Drones. Inicialmente, en el capítulo 9, se muestra el modelado matemático del Gimbal el cual se obtiene por el método de Lagrange y la teoría de circuitos eléctricos. Posteriormente, en el capítulo 11, se presenta el diseño de tres controladores, uno clásico PID y dos avanzados en la estrategia LQG y sensibilidad mixta ∞. Por último, en el capítulo 12, se validan cada una de las estrategias de control, mediante una plataforma electromecánica que permite simular la orientación del Drone en 3D. El diseño y construcción de la plataforma se muestra en el capítulo 7. En el modelado matemático se muestran las ecuaciones de manera secuencial, las cuales parten desde las matrices de transformación homogénea del sistema Gimbal, hasta llegar a establecer la igualdad que relaciona el PWM para los motores y la dinámica de la estructura mecánica. Al validar el modelo matemático se muestran los pasos para obtener el modelo de bloques en la interfaz Simmechanics, partiendo de un modelo CAD. La estrategia de control PID se diseña de forma empírica, mientras que la LQG y Loop shaping, se realiza partiendo del modelo matemático linealizado. Para simular las perturbaciones producto de los cambios en la orientación del Drone, se diseña una secuencia para la plataforma en el entorno Simulink, la cual se ejecuta para cada uno de los controladores anteriormente mencionados. Finalizando, se muestran los resultados obtenidos, de manera gráfica, para cada una de las estrategias, su discusión y conclusiones respectivas. Cabe a aclarar que, la validación no solamente es gráfica, sino que también se realiza captura de imagen mediante la cámara.
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[Último acceso: 5 8 2019]. [8] InvenSense.inc, «InvenSense,» [En línea]. Available: https://www.invensense.com/wp-content/uploads/2015/02/MPU-6000-Register-Map1.pdf. [Último acceso: 6 11 2019]. [9] A. Alomar, «Sinaptec,» 15 10 2017. [En línea]. Available: http://www.sinaptec.alomar.com.ar/2017/10/tutorial-23-esp8266-obtener-inclinacion.html. [Último acceso: 6 11 2019]. [10] Denyssene, «Github,» 01 06 2016. [En línea]. Available: https://github.com/denyssene/SimpleKalmanFilter. [Último acceso: 06 11 2019]. [11] Pozo, Sotomayor, Rosero y Morales, «Medición de Ángulos de Inclinación por Medio de Fusión Sensorial Aplicando Filtro de Kalman,» Quito, 2014. [12] M. Morales, «T°Beam,» 4 2 2017. [En línea]. Available: https://teslabem.com/nivel-intermedio/fundamentos-del-protocolo-i2c-aprende/. [Último acceso: 5 8 2019]. [13] C. Zepeda, «Pinterest,» [En línea]. Available: https://images.app.goo.gl/5khKSurpVu73wsWSA. [Último acceso: 1 8 2019]. [14] hobbyking, «hobbyking,» [En línea]. Available: https://hobbyking.com/en_us/quanum-2208-precision-brushless-gimbal-motor-gopro-size-100-200g.html?___store=en_us. [Último acceso: 14 11 2019]. [15] L. Eitel, «Motion Control Tips,» 05 06 2018. [En línea]. Available: https://www.motioncontroltips.com/motors-industrial-power-tools-comparison-of-brushless-dc-options-including-slotless-motor-variations/. [Último acceso: 25 10 2019]. [16] electrical4u, «electrical4u,» 25 04 2019. [En línea]. Available: https://www.electrical4u.com/brushless-dc-motors/. [Último acceso: 25 10 2019]. [17] MathWorks, «MathWorks,» [En línea]. Available: https://la.mathworks.com/solutions/power-electronics-control/bldc-motor-control.html?s_eid=PSM_15028. [Último acceso: 26 10 2019]. [18] S. Lee y L. Tom , «A comparison study of the commutation methods for the three-phase permanent magnet brushless DC motor» [19] M. Ulusoy, «MathWorks,» [En línea]. Available: https://la.mathworks.com/videos/brushless-dc-motors-introduction-1564728874059.html. [Último acceso: 26 10 201]. [20] S. A. Reyes Sierra, «Control híbrido de motores DC sin escobillas usando FPGA,» Puebla, 2013. [21] S. ME, S. Priyadharshini y S. Saranya, «Sensorless Control of a Brushless DC Motor». [22] I. G. Raza, «Sensorless Rotor Position Estimation For Brushless DC Motor,» 2016 [23] C. J. Gamazo Real, E. Vázquez Sánchez y J. Gomez Gil, «Position and Speed Control of Brushless DC Motors Using Sensorless Techniques and Application Trends,» España, 2010 [24] J. Hernádez Coyotzi, «Diseño e implementación de un driver y un controlador para un motor BLDC,» Mexico, 2016. [25] O. F. Becerra Angarita, «Control de motor sin escobillas,» Bucaramanga, 2011. [26] J. Zhao y Y. Yu, «Brushless DC Motor Fundamentals,» 2011. [27] D. Collins, «Motion Control Tips,» 28 04 2016. [En línea]. Available: https://www.motioncontroltips.com/faq-trapezoidal-back-emf/. [Último acceso: 4 11 2019]. [28] Y. Padmaraja, «Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals» [29] P. Flores Hornero, «Driver basado en procesador ARM 32 Bits para un motor DC Brushless de tres fases empleando la técnica de campo orientado,» Madrid [30] D. Collins, «Motion Control Tips,» 6 11 2016. [En línea]. Available: https://www.motioncontroltips.com/what-is-sinusoidal-commutation-for-dc-motors/. [Último acceso: 4 11 2019] [31] R. Juanpere Tolrà, «Técnicas de control para motores Brushless Comparativa entre conmutación trapezoidal, conmutación Sinusoidal y Control Vectorial,» Barcelona. [32] P. Pickering, «Electronic Desing,» 12 02 2018. [En línea]. Available: https://www.electronicdesign.com/automotive/sine-times-bldc-motors. [Último acceso: 04 11 2019]. [33] F. Berk Cakar, «Optimal BLDC Motor Control for Autonomous Driving of RC Cars,» Viena, 2017 [34] J. J. González Cárdenas, «Modelado y Control de una Plataforma Inercial estabilizadora,» Sevilla, 2015. [35] K.-J. Seong, H.-G. Kang, B.-Y. Yeo y H.-P. lee, «The Stabilization Loop Design for a Two-Axis Gimbal System Using LQG/LTR Controller,» Korea, 2006 [36] R. N. Jazar, Theory of Applied Robotics, 2010 [37] C. Albea Sanchez, M. G. Ortega, F. Salas y F. Rubio, «Aplicación del control H infinito al PPCar,» 2011. [38] I. The MathWorks, «la.mathworks,» [En línea]. Available: https://la.mathworks.com/help/robust/gs/using-mixsyn-for-h-infinity-loop-shaping.html. [Último acceso: 12 10 2020]. [39] L. Llamas, «Luis Llamas, Ingeniería, informática y diseño.,» 29 04 2019. [En línea]. Available: https://www.luisllamas.es/teoria-de-control-en-arduino-el-controlador-pid/. [40] B. UDLAP, «catarina,» [En línea]. Available: http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lep/arreortua_n_a/capitulo2.pdf. [Último acceso: 28 12 2019]. [41] L. T. e. e. b. d. tiempo, «Lirtex,» [En línea]. Available: http://www.lirtex.com/. [Último acceso: 28 12 2019 [42] electronicoscaldas, «electronicoscaldas,» [En línea]. Available: https://www.electronicoscaldas.com/datasheet/MG996R_Tower-Pro.pdf. [Último acceso: 29 12 2019] [43] M. I. d. P. S.A., «mipsa,» [En línea]. Available: https://www.mipsa.com.mx/dotnetnuke/Sabias-que/Clasificacion-de-aluminio. [Último acceso: 30 12 2019]. [44] ingemecánica, «ingemecanica,» [En línea]. Available: https://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn110.html. [Último acceso: 30 12 2019]. [45] U. Jaume, «Google Sites,» [En línea]. Available: https://sites.google.com/view/poliacidolactico-coma/poli%C3%A1cido-l%C3%A1ctico/propiedades-del-pla. [Último acceso: 30 12 2019]. [46] D. Arrigo, «STMicroelectronics, L6234 THREE PHASE MOTOR DRIVER.,» [En línea]. Available: https://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/application_not 153 e/78/44/47/d5/a8/63/4a/8e/CD00004062.pdf/files/CD00004062.pdf/jcr:content/translations/en.CD00004062.pdf. [Último acceso: 24 10 2019]. [47] e. inc., «eBay,» 11 08 2019. [En línea]. Available: https://www.ebay.com/itm/HOT-CNC-FPV-Quadcopter-BGC-2-Axis-Brushless-Gimbal-w-Controller-for-DJI-L4A2-/253963530334. [Último acceso: 06 09 2019]. [48] Giorgio, «Grabcad,» 26 02 2014. [En línea]. Available: https://grabcad.com/library/gimbal-brushless-gopro-1. [Último acceso: 07 09 2019]. [49] Sweber, «Stack Exchange,» 27 05 2015. [En línea]. Available: https://electronics.stackexchange.com/questions/172614/how-to-calculate-the-rms-of-an-ac-pwm. [50] F. y. Drones, «fotografiaydrones,» [En línea]. Available: https://fotografiaydrones.com/nuevo-dron-con-2-horas-de-autonomia. [51] B. Electronics, «BaseCam Electronics,» [En línea]. Available: https://www.basecamelectronics.com/downloads/32bit/. [Último acceso: 06 09 2019]. [52] j. alois61, «sourceforge,» [En línea]. Available: https://sourceforge.net/projects/brushless-gimbal-brugi/. [Último acceso: 16 10 2020]. [53] A. Microsystems, «datasheetspdf,» [En línea]. Available: https://datasheetspdf.com/pdf-file/666500/austriamicrosystemsAG/AS5145/1. [Último acceso: 16 10 2020].
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Inicialmente, en el capítulo 9, se muestra el modelado matemático del Gimbal el cual se obtiene por el método de Lagrange y la teoría de circuitos eléctricos. Posteriormente, en el capítulo 11, se presenta el diseño de tres controladores, uno clásico PID y dos avanzados en la estrategia LQG y sensibilidad mixta ∞. Por último, en el capítulo 12, se validan cada una de las estrategias de control, mediante una plataforma electromecánica que permite simular la orientación del Drone en 3D. El diseño y construcción de la plataforma se muestra en el capítulo 7. En el modelado matemático se muestran las ecuaciones de manera secuencial, las cuales parten desde las matrices de transformación homogénea del sistema Gimbal, hasta llegar a establecer la igualdad que relaciona el PWM para los motores y la dinámica de la estructura mecánica. Al validar el modelo matemático se muestran los pasos para obtener el modelo de bloques en la interfaz Simmechanics, partiendo de un modelo CAD. La estrategia de control PID se diseña de forma empírica, mientras que la LQG y Loop shaping, se realiza partiendo del modelo matemático linealizado. Para simular las perturbaciones producto de los cambios en la orientación del Drone, se diseña una secuencia para la plataforma en el entorno Simulink, la cual se ejecuta para cada uno de los controladores anteriormente mencionados. Finalizando, se muestran los resultados obtenidos, de manera gráfica, para cada una de las estrategias, su discusión y conclusiones respectivas. Cabe a aclarar que, la validación no solamente es gráfica, sino que también se realiza captura de imagen mediante la cámara.1 INTRODUCCIÓN. ............................................................................................. 20 2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. ............................................................ 21 3 JUSTIFICACIÓN. ............................................................................................. 22 4 OBJETIVOS. .................................................................................................... 23 4.1 GENERAL ..................................................................................................... 23 4.2 ESPECÍFICOS............................................................................................... 23 5 ESTADO DEL ARTE. ....................................................................................... 24 6 MARCO TEÓRICO. .......................................................................................... 25 6.1 UNIDAD DE MEDICIÓN INERCIAL (IMU) ..................................................... 25 6.1.1 FILTRO COMPLEMENTARIO .................................................................... 27 6.1.2 SIMPLE KALMAN FILTER .......................................................................... 28 6.1.3 ESTIMADOR DE KALMAN ......................................................................... 28 6.2 COMUNICACIÓN I2C .................................................................................... 30 6.3 FUERZA CONTRA ELECTROMOTRIZ (BEMF) ........................................... 30 6.4 ECUACIÓN DE LAGRANGE ........................................................................ 31 6.5 GIMBAL ........................................................................................................ 31 6.5.1 MOTOR SIN ESCOBILLAS (BRUSHLESS) ................................................ 32 6.5.1.1 FUNCIONAMIENTO ................................................................................ 34 6.5.1.2 TÉCNICAS DE CONMUTACIÓN ............................................................. 38 6.5.1.3 MODELO MATEMÁTICO ........................................................................ 44 6.5.2 ESTRUCTURA MECÁNICA........................................................................ 46 6.5.2.1 MODELO MATEMÁTICO ........................................................................ 47 6.6 PWM .............................................................................................................. 50 6.7 CONTROLADOR ∞ LINEAL ..................................................................... 50 6.8 LQG ............................................................................................................... 53 6.9 PID ................................................................................................................. 56 7 PLATAFORMA DE PRUEBAS. ....................................................................... 57 7.1 DISEÑO MECÁNICO ..................................................................................... 57 7.2 DISEÑO ELECTRÓNICO .............................................................................. 66 7.3 CONSTRUCCIÓN ......................................................................................... 67 7.4 INTERFAZ DE CONTROL ............................................................................. 68 8 TARJETA DE CONTROL. ............................................................................... 70 8.1 DISEÑO ......................................................................................................... 70 8.2 CONSTRUCCIÓN ......................................................................................... 74 9 SISTEMA GIMBAL. .......................................................................................... 76 9.1 VALIDACIÓN MODELO ESTRUCTURA MECÁNICA .................................. 77 9.2 VALIDACIÓN MODELO MOTOR SIN ESCOBILLAS ................................... 79 9.3 MODELO SISTEMA GIMBAL ....................................................................... 83 10 PRUEBAS EXPERIMENTALES PREVIAS. ................................................... 86 10.1 FILTRADO .................................................................................................... 86 10.2 MOTORES .................................................................................................... 95 10.2.1 PWM SENOIDAL ........................................................................................ 95 10.2.2 CORRIENTE............................................................................................... 96 10.2.3 TEMPERATURA ....................................................................................... 100 10.3 SECUENCIA DE PERTURBACIÓN ............................................................ 101 10.4 MODELO MATEMÁTICO Y SISTEMA FÍSICO ........................................... 103 11 DISEÑO DE CONTROLADORES. ............................................................... 107 11.1 LINEALIZACIÓN ......................................................................................... 107 11.2 PID ............................................................................................................... 109 11.3 LQG ............................................................................................................. 109 11.4 SENSIBILIDAD MIXTA H∞ ......................................................................... 112 12 IMPLEMENTACIÓN DE CONTROLADORES. ............................................ 116 12.1 PID ............................................................................................................... 116 12.2 LQG ............................................................................................................. 118 12.3 SENSIBILIDAD MIXTA H∞ ......................................................................... 123 12.4 COMPARACIÓN SIMULADA Y EXPERIMENTAL...................................... 126 8 12.4.1 INDUCTANCIA EN EL MODELO .............................................................. 126 12.4.2 PID ............................................................................................................ 135 12.4.3 LQG .......................................................................................................... 140 12.4.4 SENSIBILIDAD MIXTA H∞ ....................................................................... 142 12.4.5 COMPARACIÓN DE LAS ESTRATEGIAS ............................................... 144 CONCLUSIONES ................................................................................................ 148 REFERENCIAS ................................................................................................... 150PregradoIt presents the development and comparison of two advanced control techniques, optimal and robust, with respect to a classic PID controller to find out if it is possible to generate better performance when stabilizing recording devices that are installed in Drones. Initially, in chapter 9, the mathematical modeling of the Gimbal is shown, which is obtained by the Lagrange method and the theory of electrical circuits. Later, in chapter 11, the design of three controllers is presented, one classic PID and two advanced in the LQG strategy and mixed sensitivity ∞. Finally, in chapter 12, each of the control strategies is validated, using an electromechanical platform that allows simulating the orientation of the Drone in 3D. The design and construction of the platform is shown in Chapter 7. In the mathematical modeling, the equations are shown sequentially, which start from the homogeneous transformation matrices of the Gimbal system, until the equality that relates the PWM for the motors and the dynamics of the mechanical structure is established. When validating the mathematical model, the steps to obtain the block model are shown in the Simmechanics interface, starting from a CAD model. The PID control strategy is designed empirically, while LQG and Loop shaping are carried out based on the linearized mathematical model. To simulate the disturbances caused by changes in the drone's orientation, a sequence is designed for the platform in the Simulink environment, which is executed for each of the aforementioned controllers. Finally, the results obtained are shown, graphically, for each of the strategies, their discussion and respective conclusions. It should be clarified that the validation is not only graphic, but also image capture is performed using the camera.application/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 de técnicas avanzadas de control para la estabilización de un Gimbal (2DOF)Development of advanced control techniques for stabilizing a Gimbal (2DOF)Ingeniero 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/TPMechatronicGimbalDronesMathematical modelingProgrammable controllersControl theorySimulation methodsCapture deviceRotation axesMecatrónicaControladores programablesTeoría del controlMétodos de simulaciónGimbalDronesModelado matemáticoDispositivo de capturaEjes de rotación[1] A. Ramos Fernández y R. Flores Flores, «Diseño, construcción y control de un sistema estabilizador para smartphone: gimbal,» México, 2018.[2] dji, «dji,» 20 09 2018. [En línea]. Available: https://dl.djicdn.com/downloads/Ronin-S/20180920/Ronin_S_User_Manual_v1.2.pdf. [Último acceso: 8 8 2019].[3] basecamelectronics, « basecamelectronics,» [En línea]. Available: https://www.basecamelectronics.com/company/. [Último acceso: 8 8 2019].[4] S.-K. Y. Chin E. Lin, C. E. Lin y S. Kai Yang, «Camera Gimbal Tracking from UAV Fligth Control,» de Internation Automatic Control Conference, Taiwan, 2014[5] E. Poyrazoglu, «Detailed Modeling and Control of a 2-DOF Gimbal System,» 2017[6] A. Algoz y A. Asef Hasnain, «A control system for a 3-Axis camera stabilizer,» Uppsala University, Upsala, 2018.[7] Tutoriales, «Naylamp Mechatronics,» [En línea]. Available: https://naylampmechatronics.com/blog/45_Tutorial-MPU6050-Aceler%C3%B3metro-y-Giroscopio.html. [Último acceso: 5 8 2019].[8] InvenSense.inc, «InvenSense,» [En línea]. Available: https://www.invensense.com/wp-content/uploads/2015/02/MPU-6000-Register-Map1.pdf. [Último acceso: 6 11 2019].[9] A. Alomar, «Sinaptec,» 15 10 2017. [En línea]. Available: http://www.sinaptec.alomar.com.ar/2017/10/tutorial-23-esp8266-obtener-inclinacion.html. [Último acceso: 6 11 2019].[10] Denyssene, «Github,» 01 06 2016. [En línea]. Available: https://github.com/denyssene/SimpleKalmanFilter. [Último acceso: 06 11 2019].[11] Pozo, Sotomayor, Rosero y Morales, «Medición de Ángulos de Inclinación por Medio de Fusión Sensorial Aplicando Filtro de Kalman,» Quito, 2014.[12] M. Morales, «T°Beam,» 4 2 2017. [En línea]. Available: https://teslabem.com/nivel-intermedio/fundamentos-del-protocolo-i2c-aprende/. [Último acceso: 5 8 2019].[13] C. Zepeda, «Pinterest,» [En línea]. Available: https://images.app.goo.gl/5khKSurpVu73wsWSA. [Último acceso: 1 8 2019].[14] hobbyking, «hobbyking,» [En línea]. Available: https://hobbyking.com/en_us/quanum-2208-precision-brushless-gimbal-motor-gopro-size-100-200g.html?___store=en_us. [Último acceso: 14 11 2019].[15] L. Eitel, «Motion Control Tips,» 05 06 2018. [En línea]. Available: https://www.motioncontroltips.com/motors-industrial-power-tools-comparison-of-brushless-dc-options-including-slotless-motor-variations/. [Último acceso: 25 10 2019].[16] electrical4u, «electrical4u,» 25 04 2019. [En línea]. Available: https://www.electrical4u.com/brushless-dc-motors/. [Último acceso: 25 10 2019].[17] MathWorks, «MathWorks,» [En línea]. Available: https://la.mathworks.com/solutions/power-electronics-control/bldc-motor-control.html?s_eid=PSM_15028. [Último acceso: 26 10 2019].[18] S. Lee y L. Tom , «A comparison study of the commutation methods for the three-phase permanent magnet brushless DC motor»[19] M. Ulusoy, «MathWorks,» [En línea]. Available: https://la.mathworks.com/videos/brushless-dc-motors-introduction-1564728874059.html. [Último acceso: 26 10 201].[20] S. A. Reyes Sierra, «Control híbrido de motores DC sin escobillas usando FPGA,» Puebla, 2013.[21] S. ME, S. Priyadharshini y S. Saranya, «Sensorless Control of a Brushless DC Motor».[22] I. G. Raza, «Sensorless Rotor Position Estimation For Brushless DC Motor,» 2016[23] C. J. Gamazo Real, E. Vázquez Sánchez y J. Gomez Gil, «Position and Speed Control of Brushless DC Motors Using Sensorless Techniques and Application Trends,» España, 2010[24] J. Hernádez Coyotzi, «Diseño e implementación de un driver y un controlador para un motor BLDC,» Mexico, 2016.[25] O. F. Becerra Angarita, «Control de motor sin escobillas,» Bucaramanga, 2011.[26] J. Zhao y Y. Yu, «Brushless DC Motor Fundamentals,» 2011.[27] D. Collins, «Motion Control Tips,» 28 04 2016. [En línea]. Available: https://www.motioncontroltips.com/faq-trapezoidal-back-emf/. [Último acceso: 4 11 2019].[28] Y. Padmaraja, «Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals»[29] P. Flores Hornero, «Driver basado en procesador ARM 32 Bits para un motor DC Brushless de tres fases empleando la técnica de campo orientado,» Madrid[30] D. Collins, «Motion Control Tips,» 6 11 2016. [En línea]. Available: https://www.motioncontroltips.com/what-is-sinusoidal-commutation-for-dc-motors/. [Último acceso: 4 11 2019][31] R. Juanpere Tolrà, «Técnicas de control para motores Brushless Comparativa entre conmutación trapezoidal, conmutación Sinusoidal y Control Vectorial,» Barcelona.[32] P. Pickering, «Electronic Desing,» 12 02 2018. [En línea]. Available: https://www.electronicdesign.com/automotive/sine-times-bldc-motors. [Último acceso: 04 11 2019].[33] F. Berk Cakar, «Optimal BLDC Motor Control for Autonomous Driving of RC Cars,» Viena, 2017[34] J. J. González Cárdenas, «Modelado y Control de una Plataforma Inercial estabilizadora,» Sevilla, 2015.[35] K.-J. Seong, H.-G. Kang, B.-Y. Yeo y H.-P. lee, «The Stabilization Loop Design for a Two-Axis Gimbal System Using LQG/LTR Controller,» Korea, 2006[36] R. N. Jazar, Theory of Applied Robotics, 2010[37] C. Albea Sanchez, M. G. Ortega, F. Salas y F. Rubio, «Aplicación del control H infinito al PPCar,» 2011.[38] I. The MathWorks, «la.mathworks,» [En línea]. Available: https://la.mathworks.com/help/robust/gs/using-mixsyn-for-h-infinity-loop-shaping.html. [Último acceso: 12 10 2020].[39] L. Llamas, «Luis Llamas, Ingeniería, informática y diseño.,» 29 04 2019. [En línea]. Available: https://www.luisllamas.es/teoria-de-control-en-arduino-el-controlador-pid/.[40] B. UDLAP, «catarina,» [En línea]. Available: http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lep/arreortua_n_a/capitulo2.pdf. [Último acceso: 28 12 2019].[41] L. T. e. e. b. d. tiempo, «Lirtex,» [En línea]. Available: http://www.lirtex.com/. [Último acceso: 28 12 2019[42] electronicoscaldas, «electronicoscaldas,» [En línea]. Available: https://www.electronicoscaldas.com/datasheet/MG996R_Tower-Pro.pdf. [Último acceso: 29 12 2019][43] M. I. d. P. S.A., «mipsa,» [En línea]. Available: https://www.mipsa.com.mx/dotnetnuke/Sabias-que/Clasificacion-de-aluminio. [Último acceso: 30 12 2019].[44] ingemecánica, «ingemecanica,» [En línea]. Available: https://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn110.html. [Último acceso: 30 12 2019].[45] U. Jaume, «Google Sites,» [En línea]. Available: https://sites.google.com/view/poliacidolactico-coma/poli%C3%A1cido-l%C3%A1ctico/propiedades-del-pla. [Último acceso: 30 12 2019].[46] D. Arrigo, «STMicroelectronics, L6234 THREE PHASE MOTOR DRIVER.,» [En línea]. Available: https://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/application_not 153 e/78/44/47/d5/a8/63/4a/8e/CD00004062.pdf/files/CD00004062.pdf/jcr:content/translations/en.CD00004062.pdf. [Último acceso: 24 10 2019].[47] e. inc., «eBay,» 11 08 2019. [En línea]. Available: https://www.ebay.com/itm/HOT-CNC-FPV-Quadcopter-BGC-2-Axis-Brushless-Gimbal-w-Controller-for-DJI-L4A2-/253963530334. [Último acceso: 06 09 2019].[48] Giorgio, «Grabcad,» 26 02 2014. [En línea]. Available: https://grabcad.com/library/gimbal-brushless-gopro-1. [Último acceso: 07 09 2019].[49] Sweber, «Stack Exchange,» 27 05 2015. [En línea]. Available: https://electronics.stackexchange.com/questions/172614/how-to-calculate-the-rms-of-an-ac-pwm.[50] F. y. Drones, «fotografiaydrones,» [En línea]. Available: https://fotografiaydrones.com/nuevo-dron-con-2-horas-de-autonomia.[51] B. Electronics, «BaseCam Electronics,» [En línea]. Available: https://www.basecamelectronics.com/downloads/32bit/. [Último acceso: 06 09 2019].[52] j. alois61, «sourceforge,» [En línea]. Available: https://sourceforge.net/projects/brushless-gimbal-brugi/. [Último acceso: 16 10 2020].[53] A. Microsystems, «datasheetspdf,» [En línea]. Available: https://datasheetspdf.com/pdf-file/666500/austriamicrosystemsAG/AS5145/1. [Último acceso: 16 10 2020].ORIGINAL2020_Tesis_Julian_Andres_Gomez_Gomez.pdf2020_Tesis_Julian_Andres_Gomez_Gomez.pdfTesisapplication/pdf7897410https://repository.unab.edu.co/bitstream/20.500.12749/12735/1/2020_Tesis_Julian_Andres_Gomez_Gomez.pdf4a4b8bbb3feffa92dfa5859ec6bc1254MD51open access2020-Licencia_Julian_Andres_Gomez_Gomez.pdf2020-Licencia_Julian_Andres_Gomez_Gomez.pdfLicenciaapplication/pdf168357https://repository.unab.edu.co/bitstream/20.500.12749/12735/2/2020-Licencia_Julian_Andres_Gomez_Gomez.pdfc2ffef95a9459b35e0939236c5958b29MD52metadata only accessLICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81748https://repository.unab.edu.co/bitstream/20.500.12749/12735/3/license.txt8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33MD53open accessTHUMBNAIL2020_Tesis_Julian_Andres_Gomez_Gomez.pdf.jpg2020_Tesis_Julian_Andres_Gomez_Gomez.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg4796https://repository.unab.edu.co/bitstream/20.500.12749/12735/4/2020_Tesis_Julian_Andres_Gomez_Gomez.pdf.jpg794ec3c520e55b73efb40fd7576ca6b4MD54open access2020-Licencia_Julian_Andres_Gomez_Gomez.pdf.jpg2020-Licencia_Julian_Andres_Gomez_Gomez.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg9428https://repository.unab.edu.co/bitstream/20.500.12749/12735/5/2020-Licencia_Julian_Andres_Gomez_Gomez.pdf.jpge2020f0222837bc32fa0667c361397ebMD55open access20.500.12749/12735oai:repository.unab.edu.co:20.500.12749/127352021-03-25 18:01:24.645open accessRepositorio Institucional \| Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNABrepositorio@unab.edu.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

Desarrollo de técnicas avanzadas de control para la estabilización de un Gimbal (2DOF)

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