Modelling and Control of a Quadrocopter

Modelización y control de un Quadrocopter

El documento describe el modelo y el desarrollo del control total de un robot aéreo quadrotor. El modelo matemático del cuadrante es un sistema no lineal basado en la ley de Newton del movimiento de un cuerpo rígido. El sistema de control del cuadrante está diseñado con la ayuda del enfoque de la variable de estado y también con la ayuda del correspondiente enfoque físico que se inspiró en el anterior. La calidad del modelo y su control se comprueba mediante simulación y también en un modelo de vuelo real.

1. Introducción

Quadrocopter o quadrotor es un vehículo aéreo VTOL (Vertical Take-Off and Landing) perteneciente a la clase de helicópteros multirotor. Se diferencian de los helicópteros estándar en que utilizan rotores con palas de paso fijo, por lo que su paso de rotor no varía al girar las palas. Quadrotor utiliza 4 rotores, pero se pueden encontrar construcciones con 6 u 8 rotores. Tal vez el primer helicóptero multirotor con rotores de palas de paso fijo apareció en 1923 (De Bothezat), pero la tecnología en ese momento no estaba preparada para la construcción aplicable de tal máquina. El principal problema era la inestabilidad inherente del vehículo y, por lo tanto, la carga de trabajo del piloto que era demasiado alta. Los helicópteros estándar, aunque más complejos desde el punto de vista mecánico [1], resultaron ser más aplicables. Los posteriores avances tecnológicos eliminaron los obstáculos más graves para el control de las aeronaves de tipo quadrotor. Así, la idea de la construcción de un helicóptero extremadamente simple apareció de nuevo, esta vez en la industria de los pasatiempos. El primer quadrotor Draganflyer comercialmente disponible apareció alrededor del año 2000 [2]. Desde entonces el desarrollo de baterías ligeras, actuadores sin escobillas y sensores MEMS permitió una mejora considerable en la construcción y control de este tipo de helicóptero. Hoy en día, los quadrocopters no son sólo juguetes controlados por radio, sino que son helicópteros robustos y simples que son capaces de soportar casi dos kilogramos de carga útil [3]. Han comenzado a ser utilizados como UAV (Vehículos Aéreos no Tripulados) o robots aéreos principalmente para propósitos de reconocimiento. Las aplicaciones militares están listas para llegar pronto.

Aparte de las cuestiones tecnológicas, la modelización de los quadrocopter y los estudios de control siguen siendo temas atractivos para los investigadores. Se estudian muchas estrategias de control en un gran número de artículos, desde los métodos estándar que utilizan la técnica de control PID [4] hasta las complicadas técnicas no lineales [5, 6] o las técnicas de softcomputing [7].

En este artículo se describe un método sencillo de control que puede aplicarse fácilmente en un microprocesador y que ha demostrado ser aplicable para el control completo de un cuadrante interior ligero.

2. Modelo matemático del cuadrúpedo

El modelo matemático del cuadrante se puede derivar según las leyes de movimiento de Newton de la misma manera que para los aviones ordinarios [8]. El esquema cinemático del cuadrante se representa en la Fig. 1.​