Diseño y Simulacion Del Control De Altura De Un Quadrotor

DISEÑO Y SIMULACIÓN DEL CONTROL DE ALTURA DE UN QUADROTOR

Autor:

SERGIO ANDRES BELTRAN MENDOZA

Director:
OMAR LENGERKE PEREZ, Ph.D

Asesor:
HERNAN GONZALEZ ACUÑA, Ms.C

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE BUCARAMANGA
INGENIERIA MECATRONICA
CONTROL, AUTOMATIZACION Y ROBOTICA:
BUCARAMANGA
2011
ÍNDICE

1. OBJETIVOS………………………………………………………………………….3
1.1. OBJETIVOGENERAL…………………………………………………….3
1.1.1. OBJETIVOS ESPECIFICOS……………………………………………...3
1. INTRODUCCION………………………………………………………………….4
2.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIÓN……………4
2.2 ANTECEDENTES………………………………………………………………7
2.3 ESTADO DE LA TECNICA…………………………………………………….8
2.4. MARCO TEÓRICO…………………………………………………………...11
2.4.1. MOVIMIENTOS……………………..………………………………….12
2.4.1.1 MOVIMIENTO DE GUIÑADA ( YAW)……………………………12
2.4.1.2 MOVIMIENTO DE INCLINACIÓN (PITCH)………………………12
2.4.1.3 MOVIMIENTO DE BAMBOLEO (ROLL)………………………….13
2.4.1 MOTOR BRUSHLESS………………………………………………..14
2.4.3 ALIMENTACIÓN…………………………………………………………15
2.4.3.1 LI-PO (BATERÍAS DE POLÍMERO DE LITI……………………..16
2.4.3.2 UNIDAD DE CONTROL……………………………………………16
2.4.3.3. SISTEMA DE COMUNICACIÓN…………………………………17
2.4.4 CONTROL PORREALIMENTACIÓN EL CONTROLADOR PID….19
3. METODOLOGIA DE DISEÑO MECATRONICO……………….……………..20
4. CINEMATICA Y DINAMICA DEL QUADROTOR…………………………….21
5.1. MODELO…………………………………………………………………21
5.2.1. CINEMATICA…………………………………………………………21
5.2.2. DINAMICA……………………………………………………………23
5.2.3.1. VELOCIDAD DE GIRO ………………………………………….24
5.2.3.2.POTENCIA………………………………………………………..25
5.2.3.3. HÉLICES……………………………………………………….….26
5.2.3.4. COMBINACIÓN MOTOR HÉLICE…………………………...…27
5.2.3.5. DINÁMICA UNIDIMENSIONAL DEL CUADRICÓPTERO.….29
5.2.3.6.1. FUERZAS EN UN CUADRICÓPTERO……………….……….30
5.2.3.6.2. ASCENSO Y DESCENSO……………………………….……..30
5.2.3.6. DINAMICA EN 3 DIMENSIONES………………………..……..315.2.3.7.3. ENERGIA CINETICA DE TRASLACION………………..…….31
5.2.3.7.4. ENERGÍA CINÉTICA ROTACIONAL……………………….….32
5.2.3.7.5. ENERGÍA POTENCIAL……………………………………….….32
5.2.3. MODELO MATEMÁTICO…………………………………………….33
5.2.4.7. MODELO EULER-LAGRANGE PARA LA FUERZA TOTA….33
5.2.4.8. MODELO NEWTON PARA LOS MOMENTOS……………….34
5.2.SIMULACION EN MATLAB………………………………………….35
5. PLANTA DEL MODELO Y CONTROLADOR…………..……………………..37
6.3. CONTROLADOR PID…………………………………………………38
6. DISEÑO ELECTRONICO…………………………………………………………45
7. DISEÑO MECANICO………………………………………………………………48
8. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES…………………………………………….51
9. CONCLUSIONES…………………………………………………………………..53
10. BIBLIOGRAFIA……………………………………………………………………..54

2.OBJETIVOS

1.2. OBJETIVO GENERAL:

Diseñar un control de altura de un Quadrotor por medio de la variación de la velocidad angular de cada motor para posteriormente simularlo.

2.2.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS:

* Definir la cinemática y dinámica de los movimientos del Quadrotor por medio de los cálculos matemáticos y simulaciones.
* Diseñar los planos mecánicosde cada una de las piezas del prototipo y su ensamble.
* Controlar y regular la velocidad de cada motor por separado para controlar la posición del mismo en el eje Z (rotaciones y traslaciones).
* realizar el Modelo y la simulación del controlador Electrónico (optimizar la respuesta y variables del controlador encontrado para darle mayor estabilidad y robustez para afrontar lasperturbaciones.

2. INTRODUCCION

Los Quadrotores son muy implementados en robótica debido a las funcionalidades de despegue, aterrizaje vertical y vuelo estacionario que se pueden conseguir. Estas funcionalidades son muy útiles en desastres naturales, búsquedas y rescates, vigilancia, inspección de instalaciones y estructuras, vigilancia y...