Diseño de un controlador robusto basado en Lmis aplicado en un Quadrotor

• Rojas, Jefferson Sarmiento ^[1]
  1. [1] Universidad del Rosario

     Universidad del Rosario

     Colombia

     
• Localización: INGE CUC, ISSN 0122-6517, ISSN-e 2382-4700, Vol. 18, Nº. 1, 2022 (Ejemplar dedicado a: (Enero - Junio)), 50 págs.
• Idioma: español
• Títulos paralelos:
  • Design of a robust controller based on Lmis applied on a Quadrotor
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• Resumen
  • español

    Una aeronave no tripulada UAV o UAVS por sus siglas en inglés es aquella capaz de realizar un vuelo sin necesidad de tener un piloto a bordo. Las técnicas de control aplicadas en sistemas de aeronaves no tripuladas son utilizadas para mejorar el desempeño y estabilidad de estos sistemas. Varias técnicas de control se han creado con el objetivo de automatizar este tipo de sistemas, teniendo como objetivo final mejorar el rendimiento buscando las condiciones óptimas de desempeño. Los quadrotores son un tipo de vehículo aéreo no tripulado que actualmente es utilizado debido a su facilidad de despegue y aterrizaje vertical (VTOL), es un sistema ideal para aplicar estrategias de control debido a su modelo matemático no linealidad y su comportamiento inestable ante perturbaciones externas, que en su mayoría son variables ambientales. Objetivo: Establecer las ventajas que presenta la implementación de un control robusto basado en desigualdades lineales matriciales, frente a un controlador por realimentación de estados implementado en un vehículo aéreo no tripulado tipo quadrotor. Metodología: En este trabajo se diseñaron e implementaron dos estrategias de control lineal: control por realimentación de estados, y control basado en desigualdades de matriz lineal LMI, por lo tanto, en este trabajo utilizó un modelo linealizado del quadrotor representado en variables de estado.  Resultados: Los controladores son estables frente a perturbaciones externas y perturbaciones dadas por el ambiente. Para el caso de los ángulos Pitch y Roll, el set point fue ajustado en 0 grados, y para el caso del ángulo yaw, el set point fue ajustado en 100 grados. En este trabajo se muestra el desempeño de la estrategia de control basada en LMIs, tiempos de respuesta cortos y mantiene un punto de equilibrio entre -2 y 2 grados de cada eje, permitiendo estabilizar el quadrotor en cada ángulo de rotación. Conclusiones: El controlador basado en LMIs presenta múltiples ventajas frente a la estrategia de control por realimentación de estados, ya que permite incluir varios criterios de diseño de controladores como lo son: la entrada de control, la ubicación de polos, la definición de la norma H infinito, incertidumbres y perturbaciones. Además, el controlador basado en LMIs se presenta como una solución para ser implantada en un sistema real ya que mejoró significativamente el sobre pico máximo, la respuesta ante perturbaciones externas, el tiempo de respuesta y estabilización de quadrotor en las pruebas realizadas.   

  • English

    Introduction: An unmanned aircraft UAV or UAVS for its acronym in English is one capable of performing a flight without the need for a pilot on board. The control techniques applied in unmanned aircraft systems are used to improve the performance and stability of these systems. Several control techniques have been created to automate systems, aiming to improve the performance of these looking for optimal performance conditions. Quadrotors are a type of unmanned aerial vehicle that is currently used due to its ease of vertical take-off and landing (VTOL), it is an ideal system to apply control laws because of its non-linearity and its unstable behavior in the face of external disturbances, usually environmental variables.

    Objective: Establish the advantages of the implementation of a robust control based on linear matrix inequalities, compared to a state feedback controller implemented in a quadrotor type unmanned aerial vehicle.

    Method: Two linear control strategies were designed and implemented: control by location of poles and zeros, and control based on linear matrix LMI inequalities; therefore, in this work a linear model of the quadrotor represented in state variables was used.

    Results:  The controllers are stable against external disturbances and disturbances caused by the environment. For the Pitch and Roll angles, the set point was adjusted to 0 degrees, and for the yaw angle, the set point was adjusted to 100 degrees. This paper shows the performance of the control strategy based on LMIs, short response times and maintains an equilibrium point between -2 and 2 degrees on each axis, allowing the quadrotor to stabilize at each angle of rotation.

    Conclusions: The controller based on LMIs has multiple advantages compared to the state feedback control strategy, since it allows the inclusion of several controller design criteria such as: the control input, the poles location, the definition of the infinite H norm, uncertainties, and disturbances. In addition, the LMI-based controller is presented as a solution to be implemented in a real system as it significantly improved the maximum overshoot, the response to external disturbances, the response time and quadrotor stabilization in the tests carried out.