Robust control strategies for a QuadRotor helicopter: an underactuated mechanical system

• Autores: Guilherme Vianna Raffo
• Directores de la Tesis: Manuel Gil Ortega Linares (dir. tes.), Francisco Rodríguez Rubio (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2011
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 267
• Tribunal Calificador de la Tesis: Francisco Gordillo Álvarez (presid.), Manuel Vargas Villanueva (secret.), Gilney Damm (voc.), Rogelio Lozano Leal (voc.), Julio Elias Normey Rico (voc.)
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Idus
• Resumen

  • Esta tesis trata con estrategias de control robusto para resolver el problema de seguimiento de trayectorias para vehículos aéreos autónomos (en inglés conocidos como UAV�s - Unmanned Aerial Vehicles). El UAV considerado es un helicóptero QuadRotor en escala reducida, que es caracterizado por un sistema mecánico subactuado, es decir, posee menos entradas de control que grados de libertad.

    Normalmente, para el diseño de estrategias de control avanzado se necesita un modelo dinámico preciso del sistema. Siendo así, en esta tesis se obtiene un modelo dinámico adecuado del helicóptero QuadRotor con fines de diseño de control, teniendo en cuenta un equilibrio entre complejidad y realismo. El sistema se basa en leyes físicas para obtener un modelo que represente el comportamiento del vehículo en presencia de diversas fuentes de incertidumbres y que sea apropiado al prototipo utilizado en este trabajo.

    Dado que el helicóptero QuadRotor es un sistema mecánico subactuado, una manera común para realizar el seguimiento de trayectorias de UAV�s es utilizando estrategias de control en cascada. Por lo tanto, se proponen estructuras en cascada para controlar dos subsistemas: el de rotación y el de traslación. Para el subsistema de rotación se diseña un controlador H? no lineal con realimentación de estados para sistemas mecánicos, que proporciona robustez en presencia de perturbaciones exógenas, incertidumbres paramétricas y dinámicas no modeladas. Para realizar el seguimiento de trayectorias para el helicóptero QuadRotor se utilizan tres técnicas de control buscando una continua mejoría del desempeño. Primero se aplica una ley de control H? lineal con realimentación de estados asegurando propiedades de robustez. Para mejorar la conducción del vehículo, se diseña un controlador predictivo con acción integral basado en el modelo del error de traslación, que proporciona suavidad al seguimiento de trayectorias. Por último, para ampliar el espacio de trabajo de los movimientos de traslación, se propone una ley de control basado en una técnica de backstepping con acción integral, utilizando el modelo no lineal del helicóptero.

    Teniendo en cuenta el carácter subactuado del helicóptero QuadRotor, se proponen dos estrategias de control H? no lineal. Primero se diseña una ley de control basada en un sistema reducido, donde solamente se consideran los grados de libertad controlados. Este controlador es aplicado en una estrategia en cascada al helicóptero con un controlador predictivo previo, donde el controlador H? no lineal se encarga de los movimientos de altitud y orientación, mientras el MPC controla los movimientos laterales y longitudinales. Este controlador se ha empleado para controlar otras aplicaciones, las cuales están basadas en el concepto del péndulo invertido.

    Las estrategias de control en cascada poseen un inconveniente: aunque en los resultados de simulación el sistema completo en bucle cerrado presente un comportamiento estable, se requiere que esto sea demostrable. Para evitar el uso de estructuras en cascada, se desarrolla una estrategia de control basada en técnicas de control H? no lineal aplicadas a sistemas mecánicos subactuados. El objetivo es obtener una ley de control que garantice robustez para el problema de seguimiento de trayectorias del helicóptero QuadRotor sin la necesidad de estrategias en cascada ni de espacios de estado aumentado. Adicionalmente se presenta un enfoque del controlador H? no lineal para sistemas mecánicos, permitiendo ponderar diferentes dinámicas del sistema.

    Otra cuestión a ser abordada es la mejora de la robustez del controlador H? no lineal diseñado para sistemas mecánicos. Esta ley de control es calculada teniendo en cuenta que todas las incertidumbres que afectan al sistema son perturbaciones externas. Sin embargo, esta hipótesis no es muy realista. Por lo tanto, para contrarestar este problema, se presenta una solución para robustificar la ley de control H? no lineal, donde se calcula una señal de control adicional a través de la técnica de funciones de saturación para hacer frente a errores de modelado.

    En resumen, esta tesis presenta un desarrollo teórico de estrategias de control robusto para resolver el problema de seguimiento de trayectorias de vehículos aéreos autónomos, centrándose en sistemas mecánicos subactuados.