DRONES. MODELADO Y CONTROL DE CUADRICÓPTEROS

Los drones de cuatro rotores o cuadricópteros son una clase especial de VANT (Vehículo Aéreo No Tripulado) y son uno de los avances tecnológicos de frontera que hoy son parte de la vida cotidiana. Se usan en la distribución de mercancías, la investigación científica en zonas de difícil acceso, en la exploración aérea con fines de monitoreo, en la industria militar y en la agricultura.

En este libro se presenta el análisis dinámico y el diseño de trayectorias, así como el procedimiento para controlar un cuadricóptero empleando estrategias de control lineal y no lineal. Con el fin de que la obra sea autocontenida, inicialmente se exponen los conceptos básicos de álgebra lineal, modelado de sistemas dinámicos y de teoría de control. Además, al final del libro se presentan líneas futuras de investigación y desarrollo de estos sistemas.

APRENDA:

Las técnicas de modelado dinámico de un cuadricóptero.

El diseño de trayectorias de un cuadricóptero usando Matlab.

La implementación de controladores lineales y no lineales en cuadricópteros.

CONOZCA:

El diseño de un controlador PID.

El diseño de un controlador por modos deslizantes (CMD).

DESARROLLE SUS HABILIDADES PARA:

Realizar el análisis de estabilidad y simulación numérica de controladores PID y CMD.

Implementar controladores lineales y no lineales.

Roger Miranda Colorado. Doctor en Ciencias en Control Automático por el cinvestav-ipn. Se desempeña como Catedrático conacyt, es miembro del Sistema Nacional de Investigadores (sni). Sus líneas de investigación incluyen control de vehículos autónomos, robots manipuladores, identificación paramétrica y aprendizaje de máquinas.

Rubén Alejandro Garrido Moctezuma. Doctor en Ciencias por la Universidad de Tecnología de Compiègne, Francia. Se desempeña como profesor investigador en el cinvestav-ipn con temas relacionados con el Control de robots manipuladores, control adaptable, control visual de robots y servomecanismos.

Luis Tupak Aguilar Bustos. Doctor en Ciencias en Electrónica y Telecomunicaciones por el Centro de Investigación Científica y Educación Superior de Ensenada. Se desempeña como profesor e investigador de Sistemas de estructura variable, control H-infinito no lineal y no suave y aplicaciones generales en control.

José Ernesto Herrero Brito. Maestro en Ciencias en Sistemas Digitales por el Centro de Investigación y Desarrollo de Tecnología Digital del Instituto Politécnico Nacional. Su línea de investigación se enfoca en los temas de control de sistemas no lineales, vehículos autónomos y optimización.

ÍNDICE DEL LIBRO:

Introducción xv
Plataforma de contenidos web xix
Capítulo 1. Generalidades
1.1 Introducción 3
1.2 Clasificación de los vehículos aéreos no tripulados 4
1.3 Vehículos cuadricópteros 6
1.4 Ventajas y desventajas del uso de vehículos cuadricópteros 8
1.5 Aplicaciones 9
1.6 Algoritmos de control 10
1.7 Planeación de trayectorias 14
1.8 Resumen 15
1.9 Referencias 16
Capítulo 2. Teoría introductoria
2.1 Introducción 23
2.2 Álgebra lineal 23
2.3 Grupos SO(3) y SE(3) 27
2.4 Conceptos de modelado de sistemas dinámicos 30
2.5 Conceptos de teoría de control 31
2.6 Resumen 36
2.7 Referencias 37
Capítulo 3. Análisis dinámico de un cuadricóptero
3.1 Introducción 41
3.2 Modelo dinámico de un cuadricóptero 42
3.2.1 Ecuaciones de movimiento traslacional 42
3.2.2 Ecuaciones de movimiento rotacional 46
3.3 Representaciones alternativas del modelo dinámico de un cuadricóptero 50
3.4 Propiedades adicionales del modelo dinámico de un cuadricóptero 58
3.4.1 Perturbaciones 59
3.4.2 Propiedades de los actuadores 61
3.4.3 Potencia mecánica promedio y potencia eléctrica promedio 63
3.5 Resumen 65
3.6 Referencias 66
Capítulo 4. Diseño de trayectorias y sintonización de controladores
4.1 Introducción 69
4.2 Diseño de trayectorias 70
4.2.1 Trayectoria con velocidad mínima 72
4.2.2 Trayectoria de sobreaceleración mínima 73
4.2.3 Diseño de una trayectoria empleando MATLAB® 73
4.3 Sintonización de las ganancias de un controlador 82
4.4 Resumen 89
4.5 Referencias 90
Capítulo 5. Estrategias de control lineal de un cuadricóptero
5.1 Introducción 95
5.2 Modelo linealizado de un vehículo cuadricóptero 96
5.3 Diseño del primer controlador PID 99
5.3.1 Análisis de estabilidad 102
5.3.2 Simulaciones numéricas 106
5.4 Diseño del segundo controlador PID 132
5.4.1. Simulaciones numéricas 135
5.5 Resumen 140
5.6 Referencias 141
Capítulo 6. Estrategias de control no lineal de un cuadricóptero
6.1 Introducción 145
6.2 Modelo dinámico de segundo orden de un cuadricóptero 146
6.3 Diseño del controlador CMD 148
6.3.1 Instalación del controlador CMD 152
6.3.2 Reducción del castañeo 156
6.3.3. Simulaciones numéricas 157
6.3.4 Análisis de resultados 164
6.4 Resumen 167
6.5 Referencias 168
Capítulo 7. Perspectivas futuras en cuadricópteros
7.1 Introducción 171
7.2 Diseño de nuevas arquitecturas 172
7.3 Estimación paramétrica 173
7.4 Perspectivas en control robusto de cuadricópteros 174
7.5 Aplicaciones recientes con vehículos cuadricópteros 177
7.6 Conclusión 179
7.7 Referencias 180
Índice analítico 183