DRONES - Modelado y control de cuadrotores
Autor:m MIRANDA COLORADO, Roger
Páginas: 208
ISBN: 978 -607-538-314-9
Editorial: Alfaomega

El estudio del modelado y control de cuadrotores, la construcción de un prototipo de estos vehículos y hacerlo funcionar constituye una experiencia de aprendizaje completa para el estudiante, ya que conjunta la teoría con aspectos prácticos. En tal sentido, cada vez son más las publicaciones en donde un cuadrotor es considerado como una herramienta de enseñanza atractiva y muy útil para los estudiantes. La presente publicación tiene como propósito fundamental mostrar los conceptos principales respecto al modelado y control de estos vehículos cuadrotores, además de proporcionar un panorama sobre el origen, la evolución, las ventajas, las desventajas y las aplicaciones de esta clase de vehículos aéreos no tripulados (VANT). Cabe destacar que este libro es quizá el primer documento escrito en castellano acerca del control en lazo cerrado de cuadrotores y puede ser de gran ayuda para un curso completo sobre cuadrotores, o bien, algunos de sus capítulos se pueden analizar separadamente en diferentes cursos. También se presentan simulaciones numéricas en ausencia y cuando existen perturbaciones externas al cuadrotor y cambios paramétricos en su modelo.

VENTAJAS

• Cada uno de los capítulos cuenta con una introducción, recuadros con información relevante, un resumen y una lista de referencias para quien se interese en ampliar determinado tema.
• Cuenta con un capítulo dedicado a la solución del problema de minimización del consumo de energía mediante el diseño de trayectorias y sintonización óptimas de controladores, ambos realizados empleando el algoritmo de optimización heurística denominado Algoritmo de Búsqueda de Cuclillos (ABC), herramienta de probada eficacia en muchas aplicaciones.
• El último capítulo del libro incluye las perspectivas sobre tópicos de investigación y de desarrollo tecnológico futuro relacionados con los cuadrotores.
• Cuenta con material web de apoyo.

CONOZCA

• Los orígenes y evolución de los vehículos aéreos no tripulados (VANT), las ventajas, desventajas y aplicaciones de los cuadrotores, así como los tipos de controladores que pueden ser utilizados para controlar los mismos.
• Las propiedades básicas del modelo dinámico que describen a un cuadrotor, así como las de los actuadores con los que opera un cuadrotor.
• Cómo usar un algoritmo de control de estructura variable para controlar un cuadrotor empleando una etapa de diseño de trayectorias y una etapa de sintonización de las ganancias del controlador mediante el algoritmo ABC.
• Las nuevas aplicaciones en las que se utilizan los cuadrotores, así como las tendencias futuras en el uso de los mismos.

APRENDA

• A aplicar los conceptos de álgebra lineal relativos a los vectores y matrices.
• A realizar un modelo de la dinámica de un vehículo aéreo tipo cuadrotor empleando las ecuaciones de Newton-Euler.
• Diseñar trayectorias para vehículos cuadrotores y utilizar un algoritmo de optimización para la sintonización de controladores.
• Llevar a cabo un seguimiento de trayectoria con un vehículo cuadrotor usando un controlador PID.

DESARROLLE SUS HABILIDADES PARA

• Identificar las propiedades de las matrices de rotación, así como el proceso para linealizar un sistema no lineal.
• Representar el modelo dinámico de un cuadrotor en su sistema de referencia y en el sistema de referencia inercial.
• Usar MATLAB® en el diseño de trayectorias óptimas y en la sintonización de las ganancias de un controlador por medio de estrategias de optimización.
• Utilizar algoritmos de control PID en el manejo adecuado de un cuadrotor ante un problema de regulación.

A QUIÉN VA DIRIGIDO

Estudiantes y profesionales de las áreas de mecatrónica y robótica, pero también a todo lector que desee aprender sobre estos interesantes temas.
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Contenido
Introducción
Capítulo 1. Generalidades
1.1 Introducción 3
1.2 Clasificación de los vehículos aéreos no tripulados 4
1.3 Vehículos cuadrotores 6
1.4 Ventajas y desventajas del uso de vehículos cuadrotores 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 cuadrotor
3.1 Introducción 41
3.2 Modelo dinámico de un cuadrotor 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 cuadrotor 50
3.4 Propiedades adicionales del modelo dinámico de un cuadrotor 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 cuadrotor
5.1 Introducción 95
5.2 Modelo linealizado de un vehículo cuadrotor 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 cuadrotor
6.1 Introducción 145
6.2 Modelo dinámico de segundo orden de un cuadrotor 146
6.3 Diseño del controlador CMD 148
6.3.1 Implementación 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 cuadrotores
7.1 Introducción 171
7.2 Diseño de nuevas arquitecturas 172
7.3 Estimación paramétrica 173
7.4 Perspectivas en control robusto de cuadrotores 174
7.5 Aplicaciones recientes con vehículos cuadrotores 177
7.6 Conclusión 179
7.7 Referencias 180
Índice analítico 183