Drones. Modelado y Control de Cuadrotores

Sinopsis del producto

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. n nVENTAJAS: n n• 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. n• 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. n• El último capítulo del libro incluye las perspectivas sobre tópicos de investigación y de desarrollo tecnológico futuro relacionados con los cuadrotores. n• Cuenta con material web de apoyo. n nCONOZCA: n n• 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. n• Las propiedades básicas del modelo dinámico que describen a un cuadrotor, así como las de los actuadores con los que opera un cuadrotor. n• 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. n• Las nuevas aplicaciones en las que se utilizan los cuadrotores, así como las tendencias futuras en el uso de los mismos. n nAPRENDA: n n• A aplicar los conceptos de álgebra lineal relativos a los vectores y matrices. n• A realizar un modelo de la dinámica de un vehículo aéreo tipo cuadrotor empleando las ecuaciones de Newton-Euler. n• Diseñar trayectorias para vehículos cuadrotores y utilizar un algoritmo de optimización para la sintonización de controladores. n• Llevar a cabo un seguimiento de trayectoria con un vehículo cuadrotor usando un controlador PID. n nDESARROLLE SUS HABILIDADES PARA: n n• Identificar las propiedades de las matrices de rotación, así como el proceso para linealizar un sistema no lineal. n• Representar el modelo dinámico de un cuadrotor en su sistema de referencia y en el sistema de referencia inercial. n• Usar MATLAB® en el diseño de trayectorias óptimas y en la sintonización de las ganancias de un controlador por medio de estrategias de optimización. n• Utilizar algoritmos de control PID en el manejo adecuado de un cuadrotor ante un problema de regulación. n nA QUIÉN VA DIRIGIDO n nEstudiantes y profesionales de las áreas de mecatrónica y robótica, pero también a todo lector que desee aprender sobre estos interesantes temas. n nContenido: n nIntroducción n nCapítulo 1. Generalidades n1.1 Introducción 3 n1.2 Clasificación de los vehículos aéreos no tripulados 4 n1.3 Vehículos cuadrotores 6 n1.4 Ventajas y desventajas del uso de vehículos cuadrotores 8 n1.5 Aplicaciones 9 n1.6 Algoritmos de control 10 n1.7 Planeación de trayectorias 14 n1.8 Resumen 15 n1.9 Referencias 16 nCapítulo 2. Teoría introductoria n2.1 Introducción 23 n2.2 Álgebra lineal 23 n2.3 Grupos SO(3) y SE(3) 27 n2.4 Conceptos de modelado de sistemas dinámicos 30 n2.5 Conceptos de teoría de control 31 n2.6 Resumen 36 n2.7 Referencias 37 nCapítulo 3. Análisis dinámico de un cuadrotor n3.1 Introducción 41 n3.2 Modelo dinámico de un cuadrotor 42 n3.2.1 Ecuaciones de movimiento traslacional 42 n3.2.2 Ecuaciones de movimiento rotacional 46 n3.3 Representaciones alternativas del modelo dinámico de un cuadrotor 50 n3.4 Propiedades adicionales del modelo dinámico de un cuadrotor 58 n3.4.1 Perturbaciones 59 n3.4.2 Propiedades de los actuadores 61 n3.4.3 Potencia mecánica promedio y potencia eléctrica promedio 63 n3.5 Resumen 65 n3.6 Referencias 66 nCapítulo 4. Diseño de trayectorias y sintonización de controladores n4.1 Introducción 69 n4.2 Diseño de trayectorias 70 n4.2.1 Trayectoria con velocidad mínima 72 n4.2.2 Trayectoria de sobreaceleración mínima 73 n4.2.3 Diseño de una trayectoria empleando MATLAB® 73 n4.3 Sintonización de las ganancias de un controlador 82 n4.4 Resumen 89 n4.5 Referencias 90 nCapítulo 5. Estrategias de control lineal de un cuadrotor n5.1 Introducción 95 n5.2 Modelo linealizado de un vehículo cuadrotor 96 n5.3 Diseño del primer controlador PID 99 n5.3.1 Análisis de estabilidad 102 n5.3.2 Simulaciones numéricas 106 n5.4 Diseño del segundo controlador PID 132 n5.4.1. Simulaciones numéricas 135 n5.5 Resumen 140 n5.6 Referencias 141 nCapítulo 6. Estrategias de control no lineal de un cuadrotor n6.1 Introducción 145 n6.2 Modelo dinámico de segundo orden de un cuadrotor 146 n6.3 Diseño del controlador CMD 148 n6.3.1 Implementación del controlador CMD 152 n6.3.2 Reducción del castañeo 156 n6.3.3. Simulaciones numéricas 157 n6.3.4 Análisis de resultados 164 n6.4 Resumen 167 n6.5 Referencias 168 nCapítulo 7. Perspectivas futuras en cuadrotores n7.1 Introducción 171 n7.2 Diseño de nuevas arquitecturas 172 n7.3 Estimación paramétrica 173 n7.4 Perspectivas en control robusto de cuadrotores 174 n7.5 Aplicaciones recientes con vehículos cuadrotores 177 n7.6 Conclusión 179 n7.7 Referencias 180 nÍndice analítico 183

9786075383149

Mirandacolorado, Roger