Drones. Cinemática, Dinámica y Control de Cuadricópteros

Descripción

El estudio del modelado y del control de cuadricópteros, así como su funcionamiento constituye aprendizaje global completo para el estudiante de robótica, ya que conjunta la teoría con la simulación en MATLB para comprender mejor los conceptos presentados. En tal sentido, Drones resulta una herramienta de enseñanza atractiva y muy útil para los estudiantes de las carreras de ingeniería y ciencias exactas, tales como: sistemas, electrónica, eléctrica, aeronáutica, automatización, física, matemáticas, mecatrónica, robótica, computación, informática, inteligencia artificial, entre otras. La presente publicación tiene como propósito fundamental mostrar los conceptos principales respecto al modelado y control de estos vehículos, 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. Además, se realiza una revisión del marco jurídico, por las repercusiones civiles y penales que trae consigo.

VENTAJAS

• Cada uno de los capítulos cuenta con una introducción, un resumen y referencias selectas sobre literatura especializada en drones, así como actividades propuestas sobre aplicaciones científicas, comerciales, recreativas y civiles.
• A lo largo de los capítulos se muestran referencias de sociedades científicas y enlaces de interés para adquirir componentes de drones.
• Cuenta con ejercicios en MATLAB,
• Dispone de dos capítulos complementarios, disponibles en https://www.alfaomega.com.mx.

CONOZCA

• Un panorama general de aplicaciones y normas jurídicas de los drones.
• Aspectos teóricos de los drones, desde una simple rotación hasta la dinámica y control de cuadricópteros
• Cómo se lleva a cabo un modelado, análisis y control de drones.
•  Las nuevas aplicaciones en las que se utilizan los cuadrópteros, 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 empleando Cinemática diferencial y dinámica.
• A utilizar un algoritmo de optimización para la sintonización de controladores.
• Llevar a cabo un seguimiento de trayectoria usando un controlador PD.

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 cuadricóptero 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 PD en el manejo adecuado de un cuadricóptero ante un problema de regulación.

CONTENIDO

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS DRONES
1 Introducción
1.1 ¿Por qué hemos escrito este libro y qué conclusiones deberían extraerse de su lectura?
1.2 Definiciones y terminología
1.3 Antecedentes históricos de UAV
1.3.1 Antecedentes militares
1.4 Drones
1.5 Estructura básica de los drones
1.5.1 Estructura de soporte
1.5.2 Baterías
1.5.3 Control remoto
1.5.4 Cámara de video
1.5.5 Rotor
1.5.6 Sensores
1.5.7 Tarjeta controladora de vuelo
1.5.8 Modelo cinemático y dinámico
1.5.9 Esquemas de control
1.5.10 Simulación del modelo dinámico
1.6 Ámbito jurídico de los drones
1.6.1 Regulación sobre el uso de drones en México
1.6.2 Normativa de drones en España
1.7 Sociedades y agrupaciones de drones
1.8 Resumen
1.9 Actividades propuestas
1.10 Referencias selectas

CAPÍTULO 2. CINEMÁTICA DE DRONES
2.1 Introducción
2.2 Vectores
2.2.1 Espacio vectorial
2.2.2 Operación entre vectores
2.2.3 Norma euclidiana ||x||
2.2.4 Producto escalar x ·y=x^T y
2.3 Matrices de rotación
2.3.1 Propiedades de las matrices de rotación R_0^1
2.3.2 Matriz de rotación alrededor del eje z,¿ R¿_z (¿)
2.3.3 Matriz de rotación alrededor del eje x, ¿ R¿_x (¿)
2.3.4 Matriz de rotación alrededor del eje y, ¿ R¿_y (¿)
2.4 Composición de rotaciones
2.4.1 Ángulos de Euler
2.4.2 Ángulos roll-pitch-yaw
2.5 Cinemática directa de un dron
2.5.1 Matrices de transformación homogénea
2.5.2 Matrices elementales de rotación y traslación
2.6 Resumen
2.7 Problemas propuestos
2.8 Referencias selectas

CAPÍTULO 3. Cinemática diferencial
3.1 Introducción
3.2 Matrices antisimétricas
3.2.1 Propiedades de las matrices antisimétricas
3.3 Derivada de matrices ortogonales
3.4 Producto cruz vectorial
3.5 Operaciones mixtas
3.5.1 Operaciones mixtas entre¿ p¿_1 x ¿ p¿_2 S ¿ p¿_1
3.5.2 Producto punto y producto cruz vectorial
3.6 Cinemática diferencial de drones
3.6.1 Cinemática diferencial, rotación elemental
3.6.2 Cinemática diferencial, ángulos de Euler-zyz
3.6.3 Cinemática diferencial, ángulos roll-pitch-yaw
3.6.4 Jacobiano del dron
3.7 Resumen
3.8 Problemas propuestos
3.9 Referencias selectas

CAPÍTULO 4. DINÁMICA
4.1 Introducción 189
4.2 Energía cinética y potencial
4.2.1 Energía cinética
4.2.2 Energía potencia
4.3 Dinámica de Euler-Lagrange
4.3.1 Lagrangiano £ (¿,¿,(¿,¿) ¿ ) ¿
4.3.2 Ecuaciones de movimiento de Euler-Lagrange
4.3.3 Dinámica de traslación
4.3.4 Dinámica rotacional
4.4 Fenómeno de fricción
4.4.1 Dinámica de los rotores
4.4.2 Fricción en la dinámica de traslación y rotación
4.5 Principio de operación del dron
4.5.1 Movimiento de traslación
4.5.2 Movimiento rotacional
4.6 Modelo dinámico del dron
4.6.1 Matriz de inercia ¿ M¿_d (¿)
4.6.2 Matriz de Coriolis C(¿,¿ ¿)
4.6.3 Estructura dinámica del dron
4.7 Propiedades del modelo dinámico
4.7.1 Interpretación de los fenómenos físicos del dron
4.8 Resumen
4.9 Problemas propuestos
4.10 Referencias selectas

CAPÍTULO 5. CONTROL DE POSICIÓN
5.1 Introducción
5.2 Sistemas dinámicos
5.2.1 Puntos de equilibrio
5.3 Teoría de estabilidad de Lyapunov
5.3.1 Estabilidad en el sentido de Lyapunov
5.3.2 Función candidata de Lyapunov
5.3.3 Método directo de Lyapunov
5.3.4 Estabilidad global y local
5.4 Control de posición
5.5 Moldeo de energía
5.5.1 Análisis de estabilidad: dinámica de traslación
5.5.2 Análisis de estabilidad: dinámica de rotación
5.6 Control proporcional-derivativo
5.6.1 Análisis cualitativo de control PD
5.7 Análisis de estabilidad control PD
5.7.1 Análisis de estabilidad: dinámica de traslación
5.7.2 Análisis de estabilidad: dinámica de rotación
5.8 Análisis de estabilidad asintótica
5.8.1 Función estricta para la dinámica de traslación
5.8.2 Función estricta para la dinámica de rotación
5.9 Control PID
5.10 Control no lineal
5.10.1 Control tangente hiperbólico
5.10.2 Control tipo exponencial
5.11 Resumen
5.12 Problemas propuestos
5.13 Referencias selectas

CAPÍTULO 6. PROPULSIÓN Y SENSORES
6.1 Estructura base de los drones
6.2 Unidad de medición inercial (IMU)
6.2.1 Tarjeta controladora de vuelo
6.2.2 Tarjeta controladora de vuelo Betafligth
6.2.3 Acelerómetro
6.2.4 Giroscopio
6.2.5 Magnetómetro
6.2.6 Barómetro
6.2.7 Sistema de posicionamiento global (GPS)
6.2.8 PMB-648 (Receptor GPS)
6.3 Transmisor y receptor
6.3.1 Sistema de mando FS-i6
6.3.2 Palancas de mando y pantalla
6.3.3 Modo 2 sticks
6.3.4 Receptor FS-iA6B
6.4 Vista en primera persona
6.5 Sistema de propulsión
6.5.1 Hélices del dron
6.5.2 Motores eléctricos sin escobillas (brushless)
6.5.3 Controlador de velocidad electrónico
6.5.4 Batería
6.6 Resumen
6.7 Problemas propuestos
6.8 Referencias selectas

CAPÍTULO 7. CONFIGURACIÓN DE VUELOS EN DRONES
7.1 Configuración de drones
7.1.1 Ajuste y alineación de placa y sensores
7.1.2 Modos de vuelo
7.1.3 Caja negra
7.1.4 Motores y receptor
7.1.5 Controlador PID
7.1.6 Interfaz de línea de comandos CLI
7.2 Pruebas y vuelo de drones
7.2.1 Recomendaciones para los primeros vuelos
7.2.2 Palancas del mando
7.3 Calculo de multicópteros
7.3.1 Ensamble de un dron
7.4 Resumen
7.5 Problemas propuestos
7.6 Referencias selectas