Diseño y construcción de un dispositivo Quadrotor open-source para el desarrollo de prácticas de laboratorio en la Universidad EIA

Abstract

RESUMEN: En este trabajo se presenta el diseño y construcción de un prototipo Quadrotor y una primera aproximación de su sistema de control basado en software open-source, para el uso de estudiantes en sus prácticas de laboratorio, presentando su modelación matemática para 6DOF y un sistema de control implementado mediante el modelo teórico en dos grados de libertad Pitch y Roll, para el cual se usa como unidad de procesamiento el microcontrolador Teensy 4.0 en conjunto de una unidad inercial BNO055 que permite la obtención de ángulos de Euler y la orientación del dispositivo en quaterniones para futuras implementaciones. Previo a la construcción del quadrotor se desarrolla la metodología de diseño propuesta por George E. Dieter y Linda C. Schmidt, mediante una identificación de necesidades, uso de herramientas como PDS, casas de la calidad, matriz morfológica y matrices de PUGH, que ayudarán a escoger los debidos materiales y componentes para la construcción del dispositivo, adicionalmente se describe la cinemática y dinámica del multirotor, siendo esta última desarrollada mediante la formulación de Newton-Euler. El modelo de entrada y salida del quadrotor para la implementación de una estrategia de control fue hallada de forma teórica haciendo uso del modelo dinámico, posteriormente el cálculo del coeficiente de empuje de los rotores se realizó empíricamente realizando una aproximación lineal del mismo, mediante la toma de datos del empuje en diferentes valores de la señal de control. El controlador implementado para el acercamiento del sistema de control será un control PID por ganancia fija. Este controlador fue sintonizado mediante el modelo de entrada y salida con simplificación de dos grados de libertad en sus ángulos Pitch y Roll, aprovechando la capacidad de desacoplo de ángulos que proporciona la aproximación de ángulos pequeños, trabajando como sistema SISO (Single Input, Single Output) cada ángulo. La implementación del sistema de control y el sistema de interacción con el dispositivo (interfaz gráfica), se desarrolló de tal modo que cualquier persona pueda acceder a este (código abierto). Lo anterior, mediante la IDE Arduino con código C++ y Python 3.10.4, proporcionando plantillas de control para los estudiantes. Por último, se realizan pruebas de funcionamiento y análisis de respuesta del sistema de control implementado, además se proponen guías de laboratorio para desarrollar el planteamiento del sistema de control.