Una metodología de simulación y control de cuadicópteros

Abstract

Este proyecto se enfoca en la mejora de un vehículo aéreo no tripulado (UAV) de ala rotatoria, específicamente un cuadricóptero, con el objetivo de potenciar sus capacidades en diversas aplicaciones. El UAV DJI Matrice 100 fue elegido como plataforma base debido a su versatilidad y robustez, lo que permitió implementar modificaciones para convertirlo en un UAV altamente eficiente. El núcleo de este trabajo consiste en la implementación de una metodología avanzada de simulación para validar los esquemas de control propuestos. Esta simulación utiliza esquemas de Model in the Loop (MiL) y Hardware in the Loop (HiL), donde el UAV y su controlador se integran en un entorno de simulación en tiempo real. Este paso previo a las pruebas físicas permite evaluar el comportamiento del controlador en condiciones simuladas, minimizando riesgos y costos. El modelo dinámico del UAV se obtuvo mediante un proceso de identificación dinámica, complementado con un simulador comercial de DJI. La validación de estos modelos se realizó comparando los resultados simulados con datos reales del UAV en vuelo, lo que permitió una representación precisa del comportamiento del sistema en distintas condiciones. El uso de la simulación proporciona grandes ventajas, permitiendo detectar y corregir errores en el diseño del controlador antes de las pruebas experimentales. Esto asegura un funcionamiento óptimo y reduce la probabilidad de fallos en el vuelo real del UAV. Además, posibilita la evaluación de distintos escenarios de vuelo y la realización de ajustes precisos, optimizando el proceso de desarrollo y validación del sistema. La metodología MiL aplicada en simuladores como Webots ha demostrado ser eficaz para el desarrollo y prueba de controladores. Webots ofrece un entorno virtual realista que garantiza la seguridad del operador y del sistema durante la fase de desarrollo. Por otro lado, la simulación HiL complementa esta metodología al acercar el entorno simulado al hardware real del UAV, lo que permite una evaluación más precisa de su comportamiento. La experimentación en condiciones reales constituye la etapa final y crítica para validar el rendimiento del controlador en vuelo. Esto garantiza que el sistema funcione de manera eficiente y segura, permitiendo ajustes finos a partir de las lecciones aprendidas en la simulación. En conjunto, la combinación de las metodologías MiL, HiL y la experimentación real proporciona un enfoque integral para el desarrollo y validación de controladores de UAV. Este proceso ha permitido crear un UAV mejorado, superando los límites tecnológicos previos. La integración de la simulación como herramienta clave ha sido fundamental para lograr estos resultados, generando conocimientos valiosos aplicables en futuros proyectos de UAV y acelerando el desarrollo de tecnologías emergentes. Este proyecto tiene un impacto significativo en diversas áreas de aplicación, como la inspección, vigilancia, mapeo y monitoreo ambiental, abriendo nuevas posibilidades para realizar tareas complejas en entornos desafiantes. Además, la metodología de simulación desarrollada puede aplicarse a otros campos de la robótica y sistemas autónomos, facilitando el desarrollo y validación de nuevas tecnologías. En conclusión, este proyecto resalta la importancia de la simulación en el desarrollo de UAV de ala rotatoria, especialmente en la validación de controladores. La combinación de modelos simulados obtenidos mediante identificación dinámica y la integración de las metodologías MiL y HiL ha mejorado la seguridad y rendimiento del UAV, asegurando su éxito en diversas aplicaciones.