Diseño e implementación de un controlador de orientación, basado en la técnica Backstepping y control en modo deslizante aplicado a un vehículo aéreo no tripulado

Abstract

La versatilidad de los Vehículos Aéreos no Tripulados (VANT), más conocidos como “Drones”, para ser usados en múltiples áreas de trabajo, y la implementación de un VANT por la Administración Nacional de Aeronáutica y el Espacio (NASA) para sobrevolar la superficie de otro planeta en el año 2021, evidencian la importancia de esta tecnología y, en particular, de sus sistemas de control. Por ello, este proyecto se centra en investigar la implementación de un controlador de orientación aplicado a un VANT de cuatro motores, empleando técnicas modernas de control: Backstepping y Control en Modo Deslizante (SMC). El software de control fue implementado en el microcontrolador ESP32. Para el desarrollo del modelo matemático del VANT se utilizó el método Newton-Euler, mientras que las simulaciones de vuelo se realizaron en Matlab®. La estructura del VANT empleada tiene dimensiones de 0.16m x 0.16m. Se desarrolló un sistema de instrumentación que integra acelerómetro, giroscopio y microcontrolador, diseñado para determinar la orientación del VANT y controlar, mediante señales PWM, sus cuatro motores. En la etapa de implementación, el procesamiento de datos de los sensores se efectuó mediante el filtro de Kalman (KF). Las pruebas en laboratorio muestran que el controlador diseñado e implementado regula los ángulos de orientación roll y pitch. Para el ángulo roll se obtuvo un sobreimpulso máximo del 18% con un tiempo de estabilización de ∼ 3,95𝑠, mientras que para pitch se alcanzó un sobreimpulso máximo del 8,5% con un tiempo de estabilización de ∼ 2,22𝑠.