Robust Control Strategies for a QuadRotor Helicopter. An Underactuated Mechanical System. Estrategias de Control Robusto para un Helicóptero QuadRotor. Un Sistema Mecánico Subactuado.

Esta tesis trata con estrategias de control robusto para resolver el problema de seguimiento de trayectorias para vehiculos aereos autonomos (en ingles conocidos como UAV�s - Unmanned Aerial Vehicles). El UAV considerado es un helicoptero QuadRotor en escala reducida, que es caracterizado por un sistema mecanico subactuado, es decir, posee menos entradas de control que grados de libertad. Normalmente, para el diseno de estrategias de control avanzado se necesita un modelo dinamico preciso del sistema. Siendo asi, en esta tesis se obtiene un modelo dinamico adecuado del helicoptero QuadRotor con fines de diseno de control, teniendo en cuenta un equilibrio entre complejidad y realismo. El sistema se basa en leyes fisicas para obtener un modelo que represente el comportamiento del vehiculo en presencia de diversas fuentes de incertidumbres y que sea apropiado al prototipo utilizado en este trabajo. Dado que el helicoptero QuadRotor es un sistema mecanico subactuado, una manera comun para realizar el seguimiento de trayectorias de UAV�s es utilizando estrategias de control en cascada. Por lo tanto, se proponen estructuras en cascada para controlar dos subsistemas: el de rotacion y el de traslacion. Para el subsistema de rotacion se disena un controlador H? no lineal con realimentacion de estados para sistemas mecanicos, que proporciona robustez en presencia de perturbaciones exogenas, incertidumbres parametricas y dinamicas no modeladas. Para realizar el seguimiento de trayectorias para el helicoptero QuadRotor se utilizan tres tecnicas de control buscando una continua mejoria del desempeno. Primero se aplica una ley de control H? lineal con realimentacion de estados asegurando propiedades de robustez. Para mejorar la conduccion del vehiculo, se disena un controlador predictivo con accion integral basado en el modelo del error de traslacion, que proporciona suavidad al seguimiento de trayectorias. Por ultimo, para ampliar el espacio de trabajo de los movimientos de traslacion, se propone una ley de control basado en una tecnica de backstepping con accion integral, utilizando el modelo no lineal del helicoptero. Teniendo en cuenta el caracter subactuado del helicoptero QuadRotor, se proponen dos estrategias de control H? no lineal. Primero se disena una ley de control basada en un sistema reducido, donde solamente se consideran los grados de libertad controlados. Este controlador es aplicado en una estrategia en cascada al helicoptero con un controlador predictivo previo, donde el controlador H? no lineal se encarga de los movimientos de altitud y orientacion, mientras el MPC controla los movimientos laterales y longitudinales. Este controlador se ha empleado para controlar otras aplicaciones, las cuales estan basadas en el concepto del pendulo invertido. Las estrategias de control en cascada poseen un inconveniente: aunque en los resultados de simulacion el sistema completo en bucle cerrado presente un comportamiento estable, se requiere que esto sea demostrable. Para evitar el uso de estructuras en cascada, se desarrolla una estrategia de control basada en tecnicas de control H? no lineal aplicadas a sistemas mecanicos subactuados. El objetivo es obtener una ley de control que garantice robustez para el problema de seguimiento de trayectorias del helicoptero QuadRotor sin la necesidad de estrategias en cascada ni de espacios de estado aumentado. Adicionalmente se presenta un enfoque del controlador H? no lineal para sistemas mecanicos, permitiendo ponderar diferentes dinamicas del sistema. Otra cuestion a ser abordada es la mejora de la robustez del controlador H? no lineal disenado para sistemas mecanicos. Esta ley de control es calculada teniendo en cuenta que todas las incertidumbres que afectan al sistema son perturbaciones externas. Sin embargo, esta hipotesis no es muy realista. Por lo tanto, para contrarestar este problema, se presenta una solucion para robustificar la ley de control H? no lineal, donde se calcula una senal de control adicional a traves de la tecnica de funciones de saturacion para hacer frente a errores de modelado. En resumen, esta tesis presenta un desarrollo teorico de estrategias de control robusto para resolver el problema de seguimiento de trayectorias de vehiculos aereos autonomos, centrandose en sistemas mecanicos subactuados.