Nonlinear control techniques for the trajectory tracking problem applied to quadrotors

Orientador: Juan Francisco CaminoDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: O projeto de controladores voltado ao problema de rastreamento de trajetórias para quadricópteros é uma tarefa complexa pois requer a aplicação de técnicas avançadas de controle, já que o modelo dinâmico do quadricóptero é não linear e subatuado. Em situações reais, um quadricóptero está sujeito a vários tipos de perturbações que podem prejudicar o desempenho dos controladores projetados. Este trabalho apresenta projetos de controladores de rastreamento de trajetórias para um quadricóptero sujeito a perturbações em sua dinâmica de voo. A arquitetura do sistema de controle é constituída de uma malha interna de controle contendo um controlador por \textit{feedback linearization}, que será responsável por neutralizar as não linearidades presentes no modelo dinâmico e lidar com a subatuação inerente do sistema, e uma malha externa de controle. Para a malha externa, que é responsável pela estabilidade e rejeição às perturbações, são apresentados três projetos de controladores: um controlador LQR, um controlador Hoo e um controlador por sliding mode. Simulações numéricas são apresentadas para demonstrar a capacidade de rastreamento de trajetórias e a rejeição a perturbações de cada um dos três projetos propostosAbstract: Designing trajectory tracking controllers for quadrotors is not a trivial task. Since the quadrotor's dynamic model is nonlinear and underactuated, the use of advanced control techniques is often required. In real applications, a quadrotor is subject to different kinds of disturbances that can affect the performance of the designed controllers. This work presents different trajectory tracking controller designs for a quadrotor with disturbances in its flight dynamics. The control system architecture is composed of an inner and an outer control loop. The inner loop, created through feedback linearization, counteracts nonlinearities of the dynamic model while dealing with the underactuation of the system. For the outer loop, responsible for stability and disturbance rejection, three different control designs are presented: one LQR controller, one Hoo controller and one sliding mode controller. Numerical simulations show the trajectory tracking performance and disturbance rejection capabilities of the proposed controllersMestradoMecanica dos Sólidos e Projeto MecanicoMestre em Engenharia Mecânica33003017CAPE