CAPTULO III MARCO TERICO 3.1. Marco terico relacionado a la parte mecnica

3.1.1. Radiacin electromagntica Es el producto de la variacin peridica de los campos elctricos y magnticos. Un campo es una regin del espacio en la que la materia est sometida a algn tipo de fuerza. En el caso de la radiacin electromagntica, los campos son producidos por las partculas cargadas en movimiento.

Figura N 1.Onda electromagntica

3.1.1.1. Radiacin ultravioleta (UV) La regin de la radiacin UV procedente del sol, comprende el intervalo de longitudes de onda de 100 a 400 nm y se divide en tres bandas: UVA (315-400 nm), UVB (280-315 nm) y UVC (100-250 nm), ver Figura N 2. La radiacin solar al penetrar la atmsfera terrestre, el ozono, el vapor de agua, el oxgeno y el dixido de carbono absorben toda la radiacin UVC y casi el 90% de la UV, pero en menor medida a la UV. Por lo tanto, la radiacin UV, que llega a la superficie terrestre es en su mayor parte rayos UVA, con aproximadamente 10% de UVB, siendo esta ltima la que produce dao en la piel agravado por el agujero de ozono que se produce en los polos del planeta y con mayor nfasis en la Antrtida.

Figura N 2.Espectro de radiacin solar

3.1.1.2. ndice de radiacin ultravioleta (IUV) Consiste en una medida sencilla de la intensidad de la radiacin UV, contenido en una gua prctica destinada a ser usada por las autoridades nacionales y locales y ONG que ejecutan actividades de prevencin del cncer de la piel, as como los servicios meteorolgicos y los medio de comunicacin involucrados en la informacin sobre el IUV. Este ndice ultravioleta oscila en una escala de 0 a 16, posee cinco rangos y hace nfasis en los valores mximos. IUV 0 1 2 3 4 5 6 7 9 10+ Bajo Moderado Alt Muy Alto Extremo Color Verde Amarillo Naranja Rojo Morado Proteccin No Si. Necesidad de sombra. Usar camisa, crema de proteccin solar y sombrero Si, en forma extra. Necesidad de sombra. Imprescindible el uso de camisa, crema de proteccin solar y sombrero Riesgo Sin riesgo Horas centrales del da No salir a las horas centrales del da

Tabla N 1.ndice de radiacin ultravioleta La formulacin del ndice UV se basa en el espectro de accin de referencia de la Comisin Internacional sobre Iluminacin (CIE) para el eritema inducido por la radiacin en la piel humana (ISO 17166:1999/CIE S 007/E-1998). El IUV es adimensional y se define mediante la siguiente frmula:

= ()400 250 Donde es la irradiancia espectral solar expresada en /(2.) a la longitud de onda y es el diferencial de longitud de onda utilizado en la integracin. () es el espectro de accin de referencia para el eritema y es una constante igual a 40 2/.

3.1.2. Localizacin por GPS Para su buen funcionamiento se necesita tener en cuenta la diferencia de frecuencias a las cuales son emitidas y recibidas las seales en dos localizaciones con distinto potencial gravitatorio. Esto se basa en considerar el sistema de referencia espacio-tiempo de la Tierra, es decir, un marco solidario con el observador estacionario en Tierra. Lo que ocurre es que el satlite GPS manda una seal codificada con su tiempo de emisin y localizacin y el observador la recibir en un tiempo de intervalo despus. 3.1.2.1. Principio de triangulacin La idea general detrs del GPS es utilizar los satlites en el espacio como puntos de referencia para ubicaciones aqu en la Tierra. Esto se logra mediante una muy, pero muy exacta, medicin de nuestra distancia hacia al menos tres satlites, lo que nos permite triangular nuestra posicin en cualquier parte de la Tierra. La gran idea geomtricamente es: Supongamos que medimos nuestra distancia al primer satlite y resulta ser de 11000 millas (20000 Km).

Figura N 3.Posicin de satlite en alguna parte de la tierra

Sabiendo que estamos a 11000 millas de un satlite determinado, no podemos por lo tanto estar en cualquier punto del universo sino que esto limita nuestra posicin a la superficie de una esfera que tiene como centro dicho satlite y cuyo radio es de 10000 millas. A continuacin medimos nuestra distancia a un segundo satlite y descubrimos que estamos a 12000 millas del mismo. Esto nos dice que no estamos solamente en la primera esfera, correspondiente al primer satlite, sino sobre otra esfera que se encuentra a 12000 millas del segundo satlite. En otras palabras, estamos en algn lugar de la circunferencia que resulta de la interseccin de las dos esferas.

Figura N 4.Localizacin de posicin en la interseccin de las 2 esferas Si ahora medimos nuestra distancia a un tercer satlite y descubrimos que estamos 13000 millas del mismo, esto limita nuestra posicin an ms, a los dos puntos en los cuales la esfera de 13000 millas corta la circunferencia que resulta de la interseccin de las dos primeras.

Figura N 5. Localizacin de posicin en la interseccin de las 3 esferas Para decidir cul de ellos es nuestra posicin verdadera, podramos efectuar una nueva medicin a un cuarto satlite.

3.1.2.2. Distancia hacia los satlites Se realiza midiendo el tiempo que tarda una seal emitida por el satlite en llegar hasta nuestro receptor de GPS. La gran idea, matemticamente es: Para el GPS se mide una seal de radio, que viaja a la velocidad de la luz, alrededor de 300000 /. El problema de la medicin de este tiempo es complicad. Los tiempos son extremadamente cortos. Si el satlite estuviera justo sobre nuestras cabezas, a unos 20000 Km de altura, el tiempo total de viaje de la seal hacia nosotros sera de algo ms de 0.06 seg. Estamos necesitando relojes muy precisos. Ahora supongamos que nuestro GPS, por un lado, y el satlite, por otro, generan una seal auditiva en el mismo instante exacto. Supongamos tambin que nosotros, parados al lado de nuestro receptor GPS, podamos o ambas seales. Oiramos 2 versiones de la seal. Una de ellas inmediatamente, la generada por nuestro receptor GPS y la otra con cierto atraso. La proveniente del satlite, porque tuvo que recorrer alrededor de 20000 Km para llegar hasta nosotros. Podemos decir que ambas seales no estn sincronizadas.

El tiempo de retardo necesario para sincronizar ambas seales es igual al tiempo de viaje de la seal proveniente del satlite. Supongamos que sea de 0.06 seg. Conociendo este tiempo, lo multiplicamos por la velocidad de la luz y obtenemos la distancia hasta el satlite. . (300000 /) (0.06 ) = . (18000 ) La seal emitida por nuestro GPS y por el satlite es algo llamado Cdigo Pseudo Aleatorio (Pseudo Random Code). Este cdigo Pseudo Aleatorio es un aparte fundamental del GPS. Fsicamente solo se trata de una secuencia o cdigo digital muy complicado. O sea una seal que contiene una sucesin muy complicada de pulsos on y off .

Figura N 6.Cdigo Pseudo Aleatorio La complejidad del cdigo ayuda a asegurarnos que el receptor de GPS no se sintonice accidentalmente con laguna otra seal. Siendo el modelo tan complejo es altamente improbable que una seal cualquiera pueda tener exactamente la misma secuencia. Dado que cada uno de los satlites tiene su propio y nico Cdigo Pseudo Aleatorio, esta complejidad tambin garantiza que el receptor no se confunda accidentalmente de satlite. De esa manera, tambin es posible que todos los satlites transmitan a la misma frecuencia sin interferirse mutuamente. Esto tambin complica a cualquiera que intente interferir el sistema desde el exterior al mismo. El cdigo permite el uso de la teora de la informacin para amplificar las seales de GPS. Por esa razn las dbiles seales emitidas por los satlites pueden ser captadas por los receptores de GPS sin el uso de grandes antenas.

3.1.2.3. Control perfecto del tiempo Si la medicin del tiempo de viaje de una seal de radio es clave para el GPS, los relojes que empleamos deben ser muy exactos, dado que si miden con un desvo de un milsimo de segundo, a la velocidad de la luz, ello se traduce en un error de 300 Km. Por el lado del satlite, el timing es casi perfecto porque llevan a bordo relojes atmicos de increble precisin.

Tanto el satlite y el receptor GPS, deben ser capaces de sincronizar sus Cdigos Pseudo Aleatorios para que el sistema funcione. Para la obtencin de un timing perfecto en el receptor GPS, se efecta una medicin satelital adicional. Una medicin adicional remedia el desfasaje del timing. Si todo fuera perfecto (es decir que los relojes de nuestros receptores GPS lo fueran), entonces todos los rangos (distancias) a los satlites se interceptaran en un nico punto (que indica nuestra posicin). Pero con relojes imperfectos, una cuarta medicin, efectuada como control cruzado, no intersectar con los tres primeros. De esa manera la computadora de nuestro GPS detectar la discrepancia y atribuir la diferencia a una sincronizacin imperfecta con la hora universal. Dado que cualquier discrepancia con la hora universal afectar a las cuatro mediciones, el receptor buscar un factor de correccin nico que siendo aplicado a sus mediciones de tiempo har que los rangos coincidan en un solo punto. Dicha correccin permitir al reloj del receptor ajustarse nuevamente a la hora universal. Una vez que el receptor de GPS aplica dicha correccin al resto de sus mediciones, obtenemos un posicionamiento preciso. 3.1.2.4. Conocer dnde estn los satlites en el espacio Todos ellos estn flotando a unos 20000 Km de altura en el espacio. La altura de 20000 Km es en realidad un gran beneficio para este caso, porque algo que est a esa altura est bien despejado de la atmsfera. Eso significa que orbitar de manera regular y predecible mediante ecuaciones matemticas sencillas. En tierra, todos los receptores de GPS tienen un almanaque programado en sus computadoras que les informan dnde est cada satlite en el espacio, en cada momento. Las rbitas bsicas son muy exactas pero con el fin de mantenerlas as, los satlites de GPS son monitoreados de manera constante por el Departamento de Defensa. Ellos utilizan radares muy precisos para controlar constantemente la exacta altura, posicin y velocidad de cada satlite. Los errores que ellos controlan son los llamados efemrides, o sea evolucin arbitral de los satlites. Estos errores se generan por influencias

gravitacionales del sol y de la luna y por la presin de la radiacin solar sobre los satlites.

Figura N 7.Monitoreo de satlite Una vez que el Departamento de Defensa ha medido la posicin exacta de un satlite, vuelven a enviar dicha informacin al propio satlite. De esa manera el satlite incluye su posicin corregida en la informacin que transmite a travs de sus seales a los GPS. Esto significa que la seal que recibe un receptor de GPS no es solamente un Cdigo Pseudo Aleatorio con fines de timing. Tambin contiene un mensaje de navegacin con informacin sobre la rbita exacta del satlite.

3.1.2.5. Corrigiendo errores Una seal de GPS pasa a travs de partculas cargadas en su paso por la ionosfera y luego al pasar a travs de vapor de agua en la troposfera pierde velocidad, creando el mismo efecto que un error de precisin en los relojes. Hay un par de maneras de minimizar este error. Por un lado, podramos predecir cul sera el error tipo de un da promedio. A esto se llama modelacin. Otra manera de controlar los errores inducidos por la atmsfera es comparar la velocidad relativa de dos seales diferentes. La geometra bsica por s misma puede magnificar estos errores mediante un principio denominado Dilacin geomtrica de la posicin, o DGPD. En la realidad suele haber ms satlites disponibles que los que el receptor GPS necesita para fijar una posicin, de manera que el receptor toma algunos e ignora el resto. Si el receptor toma satlites que estn muy juntos en el cielo, las circunferencias de interseccin que definen la posicin se cruzarn a ngulos

con muy escasa diferencia entre s. Esto incrementa el margen de error cerca de una posicin.

Figura N 8.Satlites muy juntos que incrementar el error Si el receptor toma satlites que estn ampliamente separados, las circunferencias intersectan a ngulos prcticamente rectos y ello minimiza el margen de error.

3.1.3. Radiofrecuencia Las frecuencias de radio son de alta frecuencia de corriente alterna (AC) las seales que se transmiten pasan a lo largo de un conductor de cobre y luego se irradia en el aire a travs de una antena. Estas frecuencias se encuentran entre los 3 Hz y los 300 GHz, correspondiente a la parte menos energtica del espectro electromagntico. Una antena transforma una seal de cable a una seal inalmbrica y viceversa. Cuando la frecuencia alta en AC la seal es irradiada en el aire y forma ondas de radio. Estas ondas de radio se propagan de la fuente en lnea recta en todas direcciones a la vez.

Figura N 9.Espectro de radiofrecuencia 3.1.3.1. Frecuencia (f) Es la magnitud que mide el nmero de veces que una seal se repite en una unidad de tiempo y su unidad es el Hz.

= # 1 3.1.3.2. Longitud de onda () Es la distancia que una seal recorre en el intervalo de tiempo comprendido entre dos mximos consecutivos y que es inversamente proporcional a la frecuencia de la seal.

() = 300000(/)()

Figura N 10.Longitud de onda

3.2. Marco terico relacionado a la parte electrnica 3.2.1. APM Multiplataform Ardupilot APM (Ardu Pilot Mega) es una plataforma desarrollada por 3DRobotics basada en Arduino. A diferencia de otros sistemas de auto pilotaje, APM se acerca ms al concepto de UAV debido a la implementacin del firmware junto con el software de estacin en tierra que permiten adems del vuelo guiado por radio control, el desarrollo de misiones de manera autnoma, la exploracin con diversos modos de vuelo, la adquisicin de datos y el control de la carga til, entre otras caractersticas. 3.2.1.1. APM Hardware El componente de hardware consiste en un sistema embebido con sensores inerciales, GPS y altmetros adems de los perifricos que ofrece el procesador Atmega 2560. En la Figura 3.4 se puede observar la distribucin de los perifricos del controlador. En cuanto a entradas, estas son las correspondientes a las seales del Radio control y las salidas se destinan a los ESCs de cada motor.

Figura N 11.Ardupilot APM 2.6 Por otro lado el sistema de control tiene un voltaje nominal de alimentacin de 5v con un mximo de 6v. Alimentar la tarjeta se puede hacer de dos formas: con una sola fuente o utilizando dos fuentes de poder. Esta caracterstica se elige con un jumper que enlaza la lnea de alimentacin de las entradas con las salidas hacia los ESC.

La intencin de manejar dos fuentes separadas es que en ocasiones la carga (los motores) puede exigir al controlador ms corriente de la que puede suministrar, esto implica una cada de tensin (brownout) que en el caso en que las entradas y salidas dependiesen de una sola fuente puede llevar a que el sistema pierda el control. Este efecto es importante cuando el control alimenta directamente la carga, es decir, cuando se utilizan servomotores como en el caso de una configuracin VTOL tradicional (Helicptero). Los multirotores no se ven afectados, debido a que los ESC necesarios para el manejo de los motores trifsicos se alimentan y generan carga directamente a la batera. Para habilitar la caracterstica de fuente dual, basta con retirar el jumper y desacoplar la alimentacin de entradas y salidas. Ver Figura N 12.

Figura N 12.Habilitacin de fuente dual El voltaje necesario para alimentar el controlador se puede obtener de los ESC. Estos dispositivos se alimentan de la batera y tienen un regulador de voltaje que entrega 5v. 3D Robotics ha desarrollado una placa de distribucin de potencia (PDB) que facilita la interconexin entre la batera, Los ESC y el control. De esta manera el voltaje de alimentacin del controlador se obtiene de uno de los ESC y a travs del PDB se direccionan hacia el controlador. Ver Figura xx.

Figura N 13.Placa de distribucin de potencia

3.2.1.2. Alimentacin El sistema de alimentacin es el encargado de suministrar la energa requerida por los motores y dems sistemas del UAV (Unmanned Aerial Vehicle). Las bateras para aplicaciones en UAS (Unmanned aircraft system) deben tener caractersticas de alta potencia, resistencia a las condiciones medioambientales a las que est sometido el UAV ciclos de carga y descarga ptimos que permitan tener tiempos de vuelo largos, adems de bajo peso y tamao. La capacidad de una batera est definida por la cantidad de energa que puede suministrar a la carga, esta unidad se suele representar en miliamperios hora (mAh) y est directamente relacionada con el tiempo de vuelo y define el costo de las bateras. Otra caracterstica importante a la hora de seleccin de bateras es el nmero de celdas, este dato determinara el voltaje mximo que suministra las bateras debido a que su construccin est basada en un conjunto de celdas las cuales aportan cada una un valor de voltaje que tpicamente esta alrededor de los 3 voltios. Bateras de Li-Po Son bateras de Litio-Polmero tiene densidades de energa de 5 a 12 veces mayores a las de otras bateras. Son mucho ms ligeras que otras y cada celda tiene voltajes de alrededor de 3.7 voltios. Estas caractersticas las hacen ideales para aplicaciones de alta potencia y son muy valoradas en el campo del aeromodelismo. La vida til de estas bateras es alta pero requiere mayores cuidados, no se debe dejar descargar de un nivel de voltaje inferior a 3.3 voltios por celda ni permitir sobre cargas porque sus elementos constitutivos son inflamables.

Figura N 14.Bateras Li-Po

3.2.1.3. Motores Los motores son los encargados en convertir la energa elctrica almacenada en la batera a energa mecnica que mueve las hlices o alerones. Motores Brushless out-runner Los motores out-runner se diferencian en que el rotor es externo, es decir que la coraza del motor se acopla a un eje y desde adentro el estator genera las seales necesarias para el movimiento. La ventaja que presenta esta configuracin es que al aumentar el momento de inercia del rotor se aumenta el torque, aunque tambin las vibraciones y se disminuye la velocidad. Se utilizan con frecuencia debido a que para la mayora de los casos la capacidad de torque extra de estos motores es suficiente para aplicaciones de aeromodelismo sin necesidad de montar una caja reductora.

Figura N 15.Motor Brushless out-runner

3.2.1.4. Controlador electrnico de velocidad El uso de motores brushless hace que sea necesario utilizar un driver que es el encargado de generar las seales que controlan el motor y que adems entrega la potencia requerida, este tipo de driver es un variador de velocidad que recibe una seal modulada en ancho de pulso y mediante el uso de un inversor y un controlador convierte la seal DC de la batera a una seal alterna trifsica para el motor.

Figura N 16.Controladores de velocidad

3.3. Marco terico relacionado a la parte de control 3.3.1. Estacin de control: Mission planner Mission planner es un proyecto de software libre desarrollado para Windows que permite programar el controlador realizar diagnostico mediante la visualizacin de logs, archivos de texto que tienen informacin de las variables del controlador desde que este se energiza hasta que se desconecta, y mediante un sistema de telemetra permite enviar ordenes al controlador para el desarrollo de misiones entre otras caractersticas. En la Figura N 17 se observa la interfaz del Mission planner. Esta es la pantalla que aparece cuando se inicia el programa. En esta pestaa se muestran los datos de vuelo el estado general de los instrumentos a bordo del vehculo.

Figura N 17.Mission Planner

3.3.2. Descargar del firmware El firmware es el programa que controla la adquisicin de datos de los sensores y las entradas y genera las salidas hacia los motores del vehculo. Como APM es un controlador multiplataforma, mission planner ofrece la posibilidad de descargar el firmware actualizado para cada plataforma. Ver Figura N 18. Para realizar la descarga del Firmware al controlador se conecta el cable USB desde el controlador y se selecciona el tipo de plataforma que se va a utilizar. El firmware segn la configuracin que se seleccione viene con caractersticas por defecto.

Figura N 18.Descarga del Firmware

3.3.3. Configuracin bsica Habiendo instalado el software y cargado el firmware en el controlador el siguiente paso es configurar y calibrar los sensores y sistemas de mando. 3.3.3.1. Calibracin del comps magntico El comps electromagntico es un sensor que permite determinar la orientacin del vehculo midiendo un ngulo respecto al norte magntico. La calibracin del sensor magntico consiste en determinar la medida que toma el sensor en cada eje y compensar los niveles de variacin que se presentan en la medida; debido a la declinacin y la variacin del campo magntico en funcin de la posicin geogrfica del instrumento. La calibracin debe hacerse en lugares abiertos libres de interferencia electromagntica y deber realizarse cada vez que se cambie significativamente la posicin geogrfica del vehculo. Realizar la calibracin del comps se puede hacer mediante el Missionplanner. En la pestaa de configuracin inicial se puede realizar la calibracin del comps utilizando el botn Live Calibration, que habilita la toma de muestras del valor del comps, en este lapso de tiempo se debe mover el vehculo alrededor de todos los ejes y mantener durante un tiempo la direccin apuntando hacia abajo. Al finalizar la calibracin se guardan los valores de compensacin en el eje X, Y y Z respectivamente.

(a) Orientacin inicial (Norte) (b) Este

(c)Sur (d) Oeste Figura N 19.Calibracin del comps magntico 3.3.3.2. Calibracin de los acelermetros Los acelermetros son la base del funcionamiento del control de estabilizacin de vuelo. La calibracin de este sensor consiste en determinar los valores de lectura mximos en cada eje de giro y el valor de todos los sensores cuando el vehculo se encuentra en nivel dado que este va a ser el valor de referencia para que el vehculo se estabilice. La calibracin de los acelermetros se realiza desde el mission planner en la pestaa de configuracin inicial. Al iniciar la calibracin el programa pide que se site el vehculo en diferentes posiciones cada vez que se gira a una posicin especifica se pide la confirmacin oprimiendo cualquier tecla. Es importante mantener el tiempo suficiente el vehculo sobre cada posicin para evitar lecturas errneas. Una vez finalizada la calibracin se almacenan los valores mximos que mide el acelermetro en cada eje y se guardan los valores del acelermetro cuando el vehculo se encuentra nivelado.

3.3.3.3. Calibracin de radiocontrol La calibracin de las seales del radio control consiste en caracterizar cuales son los valores mximos y mnimos de las entradas. Las consideraciones a tener en cuenta al realizar la calibracin es saber el modo de funcionamiento del control, este debe estar en modo avin y se debe tener programado el control para que la aceleracin sea proporcional linealmente y los sentidos de giro en especial de pitch y roll no estn invertidos. Para realizar la calibracin se accede al men de configuracin inicial. Al iniciar la calibracin el software pide que se muevan todos los canales conectados, al

terminar se pide que el acelerador se mantenga en el mnimo, los valores almacenados corresponden al valor mximo y mnimo de pwm correspondientes al radiocontrol.

Figura N 20.Calibracin de radiocontrol

3.3.3.4. Calibracin de los ESCs La calibracin de los controladores de velocidad consiste en asignar el mximo valor del PWM a la mxima velocidad de los motores. La calibracin se puede hacer de forma manual a cada controlador, calibrando cada ESC o de manera simultnea utilizando el controlador. La forma manual de realizar la calibracin se consigue en el manual del ESC. Para el caso de Electrifly el ESC tiene la posibilidad de habilitar el freno del motor. Esta caracterstica es til para detener completamente el giro de las hlices si se requiere. El freno se habilita o deshabilita con cada calibracin del controlador. La calibracin manual del ESC de Electrifly se realiza de la siguiente manera: 1. Se conecta el ESC al receptor del radiocontrol en el canal correspondiente al acelerador (Throttle). 2. Se lleva el Stick del acelerador al mximo. 3. Conectar la batera. 4. Una vez suene uno o dos pitidos seguidos, (los dos pitidos indican que se va a activar el freno del ESC), el ESC entra en estado de calibracin. Se baja el stick para continuar.

5. El ESC genera un pitido de confirmacin. en este momento se lleva el acelerador a mximo valor. 6. Una vez ms, el ESC genera un pitido de confirmacin, en este momento se lleva el acelerador a la mnima posicin. 7. El ESC genera 4 pitidos indicando que ha finalizado la calibracin. 3.3.4. Pruebas y sintonizacin bsica 3.3.4.1. Significado de leds El controlador de velocidad dispone de una serie de leds que dan informacin sobre el estado de los motores y otros sistemas o acciones que se pueden llevar a cabo en el controlador. Ver Tabla N 1. LEDs Significado Power Indica que el control esta encendido A (Rojo) Parpadeante: Los motores esta n desarmados Solido: Los motores esta n armados Doble parpadeante: Fallo en verificaciones de pre- arme B (Amarillo) Parpadea junto con azul y rojo cuando esta en fase de calibracio n o de auto ajuste C (Azul) Parpadeante: GPS funcionando pero sin posiciona- miento 3D Solido: GPS funcionando y con posicionamiento 3D Apagado: GPS no funciona o esta desconectado 3D fix Parpadeante: Gps esperando conexio n satelital Solido: Gps con posicionamiento Rx/Tx Parpadeante cuando el controlador esta recibiendo y enviando datos por el puerto serial

Tabla N 2. Significado de los leds en el controlador de velocidad 3.3.4.2. Verificaciones de pre-arme Las verificaciones de seguridad que se hacen al iniciar el controlador consisten en una serie de pruebas para determinar si se han calibrado los sensores correctamente y si todos los sistemas funcionan antes de permitir que se armen los motores. 3.3.4.2.1. Arranque de motores

Con la calibracin realizada ya es posible armar los motores de manera segura. Si se ha realizado la calibracin y aun as falla la verificacin puede deberse a que no estn todos los dispositivos completamente configurados y a menos que se deshabiliten las verificaciones no se podrn armar los motores. Antes de armar los motores es necesario tener en cuenta que el modo de vuelo configurado sea Stabilize, Acro, AltHold o Loiter, nicamente en estos modos de vuelo se pueden armar los motores, Para empezar es preferible que el modo de vuelo seleccionado sea Stabilize debido a que el control completo del vehculo depende del operario. Para armar los motores se energiza el controlador y se espera un tiempo mientras se estabilizan los leds. Esto sucede porque cada vez que se energiza la board se realiza la calibracin del barmetro y de los girscopos. Una vez el led rojo se encuentre realizando un parpadeo simple constantemente se puede armar los motores. Para ello se lleva el acelerador hacia abajo a la derecha durante 5 segundos, si se mantiene durante ms tiempo, hasta 15 segundos, se lleva al controlador a el modo de auto-trim. Cuando el led rojo se queda solido el controlador pide calibrar una vez ms el mximo y mnimo valor del acelerador. Antes de realizar un vuelo es necesario hacer pruebas controladas que permitan verificar que los motores y las hlices estn correctamente ensamblados y no existen inconvenientes en el frame o el ensamblaje del radiocontrol y la etapa de potencia, adems que permita ver el comportamiento del control para realizar la sintonizacin adecuada. Para esto se recomienda: Verificar que el vehculo se ha armado en modo de vuelo Stabilize. Esto es porque en otros modos de vuelo la respuesta al acelerador se consigue por arriba del 60% de la seal (AltHold) o el control de giro alrededor de los ejes se deshabilita (Acro) lo cual es inesperado e inconveniente para realizar las pruebas Una vez nivelado y con los motores armados se sugiere mantener el vehculo firmemente con la mano y elevar el acelerador el mnimo necesario para que las hlices giren. En este punto se puede comprobar que los motores estn bien ensamblados se puede observar la accin del control al intentar

girar el vehculo alrededor de alguno de los ejes de navegacin Pitch, Roll o Yaw. Si el vehculo responde de manera satisfactoria se puede intentar un despegue para ello se recomienda ubicarse en un rea libre de viento y con suficiente espacio para evitar choques con objetos o personas. El piloto deber estar a 3 metros del vehculo. En el momento del despegue no se deben evidenciar tendencias hacia la derecha o izquierda si esto sucede es posible que algunos motores o hlices no estn completamente alineados y produzcan una tendencia de movimiento. En el modo de vuelo Stabilize el vehculo est libre en todos sus grados de libertad, el control nicamente intenta mantener el ngulo de inclinacin y mantener en nivel el vehculo, es posible que el vehculo tienda a elevarse demasiado o muy poco esto se debe a que las hlices y los motores seleccionados estn mal dimensionados por lo tanto se deber tomar precauciones para evitar comportamientos no esperados. Este comportamiento puede variarse en parmetros de sintonizacin bsica ajustando el nivel de la seal del acelerador en la que se alcanza un vuelo estacionario.

3.3.4.2.2. Sintonizacin bsica Realizado el primer vuelo se puede observar el comportamiento del control en el vehculo. La sintonizacin bsica permite ajustar el efecto del control para los grados de libertad pitch y roll simultneamente y la sensibilidad del acelerador. Ver Figura xx.

Figura N 21.Sintonizacin bsica

La sintonizacin se realiza con base al comportamiento deseado del cuadrotor. En la pestaa de configuracin en la seccin de sintonizacin bsica se pueden modificar 3 parmetros: Throttle Hover: Este parmetro configura el nivel en el que el acelerador alcanza su valor estable y permite mantener un vuelo estacionario sin variar la altitud. Si en el vuelo el vehculo alcanza un nivel estable con el acelerador por debajo del 50% se debe disminuir el valor de este tem, si por el contrario el acelerador alcanza un vuelo estacionario por arriba del 50% del acelerador se debe aumentar la referencia. Pitch/Roll rate: modifica el comportamiento del controlador cuando busca estabilizar el sistema, si el control responde de manera agresiva se debe reducir la accin del control de lo contrario si el control responde muy lento debe aumentarse este factor. Climb rate: representa la velocidad con que el control sigue la referencia de altura entre mayor sea el nmero ms rpido intentara llegar a la referencia del acelerador.

3.3.4.2.3. Ajuste del acelerador (Throttle) Algunas veces el vehculo puede estar mal dimensionado y se pueden presentar dos efectos uno es que el nivel de aceleracin requerido por el sistema para lograr un vuelo en equilibrio se alcanza por debajo del 50% del valor del acelerador. Esto significa que los motores y en general el sistema de propulsin est sobredimensionado, si se alcanza un vuelo estable por debajo del 30% se recomienda agregar ms peso al sistema. En el caso contrario si el valor del Throttle est por arriba del 50% se dice que los motores estn subdimensionados y en el caso en que el nivel del acelerador este sobre el 70% deber reducir peso en el sistema o aumentar la potencia de los actuadores. En caso de que el desfase este entre el 30% y el 70 %, el parmetro THR MID de la lista de parmetros, puede modificarse para que el controlador compense la lectura del acelerador y este llegue al 50% para lograr un vuelo estacionario. El objetivo de esta sintonizacin es que el vuelo estacionario siempre se consiga en el 50% del nivel del acelerador, esta caracterstica no es un problema cuando el modo de vuelo es Stabilize pero en otros modos de vuelo (Loiter y Alt Hold) que tienen como parmetro elevarse si el nivel del acelerador sube por arriba del 60% o descender si baja del 40

%, esto constituye un problema cuando se va a pasar del modo de vuelo Stabilize y el vuelo estacionario se consigue por fuera de este rango. Para sintonizar este parmetro se realiza un vuelo de prueba en el que el vehculo se mantenga estacionario durante 30s al finalizar se descarga el ultimo LOG y se grafica el parmetro TRH OUT que significa el valor que sigue el controlador de la entrada del acelerador. Este parmetro da el valor en el que se consigue el vuelo estacionario. Una vez identificado se reemplaza en la lista de parmetros. Ver Figura N 22.

Figura N 22.Ajuste del acelerador

3.3.5. Configuracin avanzada 3.3.5.1. Lazo de control El lazo de control principal corresponde a una configuracin en cascada de un PI y un PID, este lazo principal es el encargado de la estabilidad y del comportamiento del UAV. El lazo del PID es el lazo interno, Es el encargado de controlar el giro de los motores para alcanzar una velocidad angular deseada alrededor de los ejes pitch y roll. De esta manera se controla el nivel y el comportamiento general del vehculo.

Figura N 23.Lazo de control PID y PI El lazo externo es un control PI que toma las seales directamente de los girscopos y genera una tasa de rotacin que es la entrada al PID del lazo interno. La sintonizacin de este control vara el comportamiento en cuanto a la velocidad de giro y la velocidad de respuesta a una entrada del control pero no influye significativamente en el comportamiento que le da estabilidad al vehculo. 3.3.5.1.1. Sintonizacin PID El PID es el controlador principal de todos los modos de vuelo, debido a que es el encargado de mantener el nivel del vehculo. La sintonizacin de este controlador va a permitir variar la forma en que el sistema se comporta y alcanza una referencia. A continuacin se describir la lista de parmetros que se pueden modificar y el efecto de cada variacin en la respuesta del controlador:

RATE_ROLL_P y RATE_PIT_P: Es la constante proporcional del PID. Una constante proporcional amplifica o atena la accin del control sobre los actuadores en este caso un valor mayor de esta constante va a hacer que los motores se aceleren tratando de alcanzar la referencia de una manera ms rpida. Dependiendo del peso y la dinmica de los motores, es decir la velocidad de respuesta de cada actuador, esta constante, si es muy alta, puede generar un comportamiento oscilante que haga al sistema inestable o si es muy pequea puede hacer que los motores respondan demasiado lento y no se logre alcanzar la referencia, adems de que el sistema es ms vulnerable a las corrientes de aire debido a la baja magnitud en la salida.

Este parmetro es el ms importante para tener en cuenta en la sintonizacin del controlador, si no se ha configurado correctamente no se deben modificar el resto de parmetros debido a que la respuesta no variara significativamente. Por defecto la constante proporcional es de 0.14. RATE_ROLL_I y RATE_PIT_I: Esta constante permite mantener un control ms estricto de la velocidad angular. La constante integral amplifica gradualmente la accin del control lo que significa que aumenta la velocidad de los motores hasta que se alcance la referencia. Esta constante se utiliza cuando se desea aumentar la velocidad de respuesta y alcanzar una velocidad de giro ms estable eliminando oscilaciones. Su valor por defecto es 0. RATE_ROLL_D y RATE_PIT_D: La constante derivativa amortigua la aceleracin angular cuando el vehculo se aproxima al ngulo objetivo esto quiere decir que disminuye el mximo sobre impulso que adquiere el sistema cuando se acerca al valor de referencia. Un valor muy alto que sature el controlador puede ocasionar pequeas oscilaciones rpidas esto incrementa las vibraciones en el sistema y provoca una perdida momentnea del control. Su valor por defecto es 0.0025. STAB_D: Esta constante es similar a RATE ROLL D y permite amortiguar la aceleracin y eliminar las oscilaciones debidas al cambio rpido de la referencia. Su valor por defecto es de 0.06. Para realizar la sintonizacin de manera adecuada se recomienda llevar las dems constantes del control a 0 y variar la constante proporcional hasta lograr la respuesta deseada, luego ajustar la constante integral y por ultimo la derivativa. Este proceso debe repetirse varias veces hasta lograr una respuesta deseada o aceptable.

3.3.5.1.2. Sintonizacin PI En este lazo de control se realiza una transformacin de la referencia en posicin a un valor en velocidad de rotacin que es la entrada que requiere el control PID para trabajar correctamente. En esa transformacin se pueden variar dos parmetros que incrementan o disminuyen la velocidad de giro del vehculo sobre sus ejes Pitch y Roll:

STB_RLL_P y STB_PIT_P: Almacena el valor que representa la velocidad de rotacin del vehculo en los grados de libertad Pitch y Roll. El valor por defecto es de 4.5 que representa una velocidad de 4.5o por segundo por cada 1o de error respecto a la referencia. STB_RLL_I y STB_PIT_I: Esta constante permite compensar el desequilibrio en el vehculo, si este no es simtrico este valor tratara de llevarlo a nivel, puede entrar en conflicto con la constante integral del lazo de control interno.