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Trabajo de grado consistente en la construccion de un vehiculo aereo no tripulado basado en una configuracion de cuadricoptero y controlado mediante un microprocesador de la serie ARDUINO.
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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAUNIVERSIDAD DEL ZULIAFACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
“DESARROLLO DE UN VEHÍCULO AÉREO NO TRIPULADO DECUATRO HÉLICES”
Trabajo Especial de Grado presentado ante la Ilustre Universidad del Zulia paraoptar al Grado Académico de Ingeniero Electricista
Alejandro Pulgar Nava
Diego Vallejo Parra
Maracaibo, Mayo de 2015
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAUNIVERSIDAD DEL ZULIAFACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
“DESARROLLO DE UN VEHÍCULO AÉREO NO TRIPULADO DECUATRO HÉLICES”
Trabajo Especial de Grado presentado ante la Ilustre Universidad del Zulia paraoptar al Grado Académico de Ingeniero Electricista
Alejandro Pulgar Nava
Diego Vallejo Parra
Maracaibo, Mayo de 2015
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAUNIVERSIDAD DEL ZULIAFACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
“DESARROLLO DE UN VEHÍCULO AÉREO NO TRIPULADO DECUATRO HÉLICES”
Trabajo Especial de Grado presentado ante la Ilustre Universidad del Zulia paraoptar al Grado Académico de Ingeniero Electricista
Alejandro Pulgar Nava
Diego Vallejo Parra
Maracaibo, Mayo de 2015
ii
APROBACION
Este jurado aprueba el Trabajo Especial de Grado titulado: “Desarrollo de un
vehículo aéreo no tripulado de cuatro hélices” queAlejandro Pulgar Nava,
C.I.: 20.069.081 y Diego Vallejo Parra, C.I.: 20.380.021presentan ante la
ilustre Universidad del Zulia, como requisito para optar al Grado Académico de
Ingeniero Electricista.
________________________Presidente del Jurado
César ÁlvarezC. I. : _ _ _ _ _ _ _ _ _
_______________________ _______________________Eugenio Mendoza Jacobo Ramírez
C. I. : _ _ _ _ _ _ _ _ _ C. I. : _ _ _ _ _ _ _ _ _
Maracaibo, Mayo de 2015
iii
Pulgar Nava, Alejandro y Vallejo Parra, Diego. Desarrollo de un vehículo aéreono tripulado de cuatro hélices. Trabajo Especial de Grado. Universidad delZulia. Facultad de Ingeniería. Escuela de Eléctrica.Maracaibo, 2015, 78p.
RESUMEN
La construcción de un vehículo aéreo no tripulado controlado sobre la
plataforma de cogido abierto Arduino será capaz de estimular y fomentar el
impulso de la robótica dentro de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la
Universidad del Zulia. Con él sedesea tener una plataforma abierta que permita
en el futuro implementar yprobar nuevos sistemas de control y navegación.
Para conseguir este objetivo se diseñará la estructura y se realizarán las
configuraciones de software necesarias para tener una arquitecturacompleta y
fácilmente escalable, así como un sencillo sistema de control quepermita su
estabilidad.
Palabras Clave: Cuadricopter, Robótica, Microcontrolador.
iv
Apellidos y Nombres del Autor. Developement of a four propeller unmannedaerial vehicle.Universidad del Zulia. Facultad de Ingeniería. Escuela deEléctrica. Maracaibo, 2015, 78p.
ABSTRACT
The construction of an unmanned aerial vehicle controlled with open source
code platform Arduino will be able to stimulate and encourage the impulse of
robotics within the electrical engineering school of La Universidad del Zulia.
With it we will havean open platform which will allow future implementing and
testing of newnavigation and control systems. To achieve this goal all
necessary structure and software configurations will be designed for a
complete and easily scalable architecture,as well as a simple control system
which permits its stability.
Key Words: Quadcopter, Robotics, Microcontroller.
v
DEDICATORIA
La Dedicatoria es opcional.
Sigue después del Abstract.
Colocar el encabezado en el mismo tamaño y tipo de letra que los
demás encabezados. Usar negrillas si seleccionó esta opción para todos
los encabezados principales del trabajo.
Incluir la Dedicatoria en la Tabla de Contenidos, si se listan las páginas
preliminares en la misma.
Límite máximo de una página.
vi
AGRADECIMIENTO
El Agradecimiento es opcional.
Puede ocupar hasta dos páginas.
Sigue después de la Dedicatoria (o del Abstract, si no hay Dedicatoria)
El encabezado AGRADECIMIENTO en negrillas si se seleccionó esta
opción para todos los encabezados del trabajo y colocarlo en el mismo
tamaño y tipo de letra que los demás encabezados.
El espaciado es el mismo seleccionado para todo el texto
vii
ÍNDICE DE CONTENIDO
Página
RESUMEN………………………………………………………………………………………… iiii
ABSTRACT………………………………………………………………………………………. iv
DEDICATORIA………………………………………………………………………………… v
AGRADECIMIENTO…………………………………………………………………………. vi
ÌNDICE DE CONTENIDO………………………………………………………………... vii
LISTA DE TABLAS…………………………………………………………………………… x
LISTA DE FIGURAS…………………………………………………………………………. xx
LISTA DE SÍMBOLOS (OPCIONAL)…………………………………………………. xxi
INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………………… 1
CAPÍTULO I. EL PROBLEMA 3
1.1. Planteamiento del problema…………………………..……………….. 3
1.2. Objetivos………………….………………………………………….……………. 4
1.3. Justificación de la investigación….……………………………….…… 5
1.4. Delimitación de la investigación.……………………………………… 8
CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO 9
2.1. Antecedentes………………………..…………………………………………. 10
2.2. Bases Teóricas……….………………………………………….…………….
2.2.1. UAV…………………………………………………………..
2.2.1.1. Clasificaciones de los UAV………………………
2.2.2. Cuadricóptero……………………………..
2.2.3. Principales características del cuadricóptero…..
2.2.3.1. Movimiento de guiñada (YAW)………………………
2.2.3.2. Movimiento de cabeceo (PITCH)…………………..
2.2.3.3. Movimiento de alabeo (ROLL) ……………………..
2.2.3.4. Movimiento Vertical (THROTTLE)……………………
2.2.4 Motores
2.2.4.1. Motor de corriente alterna
11
viii
2.2.4.2. Motor de corriente directa ………………………………
2.2.4.2.1. Motor Brushless…………………………………………
2.2.5. ESC ( Electronic Speed Controller )………………
2.2.5.1. BEC(Battery Eliminator Circuit) …………
2.2.6. Modulación por ancho de pulso ( PWM)………………
2.2.7. Batería de polímero de litio…………………………………
2.2.8. Aspas…………………………………………………………………….
2.2.9. Arduino………………………………………………………………….
2.2.9.1. Arduino pro mini ……………………………………………..
2.2.10. Sensores………………………………………………………………
2.2.11. Giroscopio……………………………………………………………
2.2.12. Acelerómetro…………………………………………………………
2.2.13. PID…………………………………………………………………..
2.2.14. Radio Control……………………………………………………….
2.2.15. Bluetooth………………………………………………………….
2.2.16. Android…………………………………………………………………
2.3. Definición de términos básicos…………………………….……… Xx
CAPÍTULO III. MARCO METODOLÓGICO Xx
3.1. Tipo de Investigación……….………………………..……………….. Xx
3.2. Diseño de la investigación………………………………….……………. Xx
3.2.1. Población y Muestra……………………………….……………… Xx
3.2.2. Técnicas de recolección de datos………….……………… Xx
3.2.3. Instrumentos de recolección de datos…………….…… Xx
Fases de la Investigación……………………………………………… Xx
CAPÍTULO IV. RESULTADOS
4.1 Elaboración de la estructura…………………………………………….
4.1.1. Configuración del tipo de cuadricóptero……………….
4.1.2. Diseño de la estructura ..……….………………………..
4.1.3. Dimensiones y planos…………………………………………….
4.2 Selección de la electrónica………………………………………………..
4.2.1. Selección del Motor………………………….
xx
XX
ix
4.2.2. Selección del Aspa…………………………………
4.2.3. Selección de la batería…………………………
4.2.4. Selección del ESC………………………..
4.2.5. Selección del microcontrolador………………….
4.2.6. Selección del giroscopio y acelerómetro………
4.2.7 selección del modulo bluetooth…………………….
4.2.8 selección del Radio Control…………………………..
4.3. Fases de desarrollo del UAV…………………………………………..
4.3.1. Conexión de motores……………………………………..
4.3.2. Conexión de ESC/BEC con arduino……………………..
4.3.3. Conexión de giroscopio y acelerómetro…………………….
4.3.4. Conexión del Radio control con arduino…………….
4.3.5. Conexión del Bluetooth con arduino……………………..
4.3.6. Configuración del Software de control………………
4.6.7. Diagrama Completo del Sistema …………………..
4.4. Pruebas de funcionamiento…………………….
4.4.1. Prueba de estabilidad ………………………………..
4.4.2 Prueba de tiempo de vuelo ……….……………..
4.4.3. Prueba de Distancia radial …………………………………….
4.4.4. Analisis de Resultados …………………………………………
xx
CONCLUSIONES XX
RECOMENDACIONES XX
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS XX
APÉNDICE O ANEXO XX
x
xi
LISTA DE FIGURAS
Figura Página
1 Sistema Quadrotor………………………………………………………….. 92 Grados de Libertad de un cuadricóptero………………………… 113 Movimiento de yaw………………………………………………………… 114 Movimiento de Pitch………………………………………………………… 125 Movimiento de Rol…………………………………………………………… 136 Movimiento de throttle…………………………………………………… 137 Cuadro Sinóptico de Motores Eléctricos………………………… 148 Arduino Pro Mini……………………………………………………………… 229 Pines del Arduino Pro Mini……………………………………………… 2510 Señal PWM con diferentes ciclos de trabajo…………………… 2711 Giroscopio con todo su sistema de balanceo………………… 3012 Principio físico funcionamiento acelerómetro………………… 3113 Esquema de un sistema a lazo cerrado de PID común… 3414 Logo internacional del Bluetooth…………………………………… 3515 Configuración del UAV……………………………………………………… 4916 Neewer A2212/13T 1000KV brushless motor………………. 5117 Neewer® 10x4.5"/25.4x11.4cm 1045R Propeller………… 5318 Batería LiPo Turnigy 2200mAh……………………………………… 5319 ESC Neewer Simonk………………………………………………………… 5520 Arduino Pro Mini……………………………………………………………… 5621 Nintendo Wii Motion Plus y giroscopio…………………………… 5622 Nintendo Nunchuck y su acelerómetro…………………………. 5723 Modulo Bluetooth HC-06………………………………………………… 5824 Conexión del motor con el ESC y la batería para un
sentido giro horario (CW) ……………………………………………..59
25 Conexión del motor con el ESC y la batería para unsentido giro anti horario (CCW) ……………………………………
60
26 Conexión de los ESC y BEC al Arduino……………………….. 61
xii
27 Conexión del giroscopio y acelerómetro al Arduino……… 6328 Conexión del dispositivo receptor del radiocontrol al
Arduino……………………………………………………………………………64
29 Conexión del módulo Bluetooth al Arduino…………………… 6530 Diagrama completo de conexiones………………………………… 6531 Vista general del Multiwii en el Sketch de Arduino, y sus
submenús………………………………………………………………………67
32 Selección del tipo de UAV………………………………………………… 6833 Configuración de los valores máximos y mínimos de
aceleración en los ESC……………………………………………………69
34 Parámetros de calibración de los ESC………………………….. 69
xiii
LISTA DE TABLAS
Tabla Página
1 Clasificación UAV……………………………………………………………… 7
2 Resumen Arduino Pro Mini……………………………………… 23
3 Fases para el cumplimiento de los objetivos específicos 42
4 Características principales del motor Neewer……………… 51
5 Características de trabajo del motor Neewer……………… 52
6 Características de la batería LiPo……………………………… 54
7 Características del ESC seleccionado………………………… 55
8 Pesos de cada elemento……………………………………………….. 58
9 Resumen de los pines del Arduino…………………………….. 65
10 Comparación de costos entre cuadricóptero construido y
un cuadricóptero comercial………………………………………… XX
1
INTRODUCCIÓN
Los vehículos aéreos no tripulados son un área de estudio relativamente
completa que abarca una variedad de campos tecnológicos cuya base se
fundamenta en tópicos de estudio que, con frecuencia, se tratan en las
carreras de IngenieríaElectrónica y Eléctrica. Actualmente, este tipo de
vehículos permiten facilitar la realización de una gran variedad de trabajos; lo
que les ha dado un auge en el mercado internacional de gran holgura y ratifica
también la importancia del estudio de la mecatrónica.
El presente trabajo de investigación busca entonces, el desarrollo de un
vehículo aéreo no tripulado de 4 hélices controlado por un microprocesador
Arduino, con el propósito deimpulsar y motivar el estudio de la mecatrónica
para el desarrollo de proyectos en el área de control de vehículos aéreos no
tripulados utilizando microprocesadores Arduino.
El trabajo presentado a continuación; consta de un primer capítulo que
contiene; el planteamiento del problema existen, la pregunta principal de la
investigación, la /justificación de la misma desde diferentes puntos de vista, y
la formulación de un objetivo general y cinco objetivos específicos, también
contiene; un segundo capítulo, que cuenta con tres trabajos que sirven de
antecedentes para sustentar la investigación y las bases teóricas necesarias
para desarrollar los objetivos,así también un tercer capítulo, en el que se
plantea la metodología a utilizar a lo largo de todo el proyecto; y finalmente un
cuarto capítulo con el desarrollo de los objetivos específicos y el objetivo
general.
2
CAPÍTULO I
EL PROBLEMA
1.1. Planteamiento del Problema
Desde el primer momento de su existencia, el ser humano se mueve, anda y
desplaza, quiere ir cada vez más lejos, y para satisfacer sus propósitos,
indudablemente ha debido de inventar. Así es como la evolución del hombre
hizo que no se conformara con los transportes terrestres y marítimos, pues
debido a las limitaciones geográficas el hombre ha inventado medios más
veloces que los que surcan la tierra y el agua, como lo son los medios de
transportes aéreos.
En la aviación se han realizado grandes avances tecnológicos a lo largo de
los tiempos, con lo cual se han hecho estudios de aerodinámica para nuevas
tecnologías, se han creado diferentes dispositivos aéreos con diferentes
cualidades para el transporte y realizar diferentes tipos de tareas. Una de las
maneras en que se pueden definir los vehículos aéreos en la actualidad son
tripulados y no tripulados. En sus comienzos los vehículos no tripulados (UAV,
por sus siglas en ingles) han estado concentrados esencialmente en
actividades militares de reconocimiento y ataque, por el hecho de construir un
arma que no genere peligro para quien la maneja, es decir, que no produzca
pérdidas humanas. No obstante, desde hace algunos años se están siendo
utilizados en un creciente número de aplicaciones civiles, especialmente en la
prevención y lucha contra los incendios, en actividades de la seguridad civil y
vigilancia de cultivos. De la misma forma, al igual que con robots de uso
terrestre y subacuático, son usados en ambientes o condiciones extremas con
alta toxicidad química y radiológica que pueden poner en riesgos las vidas de
personal calificado.
Los UAV a estudiar con el desarrollo de este trabajo son específicamente
los cuadricópteros, también conocidos como drones, cuyo diseño es el de un
3
helicóptero multi-rotor con cuatro brazos, los cuales tienen en su parte final un
motor y una hélice.
A nivel mundial el auge de los cuadricópteros ha avanzado rápidamente,
siendo su variedad de utilidades el motivo de esta situación. Sin embargo, en
Venezuela, son muy pocos los estudios y los avances que abarquen éste
tópico, lo cual resulta lamentable debido a que estos estudios y prácticas
abarcarían un gran avance en los análisis de sistemas de control dinámico,
desaprovechando todos los beneficios y desarrollos que puede brindar a la
sociedad actual.
En la universidad del Zulia el estudio de los sistemas aéreos no tripulados
y sus sistemas de control se están apenas desarrollando, por lo que la
construcción del vehículo en las instalaciones ayudaría a futuros desarrollos e
implementación de prácticas en el área de control de sistemas dinámicos, con
lo cual realizar avances en el área ayudaría a explorar más profundamente en
el aprendizaje, contribuyendo con la investigación de proyectos dentro de la
rama de electrónica y control.
1.2. Objetivos
1.2.1. Objetivo General
Desarrollar un vehículo aéreo no tripulado de cuatro hélices controlado
mediante software libre.
1.2.2. Objetivos Específicos
Diseñar la estructura mecánica verificando que cumpla con los
parámetros necesarios para la construcción del vehículo aéreo no
tripulado.
Analizar los componentes electrónicos y su consumo de potencia para
obtener un máximo rendimiento.
4
Implementar el diseño mecánico y electrónico para la construcción del
vehículo aéreo no tripulado.
Configurar el algoritmo de control sobre la plataforma de software libre
que proporcione una adecuada estabilidad de vuelo
Determinar las variables necesarias para la evaluación del vehículo
aéreo no tripulado.
1.3. Justificación de la Investigación
La justificación alude a las razones que llevaron al investigador a
seleccionar el tema en cuestión. Estas razones sirven de fundamento para
realizar el trabajo y pueden estar sustentadas en necesidades, motivaciones,
intereses, inquietudes, potencialidades, entre otros.
Permite explicar la importancia del tema seleccionado y de la
investigación a realizarse, considerando su relevancia social, científica,
personal, institucional, económica, entre otras. Una justificación debe
responder a los por qués de la investigación: por qué ese tema, por qué esos
eventos de estudio, por qué ese nivel de investigación.
1.4. Delimitación de la investigación
Se delimita la investigación en cuanto a tiempo, espacio y contenido. El
tiempo que se emplear para realizar la investigación. El espacio y lugar donde
se llevará a cabo la investigación. El contenido menciona el área de estudio y
se determina el enfoque, así como su posible relación con otros temas.
5
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
ANTECEDENTES
Durante el proceso investigativo se recurrieron a diversas fuentes
bibliográficas, artículos científicos y tesis que estuvieran en el mismo contexto
del presente trabajo (Desarrollo de un vehículo aéreo no tripulado de cuatro
hélices). En base a la revisión a realizar, se tomarán criterios para la
construcción del soporte físico del cuadricoptero, la selección de los
componentes que compondrán al mismo, del dispositivo a utilizar para su
control automático y de la configuración de los parámetros desu respectiva
programación.
Las investigaciones que sirvieron (dentro del marco en el cual fue
realizada la revisión bibliográfica) para los criterios y las referencias necesarios
y ya mencionados, fueron:
Xabier Legasa, Martin-Gil (2012)“CUADRICÓPTERO ARDUINO POR
CONTROL REMOTO ANDROID” Proyecto Final de Carrera para la obtención del
titulo de Ingenieria Informatica realizada en la Facultad de Informatica de
Barcelona (FIB). Tuvo como objetivogenerar la plataforma cuadricoptero,
haciendo uso de un microcontrolador y sensores adecuados.
Se ha conseguido los objetivos con exito. Se ha realizado el diseno e
implementacion del sistemacuadricoptero satisfactoriamente. Tambien se ha
conseguido establecer una conexion entre la aplicación Android y el micro. La
aplicacion es capaz de enviar las variables que el usuario envia y en este
momento.
6
El trabajo anterior sirvió como una referencia que condujo a priorizar el
uso de un software libre que permitiese la programación de un dispositivo que
a su vez incluyera una serie de entradas y salidas tanto analógicas como
digitales suficientes para el control automático del cuadricóptero.
Iván Monzón Catalán (2013) “DESARROLLO DE UN
CUADRICÓPTEROOPERADO POR ROS” Proyecto Fin de Carrera de Ingeniería
Industrial en la Universidad de Zaragoza. Tuvo como objetivo Construir un
prototipo. Una vez evaluadas las alternativas se procederá al montaje de
uncuadricóptero y al desarrollo de la mejor opción considerando funcionalidad,
autonomíay precio.
Con la realización de este proyecto se logró construir una aeronave con
dos configuracionesdistintas (en aluminio y en plástico). También se logró
hacerla volar usando ArduCoptery una serie de códigos diseñados para el
proyecto.
El proyecto desarrollado por este autor sirvió como marco referencial
para criterios constructivos correspondientes al soporte físico del vehículo
aéreo no tripulado, así como también los valores nominales de los elementos
que lo componen.
BASES TEORICAS
2.2.1. UAV
Se entiende por una aeronave no tripulada (UAV: Unmanned Aerial
Vehicle) aquella que es capaz de navegar sin llevar a bordo ningún piloto,
estas aeronaves pueden ser controladas desde una estación base o llevar una
programación preestablecida.
7
Estos vehículos han sido utilizados en aplicaciones militares tales como
reconocimiento de terreno y ataque. En los últimos años investigadores del
ámbito de robótica e inteligencia artificial aeronáutica y control están
enfocando sus esfuerzos hacia esta línea para aplicar dicho concepto a
aplicaciones civiles. En la actualidad nos podemos encontrar con situaciones en
las que la visión aérea sería de gran ayuda, por ejemplo en la detección de
incendios, control policial en situaciones de riesgo, reconocimiento de
desastres naturales.
Estos son algunos ejemplos en los que podemos aplicar el concepto de
UAV en misiones civiles. Las ventajas de un UAV se pueden resumir en; menor
coste que las aeronaves tripuladas, sin riesgo de vida , capacidad de incorporar
muchos sensores y la posibilidad de acceder a sitios peligrosos o de difícil
acceso.
2.2.1.1. Clasificación de UAV
En la actualidad podemos clasificar a los UAV según sus características
devuelo como se observa en la tabla 1. Esta comparativa abarca
tantoaplicaciones civiles como militares.
Tabla 1.Clasificación UAV.
Categoría Acrónimo Alcance
(km)
Altitud
de
vuelo
(m)
Autonomía
(h)
Carga
máxima
(kg)
Micro < 250 gr Micro < 10 250 1 <5
Mini < 25 kg Mini < 10 150 y
300
<2 <30
Alcance cercano CR 10 a 30 3.000 2 a 4 150
8
Alcance corto SR 30 a 70 3.000 3 a 6 200
Alcance medio MR 70 a 200 5.000 6 a 10 1.250
Altitud baja LADP > 250 50 a
9.000
0,5 a 1 350
Autonomía media MRE > 500 8.000 10 a 18 1.250
Autonomía alta
Altitud baja
LALE > 500 3.000 >24 <30
Autonomía alta
Altitud media
MALE > 500 14.000 24 a 48 1.500
Autonomía alta
Altitud alta
HALE > 2.000 20.000 24 a 48 12.000
Combate UCAV 1500 10.000 2 10.000
Ofensivo LETH 300 4.000 3 a 4 250
Señuelo DEC 500 5.000 <4 250
Estratosférico STRATO >2.000 20.000 y
30.000
>48 ND
EXOestratosférico EXO ND >30.000 ND ND
La mayoría de los UAV civiles se encuentran entre la categoría Micro y
alcancecercano.
2.2.2. Cuadricopteros
Un cuadricóptero se puede definir como una aeronave que se eleva y se
desplaza por el movimiento de cuatro motores colocados en los extremos de
una estructura en forma de cruz. Normalmente se utiliza el nombre inglés
quadrotor aunque también existe la traducción cuadrotor. Tal como se
presenta en la figura 1, el vehículo dispone de 4 motores con sus palas
respectivas, se utiliza la velocidad de los motores para controlar la estabilidad
y movimientos del vehículo aéreo.
9
Figura 1Sistema Quadrotor.
Fuente:
2.2.3. Principales características del cuadricoptero
Los sistemas quadrotores se sitúan en la categoría de mini UAVs (< 25
kg). Como se observa a continuación las características generales de vuelo de
esta categoría son las siguientes:
- Alcance: < 10 km.
- Altitud de vuelo: < 300 m
- Autonomía: < 2 h
- Carga máxima: < 5 kg.
Una de las características a destacar es la gran maniobrabilidad que
pose este tipo de vehículo. Al disponer de cuatro motores el control es
bastante exacto, lo que ayuda a utilizarlo en aplicaciones donde la exactitud de
vuelo estacionario sea muy importante. Una aplicación donde se aprecia esta
característica es en la navegación de interiores y sitios de espacio reducido.
10
Como en el helicóptero, estos vehículos disponen de una capacidad de
vuelovertical que los hacen únicos, esta función es ventajosa cuando no
queremostener mucha velocidad horizontal y cuando queremos tener una
buena capacidad de vuelo estacionario, lo que ayuda a elegir este tipo de
sistemascuando se quieren adquirir datos desde el vehículo.
El problema fundamental de los quadrotores es su control. El sistema
debe deincorporar mecanismos de estabilización para ayudar a la navegación.
Lacapacidad de carga es bastante alta con relación al peso de todo el
sistema (5 kg / 25 kg), podemos encontrar vehículos que soporten una carga
superior alpeso que tienen. Esta característica hace posible el incorporar un
gran númerode sensores.
Una de las características más importantes a tener en cuenta en los
sistemasde vuelo es la autonomía. La autonomía de vuelo no suele ser muy
buena (< 2h), esta fue una de las limitaciones por la que los UAV tardaron un
cierto tiempoen avanzar. Actualmente se están realizando avances importantes
en lasbaterías, proporcionado más capacidad (mAh) y reduciendo los tamaños.
Para controlar el cuadricóptero es necesario generar cambios en la
potencia entregada a cada motor.
Para el siguiente análisis se asume que la plataforma esta volando
estable con una potencia de motores PWM (en los cuatro motores). Los
cuadricópteros como todo vehículo volador tiene 3 grados de libertad
angulares, estos son roll, pitch y yaw.
11
Figura 2:Grados de Libertad de un cuadricóptero
2.2.3.1. Movimiento de guiñada (YAW)
Se refiere al movimiento cuando el vehículo gira sobre su eje vertical. El
cuadricóptero logra este movimiento al aumentar por igual la potencia de giro
de los rotores 1 y 3 y disminuir en igual magnitud los motores 2 y 4. Al
disminuir esta potencia aumenta el par del motor creando un giro contrario a
las hélices que están rotando con mayor potencia.
Figura 3: Movimiento de yaw
2.2.3.2 Movimiento de cabeceo (PITCH)
Es el movimiento que permite el desplazamiento hacia adelante y atrás.
El vehículo mantiene la potencia en el rotor 1 que es opuesto al sentido
deseado, reduce al mínimo la del rotor 3 y deja los otros dos a potencia media,
12
así la sustentación del rotor 1 hace que el vehículo se incline a favor del
sentido deseado y se desplace.
Figura 4: Movimiento de Pitch
2.2.3.3 Movimiento de alabeo (ROLL)
Permite realizar los movimientos a la izquierda o derecha. Usa el mismo
principio que el de inclinación, pero lateralmente. La combinación de los tres
movimientos mencionados son los que hacen maniobrar al cuadricóptero
libremente.
Los movimientos de roll y pitch son giros en torno a los ejes horizontales
del cuadricóptero. Una inclinación en cualquiera de estos ejes produce un
movimiento lineal en el plano horizontal cuya velocidad depende del ángulo
(esto se denomina ángulo de ataque) y la dirección depende de la orientación
del cuadricóptero.
13
Figura 5: Movimiento de Roll
2.2.3.4 Movimiento Vertical (THROTTLE)
Se puede hacer ascender, descender o mantener en vuelo estacionario
al cuadricóptero, haciendo que la fuerza de sustentación generada por los 4
pares motores-hélices sea mayor que la fuerza peso generada por la atracción
gravitatoria.
Este movimiento se logra al variar la potencia de los cuatro motores en
igual medida para no modificar los demás grados de libertad. De esta forma la
plataforma puede ascender o descender.
Figura 6: Movimiento de throttle
14
2.2.4 Motores
Según Fraile Mora, 2008, en términos simples, los motores eléctricos
son los responsables de convertir la energía eléctrica en energía mecánica
rotatoria a través de la interacción de los campos magnéticos generados en las
bobinas; la acción se desarrolla introduciendo una corriente en la maquina por
medio de una fuente externa, 41 que interacciona con el campo produciendo
un movimiento; aparece entonces una fuerza electromotriz inducida que se
opone a la corriente y por ello se denomina fuerza contraelectromotriz. En
consecuencia, el motor necesita una energía eléctrica de entrada para producir
la energía mecánica correspondiente.
Estos están compuestos principalmente por dos partes una fija llamada
estator y una móvil llamada rotor. Se clasifican según Harper, 2007, en
motores de corriente directa, de corriente alterna y los motores universales,
además de clasificarse según la naturaleza de la fuente como monofásicos,
bifásicos y trifásicos. Clasificación mostrada a través de la Figura 7. Es
importante tomar en consideración que el aumento en el uso de la electricidad
ha ocasionado un incremento en el número de motores eléctricos tanto en el
hogar como a nivel industrial.
2.2.4.1. Motor de corriente alterna
De acuerdo a Harper, 2007, los motores de corriente alterna son
aquellos que convierten la energía eléctrica alterna en energía mecánica. Una
característica común de todos los motores de corriente alterna es un campo
magnético rotatorio producido por el devanado del estator. Este concepto
puede ser ilustrado para motores trifásicos, considerando tres bobinas
localizada a 120°, cada bobina está conectada a una fase de una alimentación
trifásica. 42
15
Según Chapman, 2001, existen dos clases principales de motores de
corrientealterna: los motores síncronos y los motores de inducción. Los
motores síncronos son aquellos donde cuya corriente de campo magnético es
suministrada por una fuente de corriente continua separada, mientras que los
motores de inducción (objeto de la investigación), son aquellos en donde su
corriente de campo magnético es suministrada por inducción magnética en su
devanado de campo.
2.2.4.2. Motor de Corriente Directa
El desarrollo de la máquina de corriente continua se centra durante
mucho tiempo en la búsqueda de procedimientos que transforman la corriente
alterna inducida en una espira, al girar dentro de un campo magnético, en
corriente unidireccional o de polaridad constante (CC). El desarrollo de los
motores de corriente continua sigue una línea histórica paralela a la de los
generadores de corriente continua y su empleo se debe al principio de
reciprocidad ya formulado por Faraday y Lenz.
El modo de funcionamiento más característico de las máquinas de
corriente directa según Fraile Mora, 2008, lo constituye su empleo como
motor. La ventaja fundamental de los motores de corriente directa frente a los
motores de corriente alterna ha sido su mayor grado de flexibilidad para el
control de la velocidad y del par, lo cual ha hecho muy interesante su
aplicación en diversos accionamientos industriales: trenes de laminación,
telares, tracción eléctrica, entre otros. Sin embargo, debe destacarse que
debido al desarrollo tan espectacular de la electrónica de potencia, su
aplicación incluso en estos campos, se ha ido reduciendo en pro de los motores
de corrientealterna, cuyo coste de fabricación y mantenimiento es más
reducido
16
2.2.4.2.1. Motor brushless
Según Luis Martinez-Brocal Contreras (2014), Los motores brushless dc
representan el último desarrollo de la historia en cuanto a motores eléctricos
DC se refiere. Antes de que existiesen este tipo de motores, lo que existía eran
los motores de corriente continua o también denominados motores de
corriente continua con escobillas.
Los usos de este tipo de motores son muy variados comprendiendo una
gran variedad de industrias en las que se utilizan, por ejemplo,
Electrodomésticos, Automoción, Aeronáutica Electrónica de consumo,
Ingeniería biomédica, Robótica, Equipamiento industrial.
Las características por las que destaca y que hacen de este tipo de
motor una buena opción en aplicaciones como las previamente expuestas son
las siguientes
Excelente relación par/peso, permitiendo realizar diseños de productos
más ligeros y pequeños con muy buenas características de funcionamiento.
Alta eficiencia, al no existir pérdidas en el rotor y en consecuencia esta
característica hace realmente interesante este tipo de motores para
aplicaciones alimentadas con baterías en las que reducir las pérdidas al
máximo es algo crítico para aumentar la autonomía.
Larga vida útil, ya que al carecer de escobillas para realizar la
conmutación, estos motores no requieren apenas mantenimiento,
convirtiéndolos en una opción realmente interesante para aplicaciones en las
que el mantenimiento es costoso o difícil, como pueden ser implantes médicos
o productos sin apenas posibilidad de fallo.
17
Existe un gran rango de modelos de este motor en gran cantidad de
diferentes tamaños y pesos, par y potencia, velocidad. Apareciendo desde
motores de gran potencia y tamaño utilizados por ejemplo para coches
eléctricos o en la industria hasta motores muy pequeños, de hasta unos pocos
milímetros utilizados en implantes médicos
2.2.5. ESC
Los ESC (Electronic Speed Control) también llamados en español
variadores son los elementos que se encargan de manejar los motores
eléctricos, además se encargan de convertir la corriente DC –proporcionada
por la batería- a corriente alterna, la necesaria para que los motores
funcionen.
2.2.5.1. BEC
El variador recibirá la señal PWM y dependiendo de la longitud del
ancho de pulso entregará mayor o menor potencia al motor. Algunos
variadores poseen un circuito eliminador de batería, también conocido como
BEC (del inglés Battery Eliminator Circuit), el cual elimina –como su nombre lo
indica- la necesidad de una batería extra para el dispositivo entero,
proveyendo de energía con una sola batería tanto a los motores como al
sistema de control.
El variador o ESC recibirá la señal PWM de 50 Hz y dependiendo de la longitud
del ancho de pulso entregará más o menos potencia al motor. La longitud del
pulso PWM varía de 1 ms a 1.5 ms, parado y a máxima potencia
respectivamente.
18
2.2.6. Modulación por Ancho de Pulso (PWM)
El aspecto esencial del control de motores; es la posibilidad de regular
tanto la velocidad como el torque del motor. Uno de los métodos más simples
pero poco práctico es la variación del voltaje de alimentación a través del
encendido y apagado de la fuente, por ello; es más común y efectivo el uso de
las señales PWM.
La modulación por ancho de pulso o PWM (por sus siglas en inglés
pulsewidthmodulation), consiste en una señal digital cuadrada; la cual posee
una fracción de tiempo determinada en estado encendido (ON) y otra en
estado apagado (OFF). De acuerdo a Mohammed,2013, el cambio entre los
estados ON y OFF se traduce en una variación del voltaje de alimentación en el
motor gracias a su rápida conmutación; cabe destacar que este tipo de señal
posee la habilidad de variar su ciclo de trabajo (estado de encendido) sin
modificar la frecuencia tal y como se observa a través de la Figura 10.
Figura 10. Señal PWM con diferentes ciclos de trabajo.
Fuente: Página Oficial de Arduino
19
2.2.7. Hélices
Conjunto de aletas helicoidales que giran alrededor de un eje y empujan
el fluido ambiente produciendo en él una fuerza de reacción que se utiliza
principalmente para la propulsión de barcos y aeronaves.
Los perfiles aerodinámicos que componen una hélice están sujetos a las
mismas leyes y principios que cualquier otro perfil aerodinámico, por ejemplo
un ala. Cada uno de estos perfiles tiene un ángulo de ataque, respecto al
viento relativo de la pala que en este caso es cercano al plano de revolución de
la hélice, y un paso (igual al ángulo de incidencia). El giro de la hélice, que es
como si se hicieran rotar muchas pequeñas alas, acelera el flujo de aire hacia
el borde de salida de cada perfil, a la vez que deflecta este hacia atrás (lo
mismo que sucede en un ala). Este proceso da lugar a la aceleración hacia
atrás de una gran masa de aire, movimiento que provoca una fuerza de
reacción que es la que propulsa el avión hacia adelante.
Figura 11. Ángulos de la hélice
Fuente:
Las hélices se fabrican con "torsión", cambiando el ángulo de incidencia
de forma decreciente desde el eje (mayor ángulo) hasta la punta (menor
ángulo). Al girar a mayor velocidad el extremo que la parte más cercana al eje,
es necesario compensar esta diferencia para producir una fuerza de forma
uniforme. La solución consiste en disminuir este ángulo desde el centro hacia
los extremos, de una forma progresiva, y así la menor velocidad pero mayor
20
ángulo en el centro de la hélice se va igualando con una mayor velocidad pero
menor ángulo hacia los extremos. Con esto, se produce una fuerza de forma
uniforme a lo largo de toda la hélice, reduciendo las tensiones internas y las
vibraciones.
Figura 12. Perfiles y ángulos de incidencia
Fuente:
2.2.8. Software libre
«Software libre» es el software que respeta la libertad de los usuarios y
la comunidad. A grandes rasgos, significa que los usuarios tienen la libertad de
ejecutar, copiar, distribuir, estudiar, modificar y mejorar el software. Es decir,
el «software libre» es una cuestión de libertad, no de precio. Para entender el
concepto, piense en «libre» como en «libre expresión», no como en «barra
libre». En inglés a veces decimos «libre software», en lugar de «free
software», para mostrar que no queremos decir que es gratuito.
Promovemos estas libertades porque todos merecen tenerlas. Con estas
libertades, los usuarios (tanto individualmente como en forma colectiva)
controlan el programa y lo que este hace. Cuando los usuarios no controlan el
programa, decimos que dicho programa «no es libre», o que es «privativo». Un
programa que no es libre controla a los usuarios, y el programador controla el
programa, con lo cual el programa resulta ser un instrumento de poder injusto.
Un programa es software libre si los usuarios tienen las cuatro libertades
esenciales:
La libertad de ejecutar el programa como se desea, con cualquier
propósito (libertad 0).
21
La libertad de estudiar cómo funciona el programa, y cambiarlo para que
haga lo que usted quiera (libertad 1). El acceso al código fuente es una
condición necesaria para ello.
La libertad de redistribuir copias para ayudar a su prójimo (libertad 2).
La libertad de distribuir copias de sus versiones modificadas a terceros
(libertad 3). Esto le permite ofrecer a toda la comunidad la oportunidad
de beneficiarse de las modificaciones. El acceso al código fuente es una
condición necesaria para ello.
Un programa es software libre si otorga a los usuarios todas estas libertades
de manera adecuada. De lo contrario no es libre. Existen diversos esquemas de
distribución que no son libres, y si bien podemos distinguirlos en base a cuánto
les falta para llegar a ser libres, nosotros los consideramos contrarios a la ética
a todos por igual.
Fuente: https://www.gnu.org/
2.2.9. Arduino
De acuerdo a lo expresado en la página oficial de Arduino, esta es una
plataforma electrónica de código abierto para el desarrollo de prototipos
basados en hardware y software de fácil uso, contando entre sus beneficios
con una gran flexibilidad. Se encuentra dirigido a diseñadores, artistas,
aficionados y cualquier persona interesada en la creación de objetos o entornos
interactivos sin requerir alguna experiencia con proyectos electrónicos.
La placa Arduino puede detectar y tomar información del medio
ambiente a través de la recepción por sus pines de entrada contando con una
variedad de sensores, además de poder afectar sus alrededores controlando
luces, motores y otros actuadores. El microcontrolador ubicado en la placa
Arduino se programa mediante el lenguaje de programación Arduino (basado
22
en Wiring) y el entorno de desarrollo Arduino (basado en Processing). Los
proyectos Arduino pueden ser autónomos o pueden establecer comunicación
con distintos tipos de software; los cuales se ejecutan a través de un
ordenador (p.ej. Flash, Processing, MaxMSP, entre otros). Las placas pueden
ser construidas a mano o comprados preensamblados; se tiene como gran
ventaja que el software puede ser descargado de forma gratuita. Los diseños
de referencia de hardware (archivos CAD) se encuentran disponibles bajo una
licencia de código abierto, lo cual permite gran adaptabilidad hacia las
necesidades del usuario.
Actualmente existen muchas versiones de placas Arduino, diferentes en
forma y tamaño lo que contribuye a la búsqueda continua de nuevas
aplicaciones. Entre las más utilizadas se encuentras las placas: Arduino UNO,
Arduino Leonardo, Arduino Due, Arduino Yún, Arduino Mega, Arduino Pro Mini,
Arduino Nano, entre otras.
2.2.9.1. Arduino Pro Mini
El Arduino Pro Mini es una placa electrónica basada en el
microprocesador ATmega328P, cuyo aspecto físico puede observarse en la
Figura 8y sus características técnicas se presentan de forma resumida a través
de la Tabla 2. La placa Arduino Pro Mini cuenta con 14 pines digitales de
entrada / salida (de los cuales 6 pueden utilizarse para salidas PWM). Cada
uno de los 14 pines digitales pueden ser utilizados como entradas o salidas, a
través de la implementación de las funciones: pinMode(),digitalWrite(), y
digitalRead(); cada una de estas operando a 5 voltios, características
mostradas a través de la Figura 8. Cada pin puede proporcionar o recibir un
máximo de 40mA y tiene una resistencia de Pull-up (la cual se encuentra
desconectada por defecto) de 20-50kOhms.
23
Figura 8. Arduino Pro Mini.
Fuente: Web oficial de las placas Arduino.
(http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardProMini)
Serial: Pin 0 (RX) y Pin 1 (TX): Utiliza para recibir (RX) y transmitir
datos en serie (TX) TTL. Estos pines están conectados a los pines
correspondientes del ATmega8U2 USB-to-TTL chips Serial.
Interrupciones externas: Pin 2 y Pin 3: Estos pines pueden ser
configurados para activar una interrupción en un valor bajo, un flanco
ascendente o descendente, o un cambio en el valor.
PWM: Pines 3, 5, 6, 9, 10, y 11 para salidas PWM de 8 bits a través de la
Función analogWrite().
SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Estos pines soportan la
comunicación SPI utilizando la librería SPI.
LED: 13. Existe unbuilt-in LED conectado al pin digital 13. En donde el estado
de este depende directamente del pin 13. Contiene además; 6 entradas
analógicas (etiquetados A0 al A5, donde cada una proporciona 10 bits de
resolución. Estas por defecto se miden desde 0 a 5 voltios), un resonador
cerámico de 16MHz, una conexión USB, un conector de alimentación, un
23
Figura 8. Arduino Pro Mini.
Fuente: Web oficial de las placas Arduino.
(http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardProMini)
Serial: Pin 0 (RX) y Pin 1 (TX): Utiliza para recibir (RX) y transmitir
datos en serie (TX) TTL. Estos pines están conectados a los pines
correspondientes del ATmega8U2 USB-to-TTL chips Serial.
Interrupciones externas: Pin 2 y Pin 3: Estos pines pueden ser
configurados para activar una interrupción en un valor bajo, un flanco
ascendente o descendente, o un cambio en el valor.
PWM: Pines 3, 5, 6, 9, 10, y 11 para salidas PWM de 8 bits a través de la
Función analogWrite().
SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Estos pines soportan la
comunicación SPI utilizando la librería SPI.
LED: 13. Existe unbuilt-in LED conectado al pin digital 13. En donde el estado
de este depende directamente del pin 13. Contiene además; 6 entradas
analógicas (etiquetados A0 al A5, donde cada una proporciona 10 bits de
resolución. Estas por defecto se miden desde 0 a 5 voltios), un resonador
cerámico de 16MHz, una conexión USB, un conector de alimentación, un
23
Figura 8. Arduino Pro Mini.
Fuente: Web oficial de las placas Arduino.
(http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardProMini)
Serial: Pin 0 (RX) y Pin 1 (TX): Utiliza para recibir (RX) y transmitir
datos en serie (TX) TTL. Estos pines están conectados a los pines
correspondientes del ATmega8U2 USB-to-TTL chips Serial.
Interrupciones externas: Pin 2 y Pin 3: Estos pines pueden ser
configurados para activar una interrupción en un valor bajo, un flanco
ascendente o descendente, o un cambio en el valor.
PWM: Pines 3, 5, 6, 9, 10, y 11 para salidas PWM de 8 bits a través de la
Función analogWrite().
SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Estos pines soportan la
comunicación SPI utilizando la librería SPI.
LED: 13. Existe unbuilt-in LED conectado al pin digital 13. En donde el estado
de este depende directamente del pin 13. Contiene además; 6 entradas
analógicas (etiquetados A0 al A5, donde cada una proporciona 10 bits de
resolución. Estas por defecto se miden desde 0 a 5 voltios), un resonador
cerámico de 16MHz, una conexión USB, un conector de alimentación, un
24
header ICSP, y un botón de reinicio posibles de observar por medio de la
Figura 9. Contiene todo lo necesario para apoyar a el microcontrolador; basta
con conectarlo a un ordenador con un cable USB, a una fuente de poder o a
una batería AC/DC para empezar.
Tabla 2. Resumen Arduino Pro Mini
Microcontrolador ATmega328
Tensión de Funcionamiento 5V
Voltaje de Entrada
Recomendada
7-12V
Limite de Voltaje de Entrada 6-20V
Pines E/S Digitales 14 (6 de ellos proporcionan PWM)
Pines de Entradas Analógicas 6
Corriente DC de E/S por Pin 40mA
Corriente DC para el Pin 3.3V 50mA
Memoria Flash 32KB (ATmega328),de los cuales
0.5 KB utilizado por gestor de
arranque
SRAM 2 KB (ATmega328)
EEPROM 1 KB (ATmega328)
Velocidad de Reloj 16 MHz
Fuente: Web oficial de las placas Arduino
(http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardProMini)
La placa Arduino Pro Mini puede funcionar con un suministro externo de
6 a 20 voltios. Sin embargo, el rango recomendado es de 7 a 12 voltios; ya
que si se suministra menos voltaje la placa puede ser inestable y si se
suministra más entonces el regulador de voltaje se puede sobrecalentar y
dañar la placa. En todo caso, los pines de alimentación son los siguientes:
25
VIN: La entrada de voltaje a la placa Arduino cuando se está utilizando
una fuente de alimentación externa.
5V: La salida de este pin es regulado a 5V a través del regulador interno
de la placa. Esta puede ser alimentada desde la toma de alimentación de CC (7
– 12V), el conector USB (5V), o el pin VIN del tablero (7-12V).
3.3V: Una fuente de voltaje de 3,3 voltios generada por el regulador
integrado a la placa (chip FTDI). La corriente máxima soportada es 50mA.
GND: Pines de toma a tierra.
Instrucción IOREF: Este pin proporciona la referencia de tensión con la que
opera el microcontrolador.
El Arduino Pro Mini tiene una serie de instalaciones para lograr la
comunicación con un ordenador, otra placa Arduino, u otros
microcontroladores. El ATmega328P ofrece UART TTL (5V) para comunicación
en serie, la cual está disponible a través de los pines digitales 0 (RX) y 1 (TX).
Los LEDs RX y TX parpadearán en la placa cuando se esté transmitiendo
información (datos) a través del chip y conexión USB. Este puede ser
programado con su propio software. El cual viene prediseñado con un gestor
de arranque que le permite cargar un código nuevo a la misma sin la necesidad
de utilizar un programador de hardware externo. Se comunica utilizando el
protocolo original STK500.
26
Figura 9.Pines del Arduino Pro Mini
Fuente: Margolis, (2011)
En lugar de necesitar presionar físicamente el botón de reinicio (Reset)
antes de un proceso de carga, el Arduino Pro Mini está diseñado de una
manera que permite que pueda ser reiniciado por software desde el ordenador
donde se esté conectado. Una de las líneas de control de flujo (DTR) de la
ATmega8U2 / 16U2 está conectada a la línea de reinicio del ATmega328P
mediante un condensador de 100 nanofaradios. Cuando esta línea se pone
abajo (0V); la línea de reinicio también se coloca en el mismo estado el tiempo
suficiente para restablecer el chip. El software de Arduino utiliza esta capacidad
que le permite cargar código con sólo pulsar el botón del entorno Arduino. Esto
significa que el gestor de arranque puede tener un tiempo de espera más
corto, ya que la disminución de DTR puede ser bien coordinada con el inicio de
la subida.
La placa Arduino Pro Mini contiene una pista que puede ser cortada o
despegada para desactivar el reinicio automático. Las terminaciones a ambos
lados pueden ser soldadas entre ellas para volver a habilitarla. Se encuentran
26
Figura 9.Pines del Arduino Pro Mini
Fuente: Margolis, (2011)
En lugar de necesitar presionar físicamente el botón de reinicio (Reset)
antes de un proceso de carga, el Arduino Pro Mini está diseñado de una
manera que permite que pueda ser reiniciado por software desde el ordenador
donde se esté conectado. Una de las líneas de control de flujo (DTR) de la
ATmega8U2 / 16U2 está conectada a la línea de reinicio del ATmega328P
mediante un condensador de 100 nanofaradios. Cuando esta línea se pone
abajo (0V); la línea de reinicio también se coloca en el mismo estado el tiempo
suficiente para restablecer el chip. El software de Arduino utiliza esta capacidad
que le permite cargar código con sólo pulsar el botón del entorno Arduino. Esto
significa que el gestor de arranque puede tener un tiempo de espera más
corto, ya que la disminución de DTR puede ser bien coordinada con el inicio de
la subida.
La placa Arduino Pro Mini contiene una pista que puede ser cortada o
despegada para desactivar el reinicio automático. Las terminaciones a ambos
lados pueden ser soldadas entre ellas para volver a habilitarla. Se encuentran
26
Figura 9.Pines del Arduino Pro Mini
Fuente: Margolis, (2011)
En lugar de necesitar presionar físicamente el botón de reinicio (Reset)
antes de un proceso de carga, el Arduino Pro Mini está diseñado de una
manera que permite que pueda ser reiniciado por software desde el ordenador
donde se esté conectado. Una de las líneas de control de flujo (DTR) de la
ATmega8U2 / 16U2 está conectada a la línea de reinicio del ATmega328P
mediante un condensador de 100 nanofaradios. Cuando esta línea se pone
abajo (0V); la línea de reinicio también se coloca en el mismo estado el tiempo
suficiente para restablecer el chip. El software de Arduino utiliza esta capacidad
que le permite cargar código con sólo pulsar el botón del entorno Arduino. Esto
significa que el gestor de arranque puede tener un tiempo de espera más
corto, ya que la disminución de DTR puede ser bien coordinada con el inicio de
la subida.
La placa Arduino Pro Mini contiene una pista que puede ser cortada o
despegada para desactivar el reinicio automático. Las terminaciones a ambos
lados pueden ser soldadas entre ellas para volver a habilitarla. Se encuentran
27
marcadas con"RESET-ES", cabe destacar que también se puede desactivar el
reinicio automático mediante la conexión de una resistencia de 110 ohm de 5V
al pin de Reset. El Arduino Pro Mini tiene un multifusible reiniciable que
protege los puertos USB del ordenador de cortocircuitos y sobrecorrientes.
Aunque la mayoría de los ordenadores proporcionan su propia protección
interna, el fusible proporciona una capa adicional de protección. Si más de
500mA son detectados en el puerto USB, el fusible automáticamente cortará la
conexión hasta que el cortocircuito o la sobretensión desaparezcan.
Además de los diferentes tipos de placas Arduinos existen ciertas placas
conocidas como Shields que funcionan como accesorios para ampliar las
capacidades del Arduino. Estas suelen ser de diseños muy simples y entre sus
diferentes aplicaciones se encuentran los siguientes: Arduino GSM Shield,
Arduino Ethernet Shield,Arduino WifiShield, Arduino Wireless SD Shield, entre
otros.
2.2.10. Bateria de polímero de litio (LiPo)
Durante muchos años la batería de níquel-cadmio fue la única opción
para aplicaciones portátiles como teléfonos móviles, ordenadores,
aeromodelos, etc. En 1990 aparecieron las baterías de níquel-metal-hidruro e
ion-litio, ofreciendo mayores capacidades y menores pesos.
Ambas tecnologías reclaman su superioridad sobre la otra, pero
últimamente se ha hecho patente que las baterías de Ion-Litio han ganado la
carrera. Los primeros trabajos para crear una batería de litio se desarrollaron
en el año 1912 por G.N. Lewis, pero no fue hasta los años 70 cuando la
primera batería de litio apareció comercialmente. Hay que recordar que el litio
(LI) es el metal más ligero que existe, ya que al tener únicamente tres
protones, su peso atómico es muy bajo. Permitiendo un gran potencial químico
para crear baterías de gran capacidad con poco peso
28
Según Carlos Peña (2011) las baterías de la familia del litio no requieren
mantenimiento, cosa que no puede decirse de otras baterías. No tienen efecto
memoria y no es necesario realizar un reciclado cada cierto número de cargas.
Además, el ratio de auto descarga de una batería almacenada es menos de la
mitad de otros tipos de batería.
Pero también hay que tener en cuenta que su estructura es frágil y
requieren de un circuito de seguridad. Se hace necesario un circuito que limita
el voltaje máximo que puede alcanzar cada célula durante la carga, y también
limitar el voltaje mínimo de cada célula durante la descarga. Aproximadamente
el factor de carga de una batería es de 1C o 2C.
El envejecimiento de las baterías de Litio es un tema que los fabricantes
suelen ocultar, pues las capacidades químicas de una batería se degradan
notablemente en un periodo de un año. Esta degradación química ocurre tanto
si se utiliza la batería o no.
2.2.11. Sensores
Un sensor es todo dispositivo que, a partir de la energía del medio donde
se mide (temperatura, altitud, inclinación, etc..), genera una señal de salida
que podemos interpretar mediante algún parámetro que se modifica en función
a la variable medida.
En un sistema quadrotor podemos encontrar un gran número de
sensores enfocados a la estabilización del sistema y a la navegación. Algunos
de los sensores más utilizados en estos sistemas son los acelerómetros y
giroscopios, aunque en algunos sistemas más avanzados, también podemos
encontrar sensores de presión. Por otra parte, tenemos los sensores o equipos
29
utilizados para la navegación, que van desde sensores de proximidad hasta
receptores
GPS.
2.2.12. Giroscopio
Un giroscopio o giróscopo es un dispositivo con característica esférica en
su forma con un objeto en su centro en forma de disco, montado en un soporte
cardánico, de manera que pueda rotar libremente en cualquier dirección sobre
su eje de simetría. Su principio de funcionamiento está basado en la
conservación del momento angular, por eso es utilizado para medir la
orientación o para mantenerla haciendo uso de las fuerzas que ejercen en su
sistema de balanceo.
Figura 11. Giroscopio con todo su sistema de balanceo
Cuando es sometido a una rotación, el giroscopio mide la deformación
de un prisma vibrante interno a causa del efecto de Coriolis. Como resultado
de esta deformación el giroscopio genera un voltaje de salida que es
proporcional a esta velocidad angular de rotación. La posición angular también
30
puede ser obtenida fácilmente a través de una simple integración de la señal
del giroscopio. Del mismo modo se obtener la aceleración al derivar la señal.
Una aproximación típica para la supresión del temblor, es la alteración
de viscosidad del movimiento. Este tipo de estrategia de control, cuando se
implementa a través de actuadores activos, está basada en la realimentación
de velocidad. Así una medida directa de la velocidad angular facilita la
implementación práctica de estos lazos de control.
Los giroscopios de estado sólido son suficientemente pequeños para
permitir la implementación miniaturizada en dispositivos ortésicos. A diferencia
de los acelerómetros, las medidas de los giroscopios no son influenciados por
la gravedad. Además las informaciones de frecuencia y amplitud son precisas
en un rango amplio de frecuencias, hasta DC (frecuencia cero).
2.2.13. Acelerómetro
Un acelerómetro es un instrumento capaz de medir la aceleración,
normalmente de objetos, en los que va acoplado. Esto se produce mediante el
uso de una masa inercial unida a un elemento elástico, introducida en el
dispositivo acelerómetro.
La aceleración es la fuerza que se aplica a la masa y ésta puede ser
estática, como en el caso de la gravedad, o dinámicas, producidas por una
agitación o vibración.
El principio físico que explica el funcionamiento de este dispositivo
electrónico es la segunda ley de Newton. Newton introduce = . . Esto
implica que en el sistema compuesto de una masa y un resorte (muelle o
material elástico) se aplique una fuerza de acuerdo a la ecuación. La fuerza
hace que el material elástico se expanda y comprima a lo largo de una
31
dirección. Por lo tanto, si se quiere calcular el movimiento en un plano, se
deberá duplicar el sistema, y si se realiza en 3 dimensiones, se deberá triplicar.
Figura 12. Principio físico funcionamiento acelerómetro
En la figura 12 se ilustra el funcionamiento del acelerómetro. Al aplicar
una fuerza al objeto en el sentido del gesto (y), el resorte se expande y la
masa experimenta un desplazamiento en el sentido (x). Cuando la masa
conectada al resorte llega a su máxima expansión, el resorte empieza a
comprimirse produciendo una fuerza en el sentido (y) y una aceleración en el
sentido (y). El uso del estabilizador es necesario para evitar que el sistema
oscile.
Fuente: Juan Carlos Horno Murillo 2014, trabajo final de grado
2.2.14. PID
Ogata señala que más de la mitad de los controladores industriales que se
usan hoy en día utilizan esquemas de control PID o PID modificado.
32
Como casi todos los controladores PID se ajustan en el sitio, en la
literatura se han propuesto muchos tipos diferentes de reglas de sintonización,
que permiten llevar a cabo una sintonización delicada y fina de los
controladores PID en el sitio. Asimismo, se han desarrollado métodos
automáticos de sintonización y algunos de los controladores PID poseen
capacidad de sintonización automática en línea. Actualmente se usan en la
industria formas modificadas del control PID, tales como el control I-PD y el
control PID con dos grados de libertad. Es posible obtener muchos métodos
prácticos para una conmutación sin choque (desde la operación manual hasta
la operación automática) y una programación del aumento.
La utilidad de los controles PID estriba en que se aplican en forma casi
general a la mayoría de los sistemas de control. En particular, cuando el
modelo matemático de la planta no se conoce y, por lo tanto, no se pueden
emplear métodos de diseño analíticos, es cuando los controles PID resultan
más útiles. En el campo de los sistemas para control de procesos, es un hecho
bien conocido que los esquemas de control PID básicos y modificados han
demostrado su utilidad para aportar un control satisfactorio, aunque tal vez en
muchas situaciones específicas no aporten un control óptimo
En términos más específicos y centrándose más al tema principal de los
UAV Xabier Legasa Martin-Gil (2012) describe a los PID como estructuras de
control mediante realimentación, que calcula la desviación entre un valor
medido y un valor que se quiere obtener, haciendo una corrección en
consecuencia.
El algoritmo de control calcula tres parámetros diferentes: el proporcional, el
integral y el derivativo. El Proporcional, es directamente proporcional al error
actual, el Integral hace una corrección del error acumulado en el tiempo
(integral del error) y el Derivativo determina la reacción del tiempo en el que el
error se produce.
33
Figura 13. Esquema de un sistema a lazo cerrado de PID común
El valor de entrada al sistema (MV) se calcula por tanto como la suma
del valor Proporcional, Integral y Derivado. Es importante decir que Kp Ki y Kd
son constantes que habremos de ajustar en nuestro sistema. Vamos a verlos
por separado con un poco mas de detalle. Donde
( ) = ( ) = ( ) + ( ) + ( ): Ganancia proporcional, parámetro de entonación
: Ganancia integral, parámetro de entonación
: Ganancia derivativa, parámetro de entonacióne : ErrorSP −t : Tiempo instantáneo (el presente)
Proporcional:
El valor proporcional es el producto entre la constante proporcional Kp y el
error (SP-PV).
= ( )Un Kp demasiado grande llevaría al sistema a ser inestable. Uno demasiado
pequeño, tiene como consecuencia, un error grande. La parte proporcional no
34
considera el tiempo, por lo tanto, la mejor manera de solucionar el error
permanente y hacer que el sistema contenga alguna componente que tenga en
cuenta la variación respecto al tiempo, es incluyendo y configurando las
acciones integral y derivativa.
Integral:
El valor correspondiente al control Integral, es proporcional tanto a la
magnitud del error, como a la duración del mismo. Es la suma de los errores
en el tiempo e indica el cumulo de errores que tendrían que haberse corregido
previamente. Este error acumulado se multiplica por la constante Ki.
= ( )El control integral se utiliza para obviar el inconveniente del offset (desviación
permanente de la variable con respecto al punto de consigna) de la banda
proporcional.
Derivativa:
La acción derivativa actúa cuando hay un cambio en el valor absoluto del error.
La función de la acción derivativa es mantener el error al mínimocorrigiéndolo
proporcionalmente con la misma velocidad que se produce; de esta manera
evita que el error se incremente. El error se deriva con respecto al tiempo y se
multiplica por una constante D y luego se suma a las señales anteriores (P+I).
= ( )
35
2.2.15. Bluetooth
El estándar IEEE 802.15.1 presenta una WPAN que utiliza tecnología
inalámbrica Bluetooth. En este trabajo el término Bluetooth WPAN o
simplemente el término IEEE 802.15.1 WPAN se refiere a una WPAN que utiliza
tecnología Bluetooth inalámbrica.
Figura 14. Logo internacional del Bluetooth
Desde un punto de vista de tecnología de transmisión, Bluetooth está
basado en la tecnología clásica del escenario inalámbrico conocida como
spread spectrum (espectro esparcido), en concreto en frequency hopping
(salto de frecuencia): estos sistemas de frequency hopping dividen la banda de
frecuencia en varios canales de salto (hopping); en el transcurso de la
conexión se produce una transición brusca (salto o hopping) de un canal a otro
de forma seudo aleatoria.
Desde un punto de vista de arquitectura, Bluetooth se basa en el
concepto de picored, un concepto genérico en las redes de área personal que
se refiere a la capacidad de varios equipos para configurarse como una red; de
una forma más estricta, la picored se puede definir como la red de corto
alcance formada por dos o más unidades o equipos que comparten un canal,
es decir, que funcionan de forma síncrona y siguiendo al misma frecuencia de
hopping.
36
La picored se diferencia de otras redes similares de su entorno
mediante la secuencia de frecuencia de hopping. Las picorredes se pueden
enlazar de forma ad-hoc generando lo que se conoce como red de dispersión o
scatternet: estas scatternets permiten que se pueda producir la comunicación
entre configuraciones flexibles de forma continua; estas redes pueden actuar
también como enlace inalámbrico a redes de datos ya existentes. El chip
Bluetooth está formado por un transceiver de radio-frecuencia, una unidad de
control de enlace banda-base conjuntamente con el software de gestión y un
subsistema de antena; a los equipos que incluyen este chip y verifican las
especificaciones Bluetooth se les conoce, en la literatura internacional, como
productos Bluetooth enabled.
2.2.16. Sistema operativo Android
De acuerdo a lo expuesto por Báez y col, Android es un sistema
operativo y una plataforma software, basado en Linux para teléfonos móviles,
también usado en ordenadores portátiles, tabletas, netbooks, reproductores de
música, Google TV, relojes de pulsera e incluso PC´s. Android permite
programar en un entorno de trabajo (framework) de java sobre una máquina
virtual (Una variación de la máquina de java con compilación en tiempo de
ejecución). Además, lo que le diferencia de otros sistemas operativos, es que
cualquier persona que sepa programar puede crear nuevas aplicaciones, o
incluso, modificar el propio sistema operativo, dado que Android es de código
libre, por lo que al saber programar en lenguaje java, será muy fácil comenzar
a programar en esta plataforma.
Siendo un sistema operativo gratuito y multiplataforma, permite acceder
tanto alcódigo fuente como a las listas de incidencias donde se pueden
observar los problemas aun no resueltos y reportar problemas nuevos.
37
A través de este sistema operativo es posible el desarrollo de
aplicaciones normalmente trabajadas en lenguaje Java con el Kit de Desarrollo
de Software (según sus siglas en inglés Android Software Development Kit,
Android SDK) por medio de este se pueden desarrollar aplicaciones y a su vez
ejecutar un emulador de la versión de Android con la que se desee trabajar,
para visualizar el estado de la aplicación antes de introducirla al dispositivo
donde se utilizará. Es importante destacar que para la creación de las
aplicaciones existen plataformas de desarrollo basadas en Java e igualmente
de código abierto capaces de crear entornos de desarrollo integrados.
El sistema operativo Android proporciona todas las interfaces necesarias
para el desarrollo de las aplicaciones otorgándoles el poder acceder a las
funciones del dispositivo (como el GPS, la agenda, entre otros), estas
aplicaciones significan una ventada constantemente conectada a internet.
2.3 Defición de términos básicos
Algoritmo: Conjunto ordenado y finito de operaciones que permite
hallar la solución de un problema.
Hardware: Conjunto de los componentes que integran la parte material
de una computadora.
Microcontrolador: Circuito constituido por millares de transistores
integrados en un chip, que realiza alguna determinada función de los
computadores electrónicos digitales.
Software: Conjunto de programas, instrucciones y reglas informáticas
para ejecutar ciertas tareas en una computadora.
Voltaje: Cantidad de voltios que actúan en un aparato o sistema
eléctrico.
38
Corriente: Magnitud física que expresa la cantidad de electricidad que
fluye por un conductor en la unidad de tiempo. Su unidad en el Sistema
internacional es el amperio.
Corriente Alterna: corriente eléctrica que invierte periódicamente el
sentido de su movimiento con una determinada frecuencia.
Corriente Continua: corriente eléctrica que fluye siempre en el mismo
sentido (no varía con respecto al tiempo).
Señales PWM: Este es uno de los esquemas más utilizados en la
actualidad en transmisores de AM (Modulación de Amplitud), y permite
conseguir eficiencias bastantes superiores a las que se tienen con AM
tradicional. En cierta forma puede considerarse como una modulación de
alto nivel. La señal moduladora o de información se convierte en un tren
de pulsos de duración variable que se amplifica al nivel suficiente para
aplicarlo como señal moduladora al paso amplificador final del
transmisor.
Frecuencia: Número de veces que se repite un proceso periódico por
unidad de tiempo.
RPM: Significa revoluciones por minuto.
Ciclo de trabajo: Tiempo en el cual la señal PWM se encuentra en
estado deencendido (ON).
PWM-Fase Correcta: El modo PWM-Fase Correcta consiste en que este
eltemporizador cuenta de 0 a 255 y luego de vuelta a 0. La salida se
apaga cuando el temporizador alcanza el valor de comparación de salida
39
del registro en el conteo creciente, y se vuelve a encender cuando el
temporizador alcanza el valor de comparación del registro de salida en el
conteo decreciente. El resultado es una salida más simétrica.
40
CAPÍTULO III
MARCO METODOLÓGICO
Este capítulo aborda los aspectos metodológicos del presente trabajo de
grado, donde se determina el tipo de investigación dentro de la cual se
encuentra el tipo, diseño y las fases de la investigación.
3.1. Tipo de Investigación:
De acuerdo al propósito que se persigue, la presente investigación es del
tipo Proyectiva según Hurtado (2006, Pág. 145), quién define la investigación
proyectiva como una propuesta o un modelo, los cuales constituyen la solución
a un problema con necesidad de tipo proyectivo, ya sea de un grupo social o
una institución, a través de un invento, programas, diseño, creaciones,
dirigidas a cumplir una necesidad.
Así mismo Hurtado (2000) propone para una investigación proyectiva un
diseño de campo, debido a que la información se obtiene de la realidad donde
ocurre el fenómeno a estudiar. El diseño de campo es un método específico,
que contiene; una serie de actividades sucesivas y organizadas, que deben
adaptarse a las particularidades de cada investigación e indican las pruebas a
efectuar y las técnicas a utilizar para recolectar y analizar los datos.
En este sentido se explica que las investigaciones proyectivas pueden
considerase factibles si en su planificación se contemplan métodos que
aseguren la sustentabilidad del proyecto, en el proceso y tiempo de
elaboración, definición en la que se encuentra el presente estudio, ya que los
estudios de ingeniería conceptual contemplan la factibilidad técnica y
económica del proyecto, volviéndolo un proyecto factible.
41
Siguiendo estas definiciones, la investigación en cuestión, se manifiesta
como proyectiva porque propone la integración de la ciencia y tecnología como
herramientas bases para estimular y desarrollar el área de la robótica para
fines educativo construyendo un vehículo aéreo no tripulado, el cuál será
programado bajo la plataforma de software y hardware libre Arduino de
manera que éste tenga un menor costo y mayor escalabilidad, haciendo de
este un proyecto factible.
3.2. Diseño de la investigación:
El diseño de la investigación según Hurtado, alude a las decisiones que
se toman en cuanto al proceso de recolección de datos, que permitan al
investigador lograr la validez interna de la investigación, es decir, tener un alto
grado de confianza de que sus conclusiones no son erradas.
Más adelante Hurtado refiere dónde y cuándo se recopila la información,
así como la amplitud de la información a recopilar, de modo que se pueda dar
respuesta a la pregunta de investigación de la forma más idónea posible. El
“dónde” del diseño alude a las fuentes: si son vivas, y la información se recoge
en un ambiente natural, el diseño se denomina de campo, si la información se
recoge en un ambiente artificial o creado, se habla de diseño de laboratorio.
Por el contrario, si las fuentes no son vías, sino documentos o restos, el diseño
es documental. También puede utilizarse diseños de fuente mixta, los cuales
abarcan tanto las fuentes vivas como documentales.
El ”cuándo” del diseño, alude a la perspectiva temporal. Un diseño puede
estar dirigido a reconstruir hechos pasados, entonces se denomina histórico o
retrospectivo; si el propósito es obtener información de un evento actual, el
diseño es contemporáneo. Hurtado manifiesta que es posible diferenciar entre
diseño evolutivo o transeccional: en el diseño evolutivo el investigador estudia
el evento en su proceso de cambio a lo largo del tiempo, por ello requiere
42
hacer mediciones repetidas; pero en el diseño transeccional el investigador
estudia el evento en único momento del tiempo.
En lo que respecta a la amplitud y organización de los datos, Hurtado
indica que el diseño puede estar centrado en un evento único, con lo cual se
denomina univariable o unieventual, o puede estar orientado al estudio de
varios eventos por cada tipo de evento, en ese caso se denomina multivariable
o multieventual.
En concordancia con las definiciones presentadas por el mencionado
autor, el presente trabajo, puede catalogarse como una investigación de tipo
proyectiva, como ha sido explicado en el punto anterior, pero con un diseño de
campo, evolutivo contemporáneo y univariable, en vista de que los datos
recaudados durante su realización fueron obtenidos de la realidad a lo largo del
tiempo y en el presente centrado en un solo evento.
3.3. Fases de la Investigación:
Se presenta a continuación un resumen de cada etapa para el desarrollo
de la investigación, es decir, de las actividades que se llevaran a cabo para
cumplir con los objetivos planteados.
Tabla 3.Fases para el cumplimiento de los objetivos específicos.
Fase Actividades
Fase I:
Diseñar la
estructura mecánica
verificando que
cumpla con los
parámetros
Realizar revisión bibliográfica en el ámbito dea lo que cuadricóptero se refiere.
Diseñar la estructura física con lasubicaciones de los elementos que componenel cuadricóptero.
43
necesarios para la
construcción del
vehículo aéreo no
tripulado.
Seleccionar el tipo de material para laconstrucción de la infraestructura.
Fase II:
Analizar los
componentes
electrónicos y su
consumo de
potencia para
obtener un máximo
rendimiento.
Revisión bibliográfica acerca de la plataformade software libre para el estudio y selecciónadecuada y más eficiente.
Selección de equipo compatible con elsoftware, teniendo en cuenta lascaracterísticas deseadas.
Efectuar los cálculos de consumo de potenciade los dispositivos electrónicos para obtenerun máximo rendimiento.
Fase III:
Implementar el
diseño mecánico y
electrónico para la
construcción del
vehículo aéreo no
tripulado.
Adquisición de los elementos electrónicos ymecánicos a utilizar en el cuadricóptero.
Construcción del cuadricóptero de acuerdo aldiseño previamente planteando.
Fase IV:
Configurar el
algoritmo de control
sobre la plataforma
de software libre
que proporcione una
Recopilación de información acerca delsoftware Arduino.
Configuración del software de control para elcuadricóptero.
44
adecuada
estabilidad de vuelo
Realizar las pruebas necesarias en elsoftware de control para la estabilidad en elvuelo.
Fase V:
Determinar las
variables necesarias
para la evaluación
del vehículo aéreo
no tripulado.
Evaluar el funcionamiento del diseño yconstrucción.
Realizar todas las mediciones necesariaspara asegurar el buen funcionamiento delproyecto realizado.
3.4. Diseño de la Investigación:
Con el UAV ya montado y la programación para su control configurada
se procederá a realizar diversas pruebas con el propósito de comprobar su
correcto funcionamiento y efectividad. Con el desarrollo de este proyecto se
busca que el vehículo logre levantar vuelo y obedecer los comandos
introducidos por el usuario, así como también que éste posea una buena
estabilidad mientras está en el aire para evitar que ocurran accidentes
inesperados.
La posibilidad de hacer uso de esta aeronave en interiores y exteriores
junto con su capacidad para cambiar de dirección según los comandos
introducidos por el usuario la convierten (ante un posible fallo) en una
máquina peligrosa. En consecuencia, perder el control del cuadricóptero puede
llevarlo a destruirse a sí mismo o a su entorno, así como a dañar la integridad
física de una persona.
Se planea utilizar para las primeras pruebas de vuelo un soporte para el
cuadricóptero, asegurándolo mediante varias cuerdas largas a los
45
extremospara impedir que éste salga de su zona de seguridad y evitar que
éste impacte contra paredes o personas.
Una vez que ya se tenga una mediana estabilidad y control de vuelo del
vehículo, y que además se haya comprobado que todos los motores obedecen
correctamente al mando, se proseguirá a entonar los parámetros de PID para
corregir posibles vibraciones y/u oscilaciones indeseadas hasta el punto en que
el UAV consiga una pertinente fluidez de vuelo y a su vez, evitar posibles
accidentes. Para estas pruebas será necesario tener comunicación remota con
el Cuadricoptero en vuelo, se tiene planificado el uso de un módulo Bluetooth
para recolectar datos de vuelo del Arduino medidos por el acelerómetro y
giroscopio y de esta manera poder variar a favor los valores de PID para cada
parámetro del UAV logrando así una adecuada estabilidad.
Para la medición de los parámetros YAW, PITCH y ROLL recolectados por
el giroscopio y el acelerómetro se hará uso del software Multiwii Configel cual
interpreta mediante curvas el comportamiento de éstos, y se dará una breve
explicación de que representa cada una.
Con todos los valores de vuelo correctamente y asegurándose de que
ya el UAV pueda mantenerse en el aire sin problemas, vienen las pruebas de
duración de vuelo y de distancia radial en un ambiente exterior. La primera se
llevará a cabo manteniendo una distancia prudente al vehiculo y
manteniéndolo en el aire, se podrá aprovechar esta prueba también para
observar que no hayan desperfectos en la estabilidad con el viento, y si hace
falta volver a entonar el PID. La prueba de distancia radial será ejecutada por
partes, manteniendo el UAV estático en un punto y alejando lentamente el
dispositivo transmisor; es necesario primero realizar la prueba de esta forma
de manera que una persona permanezca cercadel UAV en caso de que éste
pierda la señal del transmisor y colapse, y así poder calcular de manera segura
46
cuanto es su distancia limite sin la presencia de obstáculos que generen
interferencia como por ejemplo paredes.
47
CAPÍTULO IV: ANALISIS RESULTADOS
En el presente capítulo se exponen los métodos de desarrollo del UAV,
detalles de configuracion y construcción, además de la lógica de control que
fueron necesarios para cumplir con el desarrollo del sistema basado en
hardware y software libre para el vehículo aéreo no tripulado.
De manera breve se realizará una explicación acerca de la composición
del sistema cuadricóptero, de manera que, al momento de profundizar en
materia exista una referencia teórica del tema y así se pueda aprovechar y
asimilar el contenido óptimamente.
Inicialmente definiremos lo que es el “frame”. Es la estructura física de
soporte del cuadricóptero, que estará confeccionada en forma de equis (X)
para que de esta manera pueda, en cada uno de sus extremos, anclar cada
motor; es decir, se encontrará anclado un (1) motor por extremo. Los motores
antes mencionados serán controlados por dispositivos ESC (Electronic Speed
Control) los cuales son capaces de recibir una señal que permite dirigir la
velocidad de los motores del cuadricóptero. Esta señal es proveniente de un
controlador de vuelo, en este caso Arduino.
Otros de los dispositivos más importantes son el giroscopio y el
acelerómetro; éstos dictarán información necesaria para la estabilidad del
cuadricóptero. Igualmente es necesario acotar que la forma de control a
distancia será efectuada a través de un radio-control de señal FM a 72 MHz,
que posee un emisor y receptor.
Para la construcción del cuadricóptero primero se deben establecer
ciertos parámetros de diseño los cuales facilitarán los cálculos y así poder
cumplir los objetivos.
48
Los parámetros de diseño son:
Peso total: 1Kg-1.2 Kg
Dimensiones: Entre 45-55cm
Tiempo vuelo: 5min – 12 min
Configuración: Tipo X
Distancia Radial de Vuelo: 2 metros – 10 metros
4.1.1. Configuración del cuadricóptero
El cuadricóptero se realizó con una estructura en configuración equis (X)
debido a que, con respecto a los estudios antes realizados y los avances
obtenidos en la recolección de datos, ésta forma específica resulta apreciarse
como la más estable y a su vez la más utilizada e implementada
comercialmente.
En un cuadricóptero es de vital importancia considerar el sentido de giro
de cada motor por separado, es necesario que dos hélices giren en sentido
horario (CW) y otras dos de ellas en sentido antihorario (CCW), para lograr
elevarse con estabilidad en su eje vertical. Si todas giraran en sentido horario,
por ejemplo, el cuadricóptero comenzaría a girar en sentido inverso
continuamente.
Como se puede notar en la figura 15el motor 3 y 9 giran en sentido
horario y el motor 10 y 11 en sentido antihorario, la flecha verde del centro
indica el norte del UAV.
49
Figura 15. Configuración del UAV
Fuente: Alejandro Pulgar y Diego Vallejo
4.1.2. Diseño de la estructura
Ivan Monzón (2013) estipula que es necesaria una estructura rígida para
prevenir la rotura ante un posible accidente, pero también para conseguir las
mínimas vibraciones, tanto en funcionamiento, como en el momento del
despegue. No sólo la entrada en resonancia del cuadricóptero podría llegar a
ser crítica, sino también una ligera vibración, ya que en el cuadricóptero va
montada una serie de sensores y procesadores, y estas vibraciones pueden
inducirlos a mediciones incorrectas o incluso a la larga, a roturas.
El peso también es un atributo a tener en cuenta, ya que la autonomía y
la agilidad se consideran dos de las características más importantes del
helicóptero. Un peso bajo en el marco va a suponer un menor consumo y unas
menores inercias.
La estructura del cuadricóptero se confeccionó con aluminio como
material de elección, puesto a que posee ligereza, dureza y baja maleabilidad;
reuniendo de esta forma las características necesarias para garantizar el
funcionamiento del mismo en el aire. Continuando con la descripción de
elementos, consta con un peso de 359.4 gramos, resultando ser el peso idóneo
49
Figura 15. Configuración del UAV
Fuente: Alejandro Pulgar y Diego Vallejo
4.1.2. Diseño de la estructura
Ivan Monzón (2013) estipula que es necesaria una estructura rígida para
prevenir la rotura ante un posible accidente, pero también para conseguir las
mínimas vibraciones, tanto en funcionamiento, como en el momento del
despegue. No sólo la entrada en resonancia del cuadricóptero podría llegar a
ser crítica, sino también una ligera vibración, ya que en el cuadricóptero va
montada una serie de sensores y procesadores, y estas vibraciones pueden
inducirlos a mediciones incorrectas o incluso a la larga, a roturas.
El peso también es un atributo a tener en cuenta, ya que la autonomía y
la agilidad se consideran dos de las características más importantes del
helicóptero. Un peso bajo en el marco va a suponer un menor consumo y unas
menores inercias.
La estructura del cuadricóptero se confeccionó con aluminio como
material de elección, puesto a que posee ligereza, dureza y baja maleabilidad;
reuniendo de esta forma las características necesarias para garantizar el
funcionamiento del mismo en el aire. Continuando con la descripción de
elementos, consta con un peso de 359.4 gramos, resultando ser el peso idóneo
49
Figura 15. Configuración del UAV
Fuente: Alejandro Pulgar y Diego Vallejo
4.1.2. Diseño de la estructura
Ivan Monzón (2013) estipula que es necesaria una estructura rígida para
prevenir la rotura ante un posible accidente, pero también para conseguir las
mínimas vibraciones, tanto en funcionamiento, como en el momento del
despegue. No sólo la entrada en resonancia del cuadricóptero podría llegar a
ser crítica, sino también una ligera vibración, ya que en el cuadricóptero va
montada una serie de sensores y procesadores, y estas vibraciones pueden
inducirlos a mediciones incorrectas o incluso a la larga, a roturas.
El peso también es un atributo a tener en cuenta, ya que la autonomía y
la agilidad se consideran dos de las características más importantes del
helicóptero. Un peso bajo en el marco va a suponer un menor consumo y unas
menores inercias.
La estructura del cuadricóptero se confeccionó con aluminio como
material de elección, puesto a que posee ligereza, dureza y baja maleabilidad;
reuniendo de esta forma las características necesarias para garantizar el
funcionamiento del mismo en el aire. Continuando con la descripción de
elementos, consta con un peso de 359.4 gramos, resultando ser el peso idóneo
50
para no forzar los motores haciéndolos generar más potencia para la misma
fuerza de propulsión.
Asimismo las dimensiones han sido establecidas de manera que cumplan
con los parámetros de diseño de un cuadricóptero mediano, como se muestra
a continuación en el siguiente gráfico.
4.1.3. Dimensiones y planos
La mayoría de los cuadricópteros medianos tienen un rango de
dimensión preestablecido, que va desde 45 hasta 55 cm de diámetro. Para
este proyecto se ha optado por diámetro de aproximadamente 48cm de
manera que éste cumpla con las dimensiones recomendadas.
Figura 16. Estructura final
Fuente: Alejandro Pulgar y Diego Vallejo
4.2 Selección de la electrónica
Habiendo descrito anteriormente la fase de construcción mecánica se
explicará a continuación todo lo referido a la electrónica del cuadricóptero,
51
cómo es su funcionamiento y los cálculos de los parámetros de selección de
dispositivos que lo componen.
4.2.1 Selección del motor
La elección de los motores es algo fundamental y de suma importancia,
se considera un paso clave que debe realizarse con cautela por la gran
variedad que existe en el mercado. Se ofrecen una amplia gama de motores
cuyas funciones se ajustarán ante la necesidad de cada diseño. En éste caso se
optó por un motor DC (Direct Current) sin escobillas (brushless) porque genera
un mayor rango de velocidad por la ausencia de limitaciones mecánicas por
escobillas. El modelo de motor seleccionado es el mostrado a continuación:
Figura 17. Neewer A2212/13T 1000KV brushless motor
Fuente:
52
Tabla4.Características principales del motor Neewer
Nombre: Brushless Motor A2212/13 KV1000.No load
Current: 10 V : 0.5 A.
Corriente maxima: 12A/60s. Aplicada a los ESC: 30A.
Aplicada a la bacteria
LiPo:
2-3S
Aplicada a las hélices: 8x4.5" 9x4.5" 10x4.5" 10x4.7".
Aplicada a tres hélices: 7x4.5" 8x4.5" 9x4.5".
Diámetro del eje: 3.175mm.
Dimensiones: 27.5 x 30 mm.
Peso: 62.93g
Tabla5.Características de trabajo del motor Neewer
Voltaj
e
Aspas Corriente
típica (A)
Corrient
e pico
(A)
Empuje
típico
(g)
Empuje
máximo(
g)
RPM/
V
Resistenci
a interna
(Ω)
11.1V GWS
Direct
Drive
9x4.7
7.5 11.3 650 730 684 0.137
11.1V APC
10x4.
5
10 12 790 915 570
Se puede observar en la tabla 5 , el valor de empuje típico de 790g y
consume una corriente típica de 10 A . ya que se usaran 4 motores se
realizaran unos cálculos simples para determinar si cumple con el primer
parámetro de diseño:
Empuje típico total : 790g * 4 = 3.16 Kg
53
Cumple con lo establecido
La corriente típica total = 10A * 4 = 40 A
La corriente total con los motores a toda marcha será de 40A . pero el
cuadricóptero tiene un peso de entre 1kg y 1.2kg , lo cual hace que el
consumo corriente se reduzca a una tercera parte . Aproximadamente 14 A ,
cabe acotar que no estará volando a toda potencia ya que eso haría que se
elevara en todo el tiempo de vuelo y no es lo ideal en la mayoría de las
aplicaciones
4.2.2. Selección de las aspas
Según las características del motor ya mencionadas, se le pueden
adaptar aspas de 8x4.5", 9x4.5", 10x4.5" ,10x4.7".
Las seleccionadas son las “Neewer® 10x4.5"/25.4x11.4cm 1045R Propeller”
debido que con estas se realizaron los cálculos por tener una mayor fuerza de
levante.
Figura18.Neewer® 10x4.5"/25.4x11.4cm 1045R Propeller
Fuente:
54
4.2.3. Selección de la batería
Como se puede observar en las características del motor, éste, para ser
alimentado, se necesita una batería LiPo de tres (3) celdas y 11.1V por lo cuál
es la que ha sido seleccionada para el presente proyecto.
Figura 19. Batería LiPo Turnigy 2200mAh
Fuente: http://www.rcfacil.es/es/baterias-lipo/85-bateria-lipo-turnigy-2200-
mah-3s-111v-20c.html
Tabla6.Características de la batería LiPo
Capacidad mínima: 2200mAh
Configuración: 3S1P / 11.1V / 3Cell
Constante de descarga: 30C
Pico de descarga (10segs): 40C
Peso: 197.3g
Tamaño: 108 x 34 x 27mm
Conector para el cargador: JST-XH
Conector para la salida: XT60
55
Se trata de una batería de 2200mAh con 20C de ratio de descarga. Para
calcular la máxima corriente que puede proporcionar solo se debe aplicar la
siguiente fórmula:
= 2.2 ∗ 20 = 44Si se divide la corriente máxima entre los cuatro (4) motores se obtiene la
corriente que demandará cada motor:
= 444 = 11 , = 12Vemos que se encuentra entre el rango de corriente que puede aceptar el
motor.
4.2.4. Selección del ESC
Es el circuito electrónico cuyo objetivo es variar la velocidad del motor.
Las especificaciones del motor recomiendan utilizar un speed control capaz de
soportar 30A, es por ello que se seleccionó: Neewer 30A ESC
Figura 20.ESC Neewer Simonk
Fuente:
56
Tabla7.Características del ESC seleccionado
Corriente máxima de trabajo: 30ª
Corriente máxima pico: 40A (10s)
Voltaje: 2 – 3S LiPo
BEC (Battery eliminating circuit) : 5V / 3ª
Dimensiones: 50 x 23 x 8mm
Peso: 30g aproximadamente
4.2.5. Selección del microcontrolador
Debido a que se va a demandar un microcontrolador capaz de manejar
señales digital, analógicas y PWM, se ha optado por una placa compacta, y de
alto rendimiento como lo es el Arduino Pro mini, y gracias a sus pequeñas
dimensiones y ligereza es la indicada para el proyecto.
Figura 21.Arduino Pro Mini
4.2.6. Selección de giroscopio
El Wii Motion Plus incluye un sensor giroscópico capaz de reconocer
1.600 ángulos de giro por segundo. Es decir, al girar cuatro veces y media la
muñeca el dispositivo detectaría cada uno de los ángulos de giro en tan sólo un
segundo.
57
Figura 22.Nintendo Wii Motion Plus y giroscopio
Fuente:
Esta extensión se comunica con el controlador en un bus I2C en modo
rápido a 400kbit / s. Además, este bus utiliza sólo 2 cables de datos para la
comunicación por puerto serie
4.2.7. Selección de acelerómetro
De la misma fuente que el giroscopio se seleccionó el acelerómetro del
Nintendo Nunchuck, ya que son compatibles entre ambos por comunicación
Figura 23.Nintendo Nunchuck y su acelerómetro
Fuente:
58
4.2.8. Selección del modulo Bluetooth
Por dimensiones tan pequeñas como un conector USB se seleccionó el
modulo Bluetooth HC06,es una de las piezas de mercado más económicas que
se pueden encontrar dedicadas a este tipo de actividad, por ende, es el más
usado en proyectos con plataforma Arduino, su protocolo de comunicación es
serial.
Figura 24.Modulo Bluetooth HC-06
Fuente:
Ya habiendo seleccionado todos los elementos que compondrán el UAV
se realizará un resumen del peso total de la estructura, a favor de comprobar
si está dentro de los parámetros de diseño inicialmente establecidos.
Tabla 8.Pesos de cada elemento
ELEMENTO PESO NETO (g) CANTIDAD PESO TOTAL (g)
Frame 359.4 1 359.4
59
Arduino Pro Mini 2 1 2
Motor 62.9 4 251.6
Aspas 5 4 20
ESC 30 4 120
Batería 197.3 1 197.3
Nintendo Wii Motion Plus 6 1 6
Nintendo Nunchuck 10.5 1 10.5
Modulo Bluetooth 3.2 1 3.2
Otros 30/ - 30
TOTAL: 1000
Habiendo ya establecido todo los elementos, se empezara con la
Construcción de la estructura final del cuadricóptero unificando la parte
mecánica con la electrónica, de ahora en adelante se explicara un paso a paso
de las conexiones.
4.3.1 Conexión de motores
La alimentación de los motores Brushless está compuesta por tres fases
activas, mientras que la batería a utilizar solo proporciona una fase activa, es
necesaria la implementación de un ESC () para alimentar correctamente el
motor. Asi como también es necesario el sentido de giro de cada motor por
separado como se explicó anteriormente, para lograr esto, solo se deben
intercambiar 2 fases del motor. En la figura 24se puede observar la
intervención del ESC para la alimentación del motor, y la configuración de las
fases para un sentido de giro horario (CW), y en la figura 25se puede ver el
intercambio entre las fases del cable amarillo y rojo, generando esto un
sentido de giro anti horario (ccw).
60
Figura 25.Conexión del motor con el ESC y la batería para un sentido giro
horario (CW)
Fuente: Alejandro Pulgar y Diego Vallejo
Figura 26.Conexión del motor con el ESC y la batería para un sentido giro anti
horario (CCW)
Fuente: Alejandro Pulgar y Diego Vallejo
60
Figura 25.Conexión del motor con el ESC y la batería para un sentido giro
horario (CW)
Fuente: Alejandro Pulgar y Diego Vallejo
Figura 26.Conexión del motor con el ESC y la batería para un sentido giro anti
horario (CCW)
Fuente: Alejandro Pulgar y Diego Vallejo
60
Figura 25.Conexión del motor con el ESC y la batería para un sentido giro
horario (CW)
Fuente: Alejandro Pulgar y Diego Vallejo
Figura 26.Conexión del motor con el ESC y la batería para un sentido giro anti
horario (CCW)
Fuente: Alejandro Pulgar y Diego Vallejo
61
Figura 27.Conexión del motor con el ESC
Fuente: Alejandro Pulgar y Diego Vallejo
Se conectan los 4 cables positivos al positivo de la batería y los 4 negativos al
negativo de las baterías
Figura 28.Conexión de todos los ESC en el centro del UAV
Fuente: Alejandro Pulgar y Diego Vallejo
4.3.2. Conexión de ESC/BEC con el Arduino
Para el control de velocidad de los motores es primordial una señal PWM
proveniente del microcontrolador Arduino Pro Mini (ATMega328P). Tomando en
cuenta las bases teóricas planteadas sobre éste, se tiene que los pines con
62
salida PWM son los pines 3, 5, 6, 9, 10 y 11. Para el caso de este proyecto en
particular solo son necesarias 4 salidas PWM para el respectivo control de los 4
motores. En lafigura 28 se muestran el diagrama de conexiones de cada ESC
atreves del BEC a los pines PWM del Arduino, por comodidad de conexión los
pines seleccionados para el montaje fueron 3, 9, 10 y 11.
Figura 29:Conexión de los ESC y BEC al Arduino
Fuente: Alejandro Pulgar y Diego Vallejo
En la figura XX se ven los valores medidos en la señal PWM con la que trabajan
el BEC la cual es recibida por el arduino. 1 ms y 5 V con una frecuencia de
50Hz
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Figura 30: Señal PWM medida
Fuente: Alejandro Pulgar y Diego Vallejo
4.3.3. Conexión de giroscopio y acelerómetro
El cuadricóptero necesariamente debe contar con un módulo de
orientación que provea datos numéricos de inclinación y aceleración en el
espacio tridimensional, como se muestra en la figura 30el acelerómetro
(Nunchuck) se conecta con el giroscopio (Wii Motion Plus) mediante el
protocolo de comunicación . Asimismo el giroscopio se conecta al Arduino
tomando en cuenta las resistencias de Pull-Up (2 resistencias de 2.2kΩ), para
evitar problemas de comunicación.
SCL: Cable bus de comunicación . El pin SCL es la línea de tiempo y
se utiliza para sincronizar todos los datos transferidos a través del bus .
SDA: Cable bus de comunicación . El pin SDA es la línea de datos.
64
Figura 31.Conexión del giroscopio y acelerómetro al Arduino
Fuente: Alejandro Pulgar y Diego Vallejo
4.3.4. Conexión del radiocontrol con Arduino.
Para el control a distancia del cuadricóptero es necesario un dispositivo
de radiocontrol, conformado por un emisor y un receptor. El emisor va a enviar
una señal de mando introducida por el usuario mediante Joysticks, la cual va a
ser recibida e interpretada por el receptor y luego enviada a los pines del
Arduino, con el propósito de manipular los ciclos de trabajo de la señal PWM
hacia los ESC, y generar en el cuadricoptero los movimientos anteriormente
mencionados YAW, PITCH, ROLL y THROTTLE
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Figura 31.Conexión del giroscopio y acelerómetro al Arduino
Fuente: Alejandro Pulgar y Diego Vallejo
4.3.4. Conexión del radiocontrol con Arduino.
Para el control a distancia del cuadricóptero es necesario un dispositivo
de radiocontrol, conformado por un emisor y un receptor. El emisor va a enviar
una señal de mando introducida por el usuario mediante Joysticks, la cual va a
ser recibida e interpretada por el receptor y luego enviada a los pines del
Arduino, con el propósito de manipular los ciclos de trabajo de la señal PWM
hacia los ESC, y generar en el cuadricoptero los movimientos anteriormente
mencionados YAW, PITCH, ROLL y THROTTLE
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Figura 31.Conexión del giroscopio y acelerómetro al Arduino
Fuente: Alejandro Pulgar y Diego Vallejo
4.3.4. Conexión del radiocontrol con Arduino.
Para el control a distancia del cuadricóptero es necesario un dispositivo
de radiocontrol, conformado por un emisor y un receptor. El emisor va a enviar
una señal de mando introducida por el usuario mediante Joysticks, la cual va a
ser recibida e interpretada por el receptor y luego enviada a los pines del
Arduino, con el propósito de manipular los ciclos de trabajo de la señal PWM
hacia los ESC, y generar en el cuadricoptero los movimientos anteriormente
mencionados YAW, PITCH, ROLL y THROTTLE
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Figura32.Conexión del dispositivo receptor del radiocontrol al Arduino
Fuente: Alejandro Pulgar y Diego Vallejo
4.3.5. Conexión de Bluetooth con Arduino
Será adaptado un módulo bluetooth para la comunicación remota con el
cuadricóptero y asi obtener datos de orientación sobre los movimientos YAW,
PITHC Y ROLL, la comunicación del arduino con el trasmisor bluetooth va ser
mediante comunicación serial.
En la figura 32se observa el diagrama de conexiones, el puerto
transmisor (TX) del modulo Bluetooth irá conectado con el pin receptor (RX)
del Arduino, mientras que el puerto receptor (RX) irá conectado al pin
transmisor (TX) de los mismos, esto es, ya que la información que uno de los
dos transmite será recibida por el otro y viceversa.
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Figura32.Conexión del dispositivo receptor del radiocontrol al Arduino
Fuente: Alejandro Pulgar y Diego Vallejo
4.3.5. Conexión de Bluetooth con Arduino
Será adaptado un módulo bluetooth para la comunicación remota con el
cuadricóptero y asi obtener datos de orientación sobre los movimientos YAW,
PITHC Y ROLL, la comunicación del arduino con el trasmisor bluetooth va ser
mediante comunicación serial.
En la figura 32se observa el diagrama de conexiones, el puerto
transmisor (TX) del modulo Bluetooth irá conectado con el pin receptor (RX)
del Arduino, mientras que el puerto receptor (RX) irá conectado al pin
transmisor (TX) de los mismos, esto es, ya que la información que uno de los
dos transmite será recibida por el otro y viceversa.
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Figura32.Conexión del dispositivo receptor del radiocontrol al Arduino
Fuente: Alejandro Pulgar y Diego Vallejo
4.3.5. Conexión de Bluetooth con Arduino
Será adaptado un módulo bluetooth para la comunicación remota con el
cuadricóptero y asi obtener datos de orientación sobre los movimientos YAW,
PITHC Y ROLL, la comunicación del arduino con el trasmisor bluetooth va ser
mediante comunicación serial.
En la figura 32se observa el diagrama de conexiones, el puerto
transmisor (TX) del modulo Bluetooth irá conectado con el pin receptor (RX)
del Arduino, mientras que el puerto receptor (RX) irá conectado al pin
transmisor (TX) de los mismos, esto es, ya que la información que uno de los
dos transmite será recibida por el otro y viceversa.
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Figura 33.Conexión del módulo Bluetooth al Arduino
Fuente: Alejandro Pulgar y Diego Vallejo
4.3.6. Diagrama completo del sistema
Figura 34.Diagrama completo de conexiones
Tabla 9.Resumen de los pines del Arduino
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Figura 33.Conexión del módulo Bluetooth al Arduino
Fuente: Alejandro Pulgar y Diego Vallejo
4.3.6. Diagrama completo del sistema
Figura 34.Diagrama completo de conexiones
Tabla 9.Resumen de los pines del Arduino
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Figura 33.Conexión del módulo Bluetooth al Arduino
Fuente: Alejandro Pulgar y Diego Vallejo
4.3.6. Diagrama completo del sistema
Figura 34.Diagrama completo de conexiones
Tabla 9.Resumen de los pines del Arduino
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PINES FUNCIÓN
2 CH3, THROTTLE del receptor del radiocontrol FM
3 Señal de control PWM del motor 3
4 CH1, ROLL del receptor del radiocontrol FM
5 CH2, PITCH del receptor del radiocontrol FM
6 CH4, YAW del receptor del radiocontrol FM
9 Señal de control PWM del motor 9
10 Señal de control PWM del motor 10
11 Señal de control PWM del motor 11
12 VCC del Wii Motion Plus + Nunchuck
A4 SDA del Wii Motion Plus + Nunchuck
A5 SCL del Wii Motion Plus + Nunchuck
RX Transmisor del modulo Bluetooth
TX Receptor del modulo Bluetooth
VCC Voltaje de salida de 5V
RAW Voltaje de entrada
GND Tierra
4. Configuración del software
Multiwii es un software de propósito general muy utilizado para el
control de multicopteros de todo tipo. Multiwii está disponible como software
de código abierto bajo la licencia de GPL, su propósito es servir de cerebro
para los UAV ya que contiene las librerías y lógica necesarias para el adecuado
control de imágenes de PWM. Su implementación está basada principalmente
en el uso del Nintendo Wii Motion Plus y el Nunchuck en el UAV, como
giroscopio y acelerómetro respectivamente.
Aparte del software principal con la programación en Arduino del
multiwii también viene un software gráfico llamado “Multiwii config” codificado
con procesamiento JAVA compatible con Linux, MAC y Windows que muestra
68
todo tipo de detalles de vuelo del UAV, como las curvas del acelerómetro y
giroscopio, valores de los ángulos de vuelo (ROLL, PITCH, YAW, THROTTLE), y
también un apartado para la entonación del PID.
En la Figura 34 se puede apreciar como se ve este software y un pequeño paso
a paso del proceso de configuración para su posible control en el UAV a
construir.El primer paso a seguir es el de seleccionar el submenú config.hcomo
se observa en la figura a continuación
Figura 35.Vista general del Multiwii en el Sketch de Arduino, y sus submenús
Fuente: Alejandro Pulgar y Diego Vallejo
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Dentro de este submenú se despliegan una gran cantidad de
parámetros, (todos muy bien instruccionados) de entre los cuales se elegirán
solo aquellos que mas se adecúen al UAV que se va a construir, en la figura xx
se puede observar el apartado de la selección de librerías del tipo de
multicoptero, para el caso a estudiar en especifico se selecciona la librería
QUADX, quitando de la lista de comandos el símbolo de comentario (//) para
que así está sea reconocida como una librería a utilizar; de la misma manera
se procederá con el resto de los comandos.
Figura 36.Selección del tipo de UAV
Fuente: Alejandro Pulgar y Diego Vallejo
Otra de las modificaciones realizadas en el programa fue la de ajustar el
Throttle mínimo, el cual indica el valor de velocidad más bajo que tendrá el
UAV en un estado de ocio, es decir, cuando se bajan todas las palancas,
haciendo asi que los motores no se detengan por completo y colapse.
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Dentro de este submenú se despliegan una gran cantidad de
parámetros, (todos muy bien instruccionados) de entre los cuales se elegirán
solo aquellos que mas se adecúen al UAV que se va a construir, en la figura xx
se puede observar el apartado de la selección de librerías del tipo de
multicoptero, para el caso a estudiar en especifico se selecciona la librería
QUADX, quitando de la lista de comandos el símbolo de comentario (//) para
que así está sea reconocida como una librería a utilizar; de la misma manera
se procederá con el resto de los comandos.
Figura 36.Selección del tipo de UAV
Fuente: Alejandro Pulgar y Diego Vallejo
Otra de las modificaciones realizadas en el programa fue la de ajustar el
Throttle mínimo, el cual indica el valor de velocidad más bajo que tendrá el
UAV en un estado de ocio, es decir, cuando se bajan todas las palancas,
haciendo asi que los motores no se detengan por completo y colapse.
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Dentro de este submenú se despliegan una gran cantidad de
parámetros, (todos muy bien instruccionados) de entre los cuales se elegirán
solo aquellos que mas se adecúen al UAV que se va a construir, en la figura xx
se puede observar el apartado de la selección de librerías del tipo de
multicoptero, para el caso a estudiar en especifico se selecciona la librería
QUADX, quitando de la lista de comandos el símbolo de comentario (//) para
que así está sea reconocida como una librería a utilizar; de la misma manera
se procederá con el resto de los comandos.
Figura 36.Selección del tipo de UAV
Fuente: Alejandro Pulgar y Diego Vallejo
Otra de las modificaciones realizadas en el programa fue la de ajustar el
Throttle mínimo, el cual indica el valor de velocidad más bajo que tendrá el
UAV en un estado de ocio, es decir, cuando se bajan todas las palancas,
haciendo asi que los motores no se detengan por completo y colapse.
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Figura 37.Configuración de los valores máximos y mínimos de aceleración en
los ESC
Fuente: Alejandro Pulgar y Diego Vallejo
En la figura 37 se muestra la sección de calibración de los ESC,
ESC_CALIB_CANNOT_FLY es la librería necesaria para activar la calibración de
éstos mediante el programa, al activar este comando, el primer paso es tener
el Throttledel control remoto al máximo una vez introducido el programa,
luego conectar el circuito a la fuente de alimentación, los ESC emitirán un
sonido indicando que reconocieron que ese punto del Throttle es el punto
máximo, seguidamente se baja la palanca, y aproximadamente a los 3
segundos se emitirá un segundo sonido indicando ahora el punto mínimo, la
realización de este paso es importante para la correcta sincronización de los
motores al momento de ser controlados, logrando así que cada uno interprete
los movimientos de las palancas al mismo tiempo.
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Figura 37.Configuración de los valores máximos y mínimos de aceleración en
los ESC
Fuente: Alejandro Pulgar y Diego Vallejo
En la figura 37 se muestra la sección de calibración de los ESC,
ESC_CALIB_CANNOT_FLY es la librería necesaria para activar la calibración de
éstos mediante el programa, al activar este comando, el primer paso es tener
el Throttledel control remoto al máximo una vez introducido el programa,
luego conectar el circuito a la fuente de alimentación, los ESC emitirán un
sonido indicando que reconocieron que ese punto del Throttle es el punto
máximo, seguidamente se baja la palanca, y aproximadamente a los 3
segundos se emitirá un segundo sonido indicando ahora el punto mínimo, la
realización de este paso es importante para la correcta sincronización de los
motores al momento de ser controlados, logrando así que cada uno interprete
los movimientos de las palancas al mismo tiempo.
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Figura 37.Configuración de los valores máximos y mínimos de aceleración en
los ESC
Fuente: Alejandro Pulgar y Diego Vallejo
En la figura 37 se muestra la sección de calibración de los ESC,
ESC_CALIB_CANNOT_FLY es la librería necesaria para activar la calibración de
éstos mediante el programa, al activar este comando, el primer paso es tener
el Throttledel control remoto al máximo una vez introducido el programa,
luego conectar el circuito a la fuente de alimentación, los ESC emitirán un
sonido indicando que reconocieron que ese punto del Throttle es el punto
máximo, seguidamente se baja la palanca, y aproximadamente a los 3
segundos se emitirá un segundo sonido indicando ahora el punto mínimo, la
realización de este paso es importante para la correcta sincronización de los
motores al momento de ser controlados, logrando así que cada uno interprete
los movimientos de las palancas al mismo tiempo.
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Figura 38.Parámetros de calibración de los ESC
Fuente: Alejandro Pulgar y Diego Vallejo
PRUEBAS
Prueba de PID ,Prueba de estabilidad… con la gráfica de YAW PITC y ROLL
Para las pruebas de estabilidad se observara la grafica de los datos del
giroscopios para ver como se comporta el cuadricoptero
Con un P I D de XX
Figura 39.Multiwii config
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Figura 38.Parámetros de calibración de los ESC
Fuente: Alejandro Pulgar y Diego Vallejo
PRUEBAS
Prueba de PID ,Prueba de estabilidad… con la gráfica de YAW PITC y ROLL
Para las pruebas de estabilidad se observara la grafica de los datos del
giroscopios para ver como se comporta el cuadricoptero
Con un P I D de XX
Figura 39.Multiwii config
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Figura 38.Parámetros de calibración de los ESC
Fuente: Alejandro Pulgar y Diego Vallejo
PRUEBAS
Prueba de PID ,Prueba de estabilidad… con la gráfica de YAW PITC y ROLL
Para las pruebas de estabilidad se observara la grafica de los datos del
giroscopios para ver como se comporta el cuadricoptero
Con un P I D de XX
Figura 39.Multiwii config
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Fuente: Alejandro Pulgar y Diego Vallejo
Prueba de duración de vuelo
Prueba de duracion obtuvo un tiempo limite de vuelo de XX METROS
Análisis (la duración varia dependiendo del peso , del viento , de los
movimientos ya que cada movimiento genera una corriente diferente)
ANALISIS DE RESULTADO LAS PRUEBAS( MEJORAR )
Tabla 10.Comparación de costos entre cuadricóptero construido y un
cuadricóptero comercial
ELEMENTO Cuadricóptero Cuadricóptero comercial
Motor Xx
Hélices Xx
Total 150$ 500 $
ANALISIS DE LA COMPARACION ANTERIOS
Recomendaciones
- Agregar un medidor de potencia para la batería para saber cuánta carga
le queda
- Agregar un magnetómetro y barómetro
- Disminuir el peso de la estructura para mejorar duración y no forzar
motores y la batería
- Construir una estructura para proteger las hélices
- Agregar el control por Android a través de WiFi o Bluetooth
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- Cambiar el radio control a una tecnología más avanzada como lo es la
comunicaciones 2.4ghz
- Agregar una cámara de alta calidad y crear un programa de análisis de
campo para tarea de rastreo y estudios de suelo
- Agregar un FVP para tener una vista desde las perspectiva del
cuadricóptero
- Realizar estudios más avanzado de peso y batería. para nuevas tarea
- Hacer un estudio de PID más acertado para evitar configurarlo siempre
que se vuela
- Tratar de disminuir el costo en unos motores y realizar los ESC propios
para cuadricópteros mas propios
-