OJO DE AGUILA

Alumnos:

Velasco Esparza Casandra UP190950

Quiñones Jacobo Miguel Ángel UP190404

Pérez Rodríguez Carlos Joshua UP190622

Asesores:

M. C. Enrique Martínez Pérez

M.C. Josué Antonio Prieto Olivares

Septiembre 2021

Índice General

1. Introducción .................................................................................................... 1

2. Planteamiento del Problema .......................................................................... 2

3. Antecedentes ................................................................................................. 3

4. Metodología .................................................................................................... 5

5. Recursos materiales y humanos .................................................................. 10

6. Alcances o metas ......................................................................................... 11

7. Cronograma ................................................................................................. 11

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1. Introducción

Los vehículos aéreos no tripulados, también conocidos como drones, son

vehículos capaces de mantener una autonomía de vuelo controlado. Los drones

cuentan con una facilidad de desplazamiento sobre terrenos irregulares, evasión

de obstáculos y adquisición de imágenes desde distintos ángulos. Si bien los

drones han existido desde hace mucho tiempo, en los últimos años gracias al

avance de la tecnología, han adquirido un gran potencial para áreas muy

diversas como combate, fotografía, levantamientos topográficos, vigilancia, entre

otras tantas aplicaciones.

La Universidad Politécnica de Aguascalientes es una universidad pública del

estado de Aguascalientes, la cual imparte ocho carreras, siete ingenierías y una

licenciatura. Para la institución es de suma importancia la seguridad de sus

alumnos, personal e instalaciones por lo que siempre se ha mantenido un control

en quienes acceden a la universidad tanto en horario laboral como en el que no,

con el fin de evitar el robo de equipos de laboratorio y bienes materiales. La

institución cuenta con un personal de guardias de seguridad para cumplir este

cometido, sin embargo, es posible que, debido al tamaño de la universidad, a las

condiciones nocturnas y otros factores, que la labor de los guardias se vea

complicada.

Con la realización del proyecto Ojo de Águila se busca implementar un sistema

de vigilancia autónomo remoto para mejorar la seguridad en la universidad. El

sistema tiene una estación de transmisión y una de recepción de datos para el

constante monitoreo del perímetro, detección y detención de posibles intrusos.

Para lo cual se realizan investigaciones en las áreas de comunicación por radio

frecuencia, microcontroladores, drones, sensores y actuadores.

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2. Planteamiento del Problema

2.1 Objetivos generales

Diseñar e implementar un sistema de monitoreo remoto mediante dron para la

detección de individuos ajenos Universidad Politécnica de Aguascalientes

(allanamiento de morada).

2.2 Justificación

Incrementar el nivel de seguridad de los bienes tanto de sus alumnos como de

los docentes y externos involucrados de la Universidad Politécnica de

Aguascalientes, a través de la implementación de un dron de monitoreo remoto.

2.3 Objetivos específicos

• Armado y puesta en marcha el dron (Vuelos controlados).

• Diseño y fabricación de una PCB de control y monitoreo.

• Monitoreo remoto de sensores mediante tecnología IoT (Internet of

things).

• Diseño y fabricación de una HMI (Human-Machine Interface) en LabVIEW

para el monitoreo de sensores colocados en el dron.

• Redacción de un manual del usuario.

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3. Antecedentes

Los drones son vehículos aéreos no tripulados (UAVS, por sus siglas en inglés);

aeronaves que vuelan sin tripulación humana a bordo, controladas a distancia.

(J. Martínez, 2013). Existen dos variantes, la primera es aquella donde el dron

es controlado remotamente por una persona y la segunda es de vuelo autónomo

a través de planes de vuelo preprogramados por automatización dinámica.

Gracias a su velocidad, tamaño y control permite recorrer grandes distancias, así

como llegar a lugares de difícil acceso en zonas donde han sido devastadas por

desastres naturales logrando detectar personas en peligro y mandar la ayuda

oportuna. En la figura 1 se puede observar un dron equipado con una cámara

para la captura de imágenes.

Figura 1. Dron DJI Phantom.

El controlador de vuelo se podría considerar cómo el cerebro del dron. El Mini

PIX se basa en la investigación y el desarrollo maduros de PIXHAWK. El mini

PIX de Radiolink está equipado con un procesador STM32F405VGT6, un

barómetro LPS22HB.

• Giroscopio que detecta su orientación con referencia a la gravedad de

la Tierra.

• Acelerómetro para medir la aceleración no gravitacional. Utilizado para

la velocidad y dirección del dron.

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• Barómetro para medir la altura con los cambios en la presión del aire,

a mayor altura menor presión. Se puede ver afectado por varias

razones como el estado climático, el nivel del mar del lugar donde se

vuela, así como del mismo terreno.

• GPS y brújula para determinar la posición exacta. Suele venir con un

compás el cual determina dónde se encuentra el norte magnético.

• Módulo Amg8833A: La cámara térmica AMG8833 es un módulo que

incorpora un conjunto de sensores térmicos infrarrojos IR con matriz

de 8×8, esto le permite proporciona 64 lecturas de temperatura

infrarroja individuales a través de comunicación I2C. Este sensor es

muy práctico y compacto, cuenta con 6 pines para soldar header

macho (incluidos). Sirve para medir temperaturas que oscilan entre 0

° C y 80 ° C (32 ° F a 176 ° F) con una precisión de ± 2.5 ° C (4.5 ° F).

Puede detectar objetos, cuerpos humanos o caloríficos desde una

distancia de hasta 7 metros dependiendo del tamaño del objeto.

Podrás utilizarlo con cualquier microcontrolador que tenga

comunicación I2C.

Radiofrecuencia

El término se aplica para definir una parte del espectro electromagnético.

Concretamente, la parte con menos energía de este. La transmisión de las ondas

se produce al generar una corriente a través de un conductor, y se recibe con

una antena.

Se entiende por radiofrecuencia al conjunto de ondas electromagnéticas por las

cuales se propaga el sonido a través del espacio. Dicho con otras palabras, la

energía del sonido se expande en un radio determinado y con una frecuencia

concreta y de ahí viene el término radiofrecuencia. La Radiofrecuencia es un tipo

de onda electromagnética. Las ondas electromagnéticas son aquellas que son

capaces de viajar a través del vacío, a diferencia de las ondas mecánicas que

necesitan un medio material para poder hacerlo.

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4. Metodología

Armado y montaje

Se realizó una investigación cada uno de los componentes del dron para lo cual

es necesario el manual de usuario de RadioLink (controlador del dron). Se

revisaron las conexiones entre la controladora de vuelo MINIPIX (controlador de

vuelo), los ESC’s (variador electrónico de los motores), GPS (sistema de

posicionamiento global), batería, motores, hélices y el receptor de vuelo para su

posterior montaje en físico como se puede apreciar en la figura 2.

Figura 2. Hexacoptero F550.

Un dron puede ser programado para realizar un vuelo de manera autónoma o

para ser controlado de manera manual por un usuario, esto último es posible

gracias a un control remoto FS-I6X, de esta manera se logra vincular la

transmisora con la receptora de vuelo.

Mediante la interfaz de MINIPIX Mission Planner de RadioLink en una

computadora mostrado en la figura 3, se calibró el frame type, acelerómetro,

compás, radiocontrol, GPS, y ESC’s, Es necesario mantener una conexión entre

la controladora y el software, aunque exista dificultad para la calibración del

compás se recomienda usar una conexión alámbrica.

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Figura 3. Mission Planner de RadioLink.

Mission Planner permite configurar los modos de vuelo deseados para el dron

pues no siempre se necesita de realizar acrobacias, vuelos rápido o en caso de

perder conexión con la transmisora programarlo para que regrese al punto de

despegue. Estos modos de vuelo se utilizan en el control autónomo, con el fin de

planear un vuelo autónomo con el mismo software y el GPS (figura 4).

Figura 4. Planeador de vuelos de Mission Planner.

Para cualquier conductor novato siempre se recomendará, antes de iniciar las

primeras pruebas de vuelo, practicar durante unas horas en un simulador. En el

mercado existen varios simuladores para distintos drones, tipos de vuelo

deseados y condiciones. Sin embargo, varios de ellos son costosos. En esta

ocasión se practica en el simulador FPV Freerider que incluye una versión de

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prueba gratis. Una vez dominado el vuelo por simulador se podrá comenzar con

las pruebas de vuelo físicas.

Diseño y fabricación de un PCB de control y monitoreo.

El presente proyecto consta de dos PCBs (placas de circuito impreso) mediante

programa Altium Designer se diseñaron las antes mencionadas. El primer paso

fue realizar una investigación de los componentes a utilizar en nuestras placas.

Los módulos de radiofrecuencia necesitan una alimentación con un voltaje de 5

voltios y de preferencia un capacitor en paralelo. El sensor Amg8833A, el GPS

L80 M39, y el Arduino nano necesitarán una alimentación de 5 voltios, para el

módulo RF necesitaremos un voltaje de 3.3 voltios, también necesitaremos 4

step down, entre otras cosas que se necesitaran son leds, un buzzer.

Se diseñaron dos placas PCB una para la base estación terrena y otra que

llevará el dron (estación de trasmisión), en la figura 5 se muestra su layout de

ambas PCBs. Para tener un ahorro monetario ambas estaciones terrenas están

concentradas en una sola PCB. Ambas PCBs fueron hechas en China por la

compañía PCB WAY con el fin de tener calidad cómo se puede apreciar en la

figura 6. El trabajo posterior fue realizar el soldado de los componentes. En la

figura 7 se puede observar el ensamblaje de la base.

Figura 5. Layout de las estaciones de transmisión y recepción.

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Figura 6. Diseño de estaciones en software Altium Designer.

Figura 7. PCB ensamblada y lista para usarse, estación de trasmisión.

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Monitoreo remoto de sensores mediante tecnología IoT

Se realizó la trasmisión de datos entre la estación de trasmisión (montada sobre

el dron) y la estación de recepción (instalada en la caseta de vigilancia). La

estación de trasmisión estará montada en el dron con sensores de temperatura,

la cámara térmica, módulo RF y el microcontrolador. Esta base se encargará de

recopilar todos los datos durante el vuelo del dron mandándolos por

radiofrecuencia inmediatamente a la estación de recepción instalada en la caseta

de seguridad. Los datos enviados constarán de la posición geográfica del dron

con el fin de indicar que hay un posible intruso en la zona, esta alarma estará

indicada mediante software en LabVIEW y en hardware por un buzzer y un led

(figura 8).

Figura 8. PCB ensamblada y lista para usarse, estación de trasmisión.

Diseño de una HMI en LabVIEW

La base de recepción en la caseta de seguridad tiene una interfaz de usuario

para el muestreo de toda la información obtenida por el dron. Para esto se

mandan los datos por comunicación serial y en LabVIEW se hará la interfaz, con

los datos ambientales, posición geográfica y señales de alerta (figura 9).

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Figura 9. Interfaz del usuario.

5. Recursos materiales y humanos

Los materiales utilizados para este proyecto fueron:

• Dron

• Hexacoptero F550.

• Motores

• Controlador Mini pix.

• Acelerómetro.

• GPS.

• Módulo Amg8833A

• Dht11

• Transmisor Flysky FS-I6X.

• Receptor IA10B.

• Arduino Nano.

• PCB’s.

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6. Alcances o metas

El alcance final es implementar el paquete de Google Maps en la interfaz del usuario con el fin de tener una mejor presentación para los resultados. Realizar el control autónomo del dron sin la necesidad de intervención del operar incluso para cargar la pila del dron.

7. Cronograma

En el siguiente cronograma se plantearon todas las actividades a realizar y se

señalaron en el tiempo que se realizaran.

Tabla 1. Cronograma de actividades Actividad Semana

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Manejo del dron en simulación Conceptos básicos del dron Investigación de los sensores Protocolos de transmisión de datos Manejo de la radio frecuencia Rango de la radiofrecuencia Módulos de radio frecuencia NRF24L01 Investigación del módulo AMG8833A Programación de los sensores Programación de los módulos Investigación de la Mini Pix Programación de la Mini Pix Investigación de la interfaz Programación de la interfaz Estación de Trasmisión y Recepción Pruebas de vuelo

8. Bibliografía

CDMX Electrónica. (2021, 27 marzo). Cámara Térmica AMG8833 IR 8x8

Raspberry. Recuperado 28 de marzo de 2021, de

https://uelectronics.com/producto/camara-termica-amg8833-ir-8x8-raspberry/

Llamas, L. (2019, 21 octubre). Medir temperatura y humedad con Arduino y

sensor DHT11-DHT22. Recuperado 21-02-22, de

https://www.luisllamas.es/arduino-dht11-dht22/

Lo que hay que saber para elegir un equipo transmisor / receptor de radio para

el dron. (2018, 13 junio). PROMETEC. https://www.prometec.net/elegir-

transmisor-receptor-radio/

Martínez, J., Martínez, J., & Uanl, C. (2013, 3 diciembre). Drones, aeronaves del

futuro – Ciencia UANL. Recuperado 21-02-21, de

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Módulo GPS e Interfaz con Arduino UNO. (2020, 1 mayo). Recuperado 21–02-

22, de https://descubrearduino.com/modulo-gps/

Radiofrecuencia: ¿qué es y cuáles son sus aplicaciones? (2018, 21 marzo). VIU.

https://www.universidadviu.com/int/actualidad/nuestros-

expertos/radiofrecuencia-que-es-y-cuales-son-sus-aplicaciones

RadioLink. (2020, 08 mayo). Mini Pix User Manual. RadioLink.

https://www.radiolink.com/minipix_manual_download

Soberanes, P. (2016). Conociendo A Los Drones: Controladores De Vuelo.

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https://drones.mx/blog/conociendo-los-dronescontroladores-vuelo