Construccion de un vehiculo aereo no tripulado

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






Diego Vallejo Parra







Diego Vallejo Parra


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. : _ _ _ _ _ _ _ _ _


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.

[email protected], [email protected]

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.

[email protected], [email protected]

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

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



















23



















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


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














la subida.




26














la subida.




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














menores inercias.






49














menores inercias.






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


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)


Figura 26.Conexión del motor con el ESC y la batería para un sentido giro anti

horario (CCW)


60


horario (CW)



horario (CCW)


60


horario (CW)



horario (CCW)


61

Figura 27.Conexión del motor con el ESC


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


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


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

63

Figura 30: Señal PWM medida


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


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

64











64











65

Figura32.Conexión del dispositivo receptor del radiocontrol al Arduino


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.

65













65













66

Figura 33.Conexión del módulo Bluetooth al Arduino


4.3.6. Diagrama completo del sistema

Figura 34.Diagrama completo de conexiones

Tabla 9.Resumen de los pines del Arduino

66






66






67

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




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


69

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


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.

69















69















70

Figura 37.Configuración de los valores máximos y mínimos de aceleración en

los ESC


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.

70


los ESC













70


los ESC













71

Figura 38.Parámetros de calibración de los ESC


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

71



PRUEBAS




Con un P I D de XX


71



PRUEBAS




Con un P I D de XX


72


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

73

- 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

-

Construccion de un vehiculo aereo no tripulado

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