DISEÑO Y MONTAJE DE UN ROBOT VOLADOR CUADRICÓPTERO

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TRABAJO FINAL DEL GRADO Grado en Ingeniería Eléctrica DISEÑO Y MONTAJE DE UN ROBOT VOLADOR CUADRICÓPTERO Memoria y Anexos Autor: Rubén Méndez Director: Antoni Grau Saldes Co-Director: Edmundo Guerra Paradas Convocatoria: Septiembre del 2018

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TRABAJO FINAL DEL GRADO

Grado en Ingeniería Eléctrica

DISEÑO Y MONTAJE DE UN ROBOT VOLADOR

CUADRICÓPTERO

Memoria y Anexos

Autor: Rubén Méndez Director: Antoni Grau Saldes Co-Director: Edmundo Guerra Paradas Convocatoria: Septiembre del 2018

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

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Resumen

En el presente proyecto se ha trabajado juntamente con dos personas en el diseño de un dron

cuadricóptero autónomo equipado con varios sensores y que está pensado para cargar una pequeña

herramienta de trabajo. En concreto la parte del dron a la que se ha dedicado este proyecto ha sido a

la alimentación de la aeronave, para ello se ha diseñado un primer prototipo que permite la

conmutación de la descarga de dos baterías de tecnología Polímero de Litio de manera segura,

evitando la fácil volatilidad de estas a causa de la sobrecarga, la sobredescarga y el cortocircuito. Esta

conmutación se lleva a cabo dependiendo de la tensión de cada celda individualmente de cada batería

y básicamente lo que hace es no permitir el vuelo del dron cuando las baterías se encuentran por

debajo de un nivel que se ha considerado óptimo para trabajar de manera segura, o interrumpir la

descarga de una batería cuando desciende estos límites y conmutar para permitir la descarga de la

segunda batería cuando esta si pueda trabajar de manera segura evitando de esta manera la

sobredescarga. Para realizar todo este diseño se han seguido varios pasos y se han utilizado varios

softwares, primero de todo se ha utilizado Proteus un software que permite simular algunos

microcontroladores, entre ellos el ATmega328P que ha sido el que se ha utilizado en este proyecto y

el cual se ha programado mediante el software Arduino IDE, después se ha probado el sistema sobre

una protoboard con tal de conocer la reacción real del sistema y por último se han realizado los

esquemáticos del sistema mediante Eagle y se ha diseñado la PCB.

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Resum

En el present projecte s'ha treballar juntament amb altres dos persones en el disseny d’un dron

quadricòpter autònom equipat amb varis sensors i que esta pensat per carregar una petita eina de

treball, en concret la part del dron a la que s’ha dedicat aquest projecte es a la alimentació de la

aeronau, per fer-ho s’ha dissenyat un primer prototip que permet la commutació de la descàrrega de

dues bateries de tecnologia Polímer de Liti de manera segura, evitant la fàcil volatilitat d'aquestes a

causa de la sobrecàrrega, la sobredescàrrega i el curtcircuit. Aquesta commutació es duu a terme

depenent de la tensió de cada cel·la individualment de cada bateria i bàsicament el que fa és no

permetre el vol del dron quan les bateries es troben per sota d'un nivell que s'ha considerat òptim per

treballar de manera segura, o interrompre la descàrrega d'una bateria quan descendeix aquests límits

i commutar per permetre la descàrrega de la segona bateria quan aquesta si pugui treballar de manera

segura evitant d'aquesta manera la sobredescàrrega. Per realitzar tot aquest disseny s'han seguit

diversos passos i s'han utilitzat diversos software, primer de tot s'ha utilitzat Proteus un software que

permet simular alguns microcontroladors, entre ells el ATmega328P que ha estat el que s'ha utilitzat

en aquest projecte i el qual s'ha programat mitjançant Arduino IDE, després s'ha provat el sistema

sobre una protoboard amb tal de conèixer la reacció real del sistema i finalment s'han realitzat els

esquemàtics del sistema mitjançant Eagle i s'ha dissenyat la PCB.

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Abstract

In this project, I have worked with two other people on the design of an autonomous quadricopter

drone equipped with several sensors and which is designed to load a small work tool. Specifically, the

part of the drone to which this project has been dedicated has been the supply of the aircraft, for which

a first prototype has been designed that allows the switching of the discharge of two batteries of

Lithium Polymer technology safely, avoiding the easy volatility of these due to overload, over

discharging and short circuit. This commutation is carried out depending on the voltage of each cell

individually of each battery and is not allow the drone to fly when the batteries are below a level that

has been considered optimal to work safely, or interrupting the discharge of a battery when it lowers

these limits and switches to allow the discharge of the second battery when it is able to work safely

avoiding overdischarge. In addition, it has been used to add elements in the same system that allow

safe operation of the actuators used by the drone. Several software have been used to carry out this

design, first of all Proteus allows to simulate some microcontrollers, among them the ATmega328P

that has been the one which has been used in this project and which has been programmed using the

Arduino IDE software, then the system has been tested on a breadboard in order to know the real

reaction of the system and finally the schematics of the system have been made using Eagle and the

PCB has been designed

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Agradecimientos

La realización de este proyecto ha sido posible gracias a que la facultad de matemática y estadística de

la UPC (FME) la cual me ha permitido utilizar un laboratorio equipado con muchas de las herramientas

y aparatos que he utilizado a lo largo de estos meses. También he contado con la ayuda de mi tutor

Antoni Grau el cual me ha apoyado y ayudado a encontrar soluciones cuando me he encontrado

atascado y Edmundo Guerra que siempre que me ha hecho falta me ha echado una mano, además

quiero agradecer a Herminio Martínez que se ha mostrado siempre dispuesto a hacerme un espacio

en su agenda cuando le he tenido que consultar algún aspecto técnico. Por otro lado, me gustaría

agradecer de igual manera a los compañeros que se han encargado de realizar otras partes distintas

del mismo dron, Bernhard Fuerfanger y Sergi Moyano.

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Índice

RESUMEN ___________________________________________________________ I

RESUM _____________________________________________________________ II

ABSTRACT __________________________________________________________ III

AGRADECIMIENTOS __________________________________________________ IV

1. INTRODUCCIÓN _________________________________________________ 9

1.2. Contexto del proyecto ............................................................................................. 9

1.3. Motivación ............................................................................................................... 9

1.4. Objetivos del trabajo ............................................................................................. 10

1.5. Alcance del proyecto ............................................................................................. 10

2. TEORÍA DE LOS DRONES _________________________________________ 11

2.1. Que es un dron ...................................................................................................... 11

2.2. Historia de los drones ............................................................................................ 11

2.3. Tipos de drones ...................................................................................................... 13

2.4. Partes de los drones .............................................................................................. 16

2.5. Aplicaciones de los drones .................................................................................... 19

3. BATERÍAS EN LOS DRONES _______________________________________ 21

3.1. Tipos de baterías .................................................................................................... 21

3.2. Propiedades de las baterías Li-Po .......................................................................... 22

3.3. Volatilidad de las baterías Li-Po ............................................................................. 24

4. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL ________________________________ 25

4.1. Introducción ........................................................................................................... 25

4.2. Introducción a la estrategia de control ................................................................. 28

4.2.1. Sobrecarga ............................................................................................................ 28

4.2.2. Sobredescarga ....................................................................................................... 29

4.2.3. Cortocircuitos ........................................................................................................ 35

5. SIMULACIÓN Y DISEÑO __________________________________________ 37

5.1. Simulación mediante software Proteus ................................................................ 37

5.2. Programación mediante Arduino IDE ................................................................... 38

5.3. Simulación mediante protoboard ......................................................................... 44

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5.4. Diseño de las PCBs mediante Eagle ....................................................................... 47

6. ANALISIS DEL IMPACTO AMBIENTAL _______________________________ 50

7. ANALISIS ECONÓMICO ___________________________________________ 52

8. CONCLUSIONES ________________________________________________ 54

BIBLIOGRAFÍA ______________________________________________________ 56

ANEXO A __________________________________________________________ 59

ANEXO B __________________________________________________________ 61

ANEXO C __________________________________________________________ 69

ANEXO D __________________________________________________________ 73

ANEXO E __________________________________________________________ 90

ANEXO F __________________________________________________________ 97

ANEXO G _________________________________________________________ 105

ANEXO H _________________________________________________________ 113

ANEXO I __________________________________________________________ 115

ANEXO J __________________________________________________________ 117

ANEXO K _________________________________________________________ 119

ANEXO L __________________________________________________________ 121

ANEXO M _________________________________________________________ 123

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1. INTRODUCCIÓN

1.2. Contexto del proyecto

El presente proyecto surge cuando al comentarle a mi tutor Antoni Grau la intención de realizar un

proyecto relacionado con el mundo de los drones y de la electrónica él me propone unirme a un

proyecto que está en desarrollo por dos personas del master de Control automático y Robótica de la

UPC. La intención de estas dos personas es la de realizar un dron de cuatro hélices y de unas

dimensiones considerables (1 metro de extremo a extremo diagonalmente) con el propósito de diseñar

un cuadricóptero de trabajo versátil al que se le puedan acoplar diferentes herramientas dependiendo

de la función deseada. En este punto se alcanza un acuerdo en el que entre todos se define que me

encargaré de diseñar un sistema para realizar el control de dos baterías.

1.3. Motivación

Todo empieza a finales de 2017 cuando después de mucho investigar por internet decido comprarme

un Arduino Uno para realizar pequeños proyectos a modo de entretenimiento y al percatarme de que

la electrónica y la programación me gustan más de lo que esperaba decido unirme al equipo de

robótica de la Universidad Politécnica de Barcelona (PUCRA) donde me doy cuenta que quiero seguir

trabajando y aprendiendo más sobre esta disciplina y me propongo realizar un proyecto con las

siguientes características:

Que tuviese gran parte de electrónica para profundizar un poco más en este sector

Programar con un software como es Arduino

Aprender a utilizar un software de simulación que permita la programación de

microcontroladores

Diseñar una PCB con Eagle ya que actualmente es uno de los softwares más utilizados en la

industria

A estas motivaciones se les pueden añadir otras que me surgieron al hablar con mi tutor:

Trabajar en un grupo de trabajo formado por estudiantes que se encuentran en su última

etapa del Master Universitario en Automática y Robótica

Trabajar con baterías, un sector que ha crecido mucho en poco tiempo y del que queda

mucho por desarrollar.

Es por todo esto que aun encontrándome estudiándome el grado de ingeniería eléctrica me decanto

por realizar un proyecto claramente de carácter electrónico.

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1.4. Objetivos del trabajo

El principal objetivo de este trabajo ha sido desde el principio el de trabajar en un dron en el cual ya se

encontraban dos personas trabajando y hacerlo de manera colaborativa para que cada uno hiciese una

parte del mismo, más adelante se define que la parte a la que se dedicará este proyecto es la de crear

una estrategia que permita el seguro y no simultaneo trabajo de dos baterías LiPo mediante la ayuda

de diversos programas de simulación, programación y diseño. Este sistema además de permitir la

conmutación ha de ser capaz de evitar los posibles cortocircuitos, sobredescargas y sobrecargas.

1.5. Alcance del proyecto

En este proyecto se pretende diseñar un primer prototipo del sistema de alimentación que va a

controlar el dron de manera segura a partir de dos baterías de las que ya se dispone y la cuales no

pueden trabajar nunca a la vez.

No es intención de este trabajo limitar la máxima corriente que van a descargar las baterías ya que esta

se limita por software en otra parte del dron y se considera de 90 A, tampoco se va a escoger la batería

ni los componentes externos al control de la batería ya que se dispone de ellos desde el primer

momento, además, con tal de avisar de que la batería se está agotando se enviará un pulso de Alto o

Bajo al controlador de vuelo Pixhack ya que este es capaz de avisar por radiofrecuencia al piloto. De

igual manera no es objetivo de este trabajo probar el circuito de potencia de este sistema ya que no se

dispone de una fuente de corriente continua capaz de proporcionar 90 A, por otro lado, se va a simular

este circuito mediante simulación por computador con el objetivo de obtener una respuesta muy

similar a la que se obtendría.

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2. TEORÍA DE LOS DRONES

2.1. Que es un dron

Según la Real Academia de la lengua Española (RAE), dron proviene del inglés drone que significa

literalmente “zángano” e identifica este concepto como toda aeronave no tripulada, esto es así porque

inicialmente dron se utilizaba únicamente como término para referirse a aeronaves militares similares

a aviones pero hoy en día hay muchos tipos de drones que no se parecen a aviones y que se pueden

también denominar con otros términos como puede ser vehículo aéreo no tripulado o robot volador

(1, 2).

2.2. Historia de los drones

Cuando se habla de drones es imposible no hacer referencia a su uso armamentístico ya que gran parte

de su evolución ha estado constantemente ligada a esta y esto es así desde hace muchos años, en

concreto la primera vez que se tiene constancia de que se utilizó este sistema fue en 1849 cuando el

ejército de Austria por aquel entonces decidió utilizar globos cargados con explosivos para sobrevolar

Venecia

Ilustración 1: Dibujo de los globos utilizados por Austria para atacar Venecia (Fuente:Prof. Jurij Drushnin, Moscow, Russia)

Ya más tarde en 1933 fue diseñada una aeronave por Reino Unido la cual se controlaba por control

remoto desde un barco y que fue utilizada como avión blanco durante una década, su nombre era

Queen Bee.

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Ilustración 2: Aeronave Queen Beer (Fuente baesystems)

La evolución no se detuvo y se siguió investigando en ello debido a la necesidad de crear sistemas para

combatir al enemigo, fue ya en 1940 cuando Estados Unidos creo el primer dron que se produjo en

serie, fue el Radioplane OQ-2 que se utilizó en la formación de pilotos mientras en la Unión Soviética

se desarrolló un dron planeador armado el cual no se produjo en serie.

Cabe destacar que en la segunda guerra mundial esta evolución continua y fueron los alemanes los

que desarrollaron bombas, misiles y aeronaves guiadas por radio que hasta ese momento no se habían

utilizado. Ya después nos hemos de ir al 1994 para encontrar un gran cambio significativo con el dron

Predator el cual fue el primero en utilizar el Sistema de Posicionamiento Global (GPS), este sistema

permitía un control con mayor precisión y mayor alcance.

Ilustración 3: MQ-1 Predator armado con misiles

La evolución no se ha detenido y a día de hoy se han universalizado los drones de tamaño reducido con

objetivos comerciales o de ocio, tanto es así que algunos países ya se han visto obligados a legislar

sobre ellos (3).

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Ilustración 4: dron DJI Phantom equipado con cámara

2.3. Tipos de drones

A la hora de hablar de drones se pueden encontrar varios tipos y dividir de varias maneras, en este

caso se van a distinguir entre dos grandes grupos dependiendo del tipo de ala:

Drones de ala fija: en este caso las alas se encuentras fijadas al resto del dron y no poseen

movimiento propio, estas aeronaves permaneces en el aire gracias a los planos y la

aerodinámica del diseño que permiten crear diferencias de presión entre la parte inferior y

superior. Un ejemplo de este tipo podría ser el PF750001 de Parrot (4).

Ilustración 5: Ejemplo de dron de ala fija, Fuente (Parrot)

Drones de ala rotatoria: en este caso las alas se denominan “palas” y giran alrededor de un eje

consiguiendo de esta manera permanecer en el aire. Dependiendo del número de rotores y

de la configuración de estos se pueden subdividir en varios grupos, estos son los más

conocidos:

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Multicóptero de 3 motores – Tricóptero: dispone de 3 motores los cuales se pueden configurar

separados 120 ° en forma de “Y” o en forma de “T”. En este caso el multicóptero tiene dos

hélices que giran en sentido opuesto entre ellas y un tercer motor que se puede inclinar

mediante un servo para permitir así el movimiento en el eje Z. La poca estabilidad de la que

disponen hacen que no sean muy comunes.

Ilustración 6: tipos de multirrotores, tres motores (Fuente: dronespain)

Multicóptero de 4 motores – Cuadricóptero: este tipo de drones contienen 4 motores

normalmente posicionados 90°entre si cuando su configuración es en forma de “X”, pero

también es posible la configuración en forma de “+” aunque no es tan común. Este tipo de

drones, con tal de mantenerse en suspensión dos motores giran en sentido horario y los otros

dos giran en sentido antihorario lo cual les permite mantener el equilibrio. Los cuadricópteros

son los más comunes y por lo tanto es muy sencillo encontrar los componentes necesarios.

Normalmente son utilizados para carreras, filmación o para cargar pequeños pesos ya que son

muy agiles y fáciles de pilotar.

Ilustración 7: tipos de multirroteres, cuatro motores (Fuente: dronespain)

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Multicóptero de 6 motores – Hexacóptero: en este caso el dron dispone de 6 motores

normalmente separados 60°entre ellos. Esta configuración permite mayores elevaciones y

mayor seguridad ya que son más estables que los cuadricópteros y se pueden llegar a controlar

relativamente fácil si un motor falla, por el contrario, son más caros y suelen ser de mayor

tamaño. Las aplicaciones principales son para filmaciones que requieren mayor estabilidad y

cuando se requiere elevar cargas más pesadas.

Ilustración 8: tipos de multirrotores, seis motores (Fuente: dronespain)

Multicóptero de 8 motores – Octacóptero: estos drones se conforman de 8 rotores donde 4

de ellas giran en sentido horario y las otras 4 en sentido antihorario. Tiene una estabilidad

mucho mayor que los anteriormente nombrados y son capaces de levantar cargas más

pesadas. Como inconveniente son muy caros y consumen más que los anteriores lo que obliga

a incorporar más baterías y de más capacidad. Su uso no es tan extendido y se utilizan

principalmente para fotografía y para profesionales de la topografía (5).

Ilustración 9: tipos de multirrotores, ocho motores (Fuente: dronespain)

Existen muchas otras configuraciones, pero las nombradas anteriormente son las más utilizadas.

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2.4. Partes de los drones

Un dron está formado por diferentes partes dependiendo del tipo y la aplicación para la que está

enfocado, algunas son obligatorias y otras opcionales, a continuación, se muestra una descripción de

las partes más comunes que se pueden encontrar en un dron:

Chasis: es la parte que forma la estructura del dron y sobre la cual se fijan los componentes,

puede ser de distintas formas dependiendo de los rotores que se utiliza y de su configuración.

Lo más importante a la hora de escoger el chasis es su resistencia y el peso, es por eso que los

materiales más utilizados son fibra de carbono o fibra de vidrio, aunque a veces también se

utiliza el plástico debido a su bajo precio.

Ilustración 10: ejemplo de chasis para dron (Fuente:allcomposites)

Motores: son los encargados de convertir la energía eléctrica en mecánica, gracias a ellos las

hélices pueden girar y mantener al dron en el aire. Se pueden encontrar de una gran variedad

dependiendo del tamaño, velocidad o potencia que se desea, además los hay de trifásicos o

bifásicos, entre ellos, los bifásicos de escobillas suelen ser los más económicos mientras que

los trifásicos sin escobillas suelen ser más costosos debido a que no se desgastan tanto, son

más potentes y de mayor precisión.

Ilustración 11: ejemplo de motor para dron (Fuente getFPV)

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Hélices: son las encargadas de elevar la aeronave, igual que los motores las hay que son para

girar en sentido horario o antihorario, las de dos aspas son las más comunes, aunque también

se pueden encontrar de tres aspas, con las cuales se consigue mayor estabilidad a cambio de

consumir más energía. Los materiales más utilizados para su fabricación son la fibra de

carbono, plástico o nílon.

Ilustración 12: ejemplo de helice para dron (Fuente fpvmax)

Placa controladora de vuelo: esta placa es como el cerebro del dron, se encarga de controlar

todos los procesos. Obtiene datos de los sensores y de las acciones que realiza el dron, los

procesa tal y como se le ha indicado anteriormente mediante programación y envía las señales

indicadas a los actuadores como pueden ser los motores. Esta parte es la responsable de

pilotar la aeronave por nosotros ya que aplica acciones que se le pueden indicar al momento

desde un mando de control o emisora o acciones que se le ha indicado anteriormente

mediante programación.

Ilustración 13: ejemplo de placa controladora de vuelo (Fuente madridgadgetstore)

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Placa distribuidora de potencia: es la que se encarga de convertir la tensión de entrada

normalmente proveniente de la batería en una tensión diferente y normalmente inferior ya

que no todos los componentes del dron trabajan al mismo voltaje. Las más comunes disponen

de 4 salidas para los motores, una salida de 5 V y otra de 12 V para los sensores y actuadores.

Ilustración 14: ejemplo placa distribuidora de potencia (Fuente tormodel)

Sensores: son los encargados de recoger datos del medio que les rodea y de la propia aeronave

para más tarde enviarlos a la placa controladora y que esta los pueda procesar. Son muchos

los sensores que se pueden instalar dependiendo de las necesidades, algunos de los más

utilizados son estos:

GPS

Giroscopio

Altímetro

Acelerómetro

Transmisor de video

Emisor y receptor de radiofrecuencia: con estos dos componentes es posible que el emisor

normalmente controlado desde tierra envíe indicaciones al receptor normalmente situado en

el dron. Normalmente como receptor se utiliza un mando radiocontrol y en general para

drones se utiliza rangos de frecuencia de 2,4 Ghz.

Ilustración 15: ejemplo de emisor y receptor de radiofrecuencia (Fuente beststore)

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Batería: es la parte que aporta la energía necesaria a los distintos componentes para que

puedan trabajar. Las hay de varios tipos y tecnología y en la gran mayoría de los casos se

utilizan baterías recargables, las características que más se valoran al escoger una batería es la

autonomía, peso, capacidad, tasa de descarga y tensión a la que trabaja (6).

Ilustración 16: ejemlo de batería para dron (Fuente: MaxAmps)

2.5. Aplicaciones de los drones

A la hora de hablar de las aplicaciones para los drones, hay que tener en cuenta que aún queda mucho por desarrollar y que todo apunta a que en el futuro se amplíen los usos, pero por el momento, los drones ya se encuentran presentes en algunos campos y están facilitando las tareas en muchos sectores.

Fotografía: Uno de los campos en los que más ha crecido el uso de drones es la fotografía, esto se debe a que anteriormente solamente las grandes empresas de filmación se podían permitir grabar desde el aire ya que para ello se necesitaba un helicóptero, pero gracias a los drones, capturar imágenes desde el aire es más sencillo y económico.

Búsqueda y rescate: La combinación de los drones con sensores como por ejemplo cámaras térmicas es una muy buena solución en tareas de localizar personas incluso en la oscuridad, esto facilita el trabajo enormemente a los equipos de rescate, además de permitir incluso hacer llegar suministros a los lugares más complicados.

Agricultura: El dron cada vez tiene más presencia en el sector de la agricultura ya que actualmente es posible analizar los campos de cultivo desde el aire ahorrando así tiempo de trabajo a los agricultores y por ende dinero, además, hoy en día también es posible utilizar estos aparatos para pulverizar fertilizantes, pesticidas y agua.

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Transporte:

Aunque aún no está muy extendida esta aplicación ya ha habido pruebas piloto por parte de empresas como Amazon, y todo apunta a que en un futuro cercano los drones se encargarán de transportar mercancías, especialmente cuando estas tengan carácter de entrega urgente. Otra posibilidad es la del transporte de personas, en este ámbito destaca la ciudad de Dubai la cual ya ha realizado pruebas con un dron de 18 rotores y una autonomía de 30 minutos.

Ingeniería: Muchas empresas de ingeniería están utilizando esta tecnología para supervisar los proyectos y especialmente para realizar tareas de mantenimiento, estos dispositivos les ahorran mucho tiempo en este sentido ya que permiten una visualización de la evolución del proyecto, detectar posibles fallos o detectar cuando es necesario realizar tareas de mantenimiento (7).

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3. BATERÍAS EN LOS DRONES

3.1. Tipos de baterías

Las baterías es una de las partes más importantes de los drones ya que es lo que determina el tiempo

que puede permanecer un dron en el aire. A la hora de hablar de baterías se pueden encontrar diversas

tecnologías dependiendo de los elementos que las componen y cada una de ellas tienen unas

propiedades que las hace distintas. En el caso de los drones se utilizan baterías recargables ya que no

saldría rentable tener que adquirir nuevas cada vez que se agotasen, a continuación, se analizan los

puntos fuertes y las debilidades de las más utilizadas:

Níquel-Cadmio

Voltaje nominal de 1,2 V

Precio bajo

Capaz de soportar grandes descargas sin apenas perdidas de capacidad

Tienda a tener defectos a causa del efecto memoria

El Cadmio es un elemento muy contaminante

Plomo-Acido

Voltaje nominal de 2,2 V

Precio moderadamente elevado

Grandes descargas resultan en considerables pérdidas de capacidad

No sufre de efecto memoria

El plomo es un elemento muy contaminante

Níquel-Metal Hidruro

Voltaje nominal de 1,2 V

Precio bajo

Muy pesada

Litio Ion

Voltaje nominal de 3,6 V

Precio muy elevado

Poco contaminante

Peligro de explosión debido a su volatilidad

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Además de las características nombradas, la densidad de energía es una de las propiedades más

importantes a la hora de escoger un tipo de batería ya que indica la capacidad que tiene una batería

de almacenar carga en relación a su peso, en la siguiente gráfica se muestra una comparación:

Ilustración 17: Relación entre la Densidad de energía volumétrica y la densidad de energía específica (Fuente Epectec)

Como se puede ver, las baterías que almacenan más carga por unidad de volumen son las de Polímero

de Ion (Li-Po) y las de Iones de Litio (Li-Ion). Es por todas estas características que las baterías Li-Po y

Li-Ion son actualmente las más utilizadas para aplicaciones de radio control, especialmente en los casos

donde es muy importante reducir el peso como es el caso del dron.

En este proyecto se trabaja con la tecnología Li-Po que se trata de unas baterías con unas características

muy parecidas a las Li-ion (8, 9).

3.2. Propiedades de las baterías Li-Po

Como ya se ha comentado en el apartado anterior las baterías de tecnología Li-Po son muy parecidas

a las baterías de tecnología Li-ion, a continuación, se pasa a mostrar las características de las baterías

de tecnología Li-Po:

Voltaje:

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El voltaje de trabajo seguro de las celdas normalmente se encuentra entre 3,0 V y 4,2 V aunque estos

valores dependen de cada batería y para no caer en la equivocación lo mejor es consultarlo con el

fabricante. A diferencia de otras tecnologías el voltaje que se permite por celda es por norma mayor al

de otras, por lo que se puede formar una batería con menos celdas que con otros tipos de baterías.

Cabe recalcar, que para indicar el número de celdas en serie que compone la batería se indica con el

número de celdas seguido de la letra “S”, por otro lado, para indicar el número de celdas en paralelo

se indica con el número de celdas seguido de la letra “P”, por ejemplo, una batería con cinco celdas en

serie y seis en paralelo sería una batería 5S6P (8, 9).

Capacidad:

Por capacidad se entiende la cantidad de energía capaz de almacenar una batería, se suele indicar en

miliamperios hora (mAh), por ejemplo, una batería de 1000mAh quiere decir que podría descargar

1000 mA durante una hora o 500 mA durante dos horas, este valor depende de la batería que se esté

utilizando ya que no es constante.

Tasa de descarga

Esta característica se indica con la letra “C” y hace referencia a la rapidez con la que se puede descargar

una batería de forma segura. Por ejemplo, si una batería de 1000 mAh se clasifica como 10C podrá ser

descargada en 6,02 minutos como se explica a continuación:

1000 𝑚𝐴ℎ

60 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠= 16,6 𝑚𝐴 𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜

Multiplicado por la tasa de descarga

16,6𝑚𝐴

𝑚𝑖𝑛· 10 = 166𝑚𝐴 𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜

Dividido entre la capacidad total de la batería

1000 𝑚𝐴

166 𝑚𝐴= 6,02 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠

Volatilidad

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Memoria

24

El mayor problema que tienen estas baterías es la fácil volatilidad por lo que para trabajar con ellas

antes hay que asegurarse que no llegan a ser peligrosas en ningún caso.

3.3. Volatilidad de las baterías Li-Po

Las baterías Li-Po son muy inestables tal y como se ha comentado anteriormente, es por ello que hay

que tener especial cuidado a la hora de trabajar con ellas con los cortocircuitos, sobrecargas y

sobredescargas.

En este proyecto se ha querido diseñar una estrategia para evitar estos problemas, aunque se quiere

dejar claro que no es la única solución a este problema y que existen otras soluciones. Esta estrategia

consiste básicamente en evitar los cortocircuitos dejando la suficiente distancia entre circuitos y

componentes para que así en caso de defecto no se puedan llegar a cortocircuitar, evitar las

sobrecargas mediante cargadores inteligentes los cuales controlan en cada momento el voltaje al que

se carga cada celda de una batería y evitar las sobredescargas realizando un control adecuado que

mida en cada momento la tensión de cada celda de cada batería para así evitar que desciendan por

debajo del umbral recomendado.

Page 27: DISEÑO Y MONTAJE DE UN ROBOT VOLADOR CUADRICÓPTERO

Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

25

4. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL

4.1. Introducción

El dron para el cual se ha diseñado el sistema, es un cuadricóptero grande, que mide aproximadamente

70 centímetros de diagonal entre motor y motor y que está pensado para ser una aeronave de trabajo

versátil a la que se le puedan añadir distintos tipos de herramientas dependiendo de la aplicación que

se le quiera dar, estas herramientas no van a ser muy pesadas y en ningún caso van a superar los 5 kg.

Ilustración 18: Imagen del dron sobre el que se ha trabajado

Como se puede ver en la imagen, se trata de un multirrotor compuesto por cuatro motores Brushless

y cuatro hélices en forma de “X”, aparte de otros componentes de los que se ha dispuesto desde un

primer momento y que se han tenido que incluir en el sistema y se han tenido que tener muy presentes

sus características para trabajar de forma correcta con ellos, a continuación, se van a nombrar los

componentes que se han tenido que incluir:

Batería

Desde el principio se ha dispuesto de dos baterías modelo Desire power V8 series con un voltaje

nominal de 22,2 V, compuesta por 6 celdas LiPo en serie (6S), una capacidad de 8000 mAh y tasa de

descarga de 20C. Aunque el fabricante no especifica ningún voltaje después de buscar por internet y

realizar varias pruebas se determina que la batería puede trabajar de forma segura entre 3,0 y 4,2 V

por celda.

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Memoria

26

Ilustración 19: Batería Desire Power V8 series (Fuente rc-innovations)

Como se puede ver en la imagen la batería incluye dos conectores los cuales están conectados

internamente tal y como se puede en el Anexo A.

Placa distribuidora de potencia:

Ni todos los componentes del dron se alimentan a la misma tensión ni se pueden alimentar

directamente de la batería por lo que es muy importante utilizar una placa de distribución que sea

capaz de reducir la tensión de entrada a unos niveles aptos para nuestros elementos del dron. La Placa

de la cual se dispone, tiene una entrada y varias salidas:

- Una entrada de potencia que soporta perfectamente más de 55 A y que es compatible con

baterías 3S-6S, por lo que se va a conectar nuestra batería.

- Seis salidas para motores que van a ser más que suficientes ya que el dron solo necesita cuatro

- Una salida de 5 V que se utiliza para alimentar la placa Arduino, el Gimbal y el microprocesador

Odroid

- Una salida de 12 V que en este caso no se utiliza

- Una salida compatible para alimentar el controlador de vuelo PX4 y que además permite la

lectura de la intensidad de entrada.

A parte se ha de tener en cuenta que dicha placa soporta corrientes de hasta 90 A por lo que no se

podrá superar en ningún caso este amperaje.

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

27

Ilustración 20: placa distribuidora de potencia

Controladora de vuelo:

Como controladora de vuelo se dispone de una placa Pixhack 2.8.2 la cual es de código abierto y facilita

mucho el trabajo ya que dispone de varios sensores: acelerómetro de 3 ejes, giroscopio de 3 ejes,

barómetro y brújula. Dicha controladora de vuelo se alimenta a 5 V y se va a encargar de informar

mediante radiofrecuencia sobre el estado de las baterías cuando desciendan de un nivel de voltaje

seguro. Ver manual en el Anexo B.

Ilustración 21: Controladora de vuelo pixhack 2.8.4

Microprocesador:

Con tal de realizar los cálculos de manera ágil se utiliza la placa ODROID-XU4 de código abierto que se

puede ejecutar con Linux, Ubuntu 16.04 y varias versiones de Android. Esta placa permite

transferencias de datos muy rápidas y una capacidad de procesamiento avanzado.

Page 30: DISEÑO Y MONTAJE DE UN ROBOT VOLADOR CUADRICÓPTERO

Memoria

28

Ilustración 22: ODROID-XU4 (Fuente HARDKERNEL)

Gimbal:

Además de todos estos componentes, se dispone de un gimbal que es un soporte rotatorio de tres ejes

y que se utiliza para instalar una cámara y el cual se alimenta a 5V.

Arduino:

Para realizar el control de baterías se va a utilizar una placa Arduino tal y como se explica más adelante.

Dicha placa se alimenta también a 5 V.

4.2. Introducción a la estrategia de control

Como se ha comentado anteriormente, para trabajar con baterías LiPo se deben asegurar medios que

eviten la facilidad que tiene esta tecnología para volatilizarse, para ello se han de tener en cuenta varios

aspectos: la sobrecarga, la sobredescarga y los cortocircuitos. Es muy importante prevenir estos

estados ya que si esto llegase a ocurrir se podrían llegar a dañar no solo las baterías si no también otras

partes del dron, o el medio que lo envuelve incluidas las personas que se encontrasen alrededor, en

este proyecto se ha pretendido buscar una estrategia que permita solventar estos tres problemas.

4.2.1. Sobrecarga

Se han dado varias ocasiones en que los usuarios cargan las baterías más de lo recomendado ya sea

por desconocimiento, por despiste o por no utilizar un cargador apropiado, es muy importante evitar

la sobrecarga de las baterías en nuestro sistema, ya que si se superan los 4,2 V máximos por celda esta

puede llegar a incendiarse causando daños irreparables. Por otro lado, si las celdas no se cargan

equilibradamente habrá celdas que dispongan de mayor voltaje y otras que dispongan de un menor

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

29

voltaje, lo que va a afectar a la hora de descargarse reduciendo su tiempo de funcionamiento. Para

evitar este problema se va a utilizar un cargador inteligente.

Es importante buscar un cargador que permita cargar las celdas por separado al voltaje que se le

indique y que permita el equilibrio entre ellas, en este caso se ha utilizado el modelo MAX Loong E6

que permite perfectamente balancear las celdas y cargar batería de hasta 6S.

Finalmente, Se ha decidido cargar las celdas a un máximo de 4,1 V para tener un factor de protección

y porque algunos de los componentes que se van a utilizar en el sistema no soportan más de 25 V.

Ilustración 23: cargador MAX Loong E6

4.2.2. Sobredescarga

Otra de las cosas que hay que tener en cuenta a la hora de trabajar con baterías Li-Po es la

sobredescarga, al igual que en el caso de la sobrecarga si la batería se descarga por debajo de una cierta

tensión, en este caso 3 V, la batería puede quedar inservible o incluso llegar a incendiarse con los daños

que eso repercutiría, por lo que se necesita diseñar un sistema que permita conocer continuamente el

voltaje de cada celda de cada batería para poder interrumpir la descarga de la batería que se encuentre

trabajando cuando una de las celdas de esta vaya a cruzar este umbral, evitando así posibles

problemas. Como se ha indicado anteriormente para subministrar la energía necesaria al dron se

utilizan dos baterías las cuales en ningún momento trabajan de forma simultánea, si no que

primeramente trabaja una de ellas y cuando una de las celdas de esta batería no se encuentre en

condiciones de seguir descargando se va a conmutar dando paso a la descarga de la segunda batería,

teniendo esto en cuenta, se llega a la conclusión de que el sistema ha de ser capaz de realizar los

siguientes procesos:

Testear el voltaje inicial de las dos baterías con el dron detenido para saber si es seguro

iniciar el vuelo.

Testear continuamente el voltaje de cada celda de la batería que se encuentra

descargando

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Memoria

30

Cuando esta batería este cerca de cruzar el umbral crítico ha de realizarse una

conmutación que corte la descarga de dicha batería y pase a descargar la otra batería.

Cuando esté trabajando la segunda batería se ha de testear el voltaje de esta tal y como

se ha hecho con la primera.

Cuando esta segunda batería se encuentre cerca de cruzar el umbral crítico, se le ha de

enviar una señal a la controladora de vuelo para que esta indique a su vez mediante

radiofrecuencia que el dron ha de aterrizar.

Para llevar a cabo esta estrategia se ha propuesto como posible solución utilizar un sistema compuesto

por los componentes que a continuación se detallan.

4.2.2.1. Arduino

Arduino es básicamente una plataforma de código abierto basada en hardware y software flexible y

fácil de utilizar que incluye un microcontrolador y varias entradas y salidas entre otras cosas. El

microcontrolador es imprescindible ya que es un circuito integrado que permite ser programado y que

es capaz de ejecutar ordenes gracias entre otras a la memoria, a la unidad central de procesamiento y

a las entradas y salidas.

Después de mucho pensar, se ha decidido utilizar una placa Arduino NANO, en concreto la versión con

microcontrolador ATmega328P ya que el espacio del que se dispone es pequeño y las dimensiones de

esta placa son de solamente de 4,5 X 1,8 cm, a continuación, se detallan algunas de las características

de la plataforma Arduino:

Económico: estas placas son baratas en comparación con otras plataformas.

Multiplataforma: el software Arduino se puede ejecutar tanto en Windows, Macintosh OS X

o Linux. La mayoría de sistemas microcontroladores están limitados a Windows.

Entorno de programación: este software es ideal para personas que no disponen de gran

conocimiento de programación, pero es lo suficientemente flexible para que los puedan

utilizar usuarios avanzados

Software de código abierto:

Por lo que al modelo Arduino NANO se refiere, cabe destacar que dispone de 14 entradas/salidas

digitales y de 8 entradas analógicas, además de una memoria flash de 32KB y 2KB de SRAM, la

frecuencia del clock es de 16MHz y el voltaje de operación es de 5V, respecto a la máxima corriente DC

para los pines de entrada y salida es de 40mA.

Page 33: DISEÑO Y MONTAJE DE UN ROBOT VOLADOR CUADRICÓPTERO

Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

31

Ilustración 24: Arduino NANO (Fuente: arduino store)

Por lo que se va a utilizar este componente para indicarle las ordenes que se quiere que el sistema siga,

ver manual de forma detallada en el Annexo C.

4.2.2.2. Multiplexor

A la hora de medir la tensión de cada celda de cada batería surge un problema ya que Arduino NANO

solamente dispone de 8 entradas analógicas. Como se ha visto anteriormente el sistema de

alimentación del dron se compone de 2 baterías de 6 celdas cada una, por lo que para leer la carga de

cada una individualmente se necesitan un total de 6 pines analógicos por batería, lo que hacen un total

de 12 pines. Como solución a este problema se propone trabajar con multiplexores, los cuales permiten

seleccionar un canal entre varios y dirigirlo a la salida, para ello se selecciona que entrada se desea leer

mediante unos pines digitales (10).

Ilustración 25: Esquema básico del funcionamiento de un multiplexor (Fuente: Jordi Cosp)

Se han estudiado varias posibilidades:

Utilizar seis multiplexores de dos entradas

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Memoria

32

Utilizar dos multiplexores de ocho entradas

Utilizar un multiplexor de dieciséis entradas

Finalmente se ha decidido descartar la primera opción por la cantidad de multiplexores que hacían

falta y se ha decidido descartar la última opción ya que la tensión que tendría que soportar el

multiplexor de dieciséis entradas era de más de 50 V y el precio de estos componentes era elevado,

por lo que se ha dedidido utilizar dos multiplexores de ocho canales cada uno.

El multiplexor que se ha escogido tenía que soportar tensiones de hasta 25,2 V ya que es la máxima

tensión a la que se va a cargar cada una de las baterías:

bateríamáxceldamáx VceldasNV __ º (Eq. 4.1)

VV 2,2562,4 (Eq. 4.2)

en este caso se ha elegido el modelo DG408DJ del fabricante Vishay, como se puede ver en el Anexo D

se puede alimentar con un voltaje de entre +5V y 36 V y su configuración es 8:1 por lo que es

perfectamente válido para el sistema.

Ilustración 26: Multiplexor DG408DJ

4.2.2.3. Divisor de tensión

A la hora de trabajar con Aruino NANO otro problema que surge es que los pines analógicos solamente

son capaces de leer una tensión máxima de 5 V por lo que si se pretende leer la tensión de las celdas

de cada batería se ha de buscar un método para reducir la escala de esta tensión. En este momento la

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

33

solución que se plantea es la de utilizar un divisor de tensión para cada multiplexor ya que permite

reducir la tensión por un factor de escala conocido (11).

Como divisor de tensión se conoce a una configuración compuesta por resistencias que permite

distribuir la tensión entre ellas, ver imagen.

Ilustración 27: esquema del funcionamiento de un divisor de tensión

Tal y como se puede ver en la imagen a la entrada del divisor de tensión se van a tener diferentes

valores dependiendo del nivel de tensión de la celda que se encuentre midiendo el multiplexor en ese

momento y a la salida se va a conectar el PIN analógico Arduino que se utiliza para la lectura.

Siguiendo el esquema y aplicando la ley de Ohm se llega fácilmente a la siguiente conclusión:

entradasalida VRR

RV

21

2 (Eq. 4.3)

Sabiendo que como mucho el PIN analógico puede leer voltajes de 5 V y que la tensión máxima de

entrada va a ser cuando las celdas estén cargadas al máximo (25,2 V) se llega a la siguiente conclusión:

196,021

2 in

out

V

V

RR

R

(Eq. 4.4)

Por lo que la configuración de las resistencias ha de tener un valor igual o menor que 0,196. En este

caso se ha utilizado una combinación de dos resistencias de valor R1=665 Ω y R2=162 Ω con una

tolerancia del 1 %.

4.2.2.4. MOSFET y transistor

Una vez diseñada la parte del circuito que se va a encargar de medir la tensión de las celdas, se ha de

diseñar la conmutación que va a interrumpir o dar paso a la descarga de las baterías. Cuando la tensión

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Memoria

34

de una de las celdas de la batería que se encuentra descargando en ese momento desciende por

debajo de la tensión umbral se ha de interrumpir la descarga de esta y habilitar la descarga de la otra

batería. Para realizar dicha conmutación se necesita un dispositivo capaz de trabajar con valores de

corriente de hasta 90 A y que sea de gran rapidez, para ello se va a utilizar un MOSFET de canal P como

interruptor a la salida de cada batería.

Para realizar la conmutación se propone realizar el siguiente circuito el cual permite controlar el estado

de conducción dependiendo de la señal que se aplica en la puerta del MOSFET.

Ilustración 28: Estado de conducción del MOSFET

Como se puede ver en el esquema si ponemos el PIN digital del Arduino en LOW, el dispositivo se

encontrará en corte y no conducirá corriente, por otro lado, si conseguimos que el voltaje de la puerta

sea máximo podemos conseguir que el MOSFET se encuentre en la zona de saturación y que por lo

tanto la conducción sea máxima (12).

Dichos MOSFETs han de soportar una corriente de 90 A ya que como se ha explicado anteriormente

será la máxima corriente que descargaran las baterías y la conmutación se ha de poder hacer con un

PIN digital de 5 V ya que es la tensión máxima que alcanza el PIN digital del Arduino. Para ello se ha

utilizado el MOSFET modelo FDMS6681Z del fabricante ON Semiconductor, estos MOSFET soportan

una corriente de hasta 116 A como se muestra en la hoja de datos del Anexo E y el transistor BC849C

(ver Anexo F).

Además, hay que tener en cuenta que a la hora de detener una carga inductiva como los motores se

puede crear una corriente que dañe el MOSFET por lo que hay que instalar un diodo en paralelo con la

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

35

carga que permite disipar las corrientes inducidas por el campa magnético de la carga inductiva, es lo

que se denomina un diodo flyback (12).

4.2.2.5. Inversor

Cuando se realiza la conmutación entre una batería y otra hay que tener especial cuidado en que en

ningún momento se encuentren las dos descargando a la vez ya que esto produciría una

sobreintensidad y podría llegar a ocasionar daños. Para evitar este problema se utiliza un inversor.

El inversor es un circuito integrado compuesto por varias compuertas NOT y dos pines de alimentación.

La función de este dispositivo es mostrar un nivel HIGH en la salida cuando la entrada ve un nivel LOW

y mostrar un nivel LOW cuando la entrada ve un nivel HIGH.

Por lo tanto, para evitar la activación de las dos baterías a la vez, se utiliza un inversor que no permite

que las dos baterías descarguen a la vez en ningún momento ya que conmuta en la desconexión, es

decir hay un momento en que ninguna batería se encuentra descargando.

Para este circuito se ha utilizado el modelo SN74HC04NE4 de Texas Instruments, ver la hoja de datos

en el Anexo G.

Ilustración 29: Inversor SN74HC04NE4 de Texas Instruments

4.2.3. Cortocircuitos

Los cortocircuitos son también un gran problema ya que de igual manera pueden crear un defecto en

la batería y hacer que se produzco un accidente. A la hora de tener en cuenta los cortocircuitos se

puede hacer de dos maneras: o incluyendo componentes electrónicos de protección que corten la

corriente cuando esto ocurra tal como fusibles o dejar un espacio suficiente entre componentes para

que en caso de defecto estos no se lleguen a cortocircuitar. Se ha decidido excluir la opción de utilizar

componentes que corten el flujo de corriente ya que si así lo hiciesen el dron caería en picado y se

podrían destruir los componentes.

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Memoria

36

Por lo tanto, a la hora de diseñar la PCB se ha pretendido dejar espacio entre las pistas, especialmente

entre las que transportan mayor corriente. Por otro lado, se ha confiado en que los componentes

comerciales que se han adquirido cumplen con la declaración de conformidad del fabricante y se puede

confiar en que cumplen las distancias necesarias.

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

37

5. SIMULACIÓN Y DISEÑO

5.1. Simulación mediante software Proteus

Una vez escogidos los componentes se ha procedido a estudiar la respuesta tanto de ellos

individualmente como en conjunto, para ello primero de todo se ha preferido utilizar un software de

simulación como es el caso de Proteus que se permite la simulación de circuitos y diseño de PCBs

además de que permite simular también varios modelos de microcontroladores. Para este proyecto se

ha utilizado dicho software para simular el circuito ya que permite poder simular la respuesta de la

placa Arduino NANO y comprobar la correcta programación, y aunque en algunos casos no se ha

podido encontrar el modelo exacto de los componentes que se han utilizado posteriormente, se han

utilizados modelos muy similares con los que se obtienen una repuesta muy parecida y que permiten

hacerse una idea de cómo trabajará el sistema una vez diseñado, es el caso por ejemplo del sistema de

conmutación el cual se ha simulado mediante Proteus con un MOSFET y un transistor diferente al que

se ha diseñado la PCB ya que el software no disponía de estos componentes.

En el Anexo H se puede ver el esquema que se ha realizado mediante Proteus y que se ha utilizado

para simular la respuesta del sistema. Como se puede observar finalmente se ha optado por poner

resistencias a la entrada de los multiplexores ya que después de muchas pruebas se ha observado que

la corriente que las celdas aportaban al multiplexor era demasiado elevada, además, se puede ver que

con tal de obtener una aproximación similar a lo que se tendrá posteriormente se ha sustituido la PCB

distribuidora de potencia por un motor y una resistencia en paralelo que simulan la carga inductiva y

resistiva de las salidas de dicha PCB.

Respecto a la conmutación y a la lectura del voltaje mediante Arduino en el Anexo I se puede ver que

la respuesta de la conmutación. Se ha utilizado un interruptor que se ha instalado en el conductor de

una de las celdas y se ha utilizado para simular que una de las celdas descendía del voltaje permitido

(al abrir el interruptor el valor que lee el Arduino sobre la celda es de 0V y por lo tanto detecta que el

voltaje de una de las celdas es menor al valor permitido y pone el pin D5 en low permitiendo que

trabaje la otra batería, esto se puede identificar fácilmente por los cuadraditos que hay al lado, ya que

en rojo significa que está activo y en azul inactivo) para conseguir por pantalla el valor que lee el

Arduino se ha instalado un terminal virtual, como se puede ver el valor de la tensión leído es correcto

excepto cuando se abre el interruptor que hay un valor que se dispara a -21,03 V esto es debido a que

el multiplexor tiene un conductor al aire y eso genera interferencias, en el diseño real esto no pasaría

ya que esta celda jamás estaría al aire si no que solamente descendería el voltaje.

Page 40: DISEÑO Y MONTAJE DE UN ROBOT VOLADOR CUADRICÓPTERO

Memoria

38

5.2. Programación mediante Arduino IDE

Para indicar al sistema las ordenes que ha de ejecutar se ha programado el microcontrolador

ATmega328P de la placa Arduino NANO mediante el software de código abierto Arduino IDE 1.8.6 el

cual permite programar el código de manera abierta y subirlo al Arduino Nano.

Arduino utiliza un lenguaje de programación propio basado en el lenguaje de alto nivel Processing el

cual es similar a C++ y al estar basado en C soporta las funciones del estándar C y algunas del lenguaje

C++ (13).

A la hora de realizar el programa se ha realizado primeramente un diagrama de bloques que ayuda a

entender el funcionamiento, se puede ver en el Anexo J.

Como se puede ver en el diagrama como voltaje umbral se han considerado 3,2 V para dejar un margen

de error y para activar la alarma se ha considerado que la batería 1 ha sobrepasado el umbral de 3,2 V

y la batería 2 ha llegado al umbral de 3,3 V para así dejar tiempo suficiente para aterrizar de forma

segura.

El programa quedaría tal que así:

int pinA = 4; //PIN DIGITAL SELECTOR MULTIPLEXOR DEL CANAL A

int pinB = 3; //PIN DIGITAL SELECTOR MULTIPLEXOR DEL CANAL B

int pinC = 2; //PIN DIGITAL SELECTOR MULTIPLEXOR DEL CANAL C

int celda1 [6]; //MATRIZ VOLTAJES ACUMULADO CELDAS YA QUE SE

ENCUENTRAN EN SERIE Y PARA SABER EL VOLTAJE REAL HAY QUE RESTARLE

HACER CELDA[i]-CELDA[i-1]

int celda2 [6]; //MATRIZ VOLTAJES ACUMULADO CELDAS YA QUE SE

ENCUENTRAN EN SERIE Y PARA SABER EL VOLTAJE REAL HAY QUE RESTARLE

HACER CELDA[i]-CELDA[i-1]

Primero de todo se declaran las variables, en este caso los pines pinA, pinB y pinC son los pines digitales

del Arduino los cuales sirven para seleccionar el canal que se quiere leer en la salida del multiplexor, y

por otro lado se tiene la celda1 y celda2 que son dos matrices de 6 componentes en las cuales se

almacenan los valores de tensión de cada celda de cada batería.

float resta10 = 0; //VOLTAJE CELDA 0 DE LA BATERÍA 1

float resta11 = 0; //VOLTAJE CELDA 1 DE LA BATERÍA 1

float resta12 = 0; //VOLTAJE CELDA 2 DE LA BATERÍA 1

float resta13 = 0; //VOLTAJE CELDA 3 DE LA BATERÍA 1

float resta14 = 0; //VOLTAJE CELDA 4 DE LA BATERÍA 1

float resta15 = 0; //VOLTAJE CELDA 5 DE LA BATERÍA 1

float resta20 = 0; //VOLTAJE CELDA 0 DE LA BATERÍA 2

float resta21 = 0; //VOLTAJE CELDA 1 DE LA BATERÍA 2

float resta22 = 0; //VOLTAJE CELDA 2 DE LA BATERÍA 2

float resta23 = 0; //VOLTAJE CELDA 3 DE LA BATERÍA 2

float resta24 = 0; //VOLTAJE CELDA 4 DE LA BATERÍA 2

float resta25 = 0; //VOLTAJE CELDA 5 DE LA BATERÍA 2

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

39

Después se declaran 12 variables float que indicarán el voltaje que hay en cada celda, las seis primeras

se utilizan para la batería 1 y las otras seis para la batería 2.

int mosfet = 5; //PIN DIGITAL CONTROL MOSFETS

int inversor = 6; //PIN CONTROL INVERSOR

int alarma = 7; //PIN ALARMA NIVEL DE BATERIA

int pin_1 = 0; //PIN ANALOGICO LECTOR VOLTAJE CELDAS DEL

MULTIPLEXOR 1

int pin_2 = 0; //PIN ANALOGICO LECTOR VOLTAJE CELDAS DEL

MULTIPLEXOR 2

Y se declaran los pines del MOSFET, del inversor y de la alarma, los cuales son pines digitales que

corresponden al pin número 5, 6 y 7 respectivamente del Arduino, por otro lado, el pin_1 y pin_2 se

van a utilizar para leer el valor de salida de los multiplexores y por lo tanto son analógicos.

int Pasos [6] [3] = //MATRIZ PINES SELECTORES DEL MULTIPLEXOR

0, 0, 0, //SELECTOR CELDA 0

0, 0, 1, //SELECTOR CELDA 1

0, 1, 0, //SELECTOR CELDA 2

0, 1, 1, //SELECTOR CELDA 3

1, 0, 0, //SELECTOR CELDA 4

1, 0, 1, //SELECTOR CELDA 5

;

La matriz pasos se corresponde a los niveles lógicos de las tres salidas del Arduino (pinA, pinB y pinC)

que se utilizarán para seleccionar que entrada se quiere enviar a la salida del multiplexor, tal y como

se puede ver en la imagen de la tabla de la verdad extraída del datasheet del multiplexor.

Page 42: DISEÑO Y MONTAJE DE UN ROBOT VOLADOR CUADRICÓPTERO

Memoria

40

A continuación, se declaran las variables como entradas o salidas

void setup ()

Serial.begin(9600);

pinMode(pinA, OUTPUT); //PIN SELECTOR COMO SALIDA

pinMode(pinB, OUTPUT); //PIN SELECTOR COMO SALIDA

pinMode(pinC, OUTPUT); //PIN SELECTOR COMO SALIDA

pinMode(pin_1, INPUT); //PIN LECTOR MULTIPLEXOR 1

pinMode(pin_2, INPUT); //PIN LECTOR MULTIPLEXOR 2

pinMode(mosfet, OUTPUT); //PIN MOSFET COMO SALIDA

pinMode(inversor, OUTPUT); //PIN INVERSOR COMO SALIDA

digitalWrite(mosfet, LOW); //PRIMEO SE PONE EL MOSFET EN LOW

digitalWrite(inversor, LOW); //INICIALMENTE SE PONE EN LOW EL

INVERSON PARA QUE NINGUNA BATERIA DESCARGUE

digitalWrite (alarma, LOW); //INICIALMENTE LA ALARMA SE APAGA YA

QUE NO SE TIENE CONSTANCIA DE QUE EL VOLTAJE DE LAS CELDAS SEA

PELIGROSO

Y a continuación se prepara el programa

void loop ()

int resta;

for (int count = 0; count < 6; count++) //SE PONEN LOS PINES

r0, r1 Y r2 EN HIGH O LOW SEGUN LA MATRIZ PASOS, CON COUNT SE

SELECCIONA LA FILA Y CON [0], [1] Y [2] LA COLUMNA

digitalWrite(pinA, Pasos [count] [0]);

digitalWrite(pinB, Pasos [count] [1]);

digitalWrite(pinC, Pasos [count] [2]);

pin_1 = analogRead (A7); //LECTURA DEL PIN ANALOGICO UNA VEZ

PUESTOS LOS PINES SELECTORES DEL MULTIPLEXOR 1 EN HIGH O LOW

pin_2 = analogRead (A6); //LECTURA DEL PIN ANALOGICO UNA VEZ

PUESTOS LOS PINES SELECTORES DEL MULTIPLEXOR 2 EN HIGH O LOW

celda1[count] = pin_1; //SE ALMACENAN LOS VALORES DE LOS

VOLTAJES DE LA BATERIA 1 EN LA MATRIZ CELDA

celda2[count] = pin_2; //SE ALMACENAN LOS VALORES DE LOS

VOLTAJES DE LA BATERIA 1 EN LA MATRIZ CELDA

conversion(resta); //SE LLAMA A LA FUNCION CONVERSION PARA

PASAR DE INT A FLOAT

delay(500); //DELAY DE MEDIO SEGUNDO

Page 43: DISEÑO Y MONTAJE DE UN ROBOT VOLADOR CUADRICÓPTERO

Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

41

Se utiliza un “for” que permite recorrer toda la matriz pasos y poner los pines pinA, pinB y pinC en un

nivel lógico positivo o negativo para realizar las combinaciones que permiten llevar a la salida el valor

de la entrada deseada del multiplexor y seguidamente se lee el valor de la salida de los multiplexores

en cada iteración mediante los pines analógicos pin_1 y pin_2 los cuales se almacenan en las matrices

celda1 y celda2.

resta10 = conversion(5.105f*celda1[0]); //VOLTAJE DE LA CELDA 0 DE

LA BATERÍA 1

resta11 = conversion(5.105f*celda1[1]-5.105f*celda1[0]); //VOLTAJE

DE LA CELDA 1 DE LA BATERÍA 1

resta12 = conversion(5.105f*celda1[2]-5.105f*celda1[1]); //VOLTAJE

DE LA CELDA 2 DE LA BATERÍA 1

resta13 = conversion(5.105f*celda1[3]-5.105f*celda1[2]); //VOLTAJE

DE LA CELDA 3 DE LA BATERÍA 1

resta14 = conversion(5.105f*celda1[4]-5.105f*celda1[3]); //VOLTAJE

DE LA CELDA 4 DE LA BATERÍA 1

resta15 = conversion(5.105f*celda1[5]-5.105f*celda1[4]); //VOLTAJE

DE LA CELDA 5 DE LA BATERÍA 1

resta20 = conversion(5.105f*celda2[0]); //VOLTAJE DE LA CELDA 0 DE

LA BATERÍA 2

resta21 = conversion(5.105f*celda2[1]-5.105f*celda2[0]); //VOLTAJE

DE LA CELDA 1 DE LA BATERÍA 2

resta22 = conversion(5.105f*celda2[2]-5.105f*celda2[1]); //VOLTAJE

DE LA CELDA 2 DE LA BATERÍA 2

resta23 = conversion(5.105f*celda2[3]-5.105f*celda2[2]); //VOLTAJE

DE LA CELDA 3 DE LA BATERÍA 2

resta24 = conversion(5.105f*celda2[4]-5.105f*celda2[3]); //VOLTAJE

DE LA CELDA 4 DE LA BATERÍA 2

resta25 = conversion(5.105f*celda2[5]-5.105f*celda2[4]); //VOLTAJE

DE LA CELDA 5 DE LA BATERÍA 2

//SE MULTIPLICAN POR 5.105 POR EL FACTOR CORRECTOR QUE SE HA DE

APLICAR AL TENER UN DIVISOR DE TENSION

Como se puede apreciar en el Anexo 1, el voltaje que se lee en cada pin del multiplexor no es el voltaje

individual de cada celda, sino que es el valor de la suma de las celdas que se encuentran aguas abajo,

por lo que para obtener el valor exacto se ha de restar el valor obtenido anteriormente:

1 iceldaiceldaicelda (Eq. 5.1)

Y además como se ha aplicado un divisor de tensión de valores conocidos, estas variables se han de

multiplicar por esta relación de trasformación para obtener el valor exacto.

Page 44: DISEÑO Y MONTAJE DE UN ROBOT VOLADOR CUADRICÓPTERO

Memoria

42

outeq

eq

outin VR

R

VV 1

(Eq. 5.2)

105,5665162

16211

21

21

RR

RReq

(Eq. 5.3)

outin VV 105,5 (Eq. 5.4)

if (resta10 > 3.2 && resta11 > 3.2 && resta12 > 3.2 && resta13 > 3.

2 && resta14 > 3.2 && resta15 > 3.2 && resta20 > 3.2 && resta21 >

3.2 && resta22 > 3.2 && resta23 > 3.2 && resta24 > 3.2 && resta25 >

3.2 )

digitalWrite (inversor, HIGH); //SI LAS DOS BATERIAS SE ENCUENTRAN

POR ENCIMA DE 3,3V SE PUEDE INICIAR EL VUELO Y EL INVERSOR SE

ACTIVA

digitalWrite (mosfet, HIGH); //DESPUES SE ACTIVA EL MOSFET, SE HACE

EN ESTE ORDEN PK EL INVERSOR CONMUDA A LA DESCONEXIÓN Y ASI NO SE

PUEDEN ACTIVAR LAS DOS BATERIA AL VEZ NUNCA

Si tanto la batería 1 como la batería 2 se encuentran por encima de los 3,2 V, es seguro iniciar el vuelo

por lo que tanto el inversor como el MOSFET se ponen en niveles lógicos altos para que la batería 1

empiece a descargar.

else if ((resta10 <= 3.2 | resta11 <= 3.2 | resta12 <= 3.2 | resta1

3 <= 3.2 | resta14 <= 3.2 | resta15 <= 3.2) && (resta20 > 3.2 && re

sta21 > 3.2 && resta22 > 3.2 && resta23 > 3.2 && resta24 > 3.2 && r

esta25 > 3.2 ))

digitalWrite (inversor, HIGH); //SI LA TENSION DE LA BATERIA 1 CAE

POR DEBAJO DE 3,3 V SE PUEDE INICIAR EL VUELO YA QUE AUN SE DISPONE

DE LA CARGA DE UNA BATERIA

digitalWrite (mosfet, LOW); // SE DESACTIVA LA DESCARGA DE LA

BATERIA 1 Y AUTOMATICAMENTE SE ACTIVA AL DESCARGA DE LA BATERIA 2

Si alguna celda de la batería 1 desciende por debajo de los 3,2 V y la batería 2 se encuentra en

condiciones seguras para trabajar, el MOSFET se pone a 0V permitiendo así descargar a la batería 2

gracias al inversor que permitirá conmutar al MOSFET de la batería 2.

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

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else if ((resta10 <= 3.2 | resta11 <= 3.2 | resta12 <= 3.2 | resta1

3 <= 3.2 | resta14 <= 3.2 | resta15 <= 3.2) && (resta20 <= 3.3 && r

esta20 >3.2 | resta21 <= 3.3 && resta21 >3.2 | resta22 <= 3.3 && re

sta22 >3.2 | resta23 <= 3.3 && resta23 >3.2 | resta24 <= 3.3 && res

ta24 >3.2 | resta25 <= 3.3 && resta25 >3.2 ))

digitalWrite (inversor, HIGH); //SI LA TENSION DE LA BATERIA 1 CAE

POR DEBAJO DE 3,3 V SE PUEDE INICIAR EL VUELO YA QUE AUN SE DISPONE

DE LA CARGA DE UNA BATERIA

digitalWrite (mosfet, LOW); // SE ACTIVA LA DESCARGA LA DESCARGA DE

LA BATERIA 1 YA QUE LA BATERÍA 2 NO SE ENCUENTRA EN CONDICIONES DE

DESCARGAR

digitalWrite (alarma, HIGH); //SE ACTIVA LA ALARMA CUANDO LA

BATERÍA 1 SE ENCUENTRA EN NIVELES POR DEBAJO O IGUAL DE 3,2 V Y LA

BATERÍA 2 SE ENCUENTRA POR DEBAJO O IGUAL A 3,3 V PARA AVISAR DE

QUE SE HA DE ATERRIZAR INMEDIATAMENTE

Si alguna de las celdas de la batería 1 se encuentra por debajo de 3,2 V y alguna de las celdas de la

batería 2 se encuentra entre 3,2 V y 3,3 V se activa la alarma para avisar de que se ha de proceder a

aterrizar.

else

digitalWrite (inversor, LOW); //SI NO SE CUMPLEN LAS

CONDICIONES ANTERIORES TANTO EL INVERSOR COMO EL MOSFET SE PONEN EN

NIVEL BAJO NO PUDIENDOSE ASI HACER VOLAR AL DRON

digitalWrite (mosfet, LOW);

Si por el contrario no se cumple ninguna de las condiciones anteriores significa que las dos batería se

encuentran en niveles inferiores a 3,2 V por lo que tanto el inversor como el mosfet se han de apagar

inmediatamente para evitar una posible explosión, esto quiere decir que o bien el dron no podrá iniciar

el vuelo si se encuentra en el suelo o bien el dron se precipitara al vacío si se encuentra en el aire, se

confía que dejándolo caer los daños sufridos sean menores a los que podrían llegar a suceder si se

incendia o explotan las baterías.

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float conversion(float bytes) //FUNCION QUE CONVIERTE INT

EN FLOAT

float voltaje=(bytes*5)/1023;

return voltaje;

Por último, la función que se ha utilizado para pasar de enteros a decimales se le ha llamado

“conversión”, para realizar esta conversión se ha utilizado una regla de tres sabiendo que el Arduino

no puede leer más de 5 V y que este valor se corresponde a 1023 bytes.

5.3. Simulación mediante protoboard

Una vez realizado un primer diseño en Proteus y tener clara la programación del Arduino se ha procedido a realizar las pruebas sobre la protoboard para obtener así los resultados reales. Primero de todo lo que se ha hecho es comprobar que los selectores del canal de los multiplexores funcionasen correctamente, solo se han comprobado dos pines a la vez y no los tres ya que el osciloscopio utilizado solamente disponía de dos canales.

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

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Al verificar que el comportamiento era el adecuado se ha pasado a comprobar la medida del voltaje de la batería

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Como se puede ver en la imagen el multiplexor tenemos dos canales, por un lado, el PinA y por otro lado el pin A7 de lectura de tensión del Arduino, funciona perfectamente y solamente faltaría añadir el divisor de tensión para acondicionar la señal y que el Arduino pudiese leer el valor sin ningún tipo de problema.

En esta última imagen se observa lo que se obtuvo con un divisor de tensión formado por resistencias de 390 kΩ a la entrada y 100 kΩ a la salida, como se puede ver el valor máximo supera los 5 V por lo que más tarde se cambiarían estas resistencias por otras de 665 Ω a la entrada y 162 Ω a la salida. Hay dos formas de calibrar el sistema de medida para obtener mayor precisión, una puede ser añadiendo una resistencia variable a la salida, de esta manera se podría modificar el valor de esta resistencia y calibrar el sistema con ayuda de un ohmímetro u otra posibilidad es cambiar la constante por la que se multiplica el voltaje leído por el Arduino en el código de programación, en este caso se ha optado por utilizar este segundo método ya que se ha considerado más preciso y así solo puede el

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

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fabricante modificar el valor y no el cliente el cual podría tocar sin tener conocimientos y generar un problema.

5.4. Diseño de las PCBs mediante Eagle

Una vez simulado el circuito se ha procedido a diseñar un total de tres PCBs, se ha decidido primeramente crear dos pequeñas placas a las que se va a conectar los conectores de una batería a cada una con la intención de facilitar la instalación de las baterías y no tener que hacer pasar un cableado tan largo hasta la PCB principal, y por otro lado se va a diseñar la PCB principal que va a contener el circuito que se ha simulado mediante Proteus. Para realizar el diseño de la PCB se ha decidido utilizar Eagle ya que es un programa que actualmente se utiliza mucho en la industria y era de especial interés desde el primer momento conocer sus funciones básicas. A la hora de diseñar las PCBs se ha encontrado un problema ya que hay pistas que se han tenido que diseñar para hacer pasar un total de 90 A, hacer pasar tal corriente por las pistas de la PCB no es una tarea sencilla y es por ello que se ha decidido contactar con diversos fabricantes para preguntar qué tipo de producto se podría adaptar a nuestra situación y se ha llegado a la conclusión de que lo mejor es utilizar una PCB de dos capas, de las cuales una de ellas ha de ser lo más gruesa posible ya que el grosor será inversamente proporcional al ancho de la pista. Para calcular el ancho de la pista, se puede hacer mediante la aplicación del estándar general para el diseño de circuitos impresos ANSI-IPC 2221 que propone la IPC (Association connecting electronics industries) (14): Los datos que van a hacer falta son varios, la intensidad que va a circular por la pista expresada en amperios, el incremento de temperatura máxima que se quiere permitir en grados centígrados y el grosor de pista en onza por pie cuadrado. Como se puede ver las medidas están dadas en unidades anglosajonas y la mayoría de fabricantes trabajan con ellas, una pista 1 onza por pie cuadrado equivale a pista de 35 micras. La ecuación que permite el cálculo del ancho de pista viene dada por la siguiente expresión:

378.1

L

ÁreaAncho

(Eq. 5.5)

Donde L es el grosor de la pista de cobre y el ancho viene dado en milésimas de pulgada. El área se puede expresar también de la siguiente manera:

3

1

21

k

ktk

IÁrea

(Eq. 5.6)

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El valor de las constantes k1, k2 y k3 dependes de si la pista va a estar en una capa exterior o interior,

en este caso al ser exterior los valores son los siguientes:

k1=0,0647

k2=0,4281

k3=0,6732

Sustituyendo las dos fórmulas se llega a la conclusión de que el ancho se puede calcular por la siguiente

expresión:

378,1

)1(3 12

L

tkIAncho

k k

(Eq. 5.7)

Con esta fórmula podemos calcular el ancho de las pista de 90 A sabiendo que el grosor de la pista va

a ser de 400 µm que equivale a 11,43 oz/ft2 y se va a fabricar con CipsaCircuits ya que es fabricante que

trabaja con el mayor grosor que se ha encontrado en el mercado, la temperatura ambiente se ha

considerado de un máximo de 40 °C y no se quiere que supere en ningún caso los 65 °C por lo que el

incremento de temperatura se considera de 25°C, teniendo todo esto en cuenta se puede proceder a

obtener el ancho de pista:

milAncho 81,382378,143,11

)250647,0(906732,0 14281,0

(Eq. 5.8)

El total es de 382, 81 milésimas de pulgada lo que equivale a 9,72 milímetros de ancho. No nos

podemos permitir diseñar una pista de tal tamaño ya que es demasiado ancha y el conector es de 6

mm de diámetro, después de darle muchas vueltas y buscar posibles soluciones se llega a la conclusión

de que lo mejor es diseñar pistas de 6 mm y añadir una capa de estaño encima para reforzar

notoriamente el grosor de la pista, se puede ver un ejemplo en la siguiente imagen:

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

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Ilustración 30: ejemplo de PCB reforzada con estaño

En el caso de las pistas de control solo se enviarán datos por lo que las corrientes no van a ser muy

grandes si no que serán del orden de miliamperios, en este caso se ha considerado una corriente

máxima de 1 A y se ha obtenido lo siguiente:

milAncho 48,0378,143,11

)250647,0(16732,0 14281,0

(Eq. 5.9)

Se obtiene 0,48 milésimas de pulgada lo que equivale a 0,01 mm, en este caso se utilizarán pistas de

aproximadamente 0,1 mm para dar un margen y porque el fabricante no permite tamaños menores.

Primeramente, se han tenido que realizar los esquemático que se encuentran en el Anexo K y seguidamente el diseño, los componentes y se han colocado tal y como se puede ver en el Anexo L, se ha tenido en cuenta los tornillos para la fijación y se ha decidido separar los componentes que transportarán 90 A de los de señal para evitar posibles interferencias. Finalmente se puede ver en el Anexo M el diseño de las PCB, la capa 1 está en rojo y la capa 2 en azul, en la capa 2 se ha decidido poner sobretodo componentes que van a masa y pistas que era difícil colocarlas en la capa 1 debido a que pasaban muy cerca de otras pistas y podían crear interferencias y no respetar la distancia necesaria para evitar cortocircuitos.

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6. ANALISIS DEL IMPACTO AMBIENTAL A la hora de analizar el impacto ambiental de este sistema se ha de empezar nombrando las baterías de tecnología LiPo las cuales se estima que tiene una vida útil de 500 ciclos o en su defecto de tres años, y pasado esto se han de desechar para evitar problemas, aunque esta vida útil en principio se podría incluso ampliar teniendo en cuenta que se va a cargar mediante un cargador inteligente y que no se tiene previsto sobrepasar los límites recomendados. Por otra parte, el riesgo de inflamabilidad podría llegar a convertirse en un peligro para el medio que las rodea, para evitar este problema se deben vigilar las baterías mientras se están cargando y preferiblemente utilizar en todo momento una bolsa protectora incombustible como la que se muestra en la siguiente imagen:

Ilustración 31: Bolsa protectora para baterías LiPo (Fuente Satkit)

Además, para almacenar las baterías, se ha de hacer en las condiciones adecuadas, el lugar se ha de encontrar entre 5 y 25 °C y el ambiente debe de ser seco, además en este caso también se ha de mantener el voltaje entre unos niveles aceptables tal y como se ha explicado anteriormente, para eso se ha de introducir la batería en la bolsa incombustible y utilizar el cargador inteligente en modo “Storage” lo que permite que la batería se encuentre en su nivel óptimo de tensión. Si el dron ha sufrido un impacto o se observa que en cualquier momento la batería se ha inflado, habrá que desecharla inmediatamente para evitar problemas. Aunque las baterías LiPo son de las más ecológicas al no contener metales pesados, hay que tener cura a la hora de desecharlas. Por el momento no existe ningún tipo de protocolo ya que no hay estudios suficientes que determinen su peligro al medioambiente, el gobierno de Estados Unidos afirma que estas baterías no representan un peligro y que se pueden desechar directamente en los puntos de residuos municipales normales pero algunos gobiernos europeos advierten de que estas pueden contaminar el suministro de agua subterránea (15). La famosa multiplataforma DGDRONE WEB recomienda unos pasos a seguir antes de desechar este tipo de baterías, consiste en “desactivar la batería” mediante química, para ello basta con sumergirla en una solución salina durante 24 horas lo

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

51

que provoca una descarga completa, después de este paso ya se podría desechar la batería en un punto adecuado para pilas y baterías. Si no se llegasen a respetar las indicaciones que se han mostrado la batería podría llegar a incendiarse dañando el medio que le rodea, esto sería fatal ya que el dron de trabajo está pensado entre otras cosas para aplicaciones de agricultura donde un incendio podría llegar a incendiar los campos y vegetación, es por ello que es muy importante seguir las pautas que se han indicado anteriormente. Por lo que se refiere al resto de componentes electrónicos no son tan delicados de tratar, pero se deben desechar de forma responsable, para ello lo que se recomienda es que una vez finalizada la vida útil de estos, se desechen en el punto limpio más cercano, muchos ayuntamientos disponen de uno y se puede consultar con facilidad el punto más cercano.

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7. ANALISIS ECONÓMICO A la hora de realizar el análisis económico se han de tener en cuenta dos cosas, el precio de los componentes y el precio de la mano de obra. Componentes:

COMPONENTE FABRICANTE MODELO UNIDADES PRECIO

(€)

Baterias Desire power V8 series 6S

8000mAh 2 278,00

Placa controladora Arduino Nano 1 17,75

Multiplexor Vishay DG408dj 2 3,40

Inversor Texas

Instruments SN74HC04NE4 1 0,44

Connector Macho potencia batería JST XT60 13 10,00

Connector Hembra potencia batería JST XT60 9 6,00

Connector macho voltaje batería JST S7B-XH-A 4 2,60

Connector Hembra voltaje batería JST XHP-7 4 2,47

Conector macho Arduino JST B2B-XH-A 1 0,85

Conector hembra Arduino JST XHP-2 1 0,52

Resistencia Vishay MRS35 162 Ω 2 0,17

Resistencia Vishay MRS35 665 Ω 2 0,97

Resistencia 10kΩ Vishay 10kΩ 4 0,51

Transistor Nexperia BC849C 2 0,44

Mosfet ON

Semiconductor FDMS6681Z 2 0,44

Cable 22 AWG JST 01SEHSEH-22300 1 metro 1,90

Cable 10 AWG ALPHA WIRE 3081 RD005 1 metro 2,63

Cargador EMAX E6 MAX E6 1 50

PCB grande CipsaCircuits Doble capa 1 50,00

PCbB pequeña CipsaCircuits Doble capa 2 100,00

Total (IVA excluido) 251,09

IVA 21 % 52,73

Total 303,81

Este es el precio final de los componentes, aunque si es cierto que muchos de estos componentes tienen este precio tan reducido porque se han de comprar packs de muchas unidades, si se quisieran comprar unidades sueltas el precio sería mayor o directamente no sería posible, así que este es el precio que se tendría que considerar si se fuesen a fabricar una elevada cantidad de unidades.

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

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Mano de obra Al total del precio de los componentes habría que añadir la mano de obra que en este caso ha sido de una persona trabajando un total de 450 €, y se va a considerar que se ha de pagar 20 €/hora ya que no se han necesitado herramientas especiales ni se ha tenido que consumir una gran cantidad de electricidad. Además, se va a considerar sumar un 15% al precio final por imprevistos.

Concepto horas dedicadas €/hora Precio total (€)

Mano de obra 550 20,00 11.000,00

En total por lo tanto sería lo que se muestra a continuación:

Concepto Cantidad total (€)

Componentes 303,81

Mano de obra 11000,00

Total sin imprevistos 11.303,81

Imprevistos (15 %) 1.695.57

Total 12.999.38

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8. CONCLUSIONES

En este primer trabajo se han encontrado unas condiciones iniciales que se tenían que cumplir ya que

al estar el diseño del dron empezado el sistema se ha tenido que adaptar a las necesidades que

requerían las diferentes partes de las que ya se disponía, esto ha sido una dificultad, pero en el mundo

de la industria esto sucede constantemente e incluso a veces puede ser peor ya que al haber diferentes

grupos de trabajo, realizando una tarea diferente a la vez estos pueden en ocasiones cambiar cosas

que pueden afectar algo que tú ya has hecho.

Trabajar con baterías LiPo requiere unas condiciones que otros tipos de batería no requieren y es que,

aunque esta tecnología es de gran utilidad para los aparatos de radiocontrol debido a la alta tasa de

descarga que tiene y el elevado voltaje de cada celda hay que tener en cuenta de que para trabajar de

manera segura hay que asegurarse de evitar que se pueda llegar a volatilizar, es por ello que

especialmente los fabricantes que comercializan equipos con dichas baterías han te tener mucho

cuidado ya que un fallo podría llegar a causar un gran accidente.

Uno de los objetivos que se proponía era diseñar un sistema de conmutación por el que pasasen 90 A,

después de mucho investigar y preguntar a fabricantes me di cuenta de que esto no es algo que se

realice usualmente y que hacer pasar tal corriente por una PCB era un gran desafío, finalmente se

decidió utilizar pistas gruesas y reforzarlas con cobre al ver que incluso algunos fabricantes importantes

habían utilizado dicha estrategia, además otro problema que surgía al utilizar tal corrientes eran las

interferencia que podían causar sobre las pistas más finas por la que se transmitía datos, en este caso

se decidió que lo mejor era aislar dichas pistas y separarlas lo máximo posible de las otras pistas. A

parte de todo esto se ha utilizado un Arduino NANO para la lectura del voltaje de cada celda, quizás

esta placa nos ayuda a salir del paso debido a su fácil programación y de que ya dispone de muchos

componentes integrados que facilitan trabajar con ella, pero si este producto se quisiera comercializar

lo mejor sería utilizar un microcontrolador más adecuado para nuestro sistema el cual dispusiese de

un mayor número de entradas analógicas para así evitar utilizar multiplexores y reducir costes. Por otro

lado, se ha diseñado la PCB de dos capas mediante Eagle un software que actualmente se está

utilizando mucho en la industria y con el que se ha podido crear un primer prototipo de la placa de

control.

Una vez finalizado el trabajo se han conseguido alcanzar los objetivos que se habían propuesto desde

un principio, especialmente el de adentrarse con mayor profundidad al sector de la electrónica, sector

que he podido confirmar que me gusta más que el eléctrico y en el que seguiré indagando, todo ello

además, se ha podido hacer mediante softwares muy útiles como es el caso de Eagle o Proteus,

también se ha podido programar aunque a un nivel no muy avanzado con el Software Arduino IDE el

cual solamente había utilizado en pequeños proyectos que había realizado por mi cuenta y sea

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

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aprendido sobre las baterías, un sector que está en pleno crecimiento y del que probablemente

veremos crecer mucho más en poco tiempo debido a la cantidad de empresas y recursos que se están

destinando.

De igual manera he de comentar que en un futuro habría que mejorar varias cosas sobre el proyecto,

habría que obtener una fuente de 90 A para probar el circuito de conmutación que, aunque ha

funcionado en Proteus y es una estrategia de conmutación conocida habría que observar la respuesta

real sobre el sistema, además si este sistema se quisiese comercializar habría que informarse sobre

que normativa le aplicaría al control de batería para así poder saber que distancias entre pistas se han

de cumplir para cumplir con el reglamento aplicable.

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Memoria

56

Bibliografía 1. Real Academia Española. 23a edición 2014,

Disponible en: http://dle.rae.es/?id=ED2QqnQ

2. Centro de Información Tecnológica y Apoyo a la Gestión de la Propiedad Industrial – CIGEPI.

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Disponible en:

http://www.sic.gov.co/recursos_user/documentos/publicaciones/Boletines/Drones.pdf

3. Origen y evolución de los drones. Estado del arte y aportación de Altran España. Miguel

Ángel Rodríguez Fernández, 2016.

Disponible en:

http://contenidos.equipo.altran.es/mktd/contenedor/Ebook%20EVAN%20UAV.pdf?pk_mail

=1e83a0b1-08dd-4d6a-af4e-39f1d6c1c01a

4. Tipos de drones. Web especializada en aeronaves no tripuladas, Ernesto Santana

Disponible en: http://www.xdrones.es/tipos-de-drones-clasificacion-de-drones-categorias-

de-drones/

5. Tipos de drones. Blog especializado sobre drones y componentes, especialmente de carreras.

Ocubre del 2017.

Disponible en: https://www.midronedecarreras.com/dron/tipos-de-drones/

6. Todas las partes de los drones explicadas al detalle. Esenziale, revista de actualidad.

Disponible en: https://esenziale.com/tecnologia/partes-drone/

7. Empresa tecnológica líder en el desarrollo de aplicaciones de software,

Miguel Gonzáles 2017.

Disponible en: https://www.wondershare.com

8. Introduction to Lipo batteries. Icharger, empresa especializada en baterías

Disponible en: https://www.icharger.co.nz/buying/resources-faq/introduction-to-lipo-

batteries/

9. Epec, empresa especializada en placas electrónicas.

Disponible en: https://www.epectec.com/batteries/chemistry/

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

57

10. Tema 2: Blocs combinacionals. Jordi Cosp, EUETIB. UPC

11. Area tecnología, el divisor de tensión.

Disponible en: http://www.areatecnologia.com/electronica/divisor-de-tension.html

12. Controlar grandes cargas con Arduino y transistor MOSFET. Luis Llamas, Julio del 2016.

Disponible en: https://www.luisllamas.es/arduino-transistor-mosfet/

13. Web oficial Arduino.

Disponible en: https://www.arduino.cc/

14. Algoritmo para calcular el ancho de una pista de una PCB.

Disponible en: http://www.hubor-proteus.com/recursos/trucos-sobre-proteus/218-

algoritmo-para-calcular-el-ancho-de-una-pista-de-una-pcbd.html

15. Peligros de las baterías de iones de litio. Susan DEily-Swearingen

Disponible en: https://techlandia.com/peligros-baterias-iones-litio-lista_319702/

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Anexo A

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Anexo B

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Annexos

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Annexos

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Annexos

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Annexos

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Anexo C

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Annexos

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Annexos

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

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Anexo D

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Annexos

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

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Annexos

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

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Annexos

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

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Annexos

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

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Annexos

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

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Annexos

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

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Annexos

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

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Annexos

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

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Annexos

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Anexo E

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

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Annexos

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

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Annexos

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

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Annexos

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

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Anexo F

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Annexos

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

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Annexos

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

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Annexos

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

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Annexos

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

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Anexo G

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Annexos

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

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Annexos

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

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Annexos

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

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Anexo H

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

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Anexo I

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Annexos

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

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Anexo J

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

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Anexo K

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Annexos

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

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Anexo L

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Annexos

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

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Anexo M

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Annexos

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

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Annexos

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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero

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