Lecc 6 - Construcción de un DRONE

7/22/2019 Lecc 6 - Construccin de un DRONE

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Captulo 6

Resultados Experimentales

Despus de haber instrumentado el prototipo y programado el microcontrolador,se procedi a realizar las pruebas de vuelo de forma manual como automtica paraadquirir las grcas correspondientes a los vuelos con y sin control de la orientacin.

Para poder obtener las grcas representativas de los movimientos de rotacinde la aeronave, se debe utilizar un modem para enviar y recibir los datos. El modemutilizado para la adquisicin de los datos es el Xbee Pro serie 1. Se cuenta con undispositivo maestro y uno esclavo, donde cada uno es conectado a una computadoraa travs del puerto USB de la misma. Mediante el uso de un software, los modemson congurados, uno como transmisor y otro como receptor a la misma velocidadde transmisn/recepcin, con la misma cantidad de bits a enviar y recibir, etc.

Una vez nalizada la conguracin del modem, es necesario leer el puerto serie

del microcontrolador al cual se conectar el modem. Una vez que se conect eltransmisor al microcontrolador y el receptor al puerto USB de la computadora, seefectuan los vuelos necesarios para que mediante el uso del software de MatLab sepuedan recibir y procesar los datos de acuerdo a las condiciones establecidas en elprograma elaborado.

Las grcas obtenidas de los vuelos con control de la orientacin son las siguientespara cada uno de los movimientos de rotacin de la aeronave.

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Apndice A

Glosario

A

Aceleracin: Magnitud vectorial que indica el cambio de la velocidad de uncuerpo por unidad de tiempo. En otras palabras la aceleracin es la derivadadel vector velocidad respecto al tiempo. Expresada en [ms 2 ].

Aceleracin Angular: Es la variacin de la velocidad angular () por unidadde tiempo, expresada en [ radseg 2 ]. Se representa con la letra y se calcula de lasiguiente forma:

= ddt

(A.1)

Acelermetro: Es cualquier instrumento destinado a medir aceleracioneslneales.

Alcance: Es la diferencia algebrica entre los valores superior e inferior delcampo de medida del instrumento. Ejemplo, el receptor utilizado para lacomunicacin entre el radio control y el avin tiene un alcance de 3km .

Automtico: Es todo aquello que se mueve, regula y opera, por s solo,independientemente del medio que lo rodea.Automatizacin: Cosiste en un sistema de control automtico, por mediodel cual el sistema verica su propio funcionamiento, efectuando mediciones ycorrecciones sin la intervencin del ser humano.

Autnomo: Sistema que tiene la libertad de gobernarse por sus propias leyesde control.

C

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Control: Accin ejercida con el n de poder mantener una variable dentro de

un rango de valores predeterminados.Control Automtico: Cosiste en desarrollar la accin de control, sin laparticipacin directa de un ser humano (operario).

D

Desplazamiento: (Fsica) . Es la longitud de la trayectoria comprendida entrela posicin inicial y la posicin nal de un objeto.

E

Eje de Rotacin: Lnea alrededor de la cual se realiza un giro.F

Frecuencia ( f ): Es la inversa del periodo (ecuacin A.2), es decir, es el nmerode revoluciones o vueltas que da un mvil por unidad de tiempo. Se mide ens 1 o hertz (Hz).

f = 1T

= 2

(A.2)

IInercia: Es la propiedad de los cuerpos de resistirse al cambio del movimiento,es decir, es la resistencia al efecto de una fuerza que se ejerce sobre ellos.

L

Ley de conservacin: Las leyes de conservacin se reeren a las leyes fsicasque postulan que durante la evolucin temporal de un sistema aislado ciertasmagnitudes tienen un valor constante. Puesto que el universo entero constituyeun sistema aislado pueden aplicrsele diversas leyes de conservacin.

M

Momento Angular: Es una magnitud fsica importante en todas las teorasfsicas, ya que est relacionada con las simetras rotacionales de los sistemasfsicos. Bajo ciertas condiciones de simetra rotacional de los sistemas es unamagnitud que se mantiene constante con el tiempo a medida que el sistemaevoluciona, lo cual da lugar a una Ley de conservacin conocida como Ley deconservacin del Momento Angular. El momento angular se mide en el SistemaInternacional (SI) en [kg m

2

s ].

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A. Glosario

Momento de Fuerza Par Motor: Es la fuerza aplicada por la distancia

al eje de rotacin.Momento de Inercia Inercia Rotacional: Es una medida de la inerciarotacional de un cuerpo. Expresado mediante el smbolo I .

O

Operacin de Control: Conjunto de acciones que buscan mantener unavariable dentro de los rangos de funcionamiento deseados.

Orientacin: La orientacin de un objeto en el espacio es cada una de lasposibles elecciones para colocarlo sin cambiar un punto jo de referencia, esdecir, el objeto puede ser rotado alrededor de un punto jo. Por lo tanto, laorientacin puede ser denida por ngulos de rotacin sobre un punto jo.

P

Perodo ( T ): Indica el tiempo que tarda un mvil en dar una vuelta a lacircunferencia que recorre. Su ecuacin (A.3) es la siguiente:

T = 2

(A.3)

Posicin: La posicin de una partcula fsica se reere a la localizacin enel espacio-tiempo de la misma, normalmente se expresa por un conjunto decoordenadas.

Posicin Angular: Es el arco de la circunferencia, medido en radianes, querealiza un movimiento (ecuacin A.4). Se representa con la letra y se calculade la siguiente forma:

e(t) = R (t) (A.4)

Donde e(t) es el espacio recorrido a lo largo de una circunferencia de radio R .

R

Rango: Son el conjunto de valores comprendidos entre los lmites superior einferior de la capacidad de medida o de transmisin del instrumento. Ejemplo,la central inercial (IMU) tiene un rango de operacin de 1,96 a 3,0V olts .

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Rapidez Celeridad: Es la relacin entre la distancia recorrida y el tiempo

empleado en recorrerla. La rapidez es una magnitud escalar la cual se mideen las mismas unidades que la velocidad, pero no es un vector como est. Larapidez representa justamente el mdulo de la velocidad.

S

Sistema: Es el conjunto de partes o elementos organizadas y relacionados,que interactan entre en s, para llegar a un mismo objetivo.

Sistemas de Automatizacin: Conjunto de equipos, sistemas de infor-macin, y procedimientos que van a permitir y asegurar un desempeo in-

dependiente del proceso, a travs de operaciones de control y supervisin.Supervisin y Monitoreo: Es el proceso de lectura de valores de las diversasvariable del proceso, con el objetivo de identicar el estado en el que se vienedesarrollando el proceso en un tiempo determinado.

T

Trayectoria: Es el lugar geomtrico de las sucesivas posiciones que va ocu-pando un cuerpo durante su movimiento.

V

Velocidad: Magnitud fsica de carcter vectorial que expresa el desplaza-miento de un objeto por unidad de tiempo. En otras palabras la velocidad esla derivada del vector posicin con respecto al tiempo. Expresada en [ms ].

Velocidad Angular: Es la variacin de la posicin angular () respecto altiempo (ecuacin A.5). Se expresa en [radseg ] y se representa con la letra y secalcula de la siguiente forma:

= ddt (A.5)

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BIBLIOGRAFA

[14] NASA, http://www.grc.nasa.gov

[15] Manual de vuelo, http://www.manualvuelo.com

[16] Diseo aerodinmico, http://www.aerospaceweb.org

[17] Perles alares, http://www.mexicorc.com

[18] Orientacin, http://www.worldlingo.com

[19] Magnetmetro, http://www.robot-electronics.co.uk

[20] Central Inercial, http://www.robodacta.com

[21] Presin atmosfrica, http://www.cneq.unam.mx

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INTRODUCCIN

El proyecto que aqu se presenta es de carcter terico-prctico y fue desarrolladoen el Laboratorio Franco-Mexicano de Informtica y Automatizacin (LAFMIA) yen el Departamento de Control Automtico del Centro de Investigaciones y EstudiosAvanzados del Instituto Politcnico Nacional (CINVESTAV). Est enfocado al m-bito de la investigacin y experimentacin para el desarrollo de nuevas tecnologascorrespondientes al campo de los vehculos areos no tripulados (UAV) por sus siglasen ingls Unmanned Aerial Vehicles.

Los prototipos que se mencionan en esta tesis se realizaron fsicamente, ya quefueron diseados, construidos, instrumentados electrnicamente y controlados parala realizacin de las pruebas de vuelo correspondientes. Los resultados experimen-tales que se obtuvieron se organizaron a n de presentarse en este documento.

La pretensin del proyecto motivo de este documento fue controlar la orientacindel UAV para la realizacin de vuelos automticos en lnea recta; lo que implicconocer de los principales conceptos aerodinmicos para entender los movimientospropios de la aeronave durante el vuelo y a su vez poder efectuar el control de lamisma. Partiendo de estos conceptos se logr disear el ala y posteriormente el fuse-laje del vehculo; ya construido el prototipo, se procedi a la incorporacin de laelectrnica correspondiente para efectuar las pruebas de vuelo de forma manual an de corroborar que el diseo propuesto cumpla con los nes requeridos.

Despus se dise una tarjeta electrnica basada en amplicadores operacionales,cuya funcin es acondicionar la seal proveniente de los sensores (acelermetros,girmetros y magnetmetro) para poder ser leda por el microcontrolador. En esteltimo dispositivo se realiz la programacin del algoritmo de control para ser capa-ces de gobernar las supercies que controlan los movimientos de la aeronave medianteel uso de servomotores. Para tales nes se requiri implementar un circuito que ais-lara fsicamente el microcontrolador de los motores simplemente por proteccin delmicrocontrolador. Una vez nalizada la parte de instrumentacin electrnica y pro-gramacin, se incorpor sta al vehculo para realizar las pruebas de vuelo de formaautomtica y as obtener las grcas correspondientes al control de la orientacinmediante el uso del software MatLab.

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CONTENIDO

En el primer captulo de esta tesis se dene lo que es un vehculo areo no tripu-lado, sus principales aplicaciones tanto en el mbito militar y civil, as como suclasicacin de acuerdo a su altitud y alcance. Enseguida, en el apartado segundose da una breve explicacin de los principales conceptos aerodinmicos empleadospara llevar a cabo el diseo de una aeronave, as como de los sistemas embebidospresentes en la Aeronutica.

En el tercer captulo se desarrollan los principales clculos para llevar a caboel diseo de la aeronave, as como los motivos por los cuales se emplearon ciertosmateriales para la construccin del prototipo. Posteriormente, en el captulo cuatrose describe el funcionamiento de los componentes electrnicos empleados para lainstrumentacin del UAV. Tambin se mencionan las ventajas de usar un microcon-trolador para llevar a cabo la accin de control del prototipo.

El apartado correspondiente al quinto captulo, se muestra el modelo matemticolongitudinal de una aeronave, as como la accin de control implementada y su re-spectivo diagrama de ujo del algoritmo de control empleado para llevar a cabo elcontrol de la orientacin del vehculo. Ya en el sexto captulo se muestran las grcasobtenidas durante los vuelos realizados con control de la orientacin del UAV.

Finalmente, en el captulo siete, se da a conocer de manera general si el prototipocumpli con los objetivos planteados en un inicio del proyecto y se consideran losposibles trabajos posteriores que pueden realizarse en el rea correspondiente a losvehculos areos no tripulados.

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ndice general

ndice de Figuras ix

1. Antecedentes 11.1. Historia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2. Aplicaciones de los UAV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2.1. Aplicaciones Militares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2.2. Aplicaciones Civiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3. Clasicacin de los UAV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2. Marco Terico 72.1. Principales conceptos aerodinmicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.1.1. Geometra y conguracin del ala . . . . . . . . . . . . . . . . 82.1.1.1. Perl aerodinmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.1.2. Fuselaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.1.3. Principales fuerzas que actan sobre un avin . . . . . . . . . 11

2.1.3.1. Levantamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.1.3.2. Peso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.1.3.3. Arrastre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.1.3.4. Empuje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.1.4. Centro de gravedad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.1.5. Centro de presin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.1.6. Centro aerodinmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.1.7. ngulo de ataque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.1.8. Diedros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.1.9. Ejes de translacin y rotacin de la aeronave . . . . . . . . . . 142.1.10. Principales supercies de control . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.1.10.1. Alerones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.1.10.2. Elevador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.1.10.3. Timon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.1.11. Softwares para el diseo de perles aerodinmicos . . . . . . . 162.2. Sistemas embebidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

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1.1. Historia

Regulacin de Trayectorias: Las estrategias de control especcas requeri-

das para cumplir con las restricciones.Programacin y asignacin de tareas: Determinar la distribucin ptimade tareas entre un grupo de agentes, satisfaciendo las restricciones en tiempoy equipo.

Tcticas cooperativas: Formular una secuencia ptima y una distribucinespecial de actividades entre los diferentes agentes, con el n de maximizar lasprobabilidades de xito de alguna misin dada.

1.1. HistoriaEl alto nmero de pilotos que han perecido durante misiones del tipo de rastreo

de enemigos en la segunda guerra mundial ha alentado la idea de utilizar vehculosno tripulados. Algunos pases han invertido grandes presupuestos en la investigacinde UAV, principalmente Estados Unidos, Israel, algunos pases de la Unin Europeay recientemente Japn referencia en [6].

Durante la guerra de Vietnam referencia en [6], el ejercito estadounidense utilizUAV, para localizar plataformas de lanzamiento de misiles sobiticos. Con el desa-rrollo y miniaturizacin de las tecnologas, el inters en estos vehculos dentro dela armada estadounidense creci de manera considerable. As, comenzaron a versecomo dispositivos baratos que ayudaran en combate, sin el riesgo de prdidas huma-nas.

Las primeras generaciones de UAV fueron hechas inicialmente para la supervisiny vigilancia referencia en [6], aunque algunos fueron equipados con armamento (comoel MQ-1 Predator, el cual utilizaba misiles aire-tierra). A los UAV armados, se lesconoce como vehculos de combate aereo no tripulados ,(UCAV por sus siglas eningles: Unmanned Combat Aerial Vehicles ). Para ilustrar lo anterior, se puede citarla guerra del golfo (1991), donde la armada estadounidense utiliz uno de estospara tareas de vigilancia tanto a la luz del da como por la noche; este vehculo seencargaba de recabar informacin de objetivos hostiles. Ms recientemente, en 2002,la misma armada utiliz uno de ellos en Afganistn.

1.2. Aplicaciones de los UAVLos UAV usualmente se ubican en dos grandes categoras de aplicacin: la militar

y la civil.

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1. Antecedentes

Figura 1.1: Vehculo areo no tripulado UAV

1.2.1. Aplicaciones MilitaresLa cualidad ms importante de los UAV es el vuelo no tripulado. Esta carac-

terstica esencial permite evitar cualquier posible riesgo para el piloto, notablementeen el dominio militar como en misiones en reas hostiles, as como en misiones enlas que se demande una importante carga y dao psicolgico para el piloto: accesoa altas altitudes o vigilancia repetitiva.

Los avances tecnolgicos ayudan para ampliar el rango de aplicaciones de lossistemas autnomos: en acciones militares, de vigilancia y seguimiento de posicionesenemigas, creando enlaces de comunicacin entre estaciones terrestres para el inter-cambio de informacin. Las aplicaciones de los UAV militares pueden dividirse entres categoras principales:

Patrullaje y reconocimiento

Apoyo al combate

Combate

1.2.2. Aplicaciones CivilesComparados con los UAV militares, los UAV civiles no tienen el mismo desarrollo

que han tenido sus similares militares. No obstante, poseen un buen potencial, debidoa su versatilidad y exibilidad de operacin. Existe un amplio rango de aplicacionespotenciales para los vehculos no tripulados civiles, especialmente en misiones concaractersticas peligrosas o rutinarias.

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1.3. Clasicacin de los UAV

De la misma manera que en el dominio militar, los ejemplos de aplicacin se

pueden clasicar en diferentes categoras:Investigacin cientca

Estudio de la atmsfera, la tierra y el ocano Estudio del agua Cartografa

Apoyo a desastres

Deteccin de fuego en incendios Volcanos y tornados Bsqueda y rescate

Vigilancia civil

Supervisin martima (puertos, trco de drogas, inmigracin ilegal, misio-nes de rescate)

Vigilancia urbana

1.3. Clasicacin de los UAVUno de los criterios mediante los cuales se puede clasicar a los UAV es de acuer-

do a su altitud/rango como se muestra a continuacin:

Altitud/Rango

Handheld: 600m de altitud en un rango de 2Km

Close: 1500m de altitud en un rango superior a los 10Km

Nato: 3000m de altitud en un rango superior a los 50Km

Tactical: 5500m de altitud en un rango de hasta 160Km

Male: 9000m de altitud en un rango de hasta 200Km

Hale: 99Km de altitud con un rango indenido

Hypersonic: supersnico (Mach 1-5) o hipersnico (Mach 5+) con 15200mde altitud o altitud suborbital con un rango superior a los 200Km

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1. Antecedentes

Orbital: en orbitas bajas terrestres (Mach 25+)

CIS Lunar: viaja entre la Luna y la Tierra.

El UAV desarrollado en esta tesis puede ubicarse en la categora Hanheld siel cuerpo y ala del vehculo se construyeran de bra de carbono para contar conuna estructura de mayor rigidez y as poder alcanzar una mayor altitud, lo cual sepretende hacer en un futuro prximo una vez que se haya encontrado la conguracinadecuada del cuerpo y ala del vehculo.

El prototipo tiene un rango de hasta 3Km que es la mxima distancia en la quepuede existir una comunicacinen entre el receptor que se encuentra en el avin yel radio control con el cual se manipular el mismo. Por otro lado, el vehculo estaenfocado hacia aplicaciones civiles con nes de investigacin cientca.

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2.1. Principales conceptos aerodinmicos

Diedros

Ejes de translacin y rotacin de la aeronave

Principales supercies de control de un avin

Softwares para el diseo de perles aerodinmicos

Una vez conocidos cuales son los parmetros aerodinmicos a considerar en eldiseo del vehculo, se procede a dar una breve explicacin de cmo inuye cadauno de ellos en el control, estabilidad y vuelo de una aeronave.

2.1.1. Geometra y conguracin del alaExisten diversas conguraciones y tamaos de ala, donde el diseo de est de-pende de la aplicacin a realizar por el UAV. Para vuelos a bajas velocidades, lasalas rectangulares son adecuadas ya que oponen una mayor resistencia al ujo deaire. De lo contrario, por ejemplo, un ala con geometra triangular o delta es msconveniente para vuelos rpidos. Independientemente de la conguracin empleada,un factor importante a considerar es el rea de la supercie del ala ya que de estodepender la sustentacin del avin.

Ala

En aeronutica se denomina ala a un cuerpo aerodinmico compuesto de perlesaerodinmicos capaz de generar una diferencia de presiones al desplazarse por elaire. Como consecuencia de esta diferencia de presiones se produce la sustentacinreferencia en [13], la cual permite que la aeronave vuele.

2.1.1.1. Perl aerodinmico

Un perl aerodinmico es una supercie de forma plana que al desplazarse atravs del aire es capaz de crear a su alrededor una distribucin de presiones quegeneren una sustentacin referencia en [17]. Los parmetros que inuyen en un perlaerodinmico (gura 2.1) son los siguientes:

1 Lnea de cuerda. Es la lnea recta que une el borde de ataque bordedelantero del ala y el borde de fuga borde de salida del perl.

Borde de Ataque. Es el borde delantero del ala. Es la parte del ala queprimero entra en contacto con el ujo de aire.

Borde de Fuga Borde de Salida. Es la parte posterior del ala por dondesale el ujo de aire.

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2.1. Principales conceptos aerodinmicos

2.1.10.3. Timon

El timn (rudder) es la supercie de control ubicada en la parte trasera delestabilizador vertical, la cual ayuda a la estabilizacin vertical del avin. La funcindel timn es generar un movimiento sobre el eje Z (eje Yaw) sin alterar el ngulo deataque y la altitud del avin.

Figura 2.6: Principales supercies de control de una aeronave

Con el uso de estas tres supercies de control es posible controlar la estabilidad yla trayectoria de vuelo de la aeronave. Al cambiar la posicin de cualquier superciede control, se modica el ngulo formado respectivamente, entre la horizontal overtical y la supercie de control, provocando la rotacin de la aeronave en cualquierade sus tres ejes.

2.1.11. Softwares para el diseo de perles aerodinmicosEn la actualidad existe una gran variedad de softwares para disear perles

aerodinmicos, alas, fuselajes, supercies de control, etc. En la mayora de los soft-wares utilizados para el diseo de aeronaves, se pueden introducir diversos par-metros para emular las condiciones de vuelo y as poder crear la aeronave de acuerdoa las necesidades requeridas. Algunos parmetros introducidos para la creacin deun perl aerodinmico son los siguientes:

Velocidad de desplazamiento de la aeronave.

Densidad del aire dependiendo de las condiciones ambientales del pas o regin.

Presin Atmosfrica

ngulo de Ataque deseado, etc.

Una vez que se introducen los parmetros establecidos por cada software, este nosgenera el perl aerodinmico, el ala, el fuselaje, etc. Algunos softwares comerciales

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2. Marco Terico

empleados para el diseo son: Foilsim creado por la NASA (National Aeronautics

and Space Administration), XFLR5, Xfoil, Javafoil, Plotfoil, Nacafoil, etc.

2.2. Sistemas embebidosSe puede decir que un sistema embebido es una computadora de propsito espe-

cial, diseada para realizar una o varias funciones, usualmente con restricciones entiempo real dadas por el mismo sistema de computadora.

Generalmente el sistema embebido forma parte de un sistema que contiene tan-to hardware como partes mecnicas. En constraste, un sistema de computadora depropsito general, como lo es una computadora personal, puede realizar una varie-dad de tareas, dependiendo de la programacin.

En la actualidad los sistemas embebidos son tan importantes como su algoritmode control, y son utilizados en muchos dispositivos que se utilizan en la vida diariaya sean reproductores MP3, relojes digitales, etc, hasta emplearse en instalacionesestacionarias como luces de trco o controladores industriales. Su complejidad varadesde un solo chip de microcontrolador hasta mltiples unidades, perifricos y re-des montadas dentro de un chasis.

Debido a que los sistemas embebidos son diseados para realizar tareas espec-cas, los ingenieros de diseo puede optimizar dicho sistema, reduciendo el tamaoy costo del producto o incrementando la conabilidad y funcionamiento.

2.2.1. Aplicaciones de los sistemas embebidos en la aeronu-tica

Los sistemas de transportacin que van desde automviles hasta aeronaves, uti-lizan sistemas embebidos. Los aeroplanos de nueva generacin, poseen dispositivosavanzados como son los sistemas inerciales de gua y receptores GPS . Algunosmotores elctricos (motores de corriente directa y motores de corriente di-recta sin escobillas ) utilizan controladores electrnicos. Actualmente los auto-mviles, vehculos elctricos y vehculos hbridos se fabrican cada vez ms conmltiples sistemas embebidos que permitan maximizar la eciencia y reducir loscontaminantes producidos por el vehculo referencia en [5].

2.2.2. Caractersticas de los sistemas embebidosLos sistemas embebidos son diseados para realizar alguna tarea especca,a diferencia de las computadoras de propsito general que estan hechas para

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2.3. Avinica

realizar diferentes tareas.

Los sistemas embebidos no siempre son dispositivos individuales. Es comnque estos sistemas sean construidos como parte del dispositivo a controlar.

El software para manejar el sistema embebido se le conoce como rmware , yes guardado en la memoria de solo lectura o en la memoria ash, en vez deguardarse en un disco duro. Comunmente este software trabaja en conjunto concomponentes de hardware limitados, tales como teclado, pantalla o memoriareducida.

2.2.3. Perifricos de los sistemas embebidosAlgunos de los aparatos o dispositivos auxiliares e independientes conectados a

la unidad central de procesamiento de una computadora son los siguientes:

Microcontrolador. Es el encargado de realizar las operaciones de clculo princi-pales del sistema. Ejecuta cdigo para realizar una determinada tarea y dirigeel funcionamiento de los dems elementos que le rodean.

Interfaces de comunicacin serial tales como: RS-232, RS-422, RS-485.

Interfaces de comunicacin serial sncrona, como: I2C, SPI, etc.

Bus universal serial (USB)

Redes como: Ethernet, Controller Area Network (CAN. Protocolo de comuni-cacion basado en topologia bus para la transmisin de datos), etc.

Entradas y salidas digitales como las GPIO (Entradas y salidas de propsitogeneral)

Convertidores analgico/digital y digital/analgico ADC/DAC.

2.3. AvinicaLa avinica conforma, en esencia, a todos los sistemas electrnicos diseados

para el uso en un aeronave. En un nivel bsico, conforma las comunicaciones, lanavegacin, el tablero de monitoreo y el manejo de los mltiples sistemas de laaeronave referencia en [5]. Literalmente conforma cientos de sistemas que indivi-dualmente realizan tareas especcas sobre la aeronave. La avinica tambin se reerea la electrnica en los satlites articiales y en las naves espaciales. Las categorasprincipales de la avinica son:

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2.3. Avinica

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Captulo 3

Diseo y construccin del prototipo

En la actualidad existen diversos softwares que pueden ser utilizados para eldiseo de aeronaves a escala; pero antes de emplear algn software para realizaresto, es necesario hacer un estimado de la masa total que va a soportar el vehculo,incluyendo la estructura del mismo y la velocidad deseada de vuelo; para que deacuerdo a estas especicaciones, iniciar el diseo del perl aerodinmico y fuselajedel prototipo.

3.1. Prototipos experimentalesA lo largo de este proyecto se realizaron dos prototipos diferentes. El Etkni-

an que tena el sistema de propulsin en la parte forntal lo que ocasionaba que serompiera la hlice y en ocasiones el motor, sobre todo cuando no se realizaba unaterrizaje cuidadoso. Por lo anterior, se diseo otro vehculo que protegiera al sis-tema de propulsin para evitar reparaciones continuas y prdidas materiales. A stese le denomin RafKinga . Otro aspecto importante que se mejor en el segundoprototipo fue la robustez del ala, un mayor levantamiento generado por la mismay la disminucin del peso total del vehculo. El perl aerodinmico empleado enambos prototipos fue el NACA 6412.

El prototipo llamado Etknian tiene una masa aproximada de 975g incluyendo elvehculo y todos los componentes necesarios para efectuar vuelos de forma autno-ma y el prototipo llamado RafKinga tiene una masa aproximada de 950g con lasmismas especicaciones que el anterior. La diferencia de masas entre estos vehculosradica en la conguracin del cuerpo y la longitud del ala empleada; pero el materialcon el cual fueron construidos es el mismo en ambos prototipos, aunque en diferentesproporciones.

La velocidad de vuelo deseada para ambos vehculos se encuentra entre los 7m/sy 8m/s , que es la velocidad comunmente empleada en los aviones de aeromodelismo.

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3. Diseo y construccin del prototipo

Emplando las ecuaciones anteriores se disea el perl aerodinmico usando los

softwares JavaFoil (gura3.1) y Xfoil (gura3.2), respectivamente.

Figura 3.1: Perl aerodinmico creado con el software JavaFoil

Figura 3.2: Perl aerodinmico creado con el software Xfoil

3.2.1. Prototipo Etknian

El prototipo que se va a describir a continuacin fue realizado con la ayuda delsoftware Xfoil, el cual se emple para el diseo del ala y cuerpo del UAV de acuerdoa las necesidades: que el UAV realice vuelos a una velocidad aproximada de 7,5m/sy que el vehculo sea capaz de soportar un peso de 1kg.

Otra ventaja se tiene al emplear el software de diseo es que ste nos proporcionadatos como el valor del C l , los cuales dependen del perl aerodinmico empleado,del ngulo de ataque y del nmero de Reynolds (Re), ste es un nmero adimen-sional utilizado en mecnica de uidos para conocer el movimiento de un uido. Enaeronutica se considera ujo laminar a un uido con Re 500000, etc.

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Figura 3.3: Perl Aerodinmico y Ala del prototipo Etknian

Figura 3.4: Fuselaje del prototipo Etknian

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3.2. Diseo del perl aerodinmico, ala y fuselaje del prototipo

Figura 3.5: Ala diseada en el software Xfoil para el prototipo Etknian

Figura 3.6: Prototipo nal obtenido con el software Xfoil

Figura 3.7: Prototipo Final llamado Etknian

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Figura 3.9: Fuselaje del prototipo RafKinga

3.2.2.2. Parmetros aerodinmicos del prototipo RafKinga

El perl aerodinmico empleado fue el NACA 6412 diseado en el softwareJavaFoil y Xfoil. Donde los parmetros aerodinmicos reales del ala son los siguien-tes:

Variable ValorPerl NACA 6412Cuerda (C ) 0.25mEmbergadura (b) 2.10mEspesor (T ck) 12.83 %Camber (Cmb) 6.61 %

Los resultados para el segundo prototipo se obtienen a partir de las ecuaciones3.1 y 3.3. Cabe aclarar que los valores del coeciente de lift C l = 0,76, la densidaddel aire = 1,2210kg/m 3 , la cuerda c = 0,25m, la velocidad V = 7,5m/s y el ngulode ataque = 5 no cambian respecto al primer prototipo; donde si existe un cambioes en la longitud del ala que ahora es de l = 2,10m y como consecuencia tambin semodica la supercie alar S y el levantamiento (Lift) L.

Por lo tanto, de la ecuacin 3.3 podemos calcular la Supercie alar S para elnuevo prototipo, as como se obtuvo la Presin dinmica q = 34,3406P a (ecuacin3.5) y el valor de la supercie alar S = 0,5250 (ecuacin 3.12).

S = (0 ,25m)(2,10m)

S = 0,5250m2 (3.12)

Teniendo de esta forma, los datos necesarios para resolver la ecuacin 3.1 y asconocer el Levantamiento (Lift) L para el nuevo prototipo dado por la ecuacin 3.13.

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3.2. Diseo del perl aerodinmico, ala y fuselaje del prototipo

L = (0 ,76)(34,3406P a )(0,5250m)

L = 13,7018N (3.13)

Para comprobar que el ala del UAV es capaz de soportar la masa del vehculose emplea La Segunda Ley de Newton ecuacin 3.9. Para poder hacer el clculose requere el resultado de la fuerza de levantamiento ecuacin 3.13 y el valor de laaceleracin gravitacional a = 9,8m/s 2 , despejando la masa m de la ecuacin 3.10 seobtiene la masa del UAV dada por

m = 13,7018N

9,8m/s 2

m = 1,3981kg 1,4kg (3.14)

Como se puede observar, el levantamiento (Lift) generado por el ala es el su-ciente para soportar la masa del avin que es de 950g y adems existe la posibilidadde aadirle ms componentes al UAV con una masa menor a 450g. Por ejemplo sele podra aadir otra tarjeta electrnica, un GPS, etc, para que sea capaz de desem-

pear una mayor cantidad de tareas.En la gura 3.10 se muestra la imgen del ala diseada mediante software Xfoil

(gura 3.10) para el prototipo RafKinga .Como resultado nal del uso de los softwares de diseo, de los conceptos y

parmetros aerodinmicos se obtiene el prototipo nal (guras 3.11 y 3.12).

El prototipo mostrado en la gura 3.11, es el previo al vehculo denitivo, el cualno fue utilizado por dos principales razones:

1. El ala se encontraba sujetada por dos soportes, en la parte inferior era el cuerpodel aeroplano y en la parte superior una estructura en forma de media luna,la cual no contaba con la rigidez suciente para resistir los impactos ocurridosen el ala.

2. La estructura en forma de media luna, se poda reforzar poniendo placasde bra de carbono alrededor, pero el peso del vehculo se incrementabaconsiderablemente; optando por disear una conguracin distinta para so-portar el ala.

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4.1. Hardware

Figura 4.4: Motor Brushless con su base

Las principales caractersticas del motor brushless Tower pro son las siguientes:

Peso (g) 65Voltaje (V) 10Max RPM (r/min) 10500Max Eciencia ( %) 78Max Potencia (W/60s) 160Max eciencia de corriente (A) 17.6

Variador de Velocidad

Los motores elctricos generalmente operan a velocidad constante o casi-constante,y con valores que dependen de la alimentacin y de las caractersticas propias delmotor, los cuales no se pueden modicar fcilmente. Para regular la velocidad de los

motores de corriente continua, se emplea un controlador elctrico-electrnico que recibe el nombre de variador de velocidad . Un variador de velocidad puedeconsistir en la combinacin de un motor elctrico y el controlador que se empleapara regular la velocidad del mismo; sin embargo, es comn emplear el trmino devariador de velocidad nicamente al controlador elctrico-electrnico.

El controlador elctrico-electrnico a usar depende de las caractersticas del mo-tor que se tenga, ya que si el controlador no proporciona la corriente demandadapor el motor, ste no funcionar de manera correcta. El controlador utilizado es dela marca High Tech cuyas especicaciones son las siguientes:

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4. Instrumentacin del Prototipo

Tower pro MAG 8 25A

Peso (g) 30Rango de Voltaje (V) 6-12Operacin 30A mx 10 min / 25A continuaNmero de pilas 3celdas LIPO NiMH / NiCd 12.05Funciones de proteccin Detener la temperatura de trabajo 110C

El controlador elctrico-electrnico Tower pro (gura 4.6) cuenta con tres cables:positivo, negativo y neutro; los cuales van conectados al motor brushless (gura4.5). Se pueden conectar los cables de manera diferente, pero posteriormente se

debe checar el sentido de giro del motor, en caso de ser opuesto al deseado, slo sedeben de intercambiar dos de los tres cables independientemente de cuales se elijan.A su vez, el controlador en su otro extremo cuenta con un cable de alimentacin elcual se conecta a las terminales de Vcc y GND de la batera LiPo. Por ltimo, elcontrolador cuenta con un cable de conexin que se conectar al canal 3 del receptormostrado en la gura 4.1 para obtener el tren de pulsos corresponidente a la potenciadel motor.

Figura 4.5: Diagrama del Controlador de Velocidad

Figura 4.6: Variador de Velocidad

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Tambin se realiz un circuito mediante amplicadores operacionales en con-

guracin seguidor e integrador (gura 4.8) para acondiconar la seal producida porlos sensores, y as poder ser leda por el microcontrolador.

Figura 4.8: Amplicadores Operacionales en conguraciones de seguidor e integrador

A continuacin se hace una breve explicacin de los sensores que conforman lacentral inercial (gura 4.7) empleada para llevar a cabo las medicones de la posiciny velocidad angular del vehculo.

Sensor IMU 5 DOF IDG500/ADXL335 . Central inercial conformada por

3 acelermetros y 2 gyros:Sensor IDG500 . Conformado por dos gyros, utilizados para medir la veloci-dad angular en Roll y Pitch ; es decir, mide la velocidad de rotacin alrededorrespecto al eje X y Y .El rango de voltaje para su operacin se encuentra entre 2,7V y 3,3V ; sinembargo, se trabaja a V ref = 3V .

Sensor ADXL335 . Es un sistema completo de medicin de la aceleracin entres ejes (X,Y,Z ). Donde las seales de salida son voltajes anlogos propor-

cionales a la aceleracin.El rango de voltaje para su operacin se encuentra entre 1,8V y 3,6V ; sinembargo, se trabaja a V ref = 3V .

Sensor LPY530AL giro dual 300/s . Conformado por dos gyros, utilizadospara medir la velocidad angular en Pitch y Yaw ; es decir, mide la velocidadde rotacin alrededor respecto al eje Y y Z .El rango de voltaje para su operacin se encuentra entre 2,7V y 3,6V ; sinembargo, se trabaja a V ref = 3V .

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4.1. Hardware

Las tarjetas electrnicas para el acondicionamiento de la seal mostradas en la

gura 4.9 y 4.10, fueron realizadas por el autor. La primera de ellas (gura 4.9),est diseada unicamente para acondicionar la seal proveniente de los gyros enRoll, Pitch, Yaw y la segunda (gura 4.10) para acondicionar la seal provenientede los acelermetros en x y y, ya que para efectuar la medicin en el eje Z se utilizael magnetmetro y el gyro en Yaw .

Figura 4.9: Central Inercial (IMU) para 3 gyros

Figura 4.10: Central Inercial (IMU) para 3 acelermetros

Para reducir la masa del prototipo, estas tarjetas fueron reemplazadas por elcircuito impreso mostrado en la gura 4.7, el cual fue diseado en el software Protel DXP-2004 .

Al disear el circuito de acondicionamiento en el software, se incorporaron losamplicadores operacionales en conguraciones de seguidores e integradores (gura4.8) necesarios, para acondicionar la seal proveniente de los gyros y acelermetros.A su vez, se usaron componentes de montaje supercial disminuyendo considerable-mente el peso y las dimensiones de la tarjeta diseada.

Para calcular los valores de las resisitencias y la conguracin de amplicadoresoperacioneles adecuados para proporcionarle al microcontrolador el rango de voltajenecesario, nos apoyamos del documento llamado Single-Supply Op Amp DesignTechniques referencia en [10], de esta manera aseguramos el correcto funciona-

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miento de la interface de acoplamiento.

Magnetmetro

El Magnetmetro tambin conocido como Comps , es una brjula diseadaespeccamente para los robots como una ayuda a la navegacin referencia en [19].El Magnetmetro utiliza el sensor de campo magntico Philips KMZ51, que es losucientemente sensible para detectar el campo magntico Terrestre. A su vez, estesensor est orientado hacia el norte magntico, el cual es opuesto al norte geogrco.

El Magnetmetro en nuestro caso, controla la orientacin del vehculo sobre el ejeYaw . Para realizar el control en este eje, cuando el vehculo se est desviando de laorientacin deseada el gyro detiene el movimiento de la supercie de control llamadaTimn y el magnetmetro vuelve a orientar al vehculo hacia el punto deseado.

El mdulo del Magnetmetro (gura 4.11) cuenta con nueve pines los cuales sedescriben a continuacin:

Pin 1, +5v. El mdulo del magnetmetro requiere una alimentacin de 5V a25mA.

Pin 2 y 3 SDA (Serial Data) y SCL (Serial Clock). Son la interfaz I2C (Inter

Integrate Circuit Bus) y se puede utilizar para obtener una lectura directa delcomps. Si la interfaz I2C no se utiliza, estos pines deben ser conectados a +5va travs de un par de resistencias de alrededor de 47k. Es adecuado, aunquelos valores de las resistencias no son crticos.

Pin 4, Seal PWM (Modulacin por ancho de pulsos) . El ngulo es repre-sentado por el ancho del pulso positivo, este vara de 1ms ; es decir, 0,1gradoshasta 36,99ms , es decir, 359,9grados . La seal para nivel bajo es de 65ms entrepulsos, por lo tanto, el ciclo de trabajo es de 65ms + el ancho de pulso positivo,por lo que el periodo de la seal es de T = 102ms . El pulso es generado en elprocesador por un contador de 16 bits proporcionando una resolucin de 1ssin embargo, lo ms recomendable es realizar la medicin cada 10s; es decir,cada 0,1grados . Al usar el pin de la seal PWM, los pines 2 y 3 deben seralimentados con 5V directamente.

Pin 5, Es usado para indicar que la calibracin esta en proceso.

Pin 6, Es una de las dos formas de calibrar el comps, la otra manera decalibrarlo es escribiendo 255 (0xFF) en el registro de comandos.

Pin 7 y 8, No se usan actualmente por lo que pueden dejarse sin conectar.

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4.1. Hardware

Pin 9. Alimentacin de 0V .

Existen dos formas de obtener las mediciones correspondientes al magnetmetro.La primera es mediante la seal PWM, proporcionada en el pin 4, y la segunda conla interfaz I2C proporcionada en los pines 2 y 3.

En este prototipo se realiza la comunicacin entre el magnetmetro y el micro-controlador mediante la interfaz I2C; ya que las cuatro salidas PWM con las quecuenta el microcontrolador son empleadas para el control de los cuatro servomotores.Por lo tanto, slo se emplean cuatro de los 9 pines del magnetmetro, siendo estoslos siguientes:

Pin 1. Alimentacin de 5V a 25mA.Pin 2 y 3. SDA (Serial Data) y SCL (Serial Clock) para la comunicacinmediante la interfaz I2C.

Pin 9. Alimentacin de 0V .

Figura 4.11: Magnetmetro

Interfaz I2C

La interfaz I2C es un bus serie formado por dos hilos referencia en [2], quepuede conectar varios dispositivos mediante un hardware muy simple. Por esos dos

hilos se produce una comunicacin serie, bit a bit. Se transmiten dos seales, unapor cada lnea:

SCL (Serial Clock): Es la seal de reloj que se utiliza para la sincronizacinde los datos.

SDA (Serial Data): Es la lnea para la transferencia serie de los datos.

Los dispositivos conectados al bus I2C mantienen un protocolo de comunicacionesdel tipo maestro/esclavo. Las funciones tipo maestro y esclavo se diferencian en:

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El circuito maestro inicia y termina la transferencia de informacin, adems

de controlar la seal de reloj. Normalmente es un microcontrolador.

El esclavo es un circuito direccionado por el maestro.

La lnea SDA es bidireccional; es decir, tanto el maestro como los esclavos puedenactuar como transmisores o receptores de datos dependiendo de la funcin del dispo-sitivo. La generacin de seales de reloj (SCL) siempre es responsabilidad del mae-stro.

Cada dispositivo conectado al bus I2C es reconocido por una nica direccin quelo diferencia del resto de los circuitos conectados. Los dispositivos compatibles conbus I2C suelen llevar 2 3 pines para poder modicar esta direccin de modo que eldiseador pueda evitar que en un mismo diseo haya 2 o ms esclavos con la mismadireccin.

El bus I2C puede ser multi-master , esto signica que puede soportar ms de undispositivo capaz de controlar el bus. Los sistemas ms comunes estn constituidospor un solo microcontrolador maestro, como es el caso en la conguracin que se

esta usando.Etapa de Potencia

La funcin principal de la Etapa de Potencia (gura 4.12) es aislar sicamenteel circuito de control (microcontrolador ) del circuito de potencia (motor y los servo-motores ), debido que la demanda de corriente y voltaje es diferente tanto para elmicrocontrolador como para los motores. Tambin otra funcin de la etapa de po-tencia es la de amplicar el voltaje suministrado por el microcontrolador que es de3,3V , lo incrementa a 5V que es el voltaje de suministro necesario para los servo-

motores y etapa de potencia se toman directamente los 12V para alimentar al motor.

Fuente de Alimentacin del Motor

La fuente de alimentacin empleada para alimentar el motor brushless encargadode propulsar a la aeronave es mediante una Batera LiPo (Polmero de Litio) de 3-celdas 11,1V a 1,3A (gura 4.13). Este tipo de bateras es utilizado debido a sureducido tamao y poco peso, lo que las hace ideales para equipos que requieranpotencia y duracin.

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4.1. Hardware

Figura 4.12: Etapa de Potencia

Figura 4.13: Bateria LiPo

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4.2. MicrocontroladorUn Microcontrolador es un circuito integrado o chip que incluye en su inte-

rior las tres unidades funcionales de una computadora: unidad central de procesa-miento, memoria y perifricos de E/S (entrada/salida). El microcontrolador procesalas seales provenientes de la central inercial, del magnetmetro y adems controlalos servomotores. Es en este dispositivo donde se programan los algoritmos de con-trol para realizar los vuelos.

La etapa de programacin para realizar el control del vehculo fue llevada a cabocon el microcontrolador Rabbit RCM3400 , para lo cual se elabor una tarjetaelectrnica (gura 4.14) mediante el software Protel DXP-2004 a n de realizarla comunicacin entre el microcontrolador y las dems tarjetas electrnnicas talescomo: la central inercial, la etapa de potencia y el magnetmetro.

Figura 4.14: Tarjeta electrnica del microprocesador

El mdulo RCM3400 (gura 4.15) incorpora un microcontrolador Rabbit 3000referencia en [12], memoria Flash, RAM esttica, puertos de E/S digitales, entradasanalgicas y salidas PWM, etc. A continuacin se muestran algunas otras caracters-ticas del mdulo RCM3400 , tales como:

Microcontrolador: Rabbit 3000 a una frecuencia de operacin de 29,4MHz .

Voltaje de alimentacin de 3,3V .

Ram esttica de 512k.

Memoria Flash de 512k.

8 canales de Convertidores Analgicos-Digitales.

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4.2. Microcontrolador

Entradas y salidas de propsito general: 47 lneas paralelas de E/S con 5V de

tolerancia, de las cuales 41 lneas son congurables para E/S, 3 entradas jasy 3 salidas jas.

2 lneas de 34 pines cada una de entradas digitales.

2 entradas digitales adicionales y una salida digital adicional.

Combinacin de hasta 8 entradas analgicas de una sola terminal 4 entradasanalgicas diferenciales.

Entrada externa de reset.

Reloj en tiempo real.4 salidas PWM.

2 entradas de Input Capture (sirven para la lectura de la seal PWM).

Puerto Serial, etc.

Figura 4.15: Microcontrolador Rabbit RCM3400

Las ventajas de utilizar el mdulo RCM3400 son las siguientes:

Bajo costo, comparado con la adquisicin de los componentes de forma indi-

vidual.Fcil programacin en lenguaje C.

Desarrollo de programas en el software llamado Dynamic C .

Gran capacidad de memoria para desarollar programas de miles de lneas decdigo.

Diseo de referencia que permite el puerto Ethernet integrado para la conec-tividad de red, con derechos de software libre TCP/IP.

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Concluyendo con la parte correspondiente a la instrumentacin, en la gura 4.16

se engloba todo la electrnica empleada en el desarrollo de los prototipos, en estagura se puede observar la lgica secuencial aplicada para llevar a cabo el controldel vehculo, donde se representa a grandes rasgos, la forma en que se transmiten losdatos entre cada dispositivo. Por ejemplo, se muestra cmo las seales provenientesdel magnetmetro, de la central inercial (IMU) y del receptor entran al microcon-trolador para ser procesadas y controladas, obteniendo as la seal controlada paramanipular a cada servomotor el cual a su vez, manipula las supercie de la aeronavelogrando de esta forma un control del vehculo en vuelo.

Por otro lado, se muestra el voltaje con el que necesita ser alimentado cadadispositivo para poder desempear su funcin de una correcta manera. Como sepuede observar el microcontrolador debe ser alimentado con 3.3V, pero tanto lacentral inercial, el magnetmetro, el receptor y los servomotores son alimentadoscon un voltaje de 5V, voltajes proporcionados gracias a la etapa de potencia (gura4.12). En lo que respecta al motor, ste es alimentado con 11.1V mediante la bateraLiPo.

Figura 4.16: Hardware empleado en la instrumentacin de los prototipos

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4.2. Microcontrolador

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Captulo 5

Control del Prototipo

La palabra Control tiene un amplio signicado, pero en este apartado se denircomo la accin ejercida con el n de mantener una variable dentro de un rango de valores predeterminados . Por lo tanto, para controlar la orientacin del vehculo yeste sea capaz de volar en lnea recta, es necesario obtener el modelo matemticolongitudinal del prototipo lo que permitir conocer su modelo dinmico, que no esms que su descripcin matemtica del sistema fsico.

5.1. Modelo matemtico longitudinal de 3 grados

de libertad de un vehculo areo no tripuladoUn modelo dinmico proporciona una descripcin matemtica de un sistema fsi-

co o mecnico. En el caso de los vehculos areos, el modelo dinmico muestra lasecuaciones que describen las fuerzas y momentos aerodinmicos que actan sobreestos sistemas referencia en [5]. Gracias al modelado matemtico es posible teneruna nocin de la orientacin y posicin de los mismos.

El modelo de la dinmica longitudinal de una aeronave (gura 5.1) consiste enun movimiento plano donde slo se consideran las velocidades longitudinales y la

vertical del avin, as como su giro en torno al eje longitudinal.Para obtener las ecuaciones representativas de la dinmica longitudinal en modoavin se hacen las siguientes cosideraciones:

Se considera el vehculo como un cuerpo rgido.

No existen variaciones en la masa del vehculo.

Considerando lo anterior, se tienen las ecuaciones (5.1, 5.2 y 5.3) que representanel modelo matemtco longitudinal de la aeronave referencia en [5].

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5.2. Accin de control aplicada al prototipo

Figura 5.1: Modelo Longitudinal de la aeronave

X = 1m

[T sin() L cos( + ) D sin( + )] (5.1)

Z = 1m

[T cos() + L sin( + ) D cos( + )] g (5.2)

= 1I yy

[ lw L cos() + M ] (5.3)

donde X , Z y son la aceleracin, altitud y ngulo pitch, respectivamente. Lamasa est representada por la letra m, la gravedad de la tierra por la letra g , la matrizde inercia est dada por I yy y la distancia del motor al centro de gravedad por lw .Las letras T, L, D,M se reeren al empuje generado por el motor, al levantamiento,al arrastre y al momento de pitch en el eje y positivo respectivamente.

5.2. Accin de control aplicada al prototipoAntes de centrar la atencin en el diagrama de ujo empleado para el control

del prototipo se denirn algunos conceptos importantes para entender la accin decontrol aplicada.

Controladores Automticos. Un controlador automtico compara el valorreal de la salida de la planta (sistema fsico a controlar) con la entrada dereferencia (el valor deseado) referencia en [1]; posteriormente ste determinala desviacin o diferencia entre estas dos variables y produce una seal decontrol para disminuir la diferencia o mejor conocida como error a un valorde cero o a un valor pequeo. La manera en la cual el controlador automticoproduce la seal de control se denomina accin de control .

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5. Control del Prototipo

Entrada de Referencia o Set Point. Es el valor que se desea que tenga la

variable controlada .Variable Controlada. Es la seal que debe mantenerse en un valor deseado.

Actuadores. Es el elemento nal de control que modica directamente a la planta de acuerdo a la seal enviada por el controlador automtico.

Planta. Es todo sistema fsico al cual se le aplica una accin de control.

Sensores. Dispositivo en el cual se produce un fenmeno mecnico, elctricoo similar, relacionado con la variable de salida de la planta.

En el diagrama a bloques del control de la orientacin del prototipo mostrado enla gura 5.2 se pueden identicar los conceptos denidos anteriormente. Por ejemplo,la entrada de referencia corresponde al ngulo deseado de Roll, Pitch y Yaw; elcontrolador automtico se identica como el microcontrolador, donde la variablecontrolada es la seal PWM emitida por el mismo microcontrolador, tambin sepuede identicar a los servomotores como los actuadores, los cuales mediante elcambio de su posicin modican las supercies de control del UAV que son la plantaen este caso, y por ltimo estn los sensores, los cuales transmiten el valor real dela seal obtenida a la salida para ser comparada con la entrada de referencia o valordeseado y as reducir el error.

Figura 5.2: Diagrama a bloques del Control de la Orientacin Prototipo

5.2.1. Controlador Proporcional-Derivativo (PD)De acuerdo a la accin de control que desempea cada controlador, estos pueden

ser clasicados de la siguiente forma referencia en [1]:

Controlador On-Off.

Controlador Proporcional (P)

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5.2. Accin de control aplicada al prototipo

Controlador Integral (I)

Controlador Derivativo (D)

Controlador Proporcional-Integral (PI)

Controlador Proporcional-Derivativo (PD)

Controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID)

El tipo de controlador a emplear se elije de acuerdo a la planta y a las condicionesde operacin del sistema. Por lo tanto, se eligo un Controlador Proporcional-Derivativo (PD) respecto a los dems controladores.

La eleccin del Controlador Proporcional-Derivativo (PD) es debido aque los acelermetros (miden la posicin angular del vehculo) representan la parteproporcional y los gyros (miden la velocidad angular del vehculo) representan laparte derivativa, es decir, la Accin Proporcional (P) ; se considera como unamplicador con ganancia ajustable sin importar cual sea el mecanismo real, peroesta accin siempre debe de ir acompaada por otra accin de control ya que losvalores obtenidos del producto de la ganancia proporcional ( K p) y el error, solofuncionan para un cierto rango de valores del sistema.

En conjunto, con la accin proporcional (P) se uso la Accin Derivativa (D) .Su funcin principal es mantener al mnimo el error corrigindolo proporcionalmentea la misma velocidad que se produce, de tal forma que el error no incrementa. En laaccin derivativa (D) , se deriva el error respecto al tiempo y se multiplica por unaconstante T d para as sumarse a la seal proporcional (P) .

Otro aspecto importante a considerar en este tipo de control, es que debemosde adaptar la respuesta de control a los cambios en el sistema ya que una mayorderivativa corresponde a un cambio ms rpido y el controlador pueda responderacordemente. En el programa realizado para el control de la orientacin se empleala rutina de saturacin para adaptar la respuesta respecto a los cambios de posicinde los servomotores.

Donde para la accin proporcional (P) , la relacin entre la salida del controladoru(t) y el error e(t) corresponde a la ecuacin 5.4 y para la accin derivativa (D) estarepresentada por la ecuacin 5.5:

u(t) + k pe(t) (5.4)

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u(t) + kdde(t)d(t) (5.5)

donde k p es la ganancia proporcional ajustable y kd es la ganancia derivativa.

Aplicando la transformada de Laplace a las ecuaciones 5.4 y 5.5, se obtienen susfunciones de transferencia (es la relacin salida entre la entrada del sistema) respec-tivamente, teniendo de esta forma las ecuaciones 5.6 y 5.7 las cuales se sumarnpara formar el Controlador Proporcional-Derivativo (PD) (ecuacin 5.9).

U (s)E (s) = kp (5.6)

U (s)E (s)

= kds (5.7)

La ecuacin 5.8 representa la relacin entre la salida del controlador u(t) y elerror e(t) para el controlador proporcional-derivativo (PD)

u(t) = k pe(t) + k pT dde(t)d(t)

(5.8)

U (s)E (s) = k p(1 + T d s) (5.9)

donde T d es el tiempo derivativo, el cual se reere al tiempo de accin derivadaen minutos de anticipo.

La accin Proporcional-Integral (PI) Proporcional-Integral-Derivativo (PID)no fueron empleadas para el control del prototipo ya que no se realiza una prome-diacin del error en un perodo determinado para corregirlo.

5.3. Control de la orientacinPara realizar el control de la orientacin del vehculo, es necesario controlar los

tres movimientos rotativos del vehculo dados por Roll, Pitch y Yaw en los ejes X,Y y Z respectivamente.

5.3.1. Control del ngulo pitch, roll y yaw del prototipoEn modo aeronave, la dinmica de pitch es estable en lazo abierto, debido a que

el centro de gravedad est ubicado adelante del centro aerodinmico del ala. Por lo

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5.3. Control de la orientacin

que el avin efectua un movimiento hacia adelante debido al empuje (T ), las varia-

ciones de la altura son modicadas por y T ; que a su vez el pitch () es generadopor el cambio de posicin de e . La variacin proporcional de estos parmetros afectaal levantamiento (L).

La estrategia de control que estabiliza la dinmica de pitch referencia en [5] es:

= xlw

(5.10)

donde, x = K v e + K pe ( d ) con K v e y K pe > 0 que son las ganancias dela velocidad angular y posicin angular respectivamente.

Considerando que el ngulo de ataque es muy pequeo decimos que cos() 1.

Al aplicar el control Proporcional-Derivativo (PD) la ecuacin 5.3 se reduce dela siguiente forma

= [K v e + K pe ( d )] (5.11)donde, d cuando t nf . La deseada es representa como d .la primera parte de la ecuacin correspondiente a representa la velocidad an-

gular que es la parte de control derivativo (D) y la segunda parte que involucra a( d ) representa la posicin angular que es el control proporcional (P). Aplicandola transformada de Laplace e igualando a cero la ecuacin 5.11 obtenemos

s 2 (s) + K v e s(s) + K pe (s) = 0 (5.12)Aplicando el Criterio de Estabilidad de Routh-Hurwitz a la ecuacin 5.13 obte-

nemos las ganancias del controlador de orientacin

K v e > 0K pe > 0 (5.13)

Por ltimo se ja la orientacin, eligiendo las ganancias del controlador de ori-entacin de tal forma que converjan rapidamente a = 0 (gura 5.3) en un tiempode aproximadamente 1,4s y d = 9 (gura 5.4), donde es sumamente pequeopara evitar que el avin llege a su punto mximo de elevacin tambin conocidocomo stall y despus caiga abruptamente referencia en [5]. Esto ocurre con un n-gulo de ataque 15 grados dependiendo del perl aerodinmico utilizado para laconstruccin del ala.

Como podemos ver en la gura 5.4, la grca inicia en el valor propuesto para0 10 grados e incremente hasta llegar al valor nal de d 15 grados, que es el

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Figura 5.3: Velocidad = 0

Figura 5.4: Control del ngulo pitch

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5.4. Diagrama de ujo del algoritmo de control

punto deseado para que se mantenga el ngulo pitch durante el vuelo del avin.

Para realizar el control del ngulo roll y yaw se partio del mismo esquema decontrol de pitch el cual consiste en la deexin del elevador para controlar el desplaza-miento del vehculo. El control de roll es mediante la deexin de los alerones loscuales generan fuerzas de igual magnitud pero en direccin y sentido opuesto. Seemplea el acelermetro ubicado en el eje Y y el girmetro ubicado en el eje X paramedir la posicin angular y la velocidad angular de la aeronave, respectivamente.

En lo que corresponde al control de yaw se emplea el girmetro ubicado en el ejeY y el magenetmetro; donde, las seales enviadas por estos sensores son procesadaspor el microcontrolador modicando la posicin del rudder para lograr el control dela orientacin en el eje Z.

5.4. Diagrama de ujo del algoritmo de controlPara realizar el control de la orientacin del vehculo, primeramente se realiz un

diagrama de ujo que sirvi de apoyo para la realizacin del programa en el softwarellamado Dynamic C .

Una vez que se acab el programa, se cargo al mdulo RCM3400 conectando elcable de programacin del Rabbit de la computadora a la tarjeta donde se encuentra

montado el microprocesador.Se debe de tener especial cuidado en mantener el prototipo en posicin horizontal

y sin movimientos, mientras se carga el programa de la computadora al microcon-trolador y al encender el prototipo para hacer las pruebas de vuelo; ya que se llevaa cabo la promedicin de los sensores para eliminar el offset. De lo contrario, lapromediacin ser respecto a otra posicin del prototipo ocasionando que no vueleen lnea recta como se pretende.

El diagrama de ujo realizado es el siguiente:

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Captulo 6

Resultados Experimentales

Despus de haber instrumentado el prototipo y programado el microcontrolador,se procedi a realizar las pruebas de vuelo de forma manual como automtica paraadquirir las grcas correspondientes a los vuelos con y sin control de la orientacin.

Para poder obtener las grcas representativas de los movimientos de rotacinde la aeronave, se debe utilizar un modem para enviar y recibir los datos. El modemutilizado para la adquisicin de los datos es el Xbee Pro serie 1. Se cuenta con undispositivo maestro y uno esclavo, donde cada uno es conectado a una computadoraa travs del puerto USB de la misma. Mediante el uso de un software, los modemson congurados, uno como transmisor y otro como receptor a la misma velocidadde transmisn/recepcin, con la misma cantidad de bits a enviar y recibir, etc.

Una vez nalizada la conguracin del modem, es necesario leer el puerto serie

del microcontrolador al cual se conectar el modem. Una vez que se conect eltransmisor al microcontrolador y el receptor al puerto USB de la computadora, seefectuan los vuelos necesarios para que mediante el uso del software de MatLab sepuedan recibir y procesar los datos de acuerdo a las condiciones establecidas en elprograma elaborado.

Las grcas obtenidas de los vuelos con control de la orientacin son las siguientespara cada uno de los movimientos de rotacin de la aeronave.

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Control en Roll

La intencin de hacer el control del movimiento de rotacin en roll del vehculo,es mantener en 0 lo ms cercano posible a est valor el ngulo roll, para estabilizarlos alerones sobre la horizontal. La gura 6.1 muestra como el control en roll siguela referencia dada de 0.

Figura 6.1: Control del ngulo roll

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6. Resultados Experimentales

Control en Pitch

La gura 6.2 muestra la comparacin entre el ngulo real del vehculo y la medi-cin del ngulo una vez aplicado el control sobre el mismo. En la primer grca sepuede ver el comportamiento del ngulo pitch; donde, el parmetro de inicial esde 5 y la deseada es de 15, como se indica en el apartado referente al control delprototipo. La segunda grca muestra el comportamiento de la aeronave una vezaplicado el control en pitch, el cual sigue a la referencia propuesta anteriormente.

Figura 6.2: Control del ngulo pitch

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Control en Yaw

Por ltimo, al realizar el control de yaw (gura 6.3) se establece la referencia en0, la cual es seguida por el prototipo correctamente.

Figura 6.3: Control del ngulo yaw

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Captulo 7

Conclusiones y Trabajos Futuros

La nalidad de construir fsicamente el prototipo y realizar las pruebas de vuelocorrespondientes es corroborar que el diseo, la instrumentacin y el control utili-zado estn funcionando en conjunto para lograr el objetivo principal que es controlarla orientacin del UAV para la realizacin de vuelos automticos en lnea recta.

Durante el desarrollo de este proyecto pude aprender nuevos conocimientos, am-pliar los existentes y generarme an ms preguntas. Por ejemplo, en un principio notena idea de los factores aerodinmicos que inuan para el control de una aeronave,posteriormente me di cuenta que tener un conocimiento de los principales factoresaerodinmicos y de las diferentes estrategias de control existentes, es fundamentalpara poder llegar a controlar un vehculo con caractersticas iguales o similares demanera ecaz y eciente.

Por otra parte, a lo largo de este tiempo se presentaron diferentes contratiempospara llevar a cabo el proyecto, los cuales se fueron solucionando poco a poco conla ayuda de los investigadores que colaboraron conmigo. Lo anterior me permitirealizar el control de la orientacin del vehculo, cumpliendo as con la totalidad delos objetivos planteados en un inicio.

Debido al xito obtenido en cuanto a que se pudo llevar a cabo el control de laorientacin del vehculo, se concluye que podran aadirse a ste sensores de velo-cidad y un GPS (Sistema de Posicionamiento Global) para lograr un mejor controldel vehculo.

A largo plazo quiz se podra realizar el control de la posicin del vehculo ya seaen movimiento o en punto jo mediante visin; para ello, se tendra que profundizaren la teora del control, proponer nuevas leyes al respecto, en caso de que no existan,lo sucientemente slidas para lograr tal n o tambin migrar haca otros tipos de

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vehculos areos.

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Apndice A

Glosario

A

Aceleracin: Magnitud vectorial que indica el cambio de la velocidad de uncuerpo por unidad de tiempo. En otras palabras la aceleracin es la derivadadel vector velocidad respecto al tiempo. Expresada en [ms 2 ].

Aceleracin Angular: Es la variacin de la velocidad angular () por unidadde tiempo, expresada en [ radseg 2 ]. Se representa con la letra y se calcula de lasiguiente forma:

= ddt

(A.1)

Acelermetro: Es cualquier instrumento destinado a medir aceleracioneslneales.

Alcance: Es la diferencia algebrica entre los valores superior e inferior delcampo de medida del instrumento. Ejemplo, el receptor utilizado para lacomunicacin entre el radio control y el avin tiene un alcance de 3km .

Automtico: Es todo aquello que se mueve, regula y opera, por s solo,independientemente del medio que lo rodea.Automatizacin: Cosiste en un sistema de control automtico, por mediodel cual el sistema verica su propio funcionamiento, efectuando mediciones ycorrecciones sin la intervencin del ser humano.

Autnomo: Sistema que tiene la libertad de gobernarse por sus propias leyesde control.

C

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Control: Accin ejercida con el n de poder mantener una variable dentro de

un rango de valores predeterminados.Control Automtico: Cosiste en desarrollar la accin de control, sin laparticipacin directa de un ser humano (operario).

D

Desplazamiento: (Fsica) . Es la longitud de la trayectoria comprendida entrela posicin inicial y la posicin nal de un objeto.

E

Eje de Rotacin: Lnea alrededor de la cual se realiza un giro.F

Frecuencia ( f ): Es la inversa del periodo (ecuacin A.2), es decir, es el nmerode revoluciones o vueltas que da un mvil por unidad de tiempo. Se mide ens 1 o hertz (Hz).

f = 1T

= 2

(A.2)

IInercia: Es la propiedad de los cuerpos de resistirse al cambio del movimiento,es decir, es la resistencia al efecto de una fuerza que se ejerce sobre ellos.

L

Ley de conservacin: Las leyes de conservacin se reeren a las leyes fsicasque postulan que durante la evolucin temporal de un sistema aislado ciertasmagnitudes tienen un valor constante. Puesto que el universo entero constituyeun sistema aislado pueden aplicrsele diversas leyes de conservacin.

M

Momento Angular: Es una magnitud fsica importante en todas las teorasfsicas, ya que est relacionada con las simetras rotacionales de los sistemasfsicos. Bajo ciertas condiciones de simetra rotacional de los sistemas es unamagnitud que se mantiene constante con el tiempo a medida que el sistemaevoluciona, lo cual da lugar a una Ley de conservacin conocida como Ley deconservacin del Momento Angular. El momento angular se mide en el SistemaInternacional (SI) en [kg m

2

s ].

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Rapidez Celeridad: Es la relacin entre la distancia recorrida y el tiempo

empleado en recorrerla. La rapidez es una magnitud escalar la cual se mideen las mismas unidades que la velocidad, pero no es un vector como est. Larapidez representa justamente el mdulo de la velocidad.

S

Sistema: Es el conjunto de partes o elementos organizadas y relacionados,que interactan entre en s, para llegar a un mismo objetivo.

Sistemas de Automatizacin: Conjunto de equipos, sistemas de infor-macin, y procedimientos que van a permitir y asegurar un desempeo in-

dependiente del proceso, a travs de operaciones de control y supervisin.Supervisin y Monitoreo: Es el proceso de lectura de valores de las diversasvariable del proceso, con el objetivo de identicar el estado en el que se vienedesarrollando el proceso en un tiempo determinado.

T

Trayectoria: Es el lugar geomtrico de las sucesivas posiciones que va ocu-pando un cuerpo durante su movimiento.

VVelocidad: Magnitud fsica de carcter vectorial que expresa el desplaza-miento de un objeto por unidad de tiempo. En otras palabras la velocidad esla derivada del vector posicin con respecto al tiempo. Expresada en [ms ].

Velocidad Angular: Es la variacin de la posicin angular () respecto altiempo (ecuacin A.5). Se expresa en [radseg ] y se representa con la letra y secalcula de la siguiente forma:

= ddt (A.5)

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Bibliografa

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[5] Flores Colunga, Ramn Gerardo. Modelado, control e implementacin de mi-ni vehculos areos autnomos convertibles. Tesis de Maestra. CINVESTAV,2010.

[6] Escareo Castro, Juan Antonio. Localizacin de un helicptero miniatura utili-zando visin articial. Tesis de Doctorado. CINVESTAV, 2008.

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[13] Wikipedia, http://es.wikipedia.org

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[20] Central Inercial, http://www.robodacta.com

[21] Presin atmosfrica, http://www.cneq.unam.mx

Lecc 6 - Construcción de un DRONE

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