CUADRICOPTERO PARA EXPLORACIÓN AÉREA EN ZONAS DE DESASTRE

Transcripción

1 CUADRICOPTERO PARA EXPLORACIÓN AÉREA EN ZONAS DE DESASTRE Presentan: Gabriel Hernández Pérez, David Ángeles de la Cruz, RESUMEN En el Taller de Robótica Abierta de la Facultad de Ingeniería se desarrollan diversos proyectos especialmente en Robótica Móvil. Uno de estos proyectos es el desarrollo de un Cuadricóptero, es decir un vehículo aéreo no tripulado para exploración en zonas de desastre. Este Cuadricóptero es un complemento al Robot de exploración terrestre que se desarrolla igualmente en el Taller. INTRODUCCIÓN Desarrollar tecnologías relacionadas con Vehículos Aéreos no Tripulados (UAV por sus siglas en inglés), era muy raro debido al alto costo de construcción y mantenimiento. Y esto quedaba limitado a investigaciones de tipo militar. Los UAV se pueden clasificar en grandes, medianos y pequeños. Dentro de los UAV grandes existen naves como el RQ-4 Global-Hawk de los EEUU, el cuál es de gran tamaño y capacidad de carga, pero su costo es de varios millones de dólares. Los UAV medianos igualmente pueden ser muy costosos y restringidos a aplicaciones militares como el RQ-1 Predator de los EEUU, cuyo costo es igual de varios millones de dólares. Dentro de los AUV pequeños están los de tipo avión o de tipo hélice (multirotor). Un multirotor es una aeronave clasificada como de despegue y aterrizaje vertical, y cuyas capacidades de maniobrabilidad de vuelo son muy superiores a los de tipo avión. La mayoría de estos vehículos usan hélices de paso fijo, simplificando su diseño y reduciendo costos de fabricación. Hay varias configuraciones multirotor, tricópteros, cuadricópteros, hexacópteros, entre otros. El proyecto que se desarrolla en el taller es de cuatro hélices.

2 DESARROLLO Los cuadricópteros son una popular plataforma de investigación por su simplicidad de construcción y mantenimiento. Es un sistema mecatrónico, compuesto de una estructura mecánica, componentes electrónicos, programación y control. Utiliza cuatro motores en total en una configuración de cruz. También cuenta con dos pares de hélices de paso fijo con rotación contraria. Así, mientras que los rotores encontrados 1 y 3 giran en sentido anti horario, los motores 2 y 4 giran en sentido horario lo que cancela casi en su totalidad el efecto giroscópico presentado en los helicópteros comunes pero que es utilizado en el Cuadricóptero para cambiar su orientación. La fuerza de empuje total es igual a la suma de las fuerzas de empuje de cada uno de los cuatro rotores. El peso y el consumo de energía son factores críticos en el diseño de un vehículo aéreo multirotor. Para cumplir con los requisitos para el logro de vuelo autónomo, el Cuadricóptero está equipado con sensores y dispositivos eléctricos, tales como baterías de alto desempeño tipo LiPo, motores eléctricos de C.D. sin escobillas, un controlador de velocidad electrónico (ESC) por cada motor, sensores de posición, transmisor y receptor de radio, y un módulo de control general. Por lo anterior, se puede decir que la dimensión, el peso y los requerimientos de potencia deben ser cuidadosamente definidos. Algunos de los sensores más comunes que se han empleado en estos sistemas, son las Unidades Medidoras de Inercia (IMU, Inertial Measurement Unit) que integran acelerómetros, girómetros y magnetómetros de forma cada vez más compacta y con mayor sensibilidad; además, están también los sistemas de geoposicionamiento (GPS, Geo-Positioning System), las videocámaras, sonares y sensores láser entre otros. Los Cuadricópteros tienen varias áreas de aplicación como vigilancia aérea local, exploración militar, grabación de vídeo y toma de fotografías aéreas, aplicaciones recreativas en aeromodelismo, inspección aérea de recursos forestales, evaluación de riesgos en áreas sensibles y más. Por todas estas razones, hoy en día muchos grupos de investigación se dedican a desarrollar nuevas estrategias de control y nuevos sistemas de censado para medir o estimar el estado total del vehículo aéreo. Aunque existen ahora muchos Cuadricopteros comerciales los cuales son bastante accesibles en precio, para este proyecto se decidió no comprar un Cuadricóptero totalmente armado sino diseñar uno propio, aunque si se compraron los componentes que lo constituyen como motores, controladores, etcétera. Se hizo un diseño mecánico para colocar todos los componentes.

3 Se diseñaron tarjetas electrónicas de control donde se montan los sensores y conectores necesarios. También se diseño una tarjeta de potencia que permite la fácil conexión de las baterías y los cables de los motores con su respectivo controlador de velocidad. Para alcanzar el correcto objetivo del proyecto son necesarios diferentes componentes, que los podemos clasificar por sistema como: Mecánica -Estructura de aluminio soldado, que garantiza la perpendicularidad de los brazos del Cuadricóptero, una sola pieza. -Motores sin escobillas de 400 vatios con hélice paso 12 por seis pulgadas de largo. Eléctrica de Potencia -Una batería de Litio- Polímero (Li-Po) de 8400 mah, con coeficiente de descarga 40C. -Tarjeta de distribución de energía. -Controles electrónicos de velocidad (ESC) para motores sin escobillas de 25 Amperios. Electrónica de control -Microcomputadora Beagle Bone Black como unidad de procesamiento. -Tarjeta de sensores y comunicación inalámbrica. Sensores -Potenciómetro como sensor de batería. -Unidad de medición de Inercia de 9 grados de libertad con acelerómetro, girómetro y magnetómetro, para medir los movimientos lineales y angulares. -Sensor ultrasónico, para determinar la distancia del cuadricoptero al suelo. -Sensor de altura barométrico Comunicación -Módulo de radiofrecuencia X-Bee. -Modulo Wi-Fi.

4 La parte académica en este proyecto es muy importante, y en el se necesitan los conocimientos aprendidos durante toda la carrera de Ingeniería Mecatrónica. Las disciplinas en las que los colaboradores se han enfocado son Procesamiento de Señales Digitales, Programación y sobre todo Control Automático. Esta última parte de Control Automático es medular en este proyecto. Se han estudiado modelos matemáticos propuestos en la literatura y métodos de control que permitan un vuelo estable. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES El cuadricóptero es un sistema mecatrónico con muchas aplicaciones útiles de exploración aérea. Es un sistema rico en análisis teórico y aplicación de diversas técnicas estudiadas en la Teoría de Control Automático. Actualmente, después del proceso de selección de componentes, diseño mecánico y electrónico, se tiene un prototipo con el cual ya se hacen pruebas de funcionamiento de motores, sensores y dispositivos de comunicación inalámbrica. Aún se está trabajando en la complicada parte de estabilidad de vuelo, y posteriormente se trabajara en transmisión y procesamiento de video. 1 Imagen del prototipo de pruebas

5 AGRADECIMIENTOS Al proyecto PAPIIT (Programa de Apoyo a Proyectos de Investigación e Innovación Tecnológica) FinDER: Robot de búsqueda en entornos de desastre por su apoyo para la realización de este proyecto. REFERENCIAS [1] Luis Antonio Juarez García de León. Construcción y control de Estabilidad de un Cuadricóptero. Tesis Licenciatura. Facultad de Ingeniería. UNAM. México D.F. Enero 2012 [2] Luis F. Luque Vega, Víctor F. Garay Monroy, Bernardino Castillo Toledo, Alexander G. Loukianov. Diseño de Vehículos Aéreos No Tripulados Multirotor. Cinvestav, Guadalajara, Jalisco.