Desarrollo de un Sistema de Vuelo Autónomo para Aplicaciones Forestales Utilizando LabVIEW "La estación terrena nos permite establecer la comunicación con los circuitos electrónicos a bordo, haciendo posible modificar parámetros de la ley de control en tiempo real directamente en un ambiente gráfico." - Luis Fernando Luque Vega, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional El Reto: El desarrollo del sistema pretende resolve el problema de la identificación temprana de incendios en zonas forestales teniendo una mayor importancia en zonas de difícil acceso. La Solución: Este artículo presenta el diseño y construcción de un helicóptero de 4 rotores Quadrotor y de su estación de control y monitoreo terrena desarrollada en el entorno gráfico de programación LabVIEW. Con la finalidad de estabilizar la aeronave un controlador PID es implementado. Autor(es): Luis Fernando Luque Vega - Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional Alejandro Trejo Letechipia - Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional Bernardino Castillo Toledo - Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional I. INTRODUCCION El interés en los vehículos inteligentes ha crecido recientemente como resultado de su variado campo de aplicaciones. Los vehículos aéreos no tripulados (del inglés Unmanned Aerial Vehicle-UAV) se utilizan para realizar tareas como vigilancia, inspección, búsqueda y rescate, entre otras, las cuales pueden ser aprovechadas tanto por el sector público como privado. En la actualidad, los incendios forestales han afectado miles de hectáreas de bosque. En abril de 2009, el Centro Nacional de Control de Incendios Forestales, de la Comisión Nacional Forestal (Conafor), informó que se presentaron 621 siniestros en 29 entidades federativas de la República Mexicana. Por lo anterior, la Conafor creo el Programa Nacional de Protección contra Incendios Forestales, el cual se divide en tres grandes momentos: prevención, detección y combate. La detección temprana de un incendio implica una mayor capacidad de respuesta a la hora de su combate, por lo cual representa un punto clave para el programa, de ahí la importancia del desarrollo de un sistema robusto capaz de cumplir con esta tarea de manera eficiente y confiable. Los avances tecnológicos en materia de sensado, procesamiento, almacenamiento de energía, entre otros, aumenta el potencial productivo de nuevos prototipos y hacen posible la construcción de UAVs. El desarrollo de plataformas para sistemas de vuelo autónomo representa un reto importante, debido a que se requieren sistemas de control de vuelo que sean capaces de seguir una trayectoria de manera precisa aun en condiciones de viento o turbulencias. El sistema de vuelo autónomo presentado en este artículo consiste de un quadrotor y de una estación en tierra usando el entorno gráfico de programación LabVIEW (http://www.ni.com/labview/esa/). El sistema permite la comunicación inalámbrica entre la estación terrena y el helicóptero, el enlace proporciona datos en tiempo real provenientes de los sensores a bordo, particularmente aquellos que describen la posición del objeto y las imágenes obtenidas de la cámara de video, que sirven para monitorear el estado actual de la aeronave, recopilar información del terreno y establecer comandos de control de vuelo. El esquema del sistema desarrollado se muestra en el diagrama de la Figura 1. II. DESCRIPCION DEL PROTOTIPO El esquema de funcionamiento del helicóptero quadrotor se muestra en la Figura 2. El movimiento de la aeronave se logra variando la velocidad rotacional de los rotores. Cada rotor consta de un motor brushless de corriente directa y una hélice con ángulo de ataque fijo. Los 2 pares de rotores (1,3) y (2,4) giran en direcciones opuestas con la finalidad de balancear los momentos generados.. Para incrementar (disminuir) la altitud en el eje z es necesario aumentar (reducir) la velocidad de los 4 rotores simultáneamente. Para mover el helicóptero hacia adelante (atrás) la velocidad del rotor trasero se aumenta (reduce), y simultáneamente, la velocidad del rotor delantero se reduce (aumenta) en la misma cantidad. El desplazamiento lateral se ejecuta con la misma lógica, pero utilizando los rotores laterales. Para lograr el movimiento de guiñada (yaw) en sentido anti-horario se debe aumentar la velocidad del par de rotores con sentido horario mientras se reduce la de los rotores con sentido anti-horario, y viceversa. Para el desarrollo de la plataforma fue necesario diseñar y construir un quadrotor, esto con la intención de no solo trabajar en la parte de integración de tecnologías, sino también, relacionarnos con la parte de generación de un prototipo partiendo de cero. Con esto se pretende producir como producto final un sistema de vuelo autónomo confiable, robusto y lo más importante, hecho en México. El equipo que se utilizo tanto para la construcción del quadrotor, como para la estación terrena se muestra en la tabla I. TABLA I MATERIAL ELECTRONICO Y MECANICO No. de Nombre del Artículo Piezas 4 Motor Brushless CD AXI 2217/9D LINE 4 Batería LiPo 11.1V 2100mAh 20C POWER 4 Controlador Electrónico de Velocidad 55/70A ELECTRON 2 Hélice APC 9X6E 2 Hélice APC 9X6EP 4 Adaptador para Hélice - 4/M6 1 Paquete Robotics wifi pro FCC 1 Unidad de Medida Inercial IMU MicroStrain 3DM-GX2 1 C04-5H GPS Smart Antenna LEA-5H 1 Control Remoto SPECTRUM DX6I 6 Channel FR @ 2.4GHz 1 Sistema de Video con Cámara KX191 @ 2.4GHz 1 Laptop SONY pentium4 1 Tarjeta de Adquisición DAQCard-6024E 1 Radiomodem MaxStream 2.4GHz @ 19.2Kbps Lea el Caso de Estudio Completo La estructura del quadrotor es de fibra de carbono, con una dimensión de 110 cm. de motor a motor y presenta una masa de 2 Kg. El suministro de energía para la aeronave se realiza con 4 baterías LiPo conectadas en paralelo, con esto se obtiene una autonomía de vuelo de 5 min. Por otro lado, la unidad de medida inercial (del inglés Inertial Measurement Unit), el GPS y la tarjeta de control se comunican de manera dúplex con el ordenador en tierra 1/5 www.ni.com
por medio de un radio-modem que opera a una frecuencia de 2.4GHz. El sistema de video a bordo consiste de una cámara de video inalámbrica con resolución de 520 líneas, además de un transmisor a 2.4GHz y a una potencia de 1000mW. En la estación en tierra se cuenta con un receptor dedicado solo a la captura de imágenes que provienen de la cámara. El rango de alcance de la comunicación inalámbrica es de 3 Km. El prototipo final se muestra en la Figura 3. III. ESTACION TERRENA UTILIZANDO LABVIEW Para cumplir los objetivos bajo los cuales se fundamenta el diseño y construcción del sistema es importante contar con una interfaz del usuario donde primeramente despliegue los datos de vuelo del vehículo y además muestre el video en tiempo real de la zona que esta siendo sobrevolada. LabVIEW se presenta como una entorno confiable para el desarrollo de este tipo de plataformas y su programación gráfica aporta las herramientas necesarias para la implementación. La interfaz del usuario reúne las siguientes características: Gráficas que describen la posición tanto traslación y rotacional del helicóptero. Pantalla que despliega el video capturado por la cámara. Una serie de controles que permiten controlar el movimiento de la aeronave desde la estación. Funciones y parámetros de configuración para el enlace inalámbrico. Envió de comandos que la nave identifica como instrucciones ha realizar en el código interno que gobierna la tarjeta de control del helicóptero. Cuando se habilita el modo manual en la interfaz del usuario los valores que tienen los cuatro controles representados como: aceleración, pitch, yaw y roll son enviados al helicóptero como variables de control directas para ser ejecutados por la tarjeta de control, en caso de que tales instrucciones lleven a un funcionamiento inadecuado en el movimiento de la aeronave el programa interno las discriminará y corregirá automáticamente la posición. De igual manera es posible enviar comandos para su ejecución, los cuales fueron previamente cargados en el programa interno del helicóptero, y modificar el funcionamiento. El ambiente grafico de la estación en tierra se muestra en la Figura 4. IV. DIAGRAMA DE TRANSICION DE ESTADOS El diagrama de flujo de la lógica de control para el sistema de vuelo autónomo se muestra en la Figura 5. V. CONCLUSIONES El desarrollo del sistema pretende resolver elroblema de la identificación temprana de incendios en zonas forestales teniendo una mayor importancia en zonas de difícil acceso. Es posible dotar a la aeronave de sensores para diferentes variables y obtener mas información acerca de las areás que se sobre vuelan. Las fases de diseño y construcción del proyecto tiene su fundamento en la futura replica para obtener cuadrillas completas de inspección e identificación de terrenos pudiendo de esta manera abarcar áreas mas extensas. El prototipo del helicóptero de cuatro motores es usado también para probar nuevas técnicas de control automático. Información del Autor: Luis Fernando Luque Vega Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional Av. Cinetífica No. 1145, Col. El Bajío Zapopan 45010 México Tel: 52 (33) 37773600 Fax: 52 (33) 3777 3609 lluque@gdl.cinvestav.mx (mailto:lluque@gdl.cinvestav.mx) Figura 1. Esquema del sistema de vuelo autónomo. 2/5 www.ni.com
Figura 2. Principio de funcionamiento del helicóptero quadrotor. Figura 3. Prototipo del helicóptero quadrotor final. 3/5 www.ni.com
Figura 4. Pantalla para usuario. 4/5 www.ni.com
Figura 5. Diagrama de flujo de control. Legal Este caso de estudio (este "caso de estudio") fue desarrollado por un cliente de National Instruments ("NI"). ESTE CASO DE ESTUDIO ES PROPORCIONADO "COMO ES" SIN GARANTÍA DE NINGUN TIPO Y SUJETO A CIERTAS RESTRICCIONES QUE SE EXPONEN EN LOS TÉRMINOS DE USO EN NI.COM. 5/5 www.ni.com