Descripción: |
En el presente trabajo de tesis se muestra el desarrollo de un sistema
electrónico capaz de medir parámetros de interés en
un vehículo aéreo con la finalidad de generar una acción
de control simple que permita al vehículo mantenerse estable en una
posición horizontal. El móvil a controlar es un sistema
mecatrónico que tiene como objetivo final realizar monitoreo aéreo;
este proyecto ha sido propuesto y desarrollado como un trabajo de tesis conjunto
por lo que en este reporte solo se describe el sistema de control propuesto
y se dan detalles de la construcción de 4 estructuras que se realizaron
con la finalidad de realizar pruebas. La parte complementaria de esta tesis
es realizada por el estudiante Luis Suarez Partearroyo el cual se dedicó
a realizar la parte estructural del vehículo [1].
En este documento se describen las acciones realizadas sobre las 3 de las
principales partes de este vehículo: los sensores, los actuadores
y el sistema de procesamiento de información. La parte de los sensores
comprende de un medidor ultrasónico que permite determinar distancia
y de un acelerómetro, el primer dispositivo nos permite saber la distancia
de este dispositivo con respecto al suelo y el segundo nos permite saber
su inclinación. Los actuadores son básicamente 4 motores de
corriente directa que hacen girar unas hélices para poder levantar
al vehículo del suelo, finalmente el sistema de procesamiento de
información es un microcontrolador que nos permite manejar los datos
obtenidos de los componentes anteriores y generar una acción de control
proporcional simple realizado en base a la experimentación.
Este dispositivo utilizara 4 motores en torno a una parte central donde se
ubica todo el sistema de control, cada motor está ubicado sobre el
mismo eje en los extremos de 4 brazos ubicados a 90° cada uno.
Para realizar la medición de la altura se eligió el sensor
de distancia ultrasónico SRF05 porque tiene la opción de medir
4 metros de distancia con una gran precisión además de poder
mandar y recibir pulsos ultrasónicos desde la misma terminal para
facilitar la comunicación con el microcontrolador. Su funcionamiento
básico es mandar pulsos ultrasónicos los cuales al chocar contra
un objeto producen eco que es recibido por el sensor y de esta manera se
mide la distancia al objeto [2].
Las mediciones de inclinación y cabeceo del vehículo se realizan
gracias a un acelerómetro que es capaz de determinar el nivel de
inclinación que este presenta en relación a las aceleraciones
detectadas, el acelerómetro utilizado en esta tesis proviene de un
control Nunchuk de las consolas Wii el cual tiene la capacidad de medir 3
ejes: ´X´, ´Y´ y ´Z´ [3]. El costo de este acelerómetro es mucho más
barato comparado con los dispositivos discretos que se utilizan para montaje
superficial, además tiene la ventaja de contener 2 botones y una
pequeña palanca que pueden ser usados en aplicaciones posteriores.
La información generada por estos sensores debe procesarse y enviarse
tanto para la acción de control de motores como para su
visualización, por lo tanto es necesario utilizar un microcontrolador
que nos permita esa opción.
El dispositivo elegido es el sistema denominado Arduino [4] en su versión
"Arduino Diecimila" que básicamente es una tarjeta que contiene un
microcontrolador Atmega168-20PU de la marca Atmel y cuyas posibilidades son
muy amplias y apropiadas para este trabajo, como por ejemplo el envío
y representación de datos de manera serial en tiempo real, el control
de PWM y la posibilidad de alimentar a otros dispositivos con 3.3 V y 5 V.
El sistema de control fue realizado por medio de código Java programado
en la interfaz con la que cuenta Arduino en su versión "Arduino 13"
. En este programa se toman en cuenta las variables que nos da el
acelerómetro y el sensor de altura para controlar los 4 motores, los
cuales dependiendo de la inclinación detectada aumentaran su velocidad
para mantener el vehículo en una posición estable.
Con la finalidad de probar el sistema desarrollado se construyeron 4 estructuras
que sirven como prototipo para el sistema Mecatrónico de monitoreo
Aéreo y que muestran la evolución de esta tesis. La primera
estructura sólo fue de prueba y se hizo a base de madera con la finalidad
de tener en cuenta las probables dimensiones que este utilizaría con
referencia a dispositivos similares, la segunda estructura se realizo para
comprobar el funcionamiento de los motores de DC utilizados en aviones de
control remoto y determinar si estos servirían para este tipo de
aplicación, la tercera estructura se hizo más ligera y se adapto
para utilizar motores sin cepillado exclusivos para este tipo de aplicaciones.
Al momento de utilizar la 3ra estructura se contaba con nuevas piezas para
probar el correcto funcionamiento del dispositivo, algunas de estas fueron
unas hélices de paso invertido para controlar los torques producidos
por los 4 motores y evitar que de esta manera el dispositivo al volar girara
entorno a su propio eje, también se utilizaron ESC (Electronic Speed
Controller); los cuales nos sirven para la alimentación de los motores
y para poder subministrar el PWM a estos, se contó también
con una nueva batería de Li-Po para alimentar a los motores y una
batería de NiCd para alimentar al Arduino, la mayoría de estos
dispositivos fueron elegidos al observar dispositivos similares de la marca
DRAGANFLY [5]. La cuarta estructura fue realizada con el fin de optimizar
espacio, aligerar el peso del vehículo, mejorar la conexión
entre los componentes y el de contar con sistemas de protección para
la estructura y los componentes.
De esta manera gracias al sistema de control, a las estructuras y a las pruebas
realizas en esta se comprobó que este dispositivo tenía la
capacidad de elevarse y de cumplir con el sistema de control proporcional
simple.
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