3.2.9 Software de Vuelo
5. CAPÍTULO 3 INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO
5.3. Diseño del sistema electrónico propuesto
Realizadas las simulaciones y el estudio de los campos electromagnéticos emitidos por las líneas de transmisión se presentan varios desafíos y decisiones frente al desarrollo del sistema los cuales están basados en la lectura de campo eléctrico y/o magnético, actualmente se usan métodos para la lectura de los campos principalmente basados en la lectura de campo magnético, para realizar esta lectura existen 2 tipos de sensores en el mercado que se pueden adquirir e implementar en una solución tecnológica, los cuales son los magnetorresistivos usados principalmente para sistema electrónicos en la industria, y los sensores de efecto hall para medir el campo magnético. Los campos magnéticos de las líneas de transmisión y distribución, pueden ser medidos y caracterizados adecuadamente, siempre y cuando no hallan cerca electrodos de tierra, ya que un electrodo enterrado puede generar desequilibrio en la medición. (Misakian, Silva, and Baishiki 1991). La lectura de campos eléctricos presenta retos de diseño de sensores más complejos y experimentales que no aplican a la naturaleza de este proyecto principalmente por su referencia a tierra(Lee et al. 2018; Kang, Yang, and Kim 2017), hay varias referencias en el estado del arte creando sensores en la academia de tipo capacitivos con placas de metal. (Lee et al. 2018) (Lee et al. 2018; Kang, Yang, and Kim 2017; Zhu, Lee, and Pong 2017).
Se propone un sistema electrónico basado en la lectura de intensidad de campos magnéticos para realizar una exploración del comportamiento del campo y su lectura de intensidad a través del sistema
en el VANT. las simulaciones y literatura indican que realmente existe un campo magnético emitido por las líneas de transmisión y este se puede medir, de acuerdo al estudio de sensores disponibles en la industria se selecciona para esta primera versión sensores de efecto hall, los cuales son usados en diferentes aplicaciones en el sector industrial. De acuerdo a la selección realizada de tipo de sensor, se realizó un estudio comercial de los principales sensores disponibles en el mercado local para realizar la medición y el experimento.
Tabla 6. Estudio de sensores de efecto Hall.
Referencia de
sensor Voltaje Corriente
Medición mínima (Gauss) Medición máxima (Gauss) Montaje
superficial en cto sensibilidad
SS495B 4.5 -10.5 V 7 mA -640 640 NO 0.02 G
AH49H 3-8 V 3.2 mA -3000 3000 SI 0.33 mV/G
A1302ELHLT-
T 4.5-6 V 10mA -2000 2000 SI 1.6 mV/G
SS49E 5V-8 V 20mA -1000 1000 NO 1.8 mV/G
A1302KUA 4.5 - 6 V 11mA -1000 1000 NO 0.8mV/G
UGN3503 4.5 - 8 V 13mA -2000 2000 NO 1.3mV/G
CYL3503 2.7-8 V 14mA -2000 2000 NO
7.5 ~ 25 mV/mT
Se propone medir el campo magnético en las unidades de Gauss o Teslas, mediante el principio de efecto hall (Reischl and Ausserlechner 2002; “Hall Magnetic Sensors,” n.d.). Midiendo la tensión originada por el sensor de efecto hall, de acuerdo a los sensores estudiados y disponibles en el mercado mostrados en la Tabla X, se utiliza el sensor 49E inicialmente, el cual nos entregará una medición del campo magnético expresada de manera lineal en voltaje. Este sensor incorpora un amplificador operacional y un ajuste para entregar respuestas lineales en el rango de -1000 a 1000 Gauss. Como se observa en la Figura 4 se puede observar la configuración de acople de la medida mediante amplificador operacional y una gráfica de la respuesta, ambos tomados de la hoja de datos del sensor. sin embargo pensando en posibles variaciones del sensor usado en trabajos futuros, el sistema electrónico propuesto se diseña de tal forma que pueda ser cambiado rápidamente sin afectar la configuración o distribución del sistema, al ser desarrollado teniendo en cuenta el prototipado electrónico rápido o como se conoce en la actualidad tarjeta de desarrollo.
Figura 41. Configuración de acople del sensor según hoja de datos. (Tomado de Hoja de datos Sensor 49E)
La alimentación del sensor según la hoja de datos se encuentra entre 3 y 6.5 V, con una corriente
máxima de salida de 20 mA, sensibilidad de 2.5 mV/G, con un voltaje mínimo de salida de 0.86 V y
máximo de 4.21 V, como se observa en la figura 42. Figura. 42. Campo magnético vs voltaje de salida del Sensor según hoja de datos. (Tomado de Hoja de datos Sensor 49E) Al analizar la gráfica de voltaje de salida vs campo magnético en unidades de Gauss se realiza una
interpolación y se encuentra el valor de la pendiente y solucionando la siguiente ecuación, la cual
relaciona la tensión de salida con el flujo magnético que mide el sensor: Donde 0.0015 es el valor de la pendiente de la gráfica obtenida de la hoja de datos del sensor,
despejando la ecuación, podemos obtener la densidad de flujo magnético a partir de las mediciones
que realice el sensor. Al solucionar la ecuación se integra al programa desarrollador para el MCU del sistema electrónico
planteado, de tal manera que logre la relación necesaria para obtener las medidas del sensor y su
correcta medida, dependiendo de la lectura de voltaje realizada, y posteriormente caracterizada
dependiendo directamente de la distancia. El sistema propuesto se compone de un microprocesador ESP32 configurado para poder ser
programado mediante el IDE de Arduino, un módulo para guardar los datos que sean medidos en una
memoria micro SD, el módulo del sensor propuesto con el amplificador operacional integrado y la
posibilidad de cambiar de sensor, el sensor 49E, una etapa de acople de voltaje y corriente con el
regulador TPS76 con el objetivo de regular el voltaje proveniente del sistema eléctrico del VANT, un
puerto de desarrollo donde se puede conectar puertos IO del microprocesador, un puerto para conectar
y realizar pruebas con el control de vuelo seleccionado del VANT, en la siguiente figura se muestran
esquemático del prototipo de sistema electrónico, en el Anexo 2 y 3 se muestra el esquemático y PCB diseñados en el software Altium.
Figura 43. Diagrama esquemático de circuito propuesto para el sistema embebido.
De acuerdo a los alcances y limitaciones del proyecto, se monta en prototipo de manera ágil por modulos electronicos para la realización de pruebas y configuraciones, en figura 44 se observa el sistema integrado y funcionando mediante una alimentación de proveniente del VANT.
Figura 44. Circuito para la detección de campo magnético.
Los datos obtenidos son almacenados en una memoria micro SD, para posteriores análisis de los datos,
y a su vez son entregados en tiempo real a un sistema mediante puerto serial para poder determinara la
operación de las comunicaciones con el control de vuelo del VANT. Se observa que el sensor detecta
la presencia de campos magnéticos emitidos por un imán de neodimio en el laboratorio, en ambas
direcciones, donde se registra variación en las medidas de campo en Gauss de acuerdo a la
programación realizada en el ESP32.
5.4. Interfaz sistema embebido con el VANT
Conceptualizado, diseñado y configurado el sistema embebido propuesto, es necesario establecerconexión con el computador de vuelo o control de vuelo del VANT, para este proyecto se seleccionó
el control de vuelo Pixhawk del vehículo IRIS de 3D Robotics, el cual es open source y gracias a la
documentación técnica es posible realizar operaciones y desarrollos sobre los controladores de vuelo.
Para realizar tareas de diseño sobre el controlador de vuelo se usa el paquete de desarrollo dronekit
(Robotics, n.d.) basado en ardupilot y compatible con el controlador de vuelo, en primera instancia se
dispone de un entorno de desarrollo virtualizado sobre una máquina virtual con Linux, la cual simula
completamente el comportamiento y control de vuelo del VANT y facilita las tareas de desarrollo y
pruebas sobre el controlador. Ardupilot integra una serie de parámetros y protocolos de
comunicaciones mavlink (Dronecode project n.d.), el cual está integrado a la plataforma de desarrollo
y permite establecer conexión entre una estación terrena y el VANT, y así mismo enviar las órdenes
desde una interfaz con linux al control de Vuelo para poder determinar las acciones de control de
vuelo. Para realizar las tareas de control de vuelo del VANT el controlador de vuelo tiene cargado un
firmware (Ardupilot, PX4) que permite realizar las operaciones para que el vehículo pueda volar y
realizar misiones, gracias al SDK DroneKit es posible instalar las herramientas necesarias de
desarrollo en una máquina virtual de linux ubuntu mediante python permitiendo recrear la operación
completa del vehículo en un sistema simulado virtualizado. como se muestra en la Figura 45, se diseñó
el laboratorio para poder realizar las tareas de desarrollo sobre el sistema del VANT. El sistema simulado consta de una máquina virtual con sistema operativo Ubuntu con la capacidad de
conectarse a una red LAN, con python, dronekit y mavlink instalado, esta máquina la llamaremos
VANT virtual y es capaz de comportarse con un VANT real, la cual facilita las tareas de desarrollo y
pruebas. A este VANT virtual se conecta mediante IP una máquina remota, la cual está conectada al
sistema planteado de sensado de campo magnético y el cual será la indicación para poder realizar la
operaciones de vuelo sobre el VANT virtual. Figura 45. Descripción del sistema con VANT completamente simulado. El objetivo del experimento es poder realizar operaciones en vuelo con el VANT virtual cuando se
misión de vuelo en el VANT virtual la cual se debe interrumpir cuando se presente la detención de
campo magnético y el VANT debe retroceder en sentido contrario a donde estaba avanzado. En la
figura 46 se muestra el monitoreo en tiempo real al VANT virtual en el momento que realiza la
operación requerida por la detección de campo magnetico en el ESP32. En el anexo 4 se encuentran los scripts desarrollados.
a) detección de campo magnético por el ESP32.
b)Telemetría e identificación del cambio de modo de vuelo y operación en el VANT.
c)Monitoreo del VANT virtual mediante Estación terrena conectada por TCP/IP.
Una vez se realizaron las tareas de desarrollo sobre el VANT virtual, se puede establecer conexión y pruebas con el VANT real, el cual se puede conectar a través de su sistema de telemetría mediante una conexión serial a la antena que funciona a una frecuencia de 900 Mhz, como se muestra en el diagrama de la figura 47.
Figura 47. Descripción del sistema con VANT real 3DR-IRIS
Al lograr realizar operaciones de modificación de parámetros, configuraciones, y acciones en el controlador de vuelo del VANT real, se determina que es posible lograr acción sobre el VANT al momento de la detección de campo magnético y con la creación de scripts, en la figura 48 se muestra el VANT con el sistema real integrado para pruebas en el laboratorio de la Universidad.
Figura 48. VANT real 3DR-IRIS con sistema planteado integrado para pruebas en laboratorio.
6. Logros del proyecto
Al realizar la investigación mencionada en este documento se realizaron importantes aportes al
desarrollo de la investigación dejando el nombre de la universidad en alto. Se presentó la idea central
de este proyecto como ponencia en un evento (The 9th International Congress on Engineering and
Information) en Osaka, Japón en Mayo del 2019, mostrando el objetivo de la tesis y las simulaciones
realizadas para poder entender el fenómeno de los campos electromagnéticos de las líneas de
transmisión. Se realizaron numerosas presentaciones del desarrollo del proyecto en eventos académicos y de
investigación en la Universidad Distrital, como el Drone Talks 2019, realizado en la universidad
donde se presentaron los mayores avances en materia de VANT aplicados y desarrollos sobre los
sistemas de control, así como presentaciones al Ejército Nacional. Se presentó el trabajo en el CITIE
2019, evento que al aceptar la ponencia publicara los artículos en el 2020. Se logró trabajando mancomunadamente con los ingenieros de la red de investigaciones de la
universidad distrital, diseñar un servicio para poder simular un VANT completamente permitiendo
cargar misiones e interactuar con el vehículo aéreo sin necesidad de realizar operaciones reales de
vuelo, al poder simular el control de vuelo y conectarlo a una estación terrena mediante los servicios
de la red de investigaciones se abre la puerta para futuras investigaciones en este campo, contando con
una herramienta que ahorrará, tiempo, dinero y logística para realizar pruebas en los controles de
vuelo. Al realizar los programas o scripts para interactuar con el VANT virtual, solo se debe hacer el ajuste de comunicación al VANT real para cargar las operaciones desarrolladas.
7. CONCLUSIONES
● Para el estudio del campo magnético se debe tener en cuenta que tiene importantes
variaciones temporales principalmente debido a la variación de la carga en la línea de
transmisión, al realizar la simulaciones que permiten estudiar el comportamiento dinámico
del campo magnético generado mediante el post-procesamiento con vectores normalizados se
logró evidenciar la densidad de campo magnético y su variación, se calculó su valor RMS y se
podrá realizar lectura del fenómeno con un sensor de efecto hall, que aunque no tiene la
mayor sensibilidad detecta los cambias e influencia del campo, que disminuye con la
distancia. ● La distancia es parte importante en la medición y simulación MEF de la densidad de flujo de
campo magnético eficaz, puesto que su magnitud varía rápidamente al alejarse de la línea, el
valor de Brms simulado fue de 940 mG y se simuló a 1 m de distancia de la línea,
mientras que el experimental fue tomado de 0-15m y una distancia de 1m es aproximadamente de 1500 mG, esto indica que la simulación presenta errores debido a falta
de ajustes de configuración en la simulación principalmente en los valores de permeabilidad
magnética, humedad de aire y la ausencia de terreno o suelo y su efecto en la simulación. ● Las líneas de transmisión en Colombia que se referencian en esta investigación son de 220 y
230 kV, en Colombia la gran mayoría las líneas de transmisión de alta tensión son de este
voltaje, con cerca de 12 mil km de líneas tendidas en el país, se logra evidenciar los
procedimientos de inspección visual que se realizan sobre las infraestructura y la importancia
de realizar estos procesos. ● Al desarrollar los objetivos se puede concluir que se podrá proporcionar al VANT la
capacidad de detectar la densidad de campo magnético asociado a la distancia, brindando al
operador de la aeronave, una herramientas de monitoreo para que este proceso de inspección
no dependa solo de su experticia como operador, y así, disminuir el riesgo de pérdida del
equipo y de fallo la misión de vuelo. ● El sensor seleccionado cuenta con una sensibilidad muy alta para el proceso de medición de
campos electromagnéticos de baja frecuencia, si se implementara este sistema en un VANT,
es posible que no se alcance a detectar la variación del campo, por este motivo se plantea el
prototipo con la posibilidad de intercambiar y realizar nuevamente la configuración de
sensores. El posible desarrollar un sistema para adquirir datos de campo magnético basado en
el sensor de efecto hall, obtener los datos y enviarlos a internet o almacenarlos para poder
procesar y analizar la información posteriormente. Es clave la sensibilidad del sensor. ● En los VANT se pueden presentar errores de ubicación y funcionamiento en presencia de
campos electromagnéticos emitidos por líneas de transmisión, actualmente estos vehículos
vital importancia desarrollar sistemas, investigaciones y desarrollos que aporten al control de
vuelo de estas aeronaves en las tareas realizadas. ● Al estudiar el campo magnético emitido por las líneas de transmisión se evidencia que el
comportamiento del campo es variable y se debe a las características y comportamiento de la
carga en un instante de tiempo en la línea de transmisión, por tal razón varía la corriente
inducida y a su vez la densidad de campo magnético por circuito en la línea de transmisión. ● La Distancia mínima de seguridad para realizar trabajos sobre la línea de transmisión y la
zona de servidumbre indican las barreras invisibles que se tienen en cuenta para el
acercamiento a la línea de transmisión al momento de realizar la inspección, al detectar la
variación de densidad de flujo magnético dependiendo directamente de la corriente y
presentándose casos en los cuales la corriente puede ser baja pero la tensión muy alta, se
concluye que tomar otro sistema de referencia para acercar el VANT a línea parece más
viable, como por ejemplo el análisis y procesamiento de imágenes en tiempo real. ● Al determinar que la corriente en la línea de transmisión varía con la carga de la línea, en un
instante de tiempo la carga puede ser muy baja o cero lo que significa que la densidad de
campo magnético será muy baja o cero, por lo anterior es posible que el sistema basado en la
lectura de campo magnético no sea completamente fiable, al ser muy baja la corriente no
significa que el voltaje o la diferencia de potencial sea baja, lo cual puede presentar un error a
los operarios al no identificar campo magnético cuando la corriente esté baja y se cree la
imagen de que la linea no está energizada. ● Es posible realizar operaciones de control sobre el VANT basados en lecturas de sensores,
para este proyecto sensor de campo magnético, permitiendo realizar misiones y operaciones especiales con los VANT.
8. TRABAJO FUTURO
Este proyecto abre las puertas a posibles desarrollos enlazando la influencia de los campos
electromagnéticos emitidos a baja frecuencia por las líneas de transmisión y distribución y el VANT,
al existir estos campos en el futuro se podrán desarrollar dispositivos específicos para el estudio de los
campos desde estos vehículos aéreos lo cuales servirán para seguir estudiando el fenómeno
especialmente referenciado a las influencias de los campos de baja frecuencia en los seres vivos. Para las simulaciones específicamente es recomendable realizar un mayor número de simulaciones
MEF con variaciones en los materiales y refinamiento de malla, esto con el propósito de mejorar la
precisión de los valores obtenidos de densidad de flujo de campo magnético en función de la
distancia. Al ser posible detectar los campos electromagnéticos, su composición, variación y dirección de
acuerdo a las configuraciones de las líneas de transmisión el VANT podrá realizar el seguimiento
automático de las líneas de transmisión sin depender de la orden del operador humano, optimizando y
automatizando los procesos de inspección, los cuales en el futuro podrán ser prácticamente autónomos
reportando los resultados de las inspecciones sobre la infraestructura a la central de la empresa de
energía y encargada de las tareas de mantenimiento preventivo y correctivo. En el futuro dependiendo
del avance del estudio sobre la influencia de los campos electromagnéticos, los circuitos de carga y
batería del VANT, surgirá una línea de desarrollo para que a través de los campos electromagnéticos
el VANT cuente con un sistema de carga inalámbrica de energía, facilitando la operación y
aumentando el tiempo de desarrollo de las operaciones. Realizar pruebas variando los tipos de Sensores implementados en el VANT, y realizar una
comparación de sensores de cuerpo libre de campo eléctrico y la medición de sensores de campo magnético.
9. REFERENCIAS
3DR. 2019. “3DR.” 3DR. 2019. https://3dr.com/.
“99/03174 Calculation of Magnetic Fields from Electric Power Transmission Lines.” 1999. Fuel and
Energy Abstracts. https://doi.org/10.1016/s0140-6701(99)91129-3.
ANSYS, and Inc. 2001. ANSYS, Inc. Theory Reference: ANSYS Release 6.0.
Aviación Civil Internacional OACI, Organización de. 2011. “Sistemas de Aeronaves No Tripuladas (UAS).” 999 University Street, Montréal, Quebec, Canada H3C 5H7: www.icao.int.
Bhola, Rishav, Nandigam Hari Krishna, K. N. Ramesh, J. Senthilnath, and Gautham Anand. 2018. “Detection of the Power Lines in UAV Remote Sensed Images Using Spectral-Spatial Methods.”