Diseño e Implementación de una Interfaz de Control para el Helicóptero Quanser 2 Dof

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(1)DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UNA INTERFAZ DE CONTROL PARA EL HELICOPTERO QUANSER 2 DOF. DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A CONTROL INTERFACE FOR THE HELICOPTER QUANSER 2 DOF Yarokxy Arjadis Lázaro Mejía ∗, Fabián Andrés Reyes Romero **, Henry Alberto Hernández ***, Lely Adriana Luengas****. Resumen: En el presente artículo se expone el diseño e implementación de una interfaz de control para el helicóptero Quanser 2 DOF [1] de los laboratorios de electrónica de la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, con el fin de reacondicionar el helicóptero Quanser 2 dof que se encontraba en desuso. Para solucionar esta problemática se diseñó un hardware usando un microcontrolador y una interfaz gráfica diseñada en el software Matlab, logrando así recuperar una herramienta de la universidad que será de gran utilidad para los estudiantes de tecnología en electrónica, ingeniería en control y afines.. ∗ Estudiante de Tecnología en electrónica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad tecnológica, Bogotá, Colombia, e-mail: [email protected] ∗∗. Estudiante de Tecnología en electrónica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad tecnológica, Bogotá, Colombia, e-mail: [email protected] Ingeniero en Control, Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad tecnológica, Bogotá, Colombia, Docente Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad tecnológica, Bogotá, Colombia e-mail: [email protected] ***. Ingeniera electrónica, Universidad Autónoma, Bogotá, Colombia, Magister en Ingeniería Eléctrica, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia, PhD en Ingeniería, Pontificia Universidad Javeriana, Bogotá, Colombia, Docente Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad tecnológica, Bogotá, Colombia e-mail: [email protected] ****.

(2) El hardware cuenta un protocolo de comunicación vía USB, con el cual envía al computador los datos que lee de los dos sensores encoders, con los que cuenta el helicóptero. Y a su vez genera una señal de voltaje, para controlar las fuentes de poder. Logrando establecer un lazo cerrado en conjunto con la interfaz de control, en la cual se realiza el control de los dos grados de libertad del helicóptero. Palabras claves: Microcontrolador, Control, Lazo Cerrado, Matlab, Quanser 2 Dof, Encoder Cuadratura, Abstract: In this article the design and implementation of a control interface for the Quanser 2 DOF helicopter [1] of the electronics laboratories of the technological faculty of the Francisco José de Caldas district university is exposed, in order to be able to use the Quanser 2 dof helicopter that is in disuse. To solve this problem, a hardware was designed from a microcontroller and a graphical interface in the Matlab software, thus recovering a tool from the university that is very useful for engineering students. The hardware has a communication protocol via USB, with which it sends to the computer the data it reads from the two sensors, with which the helicopter counts. And in turn generates a voltage signal, to control the sources of power. Achievement of a closed loop in conjunction with the control interface, in which the helicopter's degrees of freedom are controlled. With the control interface, in which the two degrees of freedom of the helicopter are controlled. . Key Words: Microcontroller, Control, Closed Loop, Matlab, Quanser 2 Dof, quadrature Encoder.

(3) 1. Introducción: El laboratorio de electrónica de la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas posee una herramienta didáctica llamada helicóptero Quanser 2 dof. Sin embargo, en la actualidad está en desuso por la falta compatibilidad con los computadores actuales ya que la tarjeta de adquisición viene con soporte para puerto PCI, y su vez generando un costo muy elevado la actualización de dicha herramienta. El helicóptero puede llegar a hacer una herramienta de gran utilidad para los estudiantes de ingeniería en control electrónico de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, ofreciendo la oportunidad de realizar el componente practico en áreas de control no lineal teniendo en cuenta que el modelo de la plata es no lineal. El hardware diseñado e implementado está basado en un microcontrolador PSoC 5. El cual cuenta con dos DAC de 8 bits con el que se realiza la conversación de señal digital a señal análoga con la cual se realiza el control de las fuentes de poder originales del helicóptero. Y su vez permite la adquisición de señales de posición del helicóptero y también constan con una comunicación vía USB. La cual permite controlar el helicóptero por medio de una interfaz visual desde el computador 2 ESTADO DEL ARTE Desde hace varios años se han hecho publicaciones sobre control e implementación para el helicóptero Quanser 2 dof, de los cuales podemos resaltar “CONTROL ROBUSTO DE UN HELICÓPTERO DE DOS GRADOS DE LIBERTAD PIVOTADO” por EDWARD HERNANDO BEJARANO BARRETO, donde realizo la comparación entre estrategias de control clásicas como son LQR y LMI para un helicóptero de dos grados de libertad.

(4) basándose en los diseños del fabricante Quanser 2 Dof. En el cual hallo el modelo matemático de la planta. [2] En otra publicación anterior de estudiantes de la PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA, “DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS INALÁMBRICA PARA EL CONTROL DEL HELICÓPTERO 2-DOF DE QUANSER”, por ANGELICA MARIA HERNANDEZ BONILLA FERNANDO NICOLAS VARGAS PLAZAS, donde desarrollaron e implementaron una tarjeta de adquisición basada en un microcontrolador PIC de la familia 16F conectada a un módulo XBee el cual se comunica inalámbricamente a otro módulo XBee y desde Matlab realizan el control del helicóptero Quanser 2 Dof.[3] En publicaciones como COMPARACIÓN DE UN CONTROLADOR LQR VS UN CONTROLADOR PID IMPLEMENTADOS EN UN HELICÓPTERO DE DOS GRADOS DE LIBERTAD PIVOTADO, CRISTIAN DAVID GONZALEZ URIBE, UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JODE DE CALDAS, presenta el diseño Y comparación de un controlador. PID. y. un. controlador. LQR. (Linear-Quadratic. Regulator). para. la. implementación de los mismos en una plataforma experimental de un helicóptero de dos grados de libertad pivotado.[4] Además, otra publicación sobre diseño de control del helicóptero es CONTROLADOR ROBUSTO LMI PARA UN HELICÓPTERO DE DOS GRADOS DE LIBERTAD, OSCAR IVÁN HIGUERA MARTÍNEZ, JUAN MAURICIO SALAMANCA, de la UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA, donde presenta el diseño de un controlador robusto H∞ usando técnicas de desigualdades matriciales lineales (LMI), para controlar la posición de Pitch y de Yaw en un helicóptero. Se presenta el diseño de un.

(5) controlador FF+LMI con el propósito de conseguir la estabilización del sistema, y adicionalmente se realiza el diseño de un controlador FF + LMI + Integrador, para hacer que el error de seguimiento sea igual a cero.[5] Y por último esta DIGITAL INTEGRATIVE LQR CONTROL OF A 2DOF HELICOPTER, FERNANDO DOS SANTOS BARBOSA, GIOVANNI GALLON NETO, BRUNO AUGUSTO ANGELICO, ESCUELA POLITÉCNICA DE LA UNIVERSIDAD DE SÃO PAULO, SÃO PAULO, BRASIL, donde realizan un control robusto teniendo en cuenta que el modelo hallado por el método de LaGrange es no lineal así que se proyecta un controlador LQR digital utilizando antivuelco. [6] 3 PROTOTIPO 3.1 DIAGRAMA DE BLOQUES En la figura 1 se aprecia el diagrama de bloques implementado para el desarrollo de la interfaz de control para el helicóptero Quanser 2 Dof. Figura 1 Diagrama del Prototipo.

(6) 3.1 HELICOPTERO El helicóptero Quanser 2 Dof contiene 2 sensores tipo encoder que correspondes cada uno de los dos grados de libertad (Pitch, Yaw), donde Yaw tiene una resolución de: 8192 conteos/revolución y Pitch 4096 conteos/revolución que se polarizan con 5v. Además, contiene dos motores DC los cuales están posicionados en cada uno de los ejes de libertad como se muestra en la figura 2 y figura 3. Figura 2 Diagrama de cuerpo libre mostrando de movimiento [7].

(7) Figura 3 Quanser 2 DOF [7]. 3.2 FUENTE El bloque de fuente esta constituido por dos fuentes de poder (UPM-2405, UPM-1503 originales de la maqueta didáctica) las cuales se encargan de suministrar la potencia deseada a cada uno de los motores del helicóptero. Están fuentes se controlan por medio de una señal DC que varía entre +-5v donde un nivel de voltaje de 0v equivale a un punto de equilibrio de no movimiento de los motores y su punto máximo como su punto mínimo equivale a su máxima entrega de potencia en movimiento donde la diferencia entre mínimo y máximo no mas es el sentido de giro 3.3 DAQ Parte importante que permite establecer comunicación entre el PC, y captar las señales procedentes de los encoders del helicóptero y a su vez permite realizar el enlace hacia las.

(8) fuentes de poder para permitir dosificar la potencia de cada motor. Este bloque consta con sub bloques: • Microcontrolador: en este bloque se selecciono un Psoc 5 (CY8C5888LTI-LP097) el cual tiene 4 DAC de 8bit con 8Msps, modulo USB (full speed),y bloques dedicados para la adquisición de las señales de los encoders , además tiene una frecuencia de trabajo de 80 MHZ, este se encarga de establecer comunicación con el computador por vía usb mediante un protocolo USB UART el cual ofrece un punto de comunicación tipo COM, también encargado de realizar la recopilación de señales para el adecuado uso del helicóptero • Acondicionamiento: de la salida de los DACs del microcontrolador se obtiene una señal en cada uno de ellos de 1V a 0v. el bloque de acondicionamiento se en carga de amplificar los voltajes y de hacer un corrimiento de offset. para obtener una ventana de voltaje de +-5v para el control de las fuentes de poder, en este bloque se usó un integrado (Lm324), el cual contiene 4 amplificadores operaciones donde 2 ellos se encargan de hacer la amplificación de ganancia de señal y 1 de hacer la corrección del voltaje offset. El integrado esta conectado a una fuente dual de +10v y -10v para su optimo uso 3.4 PC En esta etapa es donde se ejecuta el software en este caso sería MATLAB R2017A el cual ofrece una interfaz gráfica para su control (App designer) y una programación por tipo bloques (simulink) la que se encarga de recibir los datos enviados por el micro controlador y su ves de trasmitir los datos de manipulación.

(9) 4. RESULTADOS Los principales resultados de este proyecto es la elaboración de la tarjeta de adquisición de datos como se muestra en la figura 4 y de una interfaz gráfica en MATLAB de control y su comunicación entre si.. Figura 4 Tarjeta de adquisición de datos. Que está compuesta por un microcontrolador Psoc 5 el cual permite la manipulación y adquisición de señales del helicóptero Quanser 2. Este microcontrolador se adecuo con los bloques necesarios para que ofrezca un óptimo funcionamiento y fluidez de la aplicación como se muestra en la figura 5.

(10) Figura 5 diseño de bloques utilizados para el funcionamiento del psoc. La comunicación establecida es por vía USB, utilizando el protocolo de comunicación UART SERIAL, esta se pudo lograr con la facilidad de que el PSoC 5 contiene embebido un bloque que permite establecer dicha comunicación, entre el pc y la tarjeta de adquisición. Dicha comunicación está establecida a un (1) byte con una velocidad que puede establecerse entre 921600 baudios a 9600 baudios, que puede establecer el usuario al momento de crear el puerto en el pc. También hay que destacar que el acondicionamiento de señales que se basa en el arreglo de unos cuantos amplificadores operacionales como se muestra en la figura 6.

(11) Figura 6 diseño esquemático acondicionamiento de señales de salida. Una vez con la culminación del desarrollo del hardware se procedió al desarrollo del software en el entorno de simulink que ofrece Matlab, se adecuo las señales procedentes de la tarjeta de adquisición para darles una mejor resolución y cambio de unidades como se observa en la figura 7.. Figura 7 Modelo de bloques Simulink.

(12) Después se realizó una interfaz grafica usando la herramienta que ofrece Matlab para el desarrollo de interfaz de usuario y muestras de datos. Esta interfaz contiene 2 dials que cumplen con la función de manipulación del motor de Pitch y el otro con modificar el valor de set point del motor Yaw el cual esta regido por un control PID. Dicho control PID se puede configurar en la interfaz grafica ya que ofrece la posibilidad de agregar los datos de las constantes como se muestra en la figura 8. También ofrece la posibilidad de mostrar dos graficas correspondientes a los ángulos de inclinación con referencia al punto de inicio mostrado. en. Figura 8 Interfaz de control desarrollada en Matlab. la. figura. 9.. Figura 9 graficas ángulos de inclinación. Una vez hecho la interfaz visual se procedió a comprobar el sistema con un control PID sobre eje Yaw con constantes del siguiente valor P=6, I=0.1, D=0.1 las cuales se seleccionaron arbitrariamente y con setpoint de 90,180 y -180 grados con respecto al punto de referencia inicial. Una vez finalizado la práctica se obtuvo las siguientes graficas (figura 10, figura 11 y figura 12), en las cuales vemos la respuesta el control implementado..

(13) Figura 10 Setpoint con 90 grados. Figura 11 Setpoint de 180 grados.

(14) Figura 12 Setpoint de -180 grados. Donde la línea amarilla representa el desplazamiento de Angulo del helicóptero y la línea azul el setpoint. Cómo se puede observar en las gráficas anteriores una vez helicóptero llega a la posición deseada por el usuario se observan unas oscilaciones generadas por la hélice de Pitch. Además, cabe destacar que modelo de la planta es no lineal y por tal motivo requiere un control mucho más robusto para así lograr un control más exacto y de mayor precisión..

(15) 5. CONCLUSIONES • Psoc 5 es una herramienta de muy alto nivel de versatilidad ya que ofrece muy buenas herramientas para el desarrollo de dispositivos, ahorrando espacio y componentes y a su vez brindando un sistema embebido muy flexible para la creación por parte de los usuarios. Por lo que fue de mucha utilidad para la construcción de la tarjeta de adquisición. ya que esta proveía los bloques adecuados para la facilidad de su programación y desarrollo de la comunicación vía usb • El entorno de desarrollo de Matlab en aplicaciones de interfaz brinda al usuario un entorno amigable para la creación de aplicaciones, como no tiene mucho grado de complejidad haciendo fácil la vinculación de la parte visual con la parte de control hecha en simulink •. Simulink puede ser el mejor entorno de programación visual ya que le permite al usuario un gran contenido de herramientas para realizar una programación versátil y fácil de comprender, como contiene herramientas fáciles para establecer un protocolo de comunicación tipo Uart Serial, esto facilito el montaje de la comunicación vía usb con la tarjeta de adquisición. además, simplifica la elaboración de un controlador PID ofreciendo un bloque exclusivo para el diseño de dicho controlador. Evitando: usar una mayor área de trabajo y una mayor complejidad para su desarrollo 6. REFERECIAS. [1]. G. Herrmann, “System Specifications 2 Dof Helicopter & 3 Dof Helicopter,” pp. 1–2, 2012.. [2]. EDWARD HERNANDO BEJARANO BARRETO, “CONTROL ROBUSTO DE UN HELICÓPTERO DE DOS GRADOS DE LIBERTAD PIVOTADO,” Universidad Santo Tomas, 2017..

(16) [3]. A. Maria and H. Bonilla, “DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS INALÁMBRICA PARA EL CONTROL DEL HELICÓPTERO 2-DOF DE QUANSER®.,” PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE INGENIERIA CARRERA DE INGENIERIA ELECTRONICA, 2013.. [4]. C. David and G. Uribe, “COMPARACIÓN DE UN CONTROLADOR LQR VS UN CONTROLADOR PID IMPLEMENTADOS EN UN HELICÓPTERO DE DOS GRADOS DE LIBERTAD PIVOTADO.,” 2016.. [5]. O. Iván, H. J. Mauricio, E. D. I. Electrónica, U. Grupo, and D. E. De Ingeniería, “CONTROLADOR ROBUSTO LMI PARA UN HELICÓPTERO DE DOS GRADOS DE LIBERTAD,” pp. 47–57, 2015.. [6]. C. C. G. Rodrigues, M. G. Todorov, and M. D. Fragoso, “DIGITAL INTEGRATIVE LQR CONTROL OF A 2DOF HELICOPTER,” Cba 2016, pp. 2944–2949, 2016.. [7]. U. Manual, “Quanser 3-DOF Helicopter User Manual,” 2011..

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