Resumen—Instrumentación y control de un helicóptero de tres grados de libertad. A lo largo del documento se muestra el diseño mecánico, aquellos elementos que conforman la instrumentación del prototipo y el software encargado de su manipulación, logrando la regulación de cada uno de los grados de libertad del sistema a través de un controlador PID.
Se muestran resultados experimentales del control del helicóptero, validando con ello la correcta instrumentación del prototipo
INTRODUCCIÓN
Capacidad de control completa sobre posición y actitud del helicóptero aire existencia de sistemas que permitan actuar sobre las fuerzas y momentos en los tres ejes. En el área de control automático existen diversos sistemas dinámicos interesantes y desafiantes en el sentido de su control y manipulación. Si bien resultados analíticos en el diseño de algoritmos de control son altamente deseados, resulta importante el realizar trabajos con el objetivo de proveer referencias para la construcción de prototipos que permitan, mediante su uso, la definición de “nada es más convincente que la prueba experimental” de dichos algoritmos diseñados.
Es en este sentido en el que se desarrolla la principal contribución del presente artículo, siendo esta el diseño, construcción y control de un prototipo de un helicóptero de tres grados de Libertad, El propósito final del prototipo consiste en proveer al diseñador de teorías de control, de una plataforma para probar los diseños de algoritmos en tiempo real, para su posterior análisis. Dentro de aquellos sistemas dinámicos utilizados comúnmente para la prueba de algoritmos de control, a saber, péndulo invertido, Dichos sistemas dinámicos tienen la característica de ser definidos matemáticamente como sistemas no lineales. Adicionalmente, estos sistemas presentan múltiples entradas y salidas, generando con ello una amplia gama de posibilidades en el contexto del diseño de algoritmos de control. El helicóptero de tres grados de libertad consiste en un sistema compuesto por un cuerpo suspendido por una articulación que permite su rotación alrededor del eje z como consecuencia de un movimiento de brazo menor alrededor del eje y montado en uno de sus extremos. Este brazo menor alberga dos hélices accionadas por un par de motores y, finalmente, el cuerpo contiene, en el otro extremo, un contrapeso a cargo de la
reducción de los requisitos de potencia de los motores. Si bien es vasta la información relativa a los helicópteros de tres grados de libertad, se presentan a continuación aquellos trabajos importantes en su ámbito.
DESARROLLO
A. SISTEMAS INTEGRADOS
Cíclico
El mando cíclico suele estar situado entre las piernas del piloto y se denomina comúnmente "stick cíclico" o simplemente "cíclico", en la mayoría de los helicópteros, el cíclico es similar a un joystick; sin embargo, los helicópteros Robinson tienen sistemas de control cíclico de barra en T únicos. Algunos helicópteros tienen mandos cíclicos que descienden a la cabina desde arriba, mientras que otros utilizan mandos cíclicos laterales.
Colectivo
El control de paso colectivo, o colectivo, está situado en el lado izquierdo del asiento del piloto con un control de fricción variable seleccionado por el piloto para evitar movimientos involuntarios, el colectivo cambia el ángulo de paso de todas las palas del rotor principal de forma colectiva e independiente de sus posiciones, por lo tanto, si se realiza una entrada colectiva, todas las palas cambian por igual, aumentando o disminuyendo la sustentación o el empuje total, con el resultado de que el helicóptero aumenta o disminuye la altitud o la velocidad del aire.
Pedales anti-torque
Los pedales anti-torque están situados en la misma posición que los pedales del timón en un avión de ala fija y tienen un propósito similar, a saber, controlar la dirección hacia la que apunta el morro del avión, la aplicación del pedal en una dirección determinada cambia el paso de las palas del rotor de cola, aumentando o reduciendo el empuje producido por el rotor de cola, lo que hace que el morro se desvíe en la dirección del pedal aplicado, los pedales modifican mecánicamente el paso del rotor de cola, alterando la cantidad de empuje producido.
B. PALANCA DE PASO COLECTIVO
Sistemas Integrados a la palanca Cíclico y Colectivo
Bedón, Estefany, Montesdeoca, Victoria.
[email protected] Universidad De Las Fuerzas Armadas ESPE
El mando de paso colectivo o simplemente "colectivo" o
"palanca de palanca de empuje" se encuentra en el lado izquierdo del asiento del piloto y se maneja con la mano izquierda, el colectivo se usa para hacer el ángulo de inclinación de las palas del rotor principal y lo hace simultáneamente, o colectivamente, como su nombre indica, como cuando se eleva el control de paso colectivo, se produce un aumento simultáneo del ángulo de inclinación de todas las palas del rotor principal; cuando se baja, hay una disminución simultánea e igual en el ángulo de paso, esto se hace a través de una serie de enlaces mecánicos y la cantidad de movimiento en la palanca colectiva determina la cantidad de cambio de paso de las palas determina la cantidad de cambio de paso de las palas.
Situada en la mano izquierda del piloto, es la responsable del desplazamiento vertical del helicóptero.
Aumenta o disminuye la sustentación del rotor principal.
En el extremo de esta palanca, suele ir situado el mando Miguel A. Barcala Montejano
En el extremo de esta palanca, suele ir situado el mando de gases.
Estos dos mandos van combinados.
Fig1. Palanca Colectivo
▪ Control del acelerador
La función del acelerador es regular las revoluciones del motor. Si el acelerador o el sistema de regulación no mantiene los rpm deseados al subir o bajar el colectivo, o si esos sistemas no están instalados, el acelerador debe moverse manualmente con la empuñadura giratoria para mantener los rpm. En la mayoría de los helicópteros, al girar el acelerador con empuñadura giratoria en dirección contraria a la del piloto, se aumentan el rpm del motor; al girar el acelerador con empuñadura giratoria en dirección al piloto en el sentido de las agujas del reloj se reducen el rpm del motor.
▪ Paso colectivo y paso fijo
Hemos visto que inclinando el plato cíclico hacia un lado el rotor se inclinará al mismo lado, con lo que podemos controlar
las inclinaciones del helicóptero y con ello el vuelo de traslación. Llegados a este punto tenemos que diferenciar dos tipos de helicópteros.
Los de paso fijo
Los de paso colectivo.
Los de paso fijo tienen palas que, al contrario de lo indicado arriba, no se pueden girar alrededor del eje de palas, únicamente el estabilizador es capaz de girar. En los helicópteros de paso fijo el control de altura se consigue variando las revoluciones del rotor. Este mando se encuentra en el segundo stick de la emisora siendo la posición inferior la equivalente de motor parado y la superior la de máximas revoluciones. Normalmente si el stick está entre la posición centrada y el tercio superior el helicóptero se encuentra en vuelo estacionario. En cambio, en los helicópteros de paso variable es posible de cambiar la incidencia de todas las palas a la vez subiendo o bajando el plato cíclico. Al contrario que en los helicópteros de paso fijo, en este tipo no se controla la altura del helicóptero mediante las revoluciones del motor, sino por el cambio de paso. Es decir que en la emisora tendremos en el stick el mando de paso de rotor y no el acelerador del motor. En los helicópteros reales este mando se controla mediante una palanca situada al lado izquierdo del piloto parecido a un freno de mano. Cuando el piloto eleva la palanca aumenta el paso de las palas del rotor principal.
C. PALANCA DE PASO CICLICO
El mando de cabeceo cíclico o simplemente "cíclico" suele proyectarse hacia arriba desde el suelo de la cabina, entre las piernas del piloto o entre los dos asientos del piloto en algunos modelos. Este control de vuelo primario permite al piloto volar el helicóptero en cualquier dirección de desplazamiento:
hacia delante, hacia atrás, hacia la izquierda y hacia la derecha. En la aerodinámica del vuelo, la fuerza de sustentación total es siempre perpendicular al plano de la trayectoria de la punta del rotor principal, el propósito del control cíclico de cabeceo es inclinar el plano de la trayectoria de la punta en la dirección horizontal deseada.
Proporciona el control longitudinal y lateral adecuado.
Situada delante del piloto.
La palanca se empuja en la dirección en la que se desea el vuelo.
Un pequeño pulsador para el pulgar permite ajustar la posición para vuelo compensado.
Fig2. Palanca Cíclico
El plato cíclico
Las palas de los Helicópteros están montadas sobre los ejes de palas de tal forma que puedan girar alrededor de éstos lo que permite cambiar la incidencia de las mismas. Para que las palas mantengan todas la misma incidencia, están unidas a unas varillas de transmisión -todas de la misma longitud- que a su vez están fijadas al plato cíclico. Éste está compuesto de un plato exterior fijo y uno interior giratorio que está unido mediante un cojinete que permite el giro entre ellos. En el plato exterior van fijadas las varillas de mando que vienen de los servos y en el plato interior que gira igual que el rotor se enganchan las varillas que controlan la incidencia de las palas.
El plato cíclico interior y las palas giran alrededor del eje principal simultáneamente. en este caso en contra del sentido de las agujas del reloj, con esta configuración, si comenzamos a girar el rotor alrededor del eje principal, las palas generarán una sustentación uniforme y equilibrada.
Paso Cicliclo y Paso Fijo
El plato cíclico hacia un lado el rotor se inclinará al mismo lado, con lo que podemos controlar las inclinaciones del helicóptero y con ello el vuelo de traslación. Los de paso fijo y paso colectivo. Los de paso fijo tienen palas que, al contrario de lo indicado arriba, no se pueden girar alrededor del eje de palas, únicamente el estabilizador es capaz de girar, en cambio en los helicópteros de paso variable es posible de cambiar la incidencia de todas las palas a la vez subiendo o bajando el plato cíclico.
D. SISTEMAS ABORDO DEL HELICOPTERO
Tanto las aeronaves de ala fija y de ala rotatoria poseen el mismo funcionamiento de aerodinámica y al igual que su construcción constara de una similitud de sistemas el cual proporcionara el funcionamiento de las aeronaves ya sea para
aviones o helicópteros. Para los sistemas que componen un helicóptero tendremos:
SISTEMA DEL ROTOR PRINCIPAL
El sistema del rotor es la parte giratoria de un helicóptero que genera la sustentación, el rotor está formado por un mástil, un buje y las palas del rotor, el mástil es un eje metálico cilíndrico hueco que se extiende hacia arriba y es impulsado y a veces apoyado por la transmisión. Hay tres clasificaciones básicas:
Semirrígido,
Rígido
Totalmente articulado.
Algunos sistemas de rotor modernos, como el sistema de rotor sin cojinetes, utilizan una combinación de ingeniería de de estos tipos.
SISTEMA ANTI-TORQUE
Los helicópteros con un único sistema de rotor principal requieren un sistema antitorque separado. Esto se consigue a menudo mediante un rotor antipar de paso variable o un rotor de cola o para hacer cambios de rumbo mientras se cierne. La mayoría de los helicópteros helicópteros accionan el eje del rotor de cola desde la transmisión para asegurar la rotación del rotor de cola en caso de que el motor se pare.
SISTEMA DE TRANSMISIÓN
El sistema de transmisión transfiere la potencia del motor al rotor principal, al rotor de cola y a otros accesorios en condiciones normales de vuelo, los principales componentes del sistema de transmisión son la transmisión del rotor principal, el sistema de accionamiento del rotor de cola, el embrague y la unidad de rueda libre. La unidad de rueda libre o embrague autoritativa permite que la transmisión del rotor principal accione el eje de transmisión del rotor de cola durante la autorrotación.
Fig3. Sistema de Transmisión
SISTEMAS DE COMBUSTIBLE
El sistema de combustible de un helicóptero consta de dos componentes:
▪ Suministro
El sistema de suministro consiste en un tanque o tanques de combustible, medidores de cantidad de combustible, una válvula de cierre, un filtro de combustible, una línea de combustible hasta el motor, y posiblemente un cebador y bombas de combustible Los tanques suelen estar montados en el fuselaje lo más cerca posible al CG. De este modo, cuando se quema el combustible, el efecto sobre el CG es insignificante. efecto sobre el CG.
▪ Control
Independientemente del dispositivo, el motor alternativo y el motor de turbina utilizan el encendido y la combustión de la mezcla de combustible y aire para proporcionar la fuente de su potencia. Los sistemas de control de combustible del motor utilizan varios componentes para medir la cantidad adecuada de combustible necesaria para producir la cantidad de potencia requerida.
Fig4. Sistema de Combustible
SISTEMAS ELÉCTRICOS
Los sistemas eléctricos, en la mayoría de los helicópteros, reflejan el aumento del uso de aviónica sofisticada y otros accesorios eléctricos. Cada vez más operaciones en el entorno de vuelo actual dependen del sistema eléctrico de la aeronave;
sin embargo, todos los helicópteros pueden volar con seguridad sin ningún tipo de energía eléctrica en el caso de un mal funcionamiento eléctrico o una emergencia.
Fig5. Sistema Electrico SISTEMA HIDRÁULICO
La mayoría de los helicópteros, salvo los más pequeños con motor de pistón, incorporan el uso de actuadores hidráulicos para superar las altas fuerzas de control. Un sistema hidráulico típico consta de actuadores, también llamados servos, en cada mando de vuelo, una bomba que suele ser accionada por la transmisión del rotor principal y un depósito para almacenar el fluido hidráulico. Algunos helicópteros tienen acumuladores situados en el lado de presión del sistema hidráulico. Esto permite una presión de fluido continua en el sistema cuando el piloto coloca el interruptor/disyuntor en la posición de encendido, la energía eléctrica se retira de la válvula solenoide permitiendo que el fluido hidráulico entre en el sistema.
Fig 6. Sistema Hidráulico
SISTEMAS DE AUMENTO DE LA ESTABILIDAD Algunos helicópteros incorporan un sistema de aumento de la estabilidad (SAS) para ayudar a estabilizar el helicóptero en vuelo y en vuelo estacionario. La finalidad y el diseño originales permitían reducir la carga de trabajo del piloto y disminuir su fatiga. Permitía a los pilotos situar la aeronave en una actitud determinada para realizar otras tareas o simplemente estabilizar la aeronave para vuelos largos a campo traviesa.
Fuerza de Recorte
Sistemas de aumento activo
Piloto automático
SISTEMAS AMBIENTALES
La calefacción y la refrigeración de la cabina del helicóptero pueden llevarse a cabo de diferentes maneras la forma más sencilla de refrigeración es el ramair. el piloto abre o cierra los conductos de aire situados en la parte delantera o en los laterales del helicóptero para que el aire de ariete entre en la cabina.
SISTEMAS PROTECCION DE HIELO
El antihielo es el proceso de protección contra la formación de contaminantes congelados, nieve, hielo o aguanieve en una superficie.
Fig7. Sistema Anti-Ice
Antihielo del motor
El sistema antihielo que se encuentra en la mayoría de los helicópteros de turbina utiliza aire de purga del motor, el aire de purga en los motores de turbina es el aire comprimido que se toma del interior del motor, después de la etapa del compresor y antes de que se inyecte el combustible en los quemadores el aire de purga fluye a través de los álabes guía de admisión y hacia la propia admisión para evitar la formación de hielo en los álabes huecos.
Antihielo del fuselaje
El antihielo del fuselaje y del rotor puede encontrarse en algunos helicópteros más grandes, pero no es común debido a la complejidad el gasto y el peso de estos sistemas los bordes
de ataque de los rotores pueden ser calentados con aire de purga o elementos eléctricos para evitar la formación de hielo.
El tubo pitot de un helicóptero es muy susceptible a la formación de hielo y a la acumulación de hielo y humedad.
Para evitarlo, suelen estar equipados con para evitarlo, suelen estar equipados con un sistema de calefacción que utiliza un elemento eléctrico para calentar el tubo.
Deshielo
El deshielo es el proceso de eliminar el contaminante congelado nieve, hielo y/o aguanieve de una superficie. El deshielo del fuselaje del helicóptero y las palas del rotor es fundamental antes de la puesta en marcha. Los helicópteros que no están protegidos por hangares están sujetos a la escarcha, la nieve, la llovizna helada y la lluvia helada que pueden congelación que pueden causar la congelación de las palas del rotor y del fuselaje, haciéndolos que los hace inviables hasta que se limpien.
RECOMENDACIONES
Para conseguir los movimientos indicados es preciso que aparezcan componentes de la resultante general que tiendan a cambiar la actitud del helicóptero. El rotor principal proporciona las fuerzas longitudinal y lateral. Con el objetivo de evaluar la efectividad de la instrumentación del prototipo abordada en secciones anteriores, se selecciona un controlador de tipo proporcional-integralderivativo (PID).
Las mejoras en seguridad adaptadas al helicóptero, tales como son el sistema de aumento de estabilidad (SAS), la protección contra sobre velocidad y baja velocidad, un modo dedicado de retorno a nivel (LVL), protección y estabilidad electrónica del helicóptero (Garmin H-ESP) y asistencia de desplazamiento.
I. CONCLUSIONES
Finalmente, cabe el comentario concluyente de que, a partir de las referencias previamente comentadas, el sistema dinámico de un helicóptero de tres grados de libertad presenta una dinámica tal que puede ser utilizado para el diseño y prueba de algoritmos de control complejos. Los helicópteros son una de las máquinas más complejas debido a la versatilidad y maniobrabilidad para desempeñar un gran número de tareas.
Es por eso que a pesar de tratarse también de un vehículo que gira, su dinámica de vuelo es distinta y compleja.
Para el diseño de los helicópteros de tres gados de libertad no existe una restricción en cuanto al tamaño, ya que su diseño corresponde a la necesidad o función que éste debe realizar.
REFERENCIAS
[1] FAA, «Chapter 1-Introduction to the Helicopter,» [En línea]. Available:
https://www.faa.gov/regulations_policies/handbooks_man uals/aviation/helicopter_flying_handbook/media/hfh_ch 1.pdf
[2] FAA, «PASO COLECTIVO,» [En línea]. Available:
https://www.faa.gov/regulations_policies/handbooks_man uals/aviation/helicopter_flying_handbook/media/hfh_ch0 3.pdf.
[3] FAA, «PASO CICLICO,» [En línea]. Available:
https://www.faa.gov/regulations_policies/handbooks_man uals/aviation/helicopter_flying_handbook/media/hfh_ch0 3.pdf
[4] C.A.C, «MANDOS Y FUNCIONES DEL HELICOPTERO,» [En línea]. Available:
https://www.modeltronic.es/download/helicopteros/mand o s_y_funcionamiento_helicoptero.pdf
[5] FAA, «Chapter 4-Helicopter Components,Sections, and Systems,» [En línea]. Available:
https://www.faa.gov/regulations_policies/handbooks_man uals/aviation/helicopter_flying_handbook/media/hfh_ch0 4.pdf.
Autores
Bedón Montesdeoca Estefany Victoria Graduada de Bachiller en Ciencias , estudiante de la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE en la carrera de Tecnología Superior en Mecánica Aeronáutica
