Diseño e implementación de un Quadcopter basado en microcontrolador Arduino

Curso Académico:

TRABAJO FIN DE GRADO EN INGENIERÍA EN TECNOLOGÍAS INDUSTRIALES

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN

QUADCOPTER BASADO EN

MICROCONTROLADOR ARDUINO

AUTOR:

TUTOR:

VÍCTOR RAMOS VICEDO

RAÚL ESTEVE BOSCH

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Índice

Capítulo 1) Vehículos aéreos no tripulados……….. Página 1 1.1) Definición……….. Página 1 1.2) Tipos……….. Página 2 1.3) Multirrotores……….. Página 4 1.3.1) Dinámica……….. Página 4 1.3.2) Estructura y componentes………. Página 6 1.3.2.1) Estructura funcional……… Página 6 1.3.2.2) Descripción de componentes………. Página 8 Capítulo 2) Diseño del chasis y selección de componentes………. Página 22

2.1) Planificación………. Página 22 2.2) Componentes electrónicos………. Página 22 2.2) Primer diseño del chasis……….. Página 23 2.3) Selección y validación de propulsión……….. Página 29 2.4) Diseño final del chasis………... Página 35 Capítulo 3) Implementación del control de estabilidad……….….. Página 40 3.1) Introducción………..……….. Página 40 3.2) Código de estabilidad y simulación……….… Página 41 3.2.1) Diseño y fabricación del balancín de ensayos………..…… Página 41 3.2.2) Implementación PID……… Página 48 3.3) Comunicación……….. Página 59 3.4) Recopilación……….. Página 61 Capítulo 4) Resumen y conclusión………. Página 62 Bibliografía……….. Página 63 Anexo……….. Página 64

Capítulo 1: Vehículos aéreos no tripulados

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1) Vehículos aéreos no tripulados.

1.1) Definición

Un vehículo aéreo no tripulado (VANT, o UAV por sus siglas en inglés) es, como ya se indicó en la introducción, un aparato volador que no contiene un piloto en su interior, bien porque está siendo pilotado por control remoto o bien porque tiene en su programación todo lo necesario para llevar a cabo sus instrucciones sin intervención humana.

En un principio fueron diseñados para el sector militar, ya que se podía aprovechar al máximo el hecho de que no había ninguna persona físicamente en la aeronave. Así, se podían efectuar operaciones de entrada en espacios aéreos peligrosos sin temer más que por la suma de unos 30 millones de € que pueden alcanzar cada uno de estos aparatos. Además, a parte de la ventaja de la seguridad, tenemos que el volumen necesario que necesita el aparato es mucho menor que el que necesita uno que deba albergar una persona, lo que repercute también en una mejor maniobrabilidad.

No obstante no todo es perfecto, y tantas ventajas no podían esconder menos desventajas. A medida que avanzamos en la era tecnológica damos más autonomía a las máquinas para quitarnos trabajo a los humanos, lo que a priori parece perfecto, pero hay que tener en cuenta que aún tiene que pasar mucho tiempo hasta que una maquina pueda tener el mismo juicio que una persona. Si ya no es por ética, pensemos en la cantidad de hackers1 _{que hay por el}

mundo, y si pueden conseguir entrar a los lugares más seguros de internet, ¿muy difícil les será acceder al control de aeronaves no tripuladas militares?

El VANT más antiguo del que se tiene constancia se desarrolló al final de la primera guerra mundial, y su utilidad era simplemente la de entrenar a los operarios de la artillería antiaérea. No obstante, hasta el final del siglo XX no empiezan a aparecer DRONES que pueden operar con total autonomía controlados sólo por radio.

1

Un cracker es una persona que rompe algún sistema de seguridad informático. Comúnmente se les conoce como hackers, pero en realidad esto es una equivocación, pues los hackers se encargan de evaluar los sistemas de seguridad para protegerse contra los crackers.

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Diseñado por Comprobado por Cotas en Fecha

Hoja Escala

Estructura del Quadcopter

1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 A A B B C C D D

Balancín de ensayo de PID Modelo global

PLANOS

Victor mm 19/06/2014

Diseñado por Comprobado por Cotas en Fecha

1 / 12 Hoja Escala 1:2 Ensamblaje 2 Ensamblaje 1 Pieza9

1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 A A B B C C D D

Balancín de ensayo de PID Ensamblaje 1

PLANOS

Victor mm 19/06/2014

Diseñado por Comprobado por Cotas en Fecha

2 / 12 Hoja Escala 1:2 Pieza1 Pieza2 Pieza3 Pieza4

1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 A A B B C C D D

Balancín de ensayo de PID Ensamblaje 2

PLANOS

Victor mm 19/06/2014

Diseñado por Comprobado por Cotas en Fecha

3 / 12 Hoja Escala 1:2 Pieza5 Pieza6 Pieza7 Pieza8

Balanc

_í

n de ensayo de PID

Pieza1

PLANOS

Victor mm 19/06/2014

Diseñado por Comprobado por Cotas en Fecha

4 / 12

Hoja Escala 1:2

3,00

6

5

,0

0

2

5

,0

0

n

12

,0

0

12,50

1

2

,5

0

5,00

3

,0

0

300,00

45,00

5,00

3

,0

0

2,50

111,00

A ( 1.5 : 1 )

B ( 1,5 : 1 )

A

B

Balanc

_í

n de ensayo de PID

Pieza2

PLANOS

Victor mm 19/06/2014

Diseñado por Comprobado por Cotas en Fecha

5 / 12

Hoja Escala 1:1.5

3,00

108,00

10,00

R2

,5

₀

5

,5

0

5,00

5

,0

0

3,00

12,00

23,50

1

0

,0

0

5

,0

0

4,50

2,00

3,00

5,00

5

,0

0

3

,0

0

5,00

Balanc

_í

n de ensayo de PID

Pieza3

PLANOS

Victor mm 19/06/2014

Diseñado por Comprobado por Cotas en Fecha

6 / 12

Hoja Escala 2:1

3,00

1

0

,1

6

R

3

0

,0

0

45,00

R2

,5

0

2

,5

0

3,00

5

,0

0

12,00

Balanc

_í

n de ensayo de PID

Pieza4

PLANOS

Victor mm 19/06/2014

Diseñado por Comprobado por Cotas en Fecha

7 / 12

Hoja Escala 2:1

3,00

5

,0

0

65,00

Balanc

_í

n de ensayo de PID

Pieza5

PLANOS

Victor mm 19/06/2014

Diseñado por Comprobado por Cotas en Fecha

8 / 12

Hoja Escala 1:2

3,00

2

0

,0

0

3

2

,5

0

202,07

48,04

3,00

10,00

5

,0

0

5

,0

0

3,00

R2

2,5

0

60

,0

0

°

1

5

2

,5

0

Balanc

_í

n de ensayo de PID

Pieza6

PLANOS

Victor mm 19/06/2014

Diseñado por Comprobado por Cotas en Fecha

9 / 12

Hoja Escala 1:2

3,00

2

0

,0

0

240,00

83,50

10,00

3,00

Balanc

_í

n de ensayo de PID

Pieza7

PLANOS

Victor mm 19/06/2014

Diseñado por Comprobado por Cotas en Fecha

10 / 12

Hoja Escala 2:1

1

0

,0

0

5

,0

0

3

,0

0

3,00

2

,5

0

3,00

3,00

3,00

33,50

Balanc

_í

n de ensayo de PID

Pieza8

PLANOS

Victor mm 19/06/2014

Diseñado por Comprobado por Cotas en Fecha

11 / 12

Hoja Escala 5:1

3,00

6

,0

0

9,00

3,00

3,00

3

,0

0

Balanc

_í

n de ensayo de PID

Pieza9

PLANOS

Victor mm 19/06/2014

Diseñado por Comprobado por Cotas en Fecha

12 / 12

Hoja Escala 2:1

n

5

,0

0

73,00