Estudio del sistema motriz del dirigible URAN

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(1)PROYECTO DE GRADO. ESTUDIO DEL SISTEMA MOTRIZ DEL DIRIGIBLE URAN. LADY PAOLA MAHECHA MOJICA. 200314401. ASESOR: CARLOS FRANSISCO RODRIGUEZ. PhD.. FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA Mayo de 2008 BOGOTÁ D.C.. 1.

(2) AGRADECIMIENTOS A Carlos Francisco mi asesor, por guiarme y enseñarme durante el desarrollo de este proyecto. A mis padres que han sido mi ejemplo a seguir, por sus consejos, por entenderme tal y como soy y en especial por su incondicional apoyo durante estos años. A Diego Galán por toda su compañía y colaboración no solo en este proyecto sino durante estos últimos años, por sus consejos y por toda la alegría que me ha dado. A mi amigos y grandes colaboradores en este proyecto: Gaston Lyons, Giovanni Salgado, Andres Silva, Diego Guevara, Alvaro Acuña y a todas las personas que de alguna manera se involucraron en este proyecto. A Hugo y Jorge por su colaboración en la implementación y las pruebas.. 2.

(3) TABLA DE CONTENIDOS CAPÍTULO 1 ................................................................................................................... 5 1.1 Introducción .......................................................................................................... 5 1.2 Objetivos............................................................................................................... 5 1.2.1 Objetivo general................................................................................... 5 1.2.2 Objetivos específicos ........................................................................... 6 CAPITULO 2 ................................................................................................................... 7 2.1 Marco teórico ................................................................................................ 7 2.1.1 Motores de dos tiempos ................................................................. 7 2.1.2 Carburación .................................................................................... 7 2.1.3 Velocidad diferencial ..................................................................... 8 CAPÍTULO 3 ................................................................................................................... 9 3.1 Metodología .................................................................................................. 9 3.1.1 Descripción de los motores ............................................................ 9 3.1.2 Combustible ................................................................................... 9 3.1.3 Puesta a punto y arranque de los motores ...................................... 9 3.1.3.1 Arranque del motor ........................................................ 10 3.1.3.2 Carburación .................................................................... 10 3.1.3.3 Consideraciones de seguridad ......................................... 10 CAPÍTULO 4 ................................................................................................................. 10 4.1 Banco de pruebas ........................................................................................ 11 4.1.1 Instrumentación............................................................................ 11 4.1.1.1 Sensor T/F mini 45 ........................................................ 11 4.1.1.1.1 Calibración ......................................................... 11 4.1.1.1.2. Acondicionamiento de la señal ....................... 12. 4.1.1.2 Sensores de efecto hall ................................................... 13 4.1.2 Diseño .......................................................................................... 13 4.1.3 Vectorización ............................................................................... 14 4.2 Modelo Matlab/Simulik .............................................................................. 15 4.2.1 Cambios en el modelo Simulink/Matlab...................................... 15 4.2.1.1 Marcos de Referencia ..................................................... 15 4.3 Simulación en tiempo real .......................................................................... 16 CAPÍTULO 5 ................................................................................................................. 18 5.1 Resultados ................................................................................................... 18 5.1.1 Prueba 1. ...................................................................................... 18 3.

(4) 5.1.2 Prueba2. ....................................................................................... 19 5.1.3 Prueba 3 ....................................................................................... 19 5.1.4 Prueba 4 ....................................................................................... 20 CAPÍTULO 6 ................................................................................................................. 22 6.1 Logros ......................................................................................................... 22 6.2 Conclusiones ............................................................................................... 22 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................ 23 ANEXOS ........................................................................................................................ 24. 4.

(5) CAPÍTULO 1. 1.1. Introducción En el año 2004 la Universidad de los Andes adquirió un dirigible marca Mini Zepp bautizado UrAn. Este dirigible tiene en total 5 actuadores independientes, los cuales son [1]: •. Dos motores propulsores de combustión interna de 2 tiempos.. •. Un servomotor para controlar la vectorización del eje de los motores.. •. Dos servomotores para controlar el ángulo de elevación con los alerones.. •. Dos servomotores para controlar el ángulo de giro con los alerones.. •. Un motor eléctrico para hacer rotación pura.. Los motores propulsores permiten el movimiento del dirigible hacia adelante. Estos motores están dispuestos de manera simétrica sobre un eje que se puede vectorizar por medio de un servomotor, lo que permite generar acciones de arranque y despeje. De igual manera ambos motores reciben la misma señal de paso de gasolina, lo que hace que se muevan a la misma velocidad. El dirigible UrAn ha sido la base de estudio de varios proyectos de grado de pregrado y maestría, para esta propuesta han sido de especial interés los siguientes documentos. •. Modelado, control y navegación para el vuelo autónomo de dirigibles [1]. En esta tesis doctoral, se implemento en Matlab un simulador del comportamiento dinámico del dirigible UrAn.. •. Diseño y construcción de un banco de pruebas para motores y hélices de aeromodelos [2]. En este trabajo se hizo el diseño de un banco de pruebas para aeromodelos; se concluye que el empuje de los motores propulsores aumenta proporcionalmente con el aumento de la velocidad angular. A la fecha el banco de pruebas no se encuentra en servicio.. 1.2. Objetivos 1.2.1.. Objetivo general. Diseñar e implementar un sistema de adquisición de datos para estudiar el sistema motriz del dirigible UrAn.. 5.

(6) 1.2.2. • • • • •. Objetivos específicos Recuperar la motricidad del dirigible. Diseñando un banco de pruebas para la góndola de UrAn para medir las fuerzas y los momentos generados por los propulsores de la góndola. Independizar la señal de velocidad de los motores de propulsión. Evaluar la el funcionamiento del dirigible luego de independizar la señal de velocidad de los motores. Completar el control del sistema motriz del dirigible UrAn. Implementar el sistema de adquisición de datos para simular el modelo matemático del dirigible en tiempo real.. 6.

(7) CAPITULO 2. 2.1. Marco teórico 2.1.1.. Motores de dos tiempos. Se les denomina así por que realizan las cuatro etapas del ciclo termodinámico (admisión, compresión, expansión y escape) en dos movimientos lineales del pistón (una vuelta del cigüeñal).. fig1. Motor de combustión interna de dos tiempos [15]. 1er. Tiempo La bujía inicia la explosión de la mezcla de aire y gasolina previamente comprimida. En consecuencia de la presión del gas caliente baja el pistón y realiza trabajo. Cierra el canal de admisión A, comprime la mezcla abajo en el cárter, un poco más tarde abre el canal U y el canal de Escape E, ver figura 1. Bajo la compresión adquirida el gas inflamable fluye del cárter por el canal U hacia la cámara de explosión y empuja los gases de combustión hacia el tubo de escape. Así el cilindro se llena con mezcla fresca. 2do. Tiempo El émbolo vuelve a subir y cierra primero el canal U y después el canal de escape E. Se comprime la mezcla, se abre el canal de admisión A y se llena el cárter con la mezcla nueva preparada por el carburador. 2.1.2.. Carburación. El carburador es el dispositivo que hace la mezcla de aire-combustible en los motores de gasolina, a fin de que el motor funcione más económicamente y obtenga la mayor potencia de salida. El carburador posee una división donde la gasolina y el aire son mezclados y otra division donde la gasolina es almacenada (cuba). Estas partes están divididas pero también están conectadas por la tobera principal. La relación de aire-combustible es determinante para el funcionamiento del motor. En la carrera de admisión del motor, el pistón baja dentro del cilindro y la presión interior del cilindro disminuye, aspirando aire desde el purificador, 7.

(8) carburador y colector de admisión fluyendo hasta el cilindro. Cuando este aire pasa a través de la porción angosta (venturi) del carburador, la velocidad se eleva, luego aspira la gasolina desde la tobera principal, esta gasolina aspirada es soplada y esparcida por el flujo de aire y es mezclada con el aire. La mezcla aire-combustible es luego aspirada dentro del cilindro, la cantidad de aire es controlada por la válvula de aceleración conectada al pedal del acelerador, determinándose así la cantidad de gasolina aspirada. 2.1.3.. Velocidad diferencial. La velocidad diferencial permite que los motores derecho e izquierdo de un vehículo giren a revoluciones diferentes, según éste se encuentre tomando una curva hacia un lado o hacia el otro. Cuando un vehículo toma una curva, por ejemplo hacia la derecha, el motor derecho recorre un camino más corto que el izquierdo, ya que este último se encuentra en la parte exterior de la curva. Esto permite al vehículo realizar una gran variedad de movimientos: desplazarse en línea recta, describir arcos o girar sobre sí mismo, lo cual posibilita que pueda cambiar su orientación si necesidad de modificar su posición [10].. 8.

(9) CAPÍTULO 3. 3.1 Metodología 3.1.1. Descripción de los motores. Los propulsores del dirigible son motores de combustión interna de dos tiempos, marca MVVS de 35cc, con carburadores Walbro. Las hélices instaladas en ellos son APC 17x10 de dos aspas, 17 pulgadas de largo en el círculo de barrido y 10 pulgadas de paso [1]. Las bujías de los motores se alimentan de 6V DC. La válvula de combustible se controla con un actuador que es desplazado por medio de un servomotor eléctrico del tal forma que se puede variar la velocidad de los motores con una señal eléctrica. 3.1.2. Combustible. Los motores utilizan una mezcla de combustible 50:1 de gasolina extra y aceite para motores de dos tiempos de motocicleta. Esta proporción de aceite, es la que se encarga de de lubricar las partes móviles del motor: rodamientos de biela, rodamientos de cigüeñal, pistón y cilindro. 3.1.3. Puesta a punto y arranque de los motores. fig2. Carburador Walbro RC 3224[2]. Los pasos para la carburación y el arranque del motor establecidos por el fabricante [2] que se siguieron en este proyecto para la puesta a punto de los motores son:. 9.

(10) 3.1.3.1. Arranque del motor. 1. Se chequean las líneas de combustible y se verifica que no hayan escapes, de otro modo la bomba de combustible no podrá alimentar al motor. 2. Abrir la válvula aproximadamente entre 3 a 4 mm de la posición de cerrado. 3. Girar cinco veces las aspas con la ignición desconectada. 4. Cerrar la válvula de choque y girar 5 veces las aspas con la ignición desconectada. 5. Conectar la ignición, y girar las aspas enérgicamente hasta que el motor encienda. Si el motor no arranca abra la válvula de choque a 3 mm e intente el arranque de nuevo. 3.1.3.2 Carburación Luego de arrancar el motor es necesario carburar el motor, esto consiste en regular las concentraciones de aire y gasolina. 1. Asegurarse de que el motor está en la temperatura de trabajo 2. Fije la mezcla de alta velocidad del motor en máxima velocidad con el tornillo, baje las revoluciones al punto muerto y fije la mínima velocidad con el tornillo de la válvula reguladora, ver figura 2. 3. Fije el ajuste de baja velocidad y alcance medio con el tornillo de ajuste de baja velocidad L, y el tronillo de la válvula de control de velocidad. Acelere hasta el máximo, si el motor se apaga durante la aceleración enriquezca la mezcla girando el tornillo “L” cerca de ¼ en sentido de las manecillas del reloj, figura 2. 3.1.3.3 Consideraciones de seguridad • • • •. Uso de elementos de protección personal: protección auditiva, gafas de seguridad, tapabocas y bata de laboratorio. El montaje se hizo en el laboratorio de conversión de energía de la Universidad de los Andes, el cual tiene un sistema de ventilación y de aislamiento sonoro. Señalización de peligro en el área de trabajo. Los motores no se deben desatender en ningún momento durante la ejecución de las pruebas y el personal presente en el laboratorio debe estar advertido del riesgo.. CAPÍTULO 4 10.

(11) 4.1. Banco de pruebas Para lograr una buena identificación de un sistema dinámico es necesario conocer muy bien las entradas del sistema y la respuesta de éste ante dichas entradas. Con el fin de registrar los datos de fuerza y momento generados por el motor de propulsión, se construyó una estructura en acero para ubicar un sensor de Fuerza/Torque (F/T) capaz de medir estas magnitudes en los tres ejes, ver figura 5. 4.1.1.. Instrumentación El banco tiene tres sensores: un primer sensor está ubicado entre dos placas de acero, este sensor es un sensor F/T, con el cual se midieron las fuerzas y torques ejercidas por los motores de propulsión sobre el sistema, otros 2 sensores de efecto hall están dispuestos en los motores de propulsión, con los cuales se midiero las rpm de los motores. Con estas señales se alimenta el modelo en Simulink, donde se implementan las acciones de control sobre la vectorización y la propulsión para luego realimentar el sistema.. 4.1.1.1.. Sensor T/F mini 45. El sensor F/T mide las seis componentes de fuerza y esfuerzo de torsión (Fx, Fy, Fz, Tx, Ty, Tz), usando un transductor monolítico instrumentado. El transductor utiliza las galgas extensiométricas que le dan alta inmunidad al ruido y protección a sobrecargas. El transductor envía señales de voltaje generadas por las deformaciónes en las galgas, hacia la tarjeta de adquisición PCI-60-36E de National Instruments, la cual se encarga de enviarlas al computador, Ver figura 3.. fig3. Sistema de adquisición de datos [14]. 4.1.1.1.1. Calibración Dada la configuración del sistema es imposible alinear las cargas con respecto a los ejes del sensor, debido a esto las fuerzas y momentos registrados en Labview no concuerdan con las magnitudes reales, ya 11.

(12) que presentan una ganancia adicional. Sin embargo estos datos tienen un comportamiento lineal con respecto a las cargas y momentos ejercidos sobre el sensor, debido a la disposición de las galgas dentro del sensor, es por esto que es posible calibrar el sensor experimentalmente. Para calibrar el sensor se generaron cargas con valores conocidos las cuales generan fuerzas y momentos en el sensor. Con los datos registrados y los valores reales se halló una ganancia con la que se pudo calibrar el sensor de tal manera que sirva para este montaje en particular. 4.1.1.1.2. Acondicionamiento de la señal Ya que los motores son de combustión interna, la fuerte vibración y el ruido que estos generan, son una fuente de distorsión sobre la señal del sensor. Es de gran importancia eliminar la mayor cantidad de interferencia sobre la señal con el fin de obtener una mejor lectura de datos. Se encontró que la luz de los tubos fluorescentes del laboratorio a 60 Hz producía ruido sobre la señal del sensor (+/- 20 [N], +/-20[Nm]); por esto todas las mediciones se realizaron con la luz apagada. También se encontró ruido puesta a tierra de +/- 40[N], por lo que fue necesario aislar sensor del banco de pruebas. Para el ruido generado por la vibración de los motores y en general se diseñaron filtros pasabajas en Simulink. Primero se halló el espectro en frecuencia de las señales (anexo C) para determinar la frecuencia de corte del filtro. En la figura 4.a se muestra el diagrama de bloques de Labview utilizado, en la figura 4.b se puede ver la señal Fz antes y después del filtro implementado en estado estable.. a.. Esquema del filtro de la señal en Labview. 12.

(13) b.. Señal Fz filtrada fig4. Diseño de filtros en Labview. 4.1.1.2.. Sensores de efecto hall. El comportamiento de los motores depende tanto de la apertura de la válvula de escape como del poder calorífico del combustible utilizado. Es por esto que la mejor manera de caracterizar su fuerza de empuje para hacer mediciones en vuelo es a partir de sus rpm. El efecto Hall consiste en la aparición de un campo eléctrico en un conductor cuando es atravesado por un campo magnético. Para medir las rpm de los motores cada motor tiene instalado un sensor de efecto hall Alphatec 10493924. El sensor está situado en el estator y dos imanes están dispuestos de tal forma que giran con las aspas, es así como este sensor genera un pulso por cada revolución, de tal forma que con un contador se pueden medir las rpm de cada motor. 4.1.2.. Diseño Luego de elegir el sensor se comenzó el diseño del banco de pruebas. La estructura se instaló en el laboratorio de conversión de energía de la Universidad de los Andes, debido a que esta área está dispuesta con una cámara de aislamiento sonoro para el arranque de motores dentro de la universidad, se cuenta también con un sistema de ventilación y absorción de gases. Se diseñó una estructura en acero para suspender del techo la góndola del dirigible, de tal manera que las condiciones del montaje fueran similares a la forma en que se sujeta del globo. El banco de pruebas se diseñó con un grado de libertad (existe cierta movilidad hacia delante y hacia atrás) para equilibrar el centro de gravedad, con el fin de evitar vibraciones, fuerzas y momentos indeseados en estado estable.. 13.

(14) fig5. Banco de pruebas. 44.1.3.. V Vectorizació ón Paraa la vectorizzación de laas fuerzas ejercidas e poor los motorres de propu ulsión se cuenta c con un u servomottor que estáá unido al eje por medioo de una rellación de engranes mediante m laa cual es posible p cam mbiar la incclinación de d los mottores con reespecto al dirigible. d Ell servomotoor se alimennta con +6V V DC paraa girar el ejee hacia delaante y -6V DC D para gíraalo hacia atrrás. Se propuso unn sistema de temporización parra vectorizar, consistiió en alim mentar el serrvomotor duurante un tiiempo deterrminado de tal forma que q se logrrara desplazzar hacia adelante a o atrás a segúnn lo indicaddo una disttancia constante, se deesarrolló el siguiente modelo m en Labview. L. figg6.. Esquuema propuesto o para la vectorrización en Labview. Debbido al pesso no siméétrico de lo os motores el desplazzamiento no o fue constante, por lo l que con este e sistemaa no se logrró desplazarr con precisiión el 14.

(15) eje por lo que no resultó en una implementación útil para realizar acciones de control. Dentro de la góndola se encuentra instalado un sensor de posición resistivo, que consiste en un potenciómetro que varía su resistencia linealmente de acuerdo con la posición del eje. Se propone como trabajo futuro su uso para generar acciones de control sobre la vectorización del dirigible.. 4.2. Modelo Matlab/Simulik. fig7. Modelo en Simulink tomado de [1]. Este modelo fue elaborado en la tesis doctoral de Leonardo Solaque [1]. El modelo tiene en cuenta todas las características físicas y dinámicas del dirigible, tiene como entradas: la fuerza de propulsión de los motores, el ángulo de vectorización, masa adjunta, up-down degree, heading degree, y tiene como salidas: La velocidad, el ángulo de incidencia, el ángulo slipage, y la altura a la que se encuentra el dirigible. 4.2.1.. Cambios en el modelo Simulink/Matlab. El banco de pruebas muestra los componentes de la fuerza y el momento par generados por los motores de propulsión en los tres ejes; por esto hay que modificar las entradas al modelo y transformar los datos adquiridos por el sensor a los marcos de referencia del modelo. 4.2.1.1.. Marcos de Referencia. El movimiento puede describirse empleando coordenadas medidas a partir de ejes fijos (análisis de movimiento absoluto), o empleando coordenadas medidas a partir de ejes móviles (análisis de movimiento relativo). Es así como en el modelo se hace necesario definir sistemas de referencia adecuados para realizar el análisis dinámico de los cuerpos rígidos.. 15.

(16) fig8. Marcos de referencia modelo Simulink/Matlab. : : :. á. Las entradas al modelo implementado en Simulink están referenciadas al sistema coordenado Rd por esta razón hay que convertir los datos tomados al sistema de referencia del modelo. Dentro del modelo en Simulink, los datos obtenidos con el banco de pruebas, se ven reflejados en el vector de fuerzas y momentos Tp debido a los motores de combustión. La ecuación que representa el aporte de estas fuerzas en el marco de referencia Rd está dado por. ′ ′. ′ ′. ′ Donde , , , , , son los datos tomados por el sensor y , ′ son las distancias del sensor al centro del volumen en x y z respectivamente.. 4.3. Simulación en tiempo real Debido a que el simulador del dirigible esta compilado en Matlab, es necesario convertir el sistema de adquisición de datos del sensor F/T a Matlab. Para lograr esto se hizo lo siguiente: • • •. Se importó a Simulink la tarjeta de adquisición de datos PCI-60-36E de National Instruments. Se introdujo la matriz de calibración para la conversión de Voltajes a F/T con el código en Matlab (anexo A) Se realizó en Matlab un código para calcular el vector de ajuste a cero de las fuerzas (anexo B), con estos dos Bloques en Simulink se cumple la función del programa que el fabricante entrega con el sensor implementada en Labview.. 16.

(17) fig9. Simulación en tiempo real con Matlab Real Time Workshop. •. Se crearon los filtros en Matlab para aislar la señal del ruido como se menciono anteriormente.. 17.

(18) CAPÍTULO 5. 5.1. Resultados Las fuerzas se encuentran en N y los momentos en Nm. 5.1.1.. Prueba 1.. Manteniendo los motores a la misma velocidad, se tomaron datos de Fuerza en el eje x. Esta prueba se realizo a distintas velocidades entre 2000 y 5000 rpm En la gráfica 1 se observa que la fuerza de empuje que ejercen los motores sobre el sistema aumenta a medida que la velocidad aumenta. El torque en x también aumenta debido a que en el montaje (fig. 5) existe un brazo en el eje z, las demás fuerzas y torques permanecen constantes como es de esperarse. Fx 50 Fuerza [N]. 40 30 20 10 0 2000 2500 3000 3300 3700 4000 4500 5000 rpm Gráfica 1.. Fuerza de empuje, prueba 1.. rpm. Fx. Fy. Fz. Tx. Ty. Tz. 2000. 8.11770. -0.42469. 2.72972. 0.261416. -2.86523. 0.396381. 2500. 8.23566. -0.36191. 0.98404. -0.32454. -3.04859. 0.407921. 3000. 13.74874. 0.26868. 3.41346. 0.459288. -5.01274. 0.624562. 3300. 17.60242. 0.48707. 3.82434. 0.32883. -6.3478. 0.378861. 3700. 21.25273. 0.35944. 0.32756. 0.379198. -7.62665. 0.44193. 4000. 27.06207. 0.27343. 1.03114. 0.413055. -10.299. 0.61732. 4500. 34.32200. 0.74635. 1.58300. 2.21300. -13.549. 0.83900. 5000. 41.28900. 0.53337. 0.85900. 0.994. -13.801. 0.28300. Tabla 1.. Resultados prueba 1. 18.

(19) 5.1.2.. Prueba2.. Uno de los objetivos del proyecto fue independizar la señal de velocidad para luego evaluar su comportamiento. En esta prueba se mantuvo en la máxima velocidad el motor izquierdo y se vario la velocidad del motor derecho para velocidades entre 1600 y 4000 rpm. Se tomaron mediciones de torque en z y fuerza de propulsión (fx) obteniendo los siguientes resultados. Fuerza de propulsión. Torque B. C. D. E. F. 0 ‐1 ‐2 ‐3 ‐4 ‐5 ‐6 ‐7 ‐8. Fuerza (N). Torque (Nm). A. 40 35 30 25 20 15 10 5 0 A. Gráfica 2.. B. C. D. E. F. Resultados experimentales, fuerza de propulsión y torque para la prueba 2. Caso. Vel M. Derecho rpm. Vel M. Izq rpm. Δrpm. Σrpm. Fx. Fy. Fz. Tx. Ty. Tz. A. 1600. 5000. 3400. 6600. 26.7318. 15.017. 5.9945. 0.20554. -10.33. -6.72615. B. 2200. 5000. 2800. 7200. 28.6421. 15.14. 5.6332. 0.23048. -10.275. -6.2377. C. 2800. 5000. 2200. 7800. 29.9435. 10.927. 8.5230. 0.19650. -11.705. -5.82734. D. 3000. 5000. 2000. 8000. 31.9730. 13.072. 6.9391. 0.23086. -10.962. -5.75876. E. 3500. 5000. 1500. 8500. 33.9025. 15.215. 5.3552. 0.26522. -10.219. -5.69018. F. 4000. 5000. 1000. 9000. 35.5031. 8.2048. 11.244. 0.42785. -13.251. -3.63646. Tabla 2.. 5.1.3.. Resultados experimentales, fuerza de propulsión y torque para la prueba 3. Prueba 3. Al igual que en la prueba dos se tomaron datos con los motores a velocidad diferencial, en esta se mantuvo en la máxima velocidad el motor derecho y se vario la del motor izquierdo, se realizaron mediciones de Fuerza de propulsión (fx) y de Torque en z.. 19.

(20) Fuerza de propulsión. Torque 10 Torque (Nm). Fuerza (N). 40 35 30 25 20 15 10 5 0. 6 4 2 0. A Gráfica 3.. 8. B. C. D. E. F. A. B. C. D. E. F. Resultados experimentales, fuerza de propulsión y torque para la prueba 3. Caso. Vel M. Derecho rpm. Vel M. Izq rpm. Δrpm. Σrpm. Fx. Fy. Fz. Tx. Ty. Tz. A. 5000. 2000. 3000. 6800. 21.1712. -9.0062. 3.00630. 0.9997. -7.4176. 7.86328. B. 5000. 2200. 2800. 7000. 23.317. -9.9803. 4.05470. 1.3271. -8.2643. 7.34133. C. 5000. 2700. 2300. 7700. 24.6650. -9.271. 4.64037. 1.1391. -8.7885. 7.2465. D. 5000. 3500. 1500. 8500. 30.0244. -3.9814. 8.06497. 1.3852. -11.013. 5.36514. E. 5000. 4000. 1000. 9000. 35.109. -2.3655. 5.78256. 0.8105. -12.407. 3.94312. F. 5000. 500. 9500. 37.8280. 1.46938. 9.97703. 1.1044. -13.854. 2.30746. 4500. Tabla 3.. Resultados experimentales, fuerza de propulsión y torque para la prueba 3. En la prueba 3 el torque aumenta a medida que el diferencial de velocidades aumenta, se observa que el máximo torque generado por los motores que se logro es de 7.86Nm. 5.1.4.. Prueba 4. En esta prueba ambos motores están a 5000 rpm y se vectoriza su fuerza 4 ángulos. Se graficaron datos de fuerza en el eje x y en el eje z que son la fuerzas de interés. Fuerza [N]. Vectorización 5000 Rpm 50 40 30 20 10 0 ‐10 ‐20. Gráfica 4.. ángulo. 0. 45. 60. 90. Fx. Fz. 0. 42.8472. 8.378373. 45. 23.54414. 19.47742. 60. 17.86022. 30.61567. 90. -8.40116. 42.50578. Angulo [Deg] Fuerza en el eje y el eje z para la prueba 4. 20.

(21) En la grafica 4 se puede observar como en el ángulo 0°, la fuerza en el eje x es máxima mientras en el eje z es nula, a medida que el ángulo de giro aumenta la fuerza en z aumenta hasta que la fuerza en y desaparece.. 21.

(22) CAPÍTULO 6. 6.1. Logros •. • •. Se creó un banco de pruebas para evaluar el comportamiento de las fuerzas que generan los motores sobre el dirigible. Se calibró un sensor de fuerza/torque para este montaje por medio de ganancias que aproximan los datos medidos a los valores reales, esto es posible debido a la linealidad del sistema de medición por medio de galgas. Con el banco de pruebas se logró obtener un registro de los datos del comportamiento de los motores en cuanto a la fuerza y torque que se generan a diferentes revoluciones. Con los datos adquiridos a través del banco de pruebas y el uso de la herramienta Real Time Workshop de Matlab, se logró alimentar en tiempo real el modelo en Simulink.. 6.2. Conclusiones • •. • •. Los datos obtenidos experimentalmente mostraron coherencia con la teoría consultada [13], lo que valida el buen funcionamiento del banco de pruebas. Debido a que la velocidad de rotación del eje no es constante, el control implementado no es funcional en aplicaciones reales. Se propone como trabajo futuro el desarrollo de un control proporcional con el cual se conozca la posición del eje. Es importante realizar una buena carburación de los motores para minimizar las variaciones en las rpm del motor, de esta forma mejorar la precisión de los datos medidos. Para lograr mayor precisión en la vectorización de la fuerza, se propone como trabajo futuro el uso del sensor de posición que se encuentra a bordo de la góndola.. 22.

(23) BIBLIOGRAFÍA [1] Modelado, control y navegación para el vuelo autónomo de dirigibles Solaque Guzman L. E.INSA de Toulouse (30/01/2007). [2] http://morrishobbies.com/Specs/MVVS-215-carb.jpg , [3] Cabana Navarro, Sandra Catalina, Diseño y construcción de un banco de pruebas para motores y hélices de aeromodelos [4] Cadena Lerma, Cesar Darío Estudio del modelo e identificación de un dirigible. [5] Patiño Guevara, Diego Alejandro, Fusión sensórica y simulación para el direccionamiento de un dirigible. [6] Arévalo Escobar, Mauricio. Diseño e implementación del control de vuelo para un dirigible Mauricio Arévalo Escobar [7] Rivera López, Luis Alonso, Diseño y construcción de un dirigible a radio control. [8] Martínez González, Juan, Diseño y construcción de dirigible a radio control para uso publicitario. [9] http://www.minizepp.com/English_zepp.html, minizepp- World of radio controlled airships, balloms and blimps. [10] Marroquín Olivera, Federico, Metodología de diseño y construcción para un dirigible tipo “BLIMP” [11] Gómez Isaza, Alberto Antonio, Diseño e implementación de la electrónica de instrumentación de un dirigible, basado en la aplicación de nuevas tecnologías y orientado a la reducción de espacio, peso y energía en el marco de la tesis Doctoral de Leonardo Solaque [12] Ramírez Forero, Nicolás Fernando, Sistema de adquisición de datos para un dirigible [13] Hibbeler, Russell Charles, Engineering mechanics : dynamics, R.C. Hibbeler. 10th ed. , Upper Saddle River, NJ : Pearson : Prentice Hall, c2004. [14] http://www.ati-ia.com/products/ft/ft_literature.aspx, ATI F/T catalogs and manuals [15] http://elhuyar-blogak.org/teknoskopioa/motores/adibidez/ Motores en general, motores de combustión interna. 23.

(24) ANEXOS. A. Calibratión file <?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>      <FTSensor Serial="FT5253" BodyStyle="Mini45" Family="DAQ" NumGages="6" CalFileVersion="1.0"> <Calibration PartNumber="SI-580-20" CalDate="5/2/2003" ForceUnits="N" TorqueUnits="N-m" DistUnits="m" OutputMode="Ground Referenced Differential" OutputRange="20" OutputBipolar="True"> <Axis Name="Fx" values=" 0.02655 0.03734 -0.91982 33.74052 1.72493 -35.86673 " max="580" scale="0.358016500659888"/> <Axis Name="Fy" values=" 0.029341*0.999616*1.2 0.002133*1.143241*1.2 -2.29*1.2 -0.0075742*0.00394267*1.2 2.324*0.95643896*1.2 -0.0645572*0.982911*1.2 " max="580" scale="0.358016500659888"/> <Axis Name="Fz" values="-18.66527 0.32121 -18.77887 -0.05136 19.21720 0.39534 " max="1160" scale="0.141322302892061"/> <Axis Name="Tx" values=" -0.44111 -0.03206 34.42943 -0.11381 34.94231 0.97077 " max="20" scale="15.8879404388712"/> <Axis Name="Ty" values="-40.53459 1.26377 20.14595 -0.46902 21.36150 -1.00598 " max="20" scale="15.8879404388712"/> <Axis Name="Tz" values=" -1.00666*1.6535*1.81 17.28850*1.6535*1.81 0.12824*1.6535*1.81 18.25145*1.6535*1.81 -0.07580*1.6535*1.81*2 19.24933*1.6535*1.81*2 " max="20" scale="13.1369157325297"/> <BasicTransform Dx="0" Dy="0" Dz="0.006858" Rx="0" Ry="0" Rz="0"/> </Calibration> </FTSensor> B. Matriz de calibración del sensor F/T en Matlab function [Fx, Fy, Fz, Tx, Ty, Tz] = Volt2FT(G0,G1,G2,G3,G4,G5) % Calibration matrix Cal = [0.074158593 0.104296869 -2.569211191 94.2429188 4.818018155 -100.1817791; ... -0.785215205 -104.2529602 1.084251701 54.42129054 -2.051609349 56.57856541; .... 24.

(25) -132.0758976 2.272889653 2.797435309; ... -0.033148831 -0.716984684 0.449116861; ... -2.551788914 0.078827452 0.623729435;... -0.076628337 1.316024275 1.465285337];. -132.8797339 -0.36342459 -135.9813675 2.174452356 0.366057916 -2.213367582 1.285622264 -0.675838441 1.311468359 0.009761804 1.389325346 -0.00577. %Aqui tienes q poner el vector de bias, Medicion en cero para calibrar. % Orden G0 G1 G2 G3 G4 G5 %Bias=[0.8235 0.5667 -0.3255 0.1217 -0.247 0.7753]; %Measurement %Measurment=[0.1099 1.9644 3.694 -1.0388 -3.8624 0.7913];. -. Measurment=[G0,G1,G2,G3,G4,G5] %FT = [Fx Fy Fz Tx Ty Tz] FT=(-Cal*(Bias-Measurment)')' Fx=FT(1); Fy=FT(2); Fz=FT(3); Tx=FT(4); Ty=FT(5); Tz=FT(6); C. Codigo para el espectro en frecuencia function [frec, Xmag]=espectro(x,fs) % Tamaño del vector x N = length(x); % Transformada de Fourier Discreta (calculada mediante FFT) X = fft(x); % Adecuación del espectro generado (corrimiento e inversión) X = fftshift(X); % Magnitud de la transformada Xmag = abs(X); % Generar vector de frecuencia en hertz ( intervalo [-fs/2,fs/2) ) frec = (-0.5:1/N:0.5-(1/N))*fs;. 25.

(26)