UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA EN MECATRONICA
CONTROL DE AUTOEQUILIBRIO DE UN QUADCÓPTERO
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN MECATRONICA
JOAN GUILLERMO BELTRAN GUANO
DIRECTOR: ING. MARCELA PARRA PINTADO, MGT
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2015
DECLARACIÓN
Yo JOAN GUILLERMO BELTRAN GUANO, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para
ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias
bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos
correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de
Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional
vigente.
________________________________
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “CONTROL DE AUTOEQUILIBRIO DE UN QUADCÓPTERO.”, que, para aspirar al título de Ingeniero en mecatrónica fue desarrollado por Joan Beltrán, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple
con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación
artículos 18 y 25.
___________________
Ing. Marcela Parra Pintado, MSC
DIRECTOR DEL TRABAJO
AGRADECIMIENTO
Quiero expresar mis más sinceros agradecimientos primeramente a Dios, en
segundo lugar a mis padres que siempre me han apoyado y han estado a mi
lado brindándome sus consejos y mi formación como ser humano, además
de su amor incondicional y su confianza para llegar a cumplir mis objetivos
como persona y como estudiante.
A mis familiares y amigos que me han brindado su apoyo, cariño, consejo y
por su presencia en momentos que los necesitaba.
A mi novia por apoyarme y ayudarme moralmente a superar los momentos
difíciles que llegaron durante el desarrollo del proyecto.
A mi directora de tesis ingeniera Marcela Parra por su apoyo y ayuda para
sacar este proyecto a delante.
Finalmente a la Universidad Tecnológica Equinoccial y directamente a mis
profesores por prepararme con su excelente modelo de educación.
i
INDICE DE CONTENIDOS
RESUMEN viii
ABSTRACT ix
1. INTRODUCCIÓN
2. MARCO TEORICO
2.1 ANTECEDENTES INVESTIGATIVOS 6
2.2 FUNDAMENTACIÓN LEGAL 6
2.3 CATEGORIAS FUNDAMENTALES 6
2.4 EQUILIBRIO 6
2.4.1 CONDICIÓN DE EQUILIBRIO DE UN CUERPO SUSPENDIDO,
MÓVIL ALREDEDOR DE UN PUNTO FIJO 7
2.5 CUADRICOPTERO 7
2.5.1 PRINCIPIOS DE OPERACIÓN 8
2.6 CONTROL DEL CUADRICOPTERO 9
2.6.1 INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE CONTROL 9
2.6.1.1 Sistema de lazo cerrado 10
2.6.1.2 Sistema lazo abierto 11
2.6.2 Modelo matemático y de control 11
2.6.3 CONTROLADOR PID 12
2.6.3.1 Controlador PID digitalizado 13
2.6.4 CONTROL DEL CUADRICOPTERO 14
2.6.4.1 Control de postura 17
2.6.4.2 Control de posición 19
2.6.4.3 Control general del sistema 20
2.6.5 PWM 21
ii
2.6.5.2 Uso del motor 22
2.6.6 AJUSTE DE PARÁMETROS DEL CONTROLADOR PID POR
MEDIO DE EVOLUCIÓN DIFERENCIAL 23
2.7 HARDWARE 23
2.7.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA 23
3. METODOLOGIA
3.1 MECÁNICA 25
3.2 ELETRONICA 26
3.2.1 CONTROLADOR 26
3.2.1.1 IMU unidad de medición inercial 27
3.2.1.2 Motor 28
3.2.1.3 Bateria 28
3.2.1.4 ESC Controlador 29
3.2 INFORMATICA 30
3.3 PID 31
4. DISEÑO
4.1 ESTRUCTURA MECANICA DEL CUADRICOPTERO 34
4.2 SISTEMA ELETRICO Y ELECTRONICO DEL CUADRICOPTERO 36
4.3 IMPLEMENTACION DEL SISTEMA APM 39
4.4 CONFIGURACION DEL RADIO CONTROL 41
5. ANALISIS DE RESULTADOS
5.1 INTERPRETACION DE RESULTADOS 45
5.1.1 ANALISIS DE MOTORES 46
5.1.2 ANALISIS DE SENSORES 48
5.1.2.1 Prueba del IMU 48
iii
5.1.3 COMUNICACIÓN 57
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
6.1 CONLUSIONES 58
6.2 RECOMENDACIONES 59
BIBLIOGRAFIA 60
iv
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Tabla comparativa para selección de la estructura del cuadricoptero 25
Tabla 2 Tabla comparativa para selección de controlador 27
Tabla 3 Tabla comparativa para selección de motores 28
Tabla 4 Tabla comparativa para selección de bateras 29
Tabla 5 Tabla comparativa para selección de ESC 30
Tabla 6 Tabla para selección del software 31
Tabla 7 Formulas para calcular PID 32
Tabla 8 Tabla del Kp en función del tiempo 33
v
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 Árbol de problema para el equilibrio del cuadricoptero 3
Figura 2 Rotación de los rotores 9
Figura 3 Los ejes utilizados para modelar un cuadricoptero 11
Figura 4 Diagrama de bloques de un PID 13
Figura 5 Esquema de movimiento del cuadricóptero 14
Figura 6 Ángulos de movimiento de un cuadricoptero 16
Figura 7 Dirección de inclinación del cuadricoptero 18
Figura 8 Dirección de Empuje del cuadricoptero 18
Figura 9 Dirección de derrape del cuadricoptero 18
Figura 10 Movimiento de despegue 19
Figura 11 Movimiento de aterrizaje 19
Figura 12 Diagrama de control del sistema 20
Figura 13 Sistema de control del cuadricoptero 24
Figura 14 Sistema de comunicación 24
Figura 15 MPÛ 6000 28
Figura 16 Ensamble placa principal con los brazos 35
Figura 17 Sujetadores para los motores. 35
Figura 18 Frame del cuadricoptero 36
Figura 19 Ensamble del motor y la hélice 36
Figura 20 Esquema de conexión 37
Figura 21 Conexión del motor con el ESC 38
Figura 22 Conexiones de los motores al ardupilot 38
Figura 23 Descarga APM planner 2.0 39
Figura 24 Interfaz principal del software APM 40
Figura 25 Conexión entre ardupilot al computador 40
Figura 26 Movimientos para realizar la calibración 41
Figura 27 RC Futaba 6J 2.4 Hz 42
Figura 28 Selección del modo avión 42
Figura 29 Calibración del radio control 43
Figura 30 Configuración radio control 44
vi
Figura 32 Valores medidos de los motores en diferentes posiciones 47
Figura 33 Datos medidos por el software APM Planner 47
Figura 34 Valores iniciales 48
Figura 35 Alteración del ángulo roll 49
Figura 36 Alteración negativa del ángulo roll 49
Figura 37 Alteración del ángulo pitch 50
Figura 38 Aumento del angulo de lanzamiento 50
Figura 39 Prueba de GPS 51
Figura 40 Vista de las lecturas de los sensores 51
Figura 41 Control de Roll 52
Figura 42 Control del Picth. 54
Figura 43 Control del Yaw 55
vii
ÍNDICE DE ANEXOS
ANEXO I Respuesta del INEN acerca de las normas vigentes en el Ecuador 62
ANEXO IIInstalación del software APM Planner 63
ANEXO III Selección de la placa para configuración 64
ANEXO IV instalación del firmware para el cuadricoptero 65
ANEXO V Calibración de los sensores (giroscopio y acelerómetro) 66
viii
RESUMEN
Se desarrolló el control de equilibrio para un cuadricoptero que incluye una
cámara, el cual está siendo utilizado dentro de las instalaciones del bloque
de laboratorios de ingeniería mecatrónica de la Universidad Tecnológica
Equinoccial. El Cuadricoptero o helicóptero quadrotor, es un multicóptero
propulsado por cuatro rotores. Se diferencia de los helicópteros, puesto que
se usan dos juegos de hélices fijas idénticas campales; siendo dos en
sentido horario y dos en sentido anti horario. El problema para el equilibrio
se enfocó en los parámetros de control mediante el sistema PID el cual
dirige la elevación del cuadricoptero, la cual se la controla variando los RPM.
Por otro lado el movimiento es controlado por la alteración de la velocidad de
rotación de uno o más discos de rotor, cambiando su par de carga, mediante
el control de equilibrio; este sistema de control se basa en una cámara con
unos sensores adicionales a bordo del cuadricoptero para resolver los retos
de la planificación del vuelo y así evitar colisiones en lugares con una mayor
trayectoria de vuelo ambigua, como cruces de los pasillos. Para diseñar este
proyecto se ha usado la metodología Mecatrónica que abarca las áreas de
mecánica, electrónica y control; que integradas han proporcionado robustez
ix
ABSTRACT
It balance control for a quadricopter that includes a camera, which is being
used inside the block of mechatronics laboratories at Universidad
Tecnologíca Equinoccial. The quadricopter or quadrotor helicopter is
powered by four rotors multicopter. It differs from the helicopters, since two
sets of identical fixed pitched propellers are used; it is both clockwise and
counter-clockwise two. The problem to be focused on the balance
parameters using the PID control system which directs cuadricóptero
elevation, which is controlled by varying the RPM. Furthermore the
movement is controlled by altering the rotational speed of one or more rotor
disks, changing the load torque, by controlling balance; this control system is
based on a camera with additional sensors on board the quadricopter to
meet the challenges of flight planning and avoid collisions in places with higher flight path ambiguous as Halls Crossroads. To design this project has
been used Mechatronics methodology covering the areas of mechanics,
electronics and control; which they have provided robust integrated to this
system.
1 En los últimos años a nivel mundial ha ido creciendo el interés en el
desarrollo de los vehículos aéreos no tripulados para cumplir varias tareas;
debido a sus características como: su tamaño pequeño, mayor
maniobrabilidad y su bajo precio.
Por estas razones se han llegado a convertir en objetos muy populares para
uso tanto militar como para el área civil en tareas de vigilancia,
reconocimiento e inspección en ambientes complejos o peligrosos, etc.
Los avances tecnológicos han promovido el desarrollo y operación de este
tipo de vehículos. Ya que se han fabricado sensores, microprocesadores y
sistemas de propulsión pequeños, más ligeros y con mayor capacidad para
mejorar las actividades aéreas.
El sistema tiene que retroalimentarse con datos sobre su estado actual y
actuar en consecuencia al momento. Sin embargo, a medida que la
tecnología ha ido avanzando, la precisión y carga de computación
necesarias han dejado de ser una barrera.
Gracias a la tecnología cada vez más precisa de: sensores y procesadores
que existen hoy en día, es posible hacer volar estos aparatos. De ahí el auge
que han experimentado estos sistemas en los últimos tiempos.
Un cuadricoptero es una especie de helicóptero que posee cuatro rotores, donde cada uno de estos está colocado en la extremidad de una cruz. El
control del cuadricoptero se hace modificando las velocidades relativas de
los rotores, ya sea para cambiar su altitud, orientación, avance, retroceso,
etcétera.
Debido al gran desarrollo tecnológico que ha existido en las últimas décadas
y aun mayor durante los últimos años; hoy en día a nivel mundial y nacional,
las fuerzas armadas buscan nuevas maneras de realizar la vigilancia sin
2 El diseño de una interfaz es importante. Y esta debe ser sencilla e intuitiva
para lograr un rápido aprendizaje del manejo del vehículo, facilitando su uso
en lugares donde no haya disponible personal especializado.
Otro aspecto muy importante que debemos tomar en consideración es el
diseño del hardware. El cual debe ser pensado para una extensión en las
funcionalidades del cuadricoptero, para que pueda ser muy útil con
investigaciones futuras.
Para solucionar estos problemas que tienen que ver con la estabilidad del
cuadricoptero debemos tener en consideración los factores ambientales
tales como serian: la lluvia, vientos, etc. Y además los factores eléctricos
como serian: los cortocircuitos, daños de motores por causa del movimiento
o cualquier otro factor.
Se debe diseñar un sistema en lazo cerrado que nos ayude a estabilizar el
vuelo, es decir que este vaya verificando a cada instante las señales
emitidas por los sensores las compare y tenga su retroalimentación.
Haciendo este proceso repetitivo, y así evitando errores y reduciendo el
tiempo de respuesta del sistema de estabilización.
Además en del área local se puede construir fácilmente estos vehículos
aéreos puesto que requiere una menor inversión a la de otros productos. A
continuación en la figura se analiza el problema principal, sus causas y
efectos mediante un árbol de problemas que se muestra a continuación en la
3
4 Se comprará la estructura o frame del cuadricoptero debido a que las
empresas que realizan trabajos en fibra de carbono en el país tienen costos
muy altos de producción, por lo tanto se adquirirá el frame del cuadricoptero
de la marca Tarot modelo Iroman 650, tubo de 3K sarga hueco de fibra de
carbono (tubo de carbono no 3K vítreo) mecanizado mediante CNC, los
estándares de diseño más alto que otros productos similares, todo el
conjunto pesa 476 gramos; en el cual se colocara los componentes
electrónicos como son la placa ardupilot, motores, sensores, controladores.
Se controlará el auto equilibrio de un cuadricóptero a través de un sistema
de control PID, el mismo que permitirá controlar los motores sin escobillas
(brushless) en los parámetros de velocidad y cambios de giro. La operación
se la debe realizar en interiores.
Como es de conocimiento general en los últimos años se han desarrollado
nuevas tecnologías y una en la cual se están dando avances es en la
construcción de vehículos aéreos no tripulados, o drones con manejo remoto
para diferentes áreas y con varias aplicaciones como son las de vigilancia,
inspección, búsqueda aérea en sitios donde sea dificultosa la presencia de
personas.
Al implementar este proyecto se debe poner énfasis en lo que es el control
del vuelo del cuadricòptero; equilibrio, puesto que es un equipo se siga una
secuencia estable sin desvíos y evitar demora en el tiempo.
Para ello el sistema contará con una interface gráfica de fácil manejo que
ayudara a saber la posición exacta del cuadricoptero, ayudara a no perder la
ruta del cuadricoptero, estar pendiente de su situación y a su vez poder
5 Para ello se aplican materias como: diseño mecatrónico y control digital,
programación, microcontroladores, electrónica; para analizar variables de
control
Lo novedoso de este proyecto es que se va a mantener el equilibrio en el
cuadricoptero mediante el control externo ayudando a próximas
investigaciones ya que podrá ser utilizada para viajar en diferentes
trayectorias.
OBJETIVO GENERAL
Implementar un sistema de control en un cuadricóptero para mantener el
equilibrio.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
- Implementar del sistema de sensores para detectar posiciones exactas
para determinar la estabilidad.
- Diseñar y programar el sistema de control PID para los cuatro motores
del cuadricóptero
6 En un principio se va a dar a conocer la existencia de trabajos
correlacionados con el actualmente realizado, además basados en eso
definiremos los conceptos y definiciones que serán la esencia que se deben
conocer para desarrollo de este proyecto de tesis.
2.1 ANTECEDENTES INVESTIGATIVOS
Dentro de la Fuera Aérea Ecuatoriana (FAE) se está desarrollando una flota
de drones y otras clases de vehículos no tripulados que tendrán la función
de vigilar nuestra frontera
2.2 FUNDAMENTACIÓN LEGAL
Dentro de las normas que existen en las leyes ecuatorianas y basados en la
consulta en el Instituto Ecuatoriano de Normalización (INEN); en el país no
se encuentran normas relacionadas con lo que es la fabricación de
cuadricópteros. (ANEXO 1).
2.3 CATEGORIAS FUNDAMENTALES
A nivel mundial se han desarrollado estudios de vehículos aéreos no
tripulados, puesto que tienen ciertas características como: pequeño tamaño,
gran maniobrabilidad y su bajo precio; para uso militar y civil para aplicarlos
en tareas como la de vigilancia, reconocimiento e inspección.
2.4 EQUILIBRIO
El equilibrio es un estado de balance/compensación de las características de
7 Pero al desplazarse levemente, se puede llegar a las siguientes
conclusiones: (1) si el cuerpo regresa a la posición original, está en equilibrio
estable; (2) si el cuerpo se aleja de su posición, está en equilibrio inestable; y
(3) si el cuerpo permanece en su nueva posición, está en equilibrio neutro o
indiferente.
2.4.1 CONDICIÓN DE EQUILIBRIO DE UN CUERPO SUSPENDIDO, MÓVIL ALREDEDOR DE UN PUNTO FIJO
La condición principal para que exista equilibrio en un cuerpo móvil alrededor
de un punto fijo, es que la vertical del centro de gravedad recorra también el
punto de suspensión. Debido a esta condición se tiene:
El equilibrio es estable, al apartar de la posición de equilibrio al cuerpo, regresa a la posición que antes tenía.
El equilibrio es inestable al apartar de la posición de equilibrio, estando el centro de gravedad arriba del punto o eje de suspensión.
El equilibrio es indiferente al mover el cuerpo, se queda en
equilibrio en cualquier posición.
2.5 CUADRICOPTERO
El helicóptero quadrotor, es un multicóptero propulsado por cuatro rotores.
Se diferencia de los helicópteros, puesto que se usan 2 juegos de hélices
fijas idénticas campales; 2 en sentido horario (CW) y 2 en sentido anti
horario (CCW).
La elevación del cuadricoptero se lo controla variando los RPM. Por otro
lado el movimiento es controlado por la alteración de la velocidad de rotación
8 Al principio los cuadricópteros llegaron a ser considerados como soluciones
a los problemas en vuelo vertical, problemas de control de par-inducida
(eficiencia del rotor de cola) pueden ser eliminadas por el contra-rotación.
Unos diseños tripulados se crearon entre 1920 y 1930. Estos fueron los
primeros en lograr despegue vertical y aterrizaje.
Los diseños más recientes de cuadricóptero son los vehículos aéreos no
tripulados (UAV), que utilizan un sistema de control electrónico con sensores
que permiten estabilizar la nave. Debido a su pequeño tamaño y
maniobrabilidad, pueden ser utilizados en interiores como en exteriores.
Las ventajas del uso de los cuadricóptero son: no requerir conexiones
mecánicas para variar el ángulo de las palas del rotor mientras están
girando. Reduciendo el diseño y mantenimiento.
Otra ventaja es que al usar cuatro rotores permite poseer menos energía
cinética durante el vuelo. Algunos cuadricóptero contienen marcos para los
rotores, permitiendo vuelos en entornos difíciles, reduciendo el riesgo de
dañar el vehículo o sus alrededores.
2.5.1 PRINCIPIOS DE OPERACIÓN
Los rotores producen un empuje y torsión en el centro de rotación, al igual
que una fuerza de arrastre en dirección contraria al sentido de vuelo.
Al girar los rotores con la misma velocidad angular, los rotores 1 y 3 girando
en sentido horario y los rotores 2 y 4 en sentido anti horario como se
muestra en la figura, obteniendo que la aceleración angular alrededor del eje
9
Figura 2 Rotación de los rotores
La complejidad del cuadricoptero produce que varias áreas estén
interesadas en el desarrollo, siendo el punto de partida su modelo dinámico.
Se han estudiado métodos de control: controladores PID, el control
Backstepping, es no lineal para el control, los controladores LQR, y no
lineales controladores con saturaciones anidadas. Los métodos de control
requieren una información exacta de la posición y la actitud de las
mediciones realizadas con un giroscopio, un acelerómetro, y otros aparatos
de medición, como el GPS.
2.6 CONTROL DEL CUADRICOPTERO
2.6.1 INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE CONTROL
Los sistemas de control, según la teoría cibernética, se aplican en esencia
para los organismos vivos, las máquinas y las organizaciones. Un sistema
de control es un conjunto de componentes que regulan su conducta
reduciendo los fallos y obtener los resultados deseados.
Los procesos de control pueden llegar a sustituir un trabajador pasivo que
10 eficiencia mayor que el del trabajador. Los sistemas de control más
modernos automatizan procesos con muchos parámetros y reciben el
nombre de controladores de automatización programables (PAC).
Los sistemas de control deben conseguir los siguientes objetivos:
1. Ser estables y robustos frente a perturbaciones y errores en los modelos.
2. Ser eficiente según un criterio preestablecido evitando comportamientos
bruscos e irreales.
2.6.1.1 Sistema de lazo cerrado
Son sistemas en función de la señal de salida con la retroalimentación. El
control en lazo cerrado es imprescindible cuando se da alguna de las
siguientes circunstancias:
- Cuando un proceso no es posible de regular por el hombre.
- Una producción a gran escala que exige grandes instalaciones y el hombre
no es capaz de manejar.
- Vigilar un proceso es especialmente difícil en algunos casos y requiere una
atención que el hombre puede perder fácilmente por cansancio o despiste,
con los consiguientes riesgos que ello pueda ocasionar al trabajador y al
proceso.
Sus características son:
Ser complejos, pero amplios en cantidad de parámetros.
La salida se compara con la entrada y le afecta para el control del sistema.
Su propiedad de retroalimentación.
11
2.6.1.2 Sistema lazo abierto
Es el sistema que controla la señal de entrada y da como resultado una
señal de salida distinta a la original, pero en base a la de origen. Es decir sin
retroalimentación con el controlador, que la ajuste.
Las características que describen a este sistema son:
Ser sencillos y de fácil concepto.
Nada asegura su estabilidad ante una perturbación. La salida no se compara con la entrada.
Ser afectado por las perturbaciones. Éstas pueden ser tangibles o intangibles.
La precisión depende de la previa calibración del sistema.
2.6.2 MODELO MATEMÁTICO Y DE CONTROL
Este es el primer paso para el diseño de un quadrotor. Incluye ecuaciones
aerodinámicas y matemáticas; las cuales se representan de acuerdo a los
ejes como se muestra en la figura 3:
Figura 3Los ejes utilizados para modelar un cuadricoptero
F1 a F4 representan las fuerzas de empuje y los ángulos ψ, ɵ y ɸ
representar e balanceo, cabeceo y guiñada. Los mismos que generan
fuerzas de impulso y el par de maniobrabilidad. Para el control se usa el
12 Todas las funciones del PID perturban los factores del sistema. El
Proporcional se representa con Kp; actúa mejorando la precisión de la
estática y respuesta dinámica del sistema. El Integrador Ki aumenta la
cantidad de dinámica y la precisión estática. La acción Derivativa Kd
aumenta o mejora la respuesta dinámica.
Para el cálculo de estos factores se debe tener en cuenta:
i p i
T
K
K
[2-1]d p
d
k
T
K
*
[2-2]Ti es el tiempo de reseteo; el parámetro Td es la cantidad de tiempo para la respuesta del sistema. La definición matemática del controlador PID es:
S
K
S
K
K
PID
d i p*
[2-3]S
T
K
S
T
K
K
K
p di p p
i
*
*
*
[2-4]El controlador PID es una combinación de PD y PI. Estos parámetros se encuentran por ensayo y error.
2.6.3 CONTROLADOR PID
El PID realiza el control mediante la realimentación con el error entre un
valor medido y el valor que se quiere obtener, y así conseguir corregir hasta
llegar a un punto ajustado. EL control PID tiene tres parámetros: el
13 El Proporcional establece la reacción del error actual. El Integral corrige de
manera proporcional a la integral del error, asegurándonos que el error se
reduzca a cero; El Derivativo determina el tiempo en el que el error se
produce.
La suma de estas tres acciones es usada para ajustar al proceso vía un
elemento de control como la posición de una válvula de control o la energía
suministrada a un calentador
Figura 4 Diagrama de bloques de un PID
La respuesta de este controlador es en términos del error, el grado el cual el
controlador llega al "set point", y el grado de oscilación del sistema. El uso
del PID no garantiza control del sistema o su estabilidad.
No siempre se necesitan los tres modos que tiene este sistema ya que
puede ser también PI, PD, P o I.
2.6.3.1 Controlador PID digitalizado
14 Al realizar su discretización la función de transferencia queda de la siguiente
manera:
En la cual los valores que toman cada una de las variables son:
2.6.4 CONTROL DEL CUADRICOPTERO
El esquema del movimiento del cuadricoptero se lo representa de la
siguiente manera (Figura 5), y su modelo matemático se derivada de ahí.
15 U1 = Sumatoria del empuje de cada motor
Th1 = Empuje generado por el motor frontal
Th2 = Empuje generado por el motor trasero
Th3 = Empuje generado por el motor derecho
Th4 = Empuje generado por el motor izquierdo
m = masa del cuadricoptero
g = Aceleración de la gravedad
l = centro de la longitud del cuadricoptero
X, y, z = posiciones
θ, Ф, ψ = Ángulos de Euler representan inclinación, empuje y derrape
La formulación dinámica del cuadricoptero desde una posición de aterrizaje
a un punto fijo en el espacio que se da como:
𝑅𝑥𝑦𝑧 =
𝐶Ф𝐶ϴ 𝐶Ф𝑆ϴ𝑆ψ − 𝑆Ф𝐶ψ 𝐶Ф𝑆ϴ𝐶ψ + 𝑆Ф𝑆ψ 𝐶Ф𝑆ϴ 𝑆Ф𝑆ϴ𝑆ψ + 𝐶Ф𝐶ψ 𝑆Ф𝑆𝐶ψ − 𝐶Ф𝑆ψ
−𝑆ϴ 𝐶ϴ𝑆ψ 𝐶ϴ𝐶ψ
Donde:
R = matriz de transformación
S θ = Sin (θ), SФ = Sin (Ф), Sψ= Sin(ψ) C θ = Cos (θ), CФ = Cos (Ф), Cψ= Cos (ψ)
Al aplicar las leyes de fuerza y momento de equilibrio, la ecuación de
movimiento de cuadricoptero se da en las siguientes ecuaciones y el
teorema de Pitágoras se lo calcula como en la siguiente figura.
16 𝑦̈= U1 (SinФSinθCosψ + CosФ Sin) – K2𝑦̇/m
𝑧̈= U1 (CosФCosψ) – g – K3𝑧̇/mç
Donde:
Ki= Coeficiente de arrastre (Asumiendo cero porque es despreciable a baja
velocidad)
Figura 6 Ángulos de movimiento de un cuadricoptero
Los ángulos Фd y ψd en la figura son determinados por la siguiente ecuación
Ф𝒅 = 𝐭𝐚𝐧−𝟏(𝒚𝒅 − 𝒚 𝒙𝒅 − 𝒙)
𝝍𝒅 = 𝐭𝐚𝐧−𝟏( 𝒛𝒅 − 𝒛
√(𝒙𝒅 − 𝒙)𝟐+ (𝒚𝒅 − 𝒚)𝟐)
El cuadricoptero tiene cuatro fuerzas de entrada del regulador U1, U2, U3,
U4 que afectan a cierta parte de cuadricoptero.
U1 afecta a la actitud del cuadricoptero, U2 afecta a la rotación en el ángulo
de balanceo, U3 afecta el ángulo de inclinación y U4 controlar el ángulo de
17 Para controlar el movimiento de cuadricoptero se realiza mediante el control
de cada variable de entrada. Las ecuaciones son las siguientes:
𝑈 {
𝑈1 = (𝑇ℎ1+ 𝑇ℎ2+ 𝑇ℎ3+ 𝑇ℎ4)/𝑚 𝑈2 = 1 (−𝑇ℎ1− 𝑇ℎ2+ 𝑇ℎ3+ 𝑇ℎ4)/𝐼1 𝑈3 = 1 (−𝑇ℎ1+ 𝑇ℎ2+ 𝑇ℎ3+ 𝑇ℎ4)/𝐼2
𝑈4 = 1 (𝑇ℎ1+ 𝑇ℎ2+ 𝑇ℎ3+ 𝑇ℎ4)/𝐼3 }
Donde:
Thi= Empuje generado por los cuatro motores
C= Factor de la fuerza del momento escalar
Ii= Momento de inercia con respecto a los ejes.
Por lo tanto las segundas derivadas de los ángulos son:
𝜽̈= 𝑼𝟐− 𝟏𝒌𝟒𝜭̇/𝑰𝟏
𝝍̈= 𝑼𝟑− 𝟏𝒌𝟓𝝍̇/𝑰𝟐
𝝓̈= 𝑼𝟏− 𝟏𝒌𝟔𝝓̇/𝑰𝟑
2.6.4.1 Control de postura
Cuadricoptero puede describirse como un pequeño vehículo con cuatro
hélices unidas a rotor ubicado en el marco cruz. Este objetivo para rotores
de paso fijo se usó para controlar el vehículo en movimiento.
La velocidad de cada uno de los cuatro rotores es independiente. El
cabeceo, balanceo y actitud de guiñada del vehículo puede ser fácilmente de
control.
Las actitudes de cabeceo, balanceo y guiñada del cuadricoptero están
18
Figura 7 Dirección de inclinación del cuadricoptero
Figura 8 Dirección de Empuje del cuadricoptero
Figura 9Dirección de derrape del cuadricoptero
El cuadricoptero tiene cuatro entradas de la fuerza y básicamente, el empuje
19 cuadricoptero puede controlar a través del arreglo el empuje que produce.
Este empuje puede ser controlado por la velocidad de cada rotor.
2.6.4.2 Control de posición
El despegue es el movimiento para levantar la planta. La posición de
aterrizaje es la inversa de la posición de despegue. Despegue (aterrizaje) de
movimiento es el control por el aumento (disminución) de velocidad de
cuatro rotores simultáneamente lo que significa cambiar el movimiento
vertical como se ve en las figuras (10 y 11).
Figura 10 Movimiento de despegue
20
2.6.4.3 Control general del sistema
El sistema de control del cuadricoptero está dado por el siguiente diagrama
(Figura 12) en el cual se tiene constancia que cuenta con cuatro
controladores PID; es decir que existe un controlador para cada uno de los
motores del cuadricoptero.
Tres de estos controladores son utilizados para la postura y uno cumple la
función de controlar la altura del cuadricoptero. Cada señal que se lee de los
controladores está directamente relacionada sobre la velocidad de giro de
cada uno de los cuatro motores del vehículo.
Figura 12 diagrama de control del sistema
La variable de control total en cada motor es la suma de los aportes de todos
los controladores PID mas la variable de referencia Gas. Del diagrama antes
mostrado se describen las ecuaciones para cada uno de los motores:
𝒖𝒗𝟏(𝒕𝒌) = 𝑮𝒂𝒔 + 𝒖𝜽(𝒕𝒌) − 𝒖𝝍(𝒕𝒌) + 𝒖𝒛(𝒕𝒌)
𝒖𝒗𝟐(𝒕𝒌) = 𝑮𝒂𝒔 − 𝒖𝝓(𝒕𝒌) + 𝒖𝝍(𝒕𝒌) + 𝒖𝒛(𝒕𝒌)
𝒖𝒗𝟑(𝒕𝒌) = 𝑮𝒂𝒔 − 𝒖𝜽(𝒕𝒌) − 𝒖𝝍(𝒕𝒌) + 𝒖𝒛(𝒕𝒌)
𝒖𝒗𝟒(𝒕𝒌) = 𝑮𝒂𝒔 + 𝒖𝝓(𝒕𝒌) + 𝒖𝝍(𝒕𝒌) + 𝒖𝒛(𝒕𝒌)
Donde;
21 𝒖𝝓= Variable de control en roll
𝒖𝝍= Variable de control yaw
𝒖𝒛= Vriable de control de altura
2.6.5 PWM
El valor para el parámetro de ciclo de trabajo PWM debe ser un entero en el
rango de 0 a 255. Así que, se calcula la suma de los términos I, D y s P, que
necesita para escalar el valor de transmisión final para encajar en el rango
0-255.
2.6.5.1 Término Integral
Resume el error a través del tiempo. Si un sistema se inicia lejos del punto
de ajuste final deseado, los errores iniciales serán grandes, y el término
integral crecerá rápidamente.
Produciendo un efecto dominante que impide que el sistema alcance
rápidamente el punto de ajuste. Al termino integral se lo debe "ajustar a
cero" siendo el error suficientemente pequeño.
Esto permite que el término integral actúe sólo después de que el sistema
esté cerca del punto de ajuste final. El término integral actúa eliminando
cualquier pequeño error, para que el sistema pueda converger al punto de
ajuste final.
Ajuste
El proceso de determinar los valores apropiados para la ganancia,
coeficientes Kp, Ki y Kd es el ajuste del sistema. Se comienza poniendo a
cero las ganancias derivadas e integrales, usando solo el término
22 Se Ajusta la ganancia proporcional reduciendo la ganancia proporcional
hasta que esté justo por debajo del punto de oscilación incipiente. A
continuación, Se trata la ganancia derivada, que actúa previniendo el inicio
del comportamiento oscilatorio. Finalmente se adiciona una pequeña
cantidad de ganancia integral, para llevar el sistema al punto de ajuste final.
2.6.5.2 Uso del motor
Conexiones
La junta del motor se conecta directamente a los conectores de apilamiento
Arduino. Se debe conectar el motor a los dos terminales de tornillo "Coil A" y
"B" en la bobina del motor. Además se conecta la alimentación de los
motores a 8V-30V y a tierra (GND).
Al hacer sus conexiones asegúrese de obtener la polaridad correcta en el
conector de 12V DC. Las cuatro salidas de cada fuente da una corriente
máxima de 2 amperios.
Sin embargo, la solicitud de corriente total sólo se usará en períodos cortos,
como el sistema de control del motor tiende hacia el punto de ajuste, el
sobrecalentamiento no debería ser un problema puesto que la corriente del
motor disminuye a valores bajos.
Control de frecuencia PWM:
Hay 6 canales PWM disponibles, cuya frecuencia PWM por defecto es 490
Hz. Para cambiar la frecuencia se requiere configurar un temporizador, que
se asocia al PWM cuya frecuencia que desea cambiar. Sin embargo, los
23
2.6.6 AJUSTE DE PARÁMETROS DEL CONTROLADOR PID POR MEDIO
DE EVOLUCIÓN DIFERENCIAL
Para el buen funcionamiento del controlador PID es necesario realizar el
ajuste de los parámetros. Es decir de las constantes proporcional, integral y
derivativa; donde se trata de minimizar la función e (kP; kI; kD) o más
conocida como señal de error. Como se va a controlar los cuatro motores se
debe realizar el ajuste de doce constantes.
La mejor manera para dar solución a este problema es usar algoritmos
evolutivos, puesto que mediante estos algoritmos no es necesario conocer el
modelo del sistema.
2.7 HARDWARE
Con relación al hardware veremos los componentes necesarios para realizar
esta tesis, se describirán cada uno de los elementos que serán utilizados
como serán sensores, placas, motores, etc.
2.7.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA
Un vehículo aéreo no tripulado, cuadricoptero, opera con cuatro motores,
puede abarcar un sin número de sensores, dependiendo el uso que vaya a
tener, como por ejemplo barómetros, sensores de proximidad para evitar
obstáculos, sistemas de GPS para ubicación; a continuación se detalla el
24
Figura 13 Sistema de control del cuadricoptero
Pero lo esencial para realizar el control de postura del cuadricoptero es el
IMU (o unidad de medición inercial) que nos ayuda a obtener los tres
ángulos principales y su velocidad angular para el vuelo (pitch, roll, yaw), es
decir que lee los datos de los sensores y aplica una corrección en los
motores (actuadores).
En la siguiente etapa se pasa a la interfaz de potencia, que mediante el
sistema de comunicación (Figura 14) está encargada de interpretar las
órdenes del controlador y aplicarlas. En la siguiente figura
25 Se realizara la selección de todos los componentes para el ensamblaje del
cuadricoptero, la metodología que será usada para el desarrollo de este
trabajo de tesis y la selección de los materiales es la mecatrónica.
Puesto que abarca todas las actividades que se encuentran encaminadas
hacia el diseño y el desarrollo del sistema completo, así como a la relación
existente entre todas las actividades planteadas para lograr concluir la
presente tesis.
Al momento de contar con la selección de la mejor alternativa para el avance
en el desarrollo de esta tesis, se toma la forma general las actividades
asociadas al desarrollo de un sistema diseñado bajo el concepto de la
mecatrónica. Con lo cual podremos aplicar el diseño asistido por
computadora, utilizando herramientas y técnicas, que dependerán del
problema de diseño a resolver.
3.1 MECÁNICA
Para la selección del frame o estructura del cuadricoptero tenemos las
siguientes opciones que se analizan a continuación (Tabla 1):
Tabla 1 Tabla comparativa para selección de la estructura del cuadricoptero
CUADRICOPTERO
AQ-600 carbon fiber quadcopter
fibra de carbono
material de alta calidad
peso 400 g
ancho 550 mm
26 Tarot Iron Man 650
fibra de carbono 3k
mecanizado CNC con estándares altos
peso 476 g
ancho 300 mm
Después del análisis de las carateristcas de las opciones.Se ha decidido que
para este proyecto de tesis esoger el frame (estructura base) del Tarot Iron
Man 650 debido a sus características; ya que se encuentra elaborado a
partir del carbono 3k el cual posee una mayor rigidez, mayor durabilidad y
además es fabricado bajo estándares europeos con equipos CNC.
Los cuales nos garantizan que las piezas fabricadas de esta estructura
tienen gran resistencia y han sido sometidas a un sinnúmero de pruebas
para ser avaladas para la construcción de este tipo de vehículos aéreos.
A su vez basados en el tamaño del frame se hizo la selección de las hélices;
la carateristica principal es su compuesto de Nylon y luego se considero que
se debe dejar un espacio (entre 5 a 8 cm) del centro del cuadricoptero a la
punta de la hélice evitando choques con los componentes eletronicos.
3.2 ELETRONICA
3.2.1 CONTROLADOR
Para realizar la selección de la placa que controla el cuadricoptero se ha
tomado en cuenta las siguientes opciones que se analizan a continuación
27
Tabla 2Tabla comparativa para selección de controlador
CONTROLADOR
Ardupilot 2.6 Arduino Mega ADK
Característica
Procesador Atmega2560 Atmega2560
entradas analógicas 16 con ADC 16
GPS incluido aparte
Giroscopio incluido aparte
Acelerómetro incluido aparte
Comparando entre las placas seleccionadas se determinó que utilizaremos
la placa Ardupilot 2.6 ya que está totalmente diseñada para aplicaciones
como son los vehículos aéreos no tripulados.
Ademas que cuenta con mayores ventajas sobre la otra placa; debido a sus
características puesto que viene con sensores incluidos y los puertos
específicos. Para las conexiones requeridas
3.2.1.1 IMU unidad de medición inercial
Es un dispositivo electrónico que mide e informa acerca de la velocidad,
orientación y fuerzas gravitacionales de un aparato, usando una
combinación de acelerómetros y giróscopos.
Por la tanto el IMU que se usa en el desarrollo es el MPU 6050 (Figura)
28
3.2.1.2 Motor
Para realizar la selección de los motores a usarse en el cuadricoptero
tenemos las siguientes opciones que se analizan a continuación (Tabla 3):
Tabla 3 Tabla comparativa para selección de motores
MOTOR
Tarot 2814/700KV Tarot 2214/920KV
CARACTERISTICA
Peso 102 g 51 g
Velocidad 700 RPM 920 RPM
Diámetro 28 mm 27,9 mm
Corriente 45 A 40 A
Se escogió el tarot 2214/920KV debido a su diámetro ya que es el adecuado
para los orificios de la estructura de nuestro cuadricoptero, además que nos
entregara la potencia necesaria para impulsarlo., sin que exista un riesgo
para el daño del frame.
3.2.1.3 BATERÍA
Para la selección de la batería para el cuadricoptero, se tienen las siguientes
29
Tabla 4 Tabla comparativa para selección de bateras
BATERIAS
Turning 5000mAh 4s 35C Lipo pack
Turning 3300mAh 4s 30C Lipo pack
CARACTERISTICA
Peso 578 g 385 g
Configuración 4S1P/14,8v/4Cell 4S1P/14,8v/4Cell Constante de
descarga 40C 30C
Descarga (10s) 50C 40C
Consumo motores 40mA*4=160mA
5000mAh/160mA = 31,25h 3300mAh/160mA = 20,62
Para este proyecto se escogió las Turnigy 5000mAh 4S 35C Lipo Pack
debido a su mayor capacidad para descarga, es decir que emplea un tiempo
mayor para realizar su descarga esto se demuestra en los cálculos
anteriores y además tiene una mayor capacidad para cargarse.
Además otro punto por la que se escogió es debido a su rendimiento; ya que
su capacidad mínima para almacenaje es mayor teniendo en cuenta al
modelo anterior con las mismas características de configuración de 4 celdas.
3.2.1.4 ESC Controlador
30
Tabla 5 Tabla comparativa para selección de ESC
ESC
Skywalker TL2762
Hobbywing Pentium-30A
característica
Entrada 3,2 -5 V 5,6 - 16,8 V
Salida 40A continuo 30A continuo
Velocidad máxima
(2p) 210000 Rev. 210000 Rev.
Peso 35 g 25 g
Dimensión 68 X 25 X 8 mm 45 X 24 X 11 mm
Para la selección del ESC se basó en las características de consumo y
amperaje entregados por los dos equipos. Por tal motivo se escogió el ESC
Skywalker TL2762 ya que por su peso, polos y su velocidad máxima de
entrega es el controlador con mejores características para el tipo de trabajo
a realizar; es decir el equilibrio del cuadricoptero.
Otra característica por la cual se lo escogió es por su salida de amperaje ya
que los motores consumen un alto amperaje y tienen que pasar por este
ESC.
3.2 INFORMATICA
Para la selección del software de manejo que requiere la placa de control
que se instalara en el cuadricoptero se realizó el análisis entre los siguientes
31
Tabla 6 Tabla para selección del software
SOFTWARE
Características APM Planner MultiWii
Comunicación con la placa vía USB vía USB
Interface grafica Si Si
Configuración una sola vez
múltiple debido a la respuesta del dron
Software adicional No Instalar wii-motion
De acuerdo a la tabla anterior se concluye que la mejor opción para escoger
el software de control para este proyecto es el APM Planner ya que no
necesita otro software adicional para el manejo del cuadricoptero, lo que
implicaría la adición de una placa para el control Wii y su respectiva
configuración.
Otro motivo para la selección del APM Planner es que solo necesita ser
configurado y calibrado en una sola ocasión para su correcto
funcionamiento.
3.3 PID
Un PID (Proporcional Integral Derivativo) es un mecanismo de control por
realimentación que calcula la desviación o error entre un valor medido y el
valor que se quiere obtener, para aplicar una acción correctora que ajuste el
proceso. Es interesante señalar que más de la mitad de los controladores
industriales que se utilizan hoy en día utilizan esquemas de control PID o
PID modificados.
La utilidad de los controles PID estriba en que se aplican de forma casi
general a la mayoría de los sistemas de control. En particular, cuando el
modelo matemático de la planta no se conoce y, por tanto, no se pueden
emplear métodos de diseño analíticos, es cuando los controles PID resultan
más útiles. En el campo de los sistemas de control de procesos, es un hecho
32
0.004𝐿
demostrado su utilidad para aportar un control satisfactorio, aunque tal vez
en muchas situaciones no aporten un control óptimo.
Se emplea el método de respuesta a escalón de Ziegler-Nichols que
caracteriza un sistema mediante dos parámetros, L y T, obtenidos a partir de
la respuesta a lazo abierto
El método de Ziegler-Nichols permite ajustar o "sintonizar" un regulador PID
de forma empírica, sin necesidad de conocer las ecuaciones de la planta o
sistema controlado. Estas reglas de ajuste propuestas por Ziegler y Nichols
fueron publicadas en 1942 y desde entonces es uno de los métodos de
sintonización más ampliamente difundido y utilizado. Los valores propuestos
por este método intentan conseguir en el sistema realimentado una
respuesta al escalón con un sobrepulso máximo del 25%, que es un valor
robusto con buenas características de rapidez y estabilidad para la mayoría
de los sistemas.
El método de sintonización de reguladores PID de Ziegler-Nichols permite
definir las ganancias proporcional, integral y derivativa a partir de la
respuesta del sistema en lazo abierto o a partir de la respuesta del sistema
en lazo cerrado. Cada uno de los dos ensayos se ajusta mejor a un tipo de
sistema.
Tabla 7 Formulas para calcular PID
Controlador Kp Ki Kd
PID
Donde:
T= Es el tiempo de estabilización
L= Es el valor de estabilización dado por la función escalon siendo este valor
igual a 1
0,05 𝑇
𝐿
33 Para el controlador PID del cuadricoptero se tienen rangos determinados; los
cuales pueden tener valores que se encuentran en rangos que están entre
0,08 minimo y 0,2 maximo
Por lo tanto el valor para el parámetro Kp seria Kp= 0,05(T); ya que la
función en la que se analiza es la escalón y el valor de L=1; por lo tanto
queda en función del tiempo.
Se escogería una estabilización en un tiempo de 3 segundos ya que se
encuentra dentro de los rangos que admite el sistema
Tabla 8 Tabla del Kp en función del tiempo
T Kp
1 0,05
2 0,1
3 0,15
4 0,2
5 0,25
6 0,3
7 0,35
8 0,4
El valor para el parámetro Ki= 1
10𝐿; debido a que el análisis es con la función
escalon solo se realiza la operación y se obtiene:
Ki = 0,1
Finalmente el parámetro del Kd tiene el valor de:
Kd = 0,04*L
34 Basados en lo que se refiere a la estructura de la metodología mecatrónica
se verá el procedimiento y la metodología que se siguió para la elaboración
de este proyecto de tesis; la cual nos ayudara para tener un procedimiento
que tendrá una secuencia y orden lógico.
Este proceso involucra en su desarrollo lo que se refiere al montaje de la
estructura del cuadricoptero y posteriormente se realiza el ensamblaje del
sistema eléctrico y electrónico para el sistema, además de la interfaz de
control.
Para lograr un mejor desarrollo del proyecto a realizar debemos tener en
cuenta los siguientes puntos, los cuales son de gran importancia para lo que
es el desarrollo:
1. Las ventajas y desventajas de la máquina
2. Las normas y limitaciones del proyecto
3. La justificación del proyecto bajo criterios.
4. La definición clara y precisa de los objetivos del proyecto.
5. Las características técnicas de la máquina
6. La evaluación de los conceptos de diseño de los sistemas de la
máquina
7. La selección de la mejor alternativa con base en criterios claros y
definidos
4.1 ESTRUCTURA MECANICA DEL CUADRICOPTERO
Para la estructura o denominado frame del cuadricoptero contamos con las
35 primer lugar tenemos la placa base a la se le incorporan los brazos
sujetados firmemente a dicha base.
Figura 16 Ensamble placa principal con los brazos
A continuación en los extremos de los brazos se colocan los sujeta motores
como se indica en la siguiente figura
Figura 17 Sujetadores para los motores.
Una vez colocadas estas partes está listo el frame para el siguiente proceso
36
Figura 18 Frame del cuadricoptero
A continuación en los extremos de los brazos se colocan los motores que van sujetados en los porta motores y se colocan las hélices en su posición
(Figura 19).
Figura 19 Ensamble del motor y la hélice
3.2
SISTEMA
ELETRICO
Y
ELECTRONICO
DEL
CUADRICOPTERO
Una vez realizado el ensamble de la estructura del cuadricoptero se procede
al montaje de los componentes; con los componentes enumerados en la
37
Tabla 9 Componentes electrónicos para el cuadricoptero
COMPONENTE CANTIDAD
motores tarot 2214/920KV 4
hélice 4
baterías Turnigy 5000mAh 4S 35C
Lipo Pack 1
ESC Skywalker TL2762 4
Ardupilot 2,6 1
MPU-6000 gyro.
MPU-6000 acce.
Figura 20 Esquema de conexión
El siguiente paso es conectar los terminales de los motores a los ESC´s;
basados en el esquema de la figura anterior, teniendo en cuenta los polos positivo y negativo; la conexión se la realizara con cable AWG 18 y los
38
Figura 21 Conexión del motor con el ESC
Después se conectan además para la conexión entre los motores con la
placa ardupilot se debe tener en consideración lo siguiente (Figura 22):
Figura 22 Conexiones de los motores al ardupilot
Una vez conectados los motores a los ESC´s y los motores a la placa
ardupilot procedemos a instalar el sistema de alimentación del cuadricoptero;
para ello utilizamos una batería Turnigy 5000mAh 4S 35C Lipo Pack, la cual
nos brinda el voltaje constante necesario para la operación del sistema.
Estas conexiones se las realiza con cable AWG 18 y terminales bullet.
39
3.3 IMPLEMENTACION DEL SISTEMA APM
En este proceso primero se procede a realizar la descarga e instalación del
programa llamado MISSION PLANNER (APM 2.0) desde la página
www.ardupilot.com se guarda el instalador especifico y la última versión
(Figura 20), para el sistema operativo, en el computador que servirá como
base.
Desde el cual se tendrá el control del cuadricoptero; para ello se corre el
instalador y se da siguiente, siguiente hasta finalizar la instalación del
software APM (ANEXO II).
Figura 23 Descarga APM planner 2.0 Fuente: www.ardupilot.com
Después se abre el programa APM y se conecta el ardupilot, seleccionando
el puerto (COM) correcto como se muestra en el ANEXO III se selecciona la
opción que nos reconoce la placa y se procede a la instalación del firmware
para controlar el cuadricoptero dependiendo de la configuración que se vaya
40
Figura 24 Interfaz principal del software APM
Figura 25 Conexión entre ardupilot al computador
Para la primera configuración del APM se debe seleccionar el tipo de frame
que se va a utilizar, enseguida se debe calibrar lo que se refiere al giroscopio
y al acelerómetro y al control (Radio Control RC); como se muestra en el
41
Figura 26 Movimientos para realizar la calibración
Finamente para concluir con la configuración se realiza la prueba que es el
primer vuelo; para ello existen varias opciones dentro del programa APM
para ir probando si la configuración de la parte de la calibración de los
componentes se hizo de forma correcta (ANEXO VI).
4.4 CONFIGURACION DEL RADIO CONTROL
A continuación en este proceso se verá cómo se realiza la configuración del
radio control (emisor) y la antena (receptor) para la operación del
cuadricoptero.
Para realizar la configuración primero se debe encender el transmisor
Futaba 6J 2.4Hz. Para luego realizar la configuración del mismo, ya que el
42 independientemente del tipo de plataforma), para seguir con el proceso de
calibración entre el control remoto y el software APM Planner
Figura 27 RC Futaba 6J 2.4 Hz
43 El fabricante nos recomienda tener la siguiente configuración de canales RC en transmisor:
Modo 1 transmisores, el palo izquierdo controlará cabeceo y guiñada, el stick derecho controlará acelerador and roll.
Modo 2 transmisores, el palo izquierdo controlará acelerador y
guiñada; el stick derecho controlará cabeceo y balanceo.
Para cualquier tipo de transmisor, interruptor de tres posiciones del transmisor debe estar unido al canal 5 y controlará los modos de
vuelo.
Opcionalmente perilla de sintonización del transmisor debe controlar el canal 6 para el ajuste durante el vuelo.
Ya dentro del programa APM Misión Planner, se debe hacer clic en el botón
verde "Calibrar Radio" que se encuentra en la parte inferior derecha de la
ventana.
El Misión Planner llamará a una ventana emergente de diálogo para
asegurar que el equipo de control de radio está encendido, se selecciona
Aceptar y listo.
44 Para ir realizando la calibración del radio control se deben mover los sticks o
palancas de control y los interruptores de palanca que se encuentran en el
transmisor a sus límites de recorrido y observar los resultados en las barras
de calibración de radio que se irán marcando de color verde.
Unas líneas de color rojo estarán apareciendo a través de las barras de
calibración, estas líneas son una referencia para indicar dónde están los
valores máximos y mínimos.
Figura 30 Configuración radio control Los valores que debe marcar en cada medidor son:
Los valores normales son alrededor de 1100 para los mínimos Los valores normales para máximos de 1900.
Finalmente se hace click en terminar y nuestro radio control se encuentra
listo para entrar en funcionamiento conjuntamente con la placa ardupilot y el
45 Se enfocó en torno a lo que se refiere la fase de pruebas y validación de
resultados que se obtienen a lo largo del desarrollo de la tesis, para este fin
se realizaron los ensayos para el correcto funcionamiento de la placa
ardupilot.
Posteriormente se implementó el sistema para el control de vuelo y
operación del cuadricoptero y a las configuraciones de calibración del
mismo, enseguida se procedió a colocar los dispositivos electrónicos en el
frame del vehículo aéreo para realizar la verificación de conectividad y
transmisión de datos entre la placa ardupilot y el software APM planner 2.0.
Una vez culminada la instalación mecánica y electrónica, se cargó y
configuró el software para visualización de datos y registros entregados por
el sistema de control.
5.1 INTERPRETACION DE RESULTADOS
La toma de los datos para realizar los registros de control de equilibrio fueron
tomados a diario durante el transcurso de la semana, con condiciones
favorables para ello.
Para efecto de la toma de medidas se tuvo que evitar lluvia debido a que
podía sufrir daño la placa ardupilot por estar expuesta, primero realizando
con el control de mando.
Sin embargo, con el viento el valor de la posición y los valores de medición
de los sensores como el giroscopio mantuvieron la estabilidad sin sufrir
46
5.1.1 ANALISIS DE MOTORES
Puesto que los motores son la parte esencial para el desarrollo de este
trabajo de tesis debemos estudiar su comportamiento con el trabajo que
tienen que realizar, el software nos tiene un registro detallado de las
actividades que realiza el vehículo.
Figura 31 Hoja de registro de actividades del APM
En esta etapa del desarrollo se realizaron las pruebas al aire libre con
condiciones de un día normal sin signos de precipitaciones y vientos
moderados.
Día Normal (sin precipitaciones):
Estos resultados medidos nos demuestran que el sistema del cuadricoptero
está operando de forma correcta, ya que fueron tomados en tiempo real, la
gráfica (Figura 20) que se encuentra a continuación nos permite ver como
47
Figura 32 valores medidos de los motores en diferentes posiciones Fuente: APM planner 2.0
Concluyendo de la gráfica anterior se deduce que mientras más revoluciones
tengan el motor el cuadricoptero se encuentra en una posición diferente y
por el comportamiento de cada grafica podemos saber si el cuadricoptero
está subiendo, ajado, yendo para adelante o para atrás y esto se comprueba
de igual manera con el mismo APM; como lo demuestra la figura:
48
5.1.2 ANALISIS DE SENSORES
5.1.2.1 Prueba del IMU
Las pruebas se dividen en dos una en tierra y otra en vuelo; en cada etapa
por una parte se determina el correcto funcionamiento de los sensores y por
otro lado la efectividad de operación del controlador. Primero se tiene los
alores iniciales del cuadricoptero como se muestra en la figura
Figura 34 Valores iniciales
El valor del angulo pitch es de 7.080. Se ve que el valor inicial del ángulo
yaw es 84.240 y el ángulo roll es - 0.390. El simbolo "+" se refiere que esta a la derecha o hacia arriba, y “-” que se encuentra a la izquierda o abajo.
Prueba en tierra
El objetivo es comparar el nivel deseado y la respuesta de los sensores
cuando el cuadricoptero está en tierra. Primero se desea que el ángulo roll
aumente 5,10 en direcciones positivas y este comando ha aplicado al
49
Figura 35 Alteración del ángulo roll
El ángulo se ha reducido de -0,390 a -5,610 por lo que se incrementó 5.220.
ella significa el error de estado estacionario es de 2.35%. En segundo
ensayo, el ángulo de rollo se redujo 90 en dirección negativa como resultado
de obtenemos (Figura):
Figura 36 Alteración negativa del ángulo roll
En la figura vemos que el ángulo se reduce de 7,080 a -2,050 incrementando
9.130; significa que el error de estado estacionario es de 1,44%. La tercera
prueba, se quiere un ángulo pitch incrementado a 7,60. El resultado se vera
50
Figura 37 Alteración del ángulo pitch
Se ve que el ángulo se ha incrementado 7,080 a 14,770 es decir 7.690
significa que el error de estado estacionario es de 1,18%. La cuarta prueba
es la medición obtenida de un barométro integrado al IMU. Ahora se
aumenta el ángulo de lanzamiento 20,10 sentido negativo.
Figura 38 Aumento del angulo de lanzamiento
En la figura se ve que el ángulo se ha reducido de 7.080 a - 13,260
incrementando a 20.340. Dejando un error de estado estacionario es 1,19%.
Estado de Vuelo
Objetivo de esta prueba es comparar el nivel deseado y la respuesta de los
sensores durante el vuelo. Para ello se uso el GPS, y aproximadamente 3 m
51
Figura 39 Prueba de GPS
Otro de los estudios que se realizó por la gran influencia que se tiene para el
desarrollo de esta tesis es la de los sensores como el acelerómetro y el
giroscopio, ya que están ligados directamente al equilibrio del cuadricoptero.
Al igual que las anteriores pruebas estos datos fueron tomados en el mismo
instante en tiempo real con condiciones climáticas favorables; es decir día
normal sin presencia de precipitaciones.
52 Concluyendo de la gráfica anterior podemos deducir que mientras varia la
posición del cuadricóptero el acelerómetro recibe la señal casi
inmediatamente y permite que a la par tengamos la señal del giroscopio;
estos datos son obtenidos para los 3 ejes (X, Y y Z) por lo tanto también se
puede saber qué dirección está tomando el cuadricoptero.
5.1.2.1 Métodos de calibración de los ángulos
Roll de Control de Sintonía
Figura 41 Control de Roll MÉTODO 1
Este método es el más sencillo para controladores PID, la RLL2SRV_P,
RLL2SRV_I y RLL2SRV_D son ganancias que tienen el mismo efecto, pero
hay algunos valores adicionales que se pueden establecer
1. Con el modo en FBW-Un, poner en una rápida demanda el ángulo de
inclinación lateral empujando el alerón por todo el camino,
manteniendolo durante un par de segundos y luego soltando.