MODELAMIENTO, DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN VEHICULO AUTÓNOMO ESTÁNDAR CANSAT ROVER TERRESTRE - FLY PARA LA RECOLECCIÓN Y ALMACENAMIENTO DE DATOS ATMOSFÉRICOS Área Temática: Ingeniería Mecatrónica. AUTORES Veramendi Espinoza Roberto,
[email protected] Tam Tapia Augusto Jose ,
[email protected] Nieves Acosta Ayrton Krickst,
[email protected] ASESORES Ing. Oliden Martínez José Fortunato,
[email protected]
B.Sc. Miyagusuku Ríos Renato,
[email protected] UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Mecánica – Escuela Escuela Profesional de Ing. Mecatrónica Centro de Tecnologías Información y Comunicaciones Av. Túpac Amaru 210. Telf.: 481-1490. Email:
[email protected]
I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Conociendo los parámetros y reglas del estándar CanSat (http://www.cansatcompetition.com), se podrían definir los siguientes objetivos: 1. Con un fin didáctico la competencia requiere el diseño de un cohete amateur, que elevará la carga útil (el móvil) hasta una altura de por lo menos 10 km. 2. Así mismo, se requiere que el paramotor (en [10] se explica que es un paracaídas motorizado) descienda y se ubique lo más cerca posible a la meta, y posteriormente el móvil ( rover ) pueda liberarse de dicha estructura. 3. Tanto en el ascenso (mediante impulso del cohete) y como en el descenso (mediante el paramotor) sería de utilidad práctica adquirir datos atmosféricos mediante sensores de presión, temperatura, etc. 4. Una vez en tierra firme, el rover debe desplazarse de un punto de partida hacia una meta, con la ruta más corta posible y con evasión de posibles obstáculos. Estos parámetros nos ayudarán a dividir el trabajo en módulos o sub áreas, los cuales se mencionarán más adelante. II. OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL
El objetivo de este proyecto es el desarrollo del sistema de recolección de datos atmosféricos; además del vehículo autónomo que transportará al sistema.
1. Realizar el diseño e implementación de una estructura mecánica que sea capaz de soportar el impacto de la caída. 2. Obtener un modelo matemático lo suficientemente exacto que nos permita diseñar nuestros algoritmos de control y simular la dinámica del móvil. 3. Diseñar el sistema de navegación y control central mediante lógica difusa. 4. Diseñar las placas electrónicas y el sistema de alimentación que permita la toma de datos atmosféricos en plena caída. 5. Validar las medidas de los sensores, para futuros fines adquisitivos que pueda tener. III. CARACTERÍSTICAS DEL PRODUCTO FINAL DE LA TESIS
Si se considera llevar más allá el presente proyecto, como motivo de investigación y aprendizaje sería de utilidad aplicar algunas técnicas más elaboradas, como podría ser: - Aptitud para robótica cooperativa. - Sistema de localización y navegación simultánea (SLAM). - Uso de una ley de control estable y precisa. - Estructura mecánica ligera, estable y resistente. - Adquisición optima de datos del entorno con los diferentes sensores. - Buena disipación del calor y uso de energía eléctrica. - Rendimiento y performance adecuado de los motores eléctricos. - Adicionarle una cámara para ampliar el rango del campo de aplicación, esto es, procesamiento de imágenes y computer visión .
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
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IV. APLICACIONES
Un satélite artificial tiene múltiples aplicaciones, por mencionar algunas: Ámbito científico: observación de la superficie y atmósfera terrestres y los cuerpos celestes exteriores Navegación: con el fin de proporcionar información sobre localizaciones terrestres, como por ejemplo los sistemas GPS y GLONASS, entre otros. Comunicaciones: transmisión de televisión y radio, telefonía móvil a múltiples receptores. Se cuentan otros, como teledetección de recursos naturales, meteorología, objetivos militares; pero todos los ámbitos tienen en común la adquisición de datos, y su posterior almacenamiento o transmisión. Precisamente, el proyecto CanSat consiste en la adquisición de datos atmosféricos para su almacenamiento o transmisión a una central terrena, y el módulo Rover emula el posicionamiento de un móvil terrestre en un terreno desconocido.
SEMANA 2: -
Diseño mecánico de la armadura y estructura del CanSat Rover terrestre. Búsqueda de información sobre modelamiento dinámico de robot aéreo y de su entorno (viento, fuerzas aerodinámicas)
SEMANA 3: -
V. CARACTERÍSTICAS DEL PRODUCTO FINAL DE PROYECTO MECATRÓNICO
El proyecto fue dividido en tres módulos para abarcar mejor el desarrollo en cada uno de sus campos, siendo estos: 1. Armadura y estructura mecánica 2. Control central y navegación. 3. Diseño electrónico y comunicaciones. Así, podemos agrupar algunas características anteriores: 1.1 Masa de la estructura: aprox. 2 kg. 1.2 Altura de lanzamiento: aprox. 10 km 1.3 Dimensiones del estándar Cansat: Diámetro 146 mm y de largo 240 mm.
-
Diseño electrónico – prototipos. Diseño de la placa de potencia, que está ligada con los motores a usar, diseño de la tarjeta de comunicaciones, que es la que va a permitir la comunicación entre los sensores, memoria y el micro controlador por medio de protocolos de comunicación. Formulación dinámica de 4 DOF y de modelo simplificado.
SEMANA 4: -
Elaboración y prueba de las tarjetas electrónicas de control y comunicaciones. Modelamiento Dinámico de 8 DOF VII. DESCRIPCIÓN DE AVANCES
-
Rover Cansat Terrestre:
En las primeras 7 semanas se hicieron los diseños e implementaciones de las tarjetas electrónicas de control, comunicaciones (I2C, SPI, RS-232) y la tarjeta controladora de los motores DC como se muestran en la figura 1.
2.1 Ley de control: Control mixto: basado en lógica difusa para la orientación espacial del vehículo y de tipo PID para los motores. 3.1 Transmisión de datos a una estación terrena. 3.2 Placas electrónicas de buen rendimiento, con disipación de calor y protegidas de ruido electromagnético. VI. CRONOGRAMA SEMANAL DE TRABAJO
SEMANA 1: -
Búsqueda y análisis de información en papers y libros sobre vehículos aéreos no tripulados y modelamiento dinámico de estos. Búsqueda de papers, orientación, navegación y control de paramotores (parapentes motorizados).
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FIGURA 1. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE LAS T ARJETAS ELECTRÓNICAS.
También se hizo la configuración de los módulos XBEE (Ver la figura 2), con eso ya están preparados para hacer la comunicación entre sí, es decir, en modo AT (coordinador- dispositivo final o punto a punto), solo faltaría realizar la tarjeta que acondicionara las señales de estos módulos para poder comunicarse con el MBED y la PC (interfaz).
2
Basándose principalmente en la tesis de Chambers, John R, se realizan ciertas consideraciones al sistema parapente-fuselaje (cuerpo), obteniéndose de esta manera un modelo dinámico simplificado el cual tiene buen grado de precisión. También se obtiene un modelo dinámico no lineal de 4 DOF, este modelo tiene mayor precisión pero como contraparte no se ha validado mediante simulación, otro punto en contra es que este modelo no se podrá evaluar su exactitud si no tenemos datos adicionales del parapente, y si tampoco contamos con la capacidad de monitorear el movimiento relativo entre la cubierta (parapente) y el fuselaje durante las pruebas de vuelo.
Basándonos en la tesis doctoral de Hur, GiBong, obtenemos un modelamiento dinámico de 8 DOF, este enfoque tampoco escapa de ciertas consideraciones que se hicieron al sistema parapente-fuselaje, las ecuaciones no lineales de movimiento para el sistema de paracaídas Buckeye se obtienen a partir de las ecuaciones de Kane, que se conocen como el principio de velocidades virtuales.
Figura 2. Módulo XBEE y su grabador. Con respecto al sistema mecánico, se han realizado bosquejos y luego se ha pasado a diseñar en SOLIDWORKS la estructura, los sensores, etc. Todo esto en base a los parámetros que indica el estándar CANSAT (tamaño y peso), a continuación en la Fig. 3 y 4 se mostraran los dibujos realizados en solidworks.
Figura 3. Ensamble de la estructura y componentes en un 75% terminado.
Hur, Gi-Bong (2005), 'Identification of Powered Parafoil Vehicle Dynamics from Modeling and Flight Test Data', Doctor of Philosophy (Texas A&M University).
VIII. CUADRO DE MATERIALES, COMPONENTES Y EQUIPOS REQUERIDOS TABLA 1
CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES, COMPONENTES Y EQUIPOS DEL CANSAT R OVER TERRESTRE - FLY
Figura 4. Dibujos de los componentes y de la estructura. -
Rover Cansat Fly
Se buscó papers relacionados con el tema y se llegó al siguiente, “Guidance, Navigtion and
Control
of
a
small-Scale
Paramotor-Jack
Umenberger”.
Se buscó información más detallada sobre vehículos aéreos motorizados, se encontraron las siguientes tesis (una de maestría y la otra doctoral),
Chambers, John R (2007), 'Longitudinal Dynamic Modelling and Control of Powered Parachute Aircraft', (Rochester Institute of Technology)
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COMPONENTE/EQUIPO
CODIGO
CANTIDAD /TAMAÑO
Módulo GPS Sensor de presión Sensor de presión y Temperatura Acelerómetro Memoria SD Brújula digital Motor Servomotor Controlador Driver de potencia Fuente de Poder Plancha Acero Inoxidable Microporoso Tornillos 3y4 mm
GT723F MPL115A1 SHT21
1 1 1
AE – KXM52 MICRO 2 GB HMC5883L AX 070121 TowerPro Mbed L298N -
1 1 1 2 2 1 1 1 60x40 mm2
-
40x40 mm2 12
3
IX. INFORME ECONÓMICO TABLA 2
COSTOS ESTIMADO DE LOS COMPONENTES PRINCIPALES DEL CANSAT R OVER TERRESTRE-FLY COMPONENTE
COSTO POR UNIDAD
CANTI -DAD
COSTO (S/.)
1 1
100 40
1 1 1 1 2 2 2 1
60 50 35 40 60 30 140 170
1
12
1 1 1
40 15 10 802
Módulo GPS 100 Sensor de presión 40 Sensor de presión y Temperatura 60 Acelerómetro 50 Memoria SD 35 Brújula digital 40 S. Ultrasónico 30 Motor 15 Servomotor 70 Controlador 170 Driver de potencia 12 Plancha Acero Inoxidable 40 Microporozo 15 Tornillos 10 Costo total estimado :
X. CONCLUSIONES -
-
Se logró avanzar en un gran porcentaje el diseño del sistema mecánico del Cansat Rover Terrestre fly y de su armadura gracias a la ayuda de compañeros mecánicos (equipo rocket y toshiro). Se diseñó e implemento las tarjetas electrónicas de potencia, control y comunicaciones. EL modelamiento simplificado tiene su buena precisión al modelar al sistema parapente-
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fuselaje pero no se acerca a la realidad como el modelo de 4 DOF, este último es de buena precisión pero no ha sido simulado y requiere de información adicional del parapente así como del movimiento relativo entre parapente y fuselaje para poder validarlo. El modelo de 8 grados de libertad para nuestro caso, está compuesto por tres posiciones y tres orientaciones para el parapente, y dos grados de libertad para el movimiento relativo de cabeceo y guiñada del vehículo con respecto del parapente.
XI. BIBLIOGRAFÍA
[1]. [2]. [3]. [4].
http://www.chasqui.uni.edu.pe/ http://www.cltp.info/ http://www.wakayama-u.ac.jp/ifes/cltp/ Comeback Competition Tokyo Metropolitan University Space Systems Laboratory Ibis WorksShuhei Tokyo. ARLISS2010. [5]. The Hokie Space Team “CanSat: Design of a Small Autonomous Sounding Rocket Payload ” .Virginia Polytechnic Institute & State University. [6]. Squad 7 “CanSat 7 ”. Department of Informatics _ University of Wuerzburg. 2007. [7]. Cles Facil “CDR_Critical esign Review Project Altair II” 2010. [8]. H. Heidt, J. Puig-Suari, A. S. Moore, S. Nakasuka, R. J. Twiggs “CubeSat: A new Generation of Picosatellite for Education and Industry Low-Cost Space Experimentation” 14th Annual/ USU conference on small satellites, 2000. [9]. Fredy A. Calle, Renato Miyagusuku, Jesús A. Sánchez, Elvis O. J ara, José F. Oliden, “Peruvian space science and technology educational project based on CANSAT CLTP program”. Universidad Nacional de Ingeniería, 2011. [10]. Jack Umenberger,Ali Haydar Göktoğan , Guidance,Navigation and Control of a Small-Scale Paramotor.The University of Sidney ,NSW,2006,Autralia.
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