UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA
Titulación Sistemas y Computación
TÍTULO: Construcción e implementación Física-Lógica de un DRONE tipo Quadcopter
DOCENTE: N!" ESTE#$N $NDR%S !&T%RRE' NO(LLO
INTEGRANTES
MATERIA: PARALELO “A”
Octubre20! " #ebrer$20%
TEMA: C$&'trucc()& *e u& “Dr$&e” INTRODUCCI+N
El presente proyecto tiene la )inalidad demostrar el )uncionamiento y el uso de las leyes )ísicas en la construcción del proyecto *drone+ y demostrarlo" Drone o ,eículo a.reo no tripulado/ es una aerona,e 0ue ,uela sin tripulación umana a 1ordo/ capa2 de mantener un ni,el de ,uelo controlado y sostenido" Son usados mayoritariamente en aplicaciones militares" El a,ión no tripulado m3s antiguo )ue desarrollado despu.s de la primera guerra mundial" E4iste una amplia ,ariedad de )ormas de a,iones/ con)iguraciones y características en el dise5o" Los drones son utili2ados en un pe0ue5o pero creciente n6mero de aplicaciones ci,iles/ como en la1ores de luca contra incendios o seguridad ci,il/ como la ,igilancia de los oleoductos" 7ara la construcción de los drones de1emos tener un modelo din3mico para el desarrollo de un cuadricóptero/ es indispensa1le considerar las )uer2as 0ue actuar3n en cada una de las .lices del modelo/ los momentos de )uer2a/ el peso u1icado al centro del dispositi,o y un indispensa1le e8e de re)erencias para los c3lculos necesarios" La din3mica es la rama de la )ísica 0ue descri1e la e,olución en el tiempo de un sistema )ísico en relación con las causas 0ue pro,ocan los cam1ios de estado )ísico y9o estado de mo,imiento" El o18eti,o de la din3mica es descri1ir los )actores de e,olución para dico sistema de operaciones"
O,JETIVOS ESPECÍ#ICOS: : !ener !enerar ar la plat plata) a)or orma ma cuad cuadri ricó cópt pter ero/ o/ aci aciend endo o uso uso de un micr microc ocon ontr trol olad ador or y sensores adecuados para su implementación y manipulación" : Compre Comprender nder las las leyes de la )ísica )ísica em1e1 em1e1ida idass dentro dentro de la constr construcc ucción ión de este este sistema no tripulado para dominarlas y aplicarlas en el mismo" : $plic $plicar ar los conocimie conocimiento ntoss ad0uirido ad0uiridoss durant durante e nuestra nuestra ,ida uni,ersi uni,ersitar taria ia para plasmarlos en el proyecto culminado en su totalidad" : El cuadric cuadricopte optero ro de1e ser ser capa2 capa2 de comunica comunicarse rse con con el controla controlador dor de ,uelo ,uelo y mantenerse en el aire"
O,JETIVOS GENERALES: : : : : :
$prendi $prendi2a8 2a8e e so1re so1re ,eíc ,eículo uloss RC*con RC*contro troll remoto remoto+" +" Compre Comprender nder el )unc )uncion ionami amient ento o de sistem sistemas as no tripul tripulado ados" s" Com1 Com1in inar ar ard; ard;ar are e y so)t so)t;a ;are" re" 7oner a prue1a prue1a nuestr nuestra a capacida capacidad d de in,estigac in,estigación ión e implementac implementación" ión" $plic $plicar ar leye leyess de de la la din din3m 3mic ica" a"
-. PLANI#ICACI+N DEL PRO/ECTO -. RECURSOS 7ara desarrollar el proyecto/ se usar3n los siguientes recursos<
1r*1re: : Note1oo= DELL >?@A" : Fuente de alimentación de 7c"
S$3t1re: : DE arduino" : Bicroso)t indo;s " : $do1e Reader"
Met$*$4$5(1 MATERIALES : : : : : : : : : : : :
Ca1leado de color< ro8o/ 1lanco/ negro Control remoto Soldador de Esta5o elices de pl3stico Cinta aislante (oltímetro" Estructura metalica Botores #rusless ESCs *Electronic Speed Controller+" $rduino" B& *nertial Beasurement &nit+" #ateria *motores/micro $rduino+"
DESARROLLO
IN#ORMACI+N DE CADA DISPOSITIVO MOTORES ,RUSLESS OUTRUNNER6
C1r1cter7't(c1 b8'(c1 *e u& 9$t$r bru'4e'': G,/ .sta constante signi)ica simplemente la cantidad de ,ueltas *R7B+ 0ue da el motor por cada ,oltio de continua aplicado al ESC *$ m34ima potencia+" Es decir 0ue si a un motor de HHAA G , le aplicamos HH/H, )uncionar3 a H@@HA R7B como m34imo *Con el ESC se puede disminuir+" Esta es su ,elocidad nominal y nunca su1ir3 m3s ,elocidad a no ser 0ue aumentemos la di)erencia de potencial *(olta8e+"
M$t$r ,ru'4e'' A222
Características específicas:
Bodelo< @@H@-H? Botor si2e< I@JK@mm Sa)t si2e< I?"H>K?mm eigt< >Ag G(*rpm9,+< HAAA Ba4 7o;er< H>A #attery< @-? Li-7o Test 7rop< HH49HA4> Ri *BM+< A"H@*resistencia de el motor+ ESC*$+< ?A$*Control de ,elocidad+
CONTROL DE VELOCIDAD PARA MOTORES ,RUSLESS ;ESC<
=>u? e' u& ESC@ =P1r1 u? '(rBe@ &n ESC (Electronic Speed Controller) es un dispositi,o electrónico 0ue sir,e para controlar la ,elocidad del motor 1rusless" El ,ariador o ESC reci1ir3 la se5al 7B de >A 2 y dependiendo de la longitud del anco de pulso entregar3 m3s o menos potencia al motor" La longitud del pulso 7B ,aría de H ms a @ ms a mínima y a m34ima potencia respecti,amente"
Figura. Modulación por ancho de pulso
Lo primero 0ue de1emos conocer de los ESC son sus conectores< : Ca1le ro8o y negro< $limentación del motor/ ,a conectado a la 1atería lipo" : Conector de ? pines< amarillo/ se5al 7B >A2 desde el arduino ro8o y
negro/ alimentación del ESC : ? ca1les de tri)3sica para la alimentación del motor 1rusless"
C1r1cter7't(c1' t?c&(c1' ESC : Entrada de (olta8e< (-H@( : Corriente constante< ?A : Corriente m34ima< A : #a8a Tensión de corte< $uto detectar y esta1lece : Tama5o< >> K @"> K >"?m : 7eso< @@ g *peso neto+ : $lto índice 7B : Benor resistencia : 7rograma1le por el usuario )reno : #a8o ,olta8e con)iguración autom3tica so1re la 1ase de la 1atería : Rango de a8uste autom3tico del acelerador : $rran0ue sua,e rampa asta : $uto de corte de motor con resta1lecimiento : El motor )unciona en a,ance o retroceso : 7rograma de Seguro de armado de energía asegura motor no )uncionar3 accidentalmente despu.s de encender : #a8o par de arran0ue : $uto apagado cuando se pierde la se5al : Dimensiones< @"H 4 A" en en 4 A"@J en" : 7eso< H"A o2
ESTRUCTURA DEL SISTEMA
D(9e&'($&e' 91'1: La estructura seleccionada )ue elegida por su ni,el de rigide2/ uni)ormidad y el peso 0ue minimo proporciona" Fue dise5ada a 1ase de una lamina de aluminio cortada a la medida en la cual se detallan sus dimensiones a continuación< : Base: Es el centro de nuestra estructura en la cual ir3n implementados los censores y las cone4iones de nuestro sistema/ cuenta con un anco de cm 0ue es un espacio su)iciente para dicas implementaciones" : 4 brazos: de HJ cm de largo 4 ? cm de largo de anco con una muesca cada uno para la disminución del peso" : Masa: La masa total y peso total de esta estructura de aluminio es de AA g"
ARDUINO PRO MICRO $rduino es una plata)orma de ard;are li1re/ 1asada en una placa con un microcontrolador y un entorno de desarrollo/ dise5ada para )acilitar el uso de la electrónica en proyectos multidisciplinares" El ard;are consiste en una placa con un microcontrolador $tmel $(R y puertos de entrada9salida<
C1r1cter7't(c1' Pr(&c(14e': Bicro controlador
$Tmega?@u
(olta8e de Operación
>(
(olta8e de entrada*recomendado+
-H@(
(olta8e de entrada *limites+
-@A(
7ines digitales 9O
@A
Canales 7B
Canales de entrada analógica
H@
Corriente DC para pines 9O
Am$
Corriente DC para pines de ?/?(
>Am$
Flas Bemory
?@G# *$Tmega?@u+ o) ;ic G# used 1y 1ootloader
SR$B
@">G# *$Tmega?@u+
EE7ROB
HG# *$Tmega?@u+
(elocidad de relo8
H B2
: P(&e' *e '14(*1
SENSOR IMU ;G/"0<
Tar8eta 0ue integra cuatro sensores< $celerómetro de ? e8es/ !iroscopio de ? e8es/ sensor de campo magn.tico de ? e8es y 1arómetro"
LFG-200D 5(r$'c$($
I&ter31 'er(14 I2C ay dos se5ales asociadas con el 1us @C< la línea de relo8 serie *SCL+ y la línea de datos serie *SD$+" Esta 6ltima es una línea 1idireccional utili2ado para en,iar y reci1ir los datos a 9 desde la inter)a2" $m1as líneas de1en estar conectados a tra,.s de un (dd/ y un (O a tra,.s de una resistencia pull-up e4terna" Cuando el 1us est3 li1re/ am1as líneas est3n en estado alto" La inter)a2 @C es compati1le con el modo r3pido *AA =2+ est3ndares @C/ así como con el modo normal" C$&eH($&e': El primer paso para reali2ar las cone4iones es anali2ar el tipo de topología de nuestro drone las cuales de)inen las cone4iones con los pines de arduino y las direcciones de giro de las .lices *HA4>+" Los pines de cone4ión son< HA-->- comen2ando por la parte superior dereca en sentido orario<
M11 *e c$&eH()& ARDUINO
,ATERÍA" ESC"MOTOR"
C$&eH($&e' c1b4e1*1' Ar*u(&$ Le)t upper motor< 7in Le)t 1ottom motor< 7in > Rigt upper motor< 7in HA Rigt 1ottom motor< 7in
ESC For RP *recei,er+/ 77B signal *7ulseposition modulation+ Te pins are as )ollo;s< Roll< 7in H*diagonal+ 7itc< 7in H*Ca1eceo+ a;< 7in H> *!iro en e8e+ Trottle< 7in *$celerador+ $&PH< 7in J $&P@< 7in A
IMU SCL pin ? *Línea de relo8+ SD$ pin @ *Línea de datos+ (CC pin @A *ENER!$+ !N$ pin @@ *TERR$+
,1ter71 *e 9$t$re' L(P$ Las 1aterías Li7o o de 7olímero de Litio an ,enido a solucionar mucos pro1lemas y an supuesto un gran a,ance para mucas disciplinas del radiocontrol/ de1ido a las Be&t11' 0ue presentan/ y 0ue principalmente son< Su alta densidad de energía 0ue pr3cticamente do1la a las de NiB*Ni0uel-metal-idruro+" ● Tienen mucos menos ,olumen y o)recen un )ormato m3s pr3ctico/ lo 0ue las ace m3s mane8a1les" ● $lto ni,el de descarga ● $lto ni,el de ,olta8e por c.lula/ lo 0ue permite mayores ,olta8es en menor espacio" ● Resistencia interna pe0ue5a/ lo 0ue ace 0ue se pueda apro,ecar casi el HAA de la energía disponi1le" ● La 1atería para micro $rduino admite @ a ? celdas se usar3n la de ? cada celda es de ?", en total HH"H, ●
E'ecu41c()&. Capacidad< @@AAm$ (olta8e< ?SH7 9 ? 9 celulares HH"H( Descarga< ?>C Constante 9 AC R3)aga 7eso< H g *incluyendo ca1le/ el encu)e+ Dimensiones< HH>4?>4@mm #alance de encu)e< ST-P 7lug descarga< PTA Ve&t11' '$bre 41' b1ter71' tr1*(c($&14e' L(P$ U La densidad de potencia alcan2a /> =; 9 =g" U Benos ueco de tensión durante la descarga ritmo ele,ado/ dando m3s poder
1a8o carga" U impedancia interna puede alcan2ar un precio tan 1a8o como H"@mO comparación con la de ?mO de un Lipoly est3ndar" U control t.rmico m3s/ pa0uete por lo general no supera AdegC U inca2ón durante la carga pesada no e4ceda de >/ en comparación con H> de un Lipoly normal" U Bayor capacidad durante la descarga pesada" B3s del A a la tasa de HAA C" U Carga r3pida capa2/ asta H>C en algunas 1aterías" U Bayor duración de ciclo/ casi el do1le 0ue el de la tecnología Li7oly est3ndar" La tecnología de nano-core en las 1aterías de iones de litio es la aplicación de aditi,os conductores nanómetros" Los aditi,os nanómetros conductora )orman ultra-)uertes redes de electrones de conducción en los electrodos 0ue pueden aumentar la conducti,idad electrónica" Estos aditi,os crean la capacidad de im1i1ición en el lí0uido portador para suministrar m3s canales iónicos"Esto me8ora la capacidad de transmisión de iones y la di)usión de iones" $ tra,.s de la me8ora de la conducti,idad y de iones de transmisión electrónica/ la impedancia se reduce y la polari2ación de la descarga de alta tasa disminuye en gran medida"
Tur&(5 TG/"(0 El T!-iHA utili2a $FDS @"!2 @ *lupuli2ación de )recuencia autom3tica sistema digital @+ 0ue se e4tiende por toda la 1anda de )recuencias" E0uipado con un receptor de alta sensi1ilidad/ este sistema de radio garanti2a un enlace óptimo y altamente segura entre el transmisor y el receptor" El dise5o inno,ador de la nue,a T!-iHA ace 0ue el tel.)ono muy ligero/ mientras 0ue los elementos del men6 y los datos se presentan en su pantalla t3ctil TFT de ?/>> pulgadasV El sistema de radio T!-iHA utili2a alta ganancia/ antenas direccionales m6ltiples de alta calidad/ cada transmisor tiene un identi)icador 6nico/ cuando la unión/ el receptor guarda esa identi)icación 6nica y sólo aceptar3 las se5ales del transmisor 0ue se corresponde con/ esto e,ita la inter)erencia de cual0uier otras radios y garanti2a la seguridad de su modelo" El sistema de radio T!-iHA utili2a componentes e4tremadamente e)icientes y cips de procesadores de alta ,elocidad para los a8ustes de me2cla complicados" En comparación este sistema de radio utili2a H 9 HAt de la potencia de un sistema de FB est3ndar"
Otra característica cla,e de la T!-iHA es su capacidad de telemetría/ el sistema de radio tiene la capacidad de monitorear rpm 9 ,olta8e y temperatura de datos en tiempo real 0ue proporciona mayor seguridad al ,olar sus modelos" Si necesita m3s de HA canales de un receptor i-#us *T!-$E(AH+ est3 incluido/ lo 0ue le proporcionar3 un e4tra de canales 0ue permite un período adicional de H ser,os a conectar" El T!-iHA realmente es uno de los sistemas de radio m3s inteligentes e inno,adoras disponi1les oy y todos a un precio 0ue no rompa el 1ancoV caracteristicas< U @" !2 $FDS @ *de )recuencia autom3tica salto sistema digital+ U Compati1le con todos los receptores T! $FDS U Bonitores de telemetría en tiempo real la se5al/ el ,olta8e de R4/ ,olta8e pa0uete de ,uelo/ R7B y temperatura U $udio y a,isos ,isuales cuando se e4ceden los límites U ?/>> pulgadas/ @A 4 AA pí4eles *Q(!$+ color/ alto contraste de la pantalla t3ctil TFT-LCD U La )unción de seguridad de encendido 9 apagado de alimentación U ? ,ías interruptor de 4 @/ @ ,ías interruptor 4 >/ interruptor moment3neo 4 H y el control desli2ante interruptor 4 @ U F3cil acceso pop-up 9 do;n (R controladores 4 ? U De alta precisión de 1olas de do1le card3n rodamiento y dise5o ergonómico U aga do1le estructura de la antena para una me8or transmisión de la se5al U @A de memoria modelo ranura de e4pansión de memoria incluida U $ctuali2aciones gratuitas de so)t;are disponi1les en línea
#u&c($&e' *e4 tr1&'9('$r (&c4ue&: Funciones generales< Las condiciones de ,uelo/ lineal/ la cur,a de me2cla/ las )unciones/ el canal/ los retrasos del acelerador/ me2cla de canales/ interruptores lógicos/ el tipo de aerona,e/ con)iguración RP/ tari)as duales/ e4po/ a8uste de punto )inal/ canal compensados/ recortar/ su1trim/ acelerador a1a8o/ cur,a/ retraso/ in,ierta/ men6 del sistema/ el nom1re del modelo/ tempori2adores/ etc" Funciones $,ión 9 !lider< alerón/ aleta/ alerón/ ele,ador para 1atir/ mariposa/ cola en (/ do1le ascensor etc" Funciones del elicóptero< retención del acelerador/ la me2cla/ la cur,a/ la cur,a de tono/ me2cla del plato cíclico/ tipo/ anillo/ go1ernador/ giroscopio/ etc"
E'ec(3(c1c($&e': Canales< HA Bodelo Tipo< elicóptero 9 a,ión 9 planeador Rango RF< @"A>>-@">!2 anco de 1anda< >AAG2 #anda< HA Energía RF< Benos de @A d#m Sistema de @"!< $FDS@$ Tipo de Código< !FSG #a8a Tensión $d,ertencia< Sí *menos de ?">(+ 7uerto DSC< Sí *&S#/ D+ E4pansión de memoria< tar8eta SD $ntena Longitud< @mm4@ 7eso< @A gramos *con 1atería+ Capacidad de la 1atería< ?"( *HAAm$+ Dimensiones< H> 4 HJ 4 ? mm Re'u4t1*$' $l )inali2ar el presente in)orme nos dio como resultados/ nue,os conocimientos so1re conecciones entre dispositi,os el.ctricos y programación/ como es en el caso de nuestro Drone" Si 1ien asta aora el Drone cuenta con todos los re0uisitos necesarios para un per)ecto )uncionamiento/ tam1i.n depende de la con)iguración 0ue a este se le implemente/ gracias a este proyecto se a podido )usionar conocimientos y con ello lle,ar a ca1o la utili2ación de ,arios )actores 0ue en la )ísica tiene para poder lograr 0ue nuestro Drone )uncione correctamente" 7odemos darnos cuenta 0ue la )ísica en sí tiene a interactuar en gran parte de cada acción y reacción 0ue se da en la ,ida cotidiana y a6n m3s cuando se trata de in)luir en la gra,edad y llegar a la le,itación de alguna masa y para acerlo m3s interesante y pilota8e de dicas masas"
C$&c4u'($&e'
Con las e4perimentaciones y prue1as reali2adas para la construcción lógica de el drone 0ue nos emos propuesto acer/ podemos concluir 0ue< : La parte m3s importante para el an3lisis y la construcción de este proyecto propuesto es la cultura de la in,estigación 0ue como estudiantes uni,ersitarios nos an inculcado desde los primeros ciclos de nuestra carrera/ la in,estigación nos a in)luido de tal manera 0ue los conceptos in,estigados son m3s )3ciles de comprender y anali2ar" : El m.todo de prue1a- error 0ue utili2amos para la implementación de este proyecto aun0ue pueda parecer un poco r6stico es uno de los m3s e)ecti,os al momento de comprender los conceptos lógicos y relacionarlos con los )ísicos" : La estructura )ísica del drone es una de las m3s importantes pues so1re ella se encuentran todos los componentes )ísicos de el drone por tanto es recomenda1le dise5ar una estructura propia 0ue proporcione peso adecuado como la resistencia del material por lo 0ue es aconse8a1le reali2ar un dise5o de una estructura de un material en pre)erencia" : &n punto muy importante al momento de dise5ar el drone es tomar en cuenta el ,olta8e 0ue ser3 dado por la 1atería pues de1er3 ser su)iciente para a1astecer a todo el sistema y darle la )uncionalidad adecuada"
Rec$9e&*1c($&e' : $ntes de empe2ar un proyecto se de1e tener conocimientos 13sicos de electrónica y programación/ ya 0ue son necesarios para la construcción y la comprensión de la logica de programacion para el drone"" : Es recomenda1le usar el $RD&NO 7RO BCRO ya 0ue es m3s resistente a )allos o interrupciones 0ue pueden surgir durante la e8ecución del programa" : Es recomenda1le usar materiales resistentes ya 0ue durante el periodo de prue1a estos materiales podrían destruirse"
ANEO
RE#ERENCIAS ,I,LIOGRK#ICAS 1. Carlos Eduardo Faría Hernández. (Noie!"re del #$1%). &'NE CENE'. *logspot Sitio +e", ttp<99dronecenter"1logspot"com9p9autor"tml #. -cad C. (#$1/). &ise0o e i!ple!entación de un uadcopter "asado en !icrocontrolador arduino.
/. El2Fatatr3 -. (#$$%). 4nertial !easure!ent units 4M5 (No. '2EN2-621$7). *-E S8SEMS CHE9MSF'& (5N4E& :4N;&M) 'ESE-'CH CEN'E.
