INTRODUCCIÓN

El proyecto que aquí se presenta es de carácter teórico-práctico y fue desarrolladoen el Laboratorio Franco-Mexicano de Informática y Automatización (LAFMIA) yen el Departamento de Control Automático del Centro de Investigaciones y EstudiosAvanzados del Instituto Politécnico Nacional (CINVESTAV). Está enfocado al ám-bito de la investigación y experimentación para el desarrollo de nuevas tecnologíascorrespondientes al campo de los vehículos aéreos no tripulados (UAV) por sus siglasen inglés Unmanned Aerial Vehicles.

Los prototipos que se mencionan en esta tesis se realizaron físicamente, ya quefueron diseñados, construidos, instrumentados electrónicamente y controlados parala realización de las pruebas de vuelo correspondientes. Los resultados experimen-tales que se obtuvieron se organizaron a fin de presentarse en este documento.

La pretensión del proyecto motivo de este documento fue controlar la orientacióndel UAV para la realización de vuelos automáticos en línea recta; lo que implicóconocer de los principales conceptos aerodinámicos para entender los movimientospropios de la aeronave durante el vuelo y a su vez poder efectuar el control de lamisma. Partiendo de estos conceptos se logró diseñar el ala y posteriormente el fuse-laje del vehículo; ya construido el prototipo, se procedió a la incorporación de laelectrónica correspondiente para efectuar las pruebas de vuelo de forma manual afin de corroborar que el diseño propuesto cumplía con los fines requeridos.

Después se diseñó una tarjeta electrónica basada en amplificadores operacionales,cuya función es acondicionar la señal proveniente de los sensores (acelerómetros,girómetros y magnetómetro) para poder ser leída por el microcontrolador. En esteúltimo dispositivo se realizó la programación del algoritmo de control para ser capa-ces de gobernar las superficies que controlan los movimientos de la aeronave medianteel uso de servomotores. Para tales fines se requirió implementar un circuito que ais-lara físicamente el microcontrolador de los motores simplemente por protección delmicrocontrolador. Una vez finalizada la parte de instrumentación electrónica y pro-gramación, se incorporá ésta al vehículo para realizar las pruebas de vuelo de formaautomática y así obtener las gráficas correspondientes al control de la orientaciónmediante el uso del software MatLab.

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OBJETIVOS DEL PROYECTO A DESARROLLAR

Objetivo General

Diseñar, construir, instrumentar y controlar la orientación de un VehículoAéreo No Tripulado (UAV) para la realización de vuelos automáticos.

Objetivos Específicos

Diseñar y construir un vehículo aéreo no tripulado (UAV) considerando lasprincipales fuerzas aerodinámicas y empleando materiales de fácil reparación,reemplazo y bajo costo.

Instrumentar electrónicamente el UAV a través de una central inercial basadaen Amplificadores Operacionales.

Programar un microcontrolador Rabbit (programación en lenguaje C).

Emplear el software MatLab para la visualización en forma gráfica de los datosobtenidos durante los vuelos realizados.

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Justificación

La vida cotidiana pone a las personas ante problemáticas diversas: la posiblepérdida de vidas humanas en la realización de tareas de alto riesgo; los peligros quese derivan de los desastres naturales o consecuencia de errores humanos. Ante estassituaciones, el hombre se esmera por asegurar su vida, así como sus bienes, al igualque las empresas o instituciones.

A su vez, existen muchos casos en los cuales es casi imposible que un ser vivopueda ingresar a determinadas aéreas por cuestiones de seguridad; por lo cual, esconveniente emplear vehículos no tripulados para la realización de esta clase de tareasy así salvaguardar la integridad física del ser humano. En este tipo de situacionesun UAV es de gran ayuda ya que se pueden realizar misiones de reconocimiento,vigilancia, búsqueda y rescate; apoyo en desastres, estudios de investigación, etc. Locual es posible gracias a que día con día la tecnología avanza de manera impresio-nante ofreciéndonos más y mejores alternativas mediante la aplicación de métodossencillos y eficaces, disminuyendo así los posibles riesgos.

Planteamiento del problema

Diseñar un vehículo con una configuración lo suficientemente estable durante elvuelo, para poder emplear éstos como modelo a seguir en la construcción de aeron-aves, empleando materiales más resistentes como fibra de carbono.

A su vez, en la actualidad se requieren vehículos que sean capaces de desem-peñar tareas cada vez más complejas, lo cual se puede llevar a cabo, al incorporarcámaras y distintas clases de sensores a los prototipos para llevar a cabo misionesde reconocimiento y vigilancia, etc.

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CONTENIDO

En el primer capítulo de esta tesis se define lo que es un vehículo aéreo no tripu-lado, sus principales aplicaciones tanto en el ámbito militar y civil, así como suclasificación de acuerdo a su altitud y alcance. Enseguida, en el apartado segundose da una breve explicación de los principales conceptos aerodinámicos empleadospara llevar a cabo el diseño de una aeronave, así como de los sistemas embebidospresentes en la Aeronáutica.

En el tercer capítulo se desarrollan los principales cálculos para llevar a caboel diseño de la aeronave, así como los motivos por los cuales se emplearon ciertosmateriales para la construcción del prototipo. Posteriormente, en el capítulo cuatrose describe el funcionamiento de los componentes electrónicos empleados para lainstrumentación del UAV. También se mencionan las ventajas de usar un microcon-trolador para llevar a cabo la acción de control del prototipo.

El apartado correspondiente al quinto capítulo, se muestra el modelo matemáticolongitudinal de una aeronave, así como la acción de control implementada y su re-spectivo diagrama de flujo del algoritmo de control empleado para llevar a cabo elcontrol de la orientación del vehículo. Ya en el sexto capítulo se muestran las gráficasobtenidas durante los vuelos realizados con control de la orientación del UAV.

Finalmente, en el capítulo siete, se da a conocer de manera general si el prototipocumplió con los objetivos planteados en un inicio del proyecto y se consideran losposibles trabajos posteriores que pueden realizarse en el área correspondiente a losvehículos aéreos no tripulados.

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Índice general

Índice de Figuras ix

1. Antecedentes 11.1. Historia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2. Aplicaciones de los UAV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2.1. Aplicaciones Militares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2.2. Aplicaciones Civiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3. Clasificación de los UAV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2. Marco Teórico 72.1. Principales conceptos aerodinámicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.1.1. Geometría y configuración del ala . . . . . . . . . . . . . . . . 82.1.1.1. Perfil aerodinámico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.1.2. Fuselaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.1.3. Principales fuerzas que actúan sobre un avión . . . . . . . . . 11

2.1.3.1. Levantamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.1.3.2. Peso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.1.3.3. Arrastre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.1.3.4. Empuje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.1.4. Centro de gravedad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.1.5. Centro de presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.1.6. Centro aerodinámico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.1.7. Ángulo de ataque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.1.8. Diedros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.1.9. Ejes de translación y rotación de la aeronave . . . . . . . . . . 142.1.10. Principales superficies de control . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.1.10.1. Alerones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.1.10.2. Elevador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.1.10.3. Timon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.1.11. Softwares para el diseño de perfiles aerodinámicos . . . . . . . 162.2. Sistemas embebidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

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ÍNDICE GENERAL

2.2.1. Aplicaciones de los sistemas embebidos en la aeronáutica . . . 172.2.2. Características de los sistemas embebidos . . . . . . . . . . . . 172.2.3. Periféricos de los sistemas embebidos . . . . . . . . . . . . . . 18

2.3. Aviónica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3. Diseño y construcción del prototipo 213.1. Prototipos experimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.2. Diseño del perfil aerodinámico, ala y fuselaje del prototipo . . . . . . 22

3.2.1. Prototipo Etknian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.2.1.1. Características y elementos del prototipo Etknian . . 243.2.1.2. Parámetros aerodinámicos del prototipo Etknian . . 26

3.2.2. Prototipo RafKinga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.2.2.1. Características y elementos del prototipo RafKinga . 293.2.2.2. Parámetros aerodinámicos del prototipo RafKinga . 31

4. Instrumentación del Prototipo 354.1. Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354.2. Microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

5. Control del Prototipo 515.1. Modelo matemático longitudinal de 3 grados de libertad de un ve-

hículo aéreo no tripulado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515.2. Acción de control aplicada al prototipo . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

5.2.1. Controlador Proporcional-Derivativo (PD) . . . . . . . . . . . 535.3. Control de la orientación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

5.3.1. Control del ángulo pitch, roll y yaw del prototipo . . . . . . . 555.4. Diagrama de flujo del algoritmo de control . . . . . . . . . . . . . . . 58

6. Resultados Experimentales 63

7. Conclusiones y Trabajos Futuros 67

A. Glosario 69

Bibliografía 72

viii

Índice de figuras

1.1. Vehículo aéreo no tripulado UAV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.1. Partes de un perfil aerodinámico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2. Perfil simétrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.3. Perfil asimétrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.4. Fuerzas que actuan sobre un avión referencia en [14] . . . . . . . . . . 122.5. Ejes de posición y rotación de la aeronave referencia en [14] . . . . . . 152.6. Principales superficies de control de una aeronave . . . . . . . . . . . 16

3.1. Perfil aerodinámico creado con el software JavaFoil . . . . . . . . . . 233.2. Perfil aerodinámico creado con el software Xfoil . . . . . . . . . . . . 233.3. Perfil Aerodinámico y Ala del prototipo Etknian . . . . . . . . . . . . 253.4. Fuselaje del prototipo Etknian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.5. Ala diseñada en el software Xfoil para el prototipo Etknian . . . . . . 283.6. Prototipo final obtenido con el software Xfoil . . . . . . . . . . . . . . 283.7. Prototipo Final llamado Etknian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.8. Perfil Aerodinámico y Ala del prototipo RafKinga . . . . . . . . . . . 303.9. Fuselaje del prototipo RafKinga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.10. Ala diseñada en el software Xfoil para el prototipo RafKinga . . . . . 333.11. Prototipo previo al prototipo final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.12. Prototipo final llamado RafKinga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.1. Receptor Futaba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364.2. Radio Control Futaba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364.3. Servomotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.4. Motor Brushless con su base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384.5. Diagrama del Controlador de Velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . 394.6. Variador de Velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394.7. Central Inercial (IMU) para 3 gyros y 3 acelerómetros . . . . . . . . . 404.8. Amplificadores Operacionales en configuraciones de seguidor e inte-

grador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414.9. Central Inercial (IMU) para 3 gyros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

ix

ÍNDICE DE FIGURAS

4.10. Central Inercial (IMU) para 3 acelerómetros . . . . . . . . . . . . . . 424.11. Magnetómetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.12. Etapa de Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.13. Bateria LiPo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.14. Tarjeta electrónica del microprocesador . . . . . . . . . . . . . . . . . 474.15. Microcontrolador Rabbit RCM3400 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484.16. Hardware empleado en la instrumentación de los prototipos . . . . . . 49

5.1. Modelo Longitudinal de la aeronave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525.2. Diagrama a bloques del Control de la Orientación Prototipo . . . . . 535.3. Velocidad θ̇ = 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575.4. Control del ángulo pitch θ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

6.1. Control del ángulo roll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 646.2. Control del ángulo pitch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 656.3. Control del ángulo yaw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

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Capítulo 1

Antecedentes

Los vehículos aéreos no tripulados (UAV) por sus siglas en inglés UnmannedAerial Vehicles, han sido una área de investigación muy activa durante los últimosaños. Son aeronaves capaces de volar sin necesidad de un piloto humano abordoque las controle. Pueden ser remotamente controlados o volar de forma autónomabasada en planes de vuelo pre programados mediante el uso de sistemas de controlcomplejos. La autonomía se relaciona con los algoritmos de control que poseen estosvehículos para responder de manera satisfactoria al encontrarse en eventos inespera-dos o aleatorios, durante sus misiones de vuelo referencia en [6]. En la actualidad losUAV son utilizados en el ámbito militar, por ejemplo en misiones de reconocimientoy ataque a blancos militares. También se utilizan, aunque en menor grado, en aplica-ciones civiles tales como la inspección de incendios, monitoreo de eventos políticos yreconocimiento de desastres naturales; también son empleados en misiones aburridasu hostiles para ser comandadas por un piloto.

En la actualidad la tecnología para la fabricación de UAV totalmente autónomosse encuentra en pleno desarrollo; ésta recae en las siguientes catergorías:

Fusión de Sensores: Combinar información desde diversos dispositivos, paraser utilizados en el control del vehículo.

Comunicaciones: Realizar la coordinación entre multiples agentes en la presen-cia de información que sea imprecisa e incompleta.

Planeamiento de Vuelos: Determinar el camino óptimo que deberá seguirel vehículo, a la vez de que cumple con ciertas restricciones impuestas por losobjetivos y la misión, tales como obstáculos o consumo de combustible.

Generación de Trayectorias: Determinar la maniobra óptima para llegar oseguir a un objetivo determinado.

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1.1. Historia

Regulación de Trayectorias: Las estrategias de control específicas requeri-das para cumplir con las restricciones.

Programación y asignación de tareas: Determinar la distribución óptimade tareas entre un grupo de agentes, satisfaciendo las restricciones en tiempoy equipo.

Tácticas cooperativas: Formular una secuencia óptima y una distribuciónespecial de actividades entre los diferentes agentes, con el fin de maximizar lasprobabilidades de éxito de alguna misión dada.

1.1. Historia

El alto número de pilotos que han perecido durante misiones del tipo de rastreode enemigos en la segunda guerra mundial ha alentado la idea de utilizar vehículosno tripulados. Algunos países han invertido grandes presupuestos en la investigaciónde UAV, principalmente Estados Unidos, Israel, algunos países de la Unión Europeay recientemente Japón referencia en [6].

Durante la guerra de Vietnam referencia en [6], el ejercito estadounidense utilizóUAV, para localizar plataformas de lanzamiento de misiles sobiéticos. Con el desa-rrollo y miniaturización de las tecnologías, el interés en estos vehículos dentro dela armada estadounidense creció de manera considerable. Así, comenzaron a versecomo dispositivos baratos que ayudarían en combate, sin el riesgo de pérdidas huma-nas.

Las primeras generaciones de UAV fueron hechas inicialmente para la supervisióny vigilancia referencia en [6], aunque algunos fueron equipados con armamento (comoel MQ-1 Predator, el cual utilizaba misiles aire-tierra). A los UAV armados, se lesconoce como vehículos de combate aereo no tripulados,(UCAV por sus siglas eningles: Unmanned Combat Aerial Vehicles). Para ilustrar lo anterior, se puede citarla guerra del golfo (1991), donde la armada estadounidense utilizó uno de estospara tareas de vigilancia tanto a la luz del día como por la noche; este vehículo seencargaba de recabar información de objetivos hostiles. Más recientemente, en 2002,la misma armada utilizó uno de ellos en Afganistán.

1.2. Aplicaciones de los UAV

Los UAV usualmente se ubican en dos grandes categorías de aplicación: la military la civil.

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1. Antecedentes

Figura 1.1: Vehículo aéreo no tripulado UAV

1.2.1. Aplicaciones Militares

La cualidad más importante de los UAV es el vuelo no tripulado. Esta carac-terística esencial permite evitar cualquier posible riesgo para el piloto, notablementeen el dominio militar como en misiones en áreas hostiles, así como en misiones enlas que se demande una importante carga y daño psicológico para el piloto: accesoa altas altitudes o vigilancia repetitiva.

Los avances tecnológicos ayudan para ampliar el rango de aplicaciones de lossistemas autónomos: en acciones militares, de vigilancia y seguimiento de posicionesenemigas, creando enlaces de comunicación entre estaciones terrestres para el inter-cambio de información. Las aplicaciones de los UAV militares pueden dividirse entres categorías principales:

Patrullaje y reconocimiento

Apoyo al combate

Combate

1.2.2. Aplicaciones Civiles

Comparados con los UAV militares, los UAV civiles no tienen el mismo desarrolloque han tenido sus similares militares. No obstante, poseen un buen potencial, debidoa su versatilidad y flexibilidad de operación. Existe un amplio rango de aplicacionespotenciales para los vehículos no tripulados civiles, especialmente en misiones concaracterísticas peligrosas o rutinarias.

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1.3. Clasificación de los UAV

De la misma manera que en el dominio militar, los ejemplos de aplicación sepueden clasificar en diferentes categorías:

Investigación científica

• Estudio de la atmósfera, la tierra y el océano

• Estudio del agua

• Cartografía

Apoyo a desastres

• Detección de fuego en incendios

• Volcanos y tornados

• Búsqueda y rescate

Vigilancia civil

• Supervisión marítima (puertos, tráfico de drogas, inmigración ilegal, misio-nes de rescate)

• Vigilancia urbana

1.3. Clasificación de los UAV

Uno de los criterios mediante los cuales se puede clasificar a los UAV es de acuer-do a su altitud/rango como se muestra a continuación:

Altitud/Rango

Handheld: 600m de altitud en un rango de 2Km

Close: 1500m de altitud en un rango superior a los 10Km

Nato: 3000m de altitud en un rango superior a los 50Km

Tactical: 5500m de altitud en un rango de hasta 160Km

Male: 9000m de altitud en un rango de hasta 200Km

Hale: 99Km de altitud con un rango indefinido

Hypersonic: supersónico (Mach 1-5) o hipersónico (Mach 5+) con 15200mde altitud o altitud suborbital con un rango superior a los 200Km

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1. Antecedentes

Orbital: en orbitas bajas terrestres (Mach 25+)

CIS Lunar: viaja entre la Luna y la Tierra.

El UAV desarrollado en esta tesis puede ubicarse en la categoría Hanheld siel cuerpo y ala del vehículo se construyeran de fibra de carbono para contar conuna estructura de mayor rigidez y así poder alcanzar una mayor altitud, lo cual sepretende hacer en un futuro próximo una vez que se haya encontrado la configuraciónadecuada del cuerpo y ala del vehículo.

El prototipo tiene un rango de hasta 3Km que es la máxima distancia en la quepuede existir una comunicaciónen entre el receptor que se encuentra en el avión yel radio control con el cual se manipulará el mismo. Por otro lado, el vehículo estaenfocado hacia aplicaciones civiles con fines de investigación científica.

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1.3. Clasificación de los UAV

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