lecc 4 - construcción de un drone

Capítulo 4

Instrumentación del Prototipo

Una vez que los prototipos se han construido, se procede a instrumentarlos.Primeramente se colocan los componentes electrónicos indispensables para realizarvuelos de forma manual y así comprobar sí el vehículo es capaz de volar; una vezque se realizaron las pruebas de vuelo correspondientes, se incorpora al vehículo lastarjetas electrónicas necesarias para llevar a cabo las pruebas de vuelo de formaautomática.

A pesar de que se realizarón dos prototipos con distintas configuraciones, la partereferente a la instrumentación y al control, es la misma para ambos. Debido a quelas superficies de control, es decir, las superficies donde recae la acción de éste, novarían de un vehículo a otro. Por lo tanto, en este capítulo se explicará un soloprototipo (prototipo RafKinga), tomando en cuenta que esto puede ser aplicado acualquiera de los dos prototipos.

4.1. Hardware

La aviónica es la etapa basada en un sistema embebido de vuelo, el cual puede serdividido en dos elementos, los elementos hardware y el propio microcontroladorreferencia en [5]. Ambos vehículos cuentan con el mismo hardaware y microcontro-lador, tanto para realizar vuelos en forma manual como en forma automática.

El hardaware mediante el cual está conformado el prototipo para la realizaciónde vuelos de forma automática es el siguiente:

Receptor

El Receptor es el dispositivo que recibe las señales emitidas por el radio controlal realizar las maniobras para manipular las superficies de control del vehículo. Elreceptor Futaba, cuenta con 7 canales los cuales proporcionan una modulación por

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4.1. Hardware

ancho de pulso (PWM) para controlar los servomotores, que a su vez controlaron laposición de las superficies de control en donde estos se encuentren (figura 4.1).

Figura 4.1: Receptor Futaba

Radio Control

El Radio Control es el dispositivo que permite gobernar el vehículo a distanciay de manera inalámbrica. El radio control Futaba mostrado en la figura 4.2 cuentacon 6 canales de los cuales 4 de ellos se utilizan para el control de forma manualdel UAV; ya que en forma automática solo se utiliza el canal correspondiente a lapotencia del motor y un interruptor, el cual también es considerado como canal, pararealizar el cambio de forma manual a automática y visceversa. Cabe señalar que aúnestando el vehículo en modo automático, se tiene la capacidad de manipular el radiopara controlar el vehículo en caso de ser necesario, debido a algún imprevisto.

Figura 4.2: Radio Control Futaba

Servomotor

Los Servomotores son dispositivos que constan de un motor, su tren de engra-nes, un mecanismo de retroalimentación de posición y su electrónica de control. Laposición angular del servomotor está determinada por la duración del pulso aplicadoa su circuito de control del servomotor. A esta acción se le conoce como modulacióncodificada de pulso. El servomotor espera recibir un pulso cada 20ms. El largo delpulso determinará que tanto deberá girar el motor del servo. Por ejemplo, a 1,5ms,el motor dará una vuelta de 90 grados. Si el pulso es menor que 1,5ms, el motor

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4. Instrumentación del Prototipo

dará una vuelta a su eje de 0 grados. Si el pulso es mayor que 1,5ms, entonces el ejedel servo girará aproximadamente 180 grados.

A su vez los servomotores cuentan con tres cables de conexión externa, dondecada uno de ellos es de un color distinto.

Cable de color negro o café. Es la conexión a tierra (GND).

Cable de color rojo. Es el cable de alimentación (Vcc +5volts).

Cable de color blanco o amarillo. Es la línea de control por la que se le en-vía la señal codificada para indicarle al servomotor el ángulo en que se debeposicionar.

El servomotor MX-52MG que se utilizó (figura 4.3) proporciona un par de 3kgcma +5volts.

Figura 4.3: Servomotor

Motor Brushless sin escobillas

En la construcción del prototipo se utilizó un motor de corriente directa sin esco-billas mejor conocidos como Motores Brushless. este tipo de motores tienen unaeficiencia mayor que los de corriente directa, debido a la carencia de escobillas; yaque sin éstas el desgaste en la máquina es menor.

Se empleo el motor brushless Tower pro (figura 4.4), ya que tiene la potencianecesaria para proporcionar un empuje (es el par generado por el motor y la hélice)de 511g, el cual es suficiente para desplazar el vehículo a través del aire. Además, seeligió este motor porque en ocasiones anteriores ya se había trabajado con él.

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4.1. Hardware

Figura 4.4: Motor Brushless con su base

Las principales características del motor brushless Tower pro son las siguientes:

Peso (g) 65Voltaje (V) 10Max RPM (r/min) 10500Max Eficiencia ( %) 78Max Potencia (W/60s) 160Max eficiencia de corriente (A) 17.6

Variador de Velocidad

Los motores eléctricos generalmente operan a velocidad constante o casi-constante,y con valores que dependen de la alimentación y de las características propias delmotor, los cuales no se pueden modificar fácilmente. Para regular la velocidad de losmotores de corriente continua, se emplea un controlador eléctrico-electrónicoque recibe el nombre de variador de velocidad. Un variador de velocidad puedeconsistir en la combinación de un motor eléctrico y el controlador que se empleapara regular la velocidad del mismo; sin embargo, es común emplear el término devariador de velocidad únicamente al controlador eléctrico-electrónico.

El controlador eléctrico-electrónico a usar depende de las características del mo-tor que se tenga, ya que si el controlador no proporciona la corriente demandadapor el motor, éste no funcionará de manera correcta. El controlador utilizado es dela marca High Tech cuyas especificaciones son las siguientes:

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Tower pro MAG 8 25APeso (g) 30Rango de Voltaje (V) 6-12Operación 30A máx 10 min / 25A continuaNúmero de pilas 3celdas LIPO ó NiMH / NiCd 12.05Funciones de protección Detener la temperatura de trabajo 110řC

El controlador eléctrico-electrónico Tower pro (figura 4.6) cuenta con tres cables:positivo, negativo y neutro; los cuales van conectados al motor brushless (figura4.5). Se pueden conectar los cables de manera diferente, pero posteriormente sedebe checar el sentido de giro del motor, en caso de ser opuesto al deseado, sólo sedeben de intercambiar dos de los tres cables independientemente de cuales se elijan.A su vez, el controlador en su otro extremo cuenta con un cable de alimentación elcual se conecta a las terminales de Vcc y GND de la batería LiPo. Por último, elcontrolador cuenta con un cable de conexión que se conectará al canal 3 del receptormostrado en la figura 4.1 para obtener el tren de pulsos corresponidente a la potenciadel motor.

Figura 4.5: Diagrama del Controlador de Velocidad

Figura 4.6: Variador de Velocidad

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4.1. Hardware

Central Inercial (IMU)

Se denomina Central Inercial (IMU) al conjunto de sensores que propor-cionan la medición de la posición angular del vehículo (φ, θ, ψ), así como su veloci-dad angular (φ, θ, ψ), todo esto es posible gracias a los acelerómetros y girómetros,respectivamente, que conforman a la central inercial (IMU).

Los acelerómetros, son sensores que miden la aceleración lineal en una, dos otres dimensiones, esto es, en tres direcciones del espacio ortonormal, es decir, en tresdirecciones perpendiculares entre sí. Esta característica permite medir la inclinaciónde un cuerpo, puesto que es posible determinar con el acelerómetro la componentede la aceleración provocada por la gravedad que actúa sobre el cuerpo.

Un acelerómetro también es usado para determinar la posición angular de uncuerpo, a partir de la medición de su aceleración. Por otro lado, el girómetro, esun dispositivo formado esencialmente por un cuerpo con simetría de rotación quegira alrededor de su eje de simetría. Cuando se somete el giroscopio a un momentode fuerza que tiende a cambiar la orientación del eje de rotación. Su eje de rotación,en lugar de cambiar de dirección como lo haría un cuerpo que no girase, cambia deorientación en una dirección perpendicular a la dirección intuitiva. Con los gyroso girómetros podemos medir la rapidez con la que cambia un objeto y poder así,conocer la velocidad angular del objeto.

La central inercial (figura 4.7), consta de 3 acelerómetros en los ejes x, y, z y 3gyros en los ejes x, y, z. El objetivo de desarrollar este sistema es obtener las señalesde los gyros y acelerómetros en tiempo real, a las entradas de los convertidoresanalógicos/digitales del microcontrolador. Para realizar esto, se emplearon los sen-sores IMU 5 DOF IDG500/ADXL335, el cual cuenta con 3 acelerómetros en x, y, zy 2 gyros en x, y, y el sensor LPY530AL giro dual 300/s, conformado por 2 gyrosen y, z.

Figura 4.7: Central Inercial (IMU) para 3 gyros y 3 acelerómetros

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También se realizó un circuito mediante amplificadores operacionales en confi-guración seguidor e integrador (figura 4.8) para acondiconar la señal producida porlos sensores, y así poder ser leída por el microcontrolador.

Figura 4.8: Amplificadores Operacionales en configuraciones de seguidor e integrador

A continuación se hace una breve explicación de los sensores que conforman lacentral inercial (figura 4.7) empleada para llevar a cabo las medicones de la posicióny velocidad angular del vehículo.

Sensor IMU 5 DOF IDG500/ADXL335. Central inercial conformada por3 acelerómetros y 2 gyros:

Sensor IDG500. Conformado por dos gyros, utilizados para medir la veloci-dad angular en Roll y Pitch; es decir, mide la velocidad de rotación alrededorrespecto al eje X y Y .

El rango de voltaje para su operación se encuentra entre 2,7V y 3,3V ; sinembargo, se trabaja a V ref = 3V .

Sensor ADXL335. Es un sistema completo de medición de la aceleración entres ejes (X,Y, Z). Donde las señales de salida son voltajes análogos propor-cionales a la aceleración.


Sensor LPY530AL giro dual 300/s. Conformado por dos gyros, utilizadospara medir la velocidad angular en Pitch y Yaw ; es decir, mide la velocidadde rotación alrededor respecto al eje Y y Z.


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4.1. Hardware

Las tarjetas electrónicas para el acondicionamiento de la señal mostradas en lafigura 4.9 y 4.10, fueron realizadas por el autor. La primera de ellas (figura 4.9),está diseñada unicamente para acondicionar la señal proveniente de los gyros enRoll, Pitch, Yaw y la segunda (figura 4.10) para acondicionar la señal provenientede los acelerómetros en x y y, ya que para efectuar la medición en el eje Z se utilizael magnetómetro y el gyro en Yaw.

Figura 4.9: Central Inercial (IMU) para 3 gyros

Figura 4.10: Central Inercial (IMU) para 3 acelerómetros

Para reducir la masa del prototipo, estas tarjetas fueron reemplazadas por elcircuito impreso mostrado en la figura 4.7, el cual fue diseñado en el software ProtelDXP-2004.

Al diseñar el circuito de acondicionamiento en el software, se incorporaron losamplificadores operacionales en configuraciones de seguidores e integradores (figura4.8) necesarios, para acondicionar la señal proveniente de los gyros y acelerómetros.A su vez, se usaron componentes de montaje superficial disminuyendo considerable-mente el peso y las dimensiones de la tarjeta diseñada.

Para calcular los valores de las resisitencias y la configuración de amplificadoresoperacioneles adecuados para proporcionarle al microcontrolador el rango de voltajenecesario, nos apoyamos del documento llamado Single-Supply Op Amp DesignTechniques referencia en [10], de esta manera aseguramos el correcto funciona-

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miento de la interface de acoplamiento.

Magnetómetro

El Magnetómetro también conocido como Compás, es una brújula diseñadaespecíficamente para los robots como una ayuda a la navegación referencia en [19].El Magnetómetro utiliza el sensor de campo magnético Philips KMZ51, que es losuficientemente sensible para detectar el campo magnético Terrestre. A su vez, estesensor está orientado hacia el norte magnético, el cual es opuesto al norte geográfico.

El Magnetómetro en nuestro caso, controla la orientación del vehículo sobre el ejeYaw. Para realizar el control en este eje, cuando el vehículo se está desviando de laorientación deseada el gyro detiene el movimiento de la superficie de control llamadaTimón y el magnetómetro vuelve a orientar al vehículo hacia el punto deseado.

El módulo del Magnetómetro (figura 4.11) cuenta con nueve pines los cuales sedescriben a continuación:

Pin 1, +5v. El módulo del magnetómetro requiere una alimentación de 5V a25mA.

Pin 2 y 3 SDA (Serial Data) y SCL (Serial Clock). Son la interfaz I2C (InterIntegrate Circuit Bus) y se puede utilizar para obtener una lectura directa delcompás. Si la interfaz I2C no se utiliza, estos pines deben ser conectados a +5va través de un par de resistencias de alrededor de 47kΩ. Es adecuado, aunquelos valores de las resistencias no son críticos.

Pin 4, Señal PWM (Modulación por ancho de pulsos). El ángulo es repre-sentado por el ancho del pulso positivo, este varía de 1ms; es decir, 0,1gradoshasta 36,99ms, es decir, 359,9grados. La señal para nivel bajo es de 65ms entrepulsos, por lo tanto, el ciclo de trabajo es de 65ms + el ancho de pulso positivo,por lo que el periodo de la señal es de T = 102ms. El pulso es generado en elprocesador por un contador de 16 bits proporcionando una resolución de 1µssin embargo, lo más recomendable es realizar la medición cada 10µs; es decir,cada 0,1grados. Al usar el pin de la señal PWM, los pines 2 y 3 deben seralimentados con 5V directamente.

Pin 5, Es usado para indicar que la calibración esta en proceso.

Pin 6, Es una de las dos formas de calibrar el compás, la otra manera decalibrarlo es escribiendo 255 (0xFF) en el registro de comandos.

Pin 7 y 8, No se usan actualmente por lo que pueden dejarse sin conectar.

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4.1. Hardware

Pin 9. Alimentación de 0V .

Existen dos formas de obtener las mediciones correspondientes al magnetómetro.La primera es mediante la señal PWM, proporcionada en el pin 4, y la segunda conla interfaz I2C proporcionada en los pines 2 y 3.

En este prototipo se realiza la comunicación entre el magnetómetro y el micro-controlador mediante la interfaz I2C; ya que las cuatro salidas PWM con las quecuenta el microcontrolador son empleadas para el control de los cuatro servomotores.Por lo tanto, sólo se emplean cuatro de los 9 pines del magnetómetro, siendo estoslos siguientes:

Pin 1. Alimentación de 5V a 25mA.

Pin 2 y 3. SDA (Serial Data) y SCL (Serial Clock) para la comunicaciónmediante la interfaz I2C.

Pin 9. Alimentación de 0V .

Figura 4.11: Magnetómetro

Interfaz I2C

La interfaz I2C es un bus serie formado por dos hilos referencia en [2], quepuede conectar varios dispositivos mediante un hardware muy simple. Por esos doshilos se produce una comunicación serie, bit a bit. Se transmiten dos señales, unapor cada línea:

SCL (Serial Clock): Es la señal de reloj que se utiliza para la sincronizaciónde los datos.

SDA (Serial Data): Es la línea para la transferencia serie de los datos.

Los dispositivos conectados al bus I2C mantienen un protocolo de comunicacionesdel tipo maestro/esclavo. Las funciones tipo maestro y esclavo se diferencian en:

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El circuito maestro inicia y termina la transferencia de información, ademásde controlar la señal de reloj. Normalmente es un microcontrolador.

El esclavo es un circuito direccionado por el maestro.

La línea SDA es bidireccional; es decir, tanto el maestro como los esclavos puedenactuar como transmisores o receptores de datos dependiendo de la función del dispo-sitivo. La generación de señales de reloj (SCL) siempre es responsabilidad del mae-stro.

Cada dispositivo conectado al bus I2C es reconocido por una única dirección quelo diferencia del resto de los circuitos conectados. Los dispositivos compatibles conbus I2C suelen llevar 2 ó 3 pines para poder modificar esta dirección de modo que eldiseñador pueda evitar que en un mismo diseño haya 2 o más esclavos con la mismadirección.

El bus I2C puede ser multi-master, esto significa que puede soportar más de undispositivo capaz de controlar el bus. Los sistemas más comunes están constituidospor un solo microcontrolador maestro, como es el caso en la configuración que seesta usando.

Etapa de Potencia

La función principal de la Etapa de Potencia (figura 4.12) es aislar fisicamenteel circuito de control (microcontrolador) del circuito de potencia (motor y los servo-motores), debido que la demanda de corriente y voltaje es diferente tanto para elmicrocontrolador como para los motores. También otra función de la etapa de po-tencia es la de amplificar el voltaje suministrado por el microcontrolador que es de3,3V , lo incrementa a 5V que es el voltaje de suministro necesario para los servo-motores y etapa de potencia se toman directamente los 12V para alimentar al motor.

Fuente de Alimentación del Motor

La fuente de alimentación empleada para alimentar el motor brushless encargadode propulsar a la aeronave es mediante una Batería LiPo (Polímero de Litio) de 3-celdas 11,1V a 1,3A (figura 4.13). Este tipo de baterías es utilizado debido a sureducido tamaño y poco peso, lo que las hace ideales para equipos que requieranpotencia y duración.

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4.1. Hardware

Figura 4.12: Etapa de Potencia

Figura 4.13: Bateria LiPo

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4.2. Microcontrolador

Un Microcontrolador es un circuito integrado o chip que incluye en su inte-rior las tres unidades funcionales de una computadora: unidad central de procesa-miento, memoria y periféricos de E/S (entrada/salida). El microcontrolador procesalas señales provenientes de la central inercial, del magnetómetro y además controlalos servomotores. Es en este dispositivo donde se programan los algoritmos de con-trol para realizar los vuelos.

La etapa de programación para realizar el control del vehículo fue llevada a cabocon el microcontrolador Rabbit RCM3400, para lo cual se elaboró una tarjetaelectrónica (figura 4.14) mediante el software Protel DXP-2004 a fin de realizarla comunicación entre el microcontrolador y las demás tarjetas electrónnicas talescomo: la central inercial, la etapa de potencia y el magnetómetro.

Figura 4.14: Tarjeta electrónica del microprocesador

El módulo RCM3400 (figura 4.15) incorpora un microcontrolador Rabbit 3000referencia en [12], memoria Flash, RAM estática, puertos de E/S digitales, entradasanalógicas y salidas PWM, etc. A continuación se muestran algunas otras caracterís-ticas del módulo RCM3400, tales como:

Microcontrolador: Rabbit 3000 a una frecuencia de operación de 29,4MHz.

Voltaje de alimentación de 3,3V .

Ram estática de 512k.

Memoria Flash de 512k.

8 canales de Convertidores Analógicos-Digitales.

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Entradas y salidas de propósito general: 47 líneas paralelas de E/S con 5V detolerancia, de las cuales 41 líneas son configurables para E/S, 3 entradas fijasy 3 salidas fijas.

2 líneas de 34 pines cada una de entradas digitales.

2 entradas digitales adicionales y una salida digital adicional.

Combinación de hasta 8 entradas analógicas de una sola terminal ó 4 entradasanalógicas diferenciales.

Entrada externa de reset.

Reloj en tiempo real.

4 salidas PWM.

2 entradas de Input Capture (sirven para la lectura de la señal PWM).

Puerto Serial, etc.

Figura 4.15: Microcontrolador Rabbit RCM3400

Las ventajas de utilizar el módulo RCM3400 son las siguientes:

Bajo costo, comparado con la adquisición de los componentes de forma indi-vidual.

Fácil programación en lenguaje C.

Desarrollo de programas en el software llamado Dynamic C.

Gran capacidad de memoria para desarollar programas de miles de líneas decódigo.

Diseño de referencia que permite el puerto Ethernet integrado para la conec-tividad de red, con derechos de software libre TCP/IP.

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Concluyendo con la parte correspondiente a la instrumentación, en la figura 4.16se engloba todo la electrónica empleada en el desarrollo de los prototipos, en estafigura se puede observar la lógica secuencial aplicada para llevar a cabo el controldel vehículo, donde se representa a grandes rasgos, la forma en que se transmiten losdatos entre cada dispositivo. Por ejemplo, se muestra cómo las señales provenientesdel magnetómetro, de la central inercial (IMU) y del receptor entran al microcon-trolador para ser procesadas y controladas, obteniendo así la señal controlada paramanipular a cada servomotor el cual a su vez, manipula las superficie de la aeronavelogrando de esta forma un control del vehículo en vuelo.

Por otro lado, se muestra el voltaje con el que necesita ser alimentado cadadispositivo para poder desempeñar su función de una correcta manera. Como sepuede observar el microcontrolador debe ser alimentado con 3.3V, pero tanto lacentral inercial, el magnetómetro, el receptor y los servomotores son alimentadoscon un voltaje de 5V, voltajes proporcionados gracias a la etapa de potencia (figura4.12). En lo que respecta al motor, éste es alimentado con 11.1V mediante la bateríaLiPo.

Figura 4.16: Hardware empleado en la instrumentación de los prototipos

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