Construcción de un Quadricóptero de Arquitectura Abierta

Introducción

El siguiente Proyecto Final surge por la necesidad planteada por el Centro de Investigación en Informática para la Ingeniería de contar con una plataforma de hardware voladora para la realización de pruebas de algoritmos de navegación que surgen de diferentes trabajos doctorales de dicho centro.

Los vehículos voladores no tripulados, conocidos por sus siglas en inglés UAV (Unmanned Aerial Vehicle), pueden ser aeronaves de ala fija o rotante o incluso cohetes. Estos vehículos vuelan pilotados en forma remota o de manera autónoma. Aquellos UAV capaces de realizar vuelos estáticos como los helicópteros o los denominados cuatrirrotores, presentan particular interés para ciertas aplicaciones que requieren vuelos de baja altitud, entre obstáculos o incluso en espacios cerrados.

Los vuelos a baja altura en ambientes con obstáculos representan un alto riesgo para la vida de los pilotos, por esto que los vehículos no tripulados despiertan mucho interés en aplicaciones como inspección de edificios, inspección de líneas de distribución de energía eléctrica en alta tensión, tareas de rescate en zona de desastres o de alta montaña, filmación, etc. Otra razón por la que estos vehículos resultan atractivos es por su bajo costo de operación.

En el pasado, el uso de UAVs ha estado mayormente relacionado a aplicaciones militares. En la actualidad el interés por los sistemas UAV es creciente en la dirección de aplicaciones civiles; esto como consecuencia de la reducción de costos de las tecnologías involucradas.

En forma sintética se puede aseverar que la navegación de aeronaves implica la resolución eficiente y segura de cuatro tareas: toma de decisiones, percepción de obstáculos, estimación del estado de la aeronave (posición, velocidades y actitud) y control de la aeronave. En la actualidad, tanto en el ámbito militar como comercial, estas tareas se resuelven satisfactoriamente en tanto y en cuanto junto a los sistemas de automatización interactúan pilotos humanos complementando aquellos aspectos en que la técnica aún no está lo suficientemente avanzada, como ser la percepción y evasión de obstáculos. Aquí se encuentra el principal desafío para permitir la introducción de UAVs en espacios aéreos no restringidos.

Actualmente existen en el mercado pocos modelos comerciales de Quadricópteros, como pueden ser el Draganflyer X6, Parrot AR.Drone, Microdrones los cuales son usados en aplicaciones como: Fotografía Aerea y Video, Unidades de eliminación de explosivos, búsqueda y rescate, respuesta a desastres, asistencia, daños por fuego, ayuda a la construcción, inspección de lineas de transmisión, exploración geológica, control de cultivo, etc. Pero el costo de este tipo de artefactos y la poca flexibilidad que otorgan debido a sus arquitecturas cerradas dificultan su uso en la investigación universitaria.

Debido al creciente interés en este tipo de arquitecturas, son cada vez más las universidades y centros de investigación que están construyendo su propio cuadricóptero para realizar con ellos diferentes tipos de trabajos de investigación. Algunos ejemplos pueden ser MKTajamar, Mikrokopter. Estos últimos tienen la principal ventaja de ser más económicos que los anteriores, pero sin embargo su costo de ensamblado sigue siendo excesivo. Además estos tipos de proyectos aún no tienen la suficiente maduración para su uso en investigación y sólo son aplicables para usos hobbistas.

Ventajas de un QuadRotor

La elección de un quadrotor como plataforma experimental surge de un análisis de las ventajas que tiene este prototipo con respecto a otros UAV.

Un quadrotor es una aeronave del tipo PVTOL, esto significa que puede despegar y aterrizar en forma paralela el plano terrestre, lo cual nos da una gran ventaja para la navegación en ambientes interiores.

Desde el punto de vista mecánico en un QuadRotor las únicas partes móviles son las hélices. Dado que estas están acopladas directamente a los ejes de los motores no es necesario implementar ningún tipo de mecanismo. Esto es un punto a favor bastante grande ya que nuestro conociento en mecánica no es suficiente para encarar la construcción de un dispositivo con una estructura más sofisticada.

Otra ventaja interesante del QuadRotor en términos de simplicidad es la cancelación de torque total que se obtiene (ya que 2 motores giran hacia un lado y 2 hacia otro). Esto nos permite dejar de lado consideraciones respecto a la estabilización del dispositivo en el eje vertical.

También al tener cuatro hélices dispuestas el diseño del sistema de control se simplifica, permitiendo realizar un desacoplamiento de las variables.

Definición de la problemática

El principal problema de los modelos comerciales mencionados anteriormente es que al ser de arquitectura cerrada, no presentan la flexibilidad necesaria para su uso en la investigación. Para el caso de los modelos académicos analizados, que pueden ser de arquitectura abierta y brindar una mayor flexibilidad, aún no se encuentran en una etapa de desarrollo que brinde la confiabilidad necesaria para esta aplicación.

Objetivo General

Obtener un robot móvil volador autónomo (UAV) de dimensiones apropiadas para vuelos interiores a partir de componentes "off-the-shelf" capaz de realizar vuelo estático (hoovering) y desplazamientos con cambios de orientación y con los 3 grados de libertad estabilizados en intervalos cortos a partir de sensores inerciales on-board.

Objetivos Particulares

• Estudio de la dinámica de la estructura del robot. Definición de los parámetros constructivos principales y plantas propulsoras. Construcción del prototipo.
• Diseño y construcción del hardware para procesamiento de información obtenida de los sensores, control y drivers de potencia para motores.
• Cálculo, codificación y validación de la estrategia de control de la planta.
• Documentación del proyecto

Financiamiento

El financiamiento del proyecto es realizado por el Centro de Investigación de Informática para la Ingeniería como parte de un projecto de investigación.

Miembros del grupo de trabajo

Integrantes

Henze, Agustín Redolfi, Javier Andrés

Director:

Ing. David Gaydou, Ing. en Electrónica (UTN-FRC).

Organización del trabajo

El siguiente trabajo se organiza de la siguiente manera.

• En el capítulo 2 se explica el funcionamiento básico y el diseño del QA3.
• En el capítulo 3 se realiza el modelado de la planta, se diseña el controlador y se realizan las simulaciones correspondientes.
• El capítulo 4 nos presenta el filtro utilizado para realizar la medición de los ángulos de orientación de la aeronave.
• En el capítulo 5 se explican los diseños de los circuitos electrónicos y la construcción de las placas.
• En el capítulo 6 se comenta el software desarrollado y se explican sus partes fundamentales.
• En el capítulo 7 se realizan las conclusiones del trabajo realizado, junto con un análisis de costos.