cuadrirrotor 8-1 corr
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Universidad Politecnica de Sinaloa
Ing. Mecatronica
Diseno Mecatronico
Diseno, Analisis y Construccion de un Cuadrirrotor.
Trabajo que presentan:
Hernandez Arias Rommel
Hernandez Toledo Elvin Alexis
Parada Valdivia Stephanie Shaibeth
Renteria Graciano Arturo
Tostado Corral Carlos Daniel
Catedratico:
M.C. Manuel Alejandro Lugo Villeda
Mazatlan, Sinaloa Febrero 2014
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Diseno, Analisis y Construccion de un Cuadrirrotor
Hernandez Arias Rommel, Hernandez Toledo Elvin Alexis, Parada Valdivia Stephanie
Shaibeth, Renteria Graciano Arturo, Tostado Corral Carlos Daniel
En el presente documento se muestra el desarrollo del proyecto de la creacion de un cua-
drirrotor, el cual presenta el diseno, analisis y construccion de un dispositivo cuadrirrotor
aplicado a exploracion de exteriores. El diseno se basa en la capacidad de los rotores para
alcanzar cierta altura y sostener el peso de s mismo, para el diseno de la estructura se con-
sideran las caractersticas de resistencia y el peso del material utilizado, as como la forma
de este. Tambien se considera el diseno de una tecnica de transmision de datos mediante un
control manual, a partir de la eleccion de un dispositivo apto para ello. Se utilizaron metodos
de robotica para la elaboracion del analisis, las cuales nos permiten conocer los movimientos
que un movil aereo con cuatro rotores requiere para realizar maniobras de vuelo que permitan
mantenerlo estable.
Para lograrlo se pretende el diseno de una estructura capaz de proporcionar el espacio
necesario para alojar los componentes de este, por ejemplo, motores, circuitera y posibles
aditamentos y al mismo tiempo la estructura sera capaz de soportar posibles colisiones. El
modelo de la estructura del cuadrirrotor presenta una forma de cruz, en la cual al final de ca-
da punta de la cruz se encuentran colocado los cuatro rotores dispuestos a noventa grados de
separacion, esto para mantener un equilibrio en el sistema de vuelo. Este sistema no requiere
de conocimientos mecanicos ya que es una estructura fija donde los rotores se encuentran
adjuntos en los extremos.
Para el modelo de control se presenta la utilizacion de un microcontrolador el cual sera el
puente de comunicacion entre el control manual y la activacion de los motores. Este micro-
controlador procesara los datos de recepcion y envio. El sistema general presenta tambien
una etapa de potencia y el control de radio frecuencia empleado para el control manual.
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Indice general
1. Introduccion al diseno de vehculos aereos no tripulados 1
1.1. Marco teorico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1. Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2. Estado del arte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2. Planteamiento del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.1. Objetivos para el diseno de un dispositivo UAV . . . . . . . . . . . . 4
1.2.2. Justificacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3. Hipotesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
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UPSIN Enero/2014 INDICE GENERAL
Ing. Mecatronica iv Diseno de Cuadrirrotor
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CAPITULO 1
Introduccion al diseno de vehculos aereos no tripulados
1.1. Marco teorico
1.1.1. Antecedentes
El primer vehculo aereo no tripulado (por sus siglas en ingles: UAV, unmanned aerial
vehicle) fue construido en 1916, pero debido a su inmadurez no tuvo ningun uso practico
[Barnhart et al., 2011]. El desarrollo de UAVs empezo a crecer a finales de los anos 1950s,
contando con investigacion a gran escala a finales de los 1970s, siendo utilizados por primera
vez en forma practica en Estados Unidos. [1].
Los vehculos aereos no tripulados de gran altitud para uso militar comenzaron a utili-
zarse a mediados de la decada de 1990, esto sento las bases para el desarrollo de la Global
Hawk, alcanzando altitudes de hasta 65,000 pies durante un maximo de 35 horas a veloci-
dades cercanas a 340 nudos, disenado para satisfacer tanto necesidades domesticas como de
seguridad nacional [3].
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UPSIN Enero/2014CAPITULO 1. INTRODUCCION AL DISENO DE VEHICULOS AEREOS NO
TRIPULADOS
Este tipo de vehculos puede verse tanto en el ambito militar como en el civil, con apli-
caciones desarrolladas para tareas de busqueda y rescate, vigilancia comercial, espionaje,
filmacion cinematografa, inspeccion en situaciones donde se realicen vuelos en condiciones
hostiles, as como la realizacion de maniobras acrobaticas, entre otras.
Los vehculos aereos no tripulados que impulsan su desplazamiento no son una idea nueva,
sin embargo gracias al gran avance que ha tenido la tecnologa, junto con la disponibilidad
de materiales al igual que su bajo costo, ha propiciado que el desarrollo de los mismos se
vea incrementado, especficamente hablando de cuadrirrotores. Un ejemplo de ello es que hoy
en da contamos con microprocesadores mas veloces, motores mas economicos al igual que
herramientas matematicas mas poderosas, esto combinado a la gran facilidad de acceso a
la informacion, da la oportunidad para que su desarrollo sea mas factible. Sobre todo para
su uso en futuras aplicaciones civiles. Este tipo de vehculo se esta empleando en tareas de
busqueda y rescate, vigilancia comercial, exploracion de edificios, entre otras, pues permiten
el despegue y aterrizaje de manera vertical ademas, gracias a sus cuatro motores propicia una
dinamica de vuelo mejor la cual puede ser usada tanto en interiores como para exteriores.
Los UAVs son muy utiles, principalmente, cuando nos encontramos en entornos de difcil
acceso con un cierto peligro. Los avances tecnologicos han hecho posible el desarrollo de
dichos vehculos aereos, gracias a los sensores de escala reducida [4].
1.1.2. Estado del arte
Existen muchas propuestas de diseno de cuadrirrotores, con una arquitectura similar y con
diferentes aditamentos, algunos con plataformas para transportar objetos y con la capacidad
de soportar altas cargas. En el mercado se pueden encontrar pocos modelos comerciales de
cuadrirrotores, como pueden ser el DJI Phantom, Parrot AR.Drone, Walkera (Figura 1.1),
estos ejemplos son usados en aplicaciones como, video y captacion de imagenes, busqueda y
rescate, asistencia y ayuda a la construccion, exploracion geologica, control de cultivo, etc.
[1].Comunmente este tipo de modelos presentan un problema a la hora de disenarlos, ya que
es un proceso complicado que requiere mucho tiempo, y debido a que los tiempos de vuelo
Ing. Mecatronica 2 Diseno de Cuadrirrotor
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UPSIN Enero/2014 1.1. MARCO TEORICO
son cortos, las personas prefieren no invertir en dispositivos como estos ya que resulta a veces
poco factible utilizarlo en actividades de exploracion que requieren tiempo.
Figura 1.1: a) DJI Phantom b)Modelo Walkera c)Modelo Parrot Ar. Drone
Hoy en da se busca comercializar los cuadrirrotores para que el precio se muestre acce-
sible y para eso tratan de incorporar los componentes que resulten menos costosos pero que
sigan manteniendo la misma calidad de funcionamiento. Tomando en cuenta el crecimiento
en el desarrollo de este tipo de dispositivos se puede considerar que la comercializacion de
los cuadrirrotores puede extenderse aun mas, logrando que las personas visualicen que un
dispositivo movil aereo no tripulado puede ser algo facil de obtener y con mucha funcionalidad.
Es necesario tomar en cuenta la rentabilidad de adquirir un dispositivo movil aereo respec-
to a la aplicacion que se requiere, ya que si es algo que necesite un tiempo de larga duracion
con trayectorias largas o para ciertas condiciones de vuelo, puede ser que la utilizacion de un
cuadrirrotor no sea la mejor opcion, sin embargo, no es imposible y todo lo realizado hasta
la actualidad son puntos de partida que sin duda podran convertirse en algo completamente
rentable.
(Garcia y cols., 2012) (Luco C. M. E., 2012) (Piedrafita, 2009) (Jr., 2012)
Ing. Mecatronica 3 Diseno de Cuadrirrotor
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UPSIN Enero/2014CAPITULO 1. INTRODUCCION AL DISENO DE VEHICULOS AEREOS NO
TRIPULADOS
1.2. Planteamiento del problema
Es necesario saber de entre todas las herramientas de diseno disponibles cual es la mas
indicada, incluso podemos considerar utilizar algunas no tan sofisticadas que muestren un
manejo mas amigable para los estudiantes que deseen desarrollando el cuadrirrotor. Sera
necesario dividir las diferentes actividades para los modelos que se necesitan, un modelado
para el control, la etapa de potencia, el diseno de la estructura y la seleccion de los materiales.
1.2.1. Objetivos para el diseno de un dispositivo UAV
Objetivo general
Disenar, analizar y construir un cuadrirrotor con la capacidad de elevarse a cierta altura,
el cual cuenta con un dispositivo de adquisicion de imagenes, este dispositivo podra ser
manipulado mediante un control de radio frecuencia.
Objetivos especficos
El dispositivo sera capaz de alcanzar una altura de 3 metros con cierta estabilidad.
El cuadrirrotor podra ser manipulado mediante un control de radio frecuencia el cual
cuenta con un radio de 20 metros de alcance.
El cuadrirrotor cuenta con un dispositivo de adquisicion de imagenes el cual durante la
trayectoria grabara imagenes, esto con el objetivo de aplicaciones diversas o tambien
segun las necesidades del usuario.
El modelo matematico implementado en el control lograra la estabilidad aerea del
dispositivo.
Para la programacion del cuadrirrotor se utilizara un microcontrolador Arduino.
Ing. Mecatronica 4 Diseno de Cuadrirrotor
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UPSIN Enero/20141.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.2.2. Justificacion
La creacion de un cuadrirrotor nos permite determinar que es posible realizar un dis-
positivo movil aereo capaz de mantener una estabilidad y lograr su elevacion a una altura
pertinente para realizar actividades de exploracion aereas que se requieran, sin la necesidad
de ser tripulado y al mismo tiempo lograr la captacion de imagenes para motivos de investi-
gacion.
Esto podra ser posible debido a la aplicacion de las diferentes ramas que mecatronica
ofrece, utilizando las herramientas correctas y buscando soporte en investigaciones acerca de
los temas que implican el diseno, analisis y construccion del dispositivo.
Mediante la investigacion y la creacion de este dispositivo se pretende apoyar las teoras
existentes, ya que un cuadrirrotor es un movil aereo que se ha realizado anteriormente, sin
embargo, el enfoque de este se presenta con el objetivo de poder diversificar aun mas los usos
que este diseno proporciona ya que el desarrollo presente en este proyecto se puede interpre-
tar como el comienzo de la aplicacion del funcionamiento de un cuadrirrotor para algo en
especifico.
Las herramientas que la creacion de un cuadrirrotor implica son consideradas para un pro-
totipo que presente un correcto funcionamiento y un alcance suficiente de las expectativas
anteriormente mencionadas, estas herramientas incluyen el material y el apoyo de investiga-
cion, que de manera conjunta con la disponibilidad, es decir, durante el periodo en que se
pretende realizar, se encuentran dentro de un lmite aceptable de factibilidad para realizarse.
El diseno, analisis y construccion de un dispositivo movil aereo se desarrolla dentro de
las ramas de mecatronica, que como consecuencia, trae consigo una vision diferente para
el investigador y desarrollador de como se aplican estas areas. As mismo, el desarrollo de
un cuadrirrotor lograra mostrar una idea diferente de como utilizarlo y en este caso, con la
ayuda de la grabacion de imagenes, aplicarlo en actividades de exploracion, lo cual ofrece un
Ing. Mecatronica 5 Diseno de Cuadrirrotor
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UPSIN Enero/2014CAPITULO 1. INTRODUCCION AL DISENO DE VEHICULOS AEREOS NO
TRIPULADOS
punto de partida para las diferentes organizaciones de investigacion que puedan realizar sus
exploraciones sin la necesidad de tripulacion en algun tipo de vehculo o movil.
1.3. Hipotesis
En este apartado es para exponer las hipotesis acerca del quadricoptero, para empezar
se realizara el modelado y desarrollo de estrategias de control para poder dar solucion a los
problemas de estabilidad y seguimiento de este vehculo automata.
El modelo dinamico se obtendra de formulaciones matematicas distintas: rotaciones de Euler
entre otras. El control de movimiento se realizara mediante radio-frecuencia (RF) el cual
garantizara la comunicacion inalambrica entre operador-dispositivo. La interfaz estara bajo
la programacion en CCS Compiler. Se han realizado pruebas con anterioridad en proyectos
pasados con esta plataforma, quedando demostrado que es mas factible utilizar este programa.
Al construir este dispositivo bajo un diseno aerodinamico y usando los medios especificados
anteriormente, se espera que se logre el objetivo de elevar el quadricoptero en el aire y poder
maniobrarlo.
Ing. Mecatronica 6 Diseno de Cuadrirrotor
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UPSIN Enero/2014 Referencias
Referencias
Garcia, E., Jimenez, M., De Santos, P., y Armada, M. (2012, march). Diseno e implementacion
de un sistema de control para un cuadricoptero. Tesis de Maestra no publicada, Centro
de Investigaciones y de estudios avanzados del Instituto Politecnico Nacional, Distrito
Federal, Mexico, 14 (1), 90 -103.
Jr., C. E. H. (2012, april). High-altitude endurance unmanned air vehicle program. Defense
Advanced Research Projects Agency , 9 (1), 90 -103.
Luco C. M. E., M. de. (2012, march). Modelado, diseno, construccion y control borroso de
un helicoptero quadrotor. Tesis de licenciatura no publicada, Escuela tecnica superior
de ingenieros industriales y de telecomunicacion, Pamplona, Espana., 14 (1), 90 -103.
Piedrafita, C. (2009, april). Control de un quadrotor mediante la plataforma arduino. Tesis
de licenciatura no publicada, Universitat Politecnica de Catalunya, Espana., 9 (1), 90
-103.
Ing. Mecatronica 7 Diseno de Cuadrirrotor
Introduccin al diseo de vehculos areos no tripuladosMarco tericoAntecedentesEstado del arte
Planteamiento del problemaObjetivos para el diseo de un dispositivo UAVJustificacin
HiptesisReferencias
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