construccion de un cuadricoptero
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Diseño, Desarrollo y Construcción de un cuadricóptero: Prototipo HeliosEn el siguiente documento se desarrolla el diseño de un vehículo aéreo no tripulado (UAV) controlado por comunicación Bluetooth a través de un micro controlador Arduino. El prototipo sobre el cuál se basa este documento se trata de un cuadricóptero basado en comunicación Bluetooth de corto alcance, equipado con motores brushless controlados por variadores de velocidad a 20 A capaces de soportar una carga máxima de 2500 gr en condiciones aéreas estables.En el desarrollo de este diseño, se recopila información acerca de la historia y evolución de los sistemas aéreos abarcando modelos tripulados, no tripulados, drones, multicópteros, etc. Mostrando las características entre cada uno de ellos y justificando las elecciones de materiales y diseño conceptual.Dicho diseño pretende abarcar de manera detallada la descripción de los componentes de multicópteros, principio de funcionamiento, así como la implementación de herramientas de calidad para controlar los procesos de construcción y pruebasTRANSCRIPT
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Diseo, Desarrollo y Construccin de un
cuadricptero: Prototipo Helios
Ocampo Ochoa Viridiana, Aceves Arteaga Alan, Gereca Garca Ari
Escuela de Ingeniera, Universidad La Salle Cuernavaca
Cuernavaca, Morelos. Mxico.
I. Presentacin
En el siguiente documento se desarrolla el diseo de un
vehculo areo no tripulado (UAV) controlado por comunicacin
Bluetooth a travs de un micro controlador Arduino. El prototipo
sobre el cul se basa este documento se trata de un cuadricptero
basado en comunicacin Bluetooth de corto alcance, equipado
con motores brushless controlados por variadores de velocidad a
20 A capaces de soportar una carga mxima de 2500 gr en
condiciones areas estables.
En el desarrollo de este diseo, se recopila informacin
acerca de la historia y evolucin de los sistemas areos abarcando
modelos tripulados, no tripulados, drones, multicpteros, etc.
Mostrando las caractersticas entre cada uno de ellos y
justificando las elecciones de materiales y diseo conceptual.
Dicho diseo pretende abarcar de manera detallada la
descripcin de los componentes de multicpteros, principio de
funcionamiento, as como la implementacin de herramientas de
calidad para controlar los procesos de construccin y pruebas.
Abstract - The following document describes the design of
unmanned aerial vehicle (UAV) controlled by Bluetooth
communication and a microcontroller Arduino.
In developing of this design, the information is
collected about the history and evolution of aerial systems
encompassing manned models, unmanned drones,
multicopters, etc. showing the features between each of them
and justifying the election materials and conceptual design.
II. Introduccin
En el siguiente documento presentamos con lujo de detalle el
trabajo realizado comprendiendo desde la bsqueda de
informacin, diseo conceptual, proceso de construccin hasta
parmetros de calidad.
El captulo 1 comprende los fundamentos tericos, tales
como antecedentes, descripcin de los componentes empleados,
justificacin, objetivos y planteamiento del problema.
En el captulo 2 se encuentra la metodologa de diseo
donde se pueden apreciar los requisitos de construccin, ya sean
deseables o normativas, las diferentes ponderaciones realizadas
para la construccin del prototipo, el diseo conceptual necesario
para visualizar el prototipo terminado adems del diseo de
detalle, donde se establecen las caractersticas finales del diseo y
una serie de planos para su manufactura.
El captulo 3 abarca los dibujos en 3D, el proceso de
construccin, adems de la lista de materiales y costos empleados.
El captulo 4 comprende el proceso realizado de control
de calidad aplicando herramientas como diagrama de flujo, hojas
de verificacin, diagramas de Pareto, grficas de control y
propuestas de solucin.
Finalmente en el captulo 5 se presentan las
conclusiones del proyecto en general, agradecimientos y anexos
para una mejor apreciacin de los planos y diagramas.
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Captulo 1
Fundamentos
III. Antecedentes
A. Definicin.
Un vehculo areo no tripulado (UAV: Unmanned
Aerial Vehicle), es una aeronave que vuela sin tripulacin humana
a bordo, que pueden ser controladas desde una estacin base o
tener un funcionamiento autnomo mediante un algoritmo
prestablecido. Se aplica este trmino a todo tipo de aeronaves,
desde un avin manejado por radio, helicpteros, cuadricpteros
radiocontrolados hasta un misil.
Un cuadricptero o quadrotor es una aeronave con la
capacidad de elevarse y desplazarse con la propulsin de 4
motores instalados al final de un marco en forma de cruz.
El control del cuadricptero se realiza por medio de la
variacin de la potencia de los motores, lo que provoca
variaciones en sus momentos, dando lugar al movimiento que se
desea obtener. [1]
B. Historia.
El ideal de alcanzar el cielo es tan antiguo como el
hombre mismo, y que sera del humano sin sueos? Inspirados
por la capacidad de las aves para conquistar el cielo, las grandes
mentes han diseado desde hace muchos aos distintos tipos de
mecanismo que conquisten terrenos inalcanzables para el hombre,
Da Vinci fue el precursor de distintos tipos de aeronaves
tripuladas. Es hasta el inicio de la Segunda Guerra Mundial donde
con fines militares se utiliz por vez primera distintos tipos de
aeronaves y posteriormente en la Guerra Fra se empez a
construir todo tipo de mquinas areas como aviones,
helicpteros y a la par dispositivos voladores a pequea escala,
que tendran como objetivo el entretenimiento de sus pilotos y a
los operarios de caones antiareos.
En un desarrollo paralelo, la tecnologa tambin tuvo un
desarrollo impresionante en muchos mbitos, y era inevitable
que la aeronutica y la robtica no se encontrarn, precursor de
esto fue el inventor francs Alphonse Penaud que fabric el
primer modelo de un vehculo areo no tripulado (UAV por sus
iniciales en ingls Unmanned Aerial Vehicle) que se lanzaba con
la mano e iba propulsado por bandas de goma retorcidas
previamente, consiguiendo en el ao 1871 que volase unos 35
metros. Este modelo consista en un aeroplano con cola fija
estabilizadora que armonizaba al mismo tiempo la estabilidad
longitudinal. Posea un motor de goma (banda de caucho) que era
puesto en movimiento accionando su hlice de madera liviana.
En el siglo 20 el cientfico francs Charles Richet en
conjunto con Louis Brguet construyeron un pequeo helicptero
pilotado que era una aeronave de alas giratorias, donde la
velocidad aerodinmica proviene principalmente del giro de las
palas del rotor. Este modelo que constaba con 4 alas giratorias se
levant del suelo en 1907, pero careca de una suficiente
estabilidad y capacidad de mando para efectuar un vuelo
controlado. La aeronave fue denominada El Giroplano de
Brguet Richet, que bsicamente es un cuadricptero con
propulsores de 8.1 metros de dimetro, un peso de 578 Kg
y con un motor de combustin interna de 50Hp que manejaba los
rotores a travs de una transmisin de correa y polea.
Posteriormente en 1922 en Francia se crea un prototipo,
llamado Convertawings Modelo A, fue diseado para uso
civil y militar. El diseo tena dos motores que controlaban cuatro
rotores.
Con el avance de nueva tecnologa se ha incrementado
el inters en el diseo de cuadricpteros, la empresa Bell dise
un Quad-Tiltrotor, capaz de llevar una gran carga til, alcanzando
altas velocidades, emplea un pequeo espacio tanto para el
despegue como para el aterrizaje y puede modificar la direccin
de sus cuatro rotores, hacia delante para tener un vuelo vertical
como un avin convencional.[2]
Finalmente los modelos de los vehculos fueron
evolucionando a pasos agigantados agregando accesorios cada
vez ms sofisticados que el mercado brinda gracias a los avances
en telecomunicaciones, especialmente en cuanto a la recepcin,
manejo y transmisin de datos, lo que permiti dar el siguiente
paso en conseguir comunicaciones mucho ms seguras y
difciles de interferir.
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C. Ventajas y Desventajas
Ventajas de los UAV radiocontrolados:
Posibilidad de uso en reas de alto riesgo o de difcil
acceso.
No requiere la actuacin de pilotos.
rea de aterrizaje paralelo al plano terrestre, ideal para
aterrizajes en interiores o con poco espacio.
Desventajas:
Influencia en su funcionamiento por los fenmenos
fsicos, como la actividad solar, mal clima, tormentas de
rayos, etc.
Capacidad de vuelo limitada por el tipo de combustible,
fuente de energa, tamao, alcance y su sistema de
navegacin.
La posibilidad de que la inteligencia artificial del UAV
pudiera determinar por s misma los objetivos a atacar.
Algunas personas pueden ser grabadas y fotografiadas
de forma ilegal, tanto en espacios privados como
pblicos, siendo una seria amenaza para la privacidad
personal.
El alto coste de su adquisicin y mantenimiento.
D. Clasificacin de los UAV
Existen varias maneras de clasificar a los vehculos areos no
tripulados. A continuacin se presentan los principales aspectos
que consideran para su clasificacin [3]:
1) Por el tipo de misin: Bsicamente se agrupan en los
siguientes 6 tipos: De simulacin de blancos (para
confundir al enemigo), reconocimiento de terreno,
combate, de logstica (para transportar carga),
investigacin y desarrollo.
2) Por su alcance: Se pueden encontrar los Handheld
que no sobrepasan los 600 metros de altura ni los 2 kilmetros
de distancia o los Orbitales que vuelan en rbitas bajas
terrestres a altas velocidades (este tipo de vehculo se
encuentra en etapa de estudio).
Christian Nadales Real de la Universidad Tcnica de Catalua
realiza una tabla comparativa de estas aeronaves.
TABLA 1
TABLA COMPARATIVA DE AERONAVES
Observando el amplia gama de vehculos areos no tripulados que
existen, debido a su gran versatilidad, estos pueden ser utilizados
en distintas situaciones, desde la milicia hasta como supervisor de
una ruta especfica, o vigilancia, gracias a su gran capacidad de
adaptabilidad que tienen variando sus caractersticas y
especificaciones podemos lograr casi cualquier objetivo que se
desee.
E. Componentes de un cuadricptero.
Esta seccin est dedicada a mencionar cada uno de los
componentes generales que integran un cuadricptero comercial,
la eleccin sobre stos materiales se realizar en el siguiente
captulo y ser basada con las caractersticas aqu mencionadas.
1) Motores. En electrnica se utilizan dos tipos de
motores, los motores brushed, que consisten de un par de
magnetos estacionarios y permanentes, posicionados en la
parte interna de la capa exterior, y un magneto que servir
como Polo Norte y otro como el Sur. Adems una parte
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rotatoria consiste de un ncleo de hierro suave (material que
no mantendr el magnetismo) que se ve como muchas placas
conectadas en forma de circulo. Estas placas son usadas para
embobinar los campos que forman los polos magnticos
cambiantes. Todos los finales de los alambres se conectan a
un conmutador que hace contacto con dos escobillas (brushes)
que permiten que la corriente fluya al motor desde la batera.
A medida que el armazn rota, las escobillas pasan la
corriente a las bobinas en varias direcciones, resultando en un
campo magntico variable que repele y atrae dos magnetos
permanentes, causando que el armazn gire.
Este tipo de motores tienen la desventaja de que al
existir tanta friccin mecnica entre sus componentes, se
eleva su temperatura rpidamente y existen muchas prdidas
energticas por lo cual su relacin de fuerza electromotriz es
relativamente baja comparada con los motores brushless.
Los motores brushless como su propio nombre indica,
quiere decir "sin escobillas" estn compuestos por una parte
mvil que es el rotor, que es donde se encuentran los imanes
permanentes, y una parte fija, denominada estator o carcasa,
sobre la cual van dispuestos los bobinados de hilo conductor.
En este tipo de motor la corriente elctrica pasa directamente
por los bobinados del estator o carcasa, por lo tanto aqu no
son necesarios ni las escobillas ni el colector que se utilizan
en los brushed. Esta corriente elctrica genera un campo
electromagntico que interacciona con el campo magntico
creado por los imanes permanentes del rotor, haciendo que
aparezca una fuerza que hace girar al rotor y por lo tanto al
eje del motor.
Fig. 1 Parte interna de un motor brushless.
Fig. 2 Componentes internos y externos de un motor brushless outrunner.
1- Armadura de aluminio.
2- Base de aluminio agujerada.
3- Soportes en forma de cruz para fijar motor a una base
plana.
4- Imanes fijos al anillo de flujo.
5- Anillo de flujo con acabado en negro (opcional).
6- Anillo de bloqueo, mantiene un espacio entre imanes y
anillo de flujo.
7- Placas de estator cubiertas con resina.
8- Alambre de cobre que forman embobinados.
9- Rodamientos de bolas utilizados para apoyar el eje del
motor.
10- Adhesivos que protegen los embobinados del estator y
evitan corto circuito.
No tenemos ni escobillas, ni colector y tampoco
tenemos delgas; por lo que ahora el elemento que controlar
que el rotor gire sea cual sea su posicin ser el variador
electrnico; que lo que hace bsicamente es ver en qu
posicin se encuentra el rotor en cada momento, para hacer
que la corriente que le llegue sea la adecuada para provocar el
movimiento de rotacin que le corresponde. El variador es
capaz de hacer esto, gracias a unos sensores en el motor, o
tambin mediante la respuesta obtenida o mejor dicho,
observacin de cmo se comporta la corriente del motor. Por
este motivo, los variadores empleados en este tipo de motores
son algo ms complicados que los utilizados en brushed, ya
que deben analizar la respuesta y los datos de funcionamiento
del motor segn estn teniendo lugar, es decir, en tiempo real.
[4]
-
Dentro de las especificaciones de este tipo de motores,
encontramos una constante conocida como factor Kv,
normalmente aparece junto al nmero de vueltas de bobinado
del motor, y lo que nos indica es el nmero de revoluciones
por minuto a las que es capaz de girar el motor por cada voltio
de electricidad que se le aplica.
Se utiliza motores brushless para aeromodelismo con
control electrnico. A diferencia de un motor DC
convencional, en un motor brushless la armadura no tiene
movimiento y el imn permanente es el que gira sobre su eje.
Estos motores son conocidos como outrunners.
2) Bateras. Siendo conscientes de la infranqueable
necesidad de alimentar elctricamente el circuito operacional
del cuadricptero necesitamos de alguna reaccin qumica
que su resultado sea un diferencial de potencial; existen
muchos tipos de reacciones que ofrecen un diferencial de
potencial pero por su eficiencia y capacidad para suministrar
la suficiente corriente elctrica que requerimos en el proyecto
nos enfocaremos en las bateras polmero de Litio.
Una batera Lipo tiene una densidad energtica de 100-
130 Wh/kg, que se refiere a la propiedad que nos permite
saber cunta energa es posible almacenar por kg de batera.
Normalmente se mide en Wh/kg= A*h*V/kg. Adems tienen
una elevada tasa de descarga que requieren los brushless. Y
una tensin de Valores discretos (n*3.7 V), siendo n un
numero entero positivo de celdas conectadas en serie de
batera. [4]
Fig. 3 Batera Lipo recargable
3) Hlices. La hlice es un dispositivo mecnico formado
por un conjunto de elementos denominados palas o labes,
montados de forma concntrica y solidarias de un eje que,
al girar, las palas trazan un movimiento rotativo en un
plano. Las palas no son placas planas, sino que tienen una
forma curva, sobresaliendo del plano en el que giran, y
obteniendo as en cada lado una diferencia de distancias
entre el principio y el fin de la pala. Provocando una
diferencia de velocidades entre el fluido de una cara y de la
otra. Segn el principio de Bernoulli esta diferencia de
velocidades conlleva una diferencia de presiones, y por lo
tanto aparece una fuerza perpendicular al plano de rotacin
de las palas hacia la zona de menos presin.
Fig. 4 Par de hlices (izquierda y derecha)
4) Variadores de velocidad ESC. Los variadores son los
elementos que se encargan de manejar los motores elctricos
y se les denomina por las siglas ESC (Electronic Speed
Controller).
Los motores Brushless que cuentan con un bobinado
especial semejante al de los motores industriales trifsicos y
aplicando mucha ms frecuencia no se pueden conectar
directamente a la batera sino que requieren de un circuito
electrnico que los maneje, por esta razn se utilizan los
variadores de velocidad ESC. Pueden llegar a ser muy
sofisticados y manejar capacidades de corriente muy elevadas
(llegan a alcanzase los 200A en modelos extremos)
obteniendo unas potencias que compiten con los modelos de
gasolina.
Estos circuitos hacen una gestin avanzada del motor y
requieren ser "programados" antes de usarlos.
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Fig. 5 Variador o controlador de velocidad ESC
5) Sistema de control. Para el sistema de control de un
cuadricptero se pueden utilizar diferentes dispositivos de
control que facilitan la comunicacin con el cuadricptero. A
continuacin, se mencionan algunos de los componentes ms
comunes para formar la torre de control:
Arduino: es una plataforma de hardware libre, basada
en una placa con un micro controlador y un entorno de
desarrollo, diseada para facilitar el uso de la electrnica en
proyectos multidisciplinares.
Mdulo Bluetooth: Para cumplir con las
especificaciones que este trabajo requiere, es necesario
entablar una comunicacin entre el microcontrolador
Arduino y una base de control (lap top). Una forma muy
sencilla de realizar esta comunicacin es de forma serial con
el mdulo Bluetooth (en este caso el modelo JYMC)
Giroscopio: es un dispositivo basado en la aceleracin
de Coriollis. En l, un material piezoelctrico se hace
oscilar a la frecuencia de resonancia, de modo que al girar,
la fuerza de Coriollis provoca la aparicin de una diferencia
de potencial debida a la desviacin del prisma, permitiendo
la medida de la velocidad de rotacin.Su funcin es
mantener la direccin de la cola ante viento u otros medios
ajenos a la emisora como por ejemplo el par motor al
acelerar. Para este trabajo, se utiliza el wii motion plus para
sta funcin. [*]
Fig. 6 Giroscpio wii motion plus
IV. Planteamiento de Problema
Considerando que la evolucin de los vehculos areos no
tripulados ha sido pieza fundamental para el entrenamiento de
pilotos con diferentes propsitos, es necesario detenerse a pensar
qu tan involucrado est el ingenio mexicano en la evolucin de
estos diseos? A decir verdad, la ingeniera mexicana ha estado
interesada en observar y recrear vehculos existentes en el
mercado sin involucrarse en su totalidad con el anlisis de su
funcionamiento y mucho menos en la aportacin de mejoras
sustanciales a estos diseos.
Ser posible realizar un diseo ingenieril nacional de un
vehculo areo no tripulado tipo cuadricptero, capaz de reunir las
caractersticas principales de su funcionamiento y un anlisis
completo de un sistema de control dirigido por bluetooth?
Podr crearse un diseo que abarque desde las ideas innovadoras
de unos estudiantes hasta los cumplimientos de las normas de
diseo y calidad que este tipo de trabajo requiere, que sea capaz
de competir con diseos propuestos por pases vecinos?
Este diseo podr aportar conocimientos claros e ideas nuevas
sobre los diseos que ya existen?
V. Propsito del diseo
Disear un vehculo areo no tripulado tipo cuadricptero
aplicando los conocimientos de mecnica, electrnica y dibujo,
capaz de ser dirigido por comunicacin bluetooth a un alcance
mximo de 10 m. Con este diseo se pretende hacer una
recopilacin de informacin y anlisis de esfuerzos que sirva de
apoyo para futuras investigaciones, adems de demostrar que la
ingeniera mexicana est a nivel de competir con diseos
extranjeros que cuentan con mejores recursos.
VI. Objetivos
Objetivo general.
Realizar el prototipo y diseo ingenieril de un vehculo areo no
tripulado tipo cuadricoptero hecho con materiales nacionales
dirigido por comunicacin Bluetooth con interfaz en LabView,
con un alcance mximo de 10 m de distancia. Este diseo va
dirigido a personas con inters en el mbito del aeromodelismo
con la intencin de esclarecer dudas de funcionamiento.
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Objetivos particulares.
Realizar un diseo completo sobre un cuadricptero
micro, proporcionando informacin sobre su principio de
funcionamiento.
Redactar un informe sobre el proceso de construccin
del prototipo fabricado, haciendo modificaciones a los modelos
comerciales.
Concretar las caractersticas particulares del diseo y
adaptarlas a los requerimientos planteados.
Realizar una comunicacin inalmbrica por Bluetooth
con el cuadricptero, considerando las limitaciones y alcances
que nos ofrece.
VII. Justificacin
La industria del aeromodelismo ha sido desde hace muchos aos,
tema de investigacin para la ingeniera por su amplias
aplicaciones y nuevos modelos, siempre implementando las ms
recientes tecnologas. Existen muchos aficionados que al comprar
los componentes o armando un kit, creen estar haciendo algo
interesante, sin detenerse a pensar todos los clculos,
procedimientos y caractersticas que engloban estas aeronaves.
Por esta razn, se ha elegido realizar el diseo de un
cuadricptero, abarcando informacin desde sus inicios, la
descripcin de la comunicacin con el control de mando, hasta la
eleccin de materiales posteriormente justificados.
Es importante resaltar, que a pesar de que este prototipo muestra
un aspecto poco intimidador, la idea principal es poder realizar un
diseo completo, nacional y con nuevas aportaciones contando
con el funcionamiento base de un cuadricptero.
Captulo 2
Mtodo de diseo.
I. Diseo de Especificaciones del Producto
En las siguientes tablas, se realizar una seleccin de
materiales y variables para definir las caractersticas del diseo.
Las decisiones de las variables de solucin sern fundamentadas
por anlisis de esfuerzos, disponibilidad en el mercado, ajuste al
propsito del diseo, etc.
TABLA 2
VARIABLES DE ENTRADA
A. Criterios de eleccin de variables
Chasis
Estructura. La eleccin de la estructura se decidir
considerando la practicidad de su funcionamiento, a fin de elegir
la forma del chasis ms adecuada para lograr un prototipo fcil de
manejar.
Materiales. El material que se utilizar para la
construccin deber ser ligero, fuerte y fcil de maquinar.
Motores
Los motores empleados para el aeromodelismo deben
proporcionar una mayor potencia elctrica con la menor perdida
mecnica posible.
Variadores de velocidad ESC
Considerando el alto costo de los controladores en el
mercado y la complejidad del circuito para reproducirlo, se deber
elegir una opcin que ahorre tiempo y a su vez no sea de gran
costo.
Variables de entrada Lmites de entrada
Chasis Ligero
Motores Elctrico
Variadores de velocidad (ESC) Ninguno
Hlices Ninguno
Sistema de control Ninguno
Rango de carga Ninguno
Acabado Ninguno
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Hlices
Tamao. La dimensin de las hlices depender del
motor elegido y su capacidad de levantamiento mximo acorde al
prototipo que se desea construir. Adems, la eleccin est sujeta a
disponibilidad en el mercado.
Material. Las hlices que se utilicen debern poder
soportar altas velocidades y grandes vibraciones, por lo tanto
debern tener un material resistente a vibraciones y ligero. Sujeto
a disponibilidad en el mercado.
Sistema de comunicacin al control
Este diseo esta propuesto para realizar una mejora al
sistema de comunicacin con los que cuentan los cuadricpteros
comerciales (Radio Frecuencia).
Carga soportada
El peso mximo de carga ser regido por la potencia de
los motores utilizados, pero el peso real del prototipo ser
determinado por el peso de los componentes utilizados y deber
estar dentro del rango mximo permitido por los motores.
TABLA 3
CARGA TOTAL DEL CUADRICPTERO.
Arduino uno 45 gr
Wii motion plus 10 gr
Mdulo bluetooth 7 gr
Placas de acrlico 50 gr
Placa madera 20 gr
4 Motores brushless 242 gr
Entrenadores 66 gr
Hlices 10 gr
Estructura aluminio 420 gr
Batera LiPo 100 gr
Peso total 1020 gr
Dimensiones generales
De acuerdo a principios de Esttica sobre la estabilidad
de una estructura colocndole motores en las puntas, el rango de
medidas de los ejes es dependiente de los motores y su potencia.
El ancho del perfil est sujeto a disponibilidad en el mercado.
Dependiendo del largo de los ejes se establecern las dimensiones
de la base de acrlico, as como la distribucin de hoyos sobre el
eje. Los dimetros de los entrenadores sern determinados con el
tamao de las hlices.
B. Requisitos deseables
Las especificaciones deseables estn descritas por
ponderacin de accesorios, para lo cual se muestra la tabla y los
resultados obtenidos.
TABLA 4
PONDERACIN DE REQUISITOS DESEABLES
Con los resultados obtenidos de la ponderacin, se
concluye que la prioridad deseable en el diseo es hacer que la
fuente de alimentacin vaya sobre el cuadricptero sin necesidad
de cables, en segundo orden que el vuelo dure ms de 5 minutos,
que sea autnomo o que sea controlado por bluetooth; en tercer
lugar que cuente con una cmara web. Por ltimo que tenga
reconocimiento facial.
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TABLA 5
VARIABLES DE SALIDA
Variable de salida Lmite de salida
Chasis
Estructura y Materiales
Forma X
Forma t
Aluminio
Acrlico
Motores Motores CD
Motores Brushed
Motores Brushless
Variadores de velocidad ESC Variador comercial
Variador casero
Hlices
Tamao (medidas estndar)
Material
7- 10 in
Plstico
Madera
Sistema de comunicacin al control Mdulo Bluetooth
Radio Frecuencia
Carga soportada 400 gr 2500 gr
Dimensiones generales:
Largo eje de la estructura (motor a
motor)
Ancho del perfil U
Alto y ancho de base de acrlico
Separacin entre agujeros sobre el perfil
Dimetro de los entrenadores
380 mm 500 mm
51 mm
130 x 130 mm
32 mm
350 mm
II. Diseo Conceptual
En las siguientes figuras se podr visualizar de manera
general la estructura y componentes del prototipo de un
cuadricptero micro. Para una mejor apreciacin de los planos,
vase Anexo II.
Fig. 7 Vista frontal dibujo en 3D del prototipo a realizar
Fig. 8 Vista inferior del dibujo en 3D del prototipo
Fig. 9 Planos de componentes maquinables del prototipo
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III. Diseo De Detalle
Para realizar la eleccin de materiales, se realizan los
siguientes clculos.
A. Anlisis de esfuerzos
Mdulo Elstico
Ealuminio= Momento de inercia Ix
Por la ecuacin general de deflexin y(x)= M (x) E aluminio Ix
M(x) =
2
y(x)=
2 E aluminio Ix
y(x)=
2 E aluminio Ix
y(x)=E aluminio Ix
2 + C
y(x)
E aluminio Ix=
2
2 + C
x=
2 por condiciones de contorno
y(x=
2 ) =0
C=2
16
y(x)
E aluminio Ix =
()
=
2
4 + C dx
()
=
3
12 =
2
16 + C
y(x=0) C1 = E aluminio Ix (3
12
2
16x)
y(x=
2 ) = E aluminio I (
3
96
2
32)
= 3
48
2. Forma energa de deformacin de la ecuacin Clapeyron
Um = 2
2
0
Constantes
Um ( 2 E Ix ) = (
2
2
0)2
= 2 [22
12]
2
0
Um = 2 23
2 96
W= =
2
Eal = 6.3 7 x 10 N m
def = = 3
48
70000
2 (
9.8
1 ) (
12
0.00012) = 6.86 1010
2
= = 0.345 (9.81
2) = 3.38445
= 3.38445 (0.3813)
48 (6.86 1010
2)(31.301)
= 1.81 1011 Metros.
Por lo que la deformacin de la estructura en estado esttico es despreciable
Datos obtenidos por el software Sections para el S.O Android
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B. Variables de solucin
En la siguiente lista, se mostrarn las variables de solucin
planteadas para la construccin del cuadricptero.
TABLA 6
VARIABLES DE SOLUCIN
Variable de solucin
Chasis
Estructura y Materiales
Forma t de
Aluminio
Motores Motores Brushless
Variadores de velocidad ESC Variador comercial
Hlices
Tamao (medidas estndar) y
Material
8 in de Plstico
Sistema de comunicacin al control Mdulo Bluetooth
Carga soportada 400 gr 2500 gr
Dimensiones generales:
Largo eje de la estructura (motor a
motor)
Ancho del perfil U
Alto y ancho de base de acrlico
Separacin entre agujeros sobre el
perfil
Dimetro externo de los
entrenadores
380 mm 500 mm
51 mm
130 x 130 mm
32 mm
350 mm
C. Diseo de circuitos
La siguiente figura muestra la simulacin en Proteus del
circuito de control que conecta el Arduino con los motores. Para
una mejor apreciacin, consultar Anexo III.
Fig. 9 Circuito que controla los motores con variadores.
D. Diagrama de comunicacin
A continuacin se representa de forma grfica la
comunicacin entre el cuadricptero y la base de control. El inicio
de este sistema est en la seal emitida por Labview que consta de
una cadena de caracteres por puerto serial por medio del
Bluetooth hacia el Arduino, en seguida Arduino procesa la seal y
entra a un men para determinar qu tipo de control ser. Para
una mejor apreciacin del diagrama, consultar Anexo IV.
Fig. 10 Diagrama de comunicacin del sistema
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E. Descripcin del producto
Vehculo Areo no Tripulado tipo cuadricptero
categora micro, formado por dos medidas diferentes de perfiles
tipo U de aluminio, de 300 y 280 mm de longitud y 51 mm de
ancho, con una base de acrlico de 130 x 130 mm en el centro
para montaje de circuito de control y unin de perfiles. Cuenta
con un giroscopio para calibrar y controlar el movimiento del
cuadricptero y cuatro motores brushless de 1100KV de 12v
capaces de levantar un kilogramo cada uno. Cada motor cuenta
con una hlice de ocho pulgadas y variador de velocidad ESC
(Electronic Speed Controler). Todo el sistema est controlado por
un Arduino uno y un mdulo Bluetooth que funciona como
receptor de seal, la base de control est programada en la
plataforma Arduino con interfaz en LabView.
F. Planos
Captulo 3
Construccin.
I. Proceso de construccin
En esta seccin, se detallan los pasos a seguir para la
fabricacin del prototipo Helios.
1. Seleccin de materiales.
2. Realizar distintos prototipos con distintas caractersticas
y seleccionar el que ms se ajuste a las necesidades.
3. Seleccionar prototipo final.
4. Maquinar piezas maquinables.
5. Comprar piezas no maquinables.
6. Comprar motores, controladores, y hlices.
7. Calibrar motores Brushless.
8. Realizar un corte a 45 en los extremos de los perfiles.
9. Realizar cuatro barrenos elpticos con una longitud de
tres centmetros a un radio de un centmetro, ms cuatro
barrenos de 3 milmetros de dimetro por cara lateral
del perfil.
10. Sujetar los perfiles a la base con tornillera de 2.778
milmetros de dimetro.
11. Realizar unos protectores de hlices con espuma de
poliuretano y unicel a la medida del cuadricoptero.
12. Sujetar una placa con Arduino y el mdulo bluetooth
con velcro
13. Realizar una placa tipo shield para arduino que
facilite la conexin entre motores.
14. Realizar pruebas de vuelo en un ambiente controlado.
15. Ajustar la programacin correspondiente para un
ptimo funcionamiento.
-
II. Lista de materiales y costos
Material Cantidad Precio Total
Placa de 30x40cm de acrlico
1 $38 $38
Perfil en C de aluminio
2 metros $72 $72
Motor Brushlees 4 $300 $1200
Controlador de motor Brushless
4 $250 $1000
Hlice de 8in de dimetro
4 $50 $200
Sujetador de hlice 4 $25 $100
Tornillo de 2.778mm de dimetro
16 $3 $48
Tornillo de 1 mm de dimetro
16 $2 $32
Espuma de poliuretano
22 $60 $60
Unicel 4 $50 $200
Placa de cobre preperforada
1 $12 $12
Velcro 12 piezas $30 $360
Costo total del proyecto
$4322
Captulo 4
Proceso y control de calidad
Como en todo proceso, es fundamental considerar algunos
parmetros de calidad para lograr un producto competitivo y
eficiente. Por tal motivo, en este captulo se presenta la
implementacin de diferentes herramientas de calidad para
detectar, analizar y corregir los defectos ms graves presentados
durante el proceso de construccin.
I. Diagrama de flujo del proceso de produccin
-
II. Descripcin de las caractersticas de calidad
Caractersticas Unidades Instrumentos
Velocidad metro/segundo Tacmetro
Altura mxima alcanzada
Metro Metro
Distancia recorrida Metro Metro
Peso gramos bascula
Estabilidad Adimensionales
Conexin inalmbrica
Bluetooth
Tiempo de elevacin
segundos Reloj
III. Definicin de los problemas principales
Los principales problemas y defectos son:
Perfiles de diferentes tamaos. (En el diagrama de flujo
es el de naranja)
Perfiles con diferentes pesos. (En el diagrama de flujo
es el de naranja)
Los agujeros pueden ser asimtrica. (En el diagrama de
flujo es el verde)
Los motores pueden ir mal calibrada. (en el diagrama de
flujo es el amarillo)
IV. Hoja de verificacin
V. Diagrama de Pareto
Conclusin sobre calidad.
Gracias a estas herramientas, es posible observar con
mayor claridad los puntos crticos del proceso de construccin,
clasificando los problemas presentados de acuerdo a su frecuencia
de aparicin, y analizando su influencia en todo el proceso.
-
Captulo 4
Conclusiones y Agradecimientos
I. Conclusin
Sera fcil amontonar una burda amalgama de palabras que
les des una idea de todo lo que hemos aprendido en este par de
semanas, todo por lo que hemos pasado, sera fcil esbozar una
sonrisa al exponer este proyecto y convencerlos de que todo el
trabajo que hemos realizado ha sido completamente fcil; pero
todo eso sera una mentira, mentira al decir que esto fue tan fcil
como poner todas las piezas en su lugar, pues lamento decirles
que nosotros en ningn momento jugamos a lego, lamento
decirles que si pecamos de algo hemos pecado de ambicin y hoy
letra a letra tengo el increble placer de confesarles que la mayor
motivacin que pudimos encontrar en esta cruzada fue que nos
dijeran una y otra vez que no podamos realizarlo, gracias a esa
ferviente emocin que quemaba en nuestro pecho nos permitieron
lograr todo lo que en este documento presentamos; es imposible
darles a entender toda la odisea que afrontamos, nos perdimos,
peleamos, reconciliamos, nos encontramos, y todo porque este
proyecto creemos que vale la pena, y en este momento
permtanme un instante de vanidad y orgullo para decir con la
nica pisca de humildad que me queda en mi cuerpo para
expresarle que no podra estar ms orgulloso de mi equipo, de
todas las personas que nos han ayudado, de este proyecto.
II. Agradecimientos:
Me gustara pensar que este proyecto es el producto de muchas
manos juntas que demuestran que absolutamente nada es difcil si
trabajamos en equipo, ya que la verdadera fortaleza de un hombre
es la del compaero que tiene a su lado Agradecemos a:
Raphael Breaks y su equipo por su incondicional ayuda, un lugar
para trabajar y siempre una palabra de apoyo.
Hctor nuestro vendedor, maestro, gua, y sobretodo amigo;
gracias por todo lo que has hecho por nosotros no hay palabras
para expresar la gratitud que te debemos.
A todas las personas que apoyaron econmicamente a este
proyecto, amigos, hermanos, padres de familia, peso a peso
construyeron junto a nosotros este sueo.
A mi brillante equipo que sin ellos esta idea errtica hubiera
continuado en el cosmos sin convertirse de carne y hueso.
Y finalmente a todas las personas que nos dijeron que no
podamos lograrlo
Gracias.
Referencias bibliogrficas
[1] A. Arvalo, Vehculos areos no tripulados, descripcin y
capacidades para la obtencin de informacin, [Online].
Disponible:
http://www.escrint.cl/php/contenido/UA %20CORREGIDO.pdf
[2] R. MAYORGA, Sistema de Navegacin para Vehculos
Areos Cuadricpteros, Proyecto de titulacin en Ingeniera
Tcnica Aeronutica, Universidad Politcnica Superior de
Catalua. Espaa. 2009.
[3]http://www.quadruino.com/guia-2/materiales-necesarios-
1/baterias-lipo
[4]http://www.aeromodelismoelcan.com/component/content/articl
e/2-uncategorised/59-motores-electricos-brushed-brushless
[5]http://www.radiocontrol.com.es/helicopteros_rc/helicopteros_e
lectricos/giroscopio_aeromodelismo.html
-
ANEXOS
-
ANEXO I
Cdigo para maquinar base de acrlico en CNC
; ICN_PATH = c:\intercon\arimaq.icn
; --- Header ---
N0001 ; CNC code generated by Intercon v1.27
; Description:
; Programmer: r
; Date: 14-May-2014
M25 G49 ; Goto Z home, cancel tool length offset
G17 G40 ; Setup for XY plane, no cutter comp
G21 ; millimeter measurements
G80 ; Cancel canned cycles
G90 ; absolute positioning
G98 ; canned cycle initial point return
; --- Tool #1 ---
;Tool Diameter = 3.1750 Spindle Speed = 900
;1/8
G49 H0 M25
G0 X0.0 Y0.0
N0002 T1 M6
S900 M3
G4 P1.00 ; pause for dwell
G43 D1
; --- Drill ---
N0003 X-8.05 Y66.95 Z5.0 H1
G81 X-8.05 Y66.95 Z-5.0 R2.5 F60.0
G80
; --- Drill ---
N0004 X8.05
G81 X8.05 Y66.95 Z-5.0 R2.5 F60.0
G80
; --- Drill ---
N0005 X-66.95 Y8.05
G81 X-66.95 Y8.05 Z-5.0 R2.5 F60.0
G80
; --- Drill ---
N0006 Y-8.05
G81 X-66.95 Y-8.05 Z-5.0 R2.5 F60.0
G80
; --- Drill ---
N0007 X-13.05 Y8.05
-
G81 X-13.05 Y8.05 Z-5.0 R2.5 F60.0
G80
; --- Drill ---
N0008 Y-8.05
G81 X-13.05 Y-8.05 Z-5.0 R2.5 F60.0
G80
; --- Drill ---
N0009 X-8.05 Y-29.15
G81 X-8.05 Y-29.15 Z-5.0 R2.5 F60.0
G80
; --- Drill ---
N0010 X8.05
G81 X8.05 Y-29.15 Z-5.0 R2.5 F60.0
G80
; --- Drill ---
N0011 X-8.05 Y29.15
G81 X-8.05 Y29.15 Z-5.0 R2.5 F60.0
G80
; --- Drill ---
N0012 X8.05
G81 X8.05 Y29.15 Z-5.0 R2.5 F60.0
G80
; --- Drill ---
N0013 X13.05 Y8.05
G81 X13.05 Y8.05 Z-5.0 R2.5 F60.0
G80
; --- Drill ---
N0014 Y-8.05
G81 X13.05 Y-8.05 Z-5.0 R2.5 F60.0
G80
; --- Drill ---
N0015 X66.95
G81 X66.95 Y-8.05 Z-5.0 R2.5 F60.0
G80
; --- Drill ---
N0016 Y8.05
G81 X66.95 Y8.05 Z-5.0 R2.5 F60.0
G80
; --- Drill ---
N0017 X8.05 Y-66.95
G81 X8.05 Y-66.95 Z-5.0 R2.5 F60.0
G80
; --- Drill ---
-
N0018 X-8.05
G81 X-8.05 Y-66.95 Z-5.0 R2.5 F60.0
G80
; --- Rapid ---
N0019 X42.75 Y48.255
; --- Line ---
N0020 G1 X42.75 Y48.255 Z-5.0
; --- Line ---
N0021 X16.689 Y74.316
; --- Arc CCW ---
N0022 G3 X7.373 Y78.175 I-9.316 J-9.316
; --- Line ---
N0023 G1 X-7.373 Y78.175
; --- Arc CCW ---
N0024 G3 X-16.689 Y74.316 J-13.175
; --- Line ---
N0025 G1 X-42.75 Y48.255
; --- Rapid ---
N0026 G0 X-48.255 Y42.75 Z5.0
; --- Line ---
N0027 G1 X-48.255 Y42.75 Z-5.0
; --- Line ---
N0028 X-74.316 Y16.689
; --- Arc CCW ---
N0029 G3 X-78.175 Y7.373 I9.316 J-9.316
; --- Line ---
N0030 G1 X-78.175 Y-7.373
; --- Arc CCW ---
N0031 G3 X-74.316 Y-16.689 I13.175
; --- Line ---
N0032 G1 X-48.255 Y-42.75
; --- Rapid ---
N0033 G0 X-42.75 Y-48.255 Z5.0
; --- Line ---
N0034 G1 X-42.75 Y-48.255 Z-5.0
; --- Line ---
N0035 X-16.689 Y-74.316
; --- Arc CCW ---
N0036 G3 X-7.373 Y-78.175 I9.316 J9.316
; --- Line ---
N0037 G1 X7.373 Y-78.175
; --- Arc CCW ---
N0038 G3 X16.689 Y-74.316 J13.175
-
; --- Line ---
N0039 G1 X42.75 Y-48.255
; --- Rapid ---
N0040 G0 X48.255 Y-42.75 Z5.0
; --- Line ---
N0041 G1 X48.255 Y-42.75 Z-5.0
; --- Line ---
N0042 X74.316 Y-16.689
; --- Arc CCW ---
N0043 G3 X78.175 Y-7.373 I-9.316 J9.316
; --- Line ---
N0044 G1 X78.175 Y7.373
; --- Arc CCW ---
N0045 G3 X74.316 Y16.689 I-13.175
; --- Line ---
N0046 G1 X48.255 Y42.75
; --- End Prog ---
N0047 G49 H0 M25
G40 ; Cutter Comp Off
M5 ; Spindle Off
M9 ; Coolant Off
G80 ; Cancel canned cycles
M30 ; End of program
-
ANEXO II
Planos en 2D y 3D del prototipo Helios
-
ANEXO III
Circuito de control con Arduino uno
-
ANEXO IV
Diagrama de comunicacin del sistema
-
ANEXO V Cdigo programa en Arduino para control de motores
/* Anexo Programa Este programa esta basado en el programa de Miles Moody y Alberto Lpez Gass.
http://randomhacksofboredom.blogspot.
Diagrama de coneccion con el wii motion plus.
| 1 2 3 | | | | 6 5 4 | |_-----_|
1 - green - data 2 - nothing 3 - red - 3.3+v 4 - yellow - clock 5 - nothing 6 - white - ground El pin 3 va a 3.3v, 6 a tierra, el pin 1 a la entrada analogica A4, y el pin 4 a la entrada analgica A5.
Diagrama de conexion de pines. 8 | 10----+----11 | 9
Modificado y traducido por: Alan Aceves Arteaga 15 Mayo del 2014 Se aade una salida pwm para control de leds en 5 estados distintos, para simular y posteriormente acelerar los motores tipo brushless de un cuadricoptero. Envio de datos por BT por puerto serie. */
//Librerias a utlizar #include //Para conexion con WM+ #include //Para conexion con BT #include //Para control de motores Brushless.
#define arriba 7 //Variables globales de los 4 motores. Indica el pin de salida por el que se controla. #define abajo 8 #define izq 9 #define der 10 #define pwminimo 30 //El el Ciclo de trabajo minimo del PWM para encender los motores #define pwmaximo 150 //Ciclo de trabajo maximo del PWM. *Puede aumentar hasta 180, no es recomendable.
-
#define pasopwm 5 // Aumento del ciclo de trabajo del PWM.
Servo sube; Servo baja; Servo izquierda; Servo derecha; byte data[6]; //Envia 6 bytes int yaw, pitch, roll; //Tres ejes int yaw0, pitch0, roll0; //Calibracion en 0,0,0 int valor_a=0; int valor_b=0; int valor_c=0; int valor_d=0; //int ciclot; // Ciclo de trabajo del PWM y declaracion del pin de salida PWM a Led/ESC //roll: Izq-Derecha //pitch: Adelante-atras //yaw: Giro sobre su eje z int i,l, a;
void wmpOn(){ //Activando I2C Wire.beginTransmission(0x53); //WM+ starts out deactivated at address 0x53 Wire.write(0xfe); //send 0x04 to address 0xFE to activate WM+ Wire.write(0x04); Wire.endTransmission(); //WM+ jumps to address 0x52 and is now active }
void wmpSendZero(){ Wire.beginTransmission(0x52); //now at address 0x52 Wire.write(0x00); //send zero to signal we want info Wire.endTransmission(); }
void calibrateZeroes(){ for (int i=0;i2)2)2)
-
Serial.print(pitch0); Serial.print(" Roll0: "); Serial.println(roll0); */ }
void receiveData(){ wmpSendZero(); // Activa la funcion zero() antes de cada lectura Wire.requestFrom(0x52,6); //request the six bytes from the WM+ for (int i=0;i>2)2)2)
-
int suma=0; int resta=0; byte recibiendoByte ; boolean iniciado = false; byte l=0;
valor_a=valor_a; valor_b=valor_b; valor_c=valor_c; valor_d=valor_d;
sube.write(valor_a); baja.write(valor_b); izquierda.write(valor_c); derecha.write(valor_d);
if(c=='z') //Z es modo de prueba de motores, los cuatro motores encienden y tienen el mismo ciclo de trabajo del pwm. {Serial.print("Inicio de prueba de motores"); Serial.flush(); delay(1000); sube.write(0); baja.write(0); izquierda.write(0); derecha.write(0); do{ Serial.print("Entramos en ciclo"); delay(1000); c= mySerial.read(); Serial.flush(); if(c=='m') { //Modo Prueba /*Serial.print("ok"); delay(1000);*/ i=i+pasopwm; suma=pwminimo+i; suma=constrain(suma,pwminimo,pwmaximo); if(suma==pwmaximo) {i=i-pasopwm; suma=pwmaximo;} Serial.print(suma); sube.write(suma+5); baja.write(suma); izquierda.write(suma); derecha.write(suma); delay(1000); Serial.flush(); }
- if(c=='n') { i=i-pasopwm; if(i
- recibiendoByte = Serial.read(); // Leemos el Byte recibido if (recibiendoByte == 79 || recibiendoByte ==111) { // O/o Mayusculas o minusculas iniciado=true; }} Serial.flush(); if(Serial.available()) { memset(codigo, 0,sizeof(codigo)); //Borra todos los datos en la cadena. l=0; while(Serial.available()>0) //Mientras haya datos en el buffer ejecuta la funcin { delay(20); //Poner un pequeo delay para mejorar la recepcin de datos codigo[l]=Serial.read();//Lee un carcter del string "codigo" de la posicion "l" l=l+1; //delay(100); } } /* Ciclo for para poder revisar que ocurre con la cadena de caracteres for(l=0; l
-
ANEXO VI
Diagramas de arranque de un motor trifsico y grfica de voltaje trifsico.