Tesis profesional presentada por Jesús Adalid González Rodríguez

Licenciatura en Ingeniería Mecatrónica. Departamento de Computación, Electrónica y Mecatrónica. Escuela de Ingeniería, Universidad de las Américas Puebla.

Jurado Calificador

Presidente: M.C. Juan Antonio Navarro Martínez

Cholula, Puebla, México a 20 de mayo de 2009.

Resumen

En el presente trabajo de tesis se muestra el desarrollo de un sistema electrónico capaz de medir parámetros de interés en un vehículo aéreo con la finalidad de generar una acción de control simple que permita al vehículo mantenerse estable en una posición horizontal. El móvil a controlar es un sistema mecatrónico que tiene como objetivo final realizar monitoreo aéreo; este proyecto ha sido propuesto y desarrollado como un trabajo de tesis conjunto por lo que en este reporte solo se describe el sistema de control propuesto y se dan detalles de la construcción de 4 estructuras que se realizaron con la finalidad de realizar pruebas. La parte complementaria de esta tesis es realizada por el estudiante Luis Suarez Partearroyo el cual se dedicó a realizar la parte estructural del vehículo [1].

En este documento se describen las acciones realizadas sobre las 3 de las principales partes de este vehículo: los sensores, los actuadores y el sistema de procesamiento de información. La parte de los sensores comprende de un medidor ultrasónico que permite determinar distancia y de un acelerómetro, el primer dispositivo nos permite saber la distancia de este dispositivo con respecto al suelo y el segundo nos permite saber su inclinación. Los actuadores son básicamente 4 motores de corriente directa que hacen girar unas hélices para poder levantar al vehículo del suelo, finalmente el sistema de procesamiento de información es un microcontrolador que nos permite manejar los datos obtenidos de los componentes anteriores y generar una acción de control proporcional simple realizado en base a la experimentación.

Este dispositivo utilizara 4 motores en torno a una parte central donde se ubica todo el sistema de control, cada motor está ubicado sobre el mismo eje en los extremos de 4 brazos ubicados a 90° cada uno.

Para realizar la medición de la altura se eligió el sensor de distancia ultrasónico SRF05 porque tiene la opción de medir 4 metros de distancia con una gran precisión además de poder mandar y recibir pulsos ultrasónicos desde la misma terminal para facilitar la comunicación con el microcontrolador. Su funcionamiento básico es mandar pulsos ultrasónicos los cuales al chocar contra un objeto producen eco que es recibido por el sensor y de esta manera se mide la distancia al objeto [2].

Las mediciones de inclinación y cabeceo del vehículo se realizan gracias a un acelerómetro que es capaz de determinar el nivel de inclinación que este presenta en relación a las aceleraciones detectadas, el acelerómetro utilizado en esta tesis proviene de un control Nunchuk de las consolas Wii el cual tiene la capacidad de medir 3 ejes: ´X´, ´Y´ y ´Z´ [3]. El costo de este acelerómetro es mucho más barato comparado con los dispositivos discretos que se utilizan para montaje superficial, además tiene la ventaja de contener 2 botones y una pequeña palanca que pueden ser usados en aplicaciones posteriores.

La información generada por estos sensores debe procesarse y enviarse tanto para la acción de control de motores como para su visualización, por lo tanto es necesario utilizar un microcontrolador que nos permita esa opción.

El dispositivo elegido es el sistema denominado Arduino [4] en su versión "Arduino Diecimila" que básicamente es una tarjeta que contiene un microcontrolador Atmega168-20PU de la marca Atmel y cuyas posibilidades son muy amplias y apropiadas para este trabajo, como por ejemplo el envío y representación de datos de manera serial en tiempo real, el control de PWM y la posibilidad de alimentar a otros dispositivos con 3.3 V y 5 V.

El sistema de control fue realizado por medio de código Java programado en la interfaz con la que cuenta Arduino en su versión "Arduino 13" . En este programa se toman en cuenta las variables que nos da el acelerómetro y el sensor de altura para controlar los 4 motores, los cuales dependiendo de la inclinación detectada aumentaran su velocidad para mantener el vehículo en una posición estable.

Con la finalidad de probar el sistema desarrollado se construyeron 4 estructuras que sirven como prototipo para el sistema Mecatrónico de monitoreo Aéreo y que muestran la evolución de esta tesis. La primera estructura sólo fue de prueba y se hizo a base de madera con la finalidad de tener en cuenta las probables dimensiones que este utilizaría con referencia a dispositivos similares, la segunda estructura se realizo para comprobar el funcionamiento de los motores de DC utilizados en aviones de control remoto y determinar si estos servirían para este tipo de aplicación, la tercera estructura se hizo más ligera y se adapto para utilizar motores sin cepillado exclusivos para este tipo de aplicaciones.

Al momento de utilizar la 3ra estructura se contaba con nuevas piezas para probar el correcto funcionamiento del dispositivo, algunas de estas fueron unas hélices de paso invertido para controlar los torques producidos por los 4 motores y evitar que de esta manera el dispositivo al volar girara entorno a su propio eje, también se utilizaron ESC (Electronic Speed Controller); los cuales nos sirven para la alimentación de los motores y para poder subministrar el PWM a estos, se contó también con una nueva batería de Li-Po para alimentar a los motores y una batería de NiCd para alimentar al Arduino, la mayoría de estos dispositivos fueron elegidos al observar dispositivos similares de la marca DRAGANFLY [5]. La cuarta estructura fue realizada con el fin de optimizar espacio, aligerar el peso del vehículo, mejorar la conexión entre los componentes y el de contar con sistemas de protección para la estructura y los componentes.

De esta manera gracias al sistema de control, a las estructuras y a las pruebas realizas en esta se comprobó que este dispositivo tenía la capacidad de elevarse y de cumplir con el sistema de control proporcional simple.

González Rodríguez, J. A. 2009. Diseño y Construcción de un sistema de control para un equipo Mecatrónico de Monitoreo Aéreo. Tesis Licenciatura. Ingeniería Mecatrónica. Departamento de Computación, Electrónica y Mecatrónica, Escuela de Ingeniería, Universidad de las Américas Puebla. Mayo. Derechos Reservados © 2009.