Publicación: Control de Trayectorias de un Vehículo Aéreo No Tripulado de Alas Rotatorias Tipo Quadrotor en Ambientes Exteriores
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Resumen en español
Este trabajo de investigación está dirigido a la implementación de algoritmos de control para lograr la estabilidad de una aeronave tipo quadrotor que logre generar trayectorias simples, con una aplicación futura de tomar fotografías a alturas indicadas, para la ejecución de determinadas tareas específicas. Para lograr la construcción de esta herramienta, se profundizó en aspectos de optimización del diseño, modelamiento de la aeronave, análisis de elementos finitos, simulación y evaluación de controladores, y ejecución de pruebas de vuelo. La aeronave esta provista de cuatro subsistemas: El subsistema sensorial consta de una unidad inercial de 9 grados de libertad, la cual está dotada de tres sensores: giroscopio, acelerómetro y magnetómetro, cada uno de ellos de tres ejes, y un microcontrolador ATmega328P el cual se encarga de procesar y analizar la información proveniente de estos sensores. Este subsistema también está provisto de un sensor de presión barométrica SCP1000-D01, el cual es usado para establecer la altura en que se encuentra la aeronave respecto al nivel del mar, y dispone de un GPS Venus634FLP el cual provee una actualización de datos cada 10Hz. Para el subsistema de comunicación se emplearon dos módulos XBee Pro 900 XSC, los cuales dan una cobertura aproximada de 9 kilómetros a línea de vista, esto debido a que cada módulo está dotado con una antena de 5dBi de ganancia. En el subsistema de video se utilizó una cámara Sony KX191, que provee un formato NTSC de 520 líneas y a su vez tiene la modalidad de adquisición de imágenes en modo nocturno. El video es enviado a través de un transmisor de video de 2.4GHz a 1000mW. El subsistema de propulsión, está dotado de 4 motores NTM de 1200Kv a 250W cada uno, esto con el fin de que el helicóptero tuviera una capacidad de despegue aproximadamente de 4000 gramos. Las hélices utilizadas fueron de 8 pulgadas marca APC Slo-Flyer. Respecto a los controladores de estabilidad del quadrotor, se sacaron modelos lineales de cada eje de la aeronave, y posteriormente se hicieron varios diseños de controladores digitales que fueron probados y evaluados para determinar su desempeño. En el control de trayectorias se diseñó un control que permitió generar trayectorias simples. En cuanto el diseño de la aeronave, el tema de la seguridad tuvo una importante relevancia, ya que este dispositivo será una herramienta académica y se utilizará en espacios concurridos de la universidad.
Resumen en inglés
The research work is aim to the implementation of control algorithms in order to achieve stability of a quadrotor type airplane that could make simple paths, with a future application of taking pictures at the right heights, for the execution of some specific tasks. To achieve the construction of this tool, it deepen in some design optimization aspects, modeling of the aircraft, finite elements analysis, controllers simulation and evaluation, and execution of flight tests. The airplane is provided of four essential subsystems: sensorial, communication, video and processing. The sensorial subsystem has and inertial unit of 9 degrees of freedom which has three sensors: gyroscope, accelerometer and magnetometer, each of them of three axes and an ATmega328P microcontroller which is responsible of processing and analyzing the information coming from those sensors. This subsystem is also provided of a barometric pressure sensor SCP1000-D01, which is used to establish the height in which the plane is located regarding to the sea level and has a Venus634FLP GPS that provides a data actualization every 10Hz. In the communication subsystem there are two XBee Pro 900 XSC modules which give approximate coverage of 9 kilometers in line of sight, this is due to the fact that each module has a 5dBi antenna of gain. In the video subsystem was used a Sony KX191 camera, which provides a NTSC format of 520 lines and has the possibility of taking pictures on a night mode. The video is sent through a video transmitter of 2.4GHz and 1000mW. The propulsion subsystem has four NTM engines of 1200Kv to 250W each, this in order that the helicopter had a take-off capability of approximately 4000 grams. The blades used were of 8 inches, brand APC Slo-Flyer. Regarding to the stability quadrotor’s controllers, there were obtained linear models of each axis of the airplane, and later there were made some designs of digital controllers that were tested and evaluated to determine their performance. In the paths control it was designed a control that allowed the generation of simple paths. As for the design of the airplane, the security aspect had a very important role, as it is a device that will be an academic tool and it will be used in crowded areas of the university.