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Capítulo 6

Hardware. Descripción del quadrotor

En el presente capítulo se presenta el conjunto de componentes hardware que constituyen elquadrotor. Se presenta en un esquema tipo top-bottom, comenzando por el diseño de la estructurahasta la descripción detallada de los sensores y actuadores.

6.1. Estructura

Formada por barras circulares de fibra de carbono de 6 mm de diámetro, huecas; materialligero y de gran resistencia. La configuración en planta del quadrotor está conformada por tresestructuras de forma cuadrangular concéntricas, figura 6.1. El elemento más externo sirve comoprotección de las hélices, tanto para que éstas no sufran daños como para que éstas no dañen anadie. En el elemento central es donde van colocados los motores, y en el interior es donde se alojanla electrónica, los sensores y las baterías.

Figura 6.1: Esquema de la estructura

Además para darle rigidez al cuerpo se han trazado unas aristas desde el cuadro interior hacialos vértices del cuadro central.

89

90 CAPÍTULO 6. HARDWARE. DESCRIPCIÓN DEL QUADROTOR

Figura 6.2: Estructura

En la figura 6.3 derecha se puede observar como están realizadas las uniones entre las distintasbarras, con uniones de nylon. Debido a la vibraciones de los motores y a impactos recibidos por laestructura durante la realización de pruebas, se aprecia en la figura 6.3 izquierda como hubo quereforzar las uniones situadas próximas a los motores, para que mantuvieran la rigidez estructural.

Figura 6.3: Uniones

6.2. Alimentación

Para la alimentación se usarán baterías Lipo de 5000 mAh con una tensión nominal de 11’1V,figura 6.4. Constan de 3 elementos internos o celdas, cada uno de 3’7 V de tensión nominal, llegandoa los 4’2 V cuando se encuentran a plena carga; por tanto con la batería a plena carga obtendremosun máximo de 12’6 V. Son baterías 20C, eso quiere decir, que al menos durante 60 segundos puedendar 20 · 5000 mAh.

Se usarán dos baterías, una para los motores y otra para la electrónica, tanto para la circuiteríacomo para el PC-104. En la figura 6.5 se puede observar el reparto de la alimentación para loscuatro motores.

6.3. PC-104 91

Figura 6.4: Batería

Figura 6.5: Reparto alimentación para los motores

6.3. PC-104

La unidad central de procesamiento y control. El modelo es Cool LiteRunner-ECO de la empresaLippert, figura 6.6.


Figura 6.6: PC-104

Posee un microprocesador Intel Atom Z530 de 1.6 GHz y dos hilos de ejecución , además de2 GB de memoria RAM. Tiene multitud de puertos de E/S, entre los que destacan los 6 puertosUSB, VGA, un slot para tarjetas microsd, puertos PS2 para teclado y ratón. El consumo es de tansolo 11 vatios, y la refrigeración es pasiva.

6.4. Electrónica

Se encarga de hacer llegar la señal de control a los actuadores, que en este caso son los cuatromotores.

Durante la realización de las pruebas, se mantuvo conectado el vehículo a un ordenador portátilestándar, para agilizar los cambios realizados in situ del código. Además se realizaron experimentospara identificar ciertos parámetros, como por ejemplo los usados para el control planteado en4.1.1, y se generaron ficheros de datos que se guardaban directamente en el disco del portátil. Lacomunicación entre equipo y vehículo se realiza a través de un convertidor USB-RS232 como sepuede observar en la siguiente imagen:

6.4. Electrónica 93

Figura 6.7: Comunicación durante las pruebas

El objetivo de la electrónica es leer del PC-104 la señal de referencia de velocidad, y la mandaa los variadores de velocidad en forma de PWM. En particular se encargará de dicha tarea unmicroprocesador tipo PIC, modelo 18F2620. Dicho microprocesador lleva en su interior un algoritmoque convierte la señal que le envía el PC-104, a través del puerto serie RS232, a PWM. Ésta esuna señal periódica de 20 ms con una anchura de pulso variable según la velocidad que indique elPC-104; para la velocidad mínima el ancho será de 0′7 ms y para la velocidad máxima el anchoserá de 2′1 ms, figura 6.9.

Figura 6.8: Electrónica


Figura 6.9: Ancho de pulsos del PWM

Actualmente se está trabajando en realizar una placa PCB y cambiar la actual placa de pruebas,figura 6.10. En ella se puede observar que hay cinco zócalos, que se corresponden a un PIC maestroy a cuatro PIC esclavos, uno por cada motor.

Figura 6.10: placa PCB

6.5. Motores

Se tienen cuatro motores coplanarios, característica principal de los quadrotors, colocados enlas esquinas de un cuadrado. El modelo de motor usado es AXI 2217/16 GOLD LINE, figura 6.11,es un motor trifásico con 12 polos. Como características más importantes el poco peso, tan solo69’5 gramos, importante para un vehículo de dimensiones reducidas que va a volar; la corrientemáxima que puede soportar durante 60 segundos es de 22 amperios y la corriente de trabajo entre10 y 18 amperios, variará según a las revoluciones a las que se encuentre. Las revoluciones máximasdependen de la tensión a la que sea alimentado, siendo la relación 1050 RPM / V. Como las bateríaspueden dar entre 12’4 y 11’1 V tendremos como máximas RPM 13020 y 11655.

6.5. Motores 95

Figura 6.11: Motor

Es necesario identificar los motores para ver la relación entre la velocidad de giro y el empujecorrespondiente, para ello se colocó un báscula y se fue alimentando al motor a distintas frecuencias,con cuidado del amperaje que circulaba para que no se quemaran. Se iba construyendo una tablacon la frecuencia y el peso que marcaba la báscula, en la figura 6.12 se puede ver una imagen delexperimento.

Figura 6.12: Experimento identificación motores

El sentido de giro de los motores y la colocación de las hélices es muy importante, pues si secoloca en el sentido inverso, no conseguiremos que el helicóptero despegue. En la figura 6.13 sepuede observar el sentido de giro usado para la obtención del modelado y por consiguiente el quese ha instaurado en el quadrotor. La goma blanca señala cuál es el eje X, el eje Y está en sentidodextrógiro y los motores están numerados en sentido antihorario.


Figura 6.13: Sentido giro de los motores

6.5.1. Hélices

El ángulo de ataque de la hélice es la parte más elevada de la misma, figura 6.14.

La colocación de las hélices es primordial, pues si la colocásemos al revés, en lugar de levantarse,el helicóptero empujaría hacia el suelo. Para colocarlas bien, el ángulo de ataque debe quedarexpuesto al sentido de giro del motor, en nuestro caso, dos giran en sentido de las agujas del reloj yotros dos en sentido contrario. Las hélices son de dimensiones 10 × 4′5, que según la página web delfabricante de los motores, podríamos levantar, con una intensidad inferior a la máxima soportada,alrededor de 750 g con unas hélices de 10 × 6 con una batería de tres celdas, en nuestro caso altener unas hélices algo menor, tendremos esa cifra como tope, debiéndonos ceñir a los experimentosrealizados para identificar el motor, en los que se ha anotado el empuje que se obtenía del motor.

Figura 6.14: Ángulo de ataque

6.5. Motores 97

6.5.2. Variadores de frecuencia

Convierten la señal que le envía el PIC en tensión que hace que el motor gire a más o menosrevoluciones y cumpla así lo que le manda como consigna el controlador implementado en el PC-104.

En la figura 6.15 se puede observar el variador de frecuencia y un sensor acoplado, que mide lavelocidad del motor. Dicho sensor funciona como un tacómetro, aprovechando la estructura internadel variador, figura 6.16, el sensor va unido a una fase y al paso del imán interno del motor pordicha fase podremos contar a cuantas vueltas está girando.

Figura 6.15: Variador de frecuencia

El método para saber el número de revoluciones es gracias a la frecuencia del pulso y al númerode polos, viendo un ejemplo: sabemos la frecuencia de la señal PWM recibida, por ejemplo 700 Hz,para saber el tiempo que tarda en dar una vuelta usaremos el periodo, cuyo valor es la inversa de

la frecuencia, T =1

700≈ 1′429 · 10−3 s, cómo tenemos 12 polos y 3 fases, para hallar el periodo

de una vuelta completa tendremos que multiplicar por cuatro el valor obtenido, Tvuelta = 4T ≈

5′714 · 10−3 s, y con una simple regla de tres calcularemos cuantas vueltas dará en un minuto,

rpm =60 · 1

5′714 · 10−3= 10500 vueltas/min.


Figura 6.16: Esquema del variador

6.6. Sensores

Sin contar el sensor incorporado al variador de frecuencia, son tres los dispositivos instalados,una IMU, una cámara y un sensor de distancia. Tanto la IMU como la cámara se han visto a lolargo de este proyecto, con bastante profundidad en el capítulo 3, por tanto la explicación másextensa será la correspondiente al sensor de distancia, donde además se explica su calibración.

6.6.1. IMU

Las especificaciones ya han sido vistas en el capítulo 3, además ya se comentó en 3.3.4.3 huboque realizar un cambio en el montaje de la IMU sobre el quadrotor debido a problemas con losángulos, ya que se apreciaba un pequeño error que fluctuaba ciclicamente. Si se rota +45º o −45ºen el eje Z, el error pasa a concentrarse en uno de los ángulos, en lugar de estar distribuido entrelos dos, pitch y roll. En la figura 6.17 se observa la colocación de la IMU cuyo eje X está alineadocon el eje X del quadrotor.

6.6. Sensores 99

Figura 6.17: Colocación de la IMU

6.6.2. Cámara

Mucho se ha hablado sobre la cámara, que se obtiene de ella y como pasarlo al sistema dereferencia del cuerpo, pero hasta ahora no se ha comentado el modelo ni se ha visto ningunaimagen de la misma. Se trata del modelo UEye UI 1220 SE - M de la empresa IDS, figura 6.18. Esuna cámara monocromática de tan solo 62 gramos, sin contar la óptica, capaz de dar como máximo87 fps6.1 y un tamaño del sensor CMOS de tan solo 1/3”.

Figura 6.18: Cámara

6.6.3. Sensor de distancia de infrarrojos

El rango de visión que aporta la cámara no es válido para las operaciones de despegue yaterrizaje, ya que para que el objeto de referencia sea suficientemente rico de puntos característicosrequiere de un tamaño tal que la cámara lo encuadre a partir de cierta distancia. Por ello esnecesario un sensor de distancia para poder operar si nos encontramos a una cota tal que la cámarano pueda operar; se ha implantado un sensor de altura basado en infrarrojos, para disponer de unaestimación adicional de la altura del vehículo respecto al suelo.

El sensor elegido es el GP2Y0A02YK Long distance measuring sensor de SHARP, figura 6.19.El rango de distancias que puede cubrir este sensor está entre los 20 cm y los 180 cm. Para lacalibración del sensor se han realizado unos experimentos que se describen a continuación.

6.1fps del inglés frames per second, es decir, imágenes por segundo


Figura 6.19: Sensor de distancia

Se sitúa una superficie normal a la dirección nominal de medida del sensor. Dicha superficie seva colocando paso a paso a una distancia progresivamente más alta respecto al sensor. Para cadauno de estos pasos, con los que se cubrirá el rango de distancias de 20 cm a 180 cm, con un pasode 2 cm, se toma una tanda de 100 medidas de distancia.

Las medidas facilitadas por el sensor se dan en el rango [0, 1023], correspondiente a un rangode la medida analógica [0, 2.5] V olt. Por tanto, la regla de conversión será la siguiente: yvolt =2.5

1023ydigital.

Los resultados de la calibración se discuten a continuación, con ayuda de una serie de gráficas.En primer lugar, en la figura 6.20 se presentan las medidas digitales, tal y como se han obtenido. Seobserva cómo se establece una relación monótonamente decreciente, de aspecto exponencial, entrela distancia real a la que se ha situado la superficie y la medida digital del sensor. También se puedeapreciar en esta gráfica que, esporádicamente, aparecen medidas que se alejan sustancialmente delvalor medio de la tanda a la que corresponden. A continuación, en las figuras 6.21 y 6.22, sepresentan la media y la desviación típica de las medidas de cada tanda, respectivamente.

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 90000

200

400

600

800

1000

1200Todas las medidas (DistReal(CM) y MedidaDigital)

Nro. muestra

Dis

t. e

n C

M (

azu

l),

Me

did

a d

igita

l (v

erd

e)

Figure 6.20: Registro completo de la medida digital del sensor durante el experimento.

6.6. Sensores 101

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

200

400

600

800

1000

1200DistReal(CM) y MediaMedidaDigital

Nro. tanda

Dis

t. e

n C

M (

azu

l),

Me

dia

me

did

a d

igita

l (v

erd

e)

Figure 6.21: Medias de las medidas para cada una de las tandas del experimento.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 902

4

6

8

10

12

14DesvTipicaMedidaDigital

Nro. tanda

De

sv.T

ipic

a m

ed

ida

dig

ita

l

Figure 6.22: Desviación típica de las medidas para cada una de las tandas del experimento.

Si convertimos la medida digital al correspondiente valor de voltaje, siguiendo la relación dadamás arriba, podemos obtener la gráfica de la figura 6.23, donde se aprecia la relación entre ladistancia en centímetros y la correspondiente medida en voltios dada por el sensor. El interésde esta gráfica radica en que puede compararse con la dada en la hoja de especificaciones por elfabricante. De la comparación se deduce que, efectivamente, la curvas son muy similares.


20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 1800

0.5

1

1.5

2

2.5Curva del sensor: Volt. vs CM

Vo

lt

CM

Figure 6.23: Relación experimental entre distancia en centímetros y medida en voltios, comparablecon la facilitada por el fabricante.

Desde el punto de vista práctico, sin embargo, lo que resulta más interesante es obtener unaaproximación de la relación inversa. Es decir, dada una medida en voltios procedente del sensor,¿ se puede sintetizar en una expresión matemática sencilla el valor estimado como la distancia encentímetros correspondiente ? En la figura 6.24 se responde a esta pregunta. Se presentan en rojolos puntos experimentales obtenidos, mientras que sobre ellos aparecen dos curvas monótonamentedecrecientes. Se ve que la curva en color azul aproxima mejor la relación para valores altos devoltaje, mientras que la de color verde es más adecuada para valores bajos de voltaje. Establecemosla frontera de mejor ajuste en los 0.694 voltios.

0 0.5 1 1.5 2 2.520

40

60

80

100

120

140

160

180Comparación con curva del sensor: CM vs Volt.

Volt

CM

Figure 6.24: Ajuste mediante doble función potencial de la relación voltaje / distancia en centímet-ros.

Como conclusión de lo anterior, definimos la siguiente regla de estimación de distancia:

ycm = K/yBvolt

{

K = 60.495, B = 1.1904 yvolt ≥ 0.694K = 60.6, B = 0.96 yvolt < 0.694

6.6. Sensores 103

recordando que la medida en voltios se obtiene a partir de la lectura del sensor usando:

yvolt =2.5

1023ydigital

La figura 6.25 permite realizar un análisis del error que resultaría con esta aproximación endos tramos. Si para valores de voltaje inferiores al valor de frontera adoptado (yvolt = 0.694)aproximamos mediante la curva verde, mientras que para valores altos aproximamos mediante lacurva azul, se puede verificar que, en términos porcentuales, el error se mantiene por debajo del6%.

0 0.5 1 1.5 2 2.50

5

10

15

20

25

30Error porcentual de la medida

Volt

% e

rro

r m

ed

ida

en

CM

Figure 6.25: Error porcentual del ajuste con cada una de las funciones.

Finalmente, cabe insistir que este error se obtiene a partir de unos valores medios calculadoscada uno de ellos a partir de 100 muestras tomadas para cada distancia. Con idea de no alejarnosexcesivamente de este nivel de precisión, puede resultar conveniente que en la programación delsensor, la medida que se devuelva sea, en realidad, la media de la medida actual con las dosanteriores.

Se ha encontrado una mejor forma de realizar la aproximación. Se ha hecho uso de la funciónpolyfit() de MATLAB, para obtener el polinomio de cierto grado que mejor se ajuste a un conjuntode medidas. Usando fuerza bruta se puede encontrar una buena aproximación a los datos medianteun polinomio de grado 7. Sin embargo, dado que cabe esperar que exista una relación más sencillaentre la distancia en centrímetros y la inversa de la medida en voltios (en lugar de la propia medida).Se puede obtener un buen ajuste con un polinomio de grado 2 ó 3. En nuestro caso:

ycm ≈ p(1/yvolt)

donde p(x) es el siguiente polinomio de tercer grado:

p(x) = 1.10484518818443 x3− 10.9328301194405 x2 + 83.8318488443645 x − 11.820422120835

En la figura 6.26 puede apreciarse la bondad del ajuste realizado. Por otro lado, en la figura 6.27se puede comprobar que el error porcentual de ajuste queda por debajo de 2.5%.


0 0.5 1 1.5 2 2.520

40

60

80

100

120

140

160

180

Volt

CM

Ajuste mediante polinomio de grado 3 en la inversa de la abcisa

Figure 6.26: Mejor ajuste mediante polinomio de tercer grado en la inversa de la medida en voltios.

0 0.5 1 1.5 2 2.50

0.5

1

1.5

2

2.5Error porcentual de la medida

Volt

% e

rro

r m

ed

ida

en

CM

Figure 6.27: Error porcentual del ajuste mediante polinomio de tercer grado.

6.6.4. Sensor de distancia de ultrasonidos

Además se están realizando pruebas con un sensor de ultrasonidos que se incorporará en uncorto periodo de tiempo. Dicho sensor consta de dos partes, el emisor/receptor de ultrasonidos,figura 6.28 izquierda, y el convertidor a USB, figura 6.28 derecha. Este tipo de sensores a diferenciade los de infrarrojos no emite un rayo de luz, sino un pulso a muy alta frecuencia, imperceptiblepor el oído humano. Al igual que con el sensor de infrarrojos, este sensor da una tensión que hayque calibrar para saber a que distancia se encuentra el objeto.

6.6. Sensores 105

Figura 6.28: Sensor de ultrasonidos

Las pruebas preliminares demuestran que presenta mucha mejor precisión que el sensor deinfrarrojos.

Se puede pensar en dotar de cuatro de estos sensores como ayuda a la estabilización en caso deemergencia por fallo de la IMU, o para fusionar información.

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