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Proyecto fin de carrera ETSI Introducción

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1. Introducción

Todo proyecto requiere para su correcto desarrollo una fase de pruebas en la que se realizarán una serie de experimentos y que serán fundamentales para el resultado final. Dichos experimentos deberán ser lo más precisos y minuciosos posibles, asegurando en todo momento su precisión y fiabilidad así como la seguridad de los equipos utilizados. Este proyecto final de carrera tratará de proporcionar un entorno fiable y seguro para la fase de pruebas del proyecto Hermes, actualmente en fase de desarrollo en el Departamento de Íngeniería de Sistemas y Automática Universidad de Sevilla.

1.1. Contexto. El proyecto Hermes

Este proyecto fin de carrera está enmarcado dentro del proyecto HERMES que tiene como objetivo final el vuelo autónomo de un helicóptero comercial de radiocontrol. El helicóptero utilizado es un helicóptero de aeromodelismo, que, de serie, está controlado por un piloto vía radio. Este proyecto pretende controlarlo de forma dual, de manera que podamos cambiar entre control automático y control del piloto vía radio. Este cambio se haría desde el propio mando de radiocontrol.

El aparato consta de un rotor principal con cuatro palas, a las cuales se le podrá modificar el ángulo del colectivo (el cual nos dará la potencia de sustentación) por medio de un servomotor y el ángulo del cíclico (nos dará la dirección espacial; longitudinal y lateral) a través de movimientos conjugados por 2 servomotores, y una hélice de cola con rotor variable mandado por un servomotor. Tanto la hélice principal como la de cola están comandadas por un motor de combustión interna. La alimentación de este motor esta controlada por un servomotor. En total para controlar el helicóptero tenemos 5 actuadores.

La solución adoptada ha sido acoplar a este helicóptero un pequeño ordenador embebido (placa Hercules EBX de Diamond Systems) y los sensores necesarios para su control automático. La placa Hercules tomará los datos de los distintos sensores, procesará la información y le mandará las señales de control a los actuadores, buscando la estabilización y el control del helicóptero. Tras la adquisición de datos estos serán tratados, grabados y enviados en vuelo al control de tierra.

Para el estudio del sistema de control tendrá que realizarse un modelado físico del sistema. El modelo dinámico teórico de un helicóptero en vuelo vertical proviene de la combinación de las teorías de momentos y de la teoría de las palas. Tanto el estudio de estas teorías como las ecuaciones resultantes se aleja del propósito de este proyecto, por lo que se obviarán y se trabajará sin ellas. Las ecuaciones del modelo dinámico teórico contienen una serie de parámetros constantes no definidos que tendremos que identificar basándonos en los resultados experimentales que se realizaran con el helicóptero montado en una plataforma de pruebas.

Una vez se haya obtenido el modelo físico se procederá a la elección del tipo de control a utilizar (se utilizará el control en el espacio de estados y el control PID) y al diseño del controlador. Tras ello se procederá a la implementación del controlador en el ordenador.

A continuación se revisan las tecnologías involucradas en el proyecto las cuales están descritas en la ilustración 1:


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Ilustración 1: Tecnologías involucradas.

1.1.1. Computador de vuelo

El computador de vuelo es la placa Hercules EBX. Consiste en una placa con un microprocesador funcionando a 400MHz, una flash disk de 128Mb donde irá alojado el Sistema Operativo y una memoria RAM de 128Mb. La placa estará colocada en una caja de aluminio habilitada para tal efecto y preparada para recibir todos los conectores externos que la placa Hercules puede aceptar, incluyendo entradas y salidas analógicas y digitales, 4 puertos RS-232, entradas USB y Ethernet, etc.

Ilustración 2: Placa Hercules EBX


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Por tanto será a este ordenador de a bordo, que funciona como un ordenador embebido al que se le conectarán los sensores y los actuadores. Los canales de entrada y salida de la CPU incluyen 4 puertos series (RS-232 y RS-485). La placa tiene además un circuito de adquisición de datos (DAQ) que permite tener 32 E/S Analógicas y 40 E/S Digitales (4 de ellas son canales PWM).

Otra característica importante es el “driver” de la placa (‘DSCud 5.7’) el cual nos da funcionalidad para el uso y control de la placa, de sus puertos y de funciones muy útiles como el control del ancho de pulso (PWM) o la generación de interrupciones.

Durante el vuelo no se le conectarán periféricos como discos duros o lectores de CD por el problema que tendríamos de exceso de peso y de las vibraciones generadas por el rotor, pero durante la puesta a punto sí se tienen conectados periféricos (monitor, ratón y teclado, disco duro, lector de CD, etc.), lo que lo convierte en un ordenador con las funcionalidades típicas de un PC, incluso con conexión a internet.

Descripción de características:

CPU:

Procesador: VIA Eden P-3, 550MHz. Memoria SDRAM: 128MB. MemoriaFlash: 2MB. E/S del Sistema: 4 USB 1.1, PS/2 kbd/mouse. Puertos Serie: 2 RS-232 establecidos o RS-485. 2 RS-232/485 configurables. Máxima tasa de datos: 460.8kbps todos los puertos. Conexiones IDE: 1 conector de 44 pines para Flashdisk; 1 UDMA-100 de 40 pines de

canal dual; Zócalo para compact flash Ethernet: 10/100Mbps. Consola serie: COM1 / COM2 seleccionable. Disquetera: USB. Puerto paralelo: No presente. PC/104 + bus: +5V/+3.3V seleccionable.

CIRCUITERÍA DE ADQUISICIÓN DE DATOS:

Entradas Analógicas: 32, resolución A/D de 16 bits. Máxima tasa de muestreo: 250KHz en total. Modos de entrada: Común o Diferencial. Rangos de entrada: +/- 10 V,+/- 5 V,+/- 2.5 V,+/- 1.25 V,0-10 V,0-5 V,0-2.5 V,0-1.25 V. Exactitud: < +/- 2LSB tras la autocalibración. Salidas Analógicas: 4, resolución D/A de 12 bits. Tiempo de asentamiento: 10µs to +/- 0.01% Impedancia de entrada: 10 Ω. Corriente de salida: +/- 5mA máx, 2k Ω mín de carga. E/S digitales: 40 líneas, compatible con la lógica de 5V con protección ESD. Dirección: Programable en los puertos de 8 bits. Corriente de salida: 0: 12mA máx; 1: -4mA máx.


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Contadores/temporizadores: 1 para el control de la tasa de muestreo A/D de 24 bits. 1 de propósito general de 16 bits.

PWM: 4 salidas PWM (Pulse-Width Modulation o Modulación por Anchura de Pulso) independientes y programables.

ALIMENTACIÓN:

Tensión de Entrada: 5-28VDC std., 20-48VDC opt. Potencia total de salida: 40W en total (30W, 28W or 24W según velocidad de la placa). Consumo de potencia: 12W a 550MHz y 16W a 750MHz Tensión de salida +5V, +3.3V (en el bus PCI) Salidas conmutadas: +5V, +12V, +3.3V

GENERAL:

Dimensiones: 8.00" x 5.75" formato EBX. Peso: 285g Temperatura de operación: -40 a 85 ºC

Ilustración 3: Diagrama de bloques de la placa Hercules EBX.


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1.1.2. Sistema Operativo

Un sistema operativo (S.O.) es un conjunto de programas o software destinado a permitir la comunicación del usuario con un ordenador y gestionar sus recursos de manera eficiente. Comienza a trabajar cuando se enciende el ordenador, y gestiona el hardware de la máquina desde los niveles más básicos.

El sistema operativo utilizado es Linux en su versión Debian 3.0 r 4 (Woody ). El Kernel de Linux es uno de los más robustos y versátiles de todos los sistemas operativos

conocidos e incluso ha sido mejorado en posteriores versiones, toda vez que el sistema original recibe constantemente importantes aportes de miembros de la comunidad de Linux.

Las características de los sistemas operativos Linux son: distribución gratuita, alta configurabilidad, buena respuesta en tiempo real y gran numero de usuarios lo que genera una gran información sobre su uso.

La principal característica de Debian (versión usada en el presente proyecto) es que ocupa poco espacio en disco, lo que será de gran ayuda para poder instalarlo en la flash disk (128Mb). Además de ir instalado en la flash disk también lo estará en el disco duro auxiliar. Al arrancar LILO (el gestor de arranque de Debian) nos preguntará con que Sistema Operativo queremos arrancar.

Utilizaremos la opción del disco duro cuando lo tengamos conectado haciendo pruebas sin arrancar el rotor del helicóptero, así podremos utilizar el entorno grafico. Utilizaremos la opción de la flash disk una vez que hayamos desconectado los periféricos, y trabajaremos en modo comando o incluso sin la pantalla, ratón y teclado, utilizando la teleoperación desde el ordenador de tierra. Para ello programaremos y compilaremos arrancando desde el disco duro y una vez testados y validados pasaremos los archivos ejecutables a la flash disk.

1.1.3. Lenguaje de programación

Un lenguaje de programación es una técnica estándar de comunicación que permite expresar las instrucciones que han de ser ejecutadas en una computadora. Consiste en un conjunto de reglas sintácticas y semánticas que definen un programa informático.

Las aplicaciones del proyecto están programadas en el lenguaje de programación C. C es un lenguaje de programación creado en 1969 por Ken Thompson y Dennis M. Ritchie en los Laboratorios Bell como evolución del anterior lenguaje B, a su vez basado en BCPL. Al igual que B, es un lenguaje orientado a la implementación de Sistemas Operativos, concretamente Unix. C es apreciado por la eficiencia del código que produce y es el lenguaje de programación más popular para crear software de sistemas, aunque también se utiliza para crear aplicaciones.

Se trata de un lenguaje de medio nivel pero con muchas características de bajo nivel. Dispone de las estructuras típicas de los lenguajes de alto nivel pero, a su vez, dispone de construcciones del lenguaje que permiten un control a muy bajo nivel. Los compiladores suelen ofrecer extensiones al lenguaje que posibilitan mezclar código en ensamblador con código C o acceder directamente a memoria o dispositivos periféricos. Esta caracterizado por ser un lenguaje de uso general con una síntesis sumamente compacta y de alta portabilidad. Una de sus principales características es el uso de librerías externas que contiene la definición de funciones.

Además de las funciones de C y de diversas librerías ampliamente usadas, se utilizan las librerías del “driver” de la placa: DSCud V5.7. que contiene entre otras, las funciones que permiten crear las interrupciones de usuario, la toma de datos AD, controlar las salidas PWM y la toma de tiempos.


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1.1.4. Compilador

Un compilador acepta programas escritos en un lenguaje de alto nivel y los traduce a otro lenguaje, generando un programa equivalente independiente, que puede ejecutarse tantas veces como se quiera. Este proceso de traducción se conoce como compilación.

Se ha utilizado el compilador GCC de linux. La sigla GCC significa "GNU Compiler Collection". Originalmente significaba "GNU C Compiler"

y todavía se usa GCC para designar una compilación en C. GCC es un compilador integrado del proyecto GNU para C, C++, Objective C y Fortran; es capaz de recibir un programa fuente en cualquiera de estos lenguajes y generar un programa ejecutable binario en el lenguaje de la máquina donde ha de correr. Es un compilador rápido, muy flexible, y riguroso con el estándar de C ANSI.

Ilustración 4: Esquema de compilación.

Para compilar se usará la utilidad “make”. “Make” es una utilidad que simplifica los ciclos de compilación y enlazado; ayuda a construir rápidamente grandes proyectos porque permite compilar solo aquellos fuentes que han sufrido modificación desde la última compilación y reconstruir los ejecutables que dependen de los objetos resultantes. Además, permite establecer una serie de reglas que especifican como debe procederse con las circunstancias especiales de cada caso. Pero “make” es algo más que una utilidad ligada a la compilación y enlazado; se trata de una herramienta genérica para ejecutar comandos en base a ciertas dependencias, y aunque generalmente está ligado a las operaciones de compilar y enlazar ficheros, puede especificarse prácticamente cualquier comando aceptado por el Sistema Operativo.

En el archivo “make” haremos referencia a las siguientes librerías: LIB=-L/usr/local/dscud5 -L/opt/dscud5 -ldscud5 -pthread -lm INC=-I/usr/local/dscud5 -I/opt/dscud5


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1.1.5. Sensores

Los sensores que se utilizarán durante la fase de pruebas serán una Unidad de medida inercial (UMI) y un altímetro, cuya implementación será precisamente el objeto de este proyecto.

La unidad de medida inercial es un pequeño sensor (75 gramos) de la casa Microstrain,Inc. que, conectado a través del puerto RS-232 con la placa Hercules, le proporciona los siguientes datos:

Timer ticks (tiempo del muestreo). Temperatura en el interior del sensor. Ángulos de Euler; Pitch, Roll y Yaw. Velocidades angulares. Matriz de quartenions y matriz de orientación.

Ilustración 5: Unidad de Medida Inercial.

1.1.6. Aplicación en tiempo real

Requisitos

Requisitos de memoria RAM

La memoria RAM de que se dispone es de 128Mb. De esta cantidad se pueden utilizar hasta 50Mb para el almacenamiento de datos de vuelo, que posteriormente se volcarán a la flash disk.

Siendo los datos a almacenar ‘floats’ (4 bytes) podremos almacenar 50Mb/4=12.5 M datos. Si muestreamos a 50Hz (20ms) podremos hacer experimentos de 12.5M/50=250.000 s para un solo canal. Normalmente se utilizarán alrededor de 25 canales por lo tanto tendremos 10.000 s o lo que es lo mismo, 166.6 minutos.

Requisitos de disco duro

La flash disk dispone de 128Mb utilizando: 90Mb el Sistema Operativo. 5Mb los distintos programas y “drivers” situados en / 32Mb para los datos registrados en los experimentos.

Requisitos de velocidad

El micro que tiene la Hercules funciona a 400MHz siendo esta velocidad suficiente para cumplir los objetivos del proyecto. Donde se gasta más tiempo es en la lectura de los datos de la IMU a través del puerto RS-232, lo que hace que el resto del tiempo de computo sea mínimo con respecto a éste.


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Captura de datos

La captura de datos se realiza desde la IMU (a través del puerto RS-232) y desde el subsistema de adquisición de datos de la placa Hercules, formado por entradas analógicas y digitales. Los datos que van a ser capturados son seleccionados previamente desde el ordenador de tierra, que mandará un mensaje con esta información a través de la red al helicóptero. De un posible dato a capturar podremos seleccionar si es capturado, si es guardado en la cola (para posterior grabado a disco) y si es mandado por red al ordenador de tierra.

Los datos que se pueden capturar son: En la IMU: Pitch, Roll y Yaw y Matriz de quartenions. Entradas Analógicas y Digitales: Altura. Nivel de la batería. Los datos serán almacenados en la cola circular de tipo FIFO (primer elemento en entrar

primero en salir), esperando que desde el ordenador de tierra se de la orden de empezar a grabar esos datos a disco.

Comunicación con tierra

Para comunicar el Helicóptero con tierra se utiliza el conector de red Ethernet de la placa Hercules al que va conectado un puente inalámbrico Wi-Fi 1.

Debido a que el helicóptero no tendrá instalado ningún elemento hardware de control (ratón, teclado o pantalla) se realizará la teleoperación desde el ordenador de tierra, por lo tanto habrá una comunicación bidireccional en la que desde tierra se le irán mandando órdenes al helicóptero y éste irá mandando datos de los sensores en tiempo real.

La comunicación del helicóptero con tierra solucionará las siguientes necesidades: envío de órdenes y datos de configuración desde tierra a helicóptero y envío continuo de datos de vuelo en tiempo real desde el helicóptero a tierra. Este envío se hará a través de distintos canales, uno para cada tipo de dato diferente. Según la dirección de los datos:

Helicóptero a tierra: Puerto 4950: para el envío de datos muestreados a tierra. Este envío se realizará en cada interrupción. Puerto 4954: para el envío del archivo escrito por el helicóptero al finalizar el experimento. Puerto 4955: para los mensajes de error. Tierra a helicóptero: Puerto 4951: para la recepción de los parámetros de inicio, con los que se configurará el experimento. Puerto 4952: para la recepción de órdenes desde tierra. Puerto 4953: para las tramas que se utilizarán para la excitación en alguno de los ejes en los experimentos de identificación.

1 Wi-Fi, acrónimo de Wireless Fidelity, es un conjunto de estándares para redes inalámbricas basado en las especificaciones IEEE 802.11.


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1.1.7. Batería

La batería a utilizar tendrá que cumplir las siguientes necesidades:

Eléctricas: Autonomía:

La placa Hercules (5-28 VDC 12W) IMU (5.2-12 VDC, 90mA). Altímetro (A determinar). Potencia total < 13W.

Debe ser mayor de 30 minutos. (20 min. es lo que dura un deposito de combustible)

Deberá tener el mínimo peso y dimensiones. Se usará tecnología Li-poly (Polímero de Lítio)

La batería a utilizar será la TP6000-3S3P, con las siguientes especificaciones: o 11.1 V. o 6 Ah. o 72A cont.(12C). o 185x50x23 mm. o 381 g.

Por lo tanto con esta batería tendremos más de 3 horas de autonomía.

1.2. Objetivos

Una vez ha sido desarrollado el software necesario y se ha preparado la placa Hercules para la adquisición de datos (que serán arrojados por los sensores) del helicóptero en vuelo, el paso a realizar a continuación dentro del proyecto HERMES sería la puesta a punto de la plataforma de pruebas y dotarla de un altímetro preciso y fiable.

El objetivo principal de este proyecto es por tanto estudiar la plataforma de pruebas y prepararla, dotándola de un altímetro, para obtener una medida lo más precisa y fiable posible de la altura del helicóptero, pero teniendo en cuenta ciertas restricciones tanto físicas como económicas.

Dentro de las restricciones físicas, habrá que tener en cuenta que el altímetro a realizar se situará en exteriores, que la altura a medir estará dentro de unos rangos determinados (entre 0.10 y 0.7 m.) y, fundamentalmente, que estará ligado a la plataforma de pruebas. Por tanto será necesario un estudio exhaustivo de dicha plataforma, puesto que sus dimensiones y su estructura serán determinantes a la hora de plantear el problema del altímetro. Además es importante recalcar que tanto la plataforma como el altímetro deberán estar preparados para soportar condiciones climatológicas tales como humedad, temperaturas de entre 0 y 50 ºC, lluvia, exposición continuada al sol, etc.

Respecto a las condiciones económicas, habrá que tener en cuenta principalmente que se trata de acondicionar una plataforma de pruebas la cual se utilizará durante una fase muy concreta del proyecto, y por tanto, aunque las pruebas a realizar durante esta fase sean muy importantes, no formará parte del producto final de dicho proyecto. Por tal causa, habrá que buscar una solución lo más adecuada económicamente a lo presupuestado para esta fase, procurando no hacer una inversión excesiva.


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Para la medida de la altura, la solución adoptada finalmente ha sido doble, esto es, nuestro objetivo será la implementación de dos altímetros para obtener una mayor fiabilidad de la medida. La primera solución consistirá en la colocación de un potenciómetro en el eje del brazo de la estructura, del cual se obtendrá una medida del ángulo que forma el brazo con el plano horizontal y del que por relaciones trigonométricas se calculará la altura. La segunda solución consistirá en la colocación de un sensor de ultrasonido en el extremo del brazo que soporta al helicóptero que dará una medida de la altura mediante el cálculo del tiempo de vuelo. En ambos casos se realizarán los programas necesarios para la interactuación entre nuestros altímetros y la placa Hercules EBX, esto es, para que ésta pueda recoger los datos de la altura y así realimentar los controladores y actuadores.

1.3. Estado de la tecnología aplicada. Situación tecnológica

Para implementar sendos altímetros se ha tratado de aplicar una tecnología ampliamente utilizada y testada. Por una parte se usará un sencillo sensor de giro para medir el ángulo que tiene la plataforma con respecto al suelo. Por otra, en el extremo del brazo de la plataforma, se situará un sensor de distancias apuntando hacia el suelo, que medirá directamente la altura de dicho extremo. Vamos a realizar un repaso a través de las diferentes tecnologías existentes en la actualidad que serían aplicables en este proyecto.

1.3.1. Sensores de giro

Potenciómetros

La utilización de potenciómetros como sensores de giro está muy extendida puesto que se trata de una forma muy barata y sencilla de obtener una medida del ángulo. Como contrapartida su precisión es limitada (en potenciómetros de calidad pueden conseguirse errores lineales del 0.1%) además de presentar problemas de fiabilidad debido a desgaste, fricciones, polvo, etc... Otros aspectos prácticos a tener en cuenta serían las dificultades para medir ángulos de más de 300º y el que la medida obtenida sea analógica, aunque esto no va a ser un problema para la realización de este proyecto (la placa Hercules tiene conversor A/D y el ángulo a medir estará comprendido entre 0 y 45º).

Ilustración 6: Potenciómetro

Codificadores Ópticos

Una alternativa al potenciómetro podría ser utilizar un codificador óptico con el cual conseguiríamos directamente una señal digital indicando el ángulo, pero su coste (superior al del


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potenciómetro) y resolución (no superior a la del conversor A/D) han hecho que se descarte esta posibilidad.

Ilustración 7: Codificador Óptico

1.3.2. Sensores de distancia

Sensores de Ultrasonido

La utilización de sensores de ultrasonidos como sensores de distancia también está muy extendida y probada, aunque se trata de una tecnología más compleja que la que constituye un potenciómetro. Estos sensores, que funcionan por tiempo de vuelo, son bastante precisos aunque muy sensibles al ruido y a las perturbaciones, así como a la naturaleza de la superficie en la que se refleja y al ángulo de incidencia (aunque ya que la superficie será el aluminio y estará siempre en posición horizontal con respecto al sensor, la medida se verá poco afectada).

El coste de este tipo de sensor, aunque superior al del potenciómetro, es mucho menor que el de otros sensores de distancia como los sensores láser. Además son sensores que tienen un consumo de potencia muy bajo, lo cual es importante puesto que el altímetro se alimentará desde la batería del helicóptero durante las pruebas en vuelo.

Ilustración 8: Sensor de Ultrasonidos

Sensores que funcionan en el espectro infrarrojo

Se incluyen en esta sección los sensores de infrarrojo y láser. A través de estos sensores se pueden estimar las distancias a las que se encuentran los objetos en el entorno. Se aplican diferentes métodos para medir la distancia a un objeto como son la triangulación o el tiempo de vuelo (mismo principio que el sensor de ultrasonidos).


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La precisión que se obtiene con estos sensores es muy elevada, debido a que son muy direccionales al ser muy pequeña su longitud de onda. La distancia máxima de medida depende de la potencia que se aplica al rayo de salida. Son sensores ideales para medidas de profundidad, ya que el ángulo de medida es infinitesimal en un láser y muy pequeño en los sensores de infrarrojo. El láser, además puede generar un millón de medidas en un segundo, con una precisión de milímetros en medidas de 30 metros. El sensor de infrarrojos, por su parte genera en torno a 25 medidas por segundo (cantidad ligeramente superior al sensor de ultrasonido).

Sin embargo en el caso del láser el precio es muy elevado (3000-10000 €) y tiene un consumo excesivamente alto (para alcanzar medidas de 30 m). En el caso de los sensores de infrarrojo las medidas de profundidad son muy limitadas (típicamente hasta 80cm).

En la tabla 1 se muestra una comparativa entre los tres tipos de sensores:

Precisión Medidas / s. Consumo Coste

Ultrasonido 1 mm en 3 m. 5 – 10 Muy bajo Medio Bajo

Infrarrojos 1 mm en 80 cm. 25 bajo Medio Bajo

Láser 1 mm en 30 m. 1000000 Muy alto Muy alto

Tabla 1: Comparativa entre los diferentes sensores de distancia

1. introducciónbibing.us.es/proyectos/abreproy/11377/fichero/pfc+... · de datos (daq) que permite...

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