Universidad Politecnica de Sinaloa

Ing. Mecatronica

Diseno Mecatronico

Diseno, Analisis y Construccion de un Cuadrirrotor.

Trabajo que presentan:

Hernandez Arias Rommel

Hernandez Toledo Elvin Alexis

Parada Valdivia Stephanie Shaibeth

Renteria Graciano Arturo

Tostado Corral Carlos Daniel

Catedratico:

M.C. Manuel Alejandro Lugo Villeda

Mazatlan, Sinaloa Febrero 2014

Diseno, Analisis y Construccion de un Cuadrirrotor

Hernandez Arias Rommel, Hernandez Toledo Elvin Alexis, Parada Valdivia Stephanie

Shaibeth, Renteria Graciano Arturo, Tostado Corral Carlos Daniel

En el presente documento se muestra el desarrollo del proyecto de la creacion de un cua-

drirrotor, el cual presenta el diseno, analisis y construccion de un dispositivo cuadrirrotor

aplicado a exploracion de exteriores. El diseno se basa en la capacidad de los rotores para

alcanzar cierta altura y sostener el peso de s mismo, para el diseno de la estructura se con-

sideran las caractersticas de resistencia y el peso del material utilizado, as como la forma

de este. Tambien se considera el diseno de una tecnica de transmision de datos mediante un

control manual, a partir de la eleccion de un dispositivo apto para ello. Se utilizaron metodos

de robotica para la elaboracion del analisis, las cuales nos permiten conocer los movimientos

que un movil aereo con cuatro rotores requiere para realizar maniobras de vuelo que permitan

mantenerlo estable.

Para lograrlo se pretende el diseno de una estructura capaz de proporcionar el espacio

necesario para alojar los componentes de este, por ejemplo, motores, circuitera y posibles

aditamentos y al mismo tiempo la estructura sera capaz de soportar posibles colisiones. El

modelo de la estructura del cuadrirrotor presenta una forma de cruz, en la cual al final de ca-

da punta de la cruz se encuentran colocado los cuatro rotores dispuestos a noventa grados de

separacion, esto para mantener un equilibrio en el sistema de vuelo. Este sistema no requiere

de conocimientos mecanicos ya que es una estructura fija donde los rotores se encuentran

adjuntos en los extremos.

Para el modelo de control se presenta la utilizacion de un microcontrolador el cual sera el

puente de comunicacion entre el control manual y la activacion de los motores. Este micro-

controlador procesara los datos de recepcion y envio. El sistema general presenta tambien

una etapa de potencia y el control de radio frecuencia empleado para el control manual.

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Indice general

1. Introduccion al diseno de vehculos aereos no tripulados 1

1.1. Marco teorico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1.1. Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1.2. Estado del arte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2. Planteamiento del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2.1. Objetivos para el diseno de un dispositivo UAV . . . . . . . . . . . . 4

1.2.2. Justificacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3. Hipotesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

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UPSIN Enero/2014 INDICE GENERAL

Ing. Mecatronica iv Diseno de Cuadrirrotor

CAPITULO 1

Introduccion al diseno de vehculos aereos no tripulados

1.1. Marco teorico

1.1.1. Antecedentes

El primer vehculo aereo no tripulado (por sus siglas en ingles: UAV, unmanned aerial

vehicle) fue construido en 1916, pero debido a su inmadurez no tuvo ningun uso practico

[Barnhart et al., 2011]. El desarrollo de UAVs empezo a crecer a finales de los anos 1950s,

contando con investigacion a gran escala a finales de los 1970s, siendo utilizados por primera

vez en forma practica en Estados Unidos. [1].

Los vehculos aereos no tripulados de gran altitud para uso militar comenzaron a utili-

zarse a mediados de la decada de 1990, esto sento las bases para el desarrollo de la Global

Hawk, alcanzando altitudes de hasta 65,000 pies durante un maximo de 35 horas a veloci-

dades cercanas a 340 nudos, disenado para satisfacer tanto necesidades domesticas como de

seguridad nacional [3].

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UPSIN Enero/2014CAPITULO 1. INTRODUCCION AL DISENO DE VEHICULOS AEREOS NO

TRIPULADOS

Este tipo de vehculos puede verse tanto en el ambito militar como en el civil, con apli-

caciones desarrolladas para tareas de busqueda y rescate, vigilancia comercial, espionaje,

filmacion cinematografa, inspeccion en situaciones donde se realicen vuelos en condiciones

hostiles, as como la realizacion de maniobras acrobaticas, entre otras.

Los vehculos aereos no tripulados que impulsan su desplazamiento no son una idea nueva,

sin embargo gracias al gran avance que ha tenido la tecnologa, junto con la disponibilidad

de materiales al igual que su bajo costo, ha propiciado que el desarrollo de los mismos se

vea incrementado, especficamente hablando de cuadrirrotores. Un ejemplo de ello es que hoy

en da contamos con microprocesadores mas veloces, motores mas economicos al igual que

herramientas matematicas mas poderosas, esto combinado a la gran facilidad de acceso a

la informacion, da la oportunidad para que su desarrollo sea mas factible. Sobre todo para

su uso en futuras aplicaciones civiles. Este tipo de vehculo se esta empleando en tareas de

busqueda y rescate, vigilancia comercial, exploracion de edificios, entre otras, pues permiten

el despegue y aterrizaje de manera vertical ademas, gracias a sus cuatro motores propicia una

dinamica de vuelo mejor la cual puede ser usada tanto en interiores como para exteriores.

Los UAVs son muy utiles, principalmente, cuando nos encontramos en entornos de difcil

acceso con un cierto peligro. Los avances tecnologicos han hecho posible el desarrollo de

dichos vehculos aereos, gracias a los sensores de escala reducida [4].

1.1.2. Estado del arte

Existen muchas propuestas de diseno de cuadrirrotores, con una arquitectura similar y con

diferentes aditamentos, algunos con plataformas para transportar objetos y con la capacidad

de soportar altas cargas. En el mercado se pueden encontrar pocos modelos comerciales de

cuadrirrotores, como pueden ser el DJI Phantom, Parrot AR.Drone, Walkera (Figura 1.1),

estos ejemplos son usados en aplicaciones como, video y captacion de imagenes, busqueda y

rescate, asistencia y ayuda a la construccion, exploracion geologica, control de cultivo, etc.

[1].Comunmente este tipo de modelos presentan un problema a la hora de disenarlos, ya que

es un proceso complicado que requiere mucho tiempo, y debido a que los tiempos de vuelo

Ing. Mecatronica 2 Diseno de Cuadrirrotor

UPSIN Enero/2014 1.1. MARCO TEORICO

son cortos, las personas prefieren no invertir en dispositivos como estos ya que resulta a veces

poco factible utilizarlo en actividades de exploracion que requieren tiempo.

Figura 1.1: a) DJI Phantom b)Modelo Walkera c)Modelo Parrot Ar. Drone

Hoy en da se busca comercializar los cuadrirrotores para que el precio se muestre acce-

sible y para eso tratan de incorporar los componentes que resulten menos costosos pero que

sigan manteniendo la misma calidad de funcionamiento. Tomando en cuenta el crecimiento

en el desarrollo de este tipo de dispositivos se puede considerar que la comercializacion de

los cuadrirrotores puede extenderse aun mas, logrando que las personas visualicen que un

dispositivo movil aereo no tripulado puede ser algo facil de obtener y con mucha funcionalidad.

Es necesario tomar en cuenta la rentabilidad de adquirir un dispositivo movil aereo respec-

to a la aplicacion que se requiere, ya que si es algo que necesite un tiempo de larga duracion

con trayectorias largas o para ciertas condiciones de vuelo, puede ser que la utilizacion de un

cuadrirrotor no sea la mejor opcion, sin embargo, no es imposible y todo lo realizado hasta

la actualidad son puntos de partida que sin duda podran convertirse en algo completamente

rentable.

(Garcia y cols., 2012) (Luco C. M. E., 2012) (Piedrafita, 2009) (Jr., 2012)

Ing. Mecatronica 3 Diseno de Cuadrirrotor

UPSIN Enero/2014CAPITULO 1. INTRODUCCION AL DISENO DE VEHICULOS AEREOS NO

TRIPULADOS

1.2. Planteamiento del problema

Es necesario saber de entre todas las herramientas de diseno disponibles cual es la mas

indicada, incluso podemos considerar utilizar algunas no tan sofisticadas que muestren un

manejo mas amigable para los estudiantes que deseen desarrollando el cuadrirrotor. Sera

necesario dividir las diferentes actividades para los modelos que se necesitan, un modelado

para el control, la etapa de potencia, el diseno de la estructura y la seleccion de los materiales.

1.2.1. Objetivos para el diseno de un dispositivo UAV

Objetivo general

Disenar, analizar y construir un cuadrirrotor con la capacidad de elevarse a cierta altura,

el cual cuenta con un dispositivo de adquisicion de imagenes, este dispositivo podra ser

manipulado mediante un control de radio frecuencia.

Objetivos especficos

El dispositivo sera capaz de alcanzar una altura de 3 metros con cierta estabilidad.

El cuadrirrotor podra ser manipulado mediante un control de radio frecuencia el cual

cuenta con un radio de 20 metros de alcance.

El cuadrirrotor cuenta con un dispositivo de adquisicion de imagenes el cual durante la

trayectoria grabara imagenes, esto con el objetivo de aplicaciones diversas o tambien

segun las necesidades del usuario.

El modelo matematico implementado en el control lograra la estabilidad aerea del

dispositivo.

Para la programacion del cuadrirrotor se utilizara un microcontrolador Arduino.

Ing. Mecatronica 4 Diseno de Cuadrirrotor

UPSIN Enero/20141.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

1.2.2. Justificacion

La creacion de un cuadrirrotor nos permite determinar que es posible realizar un dis-

positivo movil aereo capaz de mantener una estabilidad y lograr su elevacion a una altura

pertinente para realizar actividades de exploracion aereas que se requieran, sin la necesidad

de ser tripulado y al mismo tiempo lograr la captacion de imagenes para motivos de investi-

gacion.

Esto podra ser posible debido a la aplicacion de las diferentes ramas que mecatronica

ofrece, utilizando las herramientas correctas y buscando soporte en investigaciones acerca de

los temas que implican el diseno, analisis y construccion del dispositivo.

Mediante la investigacion y la creacion de este dispositivo se pretende apoyar las teoras

existentes, ya que un cuadrirrotor es un movil aereo que se ha realizado anteriormente, sin

embargo, el enfoque de este se presenta con el objetivo de poder diversificar aun mas los usos

que este diseno proporciona ya que el desarrollo presente en este proyecto se puede interpre-

tar como el comienzo de la aplicacion del funcionamiento de un cuadrirrotor para algo en

especifico.

Las herramientas que la creacion de un cuadrirrotor implica son consideradas para un pro-

totipo que presente un correcto funcionamiento y un alcance suficiente de las expectativas

anteriormente mencionadas, estas herramientas incluyen el material y el apoyo de investiga-

cion, que de manera conjunta con la disponibilidad, es decir, durante el periodo en que se

pretende realizar, se encuentran dentro de un lmite aceptable de factibilidad para realizarse.

El diseno, analisis y construccion de un dispositivo movil aereo se desarrolla dentro de

las ramas de mecatronica, que como consecuencia, trae consigo una vision diferente para

el investigador y desarrollador de como se aplican estas areas. As mismo, el desarrollo de

un cuadrirrotor lograra mostrar una idea diferente de como utilizarlo y en este caso, con la

ayuda de la grabacion de imagenes, aplicarlo en actividades de exploracion, lo cual ofrece un

Ing. Mecatronica 5 Diseno de Cuadrirrotor

UPSIN Enero/2014CAPITULO 1. INTRODUCCION AL DISENO DE VEHICULOS AEREOS NO

TRIPULADOS

punto de partida para las diferentes organizaciones de investigacion que puedan realizar sus

exploraciones sin la necesidad de tripulacion en algun tipo de vehculo o movil.

1.3. Hipotesis

En este apartado es para exponer las hipotesis acerca del quadricoptero, para empezar

se realizara el modelado y desarrollo de estrategias de control para poder dar solucion a los

problemas de estabilidad y seguimiento de este vehculo automata.

El modelo dinamico se obtendra de formulaciones matematicas distintas: rotaciones de Euler

entre otras. El control de movimiento se realizara mediante radio-frecuencia (RF) el cual

garantizara la comunicacion inalambrica entre operador-dispositivo. La interfaz estara bajo

la programacion en CCS Compiler. Se han realizado pruebas con anterioridad en proyectos

pasados con esta plataforma, quedando demostrado que es mas factible utilizar este programa.

Al construir este dispositivo bajo un diseno aerodinamico y usando los medios especificados

anteriormente, se espera que se logre el objetivo de elevar el quadricoptero en el aire y poder

maniobrarlo.

Ing. Mecatronica 6 Diseno de Cuadrirrotor

UPSIN Enero/2014 Referencias

Referencias

Garcia, E., Jimenez, M., De Santos, P., y Armada, M. (2012, march). Diseno e implementacion

de un sistema de control para un cuadricoptero. Tesis de Maestra no publicada, Centro

de Investigaciones y de estudios avanzados del Instituto Politecnico Nacional, Distrito

Federal, Mexico, 14 (1), 90 -103.

Jr., C. E. H. (2012, april). High-altitude endurance unmanned air vehicle program. Defense

Advanced Research Projects Agency , 9 (1), 90 -103.

Luco C. M. E., M. de. (2012, march). Modelado, diseno, construccion y control borroso de

un helicoptero quadrotor. Tesis de licenciatura no publicada, Escuela tecnica superior

de ingenieros industriales y de telecomunicacion, Pamplona, Espana., 14 (1), 90 -103.

Piedrafita, C. (2009, april). Control de un quadrotor mediante la plataforma arduino. Tesis

de licenciatura no publicada, Universitat Politecnica de Catalunya, Espana., 9 (1), 90

-103.

Ing. Mecatronica 7 Diseno de Cuadrirrotor

Introduccin al diseo de vehculos areos no tripuladosMarco tericoAntecedentesEstado del arte

Planteamiento del problemaObjetivos para el diseo de un dispositivo UAVJustificacin

HiptesisReferencias