Plataforma para el Aterrizaje y el Intercambio de BaterıasAutomatico para un UAV de tipo VTOL

Ricardo Ragel, Ivan Maza, Fernando Caballero y Anıbal OlleroGrupo de Robotica, Vision y Control, Universidad de Sevilla

ragel4@hotmail.com,imaza@us.es,fcaballero@us.es,aollero@us.es

Resumen

Este artıculo presenta el diseno de un sistema pa-ra la recarga automatica de baterıas de UAVs tipoVTOL de cara a permitir su operacion de maneracontinua en el tiempo. Dicha solucion esta for-mada por una plataforma de aterrizaje que po-siciona y alinea el vehıculo de forma automaticacon un sistema que, tambien de forma automati-ca, intercambia en caliente la baterıa casi agota-da por una recien cargada, recargando la primerapara otro recambio posterior. El sistema comple-to se divide basicamente en estos dos subsistemas,cada uno con una funcionalidad diferente y com-puesto por diversos elementos: la plataforma deaterrizaje, formada por un actuador lineal y unacinta transportadora que orientan y posicionan elUAV en el punto de recambio de baterıas y lo co-nectan a una alimentacion externa para mantenerencendida la electronica a bordo, y el subsistemade intercambio y recarga de baterıas, compuestopor hasta 8 mecanismos de extraccion, inserciony recarga de baterıas montados sobre un tamboroctogonal giratorio. La insercion y la extraccionse consigue mediante el movimiento, la activaciony desactivacion de un electroiman que posee ca-da mecanismo de intercambio en conjunto con uniman de neodimio acoplado a cada una de las ba-terıas. Este artıculo detalla el sistema disenadousando productos comerciales desde el punto devista mecanico y de funcionamiento.

Palabras clave: Operacion persistente, Roboticaaerea, Plataforma de recarga de baterıas.

1. INTRODUCCION

Como la duracion de las misiones que involucranvehıculos aereos no tripulados (UAV) es cada vezmayor, el reabastecimiento de la carga de las ba-terıas se convierte en fundamental para el exitoglobal de las mismas. La operacion persistente deUAVs es el objeto de la investigacion llevada a ca-bo en el marco del proyecto nacional CLEAR[1, 2]dentro del cual se encuadra el trabajo presentadoen este artıculo. En este ambito, el restablecimien-to de la carga de las baterıas normalmente significa

la recarga o el intercambio de baterıas a bordo deun UAV de pequena dimension.

La automatizacion y la fluidez del procedimien-to de recarga ha sido el tema de mucho trabajos[5, 9]. Incluso se han realizado trabajos en los queel uso de un rayo laser de alta energıa permitıacargar la baterıa durante el vuelo de un quadro-tor [8]. Sin embargo, esperar a que una baterıase recargue correctamente puede ser muy lento,causando retrasos en la mision final. Ademas, lastecnicas de intercambiar baterıas en frıo requie-ren un apagado total de la electronica de a bordodel vehıculo cuando la baterıa gastada se inter-cambia por una nueva. Esto anade mas demoray la posibilidad de perder informacion a bordo,tanto datos como el estado en que se encuentre elvehıculo. Por ultimo, y como capacidad anadida ala plataforma en la que se basa esta investigacion[11], esta el problema de posicionar y alinear elvehıculo tras el aterrizaje con el sistema capaz deintercambiar la baterıa, ya que, en general, difıcil-mente se consigue tanta precision en la posicion oen la orientacion del vehıculo.

Como los tiempos de recarga son lentos, el in-tercambio de baterıas en frıo no es deseable. Porotro lado, la posicion final tras el aterrizaje deun UAV siempre tendra cierta desviacion respec-to a la deseada. Por todo ello, en este trabajo,se presenta una solucion completa a ambos aspec-tos mediante el diseno de una plataforma de ate-rrizaje portatil capaz de posicionar y orientar elvehıculo para intercambiar las baterıas mantenien-do la electronica encendida durante todo el proce-so. La plataforma consta de un actuador lineal yuna cinta transportadora que ubican el UAV enla posicion adecuada para la alimentacion exter-na y el posterior recambio. El subsistema de in-tercambio tiene un buffer para ocho baterıas, conuno de los espacios vacıo para insertar la baterıaagotada a extraer del vehıculo, en una estructu-ra de tambor que permite el intercambio de for-ma rapida. Cada buffer tiene un mecanismo quepermite insertar, extraer y cargar las baterıas. Lacapacidad de intercambio en caliente, en combi-nacion con la recarga local y una gran capacidadde la baterıa, permitira a esta plataforma repos-

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tar multiples UAVs para misiones persistentes delarga duracion con retrasos mınimos y sin paradasde vehıculos.

En este trabajo se ha tomado como referencia elquadrotor modelo Pelican de Ascending Technolo-gies. Bajo una carga de pago util nominal, este mo-delo tiene una autonomıa, o tiempo de vuelo, deaproximadamente 16 minutos [3]. La estacion deintercambio puede albergar siete baterıas carga-das, que permitirıa, por tanto, un tiempo de vuelode casi dos horas (teniendo en cuenta los tiemposde posicionamiento del UAV e intercambio de ba-terıas) sin utilizar la capacidad de recarga de laestacion. Sin embargo, y dado que el tiempo derecarga de estas baterıas esta por debajo de lasdos horas, la capacidad de recarga local eliminaeste lımite superior en la operacion (suponiendoque las siete baterıas estan completamente carga-das inicialmente).

Este artıculo detalla el sistema disenado usan-do productos comerciales desde el punto de vistamecanico y de funcionamiento. No obstante, no seaborda el desarrollo del automatismo que controlaa los distintos componentes.

A continuacion se describe la organizacion de es-te artıculo. En la Seccion 2 se presenta y describefısicamente el sistema completo, entrando en deta-lle en cada subsistema. En la Seccion 3 se detallala secuencia de operaciones que guıan el funcio-namiento completo del sistema. Finalmente, en laSeccion 4 se hara un resumen de las conclusionesy desarrollos futuros en esta investigacion.

2. DESCRIPCION HARDWARE

Como se ha comentado anteriormente, el sistemacompleto, mostrado en la Figura 1, consta de dossubsistemas principales claramente diferenciadosaunque acoplados: la plataforma de aterrizaje yposicionamiento del vehıculo y el sistema de in-tercambio de baterıas. Existen otros dos subsiste-mas que aportan diferentes capacidades: el con-junto de sujecion y alimentacion externa duranteel intercambio de baterıas, y la base movil dondese monta todo el sistema.

Antes de entrar a explicar cada subconjunto, hade indicarse como son las baterıas que se van a uti-lizar y como se conectan al UAV. Dichas baterıasse muestran en la Figura 2 y constan de un parde pines electricos de alimentacion situados en ellateral derecho y que se conectan al UAV a travesde otro par de pines que rodean los separadoresque sostienen la baterıa a bordo, tal y como semuestra en la Figura 3. Estos separadores vienende fabrica en el vehıculo para sujetar la baterıaabordo, siendo la parte electrica la unica modifi-

Figura 1: Sistema completo

cacion necesaria. Las baterıas ademas poseen enla parte frontal un iman de neodimio que, como severa mas adelante, servira para el agarre duranteel intercambio.

Figura 2: Baterıa modificada con pines en el late-ral y un iman de neodimio

Figura 3: Baterıa a bordo del cuerpo de un qua-drotor modelo Pelican

A continuacion se detalla cada subconjunto porseparado.

2.1. Plataforma de aterrizajeautomatizada

Los diferentes componentes de la plataforma deaterrizaje y posicionamiento se montan sobre laestructura, mostrada en la Figura 4, disenadacon diferentes elementos de la gama de produc-tos Motion and Assembly Technologies de BoschRexRoth [4], basicamente perfiles y elementos deunion de aluminio.

Los demas elementos que componen la plataforma,tambien de la gama mencionada anteriormente de

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Figura 4: Estructura soporte de la plataforma

productos de Bosch, quedan reflejados en la Figu-ra 5. Por una parte se cuenta con una superficieplana para el aterrizaje de 1,5 m2, suficiente pa-ra que el vehıculo sea capaz de aterrizar dentrode ella usando un sistema de posicionamiento deprestaciones medias como el actualmente instala-do en el vehıculo. Se trata de un sistema de lo-calizacion GNSS-RTK, utilizando el software libreRTKLIB [10], con el que se obtiene una precisionhorizontal de centımetros. Por otro lado, se tieneun actuador lineal (modelo eCKR 90 de recorridoefectivo de 1,7 m) que mueve un perfil (modelo20x20 1N) unido por un extremo a dicho actua-dor y por el otro a un carro no motorizado que sedesplaza sobre una guıa de longitud similar a ladel actuador. Finalmente, se ha incluido una cintatransportadora (modelo GUF-P 2000, en este ca-so del proveedor mk Technology group) montadasobre unos bastidores (modelo mk 53.1 ) y situa-da al final del recorrido del actuador lineal y uncentımetro por debajo de la superficie de aterriza-je.

Figura 5: Plataforma de aterrizaje automatizada

2.2. Sistema de intercambio y recarga debaterıas

Se compone de un tambor octogonal, sobre el quese pueden montar hasta un maximo de 8 mecanis-

mo elementales de insercion, extraccion y recargade baterıas, y que gira alrededor de una estructurafija que se acopla al resto del sistema, ambas com-puestas ıntegramente por componentes mecanicosdel proveedor VEX Robotics [12]. En la Figura 6se muestra este subsistema equipado con el maxi-mo de baterıas que puede alojar.

Figura 6: Sistema de intercambio y recarga de ba-terıas

La union entre la parte movil y la fija se realizamediante un cojinete, del mismo proveedor, cu-yo disco interior esta dentado y tiene acoplado unpinon (relacion de numero de dientes de 12/66) ac-cesible desde fuera y al que se le conecta un servo-motor de rotacion continua (modelo HSR-1425CRde Hitec [6]) y un codificador optico. Dada estarelacion de transmision y la velocidad del servo-motor (44 rpm), se tiene que el tambor girara a 8rpm, por lo que dara una vuelta completa en 7,5segundos, que equivale a aproximadamente 0,94segundos en pasar de un buffer a otro, un tiempomas que aceptable.

Cada mecanismo elemental de intercambio y re-carga de baterıas, que se monta sobra el tam-bor anterior, consistirıa basicamente en una guıalineal, motorizada y con un sistema de pinon-cremallera, que desplaza un electroiman por el in-terior de la estructura donde se desea insertar labaterıa. Dicha estructura, tiene forma de ortoedroy una apertura en la parte inferior que permiteel desplazamiento del electroiman por su interior,ademas de un material tipo foam en sus caras in-teriores para asegurar el agarre de la baterıa sinque aumente demasiado la friccion.

Para acotar el recorrido del carro del electroiman,se usan dos interruptores de final de carrera que seactivan al contactar con ellos dicho carro. Todoslos elementos utilizados, a excepcion del iman yel electroiman, son tambien del proveedor VEXRobotics. En las Figuras 7 y 8 se detallan todoslos elementos de los que consta cada uno de estosmecanismos. En la Figura 9 se muestra donde y

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Figura 7: Mecanismo elemental de intercambio yrecarga de baterıas

como se situaran los pines de carga para recargarlas baterıas.

Figura 8: Mecanismo elemental de intercambio yrecarga de baterıas abierto

El electroiman y el iman seleccionados son, res-pectivamente, el modelo IMAVEM20 y el IMA 13SBC-N, ambos de la empresa IMA [7] especializa-da en dichos productos. La eleccion esta basadaen dos requisitos: primero que el iman sea capazde quedar unido al electroiman, con este desacti-vado, mientras se extrae del vehıculo y, segundo,que al activar el electroiman la fuerza magneticaresultante de esta union (la del iman menos la delelectroiman) sea despreciable frente a la friccionde los separadores. De este modo, al retrocederel carro del electroiman la baterıa queda alojadaa bordo del vehıculo. La fuerza aproximada deliman, dado el espesor del nucleo del electroiman,es de 3 Kgf. La fuerza del electroiman al activarse,dado el espesor del iman, es de 4.6 Kgf. Por tantose cumplen los dos requisitos anteriores.

2.3. Sistema de sujecion y dealimentacion externa

Conectado a la estructura soporte de la plata-forma y en la posicion final de la cinta trans-

Figura 9: Vista de corte del mecanismo elementalde intercambio y recarga de baterıas

portadora, se situarıa el componente que asegurael vehıculo para que no se mueva y para que suelectronica siga en funcionamiento durante el pro-ceso de intercambio de la baterıa. La alimentacionse proporcionarıa al UAV mediante un par de pi-nes situados en el extremo de este componente,detallado en la Figura 10, y a traves de los sepa-radores del vehıculo que sujetan la baterıa por ellado opuesto al par que alimenta a este a travesde la baterıa que este usando en ese momento.

Figura 10: Sujecion y alimentacion externa duran-te el cambio de baterıa

Tengase en cuenta que esta solucion se toma ba-jo la premisa de modificar lo menos posible laelectronica del vehıculo. Si obviamos dicha premi-sa, podrıa optarse por utilizar abordo un conden-sador de alta capacidad que se cargue durante elvuelo y alimente al vehıculo durante el intercam-bio de baterıas. Esta solucion serıa mas segura encuanto a evitar posibles micro-cortes en la alimen-tacion de la electronica del vehıculo que podrıanocurrir al pasar de usar la baterıa a usar la ali-mentacion externa.

2.4. Base movil y movilidad

Para mejorar la movilidad del sistema, es desea-ble que la base sea movil y bloqueable, ademasde comun para todos los subsistemas. Para ello

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se crea una nueva estructura, que puede verse enla Figura 11, utilizando la gama de perfiles 40x40(barras y brackets) de Bosch Rexroth, superior ala de la estructura soporte, y se le dota de unaserie de ruedas bloqueables del mismo proveedor,ası como refuerzos entre esta base y dicha estruc-tura soporte.

Figura 11: Base movil

El sistema completo pesa en total 91 Kg y, como semuestra en la Figura 12, el centro de masas quedabastante centrado dentro del area de la base movil,disipando ası cualquier riesgo de vuelco durante elfuncionamiento y el transporte.

Figura 12: Localizacion del centro de masa

3. FUNCIONAMIENTO

Como ya se ha adelantado en las secciones ante-riores, el funcionamiento del sistema se puede di-vidir en 2 fases principales. Una primera en la queel quadrotor, que acaba de aterrizar para recar-gar, es trasladado hacia el punto de intercambiode baterıas, a la vez que es orientado haciendologirar. En esta primera fase entran en juego tantoel actuador lineal, que mueve la barra de empujehasta hacer que el quadrotor se situe sobre la cintatransportadora, como esta ultima, que lo terminade situar en la posicion final, donde comienza ya a

ser alimentado electricamente por la fuente exter-na. En la segunda fase es el subsistema de inter-cambio de baterıas el que actua sobre el vehıculo.El mecanismo elemental de intercambio y recargade la parte superior, con su buffer vacıo, extrae labaterıa descargada. A continuacion el tambor gi-ra hasta situar el siguiente mecanismo en la partesuperior del tambor, que inserta la nueva baterıamediante el movimiento del carro y la activaciondel electroiman, quedado su buffer vacıo y en posi-cion para extraer la baterıa del siguiente vehıculoque aterrice para recargar. Finalmente, la cintaaleja el vehıculo del punto de recarga, dejando li-bre para despegar de nuevo.

A continuacion se presentan los pasos elementalesque realiza la plataforma para la recarga de unvehıculo:

1. Deteccion del aterrizaje del UAV. El contro-lador a bordo comunica al de tierra (platafor-ma) que el UAV ha aterrizado, ha apagadolos motores y queda a la espera.

2. Accionamiento del actuador lineal hasta finalde recorrido. El carro del actuador desplaza labarra de empuje, que a su vez se apoya sobreel carro-guıa quedando siempre paralela a lacinta transportadora, orientando el vehıculoal contactar con sus patas y llevandolo hastala cinta. Ver Figura 13.

Figura 13: Orientacion y posicionamiento delvehıculo mediante la plataforma de aterrizaje

3. Activacion de la cinta en sentido positivo, des-plazando el UAV en direccion al subsistemade intercambio de baterıas y la alimentacionexterna.

4. Deteccion de la llegada a la posicion de in-tercambio de baterıas (ver Figura 14) por laactivacion del interruptor de final de carrerasituado sobre la sujecion, como puede verseen la Figura 10 anterior.

5. Activacion de la alimentacion externa.

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Figura 14: UAV listo para el cambio de baterıa

6. Extraccion de la baterıa descargada con elmecanismo elemental de intercambio de ba-terıas que esta en la parte superior del tam-bor (vacıo y con el electroiman desactivado).La extraccion se hace en cuatro pasos que seilustran en la Figura 15

a) Activar (+) motor que desplaza el carro-electroiman.

b) Esperar senal del interruptor de final decarrera.

c) Activar (-) motor que desplaza el carro-electroiman.

d) Esperar senal del interruptor de inicio decarrera.

Figura 15: Extraccion de baterıa del vehıculo

7. Giro de 45 grados del tambor utilizando el

servomotor de rotacion continua y el encoder.

8. Insercion de nueva baterıa cargada.

a) Activar (+) motor que desplaza el carro-electroiman.

b) Esperar senal del interruptor de final decarrera.

c) Activar electroiman.

d) Activar (-) motor que desplaza el carro-electroiman.

e) Esperar senal del interruptor de inicio decarrera.

f ) Desactivar electroiman.

9. Desactivacion de alimentacion externa.

10. Accionamiento del actuador lineal en sentidocontrario hasta su posicion inicial.

11. Activacion de la cinta transportadora en sen-tido negativo un cierto tiempo conocido paraque el UAV se aleje lo suficiente y quede librede sujecion.

12. Comunicar al UAV que se le permite despe-gar. En la Figura 16 se muestra la posicionfinal del vehıculo tras la secuencia de opera-ciones.

Para facilitar al lector la compresion del funcio-namiento del sistema, se pone a su disposicionun video disponible a traves del siguiente enlace:https://www.youtube.com/watch?v=ppPQdaWCZ5U.

Figura 16: Retroceso actuador lineal y cinta trans-portadora

4. CONCLUSIONES YDESARROLLOS FUTUROS

Esta plataforma de aterrizaje y recarga de baterıasautomatica ofrece ampliar el abanico de aplicacio-nes de los vehıculos aereos no tripulados, al sercapaz de alargar el tiempo de vuelo de uno o una

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flota de este tipo de robots. Aumentando su auto-nomıa, serıa factible la vigilancia de amplias zonascon infraestructuras crıticas. Como mejoras res-pecto a su predecesora [11], se tienen la capacidadde posicionar y alinear el UAV tras el aterriza-je, evitando posibles fallos de operacion debido aun error tras el aterrizaje en la posicion relativarespecto al sistema de intercambio de baterıa masque probable en vuelos en exteriores, ası como lareduccion de dos a un solo tambor giratorio, sim-plificando este subsistema.

Como desarrollos futuros se plantean la programa-cion en un PLC de los controladores necesarios,ası como el desarrollo de los componentes electri-cos de recarga del subsistema de intercambio debaterıas.

Finalmente se plantea tambien modificar los com-ponentes necesarios, haciendolos graduables en susdimensiones necesarias, para que esta misma pla-taforma pueda ser utilizada por otros tipos deUAVs.

Agradecimientos

Este trabajo ha sido financiado parcialmente porel proyecto ARCAS (ICT-2011-287617) del septi-mo Programa Marco de la Comision Europea y losproyectos nacionales RANCOM (P11-TIC-7066) yCLEAR (DPI2011-28937-C02-01).

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