Introducción a los UAVs

From Asociación de Robótica UC3M
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UAV son las siglas de Unmanned Aerial Vehicle, vehículo aéreo no tripulado.

Dentro de la Asociación, el modelo de UAV con el que trabajamos habitualmente es el de Quadcopter. Un quadcopter es como un helicóptero de cuatro hélices. Las hélices son llevados por motores, trifásicos en nuestro caso. Utilizamos una batería, que suministra corriente continua. Para convertir la corriente continua en alterna trifásica, utilizamos unos inversores que se llaman ESCs. Los ESCs reciben como señal de control un PWM, que puede ser generado por un Arduino.

Características técnicas

Corrientes ESC+motor (fichero MATLAB)

Parametros arranque

  • 1 motor : 54º
  • 2 motor : 45º
  • 3 motor : 45º
  • 4 motor : 55º

Curva característica de los otros motores: curva de motores

Generalidades

Una de las líneas de investigación que se está impulsando en el seno de la asociación es la robótica civil. La robótica civil es un subárea de la robótica de servicio que intenta diseñar y desarrollar robots que permitan realizar servicios útiles para proteger a la población civil.

Este tipo de robots está teniendo un gran auge estos últimos años y representa ya una importante partida en el presupuesto de defensa de los países desarrollados. Algunas de las tareas más típicas que llevan a cabo por este tipo de robots son:

  • Inspección y mantenimiento de infraestructuras.
  • Vigilancia de grandes superficies para la prevención de catástrofes naturales.
  • Inspección de desastres y situaciones de emergencia
  • Rescate de personas
  • Seguridad ciudadana
  • Vigilancia de fronteras, costas y aeropuertos
  • Aplicaciones militares.
  • Robots de rescate y lucha contra el fuego

Existen múltiples las ocasiones en las cuales es conveniente disponer de un punto de vista elevado o tener la capacidad de situar un sensor en un determinado punto del espacio. En algunas situaciones, como es el caso en los entornos desestructurados, el difícil acceso por tierra hasta el objeto a ser inspeccionado puede convertir un trabajo sencillo en una tarea irrealizable. Por otro lado, las tareas de vigilancia u observación de amplias extensiones de terreno que no estén dotadas con la adecuada infraestructura para un rápido traslado de personal o de equipos, convierten en infructuosas o ineficientes las inspecciones terrestres. Otro ejemplo claro tiene lugar en las inspecciones de estructuras civiles de gran tamaño requieren del montaje de grandes andamios o de descolgamientos de personas con cuerdas. Esto implica elevado coste, riesgo para las personas, y pérdidas globales de productividad.

GeneralUAVs.jpg

El presente proyecto trata del diseño, el desarrollo y la fabricación de un robot autónomo volador para aplicaciones civiles. Será necesario realizar un profundo estudio de la problemática relacionada con la mecánica, la electrónica y los algoritmos de control necesarios en este tipo de robots. Además se investigará en algoritmos de inspección y reconocimiento que permitan dotar de diversas funcionalidades en aplicaciones civiles. En cuanto se disponga de una base funcional, la Asociación se compromete además a presentarse a concursos de micro-robots voladores, con el objetivo de aprender, promover la investigación y el trabajo en equipo y divertirnos compitiendo con otras universidades.

ARQUITECTURA DE LOS UAVs

Existe un alto nivel de desarrollo que están alcanzando en los últimos años los robots aéreos autónomos, más conocido como UAV (por sus siglas del inglés Unmanned Aerial Vehicle), y sobre todo, que gozan de una gran perspectiva de futuro que sin duda alguna está marcando un antes y después en la historia de los sistemas autónomos e inteligentes aplicados a la robótica y a la aeronáutica. Es importante conocer los elementos principales de los que consta un UAV. Esto ayudará a entender mejor su funcionamiento, las dificultades y los retos a los que no enfrentamos. Estos son: Sistema de alimentación: El sistema de alimentación de un UAV puede ser de diferentes tipos. Entre los más populares son los impulsados mediante energía eléctrica y combustibles fósiles. Los impulsados mediante energía eléctrica precisan de baterías de mayor tamaño que los que utilizan combustibles fósiles ya que estos último solo requieren de energía eléctrica para  alimentar la electrónica de control. Dado la naturaleza de este tipo de aparatos, la relación entre peso, tamaño y autonomía de las baterías resulta determinante en las prestaciones finales del robot.

Sistema motor: Los UAVs que utilizan solo energía eléctrica emplean motores eléctricos de altas revoluciones por minuto. Estos suelen ser de menor potencia y menor peso siendo su periodo de autonomía inferior. Los UAVs impulsados con gasolina u otros combustibles fósiles tienen prestaciones mayores además de una mayor autonomía. Estos emplean motores de combustión. Sin embargo este proyecto solo cubrirá UAVs con motores eléctricos ya que los impulsados mediante motores de combustión resultan mucho más difíciles de controlar, más caros e inseguros para la realización de pruebas en interiores.

Sistema sensor: El sistema sensor de un UAV representa la capacidad de percepción que tiene el robot para conocer su estado dentro del entorno en que desarrollará el vuelo. Aunque sería deseable incluir la mayoría de los sensores que se utilizan en la robótica tradicional. Sin embargo, debido al reducido peso con el que puede cargar un aparato de este tipo, es necesario limitar el número de sensores a los imprescindibles. Los sensores más comunes son: sensor inercial formado por acelerómetros, giróscopos y magnetómetros para determinar la orientación absoluta del robot en el aire, un GPS para determinar la posición absoluta en el espacio y una cámara de video para localizar elementos de referencia importantes para la navegación.

Sistema controlador: El sistema controlador del UAV se encarga de dar los comandos apropiados al sistema motor para que el movimiento que describa el aparato sea el apropiado en cada situación. En la mayor parte de los casos el corazón del sistema controlador es un microcontrolador conectado a los diferentes sensores y a los drivers de los motores. Es frecuente además que este sistema controlador esté conectado a una antena para poder establecer una comunicación con una estación base situada en tierra.

Sistema de comunicaciones: Éste es uno de los elementos más importantes ya que permite enviar información de interés a la estación base. La información puede contener tramas de video, información meteorológica, avistamiento de objetivos, etc. En ocasiones se puede utilizar también para permitir el telecontrol de un usuario experto situado en tierra.

En la siguiente imagen se puede apreciar detalladamente la interrelación de los diferentes componentes por los que está formado un robot autónomo volador:

ArquitecturaDeControl.jpg