Diseo, Desarrollo y Construccin de un

cuadricptero: Prototipo Helios

Ocampo Ochoa Viridiana, Aceves Arteaga Alan, Gereca Garca Ari

Escuela de Ingeniera, Universidad La Salle Cuernavaca

Cuernavaca, Morelos. Mxico.

virycapricornio@hotmail.com

alucard_787@hotmail.com

atlasinc@live.com.mx

I. Presentacin

En el siguiente documento se desarrolla el diseo de un

vehculo areo no tripulado (UAV) controlado por comunicacin

Bluetooth a travs de un micro controlador Arduino. El prototipo

sobre el cul se basa este documento se trata de un cuadricptero

basado en comunicacin Bluetooth de corto alcance, equipado

con motores brushless controlados por variadores de velocidad a

20 A capaces de soportar una carga mxima de 2500 gr en

condiciones areas estables.

En el desarrollo de este diseo, se recopila informacin

acerca de la historia y evolucin de los sistemas areos abarcando

modelos tripulados, no tripulados, drones, multicpteros, etc.

Mostrando las caractersticas entre cada uno de ellos y

justificando las elecciones de materiales y diseo conceptual.

Dicho diseo pretende abarcar de manera detallada la

descripcin de los componentes de multicpteros, principio de

funcionamiento, as como la implementacin de herramientas de

calidad para controlar los procesos de construccin y pruebas.

Abstract - The following document describes the design of

unmanned aerial vehicle (UAV) controlled by Bluetooth

communication and a microcontroller Arduino.

In developing of this design, the information is

collected about the history and evolution of aerial systems

encompassing manned models, unmanned drones,

multicopters, etc. showing the features between each of them

and justifying the election materials and conceptual design.

II. Introduccin

En el siguiente documento presentamos con lujo de detalle el

trabajo realizado comprendiendo desde la bsqueda de

informacin, diseo conceptual, proceso de construccin hasta

parmetros de calidad.

El captulo 1 comprende los fundamentos tericos, tales

como antecedentes, descripcin de los componentes empleados,

justificacin, objetivos y planteamiento del problema.

En el captulo 2 se encuentra la metodologa de diseo

donde se pueden apreciar los requisitos de construccin, ya sean

deseables o normativas, las diferentes ponderaciones realizadas

para la construccin del prototipo, el diseo conceptual necesario

para visualizar el prototipo terminado adems del diseo de

detalle, donde se establecen las caractersticas finales del diseo y

una serie de planos para su manufactura.

El captulo 3 abarca los dibujos en 3D, el proceso de

construccin, adems de la lista de materiales y costos empleados.

El captulo 4 comprende el proceso realizado de control

de calidad aplicando herramientas como diagrama de flujo, hojas

de verificacin, diagramas de Pareto, grficas de control y

propuestas de solucin.

Finalmente en el captulo 5 se presentan las

conclusiones del proyecto en general, agradecimientos y anexos

para una mejor apreciacin de los planos y diagramas.

Captulo 1

Fundamentos

III. Antecedentes

A. Definicin.

Un vehculo areo no tripulado (UAV: Unmanned

Aerial Vehicle), es una aeronave que vuela sin tripulacin humana

a bordo, que pueden ser controladas desde una estacin base o

tener un funcionamiento autnomo mediante un algoritmo

prestablecido. Se aplica este trmino a todo tipo de aeronaves,

desde un avin manejado por radio, helicpteros, cuadricpteros

radiocontrolados hasta un misil.

Un cuadricptero o quadrotor es una aeronave con la

capacidad de elevarse y desplazarse con la propulsin de 4

motores instalados al final de un marco en forma de cruz.

El control del cuadricptero se realiza por medio de la

variacin de la potencia de los motores, lo que provoca

variaciones en sus momentos, dando lugar al movimiento que se

desea obtener. [1]

B. Historia.

El ideal de alcanzar el cielo es tan antiguo como el

hombre mismo, y que sera del humano sin sueos? Inspirados

por la capacidad de las aves para conquistar el cielo, las grandes

mentes han diseado desde hace muchos aos distintos tipos de

mecanismo que conquisten terrenos inalcanzables para el hombre,

Da Vinci fue el precursor de distintos tipos de aeronaves

tripuladas. Es hasta el inicio de la Segunda Guerra Mundial donde

con fines militares se utiliz por vez primera distintos tipos de

aeronaves y posteriormente en la Guerra Fra se empez a

construir todo tipo de mquinas areas como aviones,

helicpteros y a la par dispositivos voladores a pequea escala,

que tendran como objetivo el entretenimiento de sus pilotos y a

los operarios de caones antiareos.

En un desarrollo paralelo, la tecnologa tambin tuvo un

desarrollo impresionante en muchos mbitos, y era inevitable

que la aeronutica y la robtica no se encontrarn, precursor de

esto fue el inventor francs Alphonse Penaud que fabric el

primer modelo de un vehculo areo no tripulado (UAV por sus

iniciales en ingls Unmanned Aerial Vehicle) que se lanzaba con

la mano e iba propulsado por bandas de goma retorcidas

previamente, consiguiendo en el ao 1871 que volase unos 35

metros. Este modelo consista en un aeroplano con cola fija

estabilizadora que armonizaba al mismo tiempo la estabilidad

longitudinal. Posea un motor de goma (banda de caucho) que era

puesto en movimiento accionando su hlice de madera liviana.

En el siglo 20 el cientfico francs Charles Richet en

conjunto con Louis Brguet construyeron un pequeo helicptero

pilotado que era una aeronave de alas giratorias, donde la

velocidad aerodinmica proviene principalmente del giro de las

palas del rotor. Este modelo que constaba con 4 alas giratorias se

levant del suelo en 1907, pero careca de una suficiente

estabilidad y capacidad de mando para efectuar un vuelo

controlado. La aeronave fue denominada El Giroplano de

Brguet Richet, que bsicamente es un cuadricptero con

propulsores de 8.1 metros de dimetro, un peso de 578 Kg

y con un motor de combustin interna de 50Hp que manejaba los

rotores a travs de una transmisin de correa y polea.

Posteriormente en 1922 en Francia se crea un prototipo,

llamado Convertawings Modelo A, fue diseado para uso

civil y militar. El diseo tena dos motores que controlaban cuatro

rotores.

Con el avance de nueva tecnologa se ha incrementado

el inters en el diseo de cuadricpteros, la empresa Bell dise

un Quad-Tiltrotor, capaz de llevar una gran carga til, alcanzando

altas velocidades, emplea un pequeo espacio tanto para el

despegue como para el aterrizaje y puede modificar la direccin

de sus cuatro rotores, hacia delante para tener un vuelo vertical

como un avin convencional.[2]

Finalmente los modelos de los vehculos fueron

evolucionando a pasos agigantados agregando accesorios cada

vez ms sofisticados que el mercado brinda gracias a los avances

en telecomunicaciones, especialmente en cuanto a la recepcin,

manejo y transmisin de datos, lo que permiti dar el siguiente

paso en conseguir comunicaciones mucho ms seguras y

difciles de interferir.

C. Ventajas y Desventajas

Ventajas de los UAV radiocontrolados:

Posibilidad de uso en reas de alto riesgo o de difcil

acceso.

No requiere la actuacin de pilotos.

rea de aterrizaje paralelo al plano terrestre, ideal para

aterrizajes en interiores o con poco espacio.

Desventajas:

Influencia en su funcionamiento por los fenmenos

fsicos, como la actividad solar, mal clima, tormentas de

rayos, etc.

Capacidad de vuelo limitada por el tipo de combustible,

fuente de energa, tamao, alcance y su sistema de

navegacin.

La posibilidad de que la inteligencia artificial del UAV

pudiera determinar por s misma los objetivos a atacar.

Algunas personas pueden ser grabadas y fotografiadas

de forma ilegal, tanto en espacios privados como

pblicos, siendo una seria amenaza para la privacidad

personal.

El alto coste de su adquisicin y mantenimiento.

D. Clasificacin de los UAV

Existen varias maneras de clasificar a los vehculos areos no

tripulados. A continuacin se presentan los principales aspectos

que consideran para su clasificacin [3]:

1) Por el tipo de misin: Bsicamente se agrupan en los

siguientes 6 tipos: De simulacin de blancos (para

confundir al enemigo), reconocimiento de terreno,

combate, de logstica (para transportar carga),

investigacin y desarrollo.

2) Por su alcance: Se pueden encontrar los Handheld

que no sobrepasan los 600 metros de altura ni los 2 kilmetros

de distancia o los Orbitales que vuelan en rbitas bajas

terrestres a altas velocidades (este tipo de vehculo se

encuentra en etapa de estudio).

Christian Nadales Real de la Universidad Tcnica de Catalua

realiza una tabla comparativa de estas aeronaves.

TABLA 1

TABLA COMPARATIVA DE AERONAVES

Observando el amplia gama de vehculos areos no tripulados que

existen, debido a su gran versatilidad, estos pueden ser utilizados

en distintas situaciones, desde la milicia hasta como supervisor de

una ruta especfica, o vigilancia, gracias a su gran capacidad de

adaptabilidad que tienen variando sus caractersticas y

especificaciones podemos lograr casi cualquier objetivo que se

desee.

E. Componentes de un cuadricptero.

Esta seccin est dedicada a mencionar cada uno de los

componentes generales que integran un cuadricptero comercial,

la eleccin sobre stos materiales se realizar en el siguiente

captulo y ser basada con las caractersticas aqu mencionadas.

1) Motores. En electrnica se utilizan dos tipos de

motores, los motores brushed, que consisten de un par de

magnetos estacionarios y permanentes, posicionados en la

parte interna de la capa exterior, y un magneto que servir

como Polo Norte y otro como el Sur. Adems una parte

rotatoria consiste de un ncleo de hierro suave (material que

no mantendr el magnetismo) que se ve como muchas placas

conectadas en forma de circulo. Estas placas son usadas para

embobinar los campos que forman los polos magnticos

cambiantes. Todos los finales de los alambres se conectan a

un conmutador que hace contacto con dos escobillas (brushes)

que permiten que la corriente fluya al motor desde la batera.

A medida que el armazn rota, las escobillas pasan la

corriente a las bobinas en varias direcciones, resultando en un

campo magntico variable que repele y atrae dos magnetos

permanentes, causando que el armazn gire.

Este tipo de motores tienen la desventaja de que al

existir tanta friccin mecnica entre sus componentes, se

eleva su temperatura rpidamente y existen muchas prdidas

energticas por lo cual su relacin de fuerza electromotriz es

relativamente baja comparada con los motores brushless.

Los motores brushless como su propio nombre indica,

quiere decir "sin escobillas" estn compuestos por una parte

mvil que es el rotor, que es donde se encuentran los imanes

permanentes, y una parte fija, denominada estator o carcasa,

sobre la cual van dispuestos los bobinados de hilo conductor.

En este tipo de motor la corriente elctrica pasa directamente

por los bobinados del estator o carcasa, por lo tanto aqu no

son necesarios ni las escobillas ni el colector que se utilizan

en los brushed. Esta corriente elctrica genera un campo

electromagntico que interacciona con el campo magntico

creado por los imanes permanentes del rotor, haciendo que

aparezca una fuerza que hace girar al rotor y por lo tanto al

eje del motor.

Fig. 1 Parte interna de un motor brushless.

Fig. 2 Componentes internos y externos de un motor brushless outrunner.

1- Armadura de aluminio.

2- Base de aluminio agujerada.

3- Soportes en forma de cruz para fijar motor a una base

plana.

4- Imanes fijos al anillo de flujo.

5- Anillo de flujo con acabado en negro (opcional).

6- Anillo de bloqueo, mantiene un espacio entre imanes y

anillo de flujo.

7- Placas de estator cubiertas con resina.

8- Alambre de cobre que forman embobinados.

9- Rodamientos de bolas utilizados para apoyar el eje del

motor.

10- Adhesivos que protegen los embobinados del estator y

evitan corto circuito.

No tenemos ni escobillas, ni colector y tampoco

tenemos delgas; por lo que ahora el elemento que controlar

que el rotor gire sea cual sea su posicin ser el variador

electrnico; que lo que hace bsicamente es ver en qu

posicin se encuentra el rotor en cada momento, para hacer

que la corriente que le llegue sea la adecuada para provocar el

movimiento de rotacin que le corresponde. El variador es

capaz de hacer esto, gracias a unos sensores en el motor, o

tambin mediante la respuesta obtenida o mejor dicho,

observacin de cmo se comporta la corriente del motor. Por

este motivo, los variadores empleados en este tipo de motores

son algo ms complicados que los utilizados en brushed, ya

que deben analizar la respuesta y los datos de funcionamiento

del motor segn estn teniendo lugar, es decir, en tiempo real.

[4]

Dentro de las especificaciones de este tipo de motores,

encontramos una constante conocida como factor Kv,

normalmente aparece junto al nmero de vueltas de bobinado

del motor, y lo que nos indica es el nmero de revoluciones

por minuto a las que es capaz de girar el motor por cada voltio

de electricidad que se le aplica.

Se utiliza motores brushless para aeromodelismo con

control electrnico. A diferencia de un motor DC

convencional, en un motor brushless la armadura no tiene

movimiento y el imn permanente es el que gira sobre su eje.

Estos motores son conocidos como outrunners.

2) Bateras. Siendo conscientes de la infranqueable

necesidad de alimentar elctricamente el circuito operacional

del cuadricptero necesitamos de alguna reaccin qumica

que su resultado sea un diferencial de potencial; existen

muchos tipos de reacciones que ofrecen un diferencial de

potencial pero por su eficiencia y capacidad para suministrar

la suficiente corriente elctrica que requerimos en el proyecto

nos enfocaremos en las bateras polmero de Litio.

Una batera Lipo tiene una densidad energtica de 100-

130 Wh/kg, que se refiere a la propiedad que nos permite

saber cunta energa es posible almacenar por kg de batera.

Normalmente se mide en Wh/kg= A*h*V/kg. Adems tienen

una elevada tasa de descarga que requieren los brushless. Y

una tensin de Valores discretos (n*3.7 V), siendo n un

numero entero positivo de celdas conectadas en serie de

batera. [4]

Fig. 3 Batera Lipo recargable

3) Hlices. La hlice es un dispositivo mecnico formado

por un conjunto de elementos denominados palas o labes,

montados de forma concntrica y solidarias de un eje que,

al girar, las palas trazan un movimiento rotativo en un

plano. Las palas no son placas planas, sino que tienen una

forma curva, sobresaliendo del plano en el que giran, y

obteniendo as en cada lado una diferencia de distancias

entre el principio y el fin de la pala. Provocando una

diferencia de velocidades entre el fluido de una cara y de la

otra. Segn el principio de Bernoulli esta diferencia de

velocidades conlleva una diferencia de presiones, y por lo

tanto aparece una fuerza perpendicular al plano de rotacin

de las palas hacia la zona de menos presin.

Fig. 4 Par de hlices (izquierda y derecha)

4) Variadores de velocidad ESC. Los variadores son los

elementos que se encargan de manejar los motores elctricos

y se les denomina por las siglas ESC (Electronic Speed

Controller).

Los motores Brushless que cuentan con un bobinado

especial semejante al de los motores industriales trifsicos y

aplicando mucha ms frecuencia no se pueden conectar

directamente a la batera sino que requieren de un circuito

electrnico que los maneje, por esta razn se utilizan los

variadores de velocidad ESC. Pueden llegar a ser muy

sofisticados y manejar capacidades de corriente muy elevadas

(llegan a alcanzase los 200A en modelos extremos)

obteniendo unas potencias que compiten con los modelos de

gasolina.

Estos circuitos hacen una gestin avanzada del motor y

requieren ser "programados" antes de usarlos.

Fig. 5 Variador o controlador de velocidad ESC

5) Sistema de control. Para el sistema de control de un

cuadricptero se pueden utilizar diferentes dispositivos de

control que facilitan la comunicacin con el cuadricptero. A

continuacin, se mencionan algunos de los componentes ms

comunes para formar la torre de control:

Arduino: es una plataforma de hardware libre, basada

en una placa con un micro controlador y un entorno de

desarrollo, diseada para facilitar el uso de la electrnica en

proyectos multidisciplinares.

Mdulo Bluetooth: Para cumplir con las

especificaciones que este trabajo requiere, es necesario

entablar una comunicacin entre el microcontrolador

Arduino y una base de control (lap top). Una forma muy

sencilla de realizar esta comunicacin es de forma serial con

el mdulo Bluetooth (en este caso el modelo JYMC)

Giroscopio: es un dispositivo basado en la aceleracin

de Coriollis. En l, un material piezoelctrico se hace

oscilar a la frecuencia de resonancia, de modo que al girar,

la fuerza de Coriollis provoca la aparicin de una diferencia

de potencial debida a la desviacin del prisma, permitiendo

la medida de la velocidad de rotacin.Su funcin es

mantener la direccin de la cola ante viento u otros medios

ajenos a la emisora como por ejemplo el par motor al

acelerar. Para este trabajo, se utiliza el wii motion plus para

sta funcin. [*]

Fig. 6 Giroscpio wii motion plus

IV. Planteamiento de Problema

Considerando que la evolucin de los vehculos areos no

tripulados ha sido pieza fundamental para el entrenamiento de

pilotos con diferentes propsitos, es necesario detenerse a pensar

qu tan involucrado est el ingenio mexicano en la evolucin de

estos diseos? A decir verdad, la ingeniera mexicana ha estado

interesada en observar y recrear vehculos existentes en el

mercado sin involucrarse en su totalidad con el anlisis de su

funcionamiento y mucho menos en la aportacin de mejoras

sustanciales a estos diseos.

Ser posible realizar un diseo ingenieril nacional de un

vehculo areo no tripulado tipo cuadricptero, capaz de reunir las

caractersticas principales de su funcionamiento y un anlisis

completo de un sistema de control dirigido por bluetooth?

Podr crearse un diseo que abarque desde las ideas innovadoras

de unos estudiantes hasta los cumplimientos de las normas de

diseo y calidad que este tipo de trabajo requiere, que sea capaz

de competir con diseos propuestos por pases vecinos?

Este diseo podr aportar conocimientos claros e ideas nuevas

sobre los diseos que ya existen?

V. Propsito del diseo

Disear un vehculo areo no tripulado tipo cuadricptero

aplicando los conocimientos de mecnica, electrnica y dibujo,

capaz de ser dirigido por comunicacin bluetooth a un alcance

mximo de 10 m. Con este diseo se pretende hacer una

recopilacin de informacin y anlisis de esfuerzos que sirva de

apoyo para futuras investigaciones, adems de demostrar que la

ingeniera mexicana est a nivel de competir con diseos

extranjeros que cuentan con mejores recursos.

VI. Objetivos

Objetivo general.

Realizar el prototipo y diseo ingenieril de un vehculo areo no

tripulado tipo cuadricoptero hecho con materiales nacionales

dirigido por comunicacin Bluetooth con interfaz en LabView,

con un alcance mximo de 10 m de distancia. Este diseo va

dirigido a personas con inters en el mbito del aeromodelismo

con la intencin de esclarecer dudas de funcionamiento.

Objetivos particulares.

Realizar un diseo completo sobre un cuadricptero

micro, proporcionando informacin sobre su principio de

funcionamiento.

Redactar un informe sobre el proceso de construccin

del prototipo fabricado, haciendo modificaciones a los modelos

comerciales.

Concretar las caractersticas particulares del diseo y

adaptarlas a los requerimientos planteados.

Realizar una comunicacin inalmbrica por Bluetooth

con el cuadricptero, considerando las limitaciones y alcances

que nos ofrece.

VII. Justificacin

La industria del aeromodelismo ha sido desde hace muchos aos,

tema de investigacin para la ingeniera por su amplias

aplicaciones y nuevos modelos, siempre implementando las ms

recientes tecnologas. Existen muchos aficionados que al comprar

los componentes o armando un kit, creen estar haciendo algo

interesante, sin detenerse a pensar todos los clculos,

procedimientos y caractersticas que engloban estas aeronaves.

Por esta razn, se ha elegido realizar el diseo de un

cuadricptero, abarcando informacin desde sus inicios, la

descripcin de la comunicacin con el control de mando, hasta la

eleccin de materiales posteriormente justificados.

Es importante resaltar, que a pesar de que este prototipo muestra

un aspecto poco intimidador, la idea principal es poder realizar un

diseo completo, nacional y con nuevas aportaciones contando

con el funcionamiento base de un cuadricptero.

Captulo 2

Mtodo de diseo.

I. Diseo de Especificaciones del Producto

En las siguientes tablas, se realizar una seleccin de

materiales y variables para definir las caractersticas del diseo.

Las decisiones de las variables de solucin sern fundamentadas

por anlisis de esfuerzos, disponibilidad en el mercado, ajuste al

propsito del diseo, etc.

TABLA 2

VARIABLES DE ENTRADA

A. Criterios de eleccin de variables

Chasis

Estructura. La eleccin de la estructura se decidir

considerando la practicidad de su funcionamiento, a fin de elegir

la forma del chasis ms adecuada para lograr un prototipo fcil de

manejar.

Materiales. El material que se utilizar para la

construccin deber ser ligero, fuerte y fcil de maquinar.

Motores

Los motores empleados para el aeromodelismo deben

proporcionar una mayor potencia elctrica con la menor perdida

mecnica posible.

Variadores de velocidad ESC

Considerando el alto costo de los controladores en el

mercado y la complejidad del circuito para reproducirlo, se deber

elegir una opcin que ahorre tiempo y a su vez no sea de gran

costo.

Variables de entrada Lmites de entrada

Chasis Ligero

Motores Elctrico

Variadores de velocidad (ESC) Ninguno

Hlices Ninguno

Sistema de control Ninguno

Rango de carga Ninguno

Acabado Ninguno

Hlices

Tamao. La dimensin de las hlices depender del

motor elegido y su capacidad de levantamiento mximo acorde al

prototipo que se desea construir. Adems, la eleccin est sujeta a

disponibilidad en el mercado.

Material. Las hlices que se utilicen debern poder

soportar altas velocidades y grandes vibraciones, por lo tanto

debern tener un material resistente a vibraciones y ligero. Sujeto

a disponibilidad en el mercado.

Sistema de comunicacin al control

Este diseo esta propuesto para realizar una mejora al

sistema de comunicacin con los que cuentan los cuadricpteros

comerciales (Radio Frecuencia).

Carga soportada

El peso mximo de carga ser regido por la potencia de

los motores utilizados, pero el peso real del prototipo ser

determinado por el peso de los componentes utilizados y deber

estar dentro del rango mximo permitido por los motores.

TABLA 3

CARGA TOTAL DEL CUADRICPTERO.

Arduino uno 45 gr

Wii motion plus 10 gr

Mdulo bluetooth 7 gr

Placas de acrlico 50 gr

Placa madera 20 gr

4 Motores brushless 242 gr

Entrenadores 66 gr

Hlices 10 gr

Estructura aluminio 420 gr

Batera LiPo 100 gr

Peso total 1020 gr

Dimensiones generales

De acuerdo a principios de Esttica sobre la estabilidad

de una estructura colocndole motores en las puntas, el rango de

medidas de los ejes es dependiente de los motores y su potencia.

El ancho del perfil est sujeto a disponibilidad en el mercado.

Dependiendo del largo de los ejes se establecern las dimensiones

de la base de acrlico, as como la distribucin de hoyos sobre el

eje. Los dimetros de los entrenadores sern determinados con el

tamao de las hlices.

B. Requisitos deseables

Las especificaciones deseables estn descritas por

ponderacin de accesorios, para lo cual se muestra la tabla y los

resultados obtenidos.

TABLA 4

PONDERACIN DE REQUISITOS DESEABLES

Con los resultados obtenidos de la ponderacin, se

concluye que la prioridad deseable en el diseo es hacer que la

fuente de alimentacin vaya sobre el cuadricptero sin necesidad

de cables, en segundo orden que el vuelo dure ms de 5 minutos,

que sea autnomo o que sea controlado por bluetooth; en tercer

lugar que cuente con una cmara web. Por ltimo que tenga

reconocimiento facial.

TABLA 5

VARIABLES DE SALIDA

Variable de salida Lmite de salida

Chasis

Estructura y Materiales

Forma X

Forma t

Aluminio

Acrlico

Motores Motores CD

Motores Brushed

Motores Brushless

Variadores de velocidad ESC Variador comercial

Variador casero

Hlices

Tamao (medidas estndar)

Material

7- 10 in

Plstico

Madera

Sistema de comunicacin al control Mdulo Bluetooth

Radio Frecuencia

Carga soportada 400 gr 2500 gr

Dimensiones generales:

Largo eje de la estructura (motor a

motor)

Ancho del perfil U

Alto y ancho de base de acrlico

Separacin entre agujeros sobre el perfil

Dimetro de los entrenadores

380 mm 500 mm

51 mm

130 x 130 mm

32 mm

350 mm

II. Diseo Conceptual

En las siguientes figuras se podr visualizar de manera

general la estructura y componentes del prototipo de un

cuadricptero micro. Para una mejor apreciacin de los planos,

vase Anexo II.

Fig. 7 Vista frontal dibujo en 3D del prototipo a realizar

Fig. 8 Vista inferior del dibujo en 3D del prototipo

Fig. 9 Planos de componentes maquinables del prototipo

III. Diseo De Detalle

Para realizar la eleccin de materiales, se realizan los

siguientes clculos.

A. Anlisis de esfuerzos

Mdulo Elstico

Ealuminio= Momento de inercia Ix

Por la ecuacin general de deflexin y(x)= M (x) E aluminio Ix

M(x) =

2

y(x)=

2 E aluminio Ix

y(x)=

2 E aluminio Ix

y(x)=E aluminio Ix

2 + C

y(x)

E aluminio Ix=

2

2 + C

x=

2 por condiciones de contorno

y(x=

2 ) =0

C=2

16

y(x)

E aluminio Ix =

()

=

2

4 + C dx

()

=

3

12 =

2

16 + C

y(x=0) C1 = E aluminio Ix (3

12

2

16x)

y(x=

2 ) = E aluminio I (

3

96

2

32)

= 3

48

2. Forma energa de deformacin de la ecuacin Clapeyron

Um = 2

2

0

Constantes

Um ( 2 E Ix ) = (

2

2

0)2

= 2 [22

12]

2

0

Um = 2 23

2 96

W= =

2

Eal = 6.3 7 x 10 N m

def = = 3

48

70000

2 (

9.8

1 ) (

12

0.00012) = 6.86 1010

2

= = 0.345 (9.81

2) = 3.38445

= 3.38445 (0.3813)

48 (6.86 1010

2)(31.301)

= 1.81 1011 Metros.

Por lo que la deformacin de la estructura en estado esttico es despreciable

Datos obtenidos por el software Sections para el S.O Android

B. Variables de solucin

En la siguiente lista, se mostrarn las variables de solucin

planteadas para la construccin del cuadricptero.

TABLA 6

VARIABLES DE SOLUCIN

Variable de solucin

Chasis

Estructura y Materiales

Forma t de

Aluminio

Motores Motores Brushless

Variadores de velocidad ESC Variador comercial

Hlices

Tamao (medidas estndar) y

Material

8 in de Plstico

Sistema de comunicacin al control Mdulo Bluetooth

Carga soportada 400 gr 2500 gr

Dimensiones generales:

Largo eje de la estructura (motor a

motor)

Ancho del perfil U

Alto y ancho de base de acrlico

Separacin entre agujeros sobre el

perfil

Dimetro externo de los

entrenadores

380 mm 500 mm

51 mm

130 x 130 mm

32 mm

350 mm

C. Diseo de circuitos

La siguiente figura muestra la simulacin en Proteus del

circuito de control que conecta el Arduino con los motores. Para

una mejor apreciacin, consultar Anexo III.

Fig. 9 Circuito que controla los motores con variadores.

D. Diagrama de comunicacin

A continuacin se representa de forma grfica la

comunicacin entre el cuadricptero y la base de control. El inicio

de este sistema est en la seal emitida por Labview que consta de

una cadena de caracteres por puerto serial por medio del

Bluetooth hacia el Arduino, en seguida Arduino procesa la seal y

entra a un men para determinar qu tipo de control ser. Para

una mejor apreciacin del diagrama, consultar Anexo IV.

Fig. 10 Diagrama de comunicacin del sistema

E. Descripcin del producto

Vehculo Areo no Tripulado tipo cuadricptero

categora micro, formado por dos medidas diferentes de perfiles

tipo U de aluminio, de 300 y 280 mm de longitud y 51 mm de

ancho, con una base de acrlico de 130 x 130 mm en el centro

para montaje de circuito de control y unin de perfiles. Cuenta

con un giroscopio para calibrar y controlar el movimiento del

cuadricptero y cuatro motores brushless de 1100KV de 12v

capaces de levantar un kilogramo cada uno. Cada motor cuenta

con una hlice de ocho pulgadas y variador de velocidad ESC

(Electronic Speed Controler). Todo el sistema est controlado por

un Arduino uno y un mdulo Bluetooth que funciona como

receptor de seal, la base de control est programada en la

plataforma Arduino con interfaz en LabView.

F. Planos

Captulo 3

Construccin.

I. Proceso de construccin

En esta seccin, se detallan los pasos a seguir para la

fabricacin del prototipo Helios.

1. Seleccin de materiales.

2. Realizar distintos prototipos con distintas caractersticas

y seleccionar el que ms se ajuste a las necesidades.

3. Seleccionar prototipo final.

4. Maquinar piezas maquinables.

5. Comprar piezas no maquinables.

6. Comprar motores, controladores, y hlices.

7. Calibrar motores Brushless.

8. Realizar un corte a 45 en los extremos de los perfiles.

9. Realizar cuatro barrenos elpticos con una longitud de

tres centmetros a un radio de un centmetro, ms cuatro

barrenos de 3 milmetros de dimetro por cara lateral

del perfil.

10. Sujetar los perfiles a la base con tornillera de 2.778

milmetros de dimetro.

11. Realizar unos protectores de hlices con espuma de

poliuretano y unicel a la medida del cuadricoptero.

12. Sujetar una placa con Arduino y el mdulo bluetooth

con velcro

13. Realizar una placa tipo shield para arduino que

facilite la conexin entre motores.

14. Realizar pruebas de vuelo en un ambiente controlado.

15. Ajustar la programacin correspondiente para un

ptimo funcionamiento.

II. Lista de materiales y costos

Material Cantidad Precio Total

Placa de 30x40cm de acrlico

1 $38 $38

Perfil en C de aluminio

2 metros $72 $72

Motor Brushlees 4 $300 $1200

Controlador de motor Brushless

4 $250 $1000

Hlice de 8in de dimetro

4 $50 $200

Sujetador de hlice 4 $25 $100

Tornillo de 2.778mm de dimetro

16 $3 $48

Tornillo de 1 mm de dimetro

16 $2 $32

Espuma de poliuretano

22 $60 $60

Unicel 4 $50 $200

Placa de cobre preperforada

1 $12 $12

Velcro 12 piezas $30 $360

Costo total del proyecto

$4322

Captulo 4

Proceso y control de calidad

Como en todo proceso, es fundamental considerar algunos

parmetros de calidad para lograr un producto competitivo y

eficiente. Por tal motivo, en este captulo se presenta la

implementacin de diferentes herramientas de calidad para

detectar, analizar y corregir los defectos ms graves presentados

durante el proceso de construccin.

I. Diagrama de flujo del proceso de produccin

II. Descripcin de las caractersticas de calidad

Caractersticas Unidades Instrumentos

Velocidad metro/segundo Tacmetro

Altura mxima alcanzada

Metro Metro

Distancia recorrida Metro Metro

Peso gramos bascula

Estabilidad Adimensionales

Conexin inalmbrica

Bluetooth

Tiempo de elevacin

segundos Reloj

III. Definicin de los problemas principales

Los principales problemas y defectos son:

Perfiles de diferentes tamaos. (En el diagrama de flujo

es el de naranja)

Perfiles con diferentes pesos. (En el diagrama de flujo

es el de naranja)

Los agujeros pueden ser asimtrica. (En el diagrama de

flujo es el verde)

Los motores pueden ir mal calibrada. (en el diagrama de

flujo es el amarillo)

IV. Hoja de verificacin

V. Diagrama de Pareto

Conclusin sobre calidad.

Gracias a estas herramientas, es posible observar con

mayor claridad los puntos crticos del proceso de construccin,

clasificando los problemas presentados de acuerdo a su frecuencia

de aparicin, y analizando su influencia en todo el proceso.

Captulo 4

Conclusiones y Agradecimientos

I. Conclusin

Sera fcil amontonar una burda amalgama de palabras que

les des una idea de todo lo que hemos aprendido en este par de

semanas, todo por lo que hemos pasado, sera fcil esbozar una

sonrisa al exponer este proyecto y convencerlos de que todo el

trabajo que hemos realizado ha sido completamente fcil; pero

todo eso sera una mentira, mentira al decir que esto fue tan fcil

como poner todas las piezas en su lugar, pues lamento decirles

que nosotros en ningn momento jugamos a lego, lamento

decirles que si pecamos de algo hemos pecado de ambicin y hoy

letra a letra tengo el increble placer de confesarles que la mayor

motivacin que pudimos encontrar en esta cruzada fue que nos

dijeran una y otra vez que no podamos realizarlo, gracias a esa

ferviente emocin que quemaba en nuestro pecho nos permitieron

lograr todo lo que en este documento presentamos; es imposible

darles a entender toda la odisea que afrontamos, nos perdimos,

peleamos, reconciliamos, nos encontramos, y todo porque este

proyecto creemos que vale la pena, y en este momento

permtanme un instante de vanidad y orgullo para decir con la

nica pisca de humildad que me queda en mi cuerpo para

expresarle que no podra estar ms orgulloso de mi equipo, de

todas las personas que nos han ayudado, de este proyecto.

II. Agradecimientos:

Me gustara pensar que este proyecto es el producto de muchas

manos juntas que demuestran que absolutamente nada es difcil si

trabajamos en equipo, ya que la verdadera fortaleza de un hombre

es la del compaero que tiene a su lado Agradecemos a:

Raphael Breaks y su equipo por su incondicional ayuda, un lugar

para trabajar y siempre una palabra de apoyo.

Hctor nuestro vendedor, maestro, gua, y sobretodo amigo;

gracias por todo lo que has hecho por nosotros no hay palabras

para expresar la gratitud que te debemos.

A todas las personas que apoyaron econmicamente a este

proyecto, amigos, hermanos, padres de familia, peso a peso

construyeron junto a nosotros este sueo.

A mi brillante equipo que sin ellos esta idea errtica hubiera

continuado en el cosmos sin convertirse de carne y hueso.

Y finalmente a todas las personas que nos dijeron que no

podamos lograrlo

Gracias.

Referencias bibliogrficas

[1] A. Arvalo, Vehculos areos no tripulados, descripcin y

capacidades para la obtencin de informacin, [Online].

Disponible:

http://www.escrint.cl/php/contenido/UA %20CORREGIDO.pdf

[2] R. MAYORGA, Sistema de Navegacin para Vehculos

Areos Cuadricpteros, Proyecto de titulacin en Ingeniera

Tcnica Aeronutica, Universidad Politcnica Superior de

Catalua. Espaa. 2009.

[3]http://www.quadruino.com/guia-2/materiales-necesarios-

1/baterias-lipo

[4]http://www.aeromodelismoelcan.com/component/content/articl

e/2-uncategorised/59-motores-electricos-brushed-brushless

[5]http://www.radiocontrol.com.es/helicopteros_rc/helicopteros_e

lectricos/giroscopio_aeromodelismo.html

ANEXOS

ANEXO I

Cdigo para maquinar base de acrlico en CNC

; ICN_PATH = c:\intercon\arimaq.icn

; --- Header ---

N0001 ; CNC code generated by Intercon v1.27

; Description:

; Programmer: r

; Date: 14-May-2014

M25 G49 ; Goto Z home, cancel tool length offset

G17 G40 ; Setup for XY plane, no cutter comp

G21 ; millimeter measurements

G80 ; Cancel canned cycles

G90 ; absolute positioning

G98 ; canned cycle initial point return

; --- Tool #1 ---

;Tool Diameter = 3.1750 Spindle Speed = 900

;1/8

G49 H0 M25

G0 X0.0 Y0.0

N0002 T1 M6

S900 M3

G4 P1.00 ; pause for dwell

G43 D1

; --- Drill ---

N0003 X-8.05 Y66.95 Z5.0 H1

G81 X-8.05 Y66.95 Z-5.0 R2.5 F60.0

G80

; --- Drill ---

N0004 X8.05

G81 X8.05 Y66.95 Z-5.0 R2.5 F60.0

G80

; --- Drill ---

N0005 X-66.95 Y8.05

G81 X-66.95 Y8.05 Z-5.0 R2.5 F60.0

G80

; --- Drill ---

N0006 Y-8.05

G81 X-66.95 Y-8.05 Z-5.0 R2.5 F60.0

G80

; --- Drill ---

N0007 X-13.05 Y8.05

G81 X-13.05 Y8.05 Z-5.0 R2.5 F60.0

G80

; --- Drill ---

N0008 Y-8.05

G81 X-13.05 Y-8.05 Z-5.0 R2.5 F60.0

G80

; --- Drill ---

N0009 X-8.05 Y-29.15

G81 X-8.05 Y-29.15 Z-5.0 R2.5 F60.0

G80

; --- Drill ---

N0010 X8.05

G81 X8.05 Y-29.15 Z-5.0 R2.5 F60.0

G80

; --- Drill ---

N0011 X-8.05 Y29.15

G81 X-8.05 Y29.15 Z-5.0 R2.5 F60.0

G80

; --- Drill ---

N0012 X8.05

G81 X8.05 Y29.15 Z-5.0 R2.5 F60.0

G80

; --- Drill ---

N0013 X13.05 Y8.05

G81 X13.05 Y8.05 Z-5.0 R2.5 F60.0

G80

; --- Drill ---

N0014 Y-8.05

G81 X13.05 Y-8.05 Z-5.0 R2.5 F60.0

G80

; --- Drill ---

N0015 X66.95

G81 X66.95 Y-8.05 Z-5.0 R2.5 F60.0

G80

; --- Drill ---

N0016 Y8.05

G81 X66.95 Y8.05 Z-5.0 R2.5 F60.0

G80

; --- Drill ---

N0017 X8.05 Y-66.95

G81 X8.05 Y-66.95 Z-5.0 R2.5 F60.0

G80

; --- Drill ---

N0018 X-8.05

G81 X-8.05 Y-66.95 Z-5.0 R2.5 F60.0

G80

; --- Rapid ---

N0019 X42.75 Y48.255

; --- Line ---

N0020 G1 X42.75 Y48.255 Z-5.0

; --- Line ---

N0021 X16.689 Y74.316

; --- Arc CCW ---

N0022 G3 X7.373 Y78.175 I-9.316 J-9.316

; --- Line ---

N0023 G1 X-7.373 Y78.175

; --- Arc CCW ---

N0024 G3 X-16.689 Y74.316 J-13.175

; --- Line ---

N0025 G1 X-42.75 Y48.255

; --- Rapid ---

N0026 G0 X-48.255 Y42.75 Z5.0

; --- Line ---

N0027 G1 X-48.255 Y42.75 Z-5.0

; --- Line ---

N0028 X-74.316 Y16.689

; --- Arc CCW ---

N0029 G3 X-78.175 Y7.373 I9.316 J-9.316

; --- Line ---

N0030 G1 X-78.175 Y-7.373

; --- Arc CCW ---

N0031 G3 X-74.316 Y-16.689 I13.175

; --- Line ---

N0032 G1 X-48.255 Y-42.75

; --- Rapid ---

N0033 G0 X-42.75 Y-48.255 Z5.0

; --- Line ---

N0034 G1 X-42.75 Y-48.255 Z-5.0

; --- Line ---

N0035 X-16.689 Y-74.316

; --- Arc CCW ---

N0036 G3 X-7.373 Y-78.175 I9.316 J9.316

; --- Line ---

N0037 G1 X7.373 Y-78.175

; --- Arc CCW ---

N0038 G3 X16.689 Y-74.316 J13.175

; --- Line ---

N0039 G1 X42.75 Y-48.255

; --- Rapid ---

N0040 G0 X48.255 Y-42.75 Z5.0

; --- Line ---

N0041 G1 X48.255 Y-42.75 Z-5.0

; --- Line ---

N0042 X74.316 Y-16.689

; --- Arc CCW ---

N0043 G3 X78.175 Y-7.373 I-9.316 J9.316

; --- Line ---

N0044 G1 X78.175 Y7.373

; --- Arc CCW ---

N0045 G3 X74.316 Y16.689 I-13.175

; --- Line ---

N0046 G1 X48.255 Y42.75

; --- End Prog ---

N0047 G49 H0 M25

G40 ; Cutter Comp Off

M5 ; Spindle Off

M9 ; Coolant Off

G80 ; Cancel canned cycles

M30 ; End of program

ANEXO II

Planos en 2D y 3D del prototipo Helios

ANEXO III

Circuito de control con Arduino uno

ANEXO IV

Diagrama de comunicacin del sistema

ANEXO V Cdigo programa en Arduino para control de motores

/* Anexo Programa Este programa esta basado en el programa de Miles Moody y Alberto Lpez Gass.

http://randomhacksofboredom.blogspot.

Diagrama de coneccion con el wii motion plus.

| 1 2 3 | | | | 6 5 4 | |_-----_|

1 - green - data 2 - nothing 3 - red - 3.3+v 4 - yellow - clock 5 - nothing 6 - white - ground El pin 3 va a 3.3v, 6 a tierra, el pin 1 a la entrada analogica A4, y el pin 4 a la entrada analgica A5.

Diagrama de conexion de pines. 8 | 10----+----11 | 9

Modificado y traducido por: Alan Aceves Arteaga 15 Mayo del 2014 Se aade una salida pwm para control de leds en 5 estados distintos, para simular y posteriormente acelerar los motores tipo brushless de un cuadricoptero. Envio de datos por BT por puerto serie. */

//Librerias a utlizar #include //Para conexion con WM+ #include //Para conexion con BT #include //Para control de motores Brushless.

#define arriba 7 //Variables globales de los 4 motores. Indica el pin de salida por el que se controla. #define abajo 8 #define izq 9 #define der 10 #define pwminimo 30 //El el Ciclo de trabajo minimo del PWM para encender los motores #define pwmaximo 150 //Ciclo de trabajo maximo del PWM. *Puede aumentar hasta 180, no es recomendable.

#define pasopwm 5 // Aumento del ciclo de trabajo del PWM.

Servo sube; Servo baja; Servo izquierda; Servo derecha; byte data[6]; //Envia 6 bytes int yaw, pitch, roll; //Tres ejes int yaw0, pitch0, roll0; //Calibracion en 0,0,0 int valor_a=0; int valor_b=0; int valor_c=0; int valor_d=0; //int ciclot; // Ciclo de trabajo del PWM y declaracion del pin de salida PWM a Led/ESC //roll: Izq-Derecha //pitch: Adelante-atras //yaw: Giro sobre su eje z int i,l, a;

void wmpOn(){ //Activando I2C Wire.beginTransmission(0x53); //WM+ starts out deactivated at address 0x53 Wire.write(0xfe); //send 0x04 to address 0xFE to activate WM+ Wire.write(0x04); Wire.endTransmission(); //WM+ jumps to address 0x52 and is now active }

void wmpSendZero(){ Wire.beginTransmission(0x52); //now at address 0x52 Wire.write(0x00); //send zero to signal we want info Wire.endTransmission(); }

void calibrateZeroes(){ for (int i=0;i2)2)2)

Serial.print(pitch0); Serial.print(" Roll0: "); Serial.println(roll0); */ }

void receiveData(){ wmpSendZero(); // Activa la funcion zero() antes de cada lectura Wire.requestFrom(0x52,6); //request the six bytes from the WM+ for (int i=0;i>2)2)2)

int suma=0; int resta=0; byte recibiendoByte ; boolean iniciado = false; byte l=0;

valor_a=valor_a; valor_b=valor_b; valor_c=valor_c; valor_d=valor_d;

sube.write(valor_a); baja.write(valor_b); izquierda.write(valor_c); derecha.write(valor_d);

if(c=='z') //Z es modo de prueba de motores, los cuatro motores encienden y tienen el mismo ciclo de trabajo del pwm. {Serial.print("Inicio de prueba de motores"); Serial.flush(); delay(1000); sube.write(0); baja.write(0); izquierda.write(0); derecha.write(0); do{ Serial.print("Entramos en ciclo"); delay(1000); c= mySerial.read(); Serial.flush(); if(c=='m') { //Modo Prueba /*Serial.print("ok"); delay(1000);*/ i=i+pasopwm; suma=pwminimo+i; suma=constrain(suma,pwminimo,pwmaximo); if(suma==pwmaximo) {i=i-pasopwm; suma=pwmaximo;} Serial.print(suma); sube.write(suma+5); baja.write(suma); izquierda.write(suma); derecha.write(suma); delay(1000); Serial.flush(); }

if(c=='n') { i=i-pasopwm; if(i

recibiendoByte = Serial.read(); // Leemos el Byte recibido if (recibiendoByte == 79 || recibiendoByte ==111) { // O/o Mayusculas o minusculas iniciado=true; }} Serial.flush(); if(Serial.available()) { memset(codigo, 0,sizeof(codigo)); //Borra todos los datos en la cadena. l=0; while(Serial.available()>0) //Mientras haya datos en el buffer ejecuta la funcin { delay(20); //Poner un pequeo delay para mejorar la recepcin de datos codigo[l]=Serial.read();//Lee un carcter del string "codigo" de la posicion "l" l=l+1; //delay(100); } } /* Ciclo for para poder revisar que ocurre con la cadena de caracteres for(l=0; l

ANEXO VI

Diagramas de arranque de un motor trifsico y grfica de voltaje trifsico.