[footnoteRef:1] [1: martes, 02 de septiembre de 2014 Este documento se realiz como entrega final para el diplomado en diseo, desarrollo y despliegue de drones, ofrecido por la compaa Tecscorp durante el ao 2014. C. D. Autor se desempea actualmente como estudiante de la Universidad del Quindo, Armenia, Colombia; terminando su pregrado en Ingeniera Electrnica (e-mail: cdarangoo@uqvirtual.edu.co)]

Cowboy 1.0, UAV al Servicio de la GanaderaCesar David Arango OsorioResumenEn el presente artculo, se presenta el diseo descriptivo del UAV Cowboy 1.0, un Dron orientado a la bsqueda de cabezas de Ganado perdidas en fincas ganaderas colombianas. En este documento podr encontrar caractersticas de diseo como el tiempo y la altura del vuelo as como los diferentes componentes que constituyen el dron. Finalmente se presenta el modo de operacin del dron y un anlisis de costos para la construccin del mismo.

ndice de TrminosUAV, Dron, Ganadera, Diseo, Vuelo.

INTRODUCCINCowboy es un dron que nace en el diplomado en diseo, desarrollo y despliegue de drones ofrecido por la compaa Colombiana TECSCORP durante el cual nace la necesidad de idear un dron aplicable y que pueda cumplir con una funcin especifica. No es un secreto para nadie que los UAVs (Unmanned Aerial Vehicle) , son en muchos campos de aplicacin el futuro (Avances militares, agronmicos, servicios de entrega) y Colombia siendo un pas, ganadero por excelencia, necesita avances en este campo y los drones, son tecnologa de punta que puede ayudar a ganaderos en mltiples tareas, Cowboy, est encaminado especficamente en la recuperacin de Ganado extraviado, en palabras ms sencillas Cowboy es un drone de tipo SAR (Search and Rescue, Bsqueda y Rescate) para ganadera.Aspectos BsicosPermitmonos ahora conocer las caractersticas bsicas de Cowboy, y el porqu de cada una de ellas.NombreSu nombre viene de la palabra en ingls para vaquero, y la escogencia de este viene relacionado directamente con la aplicacin particular del drone.

Tiempo de VueloEl tiempo de vuelo, es uno de los factores ms importantes del diseo del UAV ms aun cuando el UAV ser de tipo SAR, la idea es que el dron gracias a su velocidad, pueda recorrer rpidamente los waypoints establecidos por el ganadero, de tal forma que tengamos misiones de vuelo cortas de entre quince y veinte minutos.Altura de VueloCon el propsito de tener una vista panormica del terreno, el UAV deber tener una altura de vuelo considerable, 30m de alto es una altura media con la que el drone puede inspeccionar bastamente el terreno.

Tipo de vehculoEl tipo de vehculo escogido para el Cowboy es un cuadricoptero, la ventajas bsicas de los cuadricopteros sobre las aeronaves de ala fija, son claras, pero en particular para esta aplicacin el cuadricoptero tiene la ventaja de poder, realizar vuelo estacionario, caracterstica que ser fundamental para que al ser detectado el Ganado se pueda detener el vuelo y enviar la posicin actual del cuadricoptero.

AplicacinComo se ha venido mencionando, Cowboy es un dron de tipo SAR pero dirigido a la recuperacin de cabezas de ganado perdido. Esta aplicacin nace de la necesidad de los ganaderos de recuperar las cabezas perdidas ya que estas representan una fuerte inversin para ellos y en noches obscuras encontrarlas puede ser un verdadero inconveniente.

Componentes bsicosA lo largo de esta seccin, veremos los componentes que conforman el drone, junto con las especificaciones tcnicas de cada uno de los elementos. Mtodo de PropulsinEn cuanto al mtodo de propulsin que se utilizara es el ms comn entre los multicopteros, un sistema elctrico, alimentado por bateras con la suficiente potencia para alimentar los tres motores, as como los sensores y dems componentes del cuadricoptero. El mtodo de propulsin elctrico tiene mltiples ventajas frente a los mtodos de propulsin que consumen combustibles, principalmente el hecho de que el paso neto del aeronave no cambia durante el vuelo y lo amigable que llega a ser con el ambiente.FuselajeTABLA IEspecificaciones de la Batera ZippymAh = miliamperios hora, V = Voltios, C = Tasa de Descarga, g = Gramos, mm = milmetros.

Para el marco de nuestro cuadricoptero, es necesario garantizar, no solo ligereza si no tambin alta resistencia, debido a la aplicacin del cuadricoptero, este se desempeara en ambientes relativamente hostiles, donde pueden presentarse fuertes vientos inesperados o aterrizajes sobre terrenos agrestes, por lo que un marco resistente es de vital importancia.

Fig. 1. Marco en fibra de carbono, Turnigy Talon.

La fibra de carbono es un material hecho de filamentos de carbono combinadas con diferentes polmeros de tal forma que crean un material fuerte como acero, pero ligero como plstico o madera y en la actualidad se utiliza desde la construccin de vehculos hasta la construccin de aeronaves.

Fuente de EnergaLa fuente de energa es una de las caractersticas ms importantes una fuente de energa adecuada garantiza el correcto funcionamiento del sistema, y garantiza el tiempo de vuelo de la aeronave. Una de las reglas, empricas para la seleccin de las bateras es la de un (1) amperio por cada uno de los motores, con lo que una batera de aproximadamente 5A debera obtener un rendimiento medio-alto. Las especificaciones de esta batera, se presentan en la Tabla I.

Fig. 2. Batera Zippy 5000mAh

Otra caracterstica es necesario tener en cuenta al usar este tipo de energa, es el cargador para las bateras, sin ahondar mucho en este tema el fabricante de las bateras recomienda usar el siguiente cargador con sus bateras:

Fig. 3. Cargador de Bateras Turnigy Accucel.

Piloto AutomticoActualmente el mercado ofrece gran variedad de pilotos automticos, por lo que hay que tener en cuenta diferentes caractersticas para la seleccin de uno de estos, en particular en este caso se utilizara el APM2.6 un piloto automtico basado completamente en software libre. Este piloto automtico es completamente compatible con Arduino y posee integrados un acelermetro de tres ejes y un barmetro; el cerebro del piloto automtico tiene dos ncleos, un ATMEGA2560 y un ATMEGA32U para procesamiento y para funciones USB respectivamente.

Fig. 4. Piloto automtico APM 2.6

Por qu el APM 2.6? Principalmente se debe a que al ser un piloto automtico basado en software libre, el software para la estacin en tierra es completamente libre, pero esto no lo hace menos potente, al contrario, este piloto automtico tiene cinco modos de vuelo, entre modos autnomos en los que se hace un plan de vuelo (con waypoints) hasta modos, en los que se estabiliza automticamente el cuadricoptero.

Sensores

A dems de los sensores que mencionamos anteriormente el ms importante a destacar es la cmara infra roja, que llevara el drone, este sensor es uno de los ms importantes, ya que es gracias a este que se puede hacer la identificacin del ganado, para la transmisin de video, se utilizara el kit de video ofrecido por 3D Robotics este contiene todo lo necesario para transmitir video desde el dron, y un receptor para la estacin en tierra.

Fig. 5. Kit para la transmisin de video digital.

Sistemas de ComunicacinComo se menciona en la seccin superior, el kit de trasmisin de video tiene todo lo necesario para transmitir el video incluido el transmisor y el receptor, pero es necesario, realizar otro tipo de comunicaciones, por ejemplo la comunicacin entre el dron y la base en tierra o en caso de ser necesario, un control manual del drone, del transmisor RC con el mismo, por esto adems del sistema de trasmisin de video, se agregan un trasmisor 3DR para la comunicacin con la base de tierra y el receptor del control RC Turnigy 9X. Los transmisores (tanto los de video, como los que se comunican con la estacin de tierra) trabajan en la franja entre los 915 o 433 MHz, y tienen una potencia ajustable, de hasta 100mW. El protocolo de comunicacin entre los sistemas es el MavLink.

Fig. 6. Transmisor Turnigy 9X 9Ch.

En cuanto al transmisor RC funciona en 8 canales si se utiliza la transmisin PPM o 9 canales en modo de trasmisin PCM

Motores y HlicesPara la seleccin de los motores que se utilizarn en el dron era necesario recorrer todos los componentes anteriormente vistos, en la Tabla II se presentan los pesos de cada uno de los componentes.

TABLA IIEspecificaciones de los pesos para cada elementoElementoCantidadPeso (g)Total Peso

Fuselaje1240240

Hlices (PAR)22040

Bateras2354708

Piloto automtico13838

KIT para trasmisin de video1100100

Transmisor RC15050

TOTAL1176 g

Resumen de los pesos de cada elemento que componen el cuadricoptero, falta tener en cuenta los 4 motores.

A partir de este peso (1176 g) podemos realizar un clculo bsico para el dimensionamiento de los motores, se mantendr un margen de seguridad del 40% del peso de tal forma que sea seguro que los motores seleccionados levanten el multi copter incluso si el peso se ve ligeramente aumentado, de esta forma tenemos para el clculo del empuje necesario para los motores:

Conociendo entonces, el empuje necesario, se seleccionan los motores para el multi rotor, dejando un margen de tal forma que el motor, no quede trabajando forzado; se seleccionan los motores, Turnigy 2730 un motor elctrico sin escobillas y cuyas caractersticas se enlistan en la Tabla III.

Fig. 7. Motor Elctrico sin escobillas Turnigy 2730.

Como es lgico pensar, los motores aaden peso extra al cuadricoptero, pero el factor de seguridad se encarga de que este peso extra no afecte la seleccin del motor, para demostrarlo tomemos el peso total del cuadricoptero (incluyendo los motores) y veamos el empuje mnimo requerido para levantarlo del piso.

TABLA IIIEspecificaciones del Motor

HlicesEl fabricante de los motores, nos recomienda utilizar hlices de entre 7x3.5 hasta 9x4.7 y para mantener la durabilidad de cada elemento del cuadricoptero, se optar por hlices en fibra de carbono de nueve pulgadas de dimetro y cuatro punto siete pulgadas en pitch.

Fig. 7. Hlices en fibra de carbono.

Anlisis de CostosAhora que se han tenido en cuenta cada uno de los elementos que comprendern el cuadricoptero, procedamos a realizar un anlisis de los costos que implicara construir el drone. En la Tabla IV se resume el costo de fabricacin, armado y puesta en marcha del drone incluyendo no solo los elementos fsicos sino tambin las horas de trabajo del ingeniero encargado. A este anlisis de costos hara falta agregar los costes por importacin, y transporte dentro del pas y seguros pero en general el costo total del aeronave se puede resumir en 613 lo que equivale en pesos colombianos a cerca de 1600.000 pesos colombianos.

El VueloEn esta seccin trataremos dos temas de alto inters, el primero de ellos es el tipo de control que se puede realizar sobre el drone y el segundo son los modos de vuelo, estos ltimos vienen dados gracias al APM 2.6 y su software Mission Planer.

Tipos de ControlEl drone puede ser controlado tanto desde el control remoto RC Turnigy 9X este tipo de experiencia le permite al usuario controlar el drone libremente, permitindole llevarlo a donde quiera en un rango de hasta cien metros. Gracias al Mission Planer es posible controlar el dron de tal manera que se le indica a donde se desea que vuele (como se muestra en la figura 8), y este lo realizara, a una velocidad y altura determinadas por el usuario.

Fig. 8. Mission Planer modo de vuelo guiado.

TABLA IVAnlisis de Costos Para el Cowboy 1.0ElementoCANTIDADPrecio ()TOTAL PRECIO

Fuselaje122,79 22,79

Hlices (PAR)25,74 11,48

Bateras224,11 48,22

Cargador para Bateras117,47 17,47

Piloto automtico1214,00 214,00

KIT para trasmisin de video1145,00 145,00

Transmisor RC145,59 45,59

Motores49,27 37,08

Ingeniero125,95 71,40

TOTAL613,03

Resumen de costos para la fabricacin del Cowboy 1.0, en el elemento Ingeniero la cantidad hace referencia al nmero de horas empleado por el mismo para el montaje y puesta en marcha del drone.

Modos de VueloEl Mission Planer nos permite configurar hasta catorce modos de vuelo diferentes par nuestro cuadricoptero, en esta seccin veremos cinco modos de vuelo y los mas relevantes a consideracin del autor, sin embargo una lista de modos de vuelo completa esta disponible en http://copter.ardupilot.com/wiki/flight-modes/ , con la configuracin aqu presentada del Cowboy todos los modos de vuelo son posibles.

Mantener AltitudEn este modo de vuelo el cuadricoptero mantiene su altura y se permite controlar libremente los movimientos Pitch, Roll y Yaw.

Modo Loiter o Mantener PosicinEn este modo el drone puede controlarse normalmente, sin embargo una vez las palancas del control RC sean liberadas el dron intentara mantener su posicin actual. Modo Return to Lunch o Regreso a CasaAl hacer uso de este modo de vuelo, el dron regresa de su posicin actual hasta el punto de despegue, pero no aterriza si no que se mantiene en vuelo.

Modo AutomticoEn este modo de vuelo, el drone recorrer una ruta establecida previamente por el usuario a una velocidad y altura tambin determinadas por l.

Pautas de DespegueA continuacin mostraremos unas pautas bsicas para el vuelo del Cowboy, para un proceso ms incisivo dirjase a los vnculos, que se aportan en cada paso.

Conecte el APM 2.6 a su Estacin de tierra y configure el modo de vuelo del cuadricoptero: http://copter.ardupilot.com/wiki/flight-modes/

Realice la configuracin del Hardware, y del control RC con el Mission Planner:http://copter.ardupilot.com/wiki/configuring-hardware/

Configure el control de velocidad y el piloto automatico:http://copter.ardupilot.com/wiki/initial-setup/esc-motor/

Configure los motores, su velocidad de giro y la direccin del giro:http://copter.ardupilot.com/wiki/motor-setup/

Realice el pre armado de los motores, y el chequeo de seguridad ambos en el Mission Planer: http://copter.ardupilot.com/wiki/prearm_safety_check/

Revise la gua de pre y post vuelos.

Arme los motores: http://copter.ardupilot.com/wiki/arming_the_motors/

Listo para el despegue!

Para aterrizar utilice la opcin auto landing en el Mission Planer , o realcelo manualmente en caso de tener experiencia en el vuelo de cuadricopteros