Articulo cuadricoptero

Desarrollo de un cuadricóptero controlado
desde una computadora
Karina Samaniego Macas1, Raul Samaniego Tello2.

1 Universidad Nacional de Chimborazo, Ecuador, [email protected]
2 Universidad Nacional de Chimborazo, Ecuador, [email protected]

Introducción
La investigación y el desarrollo de vehículos aéreos no tripulados y micro
vehículos aéreos se encuentran en auge, debido a su amplio campo de
aplicación, que va desde campos de radio aficionados hasta los que se
emplean en operaciones de seguridad y vigilancia[1], todos los avances en
el desarrollo de los cuadricópteros son resultado de la evolución en la
mecánica y electrónica que involucra poder realizar el vuelo, en donde se
destacan la miniaturización de los componentes y el aumento en la
capacidad en las fuentes de energía que se utilizan . Al no existir la
necesidad de una cabina que proteja al piloto, el peso y tamaño del
dispositivo son menores brindándole un acceso a sitios inalcanzables para
vehículos tripulados. Dentro de los vehículos aéreos no tripulados (UAV), los
cuadricópteros o aeronaves de cuatro motores son los más populares, esto
es debido a que la mecánica de su movimiento es relativamente más simple
que la de otros tipos de vehículos. El cuadricóptero cambia de dirección
manipulando la velocidad de las hélices que producen el empuje de cada
uno de los cuatro motores que están sujetos a la estructura, por lo que un
cuadricóptero puede ser visto como un sistema en el que existen cuatro
fuerzas de entrada provenientes de cada uno de los motores y 6 estados de
salida (x, y, z, θ, ψ, ω). Bajo este esquema las coordenadas XYZ representan
la posición del centro de masa de la aeronave en relación a su estructura,
mientras que θ, φ y ψ representan los ángulos de Euler: Roll o θ, determina
la rotación de cuadricóptero alrededor del eje Y. El Pitch o φ determina la
rotación alrededor del eje X y por último el Yaw o ψ alrededor del eje Z, que
representan la orientación del cuadricóptero; además este es un sistema
subactuado, ya que esto permite al cuadricóptero llevar una carga adicional
[2].
El presente artículo describe el desarrollo de un cuadricóptero comandado
desde un computador por medio de un enlace Zigbee, que a su vez también
puede ser programado para realizar trayectorias básicas, dejando así una
plataforma abierta que pueda ser adaptada a cualquier tipo de aplicación. El
manejo de este prototipo se realizó estableciendo una conexión punto a
punto por donde se envían los datos de control de manera serial, para lograr
este tipo de conexión se configuró los módulos Xbee en modo transparente
por lo que no serán objeto de análisis en el presente artículo; como
resultado final del desarrollo se obtuvo un prototipo funcional que
Metodología
El desarrollo del cuadricóptero demanda la conexión de varios elementos y
dela integración de hardware y software que trabajando en conjunto
controlan el vuelo del cuadricóptero. Esquemáticamente el cuadricóptero
puede ser visualizado en la Figura 1. Donde se puede identificar los
componentes principales que permiten el vuelo y control, así como su
conexión eléctrica.

Figura 1. Esquema de conexión Cuadricóptero

Descripción de los componentes
1) Motores: de tipo sin escobillas, que pueden alcanzar altas
revoluciones con un deterioro mínimo, la propulsión del cuadricóptero
consta de 4 motores Neweer A2212-KV1000, la tabla 1 [4] muestra
las características técnicas de los motores. [3]
Neweer A2212-KV1000
No. de Celdas:
2 - 3 Li-Po
6 - 10
NiCd/NiMH
Kv:
1000 RPM/V
Eficiencia
80%
Máxima:
Corriente eficaz
4 - 10A (>75%)
max:
Corriente sin
0.5A @10V
carga:
Resistencia:
0.090 ohms
Corriente Máxima:
13A for 60S
Potencia Máxima:

150W

Peso:
Tamaño:
Diámetro del eje:

52.7 g / 1.86 oz
28 mm x 28 mm
3.2 mm

Polos:
14
Tabla 1. Características técnicas del motor. [3]
2) ESC (Electronic Speed Controller ): son los encargados de controlar la
velocidad con la que se va a mover cada uno de los motores por lo

que serán necesarios 4, debido al alto consumo de corriente en los
picos de aceleración, el cuadricóptero estará dotado de 4 ESC
Hobbypower SIMONK 30A.[7]

Figura 2. Controlador Hobbypower SIMONK 30A [7]
3) Controlador de vuelo: controlar el vuelo es posible haciendo uso de
la placa Hobbyking KK 2.1.5[6], debido a que esta posee varios
parámetros de configuración e incorpora una pantalla como se
observa en la Figura 3, en donde es posible visualizar de las funciones
del resto de componentes que irán conectados a esta.

Figura 3. Controladora Hobbyking KK 2.1.5 [6]
4) Arduino UNO R3: para dotar al cuadricóptero de rangos de
autonomía el prototipo incorpora esta herramienta OpenSource de
prototipos electrónicos basada en hardware y software flexible [6].
Esta plataforma basada en el microcontrolador ATmega328 tiene
múltiples características incluyendo 6 pines, que pueden ser usados
como salidas PWM) para controlar las 5 entradas que requiere el
controlador de vuelo.

Figura 4. Microcontrolador Arduino uno R3 [6]
DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL CUADRICÓPTERO.
Para que sea posible comandar este prototipo desde un computador es
necesario establecer una conexión inalámbrica de tipo serial en la cual se
envían los datos de control desde el computador por medio de los módulos
Xbee.
Para poder volar, el cuadricóptero hace uso de los parámetros Alabeo,
Cabeceo, Acelerador, Guiñada y auxiliar:

Figura 5 a. Alabeo. b. Cabeceo c. Acelerador d. Guiñada [Autores]
Alabeo(roll): es el movimiento que realiza el cuadricóptero inclinándose
hacia la izquierda o derecha, esto se logra incrementando la velocidad de
rotación de ambos motores que se encuentran en el mismo lado Figura 5a.
Cabeceo(pitch): permite que el cuadricóptero se desplace hacia adelante
o atrás incrementando la velocidad de los motores posteriores o anteriores,
Figura 5b.
Acelerador: este parámetro indica al cuadricóptero la velocidad de todos
los motores simultáneamente, lo que permite al vehículo elevarse o
descender, Figura 5c.
Guiñada(yaw): Comanda el ángulo y la velocidad con la que el
cuadricóptero gira en sentido horario o anti horario. Para lograr este
movimiento se aceleran los motores que se encuentran girando al mismo
sentido, Figura 5d
AUX: este último parámetro indica a la placa controladora, si va a volar con
el modo de auto estabilización activado o desactivado, si este se encuentra
activado el cuadricóptero después de realizar cualquier movimiento tratara
de estabilizarse automáticamente y quedarse en posición estacionaria,
hasta que reciba otra orden.
La placa de control de vuelo reconoce tramas PPM (Pulse Position
Modulation) en sus entradas que tienen un ancho del pulso inicial de 1ms, el
punto medio está ubicado en 1.5ms y el máximo opuesto esta cuando el
pulso tiene una duracion de 2ms.Generando estos valores con la librería
para manejo de servos desde el microcontrolador se obtuvieron los
siguientes valores para controlar cada uno de los movimientos, como se
ilustran en la tabla 3.
Mínimo
Alabeo
Cabeceo
Acelerad

-155 (Máxima Inclinación
Izquierda)
-155 (Máxima Inclinación
atrás)
0 (Motores parados)

Centr
o
0
0
100

Máximo
155 (Máxima Inclinación
Derecha)
155 (Máxima Inclinación
Adelante)
200 (Máxima aceleración

or
Guiñada
Aux

Motores)
155 (Máximo giro Anti
Horario)
-155 (Auto estabilización
155 (Auto estabilización
desactivada)
activada)
Tabla 3. Valores reconocidos por KK 2.1.5 [Referencia autores]
-155 (Máximo giro Horario)

0

Una vez obtenidos los valores máximos y mínimos que puede manejar la
placa es necesario desarrollar la programación del microcontrolador para
que envíe las ordenes deseadas al controlador de vuelo, esta comunicación
se logró haciendo que cada entrada de la placa de vuelo sea asociada como
un servo conectado a la salida del microcontrolador, tomando el rango de
movimiento de un servo estándar y dividiéndolo para 256 estados, se
obtiene el valor en bytes del valor de los parámetros de entrada de la
controladora de vuelo compatibles con la salida del microcontrolador, la
tabla 4 muestra la traducción de estos valores.
Mínimo (Bytes
microcontrolador)
0 (Máxima Inclinación
Izquierda)
0 (Máxima Inclinación atrás)

Centr
o
100

Máximo (Bytes
microcontrolador)
Alabeo
200 (Máxima Inclinación
Derecha)
Cabeceo
0
200 (Máxima Inclinación
Adelante)
Acelerad 0 (Motores parados)
100 200 (Máxima aceleración
or
Motores)
Guiñada 0 (Máximo giro Horario)
0
200 (Máximo giro Anti
Horario)
Aux
0 (Auto estabilización
200 (Auto estabilización
desactivada)
activada)
Tabla 4. Valores compatibles desde el microcontrolador a la controladora de
vuelo [Fuente autores]
La tabla 4 muestra que es necesario desarrollar una aplicación que desde un
computador sea capaz de enviar las órdenes para que el usuario pueda
comandar el cuadricóptero o a su vez que el programa realice un vuelo
autónomo, además de poder recibir la información de los sensores que
están montados en el cuadricóptero.
Descripción del funcionamiento de la Aplicación.
Como se observa en la tabla 4, para que el vuelo del cuadricóptero sea
posible, es necesario enviar los 5 parámetros al mismo tiempo, la
combinación de estos hace que el cuadricóptero se mueva en una dirección
definida, como la conexión entre el pc y el cuadricóptero se realiza
inalámbricamente en modo serial, se debe enviar una cadena de caracteres
que contenga la información de cada uno de los parámetros además de
información de control. La cadena enviada tiene una estructura de
pseudotrama figura 6, que se arma de la siguiente manera:
 Caracter 0 indica que inicia la transmisión, este carácter puede ser
cualquiera excepto el “1”.
 Caracteres [1-3] indican el valor correspondiente al alabeo.
 Caracteres [4-6] indican el valor correspondiente al cabeceo.






Caracteres [7-9] indican el valor correspondiente al acelerador.
Caracteres [10-12] indican el valor correspondiente a la guiñada.
Caracteres [13-15] indican el valor correspondiente al Auxiliar.
Caracter 16 es una bandera que indica si el cuadricóptero se
encuentra armado (Listo para volar) o desarmado (modo
configuración), este carácter toma valores entre 0 y 1.

Figura 6. Trama de control del cuadricóptero [Fuente autores]
Controles de la aplicación.
La aplicación fue desarrollada con el concepto de que cada tecla asignada
realiza una función es decir que no va a existir comandos con teclas
combinadas, además la aplicación no hace distinción entre mayúsculas y
minúsculas, las teclas están asignadas de la siguiente manera la figura 7
muestra la interfaz gráfica con la cual es posible comandar el cuadricóptero:







C = conexión serial al
cuadricóptero.
V = cierre de la conexión al
cuadricóptero.
Tecla_Derecha = Alabeo +
Valor definido
Tecla_Izquierda = Alabeo Valor definido
Tecla_Arriba = Cabeceo +
Valor definido
Tecla_Abajo = Cabeceo Valor definido










A = Acelerador + 1
Z = Acelerador - 1
D = Guiñada + Valor
definido
S = Guiñada – Valor definido
Y = Aux On
U = Aux Of
O= Cuadricóptero Armado
(Listo para volar)
P
=
Cuadricóptero
Desarmado
(Modo
Configuración)








Figura 7. Interfaz de usuario de la aplicación [Fuente Autores]

Por el lado del cuadricóptero el proceso de control está representado
en diagrama de la figura 8.


Activación
de
component



Parámetros
de conexión

Recepción
de trama

Procesamie
nto de la
trama


Control
deEnvió datos
Motores
al

controlador

Activación
de
component








Figura 8. Diagrama de control del microcontrolador




Resultados



Durante el desarrollo de este prototipo sorteó varios problemas
como fueron mantener la conexión estable, así como cuál será el
comportamiento del cuadricóptero cuando se ha perdido la misma,
este aspecto se logró implementando un detector de tramas dentro
de la programación del microcontrolador que cuenta cuantas de estas
se han desechado y sí este valor supera las 50 o es decir 0.5
segundos el cuadricóptero entrará en modo emergencia, en este
modo se nivelará la potencia de los motores y adoptará una posición
de estacionario a la última altura en donde entró a este modo, el
cuadricóptero mantendrá este estado por 2 segundos si dentro de



estos 2 segundos no recibe tramas validas, iniciara el proceso de
aterrizaje disminuyendo gradualmente la potencia de sus motores
hasta detenerse, otro aspecto que represento trabajo fue la etapa de
acoplamiento entre el microcontrolador y la placa controladora,
donde los datos fueron obtenidos mediante la observación de las
señales recibidas desde la pantalla integrada , en donde se observa
que la sensibilidad de los parámetros Alabeo, Cabeceo y Guiñada
corresponden a un factor de 1 es decir por cada posición que se
aumente o disminuya en la salida del microcontrolador representara
en el aumento o disminución de 1 en el valor que reconoce la
controladora, en el caso del acelerador al tener un rango diferente de
movimiento, los resultados obtenidos reflejan que por cada 5
unidades que aumente o disminuya este parámetro a la salida del
microcontrolador, representan únicamente 3 unidades que son
reconocidas por la controladora de vuelo.
Durante las pruebas los valores desde 201 hasta 255 no se
registraron como estradas en la placa ya que a partir del byte 200
esta registra como máxima a la entrada en todos los parámetros.



Para el caso del acelerador, la placa registra el valor de mínimo a los
valores comprendidos entre 0 y 30.



La tabla 5 muestra las características obtenidas después de haber
sido construido y probado el cuadricóptero







Peso Total (Kg)
Distancia máxima enlace (m)
Tiempo de vuelo
Altura (m)
Velocidad de enlace







1.050 Kg
85 m
8 min
15 m
9600
Bauds
Tabla 5. Características cuadricóptero [Fuente autores]



Conclusiones



Al tratarse de un prototipo, el cuadricóptero construido brinda la
posibilidad de realizar un escalamiento o modificación en la totalidad
de sus características. Sin embargo, un aspecto importante a
desarrollar como parte del trabajo futuro es el desarrollo de un
algoritmo de estabilización de vuelo mejorado que este incorporado
directamente en el microcontrolador eliminando la necesidad de usar
una placa controladora de vuelo, en donde se haga uso de algoritmos
de control inteligente, que permitan al cuadricóptero realizar vuelos y
cambios de trayectoria con una estabilidad superior a la presentada
en este trabajo; otro punto importante a realizar es el reducir el
consumo eléctrico del dispositivo eliminando componentes que
puedan
ser
reemplazados
por
implementaciones
en
el
microcontrolador, mejorar la calidad de la tarjeta de control que
además se encarga de la distribución de energía al resto de los
componentes de medición y comunicación. Finalmente, una medida
más pera reducir el consumo de energía consiste en el cambio de la
estructura del cuadricóptero, considerando materiales más ligeros

como la fibra de carbón, que disminuiría el peso del dispositivo,
repercutiendo directamente en un menor esfuerzo por parte de los
motores para un despegue y así prolongar la autonomía en vuelo del
prototipo.


Referencias



[1] K. Hedrick, “A Mode-Switching Path Planner for UAV-Assisted
Search and Rescue,” ProceedIEEE Conference on Decision and Control
and the European Control, Seville, 12-15 December 2005, pp. 14711476doi:10.1109 /CDC.2005.1582366



[2]Faludi R. “Building Wireless Sensor Networks”. O’Reilly, Estados
Unidos Americanos. Primera edición, 2010



[3] http://www.eurekup.com/Robotica/Memoria%20Master
%20Eduardo%20Parada.pdf



[4] L.-C. Lai, C.-C. Yang, y C.-J. Wu, Time-Optimal Control of a Hovering
Quad-Rotor Helicopter, Diario de Sistemas Inteligentes de Robótica,
2006.



[5] Padmaraja Yedamale, AN885'Brushless DC(BDC) Motor
Fundamentals, Microchip technology Inc.



{6}Kıvrak, A., Ö., 2006. Design of control systems for quadrotor flight
vehicles. Mechatronics Engineering Department: Atılım University



[7]
https://support.dce.felk.cvut.cz/mediawiki/images/d/d4/Dp_2011_jirine
c_tomas.pdf

