diseÑo y montaje de un robot volador cuadricÓptero
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TRABAJO FINAL DEL GRADO
Grado en Ingeniería Eléctrica
DISEÑO Y MONTAJE DE UN ROBOT VOLADOR
CUADRICÓPTERO
Memoria y Anexos
Autor: Rubén Méndez Director: Antoni Grau Saldes Co-Director: Edmundo Guerra Paradas Convocatoria: Septiembre del 2018
Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero
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Resumen
En el presente proyecto se ha trabajado juntamente con dos personas en el diseño de un dron
cuadricóptero autónomo equipado con varios sensores y que está pensado para cargar una pequeña
herramienta de trabajo. En concreto la parte del dron a la que se ha dedicado este proyecto ha sido a
la alimentación de la aeronave, para ello se ha diseñado un primer prototipo que permite la
conmutación de la descarga de dos baterías de tecnología Polímero de Litio de manera segura,
evitando la fácil volatilidad de estas a causa de la sobrecarga, la sobredescarga y el cortocircuito. Esta
conmutación se lleva a cabo dependiendo de la tensión de cada celda individualmente de cada batería
y básicamente lo que hace es no permitir el vuelo del dron cuando las baterías se encuentran por
debajo de un nivel que se ha considerado óptimo para trabajar de manera segura, o interrumpir la
descarga de una batería cuando desciende estos límites y conmutar para permitir la descarga de la
segunda batería cuando esta si pueda trabajar de manera segura evitando de esta manera la
sobredescarga. Para realizar todo este diseño se han seguido varios pasos y se han utilizado varios
softwares, primero de todo se ha utilizado Proteus un software que permite simular algunos
microcontroladores, entre ellos el ATmega328P que ha sido el que se ha utilizado en este proyecto y
el cual se ha programado mediante el software Arduino IDE, después se ha probado el sistema sobre
una protoboard con tal de conocer la reacción real del sistema y por último se han realizado los
esquemáticos del sistema mediante Eagle y se ha diseñado la PCB.
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Resum
En el present projecte s'ha treballar juntament amb altres dos persones en el disseny d’un dron
quadricòpter autònom equipat amb varis sensors i que esta pensat per carregar una petita eina de
treball, en concret la part del dron a la que s’ha dedicat aquest projecte es a la alimentació de la
aeronau, per fer-ho s’ha dissenyat un primer prototip que permet la commutació de la descàrrega de
dues bateries de tecnologia Polímer de Liti de manera segura, evitant la fàcil volatilitat d'aquestes a
causa de la sobrecàrrega, la sobredescàrrega i el curtcircuit. Aquesta commutació es duu a terme
depenent de la tensió de cada cel·la individualment de cada bateria i bàsicament el que fa és no
permetre el vol del dron quan les bateries es troben per sota d'un nivell que s'ha considerat òptim per
treballar de manera segura, o interrompre la descàrrega d'una bateria quan descendeix aquests límits
i commutar per permetre la descàrrega de la segona bateria quan aquesta si pugui treballar de manera
segura evitant d'aquesta manera la sobredescàrrega. Per realitzar tot aquest disseny s'han seguit
diversos passos i s'han utilitzat diversos software, primer de tot s'ha utilitzat Proteus un software que
permet simular alguns microcontroladors, entre ells el ATmega328P que ha estat el que s'ha utilitzat
en aquest projecte i el qual s'ha programat mitjançant Arduino IDE, després s'ha provat el sistema
sobre una protoboard amb tal de conèixer la reacció real del sistema i finalment s'han realitzat els
esquemàtics del sistema mitjançant Eagle i s'ha dissenyat la PCB.
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Abstract
In this project, I have worked with two other people on the design of an autonomous quadricopter
drone equipped with several sensors and which is designed to load a small work tool. Specifically, the
part of the drone to which this project has been dedicated has been the supply of the aircraft, for which
a first prototype has been designed that allows the switching of the discharge of two batteries of
Lithium Polymer technology safely, avoiding the easy volatility of these due to overload, over
discharging and short circuit. This commutation is carried out depending on the voltage of each cell
individually of each battery and is not allow the drone to fly when the batteries are below a level that
has been considered optimal to work safely, or interrupting the discharge of a battery when it lowers
these limits and switches to allow the discharge of the second battery when it is able to work safely
avoiding overdischarge. In addition, it has been used to add elements in the same system that allow
safe operation of the actuators used by the drone. Several software have been used to carry out this
design, first of all Proteus allows to simulate some microcontrollers, among them the ATmega328P
that has been the one which has been used in this project and which has been programmed using the
Arduino IDE software, then the system has been tested on a breadboard in order to know the real
reaction of the system and finally the schematics of the system have been made using Eagle and the
PCB has been designed
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Agradecimientos
La realización de este proyecto ha sido posible gracias a que la facultad de matemática y estadística de
la UPC (FME) la cual me ha permitido utilizar un laboratorio equipado con muchas de las herramientas
y aparatos que he utilizado a lo largo de estos meses. También he contado con la ayuda de mi tutor
Antoni Grau el cual me ha apoyado y ayudado a encontrar soluciones cuando me he encontrado
atascado y Edmundo Guerra que siempre que me ha hecho falta me ha echado una mano, además
quiero agradecer a Herminio Martínez que se ha mostrado siempre dispuesto a hacerme un espacio
en su agenda cuando le he tenido que consultar algún aspecto técnico. Por otro lado, me gustaría
agradecer de igual manera a los compañeros que se han encargado de realizar otras partes distintas
del mismo dron, Bernhard Fuerfanger y Sergi Moyano.
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Índice
RESUMEN ___________________________________________________________ I
RESUM _____________________________________________________________ II
ABSTRACT __________________________________________________________ III
AGRADECIMIENTOS __________________________________________________ IV
1. INTRODUCCIÓN _________________________________________________ 9
1.2. Contexto del proyecto ............................................................................................. 9
1.3. Motivación ............................................................................................................... 9
1.4. Objetivos del trabajo ............................................................................................. 10
1.5. Alcance del proyecto ............................................................................................. 10
2. TEORÍA DE LOS DRONES _________________________________________ 11
2.1. Que es un dron ...................................................................................................... 11
2.2. Historia de los drones ............................................................................................ 11
2.3. Tipos de drones ...................................................................................................... 13
2.4. Partes de los drones .............................................................................................. 16
2.5. Aplicaciones de los drones .................................................................................... 19
3. BATERÍAS EN LOS DRONES _______________________________________ 21
3.1. Tipos de baterías .................................................................................................... 21
3.2. Propiedades de las baterías Li-Po .......................................................................... 22
3.3. Volatilidad de las baterías Li-Po ............................................................................. 24
4. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL ________________________________ 25
4.1. Introducción ........................................................................................................... 25
4.2. Introducción a la estrategia de control ................................................................. 28
4.2.1. Sobrecarga ............................................................................................................ 28
4.2.2. Sobredescarga ....................................................................................................... 29
4.2.3. Cortocircuitos ........................................................................................................ 35
5. SIMULACIÓN Y DISEÑO __________________________________________ 37
5.1. Simulación mediante software Proteus ................................................................ 37
5.2. Programación mediante Arduino IDE ................................................................... 38
5.3. Simulación mediante protoboard ......................................................................... 44
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5.4. Diseño de las PCBs mediante Eagle ....................................................................... 47
6. ANALISIS DEL IMPACTO AMBIENTAL _______________________________ 50
7. ANALISIS ECONÓMICO ___________________________________________ 52
8. CONCLUSIONES ________________________________________________ 54
BIBLIOGRAFÍA ______________________________________________________ 56
ANEXO A __________________________________________________________ 59
ANEXO B __________________________________________________________ 61
ANEXO C __________________________________________________________ 69
ANEXO D __________________________________________________________ 73
ANEXO E __________________________________________________________ 90
ANEXO F __________________________________________________________ 97
ANEXO G _________________________________________________________ 105
ANEXO H _________________________________________________________ 113
ANEXO I __________________________________________________________ 115
ANEXO J __________________________________________________________ 117
ANEXO K _________________________________________________________ 119
ANEXO L __________________________________________________________ 121
ANEXO M _________________________________________________________ 123
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1. INTRODUCCIÓN
1.2. Contexto del proyecto
El presente proyecto surge cuando al comentarle a mi tutor Antoni Grau la intención de realizar un
proyecto relacionado con el mundo de los drones y de la electrónica él me propone unirme a un
proyecto que está en desarrollo por dos personas del master de Control automático y Robótica de la
UPC. La intención de estas dos personas es la de realizar un dron de cuatro hélices y de unas
dimensiones considerables (1 metro de extremo a extremo diagonalmente) con el propósito de diseñar
un cuadricóptero de trabajo versátil al que se le puedan acoplar diferentes herramientas dependiendo
de la función deseada. En este punto se alcanza un acuerdo en el que entre todos se define que me
encargaré de diseñar un sistema para realizar el control de dos baterías.
1.3. Motivación
Todo empieza a finales de 2017 cuando después de mucho investigar por internet decido comprarme
un Arduino Uno para realizar pequeños proyectos a modo de entretenimiento y al percatarme de que
la electrónica y la programación me gustan más de lo que esperaba decido unirme al equipo de
robótica de la Universidad Politécnica de Barcelona (PUCRA) donde me doy cuenta que quiero seguir
trabajando y aprendiendo más sobre esta disciplina y me propongo realizar un proyecto con las
siguientes características:
Que tuviese gran parte de electrónica para profundizar un poco más en este sector
Programar con un software como es Arduino
Aprender a utilizar un software de simulación que permita la programación de
microcontroladores
Diseñar una PCB con Eagle ya que actualmente es uno de los softwares más utilizados en la
industria
A estas motivaciones se les pueden añadir otras que me surgieron al hablar con mi tutor:
Trabajar en un grupo de trabajo formado por estudiantes que se encuentran en su última
etapa del Master Universitario en Automática y Robótica
Trabajar con baterías, un sector que ha crecido mucho en poco tiempo y del que queda
mucho por desarrollar.
Es por todo esto que aun encontrándome estudiándome el grado de ingeniería eléctrica me decanto
por realizar un proyecto claramente de carácter electrónico.
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1.4. Objetivos del trabajo
El principal objetivo de este trabajo ha sido desde el principio el de trabajar en un dron en el cual ya se
encontraban dos personas trabajando y hacerlo de manera colaborativa para que cada uno hiciese una
parte del mismo, más adelante se define que la parte a la que se dedicará este proyecto es la de crear
una estrategia que permita el seguro y no simultaneo trabajo de dos baterías LiPo mediante la ayuda
de diversos programas de simulación, programación y diseño. Este sistema además de permitir la
conmutación ha de ser capaz de evitar los posibles cortocircuitos, sobredescargas y sobrecargas.
1.5. Alcance del proyecto
En este proyecto se pretende diseñar un primer prototipo del sistema de alimentación que va a
controlar el dron de manera segura a partir de dos baterías de las que ya se dispone y la cuales no
pueden trabajar nunca a la vez.
No es intención de este trabajo limitar la máxima corriente que van a descargar las baterías ya que esta
se limita por software en otra parte del dron y se considera de 90 A, tampoco se va a escoger la batería
ni los componentes externos al control de la batería ya que se dispone de ellos desde el primer
momento, además, con tal de avisar de que la batería se está agotando se enviará un pulso de Alto o
Bajo al controlador de vuelo Pixhack ya que este es capaz de avisar por radiofrecuencia al piloto. De
igual manera no es objetivo de este trabajo probar el circuito de potencia de este sistema ya que no se
dispone de una fuente de corriente continua capaz de proporcionar 90 A, por otro lado, se va a simular
este circuito mediante simulación por computador con el objetivo de obtener una respuesta muy
similar a la que se obtendría.
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2. TEORÍA DE LOS DRONES
2.1. Que es un dron
Según la Real Academia de la lengua Española (RAE), dron proviene del inglés drone que significa
literalmente “zángano” e identifica este concepto como toda aeronave no tripulada, esto es así porque
inicialmente dron se utilizaba únicamente como término para referirse a aeronaves militares similares
a aviones pero hoy en día hay muchos tipos de drones que no se parecen a aviones y que se pueden
también denominar con otros términos como puede ser vehículo aéreo no tripulado o robot volador
(1, 2).
2.2. Historia de los drones
Cuando se habla de drones es imposible no hacer referencia a su uso armamentístico ya que gran parte
de su evolución ha estado constantemente ligada a esta y esto es así desde hace muchos años, en
concreto la primera vez que se tiene constancia de que se utilizó este sistema fue en 1849 cuando el
ejército de Austria por aquel entonces decidió utilizar globos cargados con explosivos para sobrevolar
Venecia
Ilustración 1: Dibujo de los globos utilizados por Austria para atacar Venecia (Fuente:Prof. Jurij Drushnin, Moscow, Russia)
Ya más tarde en 1933 fue diseñada una aeronave por Reino Unido la cual se controlaba por control
remoto desde un barco y que fue utilizada como avión blanco durante una década, su nombre era
Queen Bee.
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Ilustración 2: Aeronave Queen Beer (Fuente baesystems)
La evolución no se detuvo y se siguió investigando en ello debido a la necesidad de crear sistemas para
combatir al enemigo, fue ya en 1940 cuando Estados Unidos creo el primer dron que se produjo en
serie, fue el Radioplane OQ-2 que se utilizó en la formación de pilotos mientras en la Unión Soviética
se desarrolló un dron planeador armado el cual no se produjo en serie.
Cabe destacar que en la segunda guerra mundial esta evolución continua y fueron los alemanes los
que desarrollaron bombas, misiles y aeronaves guiadas por radio que hasta ese momento no se habían
utilizado. Ya después nos hemos de ir al 1994 para encontrar un gran cambio significativo con el dron
Predator el cual fue el primero en utilizar el Sistema de Posicionamiento Global (GPS), este sistema
permitía un control con mayor precisión y mayor alcance.
Ilustración 3: MQ-1 Predator armado con misiles
La evolución no se ha detenido y a día de hoy se han universalizado los drones de tamaño reducido con
objetivos comerciales o de ocio, tanto es así que algunos países ya se han visto obligados a legislar
sobre ellos (3).
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Ilustración 4: dron DJI Phantom equipado con cámara
2.3. Tipos de drones
A la hora de hablar de drones se pueden encontrar varios tipos y dividir de varias maneras, en este
caso se van a distinguir entre dos grandes grupos dependiendo del tipo de ala:
Drones de ala fija: en este caso las alas se encuentras fijadas al resto del dron y no poseen
movimiento propio, estas aeronaves permaneces en el aire gracias a los planos y la
aerodinámica del diseño que permiten crear diferencias de presión entre la parte inferior y
superior. Un ejemplo de este tipo podría ser el PF750001 de Parrot (4).
Ilustración 5: Ejemplo de dron de ala fija, Fuente (Parrot)
Drones de ala rotatoria: en este caso las alas se denominan “palas” y giran alrededor de un eje
consiguiendo de esta manera permanecer en el aire. Dependiendo del número de rotores y
de la configuración de estos se pueden subdividir en varios grupos, estos son los más
conocidos:
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Multicóptero de 3 motores – Tricóptero: dispone de 3 motores los cuales se pueden configurar
separados 120 ° en forma de “Y” o en forma de “T”. En este caso el multicóptero tiene dos
hélices que giran en sentido opuesto entre ellas y un tercer motor que se puede inclinar
mediante un servo para permitir así el movimiento en el eje Z. La poca estabilidad de la que
disponen hacen que no sean muy comunes.
Ilustración 6: tipos de multirrotores, tres motores (Fuente: dronespain)
Multicóptero de 4 motores – Cuadricóptero: este tipo de drones contienen 4 motores
normalmente posicionados 90°entre si cuando su configuración es en forma de “X”, pero
también es posible la configuración en forma de “+” aunque no es tan común. Este tipo de
drones, con tal de mantenerse en suspensión dos motores giran en sentido horario y los otros
dos giran en sentido antihorario lo cual les permite mantener el equilibrio. Los cuadricópteros
son los más comunes y por lo tanto es muy sencillo encontrar los componentes necesarios.
Normalmente son utilizados para carreras, filmación o para cargar pequeños pesos ya que son
muy agiles y fáciles de pilotar.
Ilustración 7: tipos de multirroteres, cuatro motores (Fuente: dronespain)
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Multicóptero de 6 motores – Hexacóptero: en este caso el dron dispone de 6 motores
normalmente separados 60°entre ellos. Esta configuración permite mayores elevaciones y
mayor seguridad ya que son más estables que los cuadricópteros y se pueden llegar a controlar
relativamente fácil si un motor falla, por el contrario, son más caros y suelen ser de mayor
tamaño. Las aplicaciones principales son para filmaciones que requieren mayor estabilidad y
cuando se requiere elevar cargas más pesadas.
Ilustración 8: tipos de multirrotores, seis motores (Fuente: dronespain)
Multicóptero de 8 motores – Octacóptero: estos drones se conforman de 8 rotores donde 4
de ellas giran en sentido horario y las otras 4 en sentido antihorario. Tiene una estabilidad
mucho mayor que los anteriormente nombrados y son capaces de levantar cargas más
pesadas. Como inconveniente son muy caros y consumen más que los anteriores lo que obliga
a incorporar más baterías y de más capacidad. Su uso no es tan extendido y se utilizan
principalmente para fotografía y para profesionales de la topografía (5).
Ilustración 9: tipos de multirrotores, ocho motores (Fuente: dronespain)
Existen muchas otras configuraciones, pero las nombradas anteriormente son las más utilizadas.
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2.4. Partes de los drones
Un dron está formado por diferentes partes dependiendo del tipo y la aplicación para la que está
enfocado, algunas son obligatorias y otras opcionales, a continuación, se muestra una descripción de
las partes más comunes que se pueden encontrar en un dron:
Chasis: es la parte que forma la estructura del dron y sobre la cual se fijan los componentes,
puede ser de distintas formas dependiendo de los rotores que se utiliza y de su configuración.
Lo más importante a la hora de escoger el chasis es su resistencia y el peso, es por eso que los
materiales más utilizados son fibra de carbono o fibra de vidrio, aunque a veces también se
utiliza el plástico debido a su bajo precio.
Ilustración 10: ejemplo de chasis para dron (Fuente:allcomposites)
Motores: son los encargados de convertir la energía eléctrica en mecánica, gracias a ellos las
hélices pueden girar y mantener al dron en el aire. Se pueden encontrar de una gran variedad
dependiendo del tamaño, velocidad o potencia que se desea, además los hay de trifásicos o
bifásicos, entre ellos, los bifásicos de escobillas suelen ser los más económicos mientras que
los trifásicos sin escobillas suelen ser más costosos debido a que no se desgastan tanto, son
más potentes y de mayor precisión.
Ilustración 11: ejemplo de motor para dron (Fuente getFPV)
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Hélices: son las encargadas de elevar la aeronave, igual que los motores las hay que son para
girar en sentido horario o antihorario, las de dos aspas son las más comunes, aunque también
se pueden encontrar de tres aspas, con las cuales se consigue mayor estabilidad a cambio de
consumir más energía. Los materiales más utilizados para su fabricación son la fibra de
carbono, plástico o nílon.
Ilustración 12: ejemplo de helice para dron (Fuente fpvmax)
Placa controladora de vuelo: esta placa es como el cerebro del dron, se encarga de controlar
todos los procesos. Obtiene datos de los sensores y de las acciones que realiza el dron, los
procesa tal y como se le ha indicado anteriormente mediante programación y envía las señales
indicadas a los actuadores como pueden ser los motores. Esta parte es la responsable de
pilotar la aeronave por nosotros ya que aplica acciones que se le pueden indicar al momento
desde un mando de control o emisora o acciones que se le ha indicado anteriormente
mediante programación.
Ilustración 13: ejemplo de placa controladora de vuelo (Fuente madridgadgetstore)
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Placa distribuidora de potencia: es la que se encarga de convertir la tensión de entrada
normalmente proveniente de la batería en una tensión diferente y normalmente inferior ya
que no todos los componentes del dron trabajan al mismo voltaje. Las más comunes disponen
de 4 salidas para los motores, una salida de 5 V y otra de 12 V para los sensores y actuadores.
Ilustración 14: ejemplo placa distribuidora de potencia (Fuente tormodel)
Sensores: son los encargados de recoger datos del medio que les rodea y de la propia aeronave
para más tarde enviarlos a la placa controladora y que esta los pueda procesar. Son muchos
los sensores que se pueden instalar dependiendo de las necesidades, algunos de los más
utilizados son estos:
GPS
Giroscopio
Altímetro
Acelerómetro
Transmisor de video
Emisor y receptor de radiofrecuencia: con estos dos componentes es posible que el emisor
normalmente controlado desde tierra envíe indicaciones al receptor normalmente situado en
el dron. Normalmente como receptor se utiliza un mando radiocontrol y en general para
drones se utiliza rangos de frecuencia de 2,4 Ghz.
Ilustración 15: ejemplo de emisor y receptor de radiofrecuencia (Fuente beststore)
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Batería: es la parte que aporta la energía necesaria a los distintos componentes para que
puedan trabajar. Las hay de varios tipos y tecnología y en la gran mayoría de los casos se
utilizan baterías recargables, las características que más se valoran al escoger una batería es la
autonomía, peso, capacidad, tasa de descarga y tensión a la que trabaja (6).
Ilustración 16: ejemlo de batería para dron (Fuente: MaxAmps)
2.5. Aplicaciones de los drones
A la hora de hablar de las aplicaciones para los drones, hay que tener en cuenta que aún queda mucho por desarrollar y que todo apunta a que en el futuro se amplíen los usos, pero por el momento, los drones ya se encuentran presentes en algunos campos y están facilitando las tareas en muchos sectores.
Fotografía: Uno de los campos en los que más ha crecido el uso de drones es la fotografía, esto se debe a que anteriormente solamente las grandes empresas de filmación se podían permitir grabar desde el aire ya que para ello se necesitaba un helicóptero, pero gracias a los drones, capturar imágenes desde el aire es más sencillo y económico.
Búsqueda y rescate: La combinación de los drones con sensores como por ejemplo cámaras térmicas es una muy buena solución en tareas de localizar personas incluso en la oscuridad, esto facilita el trabajo enormemente a los equipos de rescate, además de permitir incluso hacer llegar suministros a los lugares más complicados.
Agricultura: El dron cada vez tiene más presencia en el sector de la agricultura ya que actualmente es posible analizar los campos de cultivo desde el aire ahorrando así tiempo de trabajo a los agricultores y por ende dinero, además, hoy en día también es posible utilizar estos aparatos para pulverizar fertilizantes, pesticidas y agua.
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Transporte:
Aunque aún no está muy extendida esta aplicación ya ha habido pruebas piloto por parte de empresas como Amazon, y todo apunta a que en un futuro cercano los drones se encargarán de transportar mercancías, especialmente cuando estas tengan carácter de entrega urgente. Otra posibilidad es la del transporte de personas, en este ámbito destaca la ciudad de Dubai la cual ya ha realizado pruebas con un dron de 18 rotores y una autonomía de 30 minutos.
Ingeniería: Muchas empresas de ingeniería están utilizando esta tecnología para supervisar los proyectos y especialmente para realizar tareas de mantenimiento, estos dispositivos les ahorran mucho tiempo en este sentido ya que permiten una visualización de la evolución del proyecto, detectar posibles fallos o detectar cuando es necesario realizar tareas de mantenimiento (7).
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3. BATERÍAS EN LOS DRONES
3.1. Tipos de baterías
Las baterías es una de las partes más importantes de los drones ya que es lo que determina el tiempo
que puede permanecer un dron en el aire. A la hora de hablar de baterías se pueden encontrar diversas
tecnologías dependiendo de los elementos que las componen y cada una de ellas tienen unas
propiedades que las hace distintas. En el caso de los drones se utilizan baterías recargables ya que no
saldría rentable tener que adquirir nuevas cada vez que se agotasen, a continuación, se analizan los
puntos fuertes y las debilidades de las más utilizadas:
Níquel-Cadmio
Voltaje nominal de 1,2 V
Precio bajo
Capaz de soportar grandes descargas sin apenas perdidas de capacidad
Tienda a tener defectos a causa del efecto memoria
El Cadmio es un elemento muy contaminante
Plomo-Acido
Voltaje nominal de 2,2 V
Precio moderadamente elevado
Grandes descargas resultan en considerables pérdidas de capacidad
No sufre de efecto memoria
El plomo es un elemento muy contaminante
Níquel-Metal Hidruro
Voltaje nominal de 1,2 V
Precio bajo
Muy pesada
Litio Ion
Voltaje nominal de 3,6 V
Precio muy elevado
Poco contaminante
Peligro de explosión debido a su volatilidad
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Además de las características nombradas, la densidad de energía es una de las propiedades más
importantes a la hora de escoger un tipo de batería ya que indica la capacidad que tiene una batería
de almacenar carga en relación a su peso, en la siguiente gráfica se muestra una comparación:
Ilustración 17: Relación entre la Densidad de energía volumétrica y la densidad de energía específica (Fuente Epectec)
Como se puede ver, las baterías que almacenan más carga por unidad de volumen son las de Polímero
de Ion (Li-Po) y las de Iones de Litio (Li-Ion). Es por todas estas características que las baterías Li-Po y
Li-Ion son actualmente las más utilizadas para aplicaciones de radio control, especialmente en los casos
donde es muy importante reducir el peso como es el caso del dron.
En este proyecto se trabaja con la tecnología Li-Po que se trata de unas baterías con unas características
muy parecidas a las Li-ion (8, 9).
3.2. Propiedades de las baterías Li-Po
Como ya se ha comentado en el apartado anterior las baterías de tecnología Li-Po son muy parecidas
a las baterías de tecnología Li-ion, a continuación, se pasa a mostrar las características de las baterías
de tecnología Li-Po:
Voltaje:
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El voltaje de trabajo seguro de las celdas normalmente se encuentra entre 3,0 V y 4,2 V aunque estos
valores dependen de cada batería y para no caer en la equivocación lo mejor es consultarlo con el
fabricante. A diferencia de otras tecnologías el voltaje que se permite por celda es por norma mayor al
de otras, por lo que se puede formar una batería con menos celdas que con otros tipos de baterías.
Cabe recalcar, que para indicar el número de celdas en serie que compone la batería se indica con el
número de celdas seguido de la letra “S”, por otro lado, para indicar el número de celdas en paralelo
se indica con el número de celdas seguido de la letra “P”, por ejemplo, una batería con cinco celdas en
serie y seis en paralelo sería una batería 5S6P (8, 9).
Capacidad:
Por capacidad se entiende la cantidad de energía capaz de almacenar una batería, se suele indicar en
miliamperios hora (mAh), por ejemplo, una batería de 1000mAh quiere decir que podría descargar
1000 mA durante una hora o 500 mA durante dos horas, este valor depende de la batería que se esté
utilizando ya que no es constante.
Tasa de descarga
Esta característica se indica con la letra “C” y hace referencia a la rapidez con la que se puede descargar
una batería de forma segura. Por ejemplo, si una batería de 1000 mAh se clasifica como 10C podrá ser
descargada en 6,02 minutos como se explica a continuación:
1000 𝑚𝐴ℎ
60 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠= 16,6 𝑚𝐴 𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜
Multiplicado por la tasa de descarga
16,6𝑚𝐴
𝑚𝑖𝑛· 10 = 166𝑚𝐴 𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜
Dividido entre la capacidad total de la batería
1000 𝑚𝐴
166 𝑚𝐴= 6,02 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠
Volatilidad
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El mayor problema que tienen estas baterías es la fácil volatilidad por lo que para trabajar con ellas
antes hay que asegurarse que no llegan a ser peligrosas en ningún caso.
3.3. Volatilidad de las baterías Li-Po
Las baterías Li-Po son muy inestables tal y como se ha comentado anteriormente, es por ello que hay
que tener especial cuidado a la hora de trabajar con ellas con los cortocircuitos, sobrecargas y
sobredescargas.
En este proyecto se ha querido diseñar una estrategia para evitar estos problemas, aunque se quiere
dejar claro que no es la única solución a este problema y que existen otras soluciones. Esta estrategia
consiste básicamente en evitar los cortocircuitos dejando la suficiente distancia entre circuitos y
componentes para que así en caso de defecto no se puedan llegar a cortocircuitar, evitar las
sobrecargas mediante cargadores inteligentes los cuales controlan en cada momento el voltaje al que
se carga cada celda de una batería y evitar las sobredescargas realizando un control adecuado que
mida en cada momento la tensión de cada celda de cada batería para así evitar que desciendan por
debajo del umbral recomendado.
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4. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL
4.1. Introducción
El dron para el cual se ha diseñado el sistema, es un cuadricóptero grande, que mide aproximadamente
70 centímetros de diagonal entre motor y motor y que está pensado para ser una aeronave de trabajo
versátil a la que se le puedan añadir distintos tipos de herramientas dependiendo de la aplicación que
se le quiera dar, estas herramientas no van a ser muy pesadas y en ningún caso van a superar los 5 kg.
Ilustración 18: Imagen del dron sobre el que se ha trabajado
Como se puede ver en la imagen, se trata de un multirrotor compuesto por cuatro motores Brushless
y cuatro hélices en forma de “X”, aparte de otros componentes de los que se ha dispuesto desde un
primer momento y que se han tenido que incluir en el sistema y se han tenido que tener muy presentes
sus características para trabajar de forma correcta con ellos, a continuación, se van a nombrar los
componentes que se han tenido que incluir:
Batería
Desde el principio se ha dispuesto de dos baterías modelo Desire power V8 series con un voltaje
nominal de 22,2 V, compuesta por 6 celdas LiPo en serie (6S), una capacidad de 8000 mAh y tasa de
descarga de 20C. Aunque el fabricante no especifica ningún voltaje después de buscar por internet y
realizar varias pruebas se determina que la batería puede trabajar de forma segura entre 3,0 y 4,2 V
por celda.
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Ilustración 19: Batería Desire Power V8 series (Fuente rc-innovations)
Como se puede ver en la imagen la batería incluye dos conectores los cuales están conectados
internamente tal y como se puede en el Anexo A.
Placa distribuidora de potencia:
Ni todos los componentes del dron se alimentan a la misma tensión ni se pueden alimentar
directamente de la batería por lo que es muy importante utilizar una placa de distribución que sea
capaz de reducir la tensión de entrada a unos niveles aptos para nuestros elementos del dron. La Placa
de la cual se dispone, tiene una entrada y varias salidas:
- Una entrada de potencia que soporta perfectamente más de 55 A y que es compatible con
baterías 3S-6S, por lo que se va a conectar nuestra batería.
- Seis salidas para motores que van a ser más que suficientes ya que el dron solo necesita cuatro
- Una salida de 5 V que se utiliza para alimentar la placa Arduino, el Gimbal y el microprocesador
Odroid
- Una salida de 12 V que en este caso no se utiliza
- Una salida compatible para alimentar el controlador de vuelo PX4 y que además permite la
lectura de la intensidad de entrada.
A parte se ha de tener en cuenta que dicha placa soporta corrientes de hasta 90 A por lo que no se
podrá superar en ningún caso este amperaje.
Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero
27
Ilustración 20: placa distribuidora de potencia
Controladora de vuelo:
Como controladora de vuelo se dispone de una placa Pixhack 2.8.2 la cual es de código abierto y facilita
mucho el trabajo ya que dispone de varios sensores: acelerómetro de 3 ejes, giroscopio de 3 ejes,
barómetro y brújula. Dicha controladora de vuelo se alimenta a 5 V y se va a encargar de informar
mediante radiofrecuencia sobre el estado de las baterías cuando desciendan de un nivel de voltaje
seguro. Ver manual en el Anexo B.
Ilustración 21: Controladora de vuelo pixhack 2.8.4
Microprocesador:
Con tal de realizar los cálculos de manera ágil se utiliza la placa ODROID-XU4 de código abierto que se
puede ejecutar con Linux, Ubuntu 16.04 y varias versiones de Android. Esta placa permite
transferencias de datos muy rápidas y una capacidad de procesamiento avanzado.
Memoria
28
Ilustración 22: ODROID-XU4 (Fuente HARDKERNEL)
Gimbal:
Además de todos estos componentes, se dispone de un gimbal que es un soporte rotatorio de tres ejes
y que se utiliza para instalar una cámara y el cual se alimenta a 5V.
Arduino:
Para realizar el control de baterías se va a utilizar una placa Arduino tal y como se explica más adelante.
Dicha placa se alimenta también a 5 V.
4.2. Introducción a la estrategia de control
Como se ha comentado anteriormente, para trabajar con baterías LiPo se deben asegurar medios que
eviten la facilidad que tiene esta tecnología para volatilizarse, para ello se han de tener en cuenta varios
aspectos: la sobrecarga, la sobredescarga y los cortocircuitos. Es muy importante prevenir estos
estados ya que si esto llegase a ocurrir se podrían llegar a dañar no solo las baterías si no también otras
partes del dron, o el medio que lo envuelve incluidas las personas que se encontrasen alrededor, en
este proyecto se ha pretendido buscar una estrategia que permita solventar estos tres problemas.
4.2.1. Sobrecarga
Se han dado varias ocasiones en que los usuarios cargan las baterías más de lo recomendado ya sea
por desconocimiento, por despiste o por no utilizar un cargador apropiado, es muy importante evitar
la sobrecarga de las baterías en nuestro sistema, ya que si se superan los 4,2 V máximos por celda esta
puede llegar a incendiarse causando daños irreparables. Por otro lado, si las celdas no se cargan
equilibradamente habrá celdas que dispongan de mayor voltaje y otras que dispongan de un menor
Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero
29
voltaje, lo que va a afectar a la hora de descargarse reduciendo su tiempo de funcionamiento. Para
evitar este problema se va a utilizar un cargador inteligente.
Es importante buscar un cargador que permita cargar las celdas por separado al voltaje que se le
indique y que permita el equilibrio entre ellas, en este caso se ha utilizado el modelo MAX Loong E6
que permite perfectamente balancear las celdas y cargar batería de hasta 6S.
Finalmente, Se ha decidido cargar las celdas a un máximo de 4,1 V para tener un factor de protección
y porque algunos de los componentes que se van a utilizar en el sistema no soportan más de 25 V.
Ilustración 23: cargador MAX Loong E6
4.2.2. Sobredescarga
Otra de las cosas que hay que tener en cuenta a la hora de trabajar con baterías Li-Po es la
sobredescarga, al igual que en el caso de la sobrecarga si la batería se descarga por debajo de una cierta
tensión, en este caso 3 V, la batería puede quedar inservible o incluso llegar a incendiarse con los daños
que eso repercutiría, por lo que se necesita diseñar un sistema que permita conocer continuamente el
voltaje de cada celda de cada batería para poder interrumpir la descarga de la batería que se encuentre
trabajando cuando una de las celdas de esta vaya a cruzar este umbral, evitando así posibles
problemas. Como se ha indicado anteriormente para subministrar la energía necesaria al dron se
utilizan dos baterías las cuales en ningún momento trabajan de forma simultánea, si no que
primeramente trabaja una de ellas y cuando una de las celdas de esta batería no se encuentre en
condiciones de seguir descargando se va a conmutar dando paso a la descarga de la segunda batería,
teniendo esto en cuenta, se llega a la conclusión de que el sistema ha de ser capaz de realizar los
siguientes procesos:
Testear el voltaje inicial de las dos baterías con el dron detenido para saber si es seguro
iniciar el vuelo.
Testear continuamente el voltaje de cada celda de la batería que se encuentra
descargando
Memoria
30
Cuando esta batería este cerca de cruzar el umbral crítico ha de realizarse una
conmutación que corte la descarga de dicha batería y pase a descargar la otra batería.
Cuando esté trabajando la segunda batería se ha de testear el voltaje de esta tal y como
se ha hecho con la primera.
Cuando esta segunda batería se encuentre cerca de cruzar el umbral crítico, se le ha de
enviar una señal a la controladora de vuelo para que esta indique a su vez mediante
radiofrecuencia que el dron ha de aterrizar.
Para llevar a cabo esta estrategia se ha propuesto como posible solución utilizar un sistema compuesto
por los componentes que a continuación se detallan.
4.2.2.1. Arduino
Arduino es básicamente una plataforma de código abierto basada en hardware y software flexible y
fácil de utilizar que incluye un microcontrolador y varias entradas y salidas entre otras cosas. El
microcontrolador es imprescindible ya que es un circuito integrado que permite ser programado y que
es capaz de ejecutar ordenes gracias entre otras a la memoria, a la unidad central de procesamiento y
a las entradas y salidas.
Después de mucho pensar, se ha decidido utilizar una placa Arduino NANO, en concreto la versión con
microcontrolador ATmega328P ya que el espacio del que se dispone es pequeño y las dimensiones de
esta placa son de solamente de 4,5 X 1,8 cm, a continuación, se detallan algunas de las características
de la plataforma Arduino:
Económico: estas placas son baratas en comparación con otras plataformas.
Multiplataforma: el software Arduino se puede ejecutar tanto en Windows, Macintosh OS X
o Linux. La mayoría de sistemas microcontroladores están limitados a Windows.
Entorno de programación: este software es ideal para personas que no disponen de gran
conocimiento de programación, pero es lo suficientemente flexible para que los puedan
utilizar usuarios avanzados
Software de código abierto:
Por lo que al modelo Arduino NANO se refiere, cabe destacar que dispone de 14 entradas/salidas
digitales y de 8 entradas analógicas, además de una memoria flash de 32KB y 2KB de SRAM, la
frecuencia del clock es de 16MHz y el voltaje de operación es de 5V, respecto a la máxima corriente DC
para los pines de entrada y salida es de 40mA.
Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero
31
Ilustración 24: Arduino NANO (Fuente: arduino store)
Por lo que se va a utilizar este componente para indicarle las ordenes que se quiere que el sistema siga,
ver manual de forma detallada en el Annexo C.
4.2.2.2. Multiplexor
A la hora de medir la tensión de cada celda de cada batería surge un problema ya que Arduino NANO
solamente dispone de 8 entradas analógicas. Como se ha visto anteriormente el sistema de
alimentación del dron se compone de 2 baterías de 6 celdas cada una, por lo que para leer la carga de
cada una individualmente se necesitan un total de 6 pines analógicos por batería, lo que hacen un total
de 12 pines. Como solución a este problema se propone trabajar con multiplexores, los cuales permiten
seleccionar un canal entre varios y dirigirlo a la salida, para ello se selecciona que entrada se desea leer
mediante unos pines digitales (10).
Ilustración 25: Esquema básico del funcionamiento de un multiplexor (Fuente: Jordi Cosp)
Se han estudiado varias posibilidades:
Utilizar seis multiplexores de dos entradas
Memoria
32
Utilizar dos multiplexores de ocho entradas
Utilizar un multiplexor de dieciséis entradas
Finalmente se ha decidido descartar la primera opción por la cantidad de multiplexores que hacían
falta y se ha decidido descartar la última opción ya que la tensión que tendría que soportar el
multiplexor de dieciséis entradas era de más de 50 V y el precio de estos componentes era elevado,
por lo que se ha dedidido utilizar dos multiplexores de ocho canales cada uno.
El multiplexor que se ha escogido tenía que soportar tensiones de hasta 25,2 V ya que es la máxima
tensión a la que se va a cargar cada una de las baterías:
bateríamáxceldamáx VceldasNV __ º (Eq. 4.1)
VV 2,2562,4 (Eq. 4.2)
en este caso se ha elegido el modelo DG408DJ del fabricante Vishay, como se puede ver en el Anexo D
se puede alimentar con un voltaje de entre +5V y 36 V y su configuración es 8:1 por lo que es
perfectamente válido para el sistema.
Ilustración 26: Multiplexor DG408DJ
4.2.2.3. Divisor de tensión
A la hora de trabajar con Aruino NANO otro problema que surge es que los pines analógicos solamente
son capaces de leer una tensión máxima de 5 V por lo que si se pretende leer la tensión de las celdas
de cada batería se ha de buscar un método para reducir la escala de esta tensión. En este momento la
Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero
33
solución que se plantea es la de utilizar un divisor de tensión para cada multiplexor ya que permite
reducir la tensión por un factor de escala conocido (11).
Como divisor de tensión se conoce a una configuración compuesta por resistencias que permite
distribuir la tensión entre ellas, ver imagen.
Ilustración 27: esquema del funcionamiento de un divisor de tensión
Tal y como se puede ver en la imagen a la entrada del divisor de tensión se van a tener diferentes
valores dependiendo del nivel de tensión de la celda que se encuentre midiendo el multiplexor en ese
momento y a la salida se va a conectar el PIN analógico Arduino que se utiliza para la lectura.
Siguiendo el esquema y aplicando la ley de Ohm se llega fácilmente a la siguiente conclusión:
entradasalida VRR
RV
21
2 (Eq. 4.3)
Sabiendo que como mucho el PIN analógico puede leer voltajes de 5 V y que la tensión máxima de
entrada va a ser cuando las celdas estén cargadas al máximo (25,2 V) se llega a la siguiente conclusión:
196,021
2 in
out
V
V
RR
R
(Eq. 4.4)
Por lo que la configuración de las resistencias ha de tener un valor igual o menor que 0,196. En este
caso se ha utilizado una combinación de dos resistencias de valor R1=665 Ω y R2=162 Ω con una
tolerancia del 1 %.
4.2.2.4. MOSFET y transistor
Una vez diseñada la parte del circuito que se va a encargar de medir la tensión de las celdas, se ha de
diseñar la conmutación que va a interrumpir o dar paso a la descarga de las baterías. Cuando la tensión
Memoria
34
de una de las celdas de la batería que se encuentra descargando en ese momento desciende por
debajo de la tensión umbral se ha de interrumpir la descarga de esta y habilitar la descarga de la otra
batería. Para realizar dicha conmutación se necesita un dispositivo capaz de trabajar con valores de
corriente de hasta 90 A y que sea de gran rapidez, para ello se va a utilizar un MOSFET de canal P como
interruptor a la salida de cada batería.
Para realizar la conmutación se propone realizar el siguiente circuito el cual permite controlar el estado
de conducción dependiendo de la señal que se aplica en la puerta del MOSFET.
Ilustración 28: Estado de conducción del MOSFET
Como se puede ver en el esquema si ponemos el PIN digital del Arduino en LOW, el dispositivo se
encontrará en corte y no conducirá corriente, por otro lado, si conseguimos que el voltaje de la puerta
sea máximo podemos conseguir que el MOSFET se encuentre en la zona de saturación y que por lo
tanto la conducción sea máxima (12).
Dichos MOSFETs han de soportar una corriente de 90 A ya que como se ha explicado anteriormente
será la máxima corriente que descargaran las baterías y la conmutación se ha de poder hacer con un
PIN digital de 5 V ya que es la tensión máxima que alcanza el PIN digital del Arduino. Para ello se ha
utilizado el MOSFET modelo FDMS6681Z del fabricante ON Semiconductor, estos MOSFET soportan
una corriente de hasta 116 A como se muestra en la hoja de datos del Anexo E y el transistor BC849C
(ver Anexo F).
Además, hay que tener en cuenta que a la hora de detener una carga inductiva como los motores se
puede crear una corriente que dañe el MOSFET por lo que hay que instalar un diodo en paralelo con la
Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero
35
carga que permite disipar las corrientes inducidas por el campa magnético de la carga inductiva, es lo
que se denomina un diodo flyback (12).
4.2.2.5. Inversor
Cuando se realiza la conmutación entre una batería y otra hay que tener especial cuidado en que en
ningún momento se encuentren las dos descargando a la vez ya que esto produciría una
sobreintensidad y podría llegar a ocasionar daños. Para evitar este problema se utiliza un inversor.
El inversor es un circuito integrado compuesto por varias compuertas NOT y dos pines de alimentación.
La función de este dispositivo es mostrar un nivel HIGH en la salida cuando la entrada ve un nivel LOW
y mostrar un nivel LOW cuando la entrada ve un nivel HIGH.
Por lo tanto, para evitar la activación de las dos baterías a la vez, se utiliza un inversor que no permite
que las dos baterías descarguen a la vez en ningún momento ya que conmuta en la desconexión, es
decir hay un momento en que ninguna batería se encuentra descargando.
Para este circuito se ha utilizado el modelo SN74HC04NE4 de Texas Instruments, ver la hoja de datos
en el Anexo G.
Ilustración 29: Inversor SN74HC04NE4 de Texas Instruments
4.2.3. Cortocircuitos
Los cortocircuitos son también un gran problema ya que de igual manera pueden crear un defecto en
la batería y hacer que se produzco un accidente. A la hora de tener en cuenta los cortocircuitos se
puede hacer de dos maneras: o incluyendo componentes electrónicos de protección que corten la
corriente cuando esto ocurra tal como fusibles o dejar un espacio suficiente entre componentes para
que en caso de defecto estos no se lleguen a cortocircuitar. Se ha decidido excluir la opción de utilizar
componentes que corten el flujo de corriente ya que si así lo hiciesen el dron caería en picado y se
podrían destruir los componentes.
Memoria
36
Por lo tanto, a la hora de diseñar la PCB se ha pretendido dejar espacio entre las pistas, especialmente
entre las que transportan mayor corriente. Por otro lado, se ha confiado en que los componentes
comerciales que se han adquirido cumplen con la declaración de conformidad del fabricante y se puede
confiar en que cumplen las distancias necesarias.
Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero
37
5. SIMULACIÓN Y DISEÑO
5.1. Simulación mediante software Proteus
Una vez escogidos los componentes se ha procedido a estudiar la respuesta tanto de ellos
individualmente como en conjunto, para ello primero de todo se ha preferido utilizar un software de
simulación como es el caso de Proteus que se permite la simulación de circuitos y diseño de PCBs
además de que permite simular también varios modelos de microcontroladores. Para este proyecto se
ha utilizado dicho software para simular el circuito ya que permite poder simular la respuesta de la
placa Arduino NANO y comprobar la correcta programación, y aunque en algunos casos no se ha
podido encontrar el modelo exacto de los componentes que se han utilizado posteriormente, se han
utilizados modelos muy similares con los que se obtienen una repuesta muy parecida y que permiten
hacerse una idea de cómo trabajará el sistema una vez diseñado, es el caso por ejemplo del sistema de
conmutación el cual se ha simulado mediante Proteus con un MOSFET y un transistor diferente al que
se ha diseñado la PCB ya que el software no disponía de estos componentes.
En el Anexo H se puede ver el esquema que se ha realizado mediante Proteus y que se ha utilizado
para simular la respuesta del sistema. Como se puede observar finalmente se ha optado por poner
resistencias a la entrada de los multiplexores ya que después de muchas pruebas se ha observado que
la corriente que las celdas aportaban al multiplexor era demasiado elevada, además, se puede ver que
con tal de obtener una aproximación similar a lo que se tendrá posteriormente se ha sustituido la PCB
distribuidora de potencia por un motor y una resistencia en paralelo que simulan la carga inductiva y
resistiva de las salidas de dicha PCB.
Respecto a la conmutación y a la lectura del voltaje mediante Arduino en el Anexo I se puede ver que
la respuesta de la conmutación. Se ha utilizado un interruptor que se ha instalado en el conductor de
una de las celdas y se ha utilizado para simular que una de las celdas descendía del voltaje permitido
(al abrir el interruptor el valor que lee el Arduino sobre la celda es de 0V y por lo tanto detecta que el
voltaje de una de las celdas es menor al valor permitido y pone el pin D5 en low permitiendo que
trabaje la otra batería, esto se puede identificar fácilmente por los cuadraditos que hay al lado, ya que
en rojo significa que está activo y en azul inactivo) para conseguir por pantalla el valor que lee el
Arduino se ha instalado un terminal virtual, como se puede ver el valor de la tensión leído es correcto
excepto cuando se abre el interruptor que hay un valor que se dispara a -21,03 V esto es debido a que
el multiplexor tiene un conductor al aire y eso genera interferencias, en el diseño real esto no pasaría
ya que esta celda jamás estaría al aire si no que solamente descendería el voltaje.
Memoria
38
5.2. Programación mediante Arduino IDE
Para indicar al sistema las ordenes que ha de ejecutar se ha programado el microcontrolador
ATmega328P de la placa Arduino NANO mediante el software de código abierto Arduino IDE 1.8.6 el
cual permite programar el código de manera abierta y subirlo al Arduino Nano.
Arduino utiliza un lenguaje de programación propio basado en el lenguaje de alto nivel Processing el
cual es similar a C++ y al estar basado en C soporta las funciones del estándar C y algunas del lenguaje
C++ (13).
A la hora de realizar el programa se ha realizado primeramente un diagrama de bloques que ayuda a
entender el funcionamiento, se puede ver en el Anexo J.
Como se puede ver en el diagrama como voltaje umbral se han considerado 3,2 V para dejar un margen
de error y para activar la alarma se ha considerado que la batería 1 ha sobrepasado el umbral de 3,2 V
y la batería 2 ha llegado al umbral de 3,3 V para así dejar tiempo suficiente para aterrizar de forma
segura.
El programa quedaría tal que así:
int pinA = 4; //PIN DIGITAL SELECTOR MULTIPLEXOR DEL CANAL A
int pinB = 3; //PIN DIGITAL SELECTOR MULTIPLEXOR DEL CANAL B
int pinC = 2; //PIN DIGITAL SELECTOR MULTIPLEXOR DEL CANAL C
int celda1 [6]; //MATRIZ VOLTAJES ACUMULADO CELDAS YA QUE SE
ENCUENTRAN EN SERIE Y PARA SABER EL VOLTAJE REAL HAY QUE RESTARLE
HACER CELDA[i]-CELDA[i-1]
int celda2 [6]; //MATRIZ VOLTAJES ACUMULADO CELDAS YA QUE SE
ENCUENTRAN EN SERIE Y PARA SABER EL VOLTAJE REAL HAY QUE RESTARLE
HACER CELDA[i]-CELDA[i-1]
Primero de todo se declaran las variables, en este caso los pines pinA, pinB y pinC son los pines digitales
del Arduino los cuales sirven para seleccionar el canal que se quiere leer en la salida del multiplexor, y
por otro lado se tiene la celda1 y celda2 que son dos matrices de 6 componentes en las cuales se
almacenan los valores de tensión de cada celda de cada batería.
float resta10 = 0; //VOLTAJE CELDA 0 DE LA BATERÍA 1
float resta11 = 0; //VOLTAJE CELDA 1 DE LA BATERÍA 1
float resta12 = 0; //VOLTAJE CELDA 2 DE LA BATERÍA 1
float resta13 = 0; //VOLTAJE CELDA 3 DE LA BATERÍA 1
float resta14 = 0; //VOLTAJE CELDA 4 DE LA BATERÍA 1
float resta15 = 0; //VOLTAJE CELDA 5 DE LA BATERÍA 1
float resta20 = 0; //VOLTAJE CELDA 0 DE LA BATERÍA 2
float resta21 = 0; //VOLTAJE CELDA 1 DE LA BATERÍA 2
float resta22 = 0; //VOLTAJE CELDA 2 DE LA BATERÍA 2
float resta23 = 0; //VOLTAJE CELDA 3 DE LA BATERÍA 2
float resta24 = 0; //VOLTAJE CELDA 4 DE LA BATERÍA 2
float resta25 = 0; //VOLTAJE CELDA 5 DE LA BATERÍA 2
Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero
39
Después se declaran 12 variables float que indicarán el voltaje que hay en cada celda, las seis primeras
se utilizan para la batería 1 y las otras seis para la batería 2.
int mosfet = 5; //PIN DIGITAL CONTROL MOSFETS
int inversor = 6; //PIN CONTROL INVERSOR
int alarma = 7; //PIN ALARMA NIVEL DE BATERIA
int pin_1 = 0; //PIN ANALOGICO LECTOR VOLTAJE CELDAS DEL
MULTIPLEXOR 1
int pin_2 = 0; //PIN ANALOGICO LECTOR VOLTAJE CELDAS DEL
MULTIPLEXOR 2
Y se declaran los pines del MOSFET, del inversor y de la alarma, los cuales son pines digitales que
corresponden al pin número 5, 6 y 7 respectivamente del Arduino, por otro lado, el pin_1 y pin_2 se
van a utilizar para leer el valor de salida de los multiplexores y por lo tanto son analógicos.
int Pasos [6] [3] = //MATRIZ PINES SELECTORES DEL MULTIPLEXOR
0, 0, 0, //SELECTOR CELDA 0
0, 0, 1, //SELECTOR CELDA 1
0, 1, 0, //SELECTOR CELDA 2
0, 1, 1, //SELECTOR CELDA 3
1, 0, 0, //SELECTOR CELDA 4
1, 0, 1, //SELECTOR CELDA 5
;
La matriz pasos se corresponde a los niveles lógicos de las tres salidas del Arduino (pinA, pinB y pinC)
que se utilizarán para seleccionar que entrada se quiere enviar a la salida del multiplexor, tal y como
se puede ver en la imagen de la tabla de la verdad extraída del datasheet del multiplexor.
Memoria
40
A continuación, se declaran las variables como entradas o salidas
void setup ()
Serial.begin(9600);
pinMode(pinA, OUTPUT); //PIN SELECTOR COMO SALIDA
pinMode(pinB, OUTPUT); //PIN SELECTOR COMO SALIDA
pinMode(pinC, OUTPUT); //PIN SELECTOR COMO SALIDA
pinMode(pin_1, INPUT); //PIN LECTOR MULTIPLEXOR 1
pinMode(pin_2, INPUT); //PIN LECTOR MULTIPLEXOR 2
pinMode(mosfet, OUTPUT); //PIN MOSFET COMO SALIDA
pinMode(inversor, OUTPUT); //PIN INVERSOR COMO SALIDA
digitalWrite(mosfet, LOW); //PRIMEO SE PONE EL MOSFET EN LOW
digitalWrite(inversor, LOW); //INICIALMENTE SE PONE EN LOW EL
INVERSON PARA QUE NINGUNA BATERIA DESCARGUE
digitalWrite (alarma, LOW); //INICIALMENTE LA ALARMA SE APAGA YA
QUE NO SE TIENE CONSTANCIA DE QUE EL VOLTAJE DE LAS CELDAS SEA
PELIGROSO
Y a continuación se prepara el programa
void loop ()
int resta;
for (int count = 0; count < 6; count++) //SE PONEN LOS PINES
r0, r1 Y r2 EN HIGH O LOW SEGUN LA MATRIZ PASOS, CON COUNT SE
SELECCIONA LA FILA Y CON [0], [1] Y [2] LA COLUMNA
digitalWrite(pinA, Pasos [count] [0]);
digitalWrite(pinB, Pasos [count] [1]);
digitalWrite(pinC, Pasos [count] [2]);
pin_1 = analogRead (A7); //LECTURA DEL PIN ANALOGICO UNA VEZ
PUESTOS LOS PINES SELECTORES DEL MULTIPLEXOR 1 EN HIGH O LOW
pin_2 = analogRead (A6); //LECTURA DEL PIN ANALOGICO UNA VEZ
PUESTOS LOS PINES SELECTORES DEL MULTIPLEXOR 2 EN HIGH O LOW
celda1[count] = pin_1; //SE ALMACENAN LOS VALORES DE LOS
VOLTAJES DE LA BATERIA 1 EN LA MATRIZ CELDA
celda2[count] = pin_2; //SE ALMACENAN LOS VALORES DE LOS
VOLTAJES DE LA BATERIA 1 EN LA MATRIZ CELDA
conversion(resta); //SE LLAMA A LA FUNCION CONVERSION PARA
PASAR DE INT A FLOAT
delay(500); //DELAY DE MEDIO SEGUNDO
Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero
41
Se utiliza un “for” que permite recorrer toda la matriz pasos y poner los pines pinA, pinB y pinC en un
nivel lógico positivo o negativo para realizar las combinaciones que permiten llevar a la salida el valor
de la entrada deseada del multiplexor y seguidamente se lee el valor de la salida de los multiplexores
en cada iteración mediante los pines analógicos pin_1 y pin_2 los cuales se almacenan en las matrices
celda1 y celda2.
resta10 = conversion(5.105f*celda1[0]); //VOLTAJE DE LA CELDA 0 DE
LA BATERÍA 1
resta11 = conversion(5.105f*celda1[1]-5.105f*celda1[0]); //VOLTAJE
DE LA CELDA 1 DE LA BATERÍA 1
resta12 = conversion(5.105f*celda1[2]-5.105f*celda1[1]); //VOLTAJE
DE LA CELDA 2 DE LA BATERÍA 1
resta13 = conversion(5.105f*celda1[3]-5.105f*celda1[2]); //VOLTAJE
DE LA CELDA 3 DE LA BATERÍA 1
resta14 = conversion(5.105f*celda1[4]-5.105f*celda1[3]); //VOLTAJE
DE LA CELDA 4 DE LA BATERÍA 1
resta15 = conversion(5.105f*celda1[5]-5.105f*celda1[4]); //VOLTAJE
DE LA CELDA 5 DE LA BATERÍA 1
resta20 = conversion(5.105f*celda2[0]); //VOLTAJE DE LA CELDA 0 DE
LA BATERÍA 2
resta21 = conversion(5.105f*celda2[1]-5.105f*celda2[0]); //VOLTAJE
DE LA CELDA 1 DE LA BATERÍA 2
resta22 = conversion(5.105f*celda2[2]-5.105f*celda2[1]); //VOLTAJE
DE LA CELDA 2 DE LA BATERÍA 2
resta23 = conversion(5.105f*celda2[3]-5.105f*celda2[2]); //VOLTAJE
DE LA CELDA 3 DE LA BATERÍA 2
resta24 = conversion(5.105f*celda2[4]-5.105f*celda2[3]); //VOLTAJE
DE LA CELDA 4 DE LA BATERÍA 2
resta25 = conversion(5.105f*celda2[5]-5.105f*celda2[4]); //VOLTAJE
DE LA CELDA 5 DE LA BATERÍA 2
//SE MULTIPLICAN POR 5.105 POR EL FACTOR CORRECTOR QUE SE HA DE
APLICAR AL TENER UN DIVISOR DE TENSION
Como se puede apreciar en el Anexo 1, el voltaje que se lee en cada pin del multiplexor no es el voltaje
individual de cada celda, sino que es el valor de la suma de las celdas que se encuentran aguas abajo,
por lo que para obtener el valor exacto se ha de restar el valor obtenido anteriormente:
1 iceldaiceldaicelda (Eq. 5.1)
Y además como se ha aplicado un divisor de tensión de valores conocidos, estas variables se han de
multiplicar por esta relación de trasformación para obtener el valor exacto.
Memoria
42
outeq
eq
outin VR
R
VV 1
(Eq. 5.2)
105,5665162
16211
21
21
RR
RReq
(Eq. 5.3)
outin VV 105,5 (Eq. 5.4)
if (resta10 > 3.2 && resta11 > 3.2 && resta12 > 3.2 && resta13 > 3.
2 && resta14 > 3.2 && resta15 > 3.2 && resta20 > 3.2 && resta21 >
3.2 && resta22 > 3.2 && resta23 > 3.2 && resta24 > 3.2 && resta25 >
3.2 )
digitalWrite (inversor, HIGH); //SI LAS DOS BATERIAS SE ENCUENTRAN
POR ENCIMA DE 3,3V SE PUEDE INICIAR EL VUELO Y EL INVERSOR SE
ACTIVA
digitalWrite (mosfet, HIGH); //DESPUES SE ACTIVA EL MOSFET, SE HACE
EN ESTE ORDEN PK EL INVERSOR CONMUDA A LA DESCONEXIÓN Y ASI NO SE
PUEDEN ACTIVAR LAS DOS BATERIA AL VEZ NUNCA
Si tanto la batería 1 como la batería 2 se encuentran por encima de los 3,2 V, es seguro iniciar el vuelo
por lo que tanto el inversor como el MOSFET se ponen en niveles lógicos altos para que la batería 1
empiece a descargar.
else if ((resta10 <= 3.2 | resta11 <= 3.2 | resta12 <= 3.2 | resta1
3 <= 3.2 | resta14 <= 3.2 | resta15 <= 3.2) && (resta20 > 3.2 && re
sta21 > 3.2 && resta22 > 3.2 && resta23 > 3.2 && resta24 > 3.2 && r
esta25 > 3.2 ))
digitalWrite (inversor, HIGH); //SI LA TENSION DE LA BATERIA 1 CAE
POR DEBAJO DE 3,3 V SE PUEDE INICIAR EL VUELO YA QUE AUN SE DISPONE
DE LA CARGA DE UNA BATERIA
digitalWrite (mosfet, LOW); // SE DESACTIVA LA DESCARGA DE LA
BATERIA 1 Y AUTOMATICAMENTE SE ACTIVA AL DESCARGA DE LA BATERIA 2
Si alguna celda de la batería 1 desciende por debajo de los 3,2 V y la batería 2 se encuentra en
condiciones seguras para trabajar, el MOSFET se pone a 0V permitiendo así descargar a la batería 2
gracias al inversor que permitirá conmutar al MOSFET de la batería 2.
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else if ((resta10 <= 3.2 | resta11 <= 3.2 | resta12 <= 3.2 | resta1
3 <= 3.2 | resta14 <= 3.2 | resta15 <= 3.2) && (resta20 <= 3.3 && r
esta20 >3.2 | resta21 <= 3.3 && resta21 >3.2 | resta22 <= 3.3 && re
sta22 >3.2 | resta23 <= 3.3 && resta23 >3.2 | resta24 <= 3.3 && res
ta24 >3.2 | resta25 <= 3.3 && resta25 >3.2 ))
digitalWrite (inversor, HIGH); //SI LA TENSION DE LA BATERIA 1 CAE
POR DEBAJO DE 3,3 V SE PUEDE INICIAR EL VUELO YA QUE AUN SE DISPONE
DE LA CARGA DE UNA BATERIA
digitalWrite (mosfet, LOW); // SE ACTIVA LA DESCARGA LA DESCARGA DE
LA BATERIA 1 YA QUE LA BATERÍA 2 NO SE ENCUENTRA EN CONDICIONES DE
DESCARGAR
digitalWrite (alarma, HIGH); //SE ACTIVA LA ALARMA CUANDO LA
BATERÍA 1 SE ENCUENTRA EN NIVELES POR DEBAJO O IGUAL DE 3,2 V Y LA
BATERÍA 2 SE ENCUENTRA POR DEBAJO O IGUAL A 3,3 V PARA AVISAR DE
QUE SE HA DE ATERRIZAR INMEDIATAMENTE
Si alguna de las celdas de la batería 1 se encuentra por debajo de 3,2 V y alguna de las celdas de la
batería 2 se encuentra entre 3,2 V y 3,3 V se activa la alarma para avisar de que se ha de proceder a
aterrizar.
else
digitalWrite (inversor, LOW); //SI NO SE CUMPLEN LAS
CONDICIONES ANTERIORES TANTO EL INVERSOR COMO EL MOSFET SE PONEN EN
NIVEL BAJO NO PUDIENDOSE ASI HACER VOLAR AL DRON
digitalWrite (mosfet, LOW);
Si por el contrario no se cumple ninguna de las condiciones anteriores significa que las dos batería se
encuentran en niveles inferiores a 3,2 V por lo que tanto el inversor como el mosfet se han de apagar
inmediatamente para evitar una posible explosión, esto quiere decir que o bien el dron no podrá iniciar
el vuelo si se encuentra en el suelo o bien el dron se precipitara al vacío si se encuentra en el aire, se
confía que dejándolo caer los daños sufridos sean menores a los que podrían llegar a suceder si se
incendia o explotan las baterías.
Memoria
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float conversion(float bytes) //FUNCION QUE CONVIERTE INT
EN FLOAT
float voltaje=(bytes*5)/1023;
return voltaje;
Por último, la función que se ha utilizado para pasar de enteros a decimales se le ha llamado
“conversión”, para realizar esta conversión se ha utilizado una regla de tres sabiendo que el Arduino
no puede leer más de 5 V y que este valor se corresponde a 1023 bytes.
5.3. Simulación mediante protoboard
Una vez realizado un primer diseño en Proteus y tener clara la programación del Arduino se ha procedido a realizar las pruebas sobre la protoboard para obtener así los resultados reales. Primero de todo lo que se ha hecho es comprobar que los selectores del canal de los multiplexores funcionasen correctamente, solo se han comprobado dos pines a la vez y no los tres ya que el osciloscopio utilizado solamente disponía de dos canales.
Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero
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Al verificar que el comportamiento era el adecuado se ha pasado a comprobar la medida del voltaje de la batería
Memoria
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Como se puede ver en la imagen el multiplexor tenemos dos canales, por un lado, el PinA y por otro lado el pin A7 de lectura de tensión del Arduino, funciona perfectamente y solamente faltaría añadir el divisor de tensión para acondicionar la señal y que el Arduino pudiese leer el valor sin ningún tipo de problema.
En esta última imagen se observa lo que se obtuvo con un divisor de tensión formado por resistencias de 390 kΩ a la entrada y 100 kΩ a la salida, como se puede ver el valor máximo supera los 5 V por lo que más tarde se cambiarían estas resistencias por otras de 665 Ω a la entrada y 162 Ω a la salida. Hay dos formas de calibrar el sistema de medida para obtener mayor precisión, una puede ser añadiendo una resistencia variable a la salida, de esta manera se podría modificar el valor de esta resistencia y calibrar el sistema con ayuda de un ohmímetro u otra posibilidad es cambiar la constante por la que se multiplica el voltaje leído por el Arduino en el código de programación, en este caso se ha optado por utilizar este segundo método ya que se ha considerado más preciso y así solo puede el
Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero
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fabricante modificar el valor y no el cliente el cual podría tocar sin tener conocimientos y generar un problema.
5.4. Diseño de las PCBs mediante Eagle
Una vez simulado el circuito se ha procedido a diseñar un total de tres PCBs, se ha decidido primeramente crear dos pequeñas placas a las que se va a conectar los conectores de una batería a cada una con la intención de facilitar la instalación de las baterías y no tener que hacer pasar un cableado tan largo hasta la PCB principal, y por otro lado se va a diseñar la PCB principal que va a contener el circuito que se ha simulado mediante Proteus. Para realizar el diseño de la PCB se ha decidido utilizar Eagle ya que es un programa que actualmente se utiliza mucho en la industria y era de especial interés desde el primer momento conocer sus funciones básicas. A la hora de diseñar las PCBs se ha encontrado un problema ya que hay pistas que se han tenido que diseñar para hacer pasar un total de 90 A, hacer pasar tal corriente por las pistas de la PCB no es una tarea sencilla y es por ello que se ha decidido contactar con diversos fabricantes para preguntar qué tipo de producto se podría adaptar a nuestra situación y se ha llegado a la conclusión de que lo mejor es utilizar una PCB de dos capas, de las cuales una de ellas ha de ser lo más gruesa posible ya que el grosor será inversamente proporcional al ancho de la pista. Para calcular el ancho de la pista, se puede hacer mediante la aplicación del estándar general para el diseño de circuitos impresos ANSI-IPC 2221 que propone la IPC (Association connecting electronics industries) (14): Los datos que van a hacer falta son varios, la intensidad que va a circular por la pista expresada en amperios, el incremento de temperatura máxima que se quiere permitir en grados centígrados y el grosor de pista en onza por pie cuadrado. Como se puede ver las medidas están dadas en unidades anglosajonas y la mayoría de fabricantes trabajan con ellas, una pista 1 onza por pie cuadrado equivale a pista de 35 micras. La ecuación que permite el cálculo del ancho de pista viene dada por la siguiente expresión:
378.1
L
ÁreaAncho
(Eq. 5.5)
Donde L es el grosor de la pista de cobre y el ancho viene dado en milésimas de pulgada. El área se puede expresar también de la siguiente manera:
3
1
21
k
ktk
IÁrea
(Eq. 5.6)
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El valor de las constantes k1, k2 y k3 dependes de si la pista va a estar en una capa exterior o interior,
en este caso al ser exterior los valores son los siguientes:
k1=0,0647
k2=0,4281
k3=0,6732
Sustituyendo las dos fórmulas se llega a la conclusión de que el ancho se puede calcular por la siguiente
expresión:
378,1
)1(3 12
L
tkIAncho
k k
(Eq. 5.7)
Con esta fórmula podemos calcular el ancho de las pista de 90 A sabiendo que el grosor de la pista va
a ser de 400 µm que equivale a 11,43 oz/ft2 y se va a fabricar con CipsaCircuits ya que es fabricante que
trabaja con el mayor grosor que se ha encontrado en el mercado, la temperatura ambiente se ha
considerado de un máximo de 40 °C y no se quiere que supere en ningún caso los 65 °C por lo que el
incremento de temperatura se considera de 25°C, teniendo todo esto en cuenta se puede proceder a
obtener el ancho de pista:
milAncho 81,382378,143,11
)250647,0(906732,0 14281,0
(Eq. 5.8)
El total es de 382, 81 milésimas de pulgada lo que equivale a 9,72 milímetros de ancho. No nos
podemos permitir diseñar una pista de tal tamaño ya que es demasiado ancha y el conector es de 6
mm de diámetro, después de darle muchas vueltas y buscar posibles soluciones se llega a la conclusión
de que lo mejor es diseñar pistas de 6 mm y añadir una capa de estaño encima para reforzar
notoriamente el grosor de la pista, se puede ver un ejemplo en la siguiente imagen:
Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero
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Ilustración 30: ejemplo de PCB reforzada con estaño
En el caso de las pistas de control solo se enviarán datos por lo que las corrientes no van a ser muy
grandes si no que serán del orden de miliamperios, en este caso se ha considerado una corriente
máxima de 1 A y se ha obtenido lo siguiente:
milAncho 48,0378,143,11
)250647,0(16732,0 14281,0
(Eq. 5.9)
Se obtiene 0,48 milésimas de pulgada lo que equivale a 0,01 mm, en este caso se utilizarán pistas de
aproximadamente 0,1 mm para dar un margen y porque el fabricante no permite tamaños menores.
Primeramente, se han tenido que realizar los esquemático que se encuentran en el Anexo K y seguidamente el diseño, los componentes y se han colocado tal y como se puede ver en el Anexo L, se ha tenido en cuenta los tornillos para la fijación y se ha decidido separar los componentes que transportarán 90 A de los de señal para evitar posibles interferencias. Finalmente se puede ver en el Anexo M el diseño de las PCB, la capa 1 está en rojo y la capa 2 en azul, en la capa 2 se ha decidido poner sobretodo componentes que van a masa y pistas que era difícil colocarlas en la capa 1 debido a que pasaban muy cerca de otras pistas y podían crear interferencias y no respetar la distancia necesaria para evitar cortocircuitos.
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6. ANALISIS DEL IMPACTO AMBIENTAL A la hora de analizar el impacto ambiental de este sistema se ha de empezar nombrando las baterías de tecnología LiPo las cuales se estima que tiene una vida útil de 500 ciclos o en su defecto de tres años, y pasado esto se han de desechar para evitar problemas, aunque esta vida útil en principio se podría incluso ampliar teniendo en cuenta que se va a cargar mediante un cargador inteligente y que no se tiene previsto sobrepasar los límites recomendados. Por otra parte, el riesgo de inflamabilidad podría llegar a convertirse en un peligro para el medio que las rodea, para evitar este problema se deben vigilar las baterías mientras se están cargando y preferiblemente utilizar en todo momento una bolsa protectora incombustible como la que se muestra en la siguiente imagen:
Ilustración 31: Bolsa protectora para baterías LiPo (Fuente Satkit)
Además, para almacenar las baterías, se ha de hacer en las condiciones adecuadas, el lugar se ha de encontrar entre 5 y 25 °C y el ambiente debe de ser seco, además en este caso también se ha de mantener el voltaje entre unos niveles aceptables tal y como se ha explicado anteriormente, para eso se ha de introducir la batería en la bolsa incombustible y utilizar el cargador inteligente en modo “Storage” lo que permite que la batería se encuentre en su nivel óptimo de tensión. Si el dron ha sufrido un impacto o se observa que en cualquier momento la batería se ha inflado, habrá que desecharla inmediatamente para evitar problemas. Aunque las baterías LiPo son de las más ecológicas al no contener metales pesados, hay que tener cura a la hora de desecharlas. Por el momento no existe ningún tipo de protocolo ya que no hay estudios suficientes que determinen su peligro al medioambiente, el gobierno de Estados Unidos afirma que estas baterías no representan un peligro y que se pueden desechar directamente en los puntos de residuos municipales normales pero algunos gobiernos europeos advierten de que estas pueden contaminar el suministro de agua subterránea (15). La famosa multiplataforma DGDRONE WEB recomienda unos pasos a seguir antes de desechar este tipo de baterías, consiste en “desactivar la batería” mediante química, para ello basta con sumergirla en una solución salina durante 24 horas lo
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que provoca una descarga completa, después de este paso ya se podría desechar la batería en un punto adecuado para pilas y baterías. Si no se llegasen a respetar las indicaciones que se han mostrado la batería podría llegar a incendiarse dañando el medio que le rodea, esto sería fatal ya que el dron de trabajo está pensado entre otras cosas para aplicaciones de agricultura donde un incendio podría llegar a incendiar los campos y vegetación, es por ello que es muy importante seguir las pautas que se han indicado anteriormente. Por lo que se refiere al resto de componentes electrónicos no son tan delicados de tratar, pero se deben desechar de forma responsable, para ello lo que se recomienda es que una vez finalizada la vida útil de estos, se desechen en el punto limpio más cercano, muchos ayuntamientos disponen de uno y se puede consultar con facilidad el punto más cercano.
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7. ANALISIS ECONÓMICO A la hora de realizar el análisis económico se han de tener en cuenta dos cosas, el precio de los componentes y el precio de la mano de obra. Componentes:
COMPONENTE FABRICANTE MODELO UNIDADES PRECIO
(€)
Baterias Desire power V8 series 6S
8000mAh 2 278,00
Placa controladora Arduino Nano 1 17,75
Multiplexor Vishay DG408dj 2 3,40
Inversor Texas
Instruments SN74HC04NE4 1 0,44
Connector Macho potencia batería JST XT60 13 10,00
Connector Hembra potencia batería JST XT60 9 6,00
Connector macho voltaje batería JST S7B-XH-A 4 2,60
Connector Hembra voltaje batería JST XHP-7 4 2,47
Conector macho Arduino JST B2B-XH-A 1 0,85
Conector hembra Arduino JST XHP-2 1 0,52
Resistencia Vishay MRS35 162 Ω 2 0,17
Resistencia Vishay MRS35 665 Ω 2 0,97
Resistencia 10kΩ Vishay 10kΩ 4 0,51
Transistor Nexperia BC849C 2 0,44
Mosfet ON
Semiconductor FDMS6681Z 2 0,44
Cable 22 AWG JST 01SEHSEH-22300 1 metro 1,90
Cable 10 AWG ALPHA WIRE 3081 RD005 1 metro 2,63
Cargador EMAX E6 MAX E6 1 50
PCB grande CipsaCircuits Doble capa 1 50,00
PCbB pequeña CipsaCircuits Doble capa 2 100,00
Total (IVA excluido) 251,09
IVA 21 % 52,73
Total 303,81
Este es el precio final de los componentes, aunque si es cierto que muchos de estos componentes tienen este precio tan reducido porque se han de comprar packs de muchas unidades, si se quisieran comprar unidades sueltas el precio sería mayor o directamente no sería posible, así que este es el precio que se tendría que considerar si se fuesen a fabricar una elevada cantidad de unidades.
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53
Mano de obra Al total del precio de los componentes habría que añadir la mano de obra que en este caso ha sido de una persona trabajando un total de 450 €, y se va a considerar que se ha de pagar 20 €/hora ya que no se han necesitado herramientas especiales ni se ha tenido que consumir una gran cantidad de electricidad. Además, se va a considerar sumar un 15% al precio final por imprevistos.
Concepto horas dedicadas €/hora Precio total (€)
Mano de obra 550 20,00 11.000,00
En total por lo tanto sería lo que se muestra a continuación:
Concepto Cantidad total (€)
Componentes 303,81
Mano de obra 11000,00
Total sin imprevistos 11.303,81
Imprevistos (15 %) 1.695.57
Total 12.999.38
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8. CONCLUSIONES
En este primer trabajo se han encontrado unas condiciones iniciales que se tenían que cumplir ya que
al estar el diseño del dron empezado el sistema se ha tenido que adaptar a las necesidades que
requerían las diferentes partes de las que ya se disponía, esto ha sido una dificultad, pero en el mundo
de la industria esto sucede constantemente e incluso a veces puede ser peor ya que al haber diferentes
grupos de trabajo, realizando una tarea diferente a la vez estos pueden en ocasiones cambiar cosas
que pueden afectar algo que tú ya has hecho.
Trabajar con baterías LiPo requiere unas condiciones que otros tipos de batería no requieren y es que,
aunque esta tecnología es de gran utilidad para los aparatos de radiocontrol debido a la alta tasa de
descarga que tiene y el elevado voltaje de cada celda hay que tener en cuenta de que para trabajar de
manera segura hay que asegurarse de evitar que se pueda llegar a volatilizar, es por ello que
especialmente los fabricantes que comercializan equipos con dichas baterías han te tener mucho
cuidado ya que un fallo podría llegar a causar un gran accidente.
Uno de los objetivos que se proponía era diseñar un sistema de conmutación por el que pasasen 90 A,
después de mucho investigar y preguntar a fabricantes me di cuenta de que esto no es algo que se
realice usualmente y que hacer pasar tal corriente por una PCB era un gran desafío, finalmente se
decidió utilizar pistas gruesas y reforzarlas con cobre al ver que incluso algunos fabricantes importantes
habían utilizado dicha estrategia, además otro problema que surgía al utilizar tal corrientes eran las
interferencia que podían causar sobre las pistas más finas por la que se transmitía datos, en este caso
se decidió que lo mejor era aislar dichas pistas y separarlas lo máximo posible de las otras pistas. A
parte de todo esto se ha utilizado un Arduino NANO para la lectura del voltaje de cada celda, quizás
esta placa nos ayuda a salir del paso debido a su fácil programación y de que ya dispone de muchos
componentes integrados que facilitan trabajar con ella, pero si este producto se quisiera comercializar
lo mejor sería utilizar un microcontrolador más adecuado para nuestro sistema el cual dispusiese de
un mayor número de entradas analógicas para así evitar utilizar multiplexores y reducir costes. Por otro
lado, se ha diseñado la PCB de dos capas mediante Eagle un software que actualmente se está
utilizando mucho en la industria y con el que se ha podido crear un primer prototipo de la placa de
control.
Una vez finalizado el trabajo se han conseguido alcanzar los objetivos que se habían propuesto desde
un principio, especialmente el de adentrarse con mayor profundidad al sector de la electrónica, sector
que he podido confirmar que me gusta más que el eléctrico y en el que seguiré indagando, todo ello
además, se ha podido hacer mediante softwares muy útiles como es el caso de Eagle o Proteus,
también se ha podido programar aunque a un nivel no muy avanzado con el Software Arduino IDE el
cual solamente había utilizado en pequeños proyectos que había realizado por mi cuenta y sea
Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero
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aprendido sobre las baterías, un sector que está en pleno crecimiento y del que probablemente
veremos crecer mucho más en poco tiempo debido a la cantidad de empresas y recursos que se están
destinando.
De igual manera he de comentar que en un futuro habría que mejorar varias cosas sobre el proyecto,
habría que obtener una fuente de 90 A para probar el circuito de conmutación que, aunque ha
funcionado en Proteus y es una estrategia de conmutación conocida habría que observar la respuesta
real sobre el sistema, además si este sistema se quisiese comercializar habría que informarse sobre
que normativa le aplicaría al control de batería para así poder saber que distancias entre pistas se han
de cumplir para cumplir con el reglamento aplicable.
Memoria
56
Bibliografía 1. Real Academia Española. 23a edición 2014,
Disponible en: http://dle.rae.es/?id=ED2QqnQ
2. Centro de Información Tecnológica y Apoyo a la Gestión de la Propiedad Industrial – CIGEPI.
Vehículos aéreos no tripulados, Drones y sus sistemas de comunicación. Septiembre de 2015.
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http://www.sic.gov.co/recursos_user/documentos/publicaciones/Boletines/Drones.pdf
3. Origen y evolución de los drones. Estado del arte y aportación de Altran España. Miguel
Ángel Rodríguez Fernández, 2016.
Disponible en:
http://contenidos.equipo.altran.es/mktd/contenedor/Ebook%20EVAN%20UAV.pdf?pk_mail
=1e83a0b1-08dd-4d6a-af4e-39f1d6c1c01a
4. Tipos de drones. Web especializada en aeronaves no tripuladas, Ernesto Santana
Disponible en: http://www.xdrones.es/tipos-de-drones-clasificacion-de-drones-categorias-
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5. Tipos de drones. Blog especializado sobre drones y componentes, especialmente de carreras.
Ocubre del 2017.
Disponible en: https://www.midronedecarreras.com/dron/tipos-de-drones/
6. Todas las partes de los drones explicadas al detalle. Esenziale, revista de actualidad.
Disponible en: https://esenziale.com/tecnologia/partes-drone/
7. Empresa tecnológica líder en el desarrollo de aplicaciones de software,
Miguel Gonzáles 2017.
Disponible en: https://www.wondershare.com
8. Introduction to Lipo batteries. Icharger, empresa especializada en baterías
Disponible en: https://www.icharger.co.nz/buying/resources-faq/introduction-to-lipo-
batteries/
9. Epec, empresa especializada en placas electrónicas.
Disponible en: https://www.epectec.com/batteries/chemistry/
Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero
57
10. Tema 2: Blocs combinacionals. Jordi Cosp, EUETIB. UPC
11. Area tecnología, el divisor de tensión.
Disponible en: http://www.areatecnologia.com/electronica/divisor-de-tension.html
12. Controlar grandes cargas con Arduino y transistor MOSFET. Luis Llamas, Julio del 2016.
Disponible en: https://www.luisllamas.es/arduino-transistor-mosfet/
13. Web oficial Arduino.
Disponible en: https://www.arduino.cc/
14. Algoritmo para calcular el ancho de una pista de una PCB.
Disponible en: http://www.hubor-proteus.com/recursos/trucos-sobre-proteus/218-
algoritmo-para-calcular-el-ancho-de-una-pista-de-una-pcbd.html
15. Peligros de las baterías de iones de litio. Susan DEily-Swearingen
Disponible en: https://techlandia.com/peligros-baterias-iones-litio-lista_319702/
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Anexo A
Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero
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Anexo B
Annexos
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Annexos
64
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Annexos
66
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Annexos
68
Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero
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Anexo C
Annexos
70
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71
Annexos
72
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73
Anexo D
Annexos
74
Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero
75
Annexos
76
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77
Annexos
78
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79
Annexos
80
Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero
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Annexos
82
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83
Annexos
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Annexos
86
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Annexos
88
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Annexos
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Anexo E
Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero
91
Annexos
92
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Annexos
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Annexos
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Anexo F
Annexos
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Annexos
100
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101
Annexos
102
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Annexos
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Anexo G
Annexos
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107
Annexos
108
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109
Annexos
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111
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113
Anexo H
Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero
115
Anexo I
Annexos
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Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero
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Anexo J
Diseño y montaje de un robot volador cuadricóptero
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Anexo K
Annexos
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121
Anexo L
Annexos
122
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123
Anexo M
Annexos
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125
Annexos
126
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