sistema de telemetrÍa en tiempo real para cohete …
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SISTEMA DE TELEMETRÍA EN TIEMPO REAL PARA COHETE BALÍSTICO
AMATEUR
RODRIGO ANDRÉS JIMÉNEZ MANZANERA
Proyecto de grado para optar al título de Ingeniero Electrónico.
Asesores:
MAURICIO GUERRERO HURTADO M.Sc.
DIEGO MÉNDEZ CHAVES M.Sc.
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
BOGOTÁ D.C.
2009
iii
Lo bueno que hay en mí,
Te lo debo todo a ti.
¡Gracias Mami Luz!
iv
AGRADECIMIENTOS
Primero que todo quiero agradecerle a mis padres, Fernando y Liliana, por brindarme la
oportunidad de realizar mis estudios. También le agradezco a mi hermanito, Carlos José,
por siempre darme una razón para tener una sonrisa, incluso en los momentos más difíciles
de mi carrera. A mis abuelos tíos y primos por apoyarme y creer en mí.
A Carolina por ser una fuente de inspiración y de motivación en todos los aspectos de mi
vida. Me has ayudado mucho a salir adelante.
También quisiera agradecerle a Mauricio Guerrero, por su excelente asesoría y ayuda
durante toda la carrera, este semestre de trabajo y, especialmente, en el desarrollo de este
proyecto. A Fabio Rojas por dejarme hacer parte de sus proyectos aeroespaciales y por los
buenos resultados que hemos obtenido en nuestro tiempo de trabajo. A Jaime Loboguerrero
por su asesoría en la resolución de problemas y por ser un gran guía en el momento de
enfrentarme a problemas nuevos.
A Juan Pablo Lozano, Ingeniero de Sistemas y gran amigo mío, por su colaboración en el
desarrollo y la implementación de los códigos para Internet requeridos en este trabajo.
Por último le expreso mi gratitud al personal de laboratorio de ingeniería electrónica y de
ingeniería mecánica. Especialmente a Alejandro Monroy y a Andrés Poloche; sin su
colaboración no hubiera encontrado solución a muchos problemas de implementación y
fabricación.
v
CONTENIDO
LISTA DE ILUSTRACIONES ........................................................................................ vii
1. OBJETIVOS ............................................................................................................... 1
1.1. Objetivo General ..................................................................................................... 1
1.2. Objetivos Específicos .............................................................................................. 1
1.3. Alcance ................................................................................................................... 1
2. DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA ............................................................... 2
3. MARCO TEÓRICO ................................................................................................... 5
3.1. Normatividad .......................................................................................................... 5
3.2. Medición de Variables Físicas ................................................................................. 7
3.2.1. Medición de Velocidad Angular .......................................................................... 7
3.2.2. Medición de Aceleración ..................................................................................... 8
3.2.3. Medición de Presión - Altura ............................................................................... 9
3.2.4. Medición de Temperatura .................................................................................. 10
3.3. Sistemas de Comunicación .................................................................................... 13
4. DEFINICIÓN Y ESPECIFICACIÓN DE LA SOLUCIÓN ....................................... 14
4.1. Definición ............................................................................................................. 14
4.2. Especificaciones .................................................................................................... 15
5. DESARROLLO DEL DISEÑO ................................................................................ 17
5.1. Plan de Trabajo ..................................................................................................... 17
5.2. Recursos y Búsqueda de Información .................................................................... 18
5.3. Alternativas de diseño ........................................................................................... 19
6. IMPLEMENTACIÓN DEL DISEÑO ....................................................................... 21
6.1. Descripción de la Solución .................................................................................... 22
6.1.1. Cohete ............................................................................................................... 22
6.1.2. Sistema de Transmisión ..................................................................................... 28
6.1.3. Base Terrestre .................................................................................................... 29
6.2. Trabajo Computacional ......................................................................................... 33
7. VALIDACIÓN DEL DISEÑO.................................................................................. 33
7.1. Metodología de Prueba .......................................................................................... 33
vi
7.2. Validación de los Resultados del Diseño ............................................................... 37
7.2.1. Integración del Sistema ...................................................................................... 42
7.2.2. Consumo de Potencia ......................................................................................... 43
7.3. Evaluación del Plan de Trabajo ............................................................................. 43
8. DISCUSIÓN ............................................................................................................. 44
9. CONCLUSIONES .................................................................................................... 45
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................. 46
APÉNDICE A: PROPUESTA DE PROYECO DE GRADO ............................................ 48
APÉNDICE B: FACTURAS Y RELACIÓN DE MATERIALES .................................... 53
vii
LISTA DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1: Cronograma de actividades ....................................................................... 18
Ilustración 2: Arquitectura general del sistema. ............................................................... 22
Ilustración 3: Arquitectura específica de la sección del cohete. ........................................ 22
Ilustración 4: Circuito para obtención de voltaje negativo [19]. ...................................... 23
Ilustración 5: Diagrama de conexión del LM317 [20]. .................................................... 24
Ilustración 6: Diagrama de conexión del LM337 [21]. .................................................... 24
Ilustración 7: Diagrama de conexión del acelerómetro .................................................... 25
Ilustración 8: Diseño de circuito impreso para acelerómetro. .......................................... 25
Ilustración 9: Diagrama de conexión para los giróscopos. .............................................. 25
Ilustración 10: Circuito impreso para los giróscopos. ...................................................... 26
Ilustración 11: Diagrama de conexión para sensor de temperatura ................................. 26
Ilustración 12: Circuito impreso correspondiente al circuito de medición de temperatura.
........................................................................................................................................ 26
Ilustración 13: Diagrama de conexiones del sensor de presión ........................................ 27
Ilustración 14: Diagrama de conexiones para el amplificador de instrumentación........... 27
Ilustración 15: Circuito impreso correspondiente al circuito de medición de presión. ...... 27
Ilustración 16: Diagrama de conexión para ADC ............................................................ 28
Ilustración 17: Arquitectura específica del sistema de transmisión .................................. 29
Ilustración 18: Esquema de conexión de la tarjeta de Tx/Rx [17] ..................................... 29
Ilustración 19: Arquitectura específica de la base terrestre. ............................................. 30
Ilustración 20: Imagen de la página de introducción de la interfaz web. .......................... 31
Ilustración 21: Imagen de la página de solicitud de nombre de usuario y contraseña....... 31
Ilustración 22: Imagen de la página web con visualización de información sin
actualización automática. ................................................................................................ 32
Ilustración 23: Imagen de la página web con visualización de información con
actualización automática. ................................................................................................ 32
Ilustración 24: Mesa de vibraciones para prueba de acelerómetro. ................................. 33
viii
Ilustración 25: Turbina Pelton utilizada para la calibración de los giróscopos. ............... 34
Ilustración 26: Estroboscopio para medición de velocidad angular. ................................ 34
Ilustración 27: Termopar utilizado para calibrar el sensor de temperatura. .................... 35
Ilustración 28: Montaje utilizado para la calibración del sensor de presión..................... 36
Ilustración 29: Barómetro utilizado para la medición de presión atmosférica-................. 36
Ilustración 30: Datos de calibración para aceleración en X. ............................................ 38
Ilustración 31: Datos de calibración para aceleración en Y. ............................................ 38
Ilustración 32: Datos de calibración para aceleración en Z. ............................................ 38
Ilustración 33: Curva de calibración para primer giróscopo. .......................................... 39
Ilustración 34: Curva de calibración para segundo giróscopo. ........................................ 40
Ilustración 35: Curva de calibración para tercer giróscopo. ............................................ 40
Ilustración 36: Curva de calibración para sistema de temperatura. ................................. 41
Ilustración 37: Curva de calibración para el altímetro. ................................................... 41
ix
LISTA DE TABLAS
Tabla 1: Separación mínima entre espectadores y encargados del lanzamiento. ................ 6
Tabla 2: Separación mínima entre personal de lanzamiento y cohete al comenzar la misión.
.......................................................................................................................................... 6
Tabla 3: Descripción de los elementos seleccionados. ..................................................... 21
Tabla 4: Consumos de corriente del sistema .................................................................... 43
1
1. OBJETIVOS
1.1. Objetivo General
Desarrollar un sistema de medición y monitoreo en tiempo real de posición, aceleración y
rotación para un cohete balístico amateur.
1.2. Objetivos Específicos
1. Diseñar e implementar un sistema de medición de posición, aceleración y rotación
que funcione correctamente bajo las condiciones de operación del cohete.
2. Elegir e implementar un sistema de comunicación en tiempo real que permita enviar
la información de las actuaciones del cohete, tomadas por el sistema de medición, a
una base terrestre.
3. Diseñar un programa computacional donde se pueda visualizar en tiempo real la
información transmitida y a la vez almacenarla.
En caso de tener tiempo adicional para el desarrollo del proyecto, se implementará un
sistema de transmisión de video en tiempo real que permita ver a las personas ubicadas en
la base terrestre la ubicación y el estado del cohete durante el vuelo.
1.3. Alcance
Como producto final se pretende entregar el sistema de medición y monitoreo completo y
funcional, incluyendo circuitos y programas computacionales. Todos los circuitos serán
implementados en circuitos impresos. Este producto debe entregar como resultado los datos
de posición, altura y rotación del cohete con la precisión y exactitud deseada por el cliente,
que en este caso es el Grupo Cero G de cohetería Amateur de la Universidad de los Andes,
coordinado por el profesor Fabio Rojas del departamento de Ingeniería Mecánica. Dicho
producto será innovador puesto que sería el primero de este tipo que se desarrolla en
Colombia para una aplicación de cohetería amateur.
2
2. DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA
El estudio de la tierra y el espacio es cada vez más importante para el desarrollo de la
humanidad. Por tal motivo, la industria aeroespacial ha tomado mucha fuerza en su
desarrollo tecnológico. Lo que en un principio fue una exploración para conocer los
orígenes del universo y de la vida en el planeta, ahora es utilizado para mejorar las
condiciones de vida en la tierra. Los satélites artificiales que antes iban a las profundidades
del espacio para observar estrellas y galaxias ahora se están utilizando más para orbitar la
tierra y prestar servicios tales como comunicaciones, vigilancia, meteorología y
entretenimiento entre otros, a los seres humanos.
Las grandes potencias mundiales fueron las primeras en comenzar con la carrera
aeroespacial. Sin embargo, hoy en día son pocos los países en el mundo donde no hay una
entidad gubernamental o privada interesada en estos asuntos. Dentro de los países que han
comenzado con la carrera aeroespacial está Colombia. Esto se evidencia de la siguiente
manera. Por un lado, mediante el decreto presidencial 2442 de julio de 2006 [1], se creó la
Comisión Colombiana del Espacio (CCE), con el objetivo de que ella sea la puerta de
acceso para que Colombia abra sus puertas al conocimiento de la tierra y el espacio
ultraterrestre con el uso de tecnologías aeroespaciales modernas. Teniendo esto en mente, la
CCE está conformada por siete grupos de trabajo [2]:
1. Telecomunicaciones: Coordinado por el Ministerio de Comunicaciones. Pretende
integrar al país mediante comunicaciones de tecnología espacial.
2. Navegación satelital: Coordinado por la aeronáutica civil. Pretende aplicar
tecnología satelital para mejorar la seguridad del país.
3. Observación de la tierra: Coordinado por el Instituto de Hidrología, Meteorología y
Estudios Ambientales de Colombia (IDEAM). Pretende aplicar la tecnología
espacial para mejorar el conocimiento del territorio nacional.
4. Astronáutica, astronomía y medicina aeroespacial: Coordinado por la Fuerza Aérea
de Colombia (FAC). Su objetivo es desarrollar estudios en dichos ámbitos para
contribuir al desarrollo sostenible de Colombia.
3
5. Gestión del conocimiento y la investigación: Coordinado por Colciencias. Pretende
promover el estudio y la investigación en asuntos aeroespaciales en el país.
6. Asuntos políticos y legales: Coordinado por el Ministerio de Relaciones Exteriores.
Encargado de adoptar la normatividad requerida para el desarrollo aeroespacial.
7. Infraestructura Colombiana de Datos Espaciales (ICDE): Coordinado por el
Instituto Geográfico Agustín Codazzi (IGAC). Pretende integrar todos los
conocimientos adquiridos en un único sistema para facilitar el alcance de la
información y mejorar el desarrollo del país.
También existe el Centro de Investigación en Tecnología Aeroespacial (CITA) coordinado
por la FAC. En este centro se hace investigación continua en tecnologías aeroespaciales y
dentro de sus desarrollos más recientes está la construcción de una plataforma de
lanzamiento de cohetes de todos los tamaños [3].
Del mismo modo, instituciones de educación superior, tanto privadas como del sector
público, han comenzado desarrollos aeroespaciales. La Universidad de San Buenaventura,
la Fundación Universitaria los Libertadores, la Universidad del Valle, la Universidad del
Cauca, la Universidad Nacional y la Universidad Industrial de Santander tienen grupos de
investigación que trabajan en el desarrollo de cohetes amateur de corto y largo alcance [3].
En general, sus objetivos a largo plazo son la exploración de la tierra desde el espacio y la
colocación de satélites en órbita. Por otro lado la Universidad Sergio Arboleda y la
Universidad Distrital Francisco José de Caldas tienen grupos de investigación que
desarrollan satélites para observación y comunicaciones [3]. Incluso, la primera ya puso en
órbita un satélite tipo CUBESAT, logrando una correcta comunicación con él desde una
base terrestre.
El grupo Cero G de la Universidad de los Andes está diseñando y construyendo un cohete
balístico amateur cuyo apogeo es de 6km de altura [4]. Con este cohete el grupo en
mención quiere aportar al país en el desarrollo aeroespacial mediante el diseño de sistemas
de telemetría, control aerodinámico y observación. Adicionalmente tiene el objetivo de
4
motivar a los jóvenes colombianos a tomar interés en los temas concernientes a la industria
aeroespacial y a su desarrollo en el país.
De manera general, para que un cohete amateur funcione adecuadamente, éste debe seguir
una trayectoria acimutal. Para poder hacer que éste tenga dicho comportamiento, se debe
tener un sistema de control aerodinámico en el cohete que permita corregir tanto su
posición como su rotación. Esto se debe a que el punto de caída del cohete debe estar
dentro de un radio determinado, el cual depende de su apogeo. Adicionalmente se debe
garantizar que el cohete sea estable durante el vuelo, para evitar accidentes. Esto implica
que se debe tener control sobre su rotación. Dicho sistema aun no se ha diseñado.
Actualmente se tiene un sistema prefabricado que toma y almacena los datos, pero no se
pueden observar en tiempo real, lo cual impide hacer el seguimiento del cohete. Tampoco
permite tener control de éste desde tierra, cosa que puede llegar a ser necesaria.
El objetivo principal de este proyecto es la primera etapa del sistema de control: el sistema
de medición de parámetros y su monitoreo en tiempo real desde una base terrestre. Los
parámetros a medir son las variables que influyen directamente en el comportamiento del
cohete. Por un lado, para poder controlar su zona de caída, se debe hacer una medición de
la distancia recorrida horizontalmente (ejes X y Y de la tierra). También, para saber si se
llegó al apogeo deseado, se debe medir la distancia recorrida verticalmente (eje Z de la
tierra). Por otro lado, para hacer el control de estabilidad, se debe poder hacer una medición
de la velocidad de giro en los ejes horizontales. Adicionalmente, según la teoría de cohetes,
el giro en el eje vertical ayuda a que el cohete tenga un vuelo estable, por lo cual también se
debe conocer el la velocidad de giro en dicho eje. Se espera que el producto sea robusto y
que permita la integración posterior de un sistema de control y de operación desde tierra.
Comercialmente existen dispositivos que hacen este tipo de mediciones para cohetes. Sin
embargo el acceso a ellos es muy complicado puesto que este tipo de tecnología usualmente
va ligado a aplicaciones militares. Adicionalmente, estos dispositivos no se consiguen a
nivel nacional. Estas dos circunstancias también hacen que dichos dispositivos sean
costosos. Por tal motivo los grupos de cohetería amateur usualmente se ven obligados a
5
fabricar sus propios sistemas de medición. Como estos no son de fabricación en serie, no se
pueden conseguir fácilmente [4]. Sin embargo, esto demuestra que ellos se pueden fabricar
siempre y cuando se cuente con la tecnología adecuada.
Vale la pena resaltar que los grupos de cohetería amateur que ya han hecho lanzamientos en
Colombia han utilizado sistemas de medición costosos fabricados en el exterior. Por tal
motivo, el hecho de desarrollar un sistema de medición y telemetría en el país es un proceso
innovador que no solo solucionaría el problema del grupo Cero G sino el de cualquier
grupo de cohetería amateur del país.
3. MARCO TEÓRICO
3.1. Normatividad
Actualmente la norma que rige el lanzamiento de cohetes balísticos amateur es la NFPA
1127 [5]. En ella se dan todas las definiciones importantes para los cohetes amateur y se
describen todos los procedimientos que se deben seguir para un lanzamiento exitoso. A
continuación se presentan las definiciones y condiciones importantes para este proyecto:
En el momento de hacer un lanzamiento de un cohete amateur, se deben tener las siguientes
zonas claramente demarcadas:
Área de parqueo.
Zona de lanzamiento.
Zona de preparación.
Zona de recuperación del cohete.
Área para espectadores.
En la tabla 1 se muestran las distancias mínimas de separación entre los espectadores y los
encargados del lanzamiento.
6
Impulso total del cohete (Ns) Separación entre espectadores y participantes (m)
0.00 – 160.00 9
160.01 – 320.00 61
320.01 – 640.00 61
640.01 – 1280.00 61
1,280.01 – 2,560.00 91
2506,01 – 5,120.00 152
5,120.01 – 10,240.00 305
10,240.01 – 20,480.00 457
20,480.01 – 40,960.00 610
Tabla 1: Separación mínima entre espectadores y encargados del lanzamiento.
El radio de la zona de lanzamiento debe ser el valor mayor de las siguientes: mitad del
apogeo, el doble de las distancias establecidas en la tabla 1 o 457m. Las distancias entre el
personal de lanzamiento y el cohete en el momento de comenzar la misión se especifican en
la tabla 2. Previo al lanzamiento, el personal podrá estar a no más de la mitad de estas
distancias.
Impulso total del cohete (Ns) Separación entre personal y cohete (m)
0.00 – 160.00 0
160.01 – 320.00 15
320.01 – 640.00 15
640.01 – 1280.00 15
1,280.01 – 2,560.00 23
2506,01 – 5,120.00 30
5,120.01 – 10,240.00 38
10,240.01 – 20,480.00 38
20,480.01 – 40,960.00 38
Tabla 2: Separación mínima entre personal de lanzamiento y cohete al comenzar la misión.
Un cohete es considerado de alta potencia si cumple con alguna de las siguientes
especificaciones:
Es impulsado por uno o más motores de alta potencia.
Es impulsado por uno o más motores para cohetes pequeños, pero el impulso total
generado es mayor o igual a 320Ns.
7
Es impulsado por uno o más motores para cohetes pequeños, pero el peso total de
combustible es mayor o igual 120g.
Pesa más de 1500g con los motores instalados.
Un motor es considerado de alta potencia si cumple con alguna de las siguientes
especificaciones:
Genera un impulso entre 160Ns y 40,960Ns.
Genera una fuerza de empuje mayor o igual a 80N.
Contiene más de 62.5g de combustible.
Por último, se especifica que la el peso máximo de despegue debe ser máximo 1/3 de la
fuerza de empuje promedio generada por los motores.
3.2. Medición de Variables Físicas
A continuación se describen las diferentes formas para medir las variables físicas
importantes para este proyecto.
3.2.1. Medición de Velocidad Angular
La forma típica para medición de velocidad es mediante un generador de pulsos [6]. Es
decir, se generan una cantidad de pulsos por unidad de tiempo proporcionales a la
velocidad del eje al que son solidarios. Entre mayor sea el número de pulsos generados,
mayor debe ser la capacidad de conteo del contador. Los contadores son de los siguientes
tipos:
Ópticos: Pasa o no pasa la luz.
De efecto Hall: Rueda con polos magnéticos que, al pasar por un sensor de efecto
Hall, produce un pulso.
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3.2.2. Medición de Aceleración
Para la medición de aceleración siempre se hará uso de acelerómetros [6]. Los diferentes
tipos de acelerómetros disponibles en el mercado son:
Acelerómetro mecánico: Emplean una masa inerte y resortes elásticos. Los cambios
se miden con galgas extensiométricas. Incluyen sistemas de amortiguación que
evitan la propia oscilación. Tienen alta precisión para entradas continuas pero son
lentos y de alto costo. Su uso típico es en navegación inercial, guía de misiles,
herramientas y para nivelación.
Acelerómetros capacitivos: Modifican la posición relativa de las placas de un
microcondensador cuando es sometido a aceleración. Buen funcionamiento para
entradas continuas. Son de bajo nivel de ruido y de baja potencia. Sus aplicaciones
son de nivel industrial.
Acelerómetro piezoeléctrico: Se basa en el efecto piezoeléctrico. Son de
sensibilidad media. Tiene problemas en la frecuencia máxima de trabajo y en la
incapacidad de mantener un nivel permanente de salida ante una entrada continua.
Su uso es principalmente para medición de vibraciones e impactos.
Acelerómetros micromecánicos (MEM’s): Es un acelerómetro que funciona como
un acelerómetro mecánico pero fabricado todo dentro de un microchip. Son de alta
sensibilidad. Buen rendimiento a bajas temperaturas. Sus usos están en la medición
de impactos, ABS, airbags y automoción.
Los principales criterios de selección son:
Frecuencia de trabajo o rango de frecuencias de uso.
Valores máximos y mínimos del nivel de la señal de entrada.
Montaje, espacio disponible y otros factores de forma.
Aspectos ambientales como temperatura y compatibilidad química.
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3.2.3. Medición de Presión - Altura
Existen varias variables de presión que se pueden medir [6]:
Presión absoluta: Es la presión en un determinado punto de un medio respecto al
cero absoluto de presión que supone el vacío perfecto. Esto, dentro de la tierra, es la
presión atmosférica.
Presión diferencial: Diferencia de presión entre dos medios.
Presión relativa: Presión diferencial con respecto a la presión atmosférica.
Vacío: Presión diferencial negativa con respecto a la presión atmosférica.
En la mayoría de las ocasiones, los sensores de presión implican un cambio mecánico que
luego se lleva a un cambio eléctrico. Como sucede en el tubo de Bourdon, en sensores de
diafragma y en sensores de cápsula cerrada. Los tipos de sensores electrónicos para la
medición de presión más utilizados son los siguientes:
Potenciométricos: Usan un tubo de Bourdon cuyo extremo mueve el cursor de un
potenciómetro circular. Es de bajas prestaciones y bajo costo. Rango típico de
35kPa y 70MPa.
Inductivos: Conformado por un LVDT y un dispositivo de tipo diafragma o cápsula.
Es de alta precisión, funcionamiento a bajas frecuencias y con poca interferencia
magnética. Rango típico de 35kPa y 70MPa.
Capacitivos: Usan un diafragma metálico como placa-electrodo de un condensador
y otra placa fija para construir el condensador. Es de buenas prestaciones pero se ve
afectado por vibraciones. Mide presiones diferenciales hasta 70MPa.
Piezoeléctricos: Se tiene un sensor de presión piezoeléctrico que funciona de forma
bidireccional, es decir, es capaz de producir una señal eléctrica al aplicarle una
presión (movimiento) o de ocasionar el movimiento (generar presión) si se le aplica
una señal eléctrica. Presenta dificultad para trabajar con excitaciones constantes.
De galgas metálicas: Con galgas sobre un diafragma, se mide su deformación y
partir de ella, la presión. Requieren de amplificación. Buena repetibilidad e
10
histéresis. Funcionan en un rango alto de temperaturas. Miden presiones entre
0.7kPa y 1400MPa.
De galgas de semiconductor: Igual al anterior pero con galgas de efecto
piezorresistivo. Tiene excelente sensibilidad, valores de voltaje altos a la salida,
buena compatibilidad química, alta histéresis, baja repetitividad y rango pequeño de
temperatura.
Ópticos: Basados en el cambio de los niveles de luz entre emisor y receptor cuando
la presión modifica un elemento mecánico. Posee gran precisión y amplios rangos
de trabajo. Mide presiones entre 35kPa y 400MPa.
Los principales criterios de selección son:
Compatibilidad química del medio.
Capacidad de soportar sobrepresiones.
Margen de temperatura de la operación.
Dado que lo que se quiere hacer es calcular la altura de vuelo del cohete, se debe hacer una
medición de presión atmosférica. Luego, a partir de la medición y utilizando de las
ecuaciones de condiciones atmosféricas estándar a alturas inferiores a 11km [7], se calcula
la altura. La ecuación a utilizar es la siguiente:
ℎ =𝑇0
0.0065 1 −
𝑃ℎ
𝑃0 15.3
(1)
Donde h es la altura, T0 la temperatura estándar a nivel del mar que es de 288.15K, Ph es la
presión a la altura de vuelo y P0 la presión a nivel del mar, la cual es de 101.325KPa.
3.2.4. Medición de Temperatura
Las mediciones de temperatura usualmente se realizan observando cambios en otras
propiedades físicas dependientes de la temperatura [8]. Los casos típicos son:
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1. Cambios en dimensiones físicas
a. Termómetros de líquido en un recipiente.
b. Elementos bimetálicos.
2. Cambios en presión de gas o vapor.
a. Termómetro de volumen de gas constante.
b. Termómetro de presión.
3. Cambios en propiedades eléctricas.
a. Termómetros resistivos.
b. Termistores.
c. Termopares.
d. Sensores de unión de semiconductores.
i. Diodos.
ii. Circuitos integrados.
4. Cambios en radiación térmica emitida.
a. Sensores térmicos y de fotones.
b. Pirómetros de radiación total.
c. Pirómetros ópticos y de dos colores.
d. Pirómetros infrarrojos.
5. Cambios de fase química.
a. Indicadores fusibles.
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b. Cristales líquidos.
c. Celdas con referencia de temperatura.
A continuación se describen las características principales de algunas de ellas:
Termómetro resistivo (RTD): Medidor de temperatura construido con
elementos cuya resistencia cambia con la temperatura. El cambio en la resistencia es
pequeño y positivo siempre que el cambio de temperatura sea positivo. Tiene
comportamiento lineal. De acuerdo con el RTD, se pueden medir temperaturas entre
-260°C y 1000°C. Estos termómetros son más estables en el tiempo que los
termistores, por lo que dan mejor repetitividad de mediciones con menor histéresis.
Termistor: Construido a partir de materiales semiconductores que tienen
coeficientes resistivos negativos y grandes. Esto hace que su cambio con aumento
de temperatura sea grande pero negativo. Tiene comportamiento no lineal. De
acuerdo al tipo de termistor, se pueden medir temperaturas entre -100°C y 275°C.
Termopar: Dispositivo de medición de temperatura basado en el cambio de
la fuerza electromotriz debido al cambio de temperatura cuando dos metales están
en contacto. Si varios termopares son conectados en serie, la sensibilidad del
instrumento se puede aumentar. Un instrumento que funciona de esta manera se
llama termopila.
Sensores semiconductores: Los típicos son los sensores de diodos
semiconductores, los cuales producen las mediciones más precisas si están
correctamente calibrados. Los circuitos integrados monolíticos son fuentes de
voltaje o corriente cuya respuesta está directamente relacionada a la temperatura a la
cual se somete. Usualmente están construidos de tal forma que son inmunes al ruido
externo, puesto que la circuitería interna está aislada.
Pirometría: Hace referencia a la medición de temperaturas superiores a
500°C. Generalmente implica la medición de radiación térmica.
Mediciones por cambio químico: Existen dos tipos. El primero es por
cambio de fase. De acuerdo al rango de temperatura que se desea medir, se genera
una reacción química. De acuerdo a la cantidad de una sustancia producida por la
13
reacción, se puede conocer la temperatura a la cual se encuentra el medio. El
segundo tipo es por cambio de color. Existen sustancias químicas cuyo color varía
de acuerdo a la temperatura a la que se somete. Estas sustancias se producen de
acuerdo al rango de medición y a la precisión requerida.
3.3. Sistemas de Comunicación
Para el sistema de comunicación se consideraron tres métodos utilizados actualmente en la
industria aeroespacial [9]:
Radio frecuencia (RF): Consistiría en el diseño de un sistema de modulación
y transmisión de ondas electromagnéticas, en las cuales se codifica la información
transmitida. Su ventaja es que no requiere de implementos grandes y costosos.
Además, la transmisión se hace directamente del cohete a la base , evitando retrasos.
Su desventaja es que requiere de la construcción de un módulo de transmisión y que
ésta puede verse afectada por las condiciones del ambiente.
Sistema global para las comunicaciones móviles (GSM): Es el sistema
utilizado actualmente en la comunicación celular. Su principal ventaja es que solo
se requeriría de un sistema de transmisión celular para hacer la comunicación, lo
cual implica que no se requiere de implementación. Su desventaja es que, como
utiliza la línea celular del país, está sujeto a disponibilidad en el área de lanzamiento
y que presenta retrasos considerables en el tiempo de recepción de la información.
Comunicación satelital: Implica el uso de satélites geoestacionarios para la
comunicación de la información. Su ventaja es la alta tasa de transmisión. Su
desventaja es que requiere de una infraestructura grande para el correcto
funcionamiento.
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4. DEFINICIÓN Y ESPECIFICACIÓN DE LA SOLUCIÓN
4.1. Definición
El grupo de cohetería amateur de la Universidad de los Andes, llamado Cero G y
coordinado por el profesor Fabio Rojas, está construyendo su segundo cohete balístico, el
cual esperan lanzar finalizado el segundo semestre del año 2009. Durante su primer
lanzamiento, ellos contaban con un sistema de telemetría que tomaba y almacenaba los
datos dentro del cohete. La idea era que, al recuperar su estructura, se tomaban los datos
almacenados y se analizaban. Sin embargo, después del lanzamiento, el cohete no le abrió
el paracaídas, por lo cual cayó libremente al suelo. Este inconveniente causó que el sistema
de medición quedara completamente destrozado. Teniendo esto en cuenta, Cero G quiere
ahora que se implemente un sistema de telemetría en el cual los datos se transmitan en
tiempo real a la base terrestre, donde se puedan almacenar y analizar mientras el cohete está
en vuelo. Con esto, en caso de que haya una nueva falla, no se perderá la información del
vuelo y se podrán hacer mejorar para diseños futuros.
La idea general es diseñar un sistema económico que permita observar las actuaciones del
cohete actual. Con esto se puede comenzar a tener una bitácora de información que
aumente la experiencia de la Universidad en la fabricación y el lanzamiento de cohetes
balísticos amateur. También se pretende tener un medio de comunicación para la población
general, tal que la comunidad pueda conocer los avances del país en la industria
aeroespacial, y así tomar interés en ella. A partir de lo anterior, más jóvenes pueden tomar
iniciativa para unirse a este tipo de proyectos, lo cual impulsará el desarrollo y la
experiencia del país en esta área.
Además se espera que si el gobierno se da cuenta del interés del público en general en los
temas de cohetería, ellos ayuden a acelerar el proceso de implementación de normatividad
requerida para los lanzamientos en el país. Adicionalmente, se podrían obtener permisos
para lanzamientos en sitios específicos, bajo el seguimiento de un único protocolo.
15
4.2. Especificaciones
Las características de la misión para la cual se va a generar el sistema de telemetría son las
siguientes:
Apogeo: 6km
Aceleración máxima: 8g
Rotación máxima: 300°/s
Carga paga: 1kg
Peso máximo del sistema: 500g descontados de la carga paga.
Espacio disponible: Diámetro de 68mm y altura de 300mm.
Rango de temperaturas: Entre -40°C y 35°C.
Rango de presión: Entre 30kPa y 101kPa.
Adicionalmente, el cliente exige las siguientes especificaciones para el sistema:
Se debe recolectar información sobre aceleración en los tres ejes, velocidad angular
en los tres ejes y altura de vuelo.
Toda la información tomada se debe almacenar en un computador en tierra.
La información recolectada se debe poder visualizar en un computador en tiempo
real en forma de gráficas de altura, aceleración en los tres ejes y rotación en los tres
ejes respecto al tiempo.
El acceso a la información debe ser mediante una página web con nombres de
usuario y claves autorizadas.
Dichas especificaciones son obligatorias, dado que se necesita almacenar la información y
se debe mantener un nivel adecuado de confidencialidad.
Por otro lado, es deseable, más no es obligatorio, tener las siguientes especificaciones:
16
Calcular la posición relativa del cohete, en tres dimensiones, con respecto a su
punto de partida.
Implementar un sistema de transmisión de video en tiempo real que permita ver el
comportamiento en vuelo del cohete.
El sistema diseñado debe permitir que, a partir de la información tomada, se
implemente un sistema de control para vuelo guiado de futuras misiones.
Teniendo en cuenta estas restricciones y considerando las especificaciones teóricas
definidas anteriormente, se desean utilizar las siguientes tecnologías para la
implementación del sistema:
Medición de velocidad angular: El sensor a utilizar debe ser de tecnología MEM.
Medición de aceleración: Se pueden utilizar sensores capacitivos, piezoeléctricos o
tipo MEM.
Medición de presión (altura): Se debe medir presión absoluta, mediante un sensor
piezoeléctrico o basado en galgas extensiométricas.
Medición de temperatura: Se requiere de sensores de alta velocidad de respuesta.
Estos son principalmente RTD’s, termistores o sensores semiconductores.
Se requiere de un amplificador de instrumentación en caso que los sensores elegidos
solo entreguen valores muy pequeños a la salida. Se deben elegir amplificadores
que permitan ajustar la ganancia y que permitan corregir el offset de los sensores.
Se requiere de un amplio rechazo de modo común en caso de que se tengan entradas
diferenciales.
El conversor de análogo a digital debe tener tantos canales como variables a medir.
Debe tener salida serial mediante un protocolo compatible con el kit de desarrollo
elegido. La tasa de conversión debe ser alta. Debe producir mínimo 8 bits a la
salida.
El kit de desarrollo a elegir debe tener la capacidad de soportar el sistema operativo
LINUX. Esto con el objetivo de desarrollar un producto robusto al cual se le puedan
adicionar más módulos en trabajos futuros.
17
El sistema de comunicación a utilizar debe transmitir por medio de radio frecuencia.
Debe tener su propio sistema de encriptación para evitar que la información sea
accesible por cualquier persona. También debe tener sistema de corrección de
errores.
El servidor debe contar con suficiente memoria para almacenar la información
transmitida. Debe tener acceso al internet. Debe tener por lo menos un puerto USB
para poder adquirir la información transmitida. Debe operar bajo Windows XP.
5. DESARROLLO DEL DISEÑO
Ya teniendo las especificaciones requeridas por el sistema se comenzó con el desarrollo del
diseño. En esta sección se describe el plan de trabajo para el desarrollo, las fuentes de
información utilizadas, los recursos físicos requeridos y las diferentes alternativas posibles
que se consideraron.
5.1. Plan de Trabajo
El trabajo comenzó en el primer semestre de 2009 cuando, en la última semana de clases, se
presentó y se aprobó la propuesta inicial de trabajo (ver apéndice 1). El plan de trabajo
planteado comenzaba en el segundo semestre de 2009. Éste implicaba que durante la
primera mitad del semestre, el tiempo se iba a utilizar para la selección de los instrumentos
y demás materiales a utilizar. También se iba a realizar la familiarización con los equipos e
instrumentos seleccionados. A partir de la segunda mitad del semestre se realizó la
implementación y las pruebas de los diseños realizados. En la ilustración 1 se muestra el
cronograma de las actividades que se realizaron.
18
Ilustración 1: Cronograma de actividades
Durante todo el semestre se hicieron reuniones semanales con el asesor, Mauricio Guerrero,
donde se presentaban los avances y se definían las tareas específicas a realizar la semana
siguiente. En la octava semana de clase se presentó un informe de avance, en el cual se
presentaron todas las selecciones de dispositivos y los diseños preliminares para los
circuitos. Las dos semanas siguientes a las semanas regulares de clase, se utilizaron para la
realización de los informes finales, presentación de sustentación y documento. La
sustentación final se llevó a cabo el jueves 10 de Diciembre de 2009.
5.2. Recursos y Búsqueda de Información
Para el correcto desarrollo de este proyecto se utilizaron equipos como fuentes de voltaje,
generadores de señales, cautines, osciloscopios y multímetros de manera dedicada. Estos
estaban disponibles en los laboratorios de Ingeniería Electrónica de la Universidad de los
Andes. Adicionalmente se utilizaron programas especializados para la simulación y
desarrollo de circuitos y del programa computacional. Las licencias de estos productos las
tiene la Universidad de los Andes. Para poder trabajar sin interrupciones, se utilizó un
computador asignado por la universidad, el cual contenía todos los sistemas requeridos.
Respecto a los circuitos impresos, se espera que la Universidad de los Andes preste el
19
servicio de fabricación. Para el servicio de soldadura se utilizó el laboratorio de la
Universidad de los Andes cuando se tenían trabajos sencillos. Si se necesitaba de soldadura
superficial, se utilizó un proveedor externo dado que esa tecnología no se tiene en la
universidad. La adquisición de los sensores y demás componentes electrónicos estuvo a
cargo de tanto el departamento de Ingeniería Electrónica como del autor del proyecto.
Las fuentes bibliográficas fueron tomadas de las bases de datos computacionales y de los
libros físicos que se encuentran disponibles en la biblioteca de la Universidad de los Andes.
Información adicional fue obtenida mediante consultas a expertos en el tema, tanto del
grupo Cero G de la Universidad de los Andes como de otros grupos de cohetería amateur
nacionales e internacionales.
Gracias a la preparación académica en el área de Ingeniería Mecánica e Ingeniería
Electrónica, fue posible encontrar soluciones adecuadas para varios problemas no
esperados durante el proceso de implementación. Adicionalmente, el apoyo de los asesores
y de otros profesores de la facultad de Ingeniería, fueron un buen complemento para el
correcto desarrollo del proyecto.
5.3. Alternativas de diseño
En el capítulo 3 se presentaron las formas más comunes para hacer la medición de las
variables importantes para este proyecto, así como las ventajas y desventajas que presenta
cada una de ellas. Adicionalmente en la sección 4.2 se presentaron las restricciones de la
misión del cohete y del cliente. A partir de ellas se eligieron las tecnologías que se iban a
considerar para la elección de los elementos a utilizar. Luego de buscar en el mercado que
elementos se encontraban disponibles, se hizo la selección definitiva de los elementos. La
elección se basó, primero que todo, considerando que se cumplieran todas las restricciones.
Segundo, teniendo en cuenta costos y facilidad de implementación. La selección final
realizada fue la siguiente:
20
Para la medición de velocidad angular se selecciono el giróscopo LISY300AL
fabricado por ST [10]. Este es un giróscopo tipo MEM cuyo rango de medición es
de 0°/s a 300°/s.
Para la medición de aceleración se eligió un acelerómetro CMA3000-A01 fabricado
por VTI Technologies [11]. Este es un acelerómetro de tres ejes de tipo MEM. Su
rango de medición es ajustable hasta ±8g.
Para la medición de presión se seleccionó el sensor MPXM2102A de Motorola [12].
Este es un sensor barométrico piezoeléctrico que mide en un rango de 0kPa a
100kPa.
Para la medición de temperatura se seleccionó un sensor LM335 fabricado por
National Semiconductor [13]. Este es un sensor semiconductor que opera en un
rango de temperatura de -40°C hasta 100°C.
Para la adaptación de las señales se van a utilizar amplificadores de instrumentación
INA2126 fabricados por Burr-Brown de Texas Instruments [14]. Estos
amplificadores tienen una ganancia ajustable medianteuna resistencia externa de
entre 5 a 10000 veces.
Se utilizará un conversor de análogo a digital TLV2543C fabricado por Texas
Instruments [15]. Tiene la salida de forma serial, en protocolo I2C. Adicional tiene
capacidad de entrada de 11 canales diferentes y resolución de salida de 12 bits. Su
tiempo de conversión es de 10µ.
Para el sistema de procesamiento se trabajó con la tarjeta de desarrollo disponible
en la Universidad de los Andes: la Beagle Board, fabricada por Texas Instruments
[16]. Esta tarjeta cuenta con un procesador OMAP3530 el cual el compatible con el
sistema operativo LINUX: Adicionalmente cuenta con diversos canales de datos
tales como SPI, I2C y UART.
Para el sistema de comunicación se va a utilizó un transreceptor XBee-Pro
900/Digimesh 900 OEM fabricado por Digi International [17]. Esta es una tarjeta
que es capaz de enviar y recibir datos por RF, mediante modulación QAM, hasta
una distancia de 10km con línea de vista despejada siempre y cuando se use una
antena de alta potencia. Cuenta con sistema de encriptación y corrección de errores.
21
Como servidor se utilizó un computador Dell Precision T3400 [18]. Cuenta con
suficiente memoria para almacenamiento, sistema operativo Windows XP y canales
de comunicación USB y Serial. También tiene tarjeta de red para acceso a internet.
En la tabla 3 se presentan las características principales de cada elemento seleccionado.
Sistema Componente Rango Sensibilidad Linealidad
Altímetro Sensor de Presión MPXM2102 0kPa a 100kPa 0.4mV/kPa 1% F.S.
Aceleración Acelerómetro CMA3000-A01 ±8g Vdd/24V/g 1.5% F.S.
Rotación Giróscopo LISY3000AL ±300°/s 3.3mV/°/s 0.8% F.S.
Temperatura Sensor de Temperatura LM335 -40°C a 100°C 10mV/K 0.5°C
Amplificación Amplificador de Instrumentación
INA2126 5V/V a
1000V/V 5 +
80𝑘Ω
𝑅𝐺 0.002%
Transmisión Transreceptor XBeee Pro 900 10km -100dBm N.A.
Tabla 3: Descripción de los elementos seleccionados.
En el apéndice B se presentan los costos de los elementos utilizados.
6. IMPLEMENTACIÓN DEL DISEÑO
En la ilustración 2 se muestra la arquitectura general de todo el sistema. Como se puede
ver, consta de tres componentes principales:
1. Cohete: Hace referencia a todos los circuitos y demás montajes que van dentro del
cohete durante todo su vuelo.
2. Transmisión: Hace referencia a toda el sistema de comunicación del sistema.
Incluye la trasmisión desde el cohete y la recepción de la base en tierra.
3. Base terrestre: Incluye la recepción de los datos, el almacenamiento y la
visualización en tiempo real.
22
Ilustración 2: Arquitectura general del sistema.
Se debe tener en cuenta que los sistemas deben funcionar dentro de las restricciones
establecidas en sección 4.2.
6.1. Descripción de la Solución
Dado que los sensores utilizados para realizar las mediciones no se encontraban disponibles
dentro de la familia de elementos del programa utilizado para simulación, estos se debieron
simular como fuentes. Este hecho hacía que las simulaciones fueran muy sencillas de
realizar; eran solo circuitos RC o amplificadores de instrumentación. Por tal motivo estas
no se presentan acá. Sin embargo, se comprobó el correcto funcionamiento de todos los
circuitos planteados de esta manera.
6.1.1. Cohete
En la ilustración 3 se muestra la arquitectura específica de la sección del cohete. Consta de
la sección de sensores, adaptación de señal y procesamiento. Del procesamiento se da la
salida al sistema de transmisión.
Ilustración 3: Arquitectura específica de la sección del cohete.
Lo primero que se diseñó y se probó fue el sistema de alimentación para los componentes
del cohete. Dado que se van a utilizar diferentes tipos de sensores y circuitos integrados se
23
requieren de diferentes valores de voltaje. Para el acelerómetro, los giróscopos, el sensor de
temperatura y el sistema de comunicación ser requiere un voltaje de alimentación de 3.3V.
Para el conversor análogo a digital y para la Beagle Board se requiere un voltaje de 5V.
Para el sensor de presión barométrica se necesitan 10V y para los amplificadores de
instrumentación se requieren de ±10V.
Dado que solo se cuenta con una pila de 12V para la alimentación de todos los sistemas, se
requiere una manera de obtener todos los voltajes. El más difícil de obtener es el voltaje
negativo. Para tal objetivo se utiliza el circuito mostrado en la ilustración 4. Este utiliza un
reloj 555 para generar el voltaje negativo. Los valores de los elementos son los siguientes:
R1 = 24KΩ
R2 = 56KΩ
C1 = 3300pF
C2 = 47µF
C3 = 10µF
C4 = 100µF
D1, D2 = 1N4148
U1 = 555
Ilustración 4: Circuito para obtención de voltaje negativo [19].
24
Dado que este circuito ya entrega el voltaje negativo requerido, solo se deben utilizar
reguladores para ajustar los voltajes y garantizar la corriente total requerida. El regulador
positivo utilizado fue el LM317 [20]. En la ilustración 5 se muestra el diagrama de
conexión utilizado. Para la regulación negativa se utilizó el LM337 [21]. La ilustración 6
muestra el diagrama de conexión utilizado. Los valores de la resistencia se ajustaban hasta
obtener el voltaje deseado.
Ilustración 5: Diagrama de conexión del LM317 [20].
Ilustración 6: Diagrama de conexión del LM337 [21].
Ya teniendo los voltajes de alimentación se implementan los sensores. La ilustración 7
muestra el diagrama de conexión del acelerómetro. La ilustración 8 muestra el diagrama del
circuito impreso diseñado para este circuito.
25
Ilustración 7: Diagrama de conexión del acelerómetro
Ilustración 8: Diseño de circuito impreso para acelerómetro.
De manera similar, en la ilustración 9 se muestra el diagrama de conexiones para el circuito
de medición de velocidad angular, y en la ilustración 10 su circuito impreso.
Ilustración 9: Diagrama de conexión para los giróscopos.
26
Ilustración 10: Circuito impreso para los giróscopos.
En la ilustración 11 se muestra el diagrama de conexiones para el sensor de temperatura. La
ilustración 12 muestra el circuito impreso diseñado para este circuito.
Ilustración 11: Diagrama de conexión para sensor de temperatura
Ilustración 12: Circuito impreso correspondiente al circuito de medición de temperatura.
Por último se presenta en la ilustración 13 el diagrama de conexiones para el sensor de
presión. Dado que su sensibilidad es muy baja, se acopla uno de los amplificadores a la
27
salida del sensor. La configuración del amplificador de instrumentación se muestra en la
ilustración 14. La resistencia R1 se ajusta de tal manera que la ganancia del sistema sea de
100 veces la entrada. En la ilustración 15 se muestra el circuito impreso correspondiente.
Ilustración 13: Diagrama de conexiones del sensor de presión
Ilustración 14: Diagrama de conexiones para el amplificador de instrumentación
Ilustración 15: Circuito impreso correspondiente al circuito de medición de presión.
28
Para poder hacer un análisis de datos correcto, primero se deben convertir las señales de
todos los sensores de análogo a digital. Esto se hace mediante el conversor elegido
anteriormente. Dado que su salida es serial, éste se opera desde la Beagle Board. En la
ilustración 16 se presenta el diagrama de conexiones que se utilizó para dicha operación.
Ilustración 16: Diagrama de conexión para ADC
Dentro de la Beagle Board se deben configuran las funciones de calibración que se
obtengan de los sensores durante el plan de pruebas. De esta manera se leen los voltajes y
se interpretan. También, se hacen las respectivas correcciones por temperatura para cada
medición. Luego, la información se convierte al protocolo de las tarjetas de transmisión de
tal maneta que estas puedan ser enviadas. Para ver los diagramas de conexión del kit de
desarrollo se pide al lector que vaya al manual [16].
6.1.2. Sistema de Transmisión
En la ilustración 17 se muestra la arquitectura específica del sistema de transmisión. Este
consta de dos bloques: transmisión y recepción. Para éste sistema se van a utilizar dos
transreceptores XBee-Pro 900/Digimesh 900 OEM fabricado por Digi International [17].
Esta es una tarjeta que es capaz de enviar y recibir datos mediante RF hasta una distancia
de 10km con línea de vista despejada siempre y cuando se use una antena de alta potencia.
Requiere una alimentación de 3.3V a 210mA cuando se configura para transmisión y de
29
80mA cuando se configura para recepción. Su tasa de transferencia es de 156kbps con una
potencia de salida de 50mW. Opera en un rango de temperatura de entre -40°C y 85°C.
Opera a una frecuencia de 900MHz y utiliza modulación de amplitud por cuadratura
(QAM). Incluye sistema de encriptación AES de 128 bits.
Ilustración 17: Arquitectura específica del sistema de transmisión
Como se mencionó anteriormente, se utilizarán módulos XBee 900 Pro tanto para envío
como para la recepción de datos. El montaje de estas tarjetas es muy sencillo; simplemente
la tarjeta se monta sobre su plataforma y se le conecta la antena de alta ganancia, como se
muestra en la ilustración 18. La tarjeta que va en el cohete se conecta al puerto USB del
cohete y se configura para transmisión. La tarjeta de la base terrestre se configura para
recepción de información y se conecta directamente al servidor.
Ilustración 18: Esquema de conexión de la tarjeta de Tx/Rx [17]
6.1.3. Base Terrestre
En la ilustración 19 se muestra la arquitectura de la base terrestre. Aquí se toma la
información recibida, se almacena y se muestra en vivo mediante un acceso de internet.
30
Ilustración 19: Arquitectura específica de la base terrestre.
Una vez llega la información esta es almacenada en un archivo de texto, el cual está
ubicado en una dirección específica del directorio del computador tal que se pueda acceder
a ellos desde la interfaz web. La organización del archivo de texto es la siguiente: la
primera columna es el instante de tiempo en el que se realizó la medición y las siguientes
siete columnas correspondan a los tres datos de aceleración, los tres datos de velocidad
angular y finalmente altura. La implementación de este código de almacenamiento se hizo
con el uso de lenguaje de programación JAVA y con el acceso a los puertos USB del
servidor.
La interfaz web se desarrollo mediante lenguaje JAVA Script. La página web se trabaja en
formato php y html. El desarrollo cumple con las restricciones del cliente en el cual se pide
un nombre de usuario y una contraseña autorizada para poder ingresar a ver la información.
También se cuenta con una página de introducción donde se da un breve resumen del
proyecto y de lo que se puede visualizar en la página. Luego, haciendo clic en un enlace, se
va a la parte de las gráficas. En esta parte se puede escoger una a una las gráficas que se
quieren ver. Adicionalmente existe la opción de habilitar la actualización automática de la
información. Esto con el objetivo de hacer un seguimiento en tiempo real a las variables
medidas.
En las ilustraciones 20 a 23 se muestran las imágenes de la página web donde se hace la
introducción del proyecto, donde se solicita el usuario y la contraseña y donde se puede
visualizar las gráficas de las actuaciones del cohete con y sin actualización,
respectivamente.
31
Ilustración 20: Imagen de la página de introducción de la interfaz web.
Ilustración 21: Imagen de la página de solicitud de nombre de usuario y contraseña.
32
Ilustración 22: Imagen de la página web con visualización de información sin
actualización automática.
Ilustración 23: Imagen de la página web con visualización de información con
actualización automática.
33
6.2. Trabajo Computacional
No se implementó ningún modelo matemático para la validación computacional de la
solución planteada. Computacionalmente solo se utilizó el programa PSPICE para la
realización de las simulaciones. Se utilizó el modelo de simulación que viene configurado
por defecto en el programa.
7. VALIDACIÓN DEL DISEÑO
7.1. Metodología de Prueba
La primera prueba realizada fue la calibración del acelerómetro. Para esto el circuito de
aceleración se puso sobre una mesa de vibraciones, mostrada en la ilustración 24, donde se
puede controlar tanto la frecuencia de excitación como la amplitud de movimiento. A partir
de estos dos valores y asumiendo que es movimiento generado es armónico, se hace una
doble derivada para obtener la amplitud de la aceleración. Por último este valor se divide
por el valor de la gravedad para obtener el valor normalizado. Se hace un barrido de
frecuencias sobre todo el rango de la mesa. Las mediciones se hacen cinco veces en total,
de las cuales tres se hacen con aumentos del valor de la frecuencia y dos con
disminuciones.
Ilustración 24: Mesa de vibraciones para prueba de acelerómetro.
34
La segunda prueba fue la de calibración de los giróscopos. En el departamento de
ingeniería mecánica se tiene una turbina Pelton, la cual se muestra en la ilustración 25, que
genera un movimiento rotatorio en un eje. Sobre este eje se colocó una polea y sobre la
polea el giróscopo. Variando el caudal de agua que pasa por la turbina se variaba de forma
controlada la velocidad de rotación del eje.
Ilustración 25: Turbina Pelton utilizada para la calibración de los giróscopos.
Con un estroboscopio, mostrado en la ilustración 26, se medía la velocidad de rotación. Las
mediciones también se hacen cinco veces, donde tres son con aumentos sucesivos de la
velocidad de rotación y dos con disminuciones.
Ilustración 26: Estroboscopio para medición de velocidad angular.
35
La tercera prueba realizada fue la calibración del sensor de temperatura. Se calentó agua
hasta su punto de ebullición. Luego se midió la temperatura con un termopar calibrado,
mostrado en la ilustración 27, y al mismo tiempo con el sensor utilizado. Para ciertas
temperaturas específicas se realizaron las mediciones. El ejercicio se repitió con agua
helada para así obtener temperaturas inferiores al ambiente.
Ilustración 27: Termopar utilizado para calibrar el sensor de temperatura.
La última calibración realizada fue la del sensor de presión. Para poder realizar dicha
prueba se construyó una cámara de vacío utilizando un tubo de PVC completamente sellado
y una manguera conectada a un balde con agua. El sensor era colocado dentro del tubo de
PVC del cual salían los cables donde se hacía la medición. Inicialmente, dentro del tubo
hay una presión igual a la atmosférica. Luego el balde con agua se iba bajando, lo cual
generaba que una columna de agua subiera por la manguera, debido al cambio. Esta
columna de agua corresponde a la presión de vacío generada dentro del tubo de PVC.
Restando esta presión a la presión inicial se conoce la nueva presión dentro del tubo, lo cual
simula una disminución de presión por el cambio de altura. En la ilustración 28 se muestra
el montaje utilizado. La presión atmosférica era medida con un barómetro, el cual se
muestra en la ilustración 29.
36
Ilustración 28: Montaje utilizado para la calibración del sensor de presión.
Ilustración 29: Barómetro utilizado para la medición de presión atmosférica-
Ahora, como lo que se desea medir es la altura de vuelo y no la presión, se debe convertir la
medición de presión a altura. Esto se hace utilizando la ecuación 1, presentada en el
capítulo 3.
Lo siguiente que se realizó fue la prueba de funcionamiento y alcance del sistema de
comunicaciones. Lo primero que se hizo fue instalar el software de prueba en dos
37
computadores dentro de una misma sala. A uno se le conectó el sistema de comunicación
en modo de transmisión y el segundo otro módulo pero en modo de recepción. Desde el
mismo programa se envió un mensaje de un computador a otro sin ningún inconveniente,
comprobando el correcto funcionamiento de los módulos. La prueba se repitió pero ahora
entre dos computadores separados una mayor distancia, utilizando la cancha de fútbol de la
Universidad de los Andes, con el objetivo de verificar el alcance del sistema.
Para la interfaz web se realizó una prueba con un archivo de texto que incluía los datos de
calibración. La idea era verificar que el archivo si era almacenado por el sistema y que se
podía actualizar con el paso del tiempo. Luego se observaba que desde la página web si se
graficaran los datos.
Las pruebas realizadas con la Beagle Board, fueron las siguientes. Primero, desde un puerto
serial en un computador se puede verifica que se tiene acceso a la tarjeta, con el uso de un
cable Null Modem. Luego se debe establecer comunicación entre la tarjeta y los
dispositivos de conversión de análogo a digital y con el sistema de transmisión.
7.2. Validación de los Resultados del Diseño
Como resultado de la prueba de calibración del acelerómetro se obtuvieron las curvas de
calibración presentadas en las ilustraciones 30 a 32. En ellas se muestran los resultados para
la aceleración en los ejes X, Y y Z. Las ecuaciones de las curvas de calibración obtenidas,
donde la salida es un voltaje en voltios y la entrada una aceleración en gravedades, son:
𝑉𝑥 = 0.1425𝑎𝑥 + 2.0186 (2)
𝑉𝑦 = 0.1390𝑎𝑦 + 2.0455 (3)
𝑉𝑧 = 0.1568𝑎𝑧 + 2.0809 (4)
Las incertidumbres para todos los casos son de 0.055V. Esto incluye errores sistemáticos de
los instrumentos y errores aleatorios debido a variaciones en las mediciones.
38
Ilustración 30: Datos de calibración para aceleración en X.
Ilustración 31: Datos de calibración para aceleración en Y.
Ilustración 32: Datos de calibración para aceleración en Z.
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
-10 -5 0 5 10
Vo
ltaj
e (V
)
Aceleración (g)
Aceleración X
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
-10 -5 0 5 10
Vo
ltaj
e (V
)
Aceleración (g)
Aceleración Y
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
-10 -5 0 5 10
Vo
ltaj
e (V
)
Aceleración (g)
Aceleración Z
39
De manera similar, como resultado de la prueba de calibración de los giróscopos se
obtuvieron las curvas de calibración presentadas en las ilustraciones 33 a 35. En ellas se
muestran los resultados para la velocidad angular medida por cada giróscopo. Las
ecuaciones de las curvas de calibración obtenidas, donde la salida es un voltaje en voltios y
la entrada una velocidad angular en °/s, son:
𝑉1 = 0.0033𝛼1 + 1.6375 (5)
𝑉2 = 0.0033𝛼2 + 1.6518 (6)
𝑉3 = 0 (7)
La ecuación (7) evidencia que el sensor de este circuito estaba dañado. Razón por la cual
toca remplazarlo. Las incertidumbres el primer giróscopo es de 0.032V y para el segundo es
de 0.033V. Esto incluye errores sistemáticos de los instrumentos y errores aleatorios debido
a variaciones en las mediciones.
Ilustración 33: Curva de calibración para primer giróscopo.
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
Vo
ltaj
e (V
)
Velocidad Angular (°/s)
Giróscopo 1
40
Ilustración 34: Curva de calibración para segundo giróscopo.
Ilustración 35: Curva de calibración para tercer giróscopo.
La curva de calibración de temperatura obtenida se presenta en la ilustración 36. La
ecuación correspondiente a este caso es la siguiente:
𝑉𝑇 = 0.0094𝑇 + 2.7266 (8)
La incertidumbre para dicho sistema es de 0.025V. Vale la pena mencionar que este es el
sistema que más dispersión presentó.
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
volt
aje
(V)
Velocidad Angular (°/s)
Giroscopo 2
-0,05
-0,03
-0,01
0,01
0,03
0,05
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
Giróscopo 3
41
Ilustración 36: Curva de calibración para sistema de temperatura.
Por último se presenta la curva de calibración entre voltaje y altura de vuelo es la en la
ilustración 37. La ecuación que la representa es la siguiente:
𝑉ℎ = −0.0004ℎ+ 3.7526 (9)
Su incertidumbre es de 0.042V.
Ilustración 37: Curva de calibración para el altímetro.
2,70
2,80
2,90
3,00
3,10
3,20
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Vo
ltaj
e (V
)
Temperatura (°C)
Temperatura
2,00
2,20
2,40
2,60
2,80
3,00
3,20
2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000
Vo
ltaj
e (V
)
Altura (m)
Altura
42
Los resultados para las pruebas del sistema de comunicación fueron satisfactorios. Se pudo
comprobar el correcto funcionamiento de los módulos de transmisión y recepción. También
se pudo observar un buen comportamiento en distancias medias. Los resultados de las
pruebas sobre el servidor y la interfaz web también fueron satisfactorios.
Las pruebas sobre la tarjeta Beagle Board presentaron fallas. Desde un puerto serial en un
computador se puede tener acceso a la tarjeta sin ningún inconveniente con el uso de un
cable Null Modem. Sin embargo la comunicación falla en el momento de hacer las
conexiones con los dispositivos externos. Esta ha impedido poner en funcionamiento el
conversor análogo digital y por lo tanto no ha permitido convertir las señales de voltaje a
sus respectivos valores de aceleración, velocidad angular, temperatura y altura.
7.2.1. Integración del Sistema
Fue posible integrar todos los circuitos para funcionamiento. Esto incluye los circuitos de
todos los sensores y la fuente de alimentación. También se ha podido integrar el sistema de
comunicación con el servidor para el almacenamiento de la información y para la
visualización de los datos a través de una página de Internet. Sin embargo el hecho de no
haber podido controlar el conversor de análogo a digital por medio de la Beagle Board ha
implicado que no se han podido integrar estos dos componentes.
Con lo anterior, se ha podido hacer almacenamiento de información sin errores. Esto
implica que el sistema de corrección de errores del sistema de comunicaciones funciona de
manera correcta. También se han obtenido buenos resultados de transmisión, por lo cual se
espera que en vuelo se pueda hacer la transmisión, siempre y cuando se mantenga una línea
de vista.
También se han obtenido mediciones adecuadas de todas las variables requeridas. Se ha
diseñado un sistema de corrección de errores por temperatura y por efectos de los
elementos de medición que permiten tener una incertidumbre baja en la medición.
43
Con todos estos sistemas en mente, el peso total que va dentro del cohete es de 409g. Este
valor es inferior al límite puesto por el cliente, lo cual es un resultado satisfactorio.
7.2.2. Consumo de Potencia
En la tabla 4 se presentan los datos de corriente consumida de cada uno de los circuitos
implementados para medición de variables, para el sistema de procesamiento y para el
sistema de comunicación. De los sensores, el de mayor consumo es el de presión. Como era
de esperarse, tanto el sistema de comunicación como la Beagle Board son los elementos de
mayor consumo de todo el sistema. Aunque vale la pena aclarar que para estos sistemas se
aceptó el consumo de corriente mencionado es las hojas de datos. Se puede ver que también
se requiere de corriente para ajustar los voltajes a los valores deseados. El total de corriente
consumida es de 597.101mA. Este valor no incluye el sistema de recepción dado que no va
en el cohete. De acuerdo a las especificaciones de la pila utilizada, se espera que esta dure 2
horas funcionando dado que es capaz de entregar 1.2A en una hora. Este tiempo es más que
suficiente para que el cohete complete toda su misión.
Elemento Corriente (mA)
Circuito Acelerometro 0.241
Circuito Giróscopo 1 5.09
Circuito Giróscopo 2 4.93
Circuito Giróscopo 3 3.77
Circuito Temperatura 1.31
Circuito Altímetro 6.6
Circuito Alimentación 13.4
ADC 1.76
Sistema Transmisión 210
Sistema Recepción 80
Beagle Board 350
Tabla 4: Consumos de corriente del sistema
7.3. Evaluación del Plan de Trabajo
Teniendo en cuenta los resultados obtenidos, se puede decir que la asignación de tareas fue
aducuada. Sin embargo se la asignación de tiempos fue regular ya que hubo complicaciones
en el diseño del sistema de procesamiento. Sería recomendable asignar mayor tiempo para
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la realización de trabajos sobre la Beagle Board. Para esto sería recomendable dedicar
menos tiempo a la investigación teórica y al proceso de selección de dispositivos.
8. DISCUSIÓN
En este proyecto se diseño un sistema de telemetría para una misión específica de un cohete
balístico amateur. Sin embargo, dadas las condiciones de operación del sistema en general,
se cree que este es lo suficientemente robusto como para poder ser integrado a otro tipo de
misiones, siempre y cuando se vuele a una altura inferior a los 11km. A alturas superiores a
estas ya no se pueden aplicar las condiciones atmosféricas estándar, lo cual haría que el
modelo utilizado para el cálculo de altura falle. También, es posible que las bajas
temperaturas del ambiente afecten de manera considerable el desempeño de los elementos
eléctricos. Por tal motivo se debería realizar una nueva selección de componentes.
Los sensores utilizados para las pruebas fueron los adecuados para cumplir con tanto las
restricciones de peso como de consumo. Las pruebas implementadas para realizar los
procesos de calibración fueron bien diseñadas, logrando obtener con ellas curvas de
calibración con valores de incertidumbre bajos. Sin embargo siempre es posible mejorar los
resultados obtenidos. Para esto se deberían adquirir mejores instrumentos de medición y de
calibración.
Este proyecto se pudo haber tenido una mejor distribución de tiempos. De ser así, se
hubiera logrado hacer una correcta implementación del sistema de procesamiento. Sin
embargo, se deja abierta la posibilidad de que alguien en el futuro continúe con este
proyecto. De tal manera se pueden optimizar los resultados, se pueden realizar la
integración total del sistema e incluso se podría hacer la inclusión del sistema de
transmisión de video en tiempo real.
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9. CONCLUSIONES
Fue posible diseñar un sistema de medición para aceleración en los tres ejes,
velocidad angular en los tres ejes y altura para el cohete balístico amateur del grupo
Cero G de la Universidad de los Andes. El sistema de medición cuenta con
corrección de temperatura y tiene presente todos los errores sistemáticos y de
propagación generados por los instrumentos de medición y de calibración.
Fue posible elegir e implementar un sistema de comunicaciones adecuado para la
transmisión de información desde el cohete hasta la base terrestre. El sistema
elegido cuenta un protocolo de encriptación y de corrección de errores. Además su
alcance nominal es más que suficiente para la aplicación deseada.
Fue posible diseñar un programa computacional donde se puede visualizar el
comportamiento del cohete en tiempo real. El programa es de acceso vía internet y
cumple con las restricciones establecidas por el cliente. Adicionalmente permite el
almacenamiento de toda la información que recibe.
Debido a la dificultad de manejar la tarjeta de desarrollo, no fue posible integrar los
sistemas. Esto impide que el sistema de telemetría esté completo. Sin embargo con
un poco más de tiempo de trabajo se puede finiquitar este proceso.
Se recomienda trasladar la arquitectura de la Beagle Board a una tarjeta más
pequeña para que ésta quepa dentro del cohete. De ser necesario se podrían retirar
los módulos no utilizados. Adicionalmente se recomienda agregarle un módulo de
conversión de análogo a digital para facilitar el proceso de conversión.
46
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48
APÉNDICE A: PROPUESTA DE PROYECO DE GRADO
1. TÍTULO DE LA TESIS O PROYECTO DE GRADO
Sistema de telemetría en tiempo real para cohete balístico amateur. 2. OBJETIVOS Y ALCANCE
1. Desarrollar un sistema de medición y monitoreo en tiempo real de posición, altura y rotación para un cohete balístico amateur.
a. Diseñar e implementar un sistema de medición de posición, altura y rotación que funcione correctamente bajo las condiciones de operación del cohete.
b. Elegir e implementar un sistema de comunicación en tiempo real que permita enviar la información de las actuaciones del cohete, tomadas por el sistema de medición, a una base terrestre.
c. Diseñar un programa computacional donde se pueda visualizar en tiempo real la información transmitida y a la vez almacenarla.
En caso de tener tiempo adicional para el desarrollo del proyecto, se implementará un sistema de transmisión de video en tiempo real que permita ver a las personas ubicadas en la base terrestre la ubicación y el estado del cohete durante el vuelo. Como producto final se pretende entregar el sistema de medición y monitoreo completo y funcional, incluyendo circuitos y programas computacionales. Todos los circuitos serán implementados en circuitos impresos. Este producto debe entregar como resultado los datos de posición, altura y rotación del cohete con la precisión y exactitud deseada por el cliente, que en este caso es el Grupo Cero G de cohetería Amateur de la Universidad de los Andes, coordinado por el profesor Fabio Rojas del departamento de Ingeniería Mecánica. Dicho producto será innovador puesto que sería el primero de este tipo que se desarrolla en Colombia para una aplicación de cohetería amateur. 3. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA El estudio de la tierra y el espacio cada vez es más importante para el desarrollo de la humanidad. Por tal motivo, la industria aeroespacial ha tomado mucha fuerza en su desarrollo tecnológico. Lo que en un principio fue una exploración para conocer los orígenes del universo y de la vida en el planeta, ahora es utilizado para mejorar las condiciones de vida en la tierra. Los satélites artificiales que antes iban a las profundidades del espacio para observar estrellas y galaxias ahora se están utilizando más para orbitar la tierra y prestar servicios tales como comunicaciones, vigilancia, meteorología y entretenimiento entre otros, a los seres humanos.
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Las grandes potencias mundiales fueron las primeras en comenzar con la carrera aeroespacial. Sin embargo, hoy en día son pocos los países en el mundo donde no hay una entidad gubernamental o privada interesada en estos asuntos. Dentro de los países que han comenzado con la carrera aeroespacial está Colombia. Esto se evidencia de la siguiente manera. Por un lado, mediante el decreto presidencial 2442 de julio de 2006, se creó la Comisión Colombiana del Espacio (CCE), con el objetivo de que ella sea la puerta de acceso para que Colombia abra sus puertas al conocimiento de la tierra y el espacio ultraterrestre con el uso de tecnologías aeroespaciales modernas. Teniendo esto en mente, la CCE está conformada por siete grupos de trabajo:
1. Telecomunicaciones: Coordinado por el Ministerio de Comunicaciones. Pretende integrar al país mediante comunicaciones de tecnología espacial.
2. Navegación satelital: Coordinado por la aeronáutica civil. Pretende aplicar tecnología satelital para mejorar la seguridad del país.
3. Observación de la tierra: Coordinado por el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia (IDEAM). Pretende aplicar la tecnología espacial para mejorar el conocimiento del territorio nacional.
4. Astronáutica, astronomía y medicina aeroespacial: Coordinado por la Fuerza Aérea de Colombia (FAC). Su objetivo es desarrollar estudios en dichos ámbitos para contribuir al desarrollo sostenible de Colombia.
5. Gestión del conocimiento y la investigación: Coordinado por Colciencias. Pretende promover el estudio y la investigación en asuntos aeroespaciales en el país.
6. Asuntos políticos y legales: Coordinado por el Ministerio de Relaciones Exteriores. Encargado de adoptar la normatividad requerida para el desarrollo aeroespacial.
7. Infraestructura Colombiana de Datos Espaciales (ICDE): Coordinado por el Instituto Geográfico Agustín Codazzi (IGAC). Pretende integrar todos los conocimientos adquiridos en un único sistema para facilitar el alcance de la información y mejorar el desarrollo del país.
También existe el Centro de Investigación en Tecnología Aeroespacial (CITA) coordinado por la FAC. En este centro se hace investigación continua en tecnologías aeroespaciales y dentro de sus desarrollos más recientes está la construcción de una plataforma de lanzamiento de cohetes de todos los tamaños. También, instituciones de educación superior, tanto privadas como del sector público, han comenzado desarrollos aeroespaciales. La Universidad de San Buenaventura, la Fundación Universitaria los Libertadores, la Universidad del Valle, la Universidad del Cauca, la Universidad Nacional y la Universidad Industrial de Santander tienen grupos de investigación que trabajan en el desarrollo de cohetes amateur de corto y largo alcance. En general, sus objetivos a largo plazo son la exploración de la tierra desde el espacio y la colocación de satélites en órbita. Por otro lado la Universidad Sergio Arboleda y la Universidad Distrital Francisco José de Caldas tienen grupos de investigación que desarrollan satélites para observación y comunicaciones. Incluso, la primera ya puso en órbita un
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satélite tipo CUBESAT, logrando una correcta comunicación con él desde una base terrestre. El grupo Cero G de la Universidad de los Andes ha diseñado y construido un cohete balístico amateur cuyo apogeo es de 2km de altura. Con este cohete el grupo en mención aportar al país en el desarrollo aeroespacial mediante el diseño de sistemas de telemetría, control aerodinámico y observación. Adicionalmente tiene el objetivo de motivar a los jóvenes colombianos a tomar interés en los temas concernientes a la industria aeroespacial y a su desarrollo en el país. Para que el cohete amateur funcione adecuadamente, éste debe seguir una trayectoria acimutal. Para poder hacer que éste tenga este comportamiento, se debe tener un sistema de control aerodinámico en el cohete que permita corregir tanto su posición como su rotación. Esto se debe a que el punto de caída del cohete debe estar dentro de un radio determinado, el cual depende de su apogeo. Adicionalmente se debe garantizar que el cohete sea estable durante el vuelo, para evitar accidentes. Esto implica que se debe tener control sobre su rotación. Dicho sistema aun no se ha diseñado. Actualmente se tiene un sistema prefabricado que toma y almacena los datos, pero no se pueden observar en tiempo real, lo cual impide hacer el seguimiento del cohete. Tampoco permite tener control desde tierra del cohete, cosa que puede llegar a ser necesaria. Lo que se desea desarrollar en este proyecto de grado es la primera etapa del sistema de control: el sistema de medición de parámetros y su monitoreo en tiempo real desde una base terrestre. Los parámetros a medir son las variables que influyen directamente en el comportamiento del cohete. Por un lado, para poder controlar lsu zona de caída, se debe hacer una medición de la distancia recorrida horizontalmente (ejes X y Y de la tierra). También, para saber si se llegó al apogeo deseado, se debe medir la distancia recorrida verticalmente (eje Z de la tierra). Por otro lado, para hacer el control de estabilidad, se poder hacer una medición de la velocidad de giro en los ejes horizontales. Adicionalmente, según la teoría de cohetes, el giro en el eje vertical ayuda a que el cohete tenga un vuelo estable, por lo cual también se debe conocer el la velocidad de giro en dicho eje. Se espera que el producto sea robusto y que permita la integración posterior de un sistema de control y de operación desde tierra. Comercialmente existen dispositivos que hacen este tipo de mediciones para cohetes. Sin embargo el acceso a ellos es muy complicado puesto que este tipo de tecnología usualmente va ligado a aplicaciones militares. Adicionalmente, estos dispositivos no se consiguen a nivel nacional. Estas dos circunstancias también hacen que dichos dispositivos sean costosos. Por tal motivo los grupos de cohetería amateur usualmente se ven obligados a fabricar sus propios sistemas de medición. Como estos no son de fabricación en serie, no se pueden conseguir comercialmente. Sin embargo, esto demuestra que ellos se pueden fabricar siempre y cuando se cuente con la tecnología adecuada. Vale la pena resaltar que los grupos de cohetería amateur que ya han hecho lanzamientos en Colombia han utilizado sistemas de medición costosos fabricados en el exterior. Por tal motivo, el hecho de desarrollar un sistema de medición y telemetría en el país es un proceso innovador que no solo solucionaría el problema del grupo Cero G sino el de cualquier grupo de cohetería amateur del país.
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4. CARACTERIZACIÓN DE LA SOLUCIÓN (Metodología o métodos a utilizar) Investigación teórica: Será utilizada para conocer las condiciones de operación a las cuales será sometido el sistema. También se utilizará para conocer los diferentes tipos de circuitos de adaptación de la señal que se puedan requerir para el desarrollo del proyecto. Con base en ello se elegirán los sensores y los circuitos requeridos para su correcto funcionamiento. Investigación comercial: Tomando como base la investigación teórica, se determinarán los sensores y circuitos integrados comercialmente disponibles que mejor se ajusten a las condiciones de operación del cohete. Incluye la selección del sistema de comunicación requerido. Simulación computacional: Será utilizado para observar el comportamiento de los circuitos diseñados a partir de la investigación teórica. También se utilizará para verificar el comportamiento del sistema antes de su implementación y corregir posibles errores que se presenten. Diseño computacional: Será utilizado después de las simulaciones. Con él se harán los diseños de los circuitos impresos para el sistema. También corresponde al diseño del programa computacional que permitirá visualizar los datos tomados por el sistema de medición, que han sido enviados por medio del sistema de comunicación. Proceso experimental: Consiste en el trabajo experimental que será llevado a cabo en los laboratorios de ingeniería electrónica de la Universidad de los Andes. Allí se harán las pruebas de funcionamiento de los sistemas diseñados durante el desarrollo del proyecto. 5. ACTIVIDADES A REALIZAR Y CRONOGRAMA DE EJECUCIÓN En la siguiente tabla se presenta el cronograma de actividades:
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Dentro del tiempo asignado a cada actividad se incluyen todos las actividades relacionadas, incluyendo tiempo de laboratorio, tiempo de escritura de documento y demás actividades relacionadas. 6. RECURSOS Y FUENTES DE DATOS (Laboratorios, materiales, hardware, software, etc.)
Para el correcto desarrollo de este proyecto se requiere utilizar equipos como fuentes de voltaje, generadores de señales, cautines, osciloscopios y multímetros de manera dedicada. Estos están disponibles en los laboratorios de Ingeniería Electrónica de la Universidad de los Andes. Adicionalmente se requiere de programas especializados para la simulación y desarrollo de circuitos y del programa computacional. Las licencias de estos productos las tiene la Universidad de los Andes. Sin embargo para poder utilizarlos se va a requerir de la asignación de un computador para poder trabajar sin interrupciones en el momento que se requiera. Respecto a los circuitos impresos, se espera que la Universidad de los Andes preste el servicio de fabricación. La adquisición de los sensores y demás componentes electrónicos estará a cargo de tanto el departamento de Ingeniería Electrónica como del autor del proyecto. También se espera que el grupo Cero G de cohetería amateur de la Universidad de los Andes facilite trámites económicos con otros posibles patrocinadores del proyecto, como pueden ser el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes, Uniandinos y la FAC entre otros.
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APÉNDICE B: FACTURAS Y RELACIÓN DE MATERIALES