Diseño y montaje de un sistema de adquisición de datos para un cuadricóptero

TRABAJO FIN DE GRADO Grado en Ingeniería Electrónica, Industrial y Automática DISEÑO Y MONTAJE DE UN SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS PARA UN CUADRICÓPTERO Memoria Técnica Autor: Eric Vergara Samsó Director: Manuel Andrés Manzanares Brotons Convocatoria: Junio 2020 Diseño y montaje de un sistema de adquisición de datos de un cuadricóptero i Resum Aquest document té com a objectiu el disseny, tant mecànic com electrònic, d’un dron com a plataforma d’adquisició de dades de forma remota. Per tal d’aconseguir aquest objectiu s’ha investigat les diferents opcions a l’hora de muntar un dron, així com els components amb una millor relació qualitat/preu, com la interconnexió entre els diferents elements del vehicle i la seva corresponent programació. A més a més, s’utilitzarà el quadrotor com a una plataforma d’adquisició de dades. Els paràmetres que es rebin dels diferents sensors s’enviaran per Bluetooth a un telèfon personal, on es podran visualitzar les dades obtingudes a partir d’una aplicació mòbil. Així doncs, durant el desenvolupament d’aquest document es tractarà d’exposar tot el que envolta als diferents aspectes d’aquests vehicles no tripulats i es tractarà d’explicar amb claredat i pas a pas la creació d’un dron com a plataforma d’adquisició de dades tenint en compte el temps que s’ha d’invertir per a poder-lo realitzar de forma òptima i posant en pràctica els coneixements que s’han adquirit al llarg de tota la carrera universitària. Memoria Técnica ii Resumen Este documento tiene como objetivo el diseño, tanto mecánico como electrónico, de un dron como plataforma de adquisición de datos de forma remota. Para conseguir este objetivo se ha investigado las diferentes opciones a la hora de montar un dron, así como los componentes con una mejor relación calidad/precio, como la interconexión entre los diferentes elementos del vehículo y su correspondiente programación. Además, se utilizará el cuadricóptero como una plataforma de adquisición de datos. Los parámetros que se reciban de los diferentes sensores se enviarán por Bluetooth a un teléfono personal, donde se podrán visualizar los datos obtenidos a partir de una aplicación móvil. Así pues, durante el desarrollo de este documento se tratará de exponer todo lo que rodea a los diferentes aspectos de estos vehículos no tripulados y se tratará de explicar con claridad y paso a paso la creación de un dron como una plataforma de adquisición de datos teniendo en cuenta el tiempo que se debe invertir para poderlo realizar de forma óptima y poniendo en práctica los conocimientos que se han adquirido a lo largo de toda la carrera universitaria. Diseño y montaje de un sistema de adquisición de datos de un cuadricóptero iii Abstract This document aims to design, both mechanically and electronically, a drone as a remote data acquisition platform. To achieve this objective, the different options when mounting a drone have been investigated, as well as the components with a better quality / price ratio, such as the interconnection between the different elements of the vehicle and their corresponding programming. In addition, the quadcopter will be used as a data acquisition platform. The parameters received from the different sensors will be sent by Bluetooth to a personal phone, where it can be viewed the data obtained from a mobile application. Thus, during the development of this document it will try to expose everything that surrounds the different aspects of these unmanned vehicles and it will try to explain clearly and step by step the creation of a drone as a data acquisition platform taking into account the time that has to be inverted to be able to realize it optimally and putting in practice the knowledge that has been acquired along all the university career. Memoria Técnica iv Diseño y montaje de un sistema de adquisición de datos de un cuadricóptero v Agradecimientos Quisiera hacer una especial mención a las personas que me han ayudado de una forma u otra a realizar este proyecto. A mi tutor del proyecto Manuel Andrés, que me ha orientado a la hora de encarar el proyecto y ha sido vital en el desarrollo del mismo gracias a sus consejos y apoyo. Finalmente, a mis padres y a mi pareja, que no solo han sido imprescindibles en la realización de este trabajo si no que sin su apoyo y ayuda no hubiera sido capaz de concluir mi etapa universitaria. Memoria Técnica vi Diseño y montaje de un sistema de adquisición de datos de un cuadricóptero vii Glosario Abreviatura Significado ESC Electronic Speed Controller IMU Inertial Motion Unit CPU Central Processing Unit LCD Liquid Crystal Display LED Light-Emitting Diode PWM Pulse-Width Modulation I2C Inter-Integrated Circuit SCL System Clock SDA System Data PDB Placa de Distribución de Potencia USB Universal Serial Bus PID Controlador Proporcional, Integral y Derivativo BOE Boletín Oficial del Estado AESA Agencia Estatal de Seguridad Aérea RoHS Restriction of Hazardous Substances UE Unión Europea Memoria Técnica 4 2.1. Objetivos del trabajo La razón por la que se realiza este proyecto es por la ambición de crear algo desde cero para poder demostrar que durante la carrera se ha adquirido una serie de conocimientos que antes no se poseían. Cabe destacar además que la realización de este proyecto es ampliable, es decir, una vez acabado el proyecto de fin de grado también se puede profundizar e incluir más mejoras en el proyecto, lo que lo hace ideal para probar y experimentar los conocimientos de electrónica que se adquieran en un futuro. Los objetivos del proyecto se han dividido en pequeños retos a superar para conseguir una sensación de progresión que se puede visualizar en el Diagrama de Gantt sobre el que más adelante se profundizará. Estos objetivos son, por ejemplo:  Elaborar un diagrama en donde se distribuya el tiempo que se dedica al proyecto en cada una de las tareas.  Seleccionar componentes factibles a nivel de precio y que cumplan los requisitos para que el proyecto se lleve a cabo de forma satisfactoria.  Diseñar un esquema eléctrico desde cero.  Distribuir y fijar los componentes de una manera óptima.  Programar la CPU de forma que realice lo que el programador precise.  Diseñar una aplicación móvil que reciba datos del controlador.  Resolver los problemas que surjan durante el desarrollo del proyecto. 2.2. Alcance del proyecto Se fija la meta de realizar un cuadricóptero desde cero con todas las partes que eso conlleva, desde decidir los componentes hasta la programación del conjunto. Es decir, al finalizar el proyecto, se ha de obtener un dron que sea estable y que responda bien a las consignas del mando. También se plantea la opción de no poner hélices hasta la finalización y entrega del proyecto, ya que en las primeras pruebas quizá el dron no funciona como es debido y podría chocar, lo que provocaría la pérdida total de todo el hardware. La estabilidad del vehículo se demostrará mediante gráficas en tiempo real que mostrarán que reacciona como debería a las consignas recibidas. Diseño y montaje de un sistema de adquisición de datos de un cuadricóptero 5 2.3. Historia Para ponerse en contexto, la idea del dron no es nueva, ya que en el año 1849, el ejército austríaco montó alrededor de doscientos globos aerostáticos no tripulados con el objetivo de dejar caer bombas explosivas en la ciudad de Venecia en el que se conoce como el primer bombardeo aéreo de la historia. Posteriormente, en 1896 Samuel P. Langley desarrolló una serie de aeronaves a vapor sin piloto que, posteriormente serían utilizadas para realizar la primera fotografía de reconocimiento aéreo de la historia en 1898. Otros momentos clave en la historia de los cuadricópteros fueron de carácter bélico, concretamente entre el principio de la Primera Guerra Mundial y la actualidad donde realizaron diversas funciones:  A principios del siglo XX fueron utilizados como blanco de prácticas para fuerzas militares.  Durante la Segunda Guerra Mundial fueron diseñados para ser una especie de bomba volante.  Durante la Guerra Fría y actualmente en la lucha contra el terrorismo se usan como una plataforma de vigilancia. (1) 2.4. Clasificación Existen diferentes tipos de drones que convergen en otros tipos, una forma más sencilla de apreciarlo es observando el siguiente esquema: Memoria Técnica 6 Figura 2.1. Esquemático con la clasificación de los distintos tipos de drones (Fuente: (2)) En él se aprecia que los dos grandes grupos son:  Aerostato: Aeronaves cuya suspensión en el aire se debe al empleo de un gas más ligero que el aire.  Aerodino: Aeronaves más pesadas que el propio aire. Los aerodinos se dividen en los siguientes grupos:  Drones de ala fija: Son aquellas aeronaves cuyas alas están pegadas con el resto de elementos y no poseen movimiento propio. o Ala alta: Drones con el ala ubicada en la parte superior del fuselaje, lo que provoca una mayor estabilidad per una más compleja maniobrabilidad. o Ala media: Drones con el ala ubicada en la parte media del fuselaje, lo que aporta un equilibrio entre maniobrabilidad y estabilidad o Ala baja: Drones con el ala ubicada en la parte inferior del fuselaje, lo que los hace de fácil maniobrabilidad. o Ala volante: Drones en los que el ala conforma la mayor parte del fuselaje, lo que provoca una baja resistencia aerodinámica y una elevada maniobrabilidad.  Drones de ala rotatoria: Drones en los que las alas giran alrededor de un eje consiguiendo así la sustentación. Diseño y montaje de un sistema de adquisición de datos de un cuadricóptero 7 o Drones con un rotor principal y un rotor de cola: En este tipo de drones la sustentación es generada por el rotor principal, que está ubicado en la parte superior de la aeronave mientras que el rotor de cola compensa el par de torsión que provoca el primero. o Drones con único rotor: Drones con único rotor y unos alerones para compensar el par del rotor, lo que los convierte en difíciles de manejar. o Drones con dos rotores en configuración coaxial: Esta configuración posee dos rotores, uno encima del otro, y cada uno con un sentido de giro diferente para que, a partir de la diferencia generada de la velocidad angular de ambos rotores consiga emprender el vuelo. o Drones con dos rotores en configuración tándem: Drones con dos rotores en la parte superior, uno en cada esquina, que giran en direcciones opuestas para compensar el par generado. o Multirrotores: Aeronave que posee tres o más rotores, que dependiendo de cuántos sean y su disposición pueden dividirse en más subgrupos. Figura 2.2. Diferentes configuraciones de multirrotores (Fuente: (2))  Drones híbridos: Estos drones son capaces de despegar y aterrizar de forma vertical, como los drones de ala rotatoria, y de alcanzar grandes velocidades, como los drones de ala fija. (2) 2.5. Conceptos generales Para entender el funcionamiento de un dron primero se han de revisar los principios básicos de vuelo y los fenómenos físicos que lo explican. Memoria Técnica 8 En este caso al ser un multirrotor su principio de sustentación en el aire se basa en crear una fuerza de empuje en dirección contraria a la gravedad y para ello se basan en rotores con hélices que, dependiendo de su tamaño y velocidad, ejercerán una determinada fuerza consiguiendo así que se mantengan en el aire. Figura 2.3. Principio de sustentación de un dron con ala rotatoria (Fuente: (3)) Una de las grandes ventajas de este tipo de aeronaves es que pueden permanecer inmóviles en el aire, aunque el problema viene dado cuando todas las hélices intentan girar en el mismo sentido generando un par que provocará que el dron se mueva de forma descontrolada. En lo que respecta al movimiento del dron se ha de tener en cuenta que una vez esté en el aire se utilizarán los conocidos ángulos de navegación, que son los siguientes:  Pitch: Rotar sobre este eje hará que el dron avance o retroceda.  Roll: Moverse en este eje hará que el dron vaya hacia la izquierda o derecha.  Yaw: Rotar sobre este eje hará que se mueva sobre su propio eje vertical. Además, hay que asignar estos ángulos de navegación al mando, ya que hay diferentes tipos de configuración. Con lo que respecta a este proyecto se ha optado por seguir la configuración que marca la siguiente foto: Diseño y montaje de un sistema de adquisición de datos de un cuadricóptero 9 Figura 2.4. Configuración optada en el mando para los ejes en este proyecto (Fuente: (4)) Este modo de vuelo es el más extendido en el mundo de los drones. En cuanto a la configuración que el cuadricóptero va a presentar, ésta será en ‘equis’, que se caracteriza por asignar dos motores a la parte frontal del cuadricóptero, cuyo sentido de giro apunta directamente a la parte delantera del centro del dispositivo, lo que provoca que sea mucho más fácil de maniobrar. (3) Otra de las consideraciones que hay que tener en cuenta es la orientación del acelerómetro en un dron. Siempre ha de estar orientando con uno de los ejes de movimiento, orientando la ‘Y’ que aparece en el sensor con lo que se considere la parte delantera del dron, ya que cuando se mueva el eje Pitch hacia arriba, el dron se moverá hacia delante, es decir, hacia la dirección que marca la flecha ‘Y’. Cabe destacar, que esta orientación del sensor marcará además el número que se le asigna a cada motor, en este caso el motor de arriba a la derecha será el número 1, el de arriba a la izquierda el número 2, el de abajo a la izquierda el número 3 y finalmente, el de abajo a la derecha el número 4, tal como muestra la siguiente ilustración. (4) Memoria Técnica 10 Figura 2.5. Asignación de numero de motores (Fuente: Propia) Uno de los aspectos primordiales a la hora de montar un dron es el colocar bien las hélices ya que de lo contrario si están mal colocados puede ocurrir lo siguiente:  El dron no se eleva.  Solo se eleva la parte delantera o trasera.  El dron se desplaza hacia delante o hacia atrás pero no se eleva. (5) El giro de cada hélice ha de ser según muestra la imagen: Diseño y montaje de un sistema de adquisición de datos de un cuadricóptero 11 Figura 2.6. Sentido al cual ha de girar cada hélice (Fuente: (5)) Como se aprecia en la imagen las hélices correspondientes al motor 1 y 3 han de girar en sentido antihorario, mientras que los motores 2 y 4 lo han de hacer en el horario, de esta forma se asegura que el dron se eleve y mantenga la estabilidad durante el vuelo. Memoria Técnica 12 3. Diseño del Dron A la hora de montar el dron se han tenido una serie de consideraciones como la elección de componentes, el diseño mecánico y eléctrico o la función de cada uno de estos componentes en el sistema. En este apartado se ahondará en el proceso de diseño y montaje final del cuadricóptero para obtener una visión más precisa de este largo proceso. 3.1. Elección de Componentes La elección de los componentes del sistema es una de las partes más cruciales del diseño de cualquier sistema, dependiendo de la calidad, función o proporciones de los elementos se pueden a llegar a obtener unos resultados insatisfactorios o inesperados. Por lo que respecta a este sistema, se ha tenido especial cuidado de que cada componente sea compatible con el anterior y que tampoco sea especialmente caro, teniendo en cuenta que normalmente el montaje de un dron suele ser costoso. En los siguientes sub-apartados se han organizado la elección de los componentes en función de si están más encarados a la parte mecánica o electrónica del dron. 3.1.1. Mecánica Chasis: Es la estructura donde se montará el dron, en este caso se trata de una estructura de unos 450 mm. La elección del chasis del dron determinará el comportamiento a nivel mecánico del sistema, como su aerodinámica, su rigidez o su inercia; además el material del cual está hecho, en este caso, fibra de carbono, determinará su resistencia ante un impacto. La fibra de carbono suele ser el material más extendido en cuanto a un chasis del dron, ya que posee una serie de ventajas que otros materiales no poseen, como que el material es barato y es relativamente fuerte, rígido y ligero. Sin embargo, posee una desventaja con respecto a sus competidores, y es que bloquea las señales de radio, por eso es de vital importancia que el transmisor de radiofrecuencia no quede oculto por el chasis. El chasis también determinará el tamaño de las hélices, en este caso las hélices tendrán que ser de 7’’. Diseño y montaje de un sistema de adquisición de datos de un cuadricóptero 13 Figura 3.1. Chasis que será incorporado en el dron (Fuente: Propia) Motores 1000 kV: Se necesitan mínimo 4 motores para hacer volar al dron. Es el material más importante a la hora de hacer girar el dron. Para el caso de un cuadricóptero normalmente se tratan de motores sin escobillas y, en este caso de una constante de 1000 kv. La constante kv se refiere a el número de revoluciones por minuto que será capaz de ofrecer el motor cuando se le aplique 1 V (6). En este caso como la batería es de 11,1 V el número máximo de revoluciones por minuto que será capaz de ofrecer el motor es de 11100 rpm. Este tipo de motores se caracterizan por recibir un tren de pulsos de corriente generado en sincronía para excitar sus bobinas de una forma concreta y de éste modo hacerlos girar, la gran ventaja que presentan con respecto a los motores con escobillas es que éstos, al disponer de escobillas, suelen tener un ciclo de vida más corto, ya que estas piezas normalmente se desgastan. El tamaño del motor dependerá primeramente del tamaño del chasis, ya que debe encajar mecánicamente, y del peso total del conjunto del sistema para garantizar que el dron consiga volar de forma estable, como mínimo la fuerza total de los motores al 100% debería ser el doble de lo que pesa el dron. En este caso el motor sin escobillas es un A2212, lo que indica que presenta 22 mm de diámetro de estator y 12 mm de altura del estator; cuanto más alto sea la altura del estator a más rpm conseguirá girar el motor y a cuanto más diámetro de estator más par generará el motor a menos rpm. (7) Memoria Técnica 20 Figura 3.11. LCD utilizado para las señales de control del dron (Fuente: Propia) Modulo GY-521: Es un módulo que incorpora el giroscopio y acelerómetro MPU6050 y un regulador de voltaje que permite ser alimentado directamente a 5 V/3.3 V en vez de los 3.3 V que únicamente admite el MPU-6050. Es el IMU más utilizado, ya que ofrece una buena calidad a un precio asequible. Éste proporciona lecturas de la velocidad de rotación y aceleración en los tres ejes de movimiento. Se comunica a través del bus I2C de Arduino y el rango del acelerómetro puede ser ajustado a ±2 g, ±4 g, ±8 g, y ±16 g y el del giroscopio a ±250, ±500, ±1000, and ±2000 °/sec. (15) Es el sensor más importante del proyecto, ya que sin él no sería posible hacerlo volar de manera controlada. Figura 3.12. Placa que hace la función de acelerómetro del conjunto (Fuente: Propia) Interruptor de 20 mA: Interruptor de dos posiciones para controlar la entrada de alimentación al circuito general y otro para el circuito de control. Placa de distribución de potencia (PDB): PCB que se utiliza para distribuir la potencia de la batería y facilitar las conexiones. Diseño y montaje de un sistema de adquisición de datos de un cuadricóptero 21 En este caso se utilizará para soldar los cuatro ESC y que éstos reciban los 11,1 V de la batería y para alimentar el Arduino. Figura 3.13. Placa que distribuye la potencia (Fuente: Propia) Módulo HC-06: Módulo Bluetooth utilizado para transmitir o recibir datos del controlador a otro dispositivo que también disponga de Bluetooth. Se ha optado por utilizar este tipo de comunicación puesto que actualmente cualquier dispositivo tiene integrado de fábrica Bluetooth y gracias a ello, cualquier móvil o tablet podrá utilizarlo para adquirir datos de forma remota del dron siempre y cuando tenga la aplicación instalada. El uso de este módulo es similar al uso del puerto serie del Arduino, siendo el mayor problema la necesidad de emparejar el módulo con el dispositivo que se utilice para la adquisición de datos. Éste módulo en concreto solo puede actuar como Slave, lo que quiere decir que solo puede conectarse a un Master y, por tanto, tendrá que esperar a que se conecten a él para establecer la comunicación. Esté, se ha de conectar a través de los pines RX y TX del Arduino, que sirven para recibir y transmitir los datos respectivamente. (16) Memoria Técnica 22 Figura 3.14. Módulo para comunicarse por Bluetooth al Arduino (Fuente: Propia) 3.2. Diseño mecánico En el diseño mecánico de la aplicación se ha tenido en cuenta diferentes aspectos, como el peso del conjunto o la configuración de hélices del propio dron. Primeramente, se ha montado el chasis en forma de ‘equis’ garantizando así un vuelo estable y de forma robusta. Así es como ha quedado la estructura del dron tras montar el chasis: Figura 3.15. Chasis del dron tras escoger el tipo de estructura del dron, en forma de ‘equis’ (Fuente: Propia) Como se aprecia en la imagen este chasis dispone de agujeros donde es posible conectar los motores, a los extremos de los brazos, así como en el centro de la estructura, que posteriormente será utilizado para fijar de forma robusta las baquelitas con los diferentes componentes electrónicos. Además, la propia estructura incluye unas patas de apoyo para que el dron pueda aterrizar sin dañar la estructura. Diseño y montaje de un sistema de adquisición de datos de un cuadricóptero 23 El siguiente paso será fijar los motores en los extremos de los cuatro brazos que sobresalen del dron, es imprescindible que queden bien fijados para asegurar el correcto vuelo del vehículo. La estructura queda de la siguiente manera: Figura 3.16. Chasis del dron tras fijar los motores en los extremos de los brazos. (Fuente: Propia) Tras fijar los motores hay que conectar los ESC (Electronic Speed Controller) a éstos, para ello se ha usado cinta adhesiva para garantizar que la conexión entre los motores y los ESC no se interrumpa, ya que podría provocar la caída del dron y el posterior daño de toda la estructura. Una vez se han fijado los ESC a los motores, hay que empezar a soldar los componentes electrónicos a las placas según marca el esquema eléctrico del apartado 3.3. El siguiente paso será verificar las conexiones con el multímetro para verificar si las soldaduras se han realizado correctamente, también se puede probar a alimentar el Arduino con el cable USB y comprobar si el circuito de control se alimenta correctamente. Memoria Técnica 24 Figura 3.17. Placa de potencia con los conectores tornillo para los ESC (izquierda) y placa de control con el IMU y LED’s (derecha) (Fuente: Propia) Posteriormente y probadas las placas, con respecto a la fijación de los componentes en el dron, en este proyecto se ha optado por utilizar columnas de unos 10 mm para realizar dos pisos, abajo se situará el Arduino y la PDB y en el piso de arriba irán las placas donde van soldados el GY-521, los LED’s, etc. Entre pisos se colocará el LCD, que quedará fijado en un extremo para que visualizar los estados del dron sea más cómodo. Para ello se ha optado por usar una tabla de madera y cortarla de forma que la que iría situada en el piso de abajo sea más larga que la de arriba, de esta forma se garantiza una mayor estabilidad y que estéticamente el resultado sea más vistoso. Sobre esta tabla de madera se han hecho los agujeros necesarios para fijar los diferentes equipos y se ha pintado de blanco para que se respete los colores del chasis. Debajo del piso inferior se situará la batería, que es el componente con más peso y así se asegurará que el momento de inercia del conjunto sea menor y la estabilidad mayor; el emisor de RC y el módulo de Bluetooth también se situarán en el piso inferior ambos fijados con bridas. Sobre estas tablas de madera, además, se harán unos agujeros para que quepan los interruptores del conjunto y se fijarán con silicona Finalmente se cableará todos los componentes y con bridas se juntarán los cables de forma que el conjunto quede más ordenado y para asegurarse de que ninguna hélice rompa ningún cable accidentalmente o de que ningún cable se suelte durante el vuelo. Se adjuntan unas fotos del resultado final. Diseño y montaje de un sistema de adquisición de datos de un cuadricóptero 25 Figura 3.18. Dron del proyecto tras finalizar el montaje mecánico. (Fuente: Propia) Figura 3.19. Dron del proyecto tras finalizar el montaje mecánico (Fuente: Propia) Memoria Técnica 26 3.3. Diseño del hardware En éste apartado se trata de explicar el esquema eléctrico diseñado para la aplicación en concreto. Éste ha sido realizado utilizando la plataforma EasyEda, una página web que permite editar esquemáticos online sin necesidad de descargar ningún software adicional, sin embargo, carece de algunos modelos de componentes que se han utilizado en el proyecto, así pues, algunos componentes han sido modelizados como genéricos. Durante el desarrollo del esquema final se han ido modificando algunas partes del mismo, por ejemplo, en un principio se planteó que la CPU fuera un Arduino Nano pero finalmente se optó por sustituirla por un Arduino UNO debido a su mayor velocidad de procesador, además de que el cableado entre los componentes era más sencillo. Así pues, el esquema adjuntado es la última versión que se realizó y el que físicamente se montó en el dron. En el esquemático que se plantea el elemento central es el Arduino UNO, el cual hace de controlador del sistema. Antes de él la batería LiPo alimenta a la PDB, la cual no está modelizada en el esquema puesto que no está incluida en ninguna librería del programa, está alimentación es habilitada por un interruptor principal que habilita o no la entrada de potencia. La PDB es la encargada de distribuir la potencia a los ESC que controlan a los motores y, además, tiene una salida de 12 V que alimenta al Arduino a través de un interruptor secundario. La PDB tiene un conector XT60 mientras que la batería posee un conector tipo T macho, así que, se ha optado por colocar un adaptador entre ambos para realizar la conexión entre ambos componentes. Figura 3.20. Conexión entre la batería LiPo y el Arduino (Fuente: Propia) Diseño y montaje de un sistema de adquisición de datos de un cuadricóptero 27 Con lo que respecta a los ESC y a los motores, los cables de alimentación de los ESC van conectados a una baquelita con cuatro conectores tornillo y esos a su vez van conectados a la PDB, ya que de esta forma se facilitan las conexiones, mientras que las señales PWM encargadas de controlar la velocidad a la cual girarán los motores van conectadas a una serie de entradas digitales del Arduino. De estas señales PWM simplemente se conectan dos cables, el de tierra y el de datos, éstos se llevan a unos conectores tornillos que van conectados directamente a las entradas digitales del controlador. Figura 3.21. Conexión entre el Arduino y los ESC (Fuente: Propia) Se han incorporado, además, un conjunto de LED’s y un LCD para visualizar y monitorizar en todo momento los estados del sistema, así de cómo alertar en caso de que hubiese cualquier fallo. El LCD se ha optado por usarlo de forma orientativa en el caso de que el piloto del dron lo arranque por primera vez con estados como “Calibrando Giroscopio” o “Listo para volar”, de esta forma el piloto es consciente de en qué fase del arranque está el cuadricóptero. Los LED’s, sin embargo, se usan para avisar al programador de si el tiempo de ciclo se excede o de si está listo para volar, en este proyecto se ha optado por usar solo dos LED’s y los otros dos quedan libres de uso. Además, se ha añadido un divisor de tensión con dos resistencias, una de 220 Ω y otra de 330 Ω, de esta forma se dimensiona para 5 V (lo máximo que puede leer una entrada analógica de Arduino) la tensión de la batería de 11,1 V y el Arduino sabrá siempre cual es el estado de la batería. Para conocer el voltaje de la batería se necesita entonces conectar un cable entre las dos resistencias que vaya a una entrada analógica del controlador. Memoria Técnica 28 Figura 3.22. Conexión entre el Arduino los LED’s, el LCD y el divisor resistivo (Fuente: Propia) Al Arduino van conectados el sensor GY-521, que hace de acelerómetro y giroscopio, funciones imprescindibles a la hora de hacer volar un dron, y el LCD, ambos van conectados a los pines SDA y SCL del Arduino lo que indica que se utiliza el bus de campo I2C. En el Arduino UNO estos pines son el A4 y el A5, estos pines pueden variar en el caso de que se use un modelo de Arduino distinto. Por otra parte, se incorpora el módulo Bluetooth HC-06 para comunicarse con el dron mientras está en funcionamiento y adquirir datos que va conectado a través de los pines 0 y 1, que son el RX y el TX. Estos pines son los que usa el controlador para volcar el programa a la CPU y, por tanto, cada vez que se quiera cargar un programa nuevo se tendrá que desconectar este sensor, ya sea su alimentación o estos dos pines Finalmente, se conectan los cuatro canales del receptor de radiofrecuencia a entradas digitales del Arduino y se alimenta a 5 V. Si todo se realiza correctamente si se enciende el mando RC se debería encender un LED dentro del receptor que corrobore que está correctamente cableado. Diseño y montaje de un sistema de adquisición de datos de un cuadricóptero 29 Figura 3.23. Conexión entre el Arduino y los diferentes sensores (Fuente: Propia) 3.4. Análisis del peso del conjunto A lo largo de este apartado se tratará de calcular el peso total del conjunto para poder hacer una estimación de si con los motores que se dispone es suficiente para que el dron se eleve. COMPONENTE PESO [KG] CANTIDAD PESO TOTAL [KG] CHASIS 0,481 1 0,481 ESC 0,018 4 0,072 MOTORES 0,081 4 0,324 HÉLICES 0,010 4 0,040 PLACA DE DISTRIBUCIÓN DE POTÉNCIA 0,040 1 0,040 ARDUINO UNO 0,045 1 0,045 DISPLAY LCD 0,080 1 0,080 BATERIA LIPO 0,184 1 0,184 TRANSMISOR RC 0,002 1 0,002 INTERRUPTOR DE DOS POSICIONES 0,033 2 0,066 SENSOR GY-521 0,002 1 0,002 MÓDULO HC-06 0,013 1 0,013 CONECTORES, RESISTENCIAS, LEDS… x x 0,100 TOTAL 1,449 kg Tabla 1.- Tabla de análisis de peso de los componentes (Fuente: Propia) El resultado total que se ha obtenido del peso es de 1,449 kg; teniendo en cuenta que los motores tienen una constante de 1000 kv cada uno y, como se ha comentado anteriormente, el empuje de los Memoria Técnica 36 4.4. Depuración del programa Antes de hacer volar al dron hay que hacer una serie de comprobaciones de los distintos elementos del dron para corroborar su correcto funcionamiento. De estas pruebas se considera primordial que funcione lo siguiente:  El controlador lee las consignas del mando RC.  El controlador lee los valores que da el sensor GY-521.  El PID responde correctamente ante la variación de ángulo del dron. 4.4.1. Comprobación mando RC Para comprobar que el Arduino lee correctamente las consignas que proporciona el mando primeramente hay que definir a que entrada del Arduino se asocia a cada movimiento del dron. Según muestra el esquema eléctrico, se ha realizado de la siguiente forma:  La entrada digital 5 corresponde al Yaw.  La entrada digital 6 corresponde al Throttle o Potencia.  La entrada digital 7 corresponde al Pitch.  La entrada digital 8 corresponde al Roll. Una vez cableado el receptor hay que entender el funcionamiento de tanto emisor como receptor. El emisor envía ondas de radio en forma de señales PWM de 50 Hz que pueden variar de 1 ms a 2 ms en función de la posición del stick del mando, mientras que el receptor, una vez recibe estas ondas de radio genera pulsos de 3,3 V de forma secuencial al Arduino. El programa que ejecuta una placa de desarrollo Arduino es secuencial, es decir, se ejecuta línea por línea y por ello la forma de programar correctamente un emisor es mediante interrupciones, que básicamente, cada vez que reciben un flanco del emisor en alguno de los pines detienen la ejecución secuencial del Arduino y ejecutará la parte de código asociada a dicha acción. En la siguiente foto se puede apreciar cómo se ha realizado. Si en el Arduino se instala la librería ‘EnableInterrupt.h’ se puede convertir cualquier pin en interrupción, como se aprecia en la siguiente imagen se han de declarar cuatro interrupciones, una por cada canal. Diseño y montaje de un sistema de adquisición de datos de un cuadricóptero 37 Figura 4.5. Declaración de las interrupciones en un programa de Arduino (Fuente: Propia) Una vez se han declarado los pines como interrupciones hay que asociar cada interrupción a una acción. El código funciona de la siguiente manera: Si el Arduino lee que ha habido un flanco positivo, éste activa un contador y sigue ejecutando esa parte de código hasta que le llega el flanco negativo que es cuando detiene el contador, de esta forma se puede saber de cuanto es el intervalo de tiempo que ha estado activa la onda PWM. Figura 4.6. Activación de las interrupciones para cada acción asociada al mando (Fuente: Propia) Para comprobar si realmente el controlador está leyendo estas señales se grafica aprovechado el Serial Plotter del Arduino y se obtiene lo siguiente: Memoria Técnica 38 Figura 4.7. Loop principal del código para graficar las diferentes señales del mando RC (Fuente: Propia) Figura 4.8. Señales que recibe el controlador del mando: Throttle en azul, Pitch en rojo, Roll en verde, Yaw en amarillo (Fuente: Propia) Como se aprecia en la imagen, el controlador reacciona a todas las señales generadas por el mando RC y además se puede apreciar que estos valores se mueven entre 1000 µs y 2000 µs, corroborando así que el mínimo y máximo intervalo de tiempo recibido para cada señal PWM es 1 ms y 2 ms respectivamente. En el código final se tendrá que indicar al Arduino la conversión de esos milisegundos a grados, puesto que con el mando indicaremos cuantos grados se quiere que se incline el dron hacia una cierta dirección. Diseño y montaje de un sistema de adquisición de datos de un cuadricóptero 39 4.4.2. Comprobación sensor GY-521 Otra parte crucial para que funcione el cuadricóptero es que el sensor GY-521 ha de proporcionar datos fiables y reales, puesto que el controlador necesita saber en todo momento la inclinación y la velocidad de rotación de los tres ejes. Hay que tener en cuenta que la dirección de los ejes está marcada en el propio sensor. Figura 4.9. Dirección que sigue cada uno de los tres ejes del acelerómetro/giroscopio (Fuente: (22)) Para comunicarnos con este sensor cabe destacar que utiliza el protocolo de comunicación I2C con la dirección asociada 0x68 lo cual facilita bastante la programación del mismo, puesto que la librería ‘Wire.h’ es ideal para este tipo de dispositivos con comunicación I2C. (22) Ahora bien, para tratar de entender los valores que proporciona este sensor hay que hablar de la gravedad. Puesto que es un acelerómetro y siempre mide la aceleración de los ejes, aunque esté quieto uno de esos ejes, siempre está sometido a la aceleración de la gravedad, lo cual, lo hace una ventaja para saber con seguridad que los datos del sensor son fiables. Puesto que se conoce que la aceleración es siempre 9,81 m/s2 si se dejara el dron quieto sobre el plano horizontal se sabrá que uno de los ejes ha de dar igual aproximadamente ese valor. No obstante, aunque hacer esta validación serviría para comprobar si el sensor proporciona medidas veraces, mientras el dron esté funcionando interesa que proporcione la velocidad de rotación en [o/s] y la inclinación del dron en [o]. Para ello hay que convertir los valores que da el sensor a los deseados mediante ecuaciones matemáticas. (23) Para el caso de velocidad de rotación basta con utilizar los valores que proporciona el sensor y ajustarlo a la configuración que se esté utilizando en el giroscopio. En este caso se ha utilizado la sensibilidad de Memoria Técnica 40 ±8 g, lo que, mirando el datasheet de éste equivale a 4096 LSB/g, lo que quiere decir que por cada 4096 unidades que dé el sensor equivaldrán a 1 g de aceleración o 9,8 m/s2. Figura 4.10. Especificaciones del acelerómetro del sensor MPU-6050 (Fuente: (24)) Para la velocidad de rotación en cambio, para una sensibilidad de ±500 dps, cada 65,5 LSB equivaldrá a 1 o/s de rotación, según el datasheet. Cabe destacar que el sensor utilizado para el proyecto, el GY521 tiene integrado el sensor MPU-6050 y por tanto el datasheet que se mirará será éste: Figura 4.11. Especificaciones del giroscopio del sensor MPU-6050 (Fuente:(24)) Conociendo esta información se tendrá que dividir los valores que proporcione al sensor por 65,5 para así obtener la velocidad angular en [o/s]. Figura 4.12. Cálculo de la velocidad angular en el programa de Arduino (Fuente: Propia) Diseño y montaje de un sistema de adquisición de datos de un cuadricóptero 41 Como se aprecia en la figura anterior, es necesario además conocer los valores medios de cada uno de los ejes para poder corregir la desviación del sensor con el valor actual, para ello se recogerán 3000 muestras del sensor antes de iniciar el vuelo y se señalizará con la activación de un LED, una vez se han realizado todas esas muestras se saca el valor medio para cada eje y se desactiva el LED. De esta forma ya se conoce la desviación del sensor. Figura 4.13. Calibración del acelerómetro/giroscopio en el programa de Arduino (Fuente: Propia) Una vez se ha calculado la velocidad angular solo falta el ángulo. Para ello se ha de multiplicar el valor que se ha obtenido previamente de la velocidad angular por el tiempo que el dron ha estado rotando a esa velocidad. Figura 4.14. Cálculo del ángulo en el programa de Arduino (Fuente: Propia) A éstas fórmulas de cálculo de ángulo se le podría añadir además una fórmula que intente compensar la deriva del sensor. La idea es conseguir eliminar el ruido o deriva para que el sensor no cambie de ángulo al detectar otra fuerza que no sea de la gravedad. Memoria Técnica 42 La forma más sencilla de corregir este problema es con el filtro complementario, que es la unión de un filtro pasa-bajos y otro pasa-altos. Y la fórmula es la siguiente: 𝐴𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 = (𝐴𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 + 𝐴𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜𝐺𝑦𝑟𝑜 ∗ ∆𝑡)∗ 0,98 +(𝐴𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜𝐴𝑐𝑐)∗ 0,02 (Eq. 4.1) Donde el ‘AnguloGyro’ es el ángulo calculado anteriormente y el ‘AnguloAcc’ es el ángulo del acelerómetro calculado en forma de tangente. En el programa de Arduino quedaría de la siguiente forma: Figura 4.15. Cálculo del ángulo teniendo en cuenta la deriva del sensor en el programa de Arduino (Fuente: Propia) De esta forma se corrige el error acumulativo del ángulo en fuerzas no deseadas (25). Finalmente, para comprobar que tanto el ángulo del Pitch como el del Roll se gráfica con la herramienta Serial Plotter del Arduino y queda de la siguiente manera: Figura 4.16. Señales en el programa de Arduino del ángulo del Pitch en azul y el ángulo del Roll en rojo (Fuente: Propia) Diseño y montaje de un sistema de adquisición de datos de un cuadricóptero 43 La forma de comprobar si los signos de los ángulos están bien es inclinar el dron hacia adelante, donde marca la flecha ‘Y’ y comprobar que el ángulo Pitch es negativo e inclinando el dron hacia la derecha, donde marca la flecha ‘X’ el ángulo Roll es positivo. 4.4.3. Comprobación PID de control Ésta comprobación es la más importante y de ser correcta, garantizaría que el dron está listo para volar. Como se ha comentado anteriormente, el PID es el responsable de gestionar y corregir el error que se produce entre la salida del controlador y valor real, así pues, la programación se encara teniendo en cuenta que se necesita un PID para cada eje (Pitch, Roll y Yaw) y que lo que varía son los milisegundos que está activo el PWM en cada uno de los ESC. Se parte de las siguientes fórmulas: 𝐸𝑆𝐶1 = 𝑇ℎ𝑟𝑜𝑡𝑡𝑙𝑒 − 𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑃𝐼𝐷 𝑃𝑖𝑡𝑐ℎ + 𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑃𝐼𝐷 𝑅𝑜𝑙𝑙 + 𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑃𝐼𝐷 𝑌𝑎𝑤 (Eq. 4.2) 𝐸𝑆𝐶2 = 𝑇ℎ𝑟𝑜𝑡𝑡𝑙𝑒 − 𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑃𝐼𝐷 𝑃𝑖𝑡𝑐ℎ − 𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑃𝐼𝐷 𝑅𝑜𝑙𝑙 − 𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑃𝐼𝐷 𝑌𝑎𝑤 (Eq. 4.3) 𝐸𝑆𝐶3 = 𝑇ℎ𝑟𝑜𝑡𝑡𝑙𝑒 + 𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑃𝐼𝐷 𝑃𝑖𝑡𝑐ℎ − 𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑃𝐼𝐷 𝑅𝑜𝑙𝑙 + 𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑃𝐼𝐷 𝑌𝑎𝑤 (Eq. 4.4) 𝐸𝑆𝐶4 = 𝑇ℎ𝑟𝑜𝑡𝑡𝑙𝑒 + 𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑃𝐼𝐷 𝑃𝑖𝑡𝑐ℎ + 𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑃𝐼𝐷 𝑅𝑜𝑙𝑙 − 𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑃𝐼𝐷 𝑌𝑎𝑤 (Eq. 4.5) Los signos de estas ecuaciones dependen de cómo esté orientado el acelerómetro en el dron y es importante que nunca ninguna de estas señales supere los 2 ms. Al cálculo de estas señales se le llama Modulador: Figura 4.17. Cálculo de las señales de los ESC del PID en el programa de Arduino (Fuente: Propia) El lazo de control en este proyecto es vital y será crucial además ejecutarlo de forma constante cada cierto tiempo, en este caso se ejecutará cada 7 ms. El siguiente paso será programar los PID, en este caso se ha tomado como referencia un programa de PID y se ha adaptado al código completo del Arduino puesto que programar de cero un PID es algo que requiere mucho tiempo y a su vez se dispone de mucha información en Internet. Memoria Técnica 44 Figura 4.18. Cálculo del PID en el programa de Arduino (Fuente: Propia) Como se aprecia en la anterior figura, el código se basa en leer el error entre la consigna y el valor real y aplicar a ese error los parámetros del PID para corregir de la forma más rápida y eficiente posible el error generado. Además, es importante que la frecuencia de salida de las PWM del Arduino sea igual que el lazo de control, ya que si las salidas del Arduino van cada 20 ms y la intención es que el lazo se ejecute cada 7 ms la información que proporcione el PID será ignorada hasta pasados esos 20 ms que tarda en ejecutarse las salidas PWM. Para ello se ejecuta el ciclo de la siguiente manera:  Primero se empieza con las señales PWM en estado lógico alto debido a que se aplica el PID del ciclo anterior.  Cuando estas señales pasan a estado lógico bajo se realiza la lectura del acelerómetro, del mando de RC y del PID del siguiente período.  Posteriormente hay un tiempo de espera hasta llegar a los 7 ms que tarda en ejecutarse el lazo de control.  Transcurrido este tiempo de espera las señales PWM vuelven a estado lógico alto. Gracias a que se empieza el ciclo con las salidas de PWM en estado lógico alto esto provoca que éstas estén sincronizadas con el lazo de control del PID. (21) Esta estrategia de control se realiza cuando el Throttle sea superior a cierto valor por seguridad, en este caso por encima de los 1300 µs, ya que hay que asegurarse de que el dron esté a cierta altura antes de que pueda realizar movimientos en los diferentes ejes. La forma de comprobar si el lazo de control es efectivo y funciona como debería es, una vez más, gracias al Serial Plotter de Arduino, ya que si se gira el dron hacia una dirección se debería poder visualizar como el PID intenta compensar la inclinación a la que está sometida mediante la activación de los ESC correspondientes para llegar a 0o, siempre y cuando esté en modo estable, ya que en el modo acrobático no se corrige el ángulo, solamente la velocidad de rotación. Diseño y montaje de un sistema de adquisición de datos de un cuadricóptero 45 Figura 4.19. Señales en el programa de Arduino del ancho del PWM del ESC1 en azul, ESC2 en rojo, ESC3 en amarillo y ESC4 en verde sin mando de RC (Fuente: Propia) La anterior ilustración muestra cómo se comporta el PID de control al ser inclinado el dron hacia adelante, en la dirección del eje Pitch, como se aprecia en la imagen los motores 1 y 2 subirían su velocidad mientras que los motores 3 y 4 la descenderían para poder compensar esa inclinación y llegar a los 0o. También se realizan gráficas comprobando el funcionamiento del PID con respecto a las consignas que proporciona el mando de RC. Diseño y montaje de un sistema de adquisición de datos de un cuadricóptero 53 5. Normativa En España hay una legislación que afecta directamente al uso de drones tanto si se usa de forma lúdica como profesional, con respecto a la realización de este proyecto el dron se usaría por ocio, y, por tanto, está sujeta a una serie de normas recogidas por el Boletín Oficial del Estado (BOE), algunas de las normas son las siguientes:  Volar a una distancia mínima de 8 km de cualquier aeropuerto o aeródromo.  Volar fuera del espacio aéreo controlado.  No sobrepasar los 120 metros de altura sobre el suelo o sobre el obstáculo más alto situado dentro de un radio de 150 metros desde la aeronave.  Volar de día y en buenas condiciones meteorológicas. Aquí hay que destacar que si la aeronave pesa menos de 2 kilogramos están permitidos los vuelos nocturnos siempre que no se superen los 50 metros de altura.  Los vuelos siempre serán dentro del alcance visual del piloto.  Las aeronaves de menos de 250 gramos podrán volar en ciudad y sobre aglomeraciones de personas y edificios siempre y cuando no se superen los 20 metros de altura.  Es recomendable contar con un seguro de responsabilidad civil.  En el caso de que el dron disponga de cámara se ha de proteger el derecho a la intimidad de los individuos que pudieran aparecer en las imágenes captadas por el dron para no vulnerar la Ley de Protección de Datos. (27) Todo este marco normativo es vigente, ya que anteriormente en la antigua regularización de los drones en octubre de 2014 no estaba permitido el uso de drones en ciudad ni los vuelos nocturnos. Cabe destacar que la normativa de drones que rige actualmente en España no exige ningún tipo de licencia para vuelos de drones básicos para uso recreativo o hobby, sin embargo, quienes usan drones a nivel profesional están obligados a tener una licencia certificada legalmente en España. Existen áreas que no tienen ningún tipo de restricción para volar drones, sin embargo, hay otras en la que el uso de estos equipos está sujeto a permisos y condiciones. Y, por último, hay otras zonas en la que está totalmente prohibido su uso. Algunas de estas zonas serían por ejemplo aeropuertos, bases navales o zonas de control militar. (28) Actualmente la nueva normativa de drones de la Agencia Estatal de Seguridad Aérea (AESA) enmarca que, en los vuelos de drones de uso recreativo, solo es necesario tener los conocimientos para pilotar la aeronave con seguridad siempre y cuando el dron no pese más de 2 kilogramos. Memoria Técnica 54 En el caso de que se quiera volar en zonas urbanas se han de cumplir otros requisitos:  Se ha de mantener una distancia máxima de 100 metros hasta el dron y una altura de 120 metros sobre el edificio más alto en un radio de 600 metros.  La aeronave no debe superar los 10 kilogramos de peso.  El vuelo siempre se realizará dentro del alcance visual del piloto.  Se recomienda un margen de 50 metros horizontales entre el dron y cualquier edificación.  El dron debe de estar provisto de algún sistema de amortiguador de caídas. Como se puede apreciar la normativa en referencia al vuelo de drones es bastante restrictiva, sin embargo, hay zonas muy amplias en la que es posible volar el dron sin tener que pedir permiso a la AESA siempre que sean vuelos diurnos y se cumplan las distancias máximas establecidas. En la actualidad existe la web ENAIRE Drones que pertenece al Ministerio de Fomento donde aparece toda la información necesaria para volar un dron con seguridad, además de aparecer un mapa indicativo donde se puede localizar donde hacer volar el dron. En el futuro se prevé que en julio de 2020 se comenzará a aplicar un nuevo reglamento que pretende homogeneizar el marco europeo a nivel de licencias, normas y categorías operacionales. Seguramente, la norma más llamativa con referente a los drones que se aplicará en esta nueva normativa es la implementación de tres nuevas categorías para establecer las restricciones a la hora de volar, que son:  Categoría abierta, donde se englobarían los vuelos de bajo riesgo operados por pilotos aficionados.  Categoría específica, para las operaciones de riesgo medio que requieren de autorización.  Categoría certificada, reservada para los vuelos de alto riesgo, para los que el piloto deberá estar certificado como operador. (29) Diseño y montaje de un sistema de adquisición de datos de un cuadricóptero 55 6. Análisis del impacto ambiental Durante el desarrollo del proyecto se ha procurado que los componentes seleccionados cumplan la normativa RoHS, esta norma restringe ciertas sustancias peligrosas en aparatos eléctricos y electrónicos. Además, se ha comprobado si éstos componentes poseen el marcado de la conformidad europea CE, y, por tanto, el producto cumple todos los requisitos de seguridad, sanidad y protección del medio ambiente exigidos por la UE. (30) En referencia al uso de drones en general y su impacto en el medio ambiente, es cierto que cuando estas aeronaves no tripuladas atraviesan espacios naturales pueden generar nerviosismo para los animales que viven en su hábitat natural. Un equipo de investigadores de la universidad de Montpellier, en Francia, realizó cerca de 200 vuelos en un área costera y en el 80% de los casos no se observó ninguna incidencia en el comportamiento de especies como el flamenco común o el archibebe claro, llegando a acercar el dron a una distancia de 4 metros del animal. Figura 6.1. Fotografía de un dron sobrevolando un espacio natural (Fuente: (24)) Parece que el color, la velocidad y la frecuencia de los vuelos no afecta al nerviosismo de estas especies, sin embargo, sí que lo hace la inclinación del mismo ya que, prácticamente en todos los ensayos cuando el dron se sitúa a 90o con respecto al suelo parece que se sienten amenazados. Como conclusión, parece ser que siempre y cuando se respete una distancia de 4 metros y no se sobrevuele a estas especies no parece que afecte al comportamiento de flamencos y archibebes Memoria Técnica 56 (especies muy sensibles a la invasión de su hábitat), sin embargo, si una de estas dos condiciones no se cumple pueden llegar a confundir a los drones con un depredador. No obstante, el dron también puede llegar a ser positivo para el medioambiente, por ejemplo, pueden ser una herramienta muy importante en cualquier programa de vigilancia ambiental, en este proyecto, en el apartado de Posibles mejoras se baraja la opción de incluir un sensor que mida la calidad del aire, estos tipos de drones se suelen llamar Ecodrones. Además, el propio diseño de estas aeronaves suele ser no contaminantes y tienen infinidad de tareas, como:  Control de los territorios: Pueden realizar fotografías para apreciar cómo evoluciona un terreno a lo largo del tiempo.  Prevención y control de incendios: Podrían identificar un fuego temprano con un software específico que les permite identificar los colores del humo y avisar a los equipos de emergencia, así como a almacenar grandes cantidades de agua para luchar contra el incendio o identificar a personas cuando ocurre una catástrofe de esta índole.  Control hídrico: Posibilidad de identificar vertidos ilegales o para estudiar cuencas hidrográficas.  Vigilancia de reservas naturales: Permite sobrevolar un hábitat y controlar la aparición de cazadores furtivos, además de monitorizar a ciertas especies para estudiar su comportamiento y tratar de mantener la biodiversidad de la zona. (32) Figura 6.2. Ecodron luchando contra un incendio esparciendo agua (Fuente: (31)) Diseño y montaje de un sistema de adquisición de datos de un cuadricóptero 57 7. Diagrama de Gantt El diagrama de Gantt sirve para distribuir las tareas que se han de realizar en el proyecto a lo largo del tiempo. Es una herramienta muy útil para planificar proyectos, puesto que proporciona una vista general de las tareas programadas. Un diagrama de Gantt muestra lo siguiente:  La fecha de inicio y finalización de un proyecto.  De que tareas se compone un proyecto.  Quien trabaja en cada tarea.  La fecha programada de inicio y finalización de las tareas.  Una estimación de cuanto llevará cada tarea.  Como se superponen las tareas y si hay una relación entre ellas. (33) Con respecto a este proyecto, el diagrama de Gantt es interesante para apreciar cómo se han distribuido las tareas, cuánto se ha dedicado a cada una y una fecha estimada de cuanto se acabará el proyecto. Cabe destacar que esto se realiza al inicio del proyecto y que, por tanto, las fechas reales de finalización de cada tarea pueden acabar más tarde o más temprano, lo que provocaría que el diagrama de Gantt se alargase o se acortase. Así pues, las actividades realizadas en el proyecto se distribuyen de la siguiente manera: NOMBRE ACTIVIDAD ACTIVIDADES ACTIVIDAD A Planificación del Proyecto ACTIVIDAD B Búsqueda de información acerca de los drones ACTIVIDAD C Redacción de la Introducción en la memoria ACTIVIDAD D Búsqueda y compra de los componentes ACTIVIDAD E Ensamblaje de los componentes mecánicos del dron ACTIVIDAD F Comprobación de la estabilidad del diseño mecánico ACTIVIDAD G Diseño de la estructura que irá fijada al dron ACTIVIDAD H Búsqueda y fijación de los componentes de la estructura mecánica del dron ACTIVIDAD I Diseño del esquema eléctrico del conjunto ACTIVIDAD J Soldadura de los componentes en las placas ACTIVIDAD K Comprobación de soldaduras ACTIVIDAD L Fijación de las placas y componentes en la estructura mecánica del dron ACTIVIDAD M Redacción del diseño mecánico y eléctrico adoptados para el proyecto ACTIVIDAD N Búsqueda de información con respecto a la programación del Arduino Memoria Técnica 58 ACTIVIDAD O Programación y comprobación del correcto funcionamiento de todos los sensores ACTIVIDAD P Programación del proyecto final que irá integrado en el Arduino ACTIVIDAD Q Comprobación y corrección de errores ACTIVIDAD R Redacción de la programación en la memoria ACTIVIDAD S Programación de la aplicación de adquisición de datos ACTIVIDAD T Redacción de la adquisición de datos ACTIVIDAD U Redacción de toda la memoria ACTIVIDAD V Comprobación final y posterior revisión del Director del proyecto ACTIVIDAD W Preparación de la exposición ACTIVIDAD X Supervisión final de todo el conjunto Tabla 2.- Tabla de distribución de las actividades del Diagrama de Gantt (Fuente: Propia) Una vez se han definido las tareas hay que dar una fecha estimada de cuando se acabarán y cuales se superponen y pueden realizarse conjuntamente. En este caso, como se aprecia en el diagrama de Gantt que se adjunta a continuación, muy pocas tareas se superponen con otras, solamente la soldadura y comprobación de éstas, y la programación y pruebas del conjunto. Esto es debido a que la gran mayoría de tareas requiere de las anteriores y, por tanto, solo es posible realizar a la vez las tareas mencionadas anteriormente, puesto que hacer las pruebas al final de estas tareas supondría que, en el caso de que hubiera algún fallo, invertir una gran cantidad de tiempo en arreglarlo y es mucho más sencillo ir comprobándolo a cada paso. Además, el diagrama de Gantt especifica una fecha de finalización del 22 de mayo de 2020, por tanto, entraría dentro del plazo de entrega del proyecto. Diseño y montaje de un sistema de adquisición de datos de un cuadricóptero 59 Figura 7.1. Diagrama de Gantt del proyecto (Fuente: Propia) Diseño y montaje de un sistema de adquisición de datos de un cuadricóptero 61 Conclusiones Para concluir, la realización de este proyecto ha sido muy enriquecedora, ya que ha empezado desde la planificación inicial del trabajo pasando por tareas como el diseño del hardware o la programación hasta llegar a la redacción de este documento. Durante estas fases, que están descritas en el Diagrama de Gantt se han puesto a prueba y se han ampliado los conocimientos adquiridos a lo largo de la carrera de Ingeniería Electrónica, Industrial y Automática que se imparte en la Universidad Politécnica de Barcelona. Al ser un trabajo que requiere de la manipulación de los elementos que componen el dron, se ha podido comprobar todas las tareas de las que se requiere en el proceso de creación de un prototipo, así como lo costoso que es la corrección de los problemas que surgen durante el mismo. Estos problemas han podido ser resueltos gracias a la supervisión del proyecto y a las fuentes de información ilimitadas que supone el uso de Internet, dichas fuentes se nombran en la bibliografía. La creación desde cero de un cuadricóptero es algo que es mucho más costoso de lo que parece, puesto que se ha de ir comprobando si los pasos anteriores se han realizado correctamente, como la soldadura de los componentes, la distribución de los mismos para que el peso esté equilibrado y la optimización del código de Arduino para que el lazo de control de PID se pueda ejecutar de forma rápida y fiable. La realización de este proyecto no obstante no necesariamente termina aquí, como se comenta en el apartado de Posibles mejoras, se pueden incluir tantos sensores como se quiera siempre y cuando se introduzcan en los códigos de Arduino y de la aplicación móvil. Además, al utilizar en ambos casos un software de código abierto cualquiera puede realizar las modificaciones que crea oportunas. Para finalizar, la realización de este proyecto ha servido para ahondar y comprender mejor la electrónica en general. El diseño y realización de un dron y una plataforma de adquisición de datos que le complementa ha supuesto un gran reto, los problemas que han surgido han sido solucionados con solvencia y se han aprendido nuevos métodos tanto de diseño electrónico como de programación.