oesign ano construction of grouno control station for a close

OESIGN ANO CONSTRUCTION OF
GROUNO CONTROL STATION FOR
A CLOSE-RANGE UNMANNEO
AERIAL VEHICLE
Ing. RafaelMauricio CerpaBernal,PhD*., Ing. PedroLuis JiménezSoler,MSc**.,
Ing. DanielAgudeloNoreña***, Esp.Andrés F.TéllezVelásquez****, DanielF.SalamancaTorres*****
ABSTRAeT:
The progress in Unmanned Aerial Systems around the world have been useful to supply military or
civil needs in environments where humans have limited access and to optimize processes that can be managed
from the sky. Therefore, automation methods have been implemented to make the systems operation independent during the mission development and to carry out the desired parameters by the operator. To make the
autonomous flight successful, it is necessary the implementation of a Ground Control Station (GCS) with software
and equipment that allow mission tracking, since it is planned until it is accomplished. By this reason, this paper
takes into account the control station design and construction for a close-range unmanned aerial vehicle, with a
technical description of its architecture, main components, operation advantages and standing out key concepts
related to navigation and telemetry in a short way.
Key Words:
Ground Control Station, Unmanned Aerial Vehicle, Autopilot,
Mission Planning, Flight Telemetry Data.
RESUMEN: Los avances en los sistemas aéreos no tripulados alrededor del mundo han sido de gran utilidad para
suplir necesidades civiles o militares en ambientes donde el hombre tiene un acceso limitado y para optimizar
procesos que pueden ser gestionados desde el cielo. Por lo tanto se han implementado métodos de automatización para que el funcionamiento de dichos sistemas sea totalmente independiente durante el desarrollo de su
misión y que cumpla con los parámetros deseados por el operador. Para que el vuelo autónomo sea exitoso, se
hace necesaria la implementación de una estación de control en tierra (GCS) que contenga software y equipos
que permitan hacer un seguimiento de la misión desde que se planea hasta que se cumple. Por tal razón, en este
artículo se contempla el diseño y construcción de una estación de control para aeronaves no tripuladas de corto
alcance, con una descripción técnica de su arquitectura, componentes principales, ventajas de funcionamiento y
destacando de manera breve conceptos clave relacionados con la navegación y la telemetría.
Palabras clave:
telemetría
Estación de control en tierra, aeronave no tripulada,
de vuelo.
Fecha de recepción: 12 de junio de 2014
"Ing. Rafael Cerpa Bernal MSc. PhD. Investigador
Principal
piloto automático,
planificación
de misiones,
Fecha de aprobación: 20 de junio de 2014
grupo AeroTech,
Profesor Asociado,
Universidad
de San Buenaventura,
Bogotá
[email protected]
**Ing.
Pedro Luis Jiménez Soler, MSc. Investigador
Principal
grupo AeroTech,
Profesor Asociado,
Universidad
de San Buenaventura,
Bogotá
Universidad
de San Buenaventura,
Bogotá
[email protected]
***Ing.
Daniel Agudel~
Noreña,
Esp. Investigador
Principal
grupo AeroTech,
Profesor
Asistente,
[email protected]
****Andrés
Secretario
*****Daniel
Presidente
Felipe Téllez Velásquez. Auxiliar de Investigación
de la Rama Estudiantil
AIAA/USBBOG,
Felipe Salamanca Torres. Auxiliar de Investigación
de la Rama Estudiantil
grupo AeroTech / Estudiante
de Ingeniería
Aeronáutica
,Universidad
grupo AeroTech / Estudiante de Ingeniería Aeronáutica,
Universidad
de San Buenaventura,
Bogotá
[email protected]
AIAA/ USBBOG , [email protected]
de San Buenaventura,
Bogotá
CIENCIA Y TECNOLOGíA
Debido a la importancia
INTRODUCCIÓN
de este último
te, este proyecto contempla
Los sistemas no tripulados
contemplan
varios com-
ponentes a tener en cuenta. El primero
es el sistema
de vuelo, compuesto
por el casco de la aeronave
todos los equipos de control
El segundo componente
instalados
y
a bordo [1].
es el vínculo de comunica-
ciones que incluye transmisores,
receptores
nas. Por último, la estación de control en tierra (GCS),
en donde se encuentran
pecíficos que facilitan
los equipos y aplicativos
la interacción
tierra con la aeronave,
ma de vuelo de corto rango. Se define brevemente
su estructura
interna, detalles del modelado
la descripción
aeronave
de los componentes
activa la transferencia
y sus operadores.
en 3D y
electrónicos
obtenidos
El objetivo
es lograr entender
del operador
en
y
aéreas.
que tecnología
ta es integrada en un sistema confiable,
porte, de peso moderado,
que transmite
con un bajo consumo
de pun-
de fácil transgráficos de
de energía eléctrica
de la GCS es la de permitir
dándole la autonomía
la visualización
análisis de los parámetros
escenarios donde no se dispone de un suministro
de vuelo, obtenidos
a través de sensores de teleme-
tría, que informan
en tiempo
aeronaves,
así como velocidades
corriente
eléctrica
suficiente
para desplegarse en
de
regular.
de la
reales y relativas.
Figura 1. Estación de control
;
ARQUITECTURA
los
de su funcionamiento.
Otra función fundamental
real la actitud
que
de datos entre la
Luego se presentan
resultados
calidad,
y posterior
de
y control de una platafor-
es-
así como planear, ejecutar
ejercer control sobre las operaciones
el diseño y desarrollo
una GCS para el monitoreo
mantienen
y ante-
componen-
en tierra
\ .
para una aeronave
no tripulada
de corto alcance.
con un sistema aéreo no tripulado,
GLOBAL DEL SISTEMA
que por sus siglas
en inglés se conoce como UAS.
Una plataforma
de vuelo está compuesta
culo no tripulado
por el vehí-
y la carga útil que este lleva a bordo
Cuando se habla de la arquitectura
como los sensores o cámaras, mientras
que la esta-
aéreo
ción se compone
electrónicos
de las interconexiones
~
y un ordenador
de varios dispositivos
portátil.
junto con diferentes
trol y posicionamiento,
TECNOESUFA
~~~
-
-~-
Al integrar
estos elementos
sistemas de comunicación,
con-
se puede decir que se cuenta
no tripulado,
se hace referencia
y flujo
hay entre los subsistemas
[2]. Desde la estación
comunicarse
de un sistema
de la estación
de control
con la aeronave
al arreglo
de información
de control
el operador
en tiempo
que
debe
real para
[
,
s
,~
"J
dirigir
CIENCIA Y TECNOLOGíA
el plan de vuelo o ir monitoreando
y actuali-
zando la misión de acuerdo a las necesidades
vayan presentando,
dicha conexión
up-link y por su parte la aeronave
devolverá
tría, imágenes y video al operador,
como down-link
que se
se conoce como
teleme-
lo que se conoce
[3].
Figura 3. Diagrama
del sistema
de comunicación
[3J
PARÁMETROS DE DISEÑO
La principal
restricción
ño es la facilidad
durante
de transporte
el proceso
de dise-
de la GCS y obtener
acceso fácil y rápido acceso a todas las conexiones y
componentes
electrónicos
en caso de que necesiten
ser reemplazados
o se requiera instalar uno adicional.
Como parámetro
inicial de diseño para las dimensio-
nes, se cuenta con un maletín de seguridad de alumiFigura 2. Arquitectura
nio dentro del cual se deberán acondicionar
del Sistema GCS
rentes componentes
los dife-
eléctricos que se describirán más
adelante, esto con el fin de hacer que la estación sea
portable, confiable y ocupe el menor volumen posible.
ELEMENTOS PRINCIPALES DE LOS SISTEMAS
DE COMUNICACiÓN
De acuerdo al espacio disponible dentro de la maleta,
En la Figura 3 se muestra un esquema de transferen-
se selecciona el tamaño de la pantalla, la cual debe ser
cia de información
adecuada para lograr una imagen nítida y de alta defi-
transmisor,
módem
simple, compuesto
receptor,
cumple
de módems,
amplificadores
la función
de modular
las señales que se transmiten,
una onda de señales digitales
en
las cualidades
nición. Además, se tiene presente que los materiales y
elementos de sujeción usados sean resistentes, de bajo
costo, confiables y simples de instalar.
de
en señales analógicas
una mejor transmisión
cepción de la información,
El
y demodular
lo que se traduce
un proceso por el cual se modifican
o viceversa para obtener
y antenas.
y re-
desde los datos que trans-
mite la aeronave hasta la salida de datos que recibe el
ordenador.
Las antenas son dispositivos
que convier-
ten las señales eléctricas en ondas electromagnéticas
de radiofrecuencia
RF que contienen
la información.
Por su parte el transmisor
emite la señal portadora,
garantizando
para que al llegar al recep-
su estabilidad
tor esta pueda ser transformada
para reducir los rui-
dos y las distorsi6nes y así garantizar que los datos que
llegaron en forma de video, imágenes o sonido serán
reproducidos
posible [3].
en tiempo
real y con la mejor fidelidad
Figura 4. Componentes
principales
adecuados
al interior
de la GCS
16
~
COMPONENTES
CIENCIA Y TECNOLOGíA
ELÉCTRICOS
La estación cuenta con antenas y dispositivos
res de señales electromagnéticas.
el ordenador
portátil
tico Micro-Pilot
recepto-
Los principales son
y el sistema de piloto automá-
2028LRC®. Para la radiocomunicación
se dispone de un Receptor de A/V con su antena de
frecuencia de 5.8 GHz, dos antenas clover-Ieaf de 900
MHz y 2.4 GHz, un Tv-Box para convertir la entrada de
video A/V en VGA para exportar la señal a una pantalla
LEO de 15" y visualizar el video en tiempo real.
Además, posee un inversor de corriente
para convertir
de 700 vatios
la entrada de corriente continua en una
salida de corriente
alterna para alimentar
el TV-Box.
Por otra parte, la fuente energética son 3 baterías de
litio-polímero de 3 celdas y 11,1 voltios cada una con
una capacidad total 13200 miliamperios hora.
Como componentes
un cronómetro
complementarios
para monitorear
siones, un voltímetro
lla y otro para el panel inferior
que contiene
módulo de tierra del piloto automático,
los componentes.
la disposición
Panasonic Toughbook
Módulo en tierra Piloto Automático
2028LRC®
la panta-
con el fin de
El sistema Micropilot
2028LRC® es la base fundamen-
tal de la navegación
automática
aéreos no tripulados
(UAV). Además, brinda la posivarios parámetros
En la Figura 4 se muestra
les como mantener
una velocidad
control durante
descritos anterior-
se describen
y aterrizaje.
los componen-
introducir
Panasonic CF-52.
coordenadas
permite
que garantiza la du-
bajo fuerzas externas. Fue dise-
ñado por Panasonic" para soportar fuertes vibraciones,
municación
de GPS para la creación
de vuelo [4].
res ambientales
extremas y cualquier tipo facto-
o de manipulación
que puedan afec-
tar sus sistemas internos. Su composición
hecha en aleaciones de magnesio.
operar el programa de ordenador
externa está
Este se usará para
HORIZONmp que es
un software de control en tierra para la planeaciór
ejecución
de)a
y
misión, ajuste de variables de vuelo,
simulación y seguimiento
de la aeronave mientras se
desempeña en todas las fases. El software brinda una
interfaz sencilla pero a su vez es un programa robusto
por sus comandos y configuración.
TECNOESUFA
Figura 6. MicroPilot
2028LRC'"
de
automática
por su sistema redundante
golpes por caídas, derrame de líquidos, golpes de otros
objetos, temperaturas
y
las misiones, siendo
de la aeronave durante
ción de datos de telemetría,
parámetros
altitud
al operador
este uno de los sistemas de navegación
más confiables
Ordenador portátil semi-resistente
de vuelo, ta-
crucero,
las fases de despegue, aproximación
Adicionalmente,
planes de vuelo antes y durante
rabilidad y portabilidad
que guía vehículos
bilidad de controlar
tes que integran el sistema en tierra.
Computador
MicroPilot
y de esta manera
de los componentes
mente. A continuación
Computador
de calor,
donde se almacena el
evitar zonas de sobrecalentamiento
proteger
de las mi-
y dos disipadores
uno para el panel de superior
s.
se cuenta con
el tiempo
análogo para hacer seguimien-
to del consumo energético
Figura
en la co-
la misión, obten-
y configuración
de los
CIENCIA Y TECNOLOGíA
REQUERIMIENTOS
bleado. Lo más importante
DEL SOFTWARE
paneles que protegerán
La estación en tierra funciona
tware
de adquisición,
manipulación
de datos. Este software
piloto automático
para soportar
un sof-
y visualización
lo proveen los fabricantes
que para este caso corresponde
rán de soporte
a
HORIZONmp.
antenas y soportar
entorno
como el voltí-
adaptar los conectores
la pantalla. La importancia
de las
de que
el modelo sea muy preciso y que los paneles queden
con las medidas exactas reside en que a partir de ese
modelo se obtienen
El objetivo
el equipo y los cuales servi-
para ubicar elementos
metro, los disipadores,
del
de esta fase es diseñar los
es que el operador
digital
emulando
se encuentre
los planos que son identificados
en un
en una máquina de corte láser para la fabricación
de
una cabina de vuelo con
estas piezas y además para que en el momento
de
su instalación
En
todas las herramientas
e indicadores
necesarios para
controlar
la aeronave
remotamente
[4]. Este debe
contener
como mínimo:
todo ensamble
sin inconveniente.
caso de que se requiera hacer modificaciones
por la instalación
futuras
de algún nuevo sistema, se cuenta
con la ventaja de tener los paneles parametrizados,
•
Horizonte
•
Indicador
•
Brújula.
•
Indicador
•
Altímetro.
Artificial.
lo que facilita hacer modificaciones
de Viraje y Coordinación.
po y con gran precisión. A continuación
representación
se muestra la
digital de la estación.
de Velocidad.
Además de sistemas de advertencia
brinden información sobre:
•
•
•
•
•
en un corto tiem-
Indicador
y monitoreo
que
de Actitud
Aceleración.
RPM del Motor.
Voltaje de las Baterías.
Temporizador.
Figura 8. Representación
digital de la estación
de control
en CATIA V5
-"
CONSTRUCCiÓN Y ENSAMBLE
Después del modelado
rramienta
completo
CATIA V5, teniendo
de los sistemas, su distribución,
de cierre del maletín,
en la estructura,
Figura 7. Interfaz
de Usuario
les y elementos
querimientos
REPRESENTACiÓN DIGITAL DE LA ESTACiÓN
~
milímetros
Con ayuda del software
delo detallado
CATIA V5 se realiza un mo-
que describe la ubicación
nentes eléctricos
superior
los compo-
dentro del maletín sin incluir el ea-
tolerancias,
se desarrolló
un proceso evaluativo
cada uno de los materia-
de sujeción
de operación.
que satisfagan
de espesor, debido
en acrílico de 3
a su alta resistencia
mecánica, bajo peso y acabado. Al interior
estructuras
los re-
Los paneles de soporte
e inferior fueron fabricados
tín, se incluyeron
sistemas
y ajuste de los componentes
de cada parte y se definió
HORIZONmp.
de la GCS con la he-
en cuenta la geometría
del male-
en madera que garanti-
zan el soporte de los paneles principales.
TECNOESUFA
-
-
-~
_
18
CIENCIA Y TECNOLOGíA
dos los componentes
en el compartimiento
Para sujetar cada dispositivo
utilizar velero en la cara en contacto
dándole
la facilidad
pección,
mantenimiento,
inferior.
del sistema se optó por
al operador
con el maletín,
de retirar
cambio
para ins-
de componentes,
todo sin poner en riesgo la integridad
estructural
de
la estación. Cuenta con una zona de fácil acceso para
que el operador
pueda energizar
dores de calor y medidor
Figura 10. Fabricación
de los paneles en cortadora
la estación,
láser
Figura 12. Distribución
de los componentes
al interior de la estación de control.
Al final de la etapa de construcción
Figura 11. Soportes
disipa-
de voltaje.
en la zona de la pantalla.
y ensamble de la
estación se hace un contraste entre lo diseñado y lo obtenido como se muestra en la imagen a continuación.
Teniendo el diseño definido,
se procedió
a hacer los
cortes de los paneles que darán la estructura
la estación de control,
integrando
para darle un valor agregado.
rígida a
un diseño estético
Por un lado, se cortan
los paneles que estarán estáticos y por otro unas láminas que por medio de un mecanismo
de bisagras
se podrán
la pantalla
abrir y cerrar
cuando el maletín
esté cerrado y para evitar que el
brillo sobre la pantalla
está en funcionamiento.
Después
para proteger
afecte la visibilidad
mientras
del.corte de todos los componentes,
rificó que las medidas
y tolerancias
incluidas
se veen la
visualización digital, coincidieran con el modelo real.
La figura 12 muestra la distribución preliminar de to-
Figura 13. A la izquierda
el modelo
3D, a la derecha
el resultado
final
CIENCIA Y TECNOLOGíA
CONSUMO
ENERGÉTICO
El consumo energético
conectando
de la GCS se puede visualizar
la fuente
de poder y la entrada
rriente a un Watt-Meter,
nador portátil
de 3 horas es la más adecuada para el
cumplimiento
de la misión de aeronaves con autono-
mía de 40 mino
de co-
sin tener en cuenta el orde-
porque este va conectado
La autonomía
PLANEACIÓN y EJECUCiÓN DE LA MISiÓN
a una fuen-
te externa a las baterías. Las baterías liPa poseen la
En el momento
capacidad en mili-Amperios
la GCS y luego de saber la misión
por hora (mAh) e indican
la capacidad de energía que pueden almacenar
volver durante
y de-
su descarga. Esto se hace con el fin
de conocer la autonomía
lo que se traduce
cutar, se deben conocer
importante
de descarga t_d que
viene dado por:
políticos,
conocer
muy bien el terreno,
los límites
para el vuelo,
localiza-
ción de caminos, zonas pobladas y posibles factores
carga eléctrica batería
= consumo elétrico dispositivo
dio-control.
interferencia
finen los waypoints
(1)
ordenador,
con el receptor
Luego de hacer las mediciones
cada 0.1 A/h se obtuvieron
para una variación
los resultados
de
o coordenadas
para establecer
geográficas
longitud
y altitud.
el
entre la-
Dentro del plan también
ascenso y descenso, la velocidad
Tiempo (s)
fJ. Tiempo (s)
0.020
139
139
0.120
280
141
Se debe tener un equipo encargado
ronave desde diferentes
misión es compleja
421
141
(AVO) y el Operador
y requiere
0.420
563
142
705
142
de muchos detalles.
Secundario
en la misión (MPO).
la aeronave duran-
en vuelo, aterrizaje y
operaciones
que el segundo ges-
en tierra,
mientras
recolectada
algunas ocasiones se incluye también
141
Principal
te el despegue, las operaciones
tiona toda la información
Tiempo Promedio
de operar la ae-
son el Operador
El primero se encarga de controlar
0.320
pue-
áreas, en especial cuando la
Los roles más comunes
0.220
se
máxima y mínima y
el radio mínimo de giro. Todos estos parámetros
den ser definidos en el software HORIZONmp.
sistema de video.
Consumo (A/h)
en el
qué ruta debe seguir el
debe tener en cuenta cuál va a ser la máxima tasa de
mostrados
en la Tabla 1. para las dos baterías que alimentan
titud,
o el ra-
Un plan da el primer paso cuando se de-
vehículo aéreo ya que son una combinación
-,
de
que se va a eje-
muy bien las capacidades
zonas prohibidas
que produzcan
td
el funcionamiento
de la aeronave y el espacio donde se va a operar. Es
de la GCS para una misión,
en el tiempo
de comprobar
en la GCS. En
un Comandan-
te de Misión, que se asegura de que todos los objeti-
Por lo cual, conociendo
que las dos baterías del sis-
tema de video suman en total 8000 mA y que el consumo se da de 100 mA por aproximadamente
cada
vos se cumplan,
un Manager de Comunicaciones
es responsable
de verificar
y subsistemas
comuniquen
estén transfiriendo
el Operador
Secundario
mas de manera oportuna
dor Climático,
188min
It
d
== 3 horas
I
que
los sistemas
información
y se
entre sí, un Especialista de Inteligencia
quien analiza la información
2.35 min, se aplica la ecuación (1):
8000 mA
100m4,
2.35 min
que todos
más a profundidad
y soluciona
y por último
que está al tanto
del clima y predice la meteorología
larga duración,
que aplicarían
que
posibles probleun Observa-
de los pronósticos
para misiones de
más cuando se habla
de misiones militares o de mayor complejidad.
estación como esta es suficiente
Para una
contar con tres operadores
principales.
TECNOESUFA
....
~
•
20
~
l'
,~
CIENCIA Y TECNOLOGíA
~~
A.
REFERENCIAS
1.
D. Agudelo
and P. Jiménez,
Metodología
seño de aeronaves no tripuladas,
mentos,
Madrid:
Editorial
de di-
teoría y funda-
Académica
Española,
2012.
2.
R. Austin,
Unmanned
Aircraft
Desing, West Sus-
sex, UK: John Wiley & Sons Ltda., 2010.
3.
J. Gundlach, Designing Unmanned Aircfaft Systems:
A comprehensive
AIAA,2011.
4.
Micropilot
Inc., "Micropilot
& Operation,"
Figura 14. Pruebas de los sistemas
de la GCS en Aeronave
Kadet Senior.
5.
PROYECCiÓN DE DESARROLLO DE GCS
Con los nuevos avances en dispositivos
cada vez más pequeños,
se requiere
guardia y por eso el siguiente
estación de control
tecnológicos
estar a la van-
paso es pensar en una
que sea de fácil movilidad
cualquier tipo de operadores.
Incluso, que su interfaz
sea tan sencilla que cualquier
culo aéreo no tripulado
para
persona con un vehí-
pueda darle una misión con
simplemente
oprimir un botón sin necesidad de tener conocimientos
sobre cómo funciona un sistema
aéreo. La proyección
es desarrollar
ra LGCS (Light Ground Control
monitorear
un vuelo autónomo
vo móvil como una tablet
avance que está tomando
objetivo
cualquier
que permita
desde un dispositi-
o un Smartphone.
Es un
fuerza en varios países y el
es impulsar ese desarrollo
temas no tripulados,
una estación lige-
Station)
herramientas
para hacer los sisprovechosas
para
tipo de público.
RECONOCIMIENTOS
Los autores
agradecen
de investigación
Tripuladas)
especialmente
SANT (Semillero
~or la oportunidad
abiertos a nuevas tecnologías
tudiantes
de Aeronaves
de desarrollar
aeronáuticas
de la Rama estudiantil
un apoyo constante
al semillero
No
y estar
y a los es-
AIAA quienes fueron
en la realización del proyecto.
approach,
Manassas, Virginia:
Autopilot
Installation
2005.
A. Philip, Development of a UAV ground
station, Msc. Thesis, 2002.
control