Estudio comparativo entre cuatrirotores y aeronaves de ala fija
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P INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL TICOMÁN TESINA “ESTUDIO COMPARATIVO ENTRE CUATRIROTORES Y AERONAVES DE ALA FIJA. SISTEMAS DE CONTROL DE VUELO, TECNOLOGÍA Y MISIONES” Que para obtener el título de: Ingeniero en Aeronáutica PRESENTAN: BEATRIZ DOMÍNGUEZ CALVA LUIS EDUARDO MARTÍNEZ HERNÁNDEZ ASESOR: M. en C. Jorge Sandoval Lezama MÉXICO D. F., ENERO 2013 DEDICATORIAS A mi mamá, María Catalina Calva… Gracias por el amor, el cariño, los valores y la educación que durante toda mi vida has forjado en mí, así como también por el apoyo y la comprensión incondicional que me has dado, ya que ese apoyo y comprensión me han ayudado a ser la persona que ahora soy. Gracias por enseñarme a no rendirme tan fácilmente, gracias porque a ti te debo todos mis éxitos, te amo. A mi hermano, Fernando Allan Domínguez… Quiero agradecerte por ayudarme a madurar y por enseñarme a ver la vida desde una nueva perspectiva, por apoyarme en todos los momentos, aunque no siempre lo demuestres, porque sin importar nada en este mundo siempre seguiremos siendo hermanos, que quiero mucho. A Luis Eduardo Martínez… Primero que nada quiero darte las gracias por ser parte de mi vida, por estar conmigo en los momentos buenos y malos de mi vida, por enseñarme a ser una mejor persona, así como también por enseñarme a disfrutar la vida. Tú me has demostrado que nada en esta vida es imposible cuando uno se propone hacer las cosas, te amo. A mi Familia… Gracias por todo el apoyo que me han dado y por estar conmigo, gracias a todos mis tíos, tías, primos, primas y a todos mis sobrinos que son muy importantes para mí, los quiero mucho y siempre los llevo en mi corazón. Beatriz Domínguez Calva DEDICATORIAS Quiero con estas palabras agradecer a mi familia por todas las experiencias buenas y malas que pasamos juntos, ahora puedo recordar y valorar la unión de la familia. Años de levantarnos temprano, incontables desayunos, regaños, saludos y despedidas; en estos momentos recuerdo diferentes etapas escolares y enseñanzas que me brindaron. Mamá: Gracias por los buenos, alegres y felices momentos que hemos pasado, ayudan a endulzar los tragos amargos que hemos pasado juntos, eres una madre espectacular y gracias por respetar mis buenas o malas decisiones. Agradezco todo el esfuerzo que has hecho, el valor, coraje, honestidad y amor que demuestras por tu familia y seres queridos. Papá: Gracias por el valor, coraje e inteligencia que me enseñaste a desarrollar. Como te lo dije no terminamos, estamos en descanso para encontrarnos y cerrar ciclos que dejamos abiertos terrenalmente, descansa y vive en mi corazón. 22-01-MMXIII César: Agradezco aquellos momentos de juegos y diversiones juntos, fueron años inolvidables, las cosas cambian, y depende de nuestro carácter y convicción cambiar nuestro estilo de vida, te deseo éxito en tu vida, te quiero mucho. Beatriz: Mi parejita de hace ya muchos años, mi brazo derecho, consejera, amor y pareja, agradezco tanto apoyo y amor incondicional. Varios recuerdos vienen a mi mente llenos de alegría y felicidad. Logramos muchos éxitos juntos y éste es uno más de ellos, gracias. Amigos e ídolos: No estaría escribiendo estas palabras sin su presencia durante mi camino. Muchos son una fuerte inspiración para mí, gracias a todos. Luis Eduardo Martínez Hernández ÍNDICE Índice ........................................................................................................................ i Resumen ................................................................................................................ iv Introducción ............................................................................................................. v Planteamiento del problema .................................................................................. vii Objetivo ................................................................................................................. vii Justificación ........................................................................................................... vii Alcance ................................................................................................................ viii Capítulo I – Estado del arte ..................................................................................... 1 Capítulo II – Sistemas de control........................................................................... 17 II.1 Fundamento histórico .........................................................................................................17 II.2 ¿Qué es un sistema de control? ..........................................................................................19 II.3 Ejemplos de aplicaciones básicos de sistemas de control ...................................................21 II.4 Fundamentos matemáticos .................................................................................................22 Capítulo III – Cuatrirotores .................................................................................... 24 III.1 Introducción .......................................................................................................................24 III.2 Sistemas de control ............................................................................................................27 III.3 Tecnología...........................................................................................................................32 III.3.1 Estructura ...................................................................................................................32 III.3.2 Hélices ........................................................................................................................34 III.3.3 Fuente de energía.......................................................................................................35 III.3.3.1 Baterías alcalinas ..................................................................................................36 III.3.3.2 Baterías de níquel e hidruro metálico (NiMH) ......................................................37 III.3.3.3 Baterías de níquel – cadmio (NiCd) ......................................................................38 III.3.3.4 Baterías níquel – zinc (NiZn) .................................................................................38 III.3.3.5 Baterías de polímero de litio (LiPo) ......................................................................39 III.3.4 Motores ......................................................................................................................39 III.3.5 Comunicación inalámbrica .........................................................................................43 III.3.5.1 Wi‐Fi ......................................................................................................................43 III.3.5.2 ZigBee ...................................................................................................................44 i III.3.5.3 Bluetooth ..............................................................................................................45 III.3.5.4 6LOWPAN .............................................................................................................45 III.3.5.5 Z‐WAVE .................................................................................................................45 III.3.5.6 DASH7 ...................................................................................................................46 III.3.6 Sensores .....................................................................................................................46 III.3.6.1 Sensores para la estabilidad del vuelo ..................................................................46 III.3.6.1.1 IMU ..................................................................................................................47 III.3.6.1.1.1 Acelerómetro .............................................................................................47 III.3.6.1.1.2 Giróscopo ...................................................................................................48 III.3.6.1.1.3 Magnetómetro ..........................................................................................48 III.3.6.1.1.4 Sensor infrarrojo para el horizonte ...........................................................49 III.3.6.2 Sensores para detección de distancias .................................................................50 III.3.6.2.1 Sensores de proximidad ultrasónicos ...........................................................50 III.3.6.2.2 Sensores de proximidad infrarrojos .............................................................51 III.3.6.1.3 Sensores de proximidad de rayo láser ..........................................................51 III.3.6.3 Medición de la altitud ...........................................................................................52 III.3.6.3.1 Altímetro barométrico ..................................................................................52 III.3.6.3.1 Altímetro empleando GPS ............................................................................53 III.4 Misiones .............................................................................................................................53 Capítulo IV – Aeronaves de ala fija ....................................................................... 56 IV.1 Introducción .......................................................................................................................56 IV.2 Sistemas de control ............................................................................................................58 IV.2.1 Ejes de la aeronave ....................................................................................................58 IV.2.2 Estabilidad y control ...................................................................................................60 IV.2.3 Superficies de control primarias ................................................................................60 IV.3 Tecnología ..........................................................................................................................61 IV.3.1 Estructura ...................................................................................................................61 IV.3.1.1 Madera .................................................................................................................62 IV.3.1.2 Espuma .................................................................................................................62 IV.3.1.3 Metal ....................................................................................................................62 IV.3.1.4 Materiales compuestos ........................................................................................62 IV.3.2 Semi‐alas ....................................................................................................................63 ii IV.3.2.1 Perfil aerodinámico ..............................................................................................65 IV.3.2.2 Carga alar ..............................................................................................................65 IV.3.3 Fuente de energía ......................................................................................................65 IV.3.4 Motores ......................................................................................................................65 IV.3.5 Comunicación inalámbrica .........................................................................................66 IV.3.6 Control del piloto automático ....................................................................................67 IV.3.6.1 Hardware para piloto automático ........................................................................68 IV.3.6.2 Sensores inerciales MEMS ....................................................................................68 IV.3.6.3 Software del piloto automático ............................................................................69 IV.3.6.4 Observación del estado ........................................................................................69 IV.3.6.5 Objetivos de control del piloto automático .........................................................70 IV.4 Misiones .............................................................................................................................70 Capítulo V – Estudio comparativo ......................................................................... 73 Conclusiones ......................................................................................................... 88 Bibliografía ............................................................................................................ 90 Glosario ................................................................................................................. 91 Acrónimos ............................................................................................................. 93 iii RESUMEN En este trabajo se presenta una comparación entre las aeronaves de ala fija y los cuatrirotores (Quadrotors), viendo la mejor eficiencia que tienen en relación con sus sistemas de control, tecnología y misiones. Las aeronaves no tripuladas nos permiten un desarrollo autónomo o semiautónomo en diferentes tipos de misiones que cubren desde los sectores de defensa y seguridad hasta los de agricultura o medio ambiente. El interés en su desarrollo, tanto a nivel de centros de investigación, universidades, institutos, así como sectores de usuarios potenciales, la tecnología y desarrollo de las aeronaves no tripuladas han aumentado de manera considerable en los últimos años. En este tesina se investigaron los sistemas de control, misiones y tecnología con el que actualmente están operando las aeronaves de la aviación civil, militar y algunos exclusivamente para UAV, con el objetivo de presentar un análisis para poder familiarizarse y conocer cómo operan estos sistemas, descubriendo las ventajas y desventajas, así como las características de cada uno de estos y la dependencia con cualquier otro equipo en tierra y abordo, de igual forma conocer las limitaciones y algunos costos. iv INTRODUCCIÓN En las últimas décadas, se ha observado un crecimiento elevado en el desarrollo y construcción de UAV, los cuales son empleados en distintas misiones como son: reconocimiento aéreo, topografía, fotografía aérea, carga (en zonas con difíciles acceso), meteorología, cartografía, hidrología, combate de incendios, patrullaje, agricultura entre otras aplicaciones civiles. Sin embargo, también son utilizados para fines del mercado militar. El gran auge de los UAV, se debe en gran medida a la miniaturización de los componentes que lo integran, por ejemplo: sensores, antenas, cámaras fotográficas, microcontroladores, microprocesadores, actuadores mecánicos, etc., este tipo de vehículos presenta interesantes cambios en la teoría de control no lineal. En la actualidad se pueden clasificar en dos tipos los UAV: Vehículos de ala rotativa Vehículos de ala fija Depende del tipo de misión, autonomía, alcance, precisión, estabilidad entre otros factores el tipo de UAV que se empleará. Por ejemplo, para misiones donde se requiere que el vehículo realice alguna maniobra estática (hover) o se desplace por espacios muy reducidos y a bajas velocidades, los vehículos de ala rotativa representan una mejor opción, si se desea realizar la filmación de un disturbio en la ciudad, se requiere que el vehículo sea capaz de desplazarse a una velocidad muy baja y en ocasiones realice vuelos estacionarios. Por otro lado, si se desea observar la propagación y avance de un incendio u obtener datos para realizar un mapa cartográfico, se requiere un vehículo que pueda alcanzar altitudes más altas y desplazarse a velocidades rápidas, siendo los vehículos de ala fija una mejor opción. v Es importante considerar que un vehículo de ala rotativa cuando realiza un vuelo estacionario consume aproximadamente el doble de energía que un vehículo de ala fija en un vuelo recto y nivelado, considerando que llevan la misma carga. En este trabajo se muestra una comparativa para apoyar el proceso de decisión en adquirir, diseñar o desarrollar un vehículo en base al tipo de misión que se pretenda desarrollar. Para satisfacer una misión se deben cumplir diferentes criterios, los cuales no siempre resultan ser compatibles entre sí, se deben considerar criterios como rendimientos, dimensiones de la aeronave, sistemas de control de la aeronave, performance de la aeronave, alcances, entre otros. En el capítulo 1 se plantea la problemática por la cual surge el interés de desarrollar este tema de investigación, además se define el objetivo de esta tesina y se delimita el alcance de este proyecto. El capítulo 2 tiene como objetivo presentar al lector un concepto más amplio sobre los vehículos cuatrirotores, mostrando los distintos sistemas de control empleados, la tecnología que emplean, características y aspectos generales y los distintos tipos de misiones civiles que realizan este tipo de aeronaves. En el capítulo 3 se le muestra al lector la misma información pero ahora con aeronaves de ala fija. En el capítulo 4 se muestra el estudio comparativo que se realiza entre un cuatrirotor (ala rotativa) y una aeronave de ala fija, en este capítulo se propone una tabla mediante la cual se puede decidir el tipo de vehículo preferente en base al tipo de misión, proporcionando información específica sobre el sistema de control, tecnología, beneficios, desventajas, costos (aproximados) y rendimientos sobre el vehículo elegido. vi PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Derivado de los nuevos avances tecnológicos, las diferentes misiones que cada día se requieren y el creciente número de los vehículos aéreos no tripulados hacen que el proceso de elección sobre un vehículo aéreo u otro sea muy difícil, y que en general no se elija el vehículo más adecuado. Dicho proceso debe incluir diferentes criterios y aspectos a considerar para elegir el vehículo aéreo más adecuado acorde al tipo de misión que se pretenda o se programe realizar, es importante considerar también el aspecto económico, pues bien si el vehículo aéreo cumple con la mayoría de las especificaciones solicitadas, puede no ser adecuado al costo o el costo del proyecto es inferior al costo del vehículo aéreo. En la mayoría de las ocasiones los proyectos, empresas, desarrolladores tienen en mente el tipo de misión o servicio que ofrecerán, sin embargo, al verificar las condiciones que debe satisfacer su vehículo no saben qué tipo de vehículo es el más adecuado acorde a sus necesidades. OBJETIVO Este tema de investigación pretende ofrecer al lector una guía para facilitar su elección sobre un vehículo capaz de satisfacer sus necesidades técnicas, además de considerar aspectos económicos. JUSTIFICACIÓN Se considera que este trabajo apoya en el proceso de elección, ofrece un ahorre de costos y tiempo además de incrementar la fiabilidad del proyecto del lector. Este trabajo se considera vigente por un año a partir de su fecha de publicación, para trabajos en el futuro es necesario que el lector considere el paso del tiempo, nuevos desarrollos y avances tecnológicos. vii ALCANCE El alcance de este tema de investigación desde el punto de vista académico y escolar son los siguientes: Establecer una metodología para guiar al lector a través de su proceso de elección de vehículo en base al tipo de misión y características que requiere del vehículo. Estudiar y analizar los sistemas de control de aeronaves, tecnologías implementadas, rendimientos, dispositivos de comunicación, etc. Para ofrecer al lector una gama amplia de vehículos. Investigar sobre la complejidad de los controles de vuelo y facilidad de maniobra. viii CAPÍTULO I “ESTADO DEL ARTE” Los cuatrirotores hoy en día representan uno de los más grandes logros del ser humano, ya que es una nueva manera de volar. Desde tiempos muy remotos el hombre ha querido volar, con la imaginación y la innovación de diferentes científicos e investigadores en el mundo se ha podido ver como se ha avanzado en este tema, teniendo grandes resultados y dominando cada vez más la navegación en el espacio aéreo. Leonardo Da Vinci en el siglo XV, diseñó el primer helicóptero del mundo, posteriormente en 1906 se logró el primer vuelo registrado en la historia, este vuelo fue realizado por los hermanos Wilbur y Orville Wright, quienes desarrollaron el primer avión el cual logró volar con éxito. Imagen 1: Diseño de Leonardo Da Vinci En el siglo XX se diseñó en Rusia (San Petersburgo) un helicóptero llamado “Sorokin” que logró su propulsión por medio de dos hélices de 30 aspas cada una, con un motor de 50 HP. También en Petrogrado en la guerra de Rusia, se diseñó otro vehículo aéreo llamado “Aeromóvil” que tenía cuatro rotores ubicados en los extremos de una estructura metálica, en el primer intento se colocó un motor de 25 HP en la parte inferior que moviera las cinco aspas de cada hélice y los 1300 Kg. de peso que tenía esta aeronave. El proyecto de “Aeromóvil” y el “Sorokin” nunca fueron terminados ya que el tiempo de estudio y diseño se prolongó, sin contar con más fondos. Imagen 2: Helicóptero “Sorokin” 1 En 1921, los Doctores George de Bothezat e Ivan Jerome tuvieron un contrato con el gobierno de los Estados Unidos de Norteamérica, para desarrollar un vehículo aeronáutico que pudiera despegar y aterrizar verticalmente, este helicóptero pesaba 1678 Kg. teniendo una forma de una cruz y el piloto se colocaba en el centro de esta. Cuatro hélices de 8.1 metros de diámetro estaban colocadas en sus extremos con una inclinación, tal que si se intersectaban todas la proyecciones de estas, se unían en un punto justo encima del centro de gravedad. Utilizando un motor de 180 HP, para la estabilidad y la altura necesaria, cada hélice de seis aspas tenía un control para variar la velocidad de giro y traslación de la nave. En 1922 el vehículo aéreo hizo su primer vuelo con un peso de 1700 Kg. Imagen 3: Helicóptero de Bothezat En 1954, Igor Bensen (Rusia) en conjunto con la empresa Bensen Aircraft Corporation probaron el “Midjet”, que contaba con una hélice de 4.5 metros de diámetro sobre una estructura pequeña donde se sentaba el piloto. Esta hélice era movida por dos turbinas de 40 HP colocadas en sus extremos, alcanzando una velocidad de 120 km/h de crucero y levantando 180 Kg, pesando el vehículo aéreo con 45 kg. 2 Imagen 4: Midjet Ese mismo año el Instituto de Aviación de Moscú (Rusia), desarrollo vehículo el “Bratukhin” el cual contaba con cuatro turbinas situadas en los bordes de la nave cruciforme y con propulsores de 6 metros de diámetro dispuestos verticalmente como el fuselaje, teniendo un peso de 55 toneladas y un empuje de 90 toneladas. Imagen 5: Bratukhin En 1956 se desarrollaron muchos estudios sobre los VTOL, ejemplo: “Convertawings Model A Quadrotor”, lo especial de este vehículo aéreo era la estabilidad y la maniobrabilidad que se controlaban variando el empuje generado por cuatro rotores en los extremos, estos eran movidos con dos motores de 90 HP cada uno, que por medio de fajas en posición “V” transmitían la potencia, teniendo una longitud de 6.6 metros y 1 tonelada de peso, alcanzando una velocidad de 128 km/h. El mecanismo de control era bien simple por lo que el primer prototipo fue fabricado y voló con éxito. 3 Imagen 6: Convertawings Model A El otro vehículo desarrollado en ese año fue el VZ-6, diseñado por la empresa Chrysler, luego de ganar un contrato con la armada de Estados Unidos de Norteamérica. Esta máquina voladora debía ser ligera y comportarse en el aire como lo hace un jeep en la tierra. Bajo estas condiciones se logró hacer una nave, con dos hélices grandes movidas por un motor de 500 HP. A finales de 1958 la armada utilizó dos de estos vehículos y se hicieron los primeros vuelos, con 1080 Kg. el VZ-6 era muy pesado, tenía poca potencia y estabilidad, tanto así que durante la primera prueba se volteó 180 grados, logrando salir con vida el piloto, pero marcando un daño económico muy grande, por lo que se decidió no seguir con esta investigación. Pese al frustrado intento con el VZ-6, la idea del jeep aéreo permaneció, fue así como en 1957 la división Curtiss Wright ganó el contrato para fabricar estos prototipos diseñando el VZ-7, un vehículo ligero con despegue y aterrizaje vertical. Alrededor de un rectángulo metálico en donde se ubicaban el piloto, el combustible y los controles, iban 4 hélices grandes movidas por una turbina de 425 HP. Para elevar su eficiencia, los prototipos tenían ductos para las hélices. La estabilidad se lograba variando el empuje de cada una de éstas. Se fabricaron dos vehículos para el programa de prueba pero, pese a que eran relativamente estables, no se pudieron resolver los requisitos de altitud y velocidad especificados por el ejército, por lo que ambas naves fueron retiradas de servicio. 4 Imagen 7: VZ-6 Ese mismo año Piasecki Aircraft Corp. ganó un contrato para la investigación y desarrollo de un vehículo denominado “el jeep volador tipo VTOL”, este vehículo, debía volar muy bajo y tener una velocidad de avance de 110 Km/h. Se diseñó entonces el modelo 59K SKY CAR, el cual era muy parecido al VZ-6, que poseía dos ductos con rotores y hélices de tres aspas, movidas por motores de combustión interna Lycoming de 181 HP de potencia. En octubre de 1958 realizó su primer vuelo exitoso, por lo que lo bautizaron como VZ- 8P. Luego de que fuese aceptado por la milicia norteamericana, se le cambió de motores, usando turbinas de 420 HP. Fue denominado 59N, y rebautizado por Piasecki como el Airjeep II, este vehículo, incorporó cambios significativos en su diseño, como el cambio del ángulo del ducto, la instalación de dos turbinas a gas de 400 HP que movían a dos rotores de 2.5 metros de diámetro. Tenía una longitud de 7.44 metros, altura de 1.78 metros y ancho de 2.82 metros, llegando a los 900 metros de altitud. También contó con asientos eyectores, y la colocación de dos espacios para pasajeros. Este vehículo hizo su primer vuelo en el verano de 1962. Ninguna de las dos versiones de los Airjeep VZ-8P presentaba problemas con la elevación superficial, y aunque en un principio el diseño fue planteado para bajas alturas que le permitieran camuflarse, podían elevarse a más de mil pies de altura. 5 Imagen 8: VZ-8P Ambas versiones fueron diseñadas para ser absolutamente estables y relativamente capaces de volar debajo de árboles y entre los edificios u otros obstáculos. Además, el Airjeep, era capaz de atacar objetivos solamente dejando ver el arma sobre la línea de ataque. Aún en la actualidad, este sigue siendo un talento único, porque incluso los helicópteros modernos del campo de batalla deben levantarse sobre la línea de ataque para que sus armas se monten debajo del plano del rotor, revelándose así y proporcionando un área mucho mayor para ser atacado. El Airjeep II fue también el predecesor del avión moderno Stealth. Sus ductos hacían a las hélices invisibles al radar y al ojo humano. A pesar de sus múltiples cualidades, el Airjeep, como la mayoría de los “jeeps del vuelo” desarrollados durante este período, fue juzgado en última instancia por el ejército para ser declarado mecánicamente impropio a los rigores de las operaciones de campo. El concepto “jeep del vuelo”, fue abandonado en favor del desarrollo posterior de los helicópteros convencionales del campo de batalla, ambas naves fueron dejadas de lado a mediados de los años sesenta. En 1962, el Dr. Moller, Master en Ingeniería fabricó un pequeño modelo de una nave VTOL que tenía en mente y la llamó XM-2. Dos años después, en el garaje de su propia residencia en California, comenzó la construcción de la nave pero esta vez a escala natural. Cuando fundó la Moller Aircraft Corporation, logró completar la construcción de este prototipo usando motores McCulloch de dos 6 tiempos, que producían suficiente potencia para mantener el XM-2 volando a poca altura. En 1966, con el éxito de este primer vehículo VTOL, el Dr. Moller rediseñó el XM-2, colocándole dos motores fuera de borda Mercury, con el auspicio de UC Davis, California. El nuevo modelo, fue considerado un éxito total y en 1968, el Dr. Moller recibió su primera patente por el diseño del VTOL XM-2. Imagen 9: Moller XM-2 Las naves VTOL tenían una desventaja, y era que no podían llevar a muchos pasajeros, es así que con la misma tecnología se llevaron a cabo muchos estudios para desarrollar aviones con hélices en alas giratorias que pudieran rotar 90 grados, para hacer posible un despegue y aterrizaje vertical. Desde 1954 hasta 1966, se construyeron vehículos aéreos con estas características, como el Trascendental 1-G, el Bell XV-3, el Vertol VZ-2, Doak VZ4 y el Hiller X-18, el Curtiss-Wright, Canadair, Hiller-Ryan XC-142, VFW VC-400 y 500, solo por citar algunos ejemplos. Aún en la actualidad se estudian diferentes tipos de vehículos de despegue y aterrizaje vertical como por ejemplo el AV8-B Harrier. Bell fue una de las compañías que más investigó este tipo de vehículos aeronáuticos. Destaca el X-22, desarrollado con la idea de tener una nave V/STOL (despegue pequeño y aterrizaje vertical). Durante las pruebas, esta nave demostró una estabilidad variable que la hacía más versátil que cualquier otro vehículo V/STOL antes desarrollado. Las fuerzas militares de Estados Unidos de Norteamérica tenían como objetivo, desarrollar investigaciones sobre vehículos V/STOL con variantes que permitieran aprovecharlos de maneras diferentes. Al 7 respecto, los estudios demostraron que una estructura de dos ductos para las hélices, permitía alas más cortas y ligeras. El ducto alrededor de los cuatro rotores, mejoraba la eficiencia y proveía mayor seguridad a la tripulación. Los estudios de Bell comenzaron en noviembre de 1962, luego de que ganara un contrato de 27 millones de dólares por el diseño y desarrollo de dos naves X-22. Esta empresa tenía experiencia en naves V/STOL como el X-14, XF-109. Este vehículo pesaba 7530 Kg., tenía una longitud de 11.9 m., y capacidad para 540 Kg. Cuatro turbomotores de 1250 HP y un tanque de 465 galones, se encargaban de mover los cuatro rotores. Tenía diez transmisiones que reducían de 19 500 rpm a 2600 rpm. Las hélices de tres aspas construidas por Hamilton Standard, medían 2.1 m. de diámetro, estaban hechas de fibra de vidrio reforzada con acero y colocadas dentro de un ducto para un mejor funcionamiento. La nave VTOL de dos pasajeros más pequeña en el mundo fue la sucesora del XM-2, también creada por el Dr. Moller, el XM-3, se comenzó a fabricar en 1966. Un diseño original, con una sola hélice que giraba alrededor de los pasajeros, creando el empuje necesario para elevarse verticalmente, la hélice era movida por 8 motores de go-kart. En 1968, el Dr. Moller voló con éxito en este vehículo, patentándolo en 1969. Imagen 10: Moller XM-3 Con un diseño bastante similar al del XM-3; el XM-4 se fabricó, con la forma de platillo volador. Avalado por el éxito del XM-2 y XM-3, la fabricación de este modelo comenzó en 1970 y debutó en 1974. Su diseño contaba con 8 motores, 8 igual que el XM-3, pero en este caso eran rotativos cuya marca era Fitchel-Sachs y rodeaban al piloto en un arreglo circular patentado. Se ha estudiado mucho la tecnología de vehículos VTOL con diferentes formas, también el desarrollo de aviones que cuentan con hélices rotativas en los extremos de las alas. Así también existen los UAV, en los que se han venido desarrollando con éxito, grandes investigaciones. Las aplicaciones para este tipo de naves son muchas, ya sea militar, de seguridad, reconocimiento o para competencia. En 1982, la marina inició en Hawái, Estados Unidos, el proyecto AROD; es decir, Dispositivo aerotransportado operado de manera remota. Un vehículo VTOL muy pequeño, que contaba con cuatro ductos con hélices que le permitía volar con gran facilidad. Tenía motores eléctricos y un cable que lo unía a tierra, a través del cual, pasaba la corriente. Luego se convirtió en una nave de motores de combustión interna de dos tiempos, con 26 HP y un solo propulsor, contaba con un sistema de dirección colocado en la parte inferior de la hélice para controlar dirección y la altura. La primera generación de AROD fue desarrollada por el Dr. Moller a manera de subcontrato, y continuó posteriormente, como parte de un proyecto mayor denominado GATERS, que en sus siglas en inglés significa Sistema Telerobótico de Aire y Tierra. AROD fue probado con éxito en diferentes oportunidades, pero dejó de ser estudiado debido a que los fondos fueron asignados a otros proyectos. Imagen 11: AROD En los años que pasaron, el Dr. Moller antes mencionado por las naves XM- 2, 3 y 4, no se quedó con las manos cruzadas y continuó con la búsqueda y mejora de 9 un vehículo aéreo VTOL. En 1985, luego de adquirir la Outboard Marine Corporation, la tecnología sobre motores rotativos, comenzó con las modificaciones de sus motores tipo Wankel, logrando aumentar la potencia en 20% y disminuir el peso en 50%. Dos años después estos motores fueron probados en el XM-4 obteniendo buenos resultados. Luego de algunos cambios en la nave esta fue rebautizada con el nombre de M200X en 1989. Es así que el 10 de mayo de ese año fue presentado ante la prensa mundial. Luego de muchos años en los que se llevaron estudios sobre helicópteros y aviones, una empresa dedicada a la investigación de vehículos VTOL obtuvo grandes logros. Es así que en 1996, la empresa Trek Aerospace comenzó a desarrollar un esqueleto aéreo conformado por un motor rotativo, dos hélices de cinco aspas dentro de ductos y timones en la parte inferior para controlar la dirección. Así en 1999, Trek Aerospace firmó un contrato con la NASA (Administración Nacional Aeronáutica y Espacial) para compartir información sobre la tecnología de los ductos. Al colocar estos con la configuración antes mencionada se lograba eliminar el torque que hacía difícil la maniobrabilidad de la nave haciéndola girar sobre el eje de la hélice. Con un equipo de 5 personas este trabajo se terminó en tres años, tiempo en el cual también fueron desarrollando, construyendo y probando vehículos VTOL, como el Dragon Fly que tuvieron la característica fundamental de una buena estabilidad, pudiendo resistir en un túnel de viento velocidades de hasta 21.6 Km/h. Esta nave con una longitud de 4 metros, se basaba en un motor rotativo de 170 HP que mediante un sistema de hélices transmisión movía dos hélices en sentidos contrarios para contrarrestar los torques que producían levantando hasta 480 kilos y con una capacidad para almacenar combustible de 78 litros. 10 Imagen 12: Dragon Fly Dentro de los vehículos VTOL no tripulados el CL-327 Guardián fue una versión mejorada de otros UAV como el Centinela. Los estudios para mejorar este vehículo venían desde 1964. El Centinela participó en los programas de la Marina de Guerra de Estados Unidos de Norteamérica en los años 90, con varios vuelos de demostración., en 1996 se propuso un Centinela modificado. El Guardián tuvo la ventaja de tener una producción de bajo costo, y fue uno de tres sistemas UAV seleccionados para participar en el programa de demostración de la Marina de Guerra VTOL UAV en 1998. Más de 50 horas de vuelo registradas terminaron a causa de un accidente en junio de 1998, cuando un depósito de gasolina se separó de la nave causando la pérdida de esta. El CL-327 Guardián era accionado por un motor de 125HP Williams WTS117-5, que transmitía la potencia a los rotores de 3.96 metros de diámetro, pesaba 350 Kg., y la velocidad máxima de la travesía era de 155 Km/h. En 1998 la compañía Sikorsky (Estados Unidos de Norteamérica), diseñó el Cypher, un vehículo aéreo sin tripulación, conformado por dos rotores que giraban en sentido contrario, cuatro aspas en cada hélice, conducidos por un motor rotatorio de 52HP UEL AR 801, dentro de una cubierta de 1.95 metros de diámetro hecha de grafito/epoxy, este diseño podía ser accionado tanto automáticamente, como por el control de tierra. En pruebas realizadas por el ejército de los Estados Unidos de Norteamérica, se buscaron diferentes objetivos para que el vehículo lograra encontrarlos, consiguiendo también detectar artillería. Esta tecnología 11 permitió que el Ministerio de Energía de los Estados Unidos de Norteamérica., localizara las estructuras y los túneles subterráneos en el Estado de Nevada. Imagen 13: Sikorsky UAV Así como todos los vehículos mencionados, antes de poder fabricarlos y hacer las pruebas fue necesario inventarlos, basándose en una idea y un buen capital para lograr grandes avances tecnológicos. Air bike es una expresión de vehículos VTOL, una idea que se quiere llevar a cabo basada en una bicicleta aérea, la cual contaría con dos motores rotativos en la parte posterior que impulsan a una hélice que al aumentar la velocidad aumenta también el empuje para variar la velocidad, sobre esta hélice se colocará un deflector de aire para poder darle dirección al vehículo. También contaría con un paracaídas en caso de emergencia por si fallaran los dos motores o sucede cualquier otro accidente. Esta bicicleta aérea no podrá retirar victimas pero, debido a su tamaño y rapidez esperada, podría llegar donde está el accidente en tiempos muy cortos con el médico para que pueda estabilizar los signos vitales del herido, el peso que se estima para esta nave está entre los 100 y 150 kilos. Un nuevo carro volador VTOL está en construcción desde el año 2001 por un pequeño grupo de personas bajo la dirección del Dr. RAFI YOELI, Director Gerente de la AD&D Ltd. en Israel. Este nuevo vehículo es llamado City Hawk y podrá llevar a dos personas, aparte de contar con una autonomía de 1 hora de vuelo. Llegará hasta los 2500 metros de altura, contará con dos hélices movidas 12 por dos motores de 4 tiempos de combustión interna. Para poder girar y avanzar cuenta con timones por encima y debajo de las hélices. Las futuras versiones de esta nave serán usadas para operar en lugares donde los helicópteros no pueden entrar debido a su gran hélice; para transporte urbano, ambulancias, patrulleros entre otras aplicaciones. Todo el sistema utilizado en esta nave es muy parecido con el utilizado en investigaciones anteriores por lo que se espera se termine pronto el modelo y se logren hacer las pruebas. Imagen 14: City Hawk Pasaron los años y el Dr. Moller continuó con la investigación de los vehículos VTOL, y fue así que, a lo largo de su carrera, fue reuniendo experiencia y conocimientos para continuar en el diseño de estas naves. Desarrolló el M150 Skycar y fabricó un prototipo que fue llevado y mostrado en Alemania, diseñado para una persona, con un peso de 386 Kg. Pero los esfuerzos se dirigieron al M400 Skycar, el cual, basándose en el M150 mejoró muchas características, cuando el Dr. Moller terminó de fabricar, probar y hacer la presentación ante el mundo del M200X, modelo sucesor del M150, se presentó un nuevo reto; hacer un vehículo que pueda despegar y aterrizar como helicóptero, pero que logre volar como avión, siendo esta ultima la cualidad que faltaba en las otras naves, de esta manera el diseño varió por completo y las investigaciones no cesaron hasta que en marzo del 2003 se hicieron las pruebas dando buenos resultados. El M400 Skycar, basado en el principio del Avión Harrier, que se puede elevar gracias a unos deflectores que giran dirigiendo el flujo de aire hacia abajo o hacia atrás, utiliza un sistema de 4 rotores giratorios con timones para direccionar y 13 controlar el flujo de aire. Dentro de cada uno tiene dos motores, haciendo un total de ocho motores de 150 HP, cada uno de estos puede ser cargado fácilmente por una persona y puede utilizar combustibles como el gas, gasolina o petróleo. Este sistema patentado por el Dr. Moller permite que ascienda verticalmente y luego pueda viajar horizontalmente. También está hecho para recorrer distancias pequeñas en tierra como si fuese un auto, el fuselaje de esta nave está hecho con fibra de plástico reforzada lo que le da resistencia y poco peso, se requiere bastante potencia para elevar la nave y lograr un buen aterrizaje, por eso, para el control se cuenta con dos palancas que están conectadas a una computadora que dirige los rotores, es decir, el piloto solo mueve la palanca hacia dónde quiere ir y la computadora se encarga de dirigir la nave hacia esa dirección. Esta nave cuenta con un paracaídas de emergencia para cualquier incidente, la altura máxima a la que podrá llegar será 9.6 Km., cuenta con un peso de 1 tonelada y tiene un consumo de 45 Km. por galón de combustible. Tiene una plaza de 4 pasajeros y llegar a una velocidad de subida de 90 Km/h. El precio del M400 Skycar va desde los $500 000 hasta $ 1 000 000 de dólares. Imagen 15: Skycar En el año 2000 El MARINER UAV de Sikorsky, fue desarrollado y seleccionado por los infantes de marina de los Estados Unidos de Norteamérica para probar conceptos de funcionamiento. El MARINER emplea un ventilador canalizado, consistente en dos rotores coaxiales de cuatro palas que generan la elevación. Un ala convencional se une al fuselaje, para proporcionar la elevación en vuelo delantero, reduciendo la carga en el ventilador de elevación. El ala, en conjunto 14 con un segundo ventilador canalizado más pequeño, ubicado en la cola del avión, es usada para la propulsión delantera. El “Cypher II”, también conocido así por ser de la misma familia del “Cypher”, es capaz de llevar una carga útil de 22 Kg., con una autonomía de vuelo de dos horas. El aparato tiene un peso de 100 Kg. y una velocidad superior a 230km/h. Las alas pueden quitarse para operaciones militares en terreno urbano, de la misma manera como su precursor el “Cypher I”. En la actualidad Sikorsky tiene un contrato de $5.46 millones para entregar 2 prototipos. A partir del segundo milenio, se comenzaron a hacer naves mucho más sofisticadas y estéticamente atractivas como por ejemplo el Skycar, es así que Macro Industries compañía estadounidense viene desarrollando el Skyrider X2R, nave VTOL donde su diseño cuenta con rotores giratorios para un despegue vertical y un vuelo horizontal. Se han escrito muchos artículos en torno a esta nave y en el mes de octubre del 2000 se terminó de fabricar un prototipo, el diseño de este vehículo tiene cabida para dos personas y un motor eléctrico que mueve las hélices que se encuentran dentro de los rotores. La nave necesitaría 700 HP de potencia para elevarse, con una capacidad de carga para 150 Kg. y 100 galones de combustible, la velocidad de subida será de 72 Km/h. El precio se estima entre $ 500 000 y $1 000 000 de dólares. El diseño terminado se ha programado para el 2006 y está dentro de los planes, la posibilidad de poder dirigirla mediante la voz. Imagen 16: Skyrider La imaginación y el ánimo de siempre querer hacer algo nuevo y diferente ha llevado al hombre a proyectar para un futuro, diferentes vehículos que todavía están en estudio, es así que, inspirados en la tragedia del 11 de Setiembre en 15 Estados Unidos de Norteamérica, diferentes diseñadores aeronáuticos han creado proyectos de naves de rescate. Un ejemplo es Roy LoPresti y Larry Gordon que forman parte de un grupo de apoyo para el desarrollo de dos vehículos VTOL de salvataje, el TurboHawk y el Guardián que contarán con un sistema de propulsión basado en dos motores con una hélice y un turbopropulsor de 500 HP respectivamente. El objetivo del Guardián será el rescate de personas a gran altura determinada, teniendo la cualidad de colocarse cerca de un edificio para poder evacuarlas. El TurboHawk, al contrario, está pensado para el traslado de tropas militares. 16 CAPÍTULO II “SISTEMAS DE CONTROL” II.1 FUNDAMENTO HISTÓRICO Uno de los primeros sistemas de control fue el dispositivo de Herón para la apertura de puertas en un templo en el siglo primero, la señal de mando del sistema fue el encendido del fuego, el aire se caliente, dilatándose y produce el traslado del agua de un tanque de depósito a una cuba. Al aumentar la cuba de peso, desciende y abre la puerta del altar por medio de una cuerda, dando lugar a la subida de un contrapeso; la puerta puede cerrarse apagando o atenuando el fuego. Al enfriarse el aire en el recipiente y reducirse su presión, el agua de la cuba por efecto sifón, vuelve al depósito; así la cuba se hace más liviana y al ser mayor el contrapeso se cierra la puerta. Esto tiene lugar siempre que la cuba esté más alta que el depósito. Imagen 17: Puerta de Herón El año de 1934 es una fecha de mucha importancia para los sistemas de control automático, es cuando Hazen publica el artículo “Teoría de Servomecanismos”, relacionado con dispositivos de control de posición, marcando el principio de esta nueva actividad, el nombre empleado para describir tales mecanismos proviene de las palabras siervo y mecanismo, así la palabra servomecanismo significa un mecanismo esclavo o servidor. Es interesante hacer notar que apareció en el mismo año un importante artículo de Black sobre amplificadores realimentados. 17 Durante los siguientes seis años se realizaron menos estudios básicos, debido al sigilo impuesto por la segunda guerra mundial, los avances conseguidos durante el período 1940 a1945 quedaron ocultos demorándose así el rápido progreso de este campo. Desde la supresión del secreto militar, en 1945, se ha hecho un rápido progreso en esta ciencia; se han escrito libros y millares de artículos, así como la aplicación de los sistemas de control en los campos industrial y militar ha sido extensiva. Los métodos de respuesta en frecuencia posibilitaron a los ingenieros el diseño de sistemas de control lineales realimentados que satisfacían las necesidades de los comportamientos de los mismos. También el desarrollo del método del lugar de las raíces posibilitó rápidos avances en el estudio de los sistemas de control. Los métodos de respuesta de frecuencia y del lugar de las raíces que son el corazón de la teoría de control clásica, llevan a sistemas que son estables y que satisfacen un conjunto de requerimientos de funcionamiento más o menos arbitrarios, estos sistemas, en general, no son óptimos en ningún sentido significativo. Desde fines de la década del 50, se orientó el énfasis en el proyecto de diseño de sistemas óptimos en algún sentido determinado. Como las plantas modernas con muchas entradas y salidas se van haciendo cada vez más complejas, la descripción de un sistema moderno de control requiere una gran cantidad de ecuaciones. La teoría del control clásica que trata de sistemas de entrada y salida única se vuelve obsoleta ante sistemas de múltiples entradas y salidas. Desde aproximadamente 1960 se ha desarrollado la teoría del control moderna para afrontar la creciente complejidad de las plantas modernas y las necesidades rigurosas en exactitud, peso, costo en aplicaciones militares, espaciales e industriales. El uso de computadoras digitales cada vez más potentes, de menor costo, y fácil disponibilidad se ha convertido en una práctica habitual para la realización de cálculos complejos y la implementación de algoritmos de control en el proyecto de sistemas de control. Los desarrollos más recientes en la teoría de control moderna 18 se hallan orientados en la dirección del control óptimo de sistemas tanto determinísticos como estocásticos, así como en sistemas de control moderno a campos no ingenieriles como la biología, economía y sociología. II. 2 ¿QUÉ ES UN SISTEMA DE CONTROL? Un sistema de control está formado por subsistemas y procesos (o plantas) unidos con el fin de controlar las salidas de los procesos. Por ejemplo, un horno produce calor como resultado del flujo de combustible. En este proceso, los subsistemas, llamados válvulas de combustible, se usan para regular la temperatura de una habitación al controlar la salida de calor del horno. Otros subsistemas, por ejemplo los termostatos que funcionan como sistemas detectores, miden la temperatura de la habitación. En su forma sencilla, un sistema de control produce una salida o respuesta para una entrada o estímulo dado.1 Imagen 18: Esquema general de un sistema En general se puede decir que el objetivo de un sistema de control es producir una salida o respuesta, a una entrada dada. A continuación se definen la terminología para introducirnos en un sistema de control: Planta: Se designa como planta a cualquier objeto físico que pueda ser controlado, puede ser un equipo, quizás simplemente un juego de piezas de una máquina funcionando juntas, cuyo objetivo es realizar una operación determinada. Proceso: Operación o conjuntos de pasos con una secuencia determinada, que producen una serie de cambios graduales que llevan de un estado a otro, y que 1 Norman S. Nise (2004). Sistemas de control para ingeniería (3ra ed. Inglés, 1ra ed. Español). California, Estados Unidos: Compañía Editorial Continental 19 tienden a un determinado resultado final. Se denominará proceso a cualquier operación que se vaya a controlar. Sistema: Arreglo de componentes físicos conectados o relacionados de tal manera que formen una unidad completa o que puedan actuar como tal; en otras palabras, un sistema es una combinación de componentes que actúan conjuntamente, con un determinado objetivo a cumplir. Control: esta palabra se usa para designar regulación, gobierno, dirección o comando. Sistema de control: es un arreglo de componentes físicos conectados de tal manera que el arreglo pueda comandar, dirigir o regular, asimismo o a otro sistema. Estos sistemas comandan dirigen o controlan dinámicamente. Entrada de un sistema de control: Es una variable del sistema controlado que se elige de modo tal que mediante su manipulación se logra que el sistema cumpla un objetivo determinado. Salida de un sistema de control: Es una variable del sistema controlado que se elige de modo tal que mediante su estudio se analiza si el sistema cumple o no con los objetivos propuestos. Se verá más adelante que en los sistemas realimentados esta señal de salida contribuye a realizar el control propuesto. Realimentación: es una propiedad de los sistemas que permiten que la salida del sistema o cualquier variable del mismo, sea comparada con la entrada al sistema o con cualquier componente del sistema, de tal manera que pueda establecerse la acción de control apropiada entre la entrada y la salida. Existen dos tipos de realimentación, Realimentación positiva: cuando ambas variables comparadas son de igual signo; Realimentación negativa: cuando ambas variables comparadas son de signo contrario. En control se usa y aplica la realimentación negativa. Un sistema realimentado negativamente modifica las propiedades y características del sistema sin realimentar. 20 Los rasgos más importantes que la realimentación negativa impone a un sistema son: Aumento de la exactitud. Se reducen los efectos de no linealidad y distorsión. Aumenta el ancho de banda del sistema. Disminuye la ganancia del sistema. El sistema tiende a ser menos estable. Perturbaciones: es una señal que tiende a afectar adversamente el valor de la salida de un sistema. Si la perturbación se genera dentro del sistema se la denomina interna, mientras que una perturbación externa se genera fuera del sistema. Las perturbaciones actúan sobre un sistema modificando, su funcionamiento por lo que su presencia implica la necesidad de control, normalmente las perturbaciones actúan sobre un sistema aleatoriamente. II.3 EJEMPLOS DE APLICACIONES BÁSICOS DE SISTEMAS DE CONTROL A continuación se enuncia un ejemplo muy sencillo de qué es un sistema de control, posteriormente se mostrará un segundo ejemplo con mayor enfoque ingenieril y por último un ejemplo de control aplicado en una aeronave. EJEMPLO 1: Cuando tomamos un baño, por lo regular deseamos que el agua esté templada o ligeramente caliente. La entrada de este sistema es el agua caliente, el flujo de agua debe ser controlado para alcanzar y mantener la temperatura deseada (empleando las llaves de la regadera), nuestra piel funciona como sensor para medir la temperatura del agua y la salida es el agua a la temperatura deseada. EJEMPLO 2: Un sistema de calefacción tiene un sistema de control el cual puede constar de un material bimetálico que se expande o contrae en función de los cambios de temperatura. Esta expansión o contracción mueve una cápsula de mercurio que actúa como interruptor, encendiendo o apagando el calentador. La 21 cantidad de expansión o contracción necesaria para mover el interruptor de mercurio está determinada por la temperatura. EJEMPLO 3: El sistema de control de flujo de combustible de una aeronave, el objetivo de tal sistema es suministrar la cantidad de combustible necesaria al motor para mantener la velocidad exigida por el piloto. Sin el control del flujo de combustible la potencia entregada por el motor podría no ser la necesaria para realizar alguna maniobra. En este caso la demanda de potencia al motor es la entrada, los cambios en la palanca de aceleración envían los cambios en la demanda de potencia y la cantidad de combustible suministrada al motor es la salida, la potencia del motor es el proceso controlado en el sistema. II.4 FUNDAMENTOS MATEMÁTICOS Los primeros estudios de sistema de control se basaban en la solución de ecuaciones diferenciales por los medios clásicos. Salvo en los casos simples, el análisis en este camino es pesado y no indica fácilmente que cambios deben hacerse para mejorar el comportamiento del sistema. El empleo de la transformada de Laplace simplifica algo este análisis. El artículo de Nyquist, publicado en 1932 trata de la aplicación de los cálculos en el proyecto de amplificadores realimentados basados en la respuesta frecuencial en régimen permanente. Este trabajo fue ampliado por Black y Bode Hall y Harris aplicando entonces éste estudio de respuesta frecuencial a los sistemas realimentados aumentaron considerablemente el valor de la teoría de control como disciplina nueva. Otro avance se logró en 1948 cuando Evans presentó su teoría del lugar de las raíces. Esta teoría ofrece una visión gráfica de las propiedades de estabilidad de un sistema y permite el cálculo gráfico de la respuesta frecuencial. En las diversas fases del análisis lineal presentado en el estudio que se realizará se emplean modelos matemáticos. Una vez, descrito un sistema físico por un juego de ecuaciones matemáticas, estas se transforman para lograr un determinado modelo matemático y, una vez logrado esto, es independiente la 22 manera de analizarlo, tanto si el sistema es de naturaleza eléctrica, mecánica o de cualquier otra. Esta técnica permite al proyectista establecer similitudes con casos vistos en su experiencia anterior. El interesado deberá tener en cuenta, al pasar por las diferentes fases del análisis que se presentará a continuación, que no se intenta el empleo de un aspecto con exclusión de los demás. Según los factores conocidos y la simplicidad o complejidad del problema de control tratado, un proyectista puede hacer uso de uno o varios métodos de análisis aislados o combinados entre sí. Al adquirirse experiencia en el campo del problema de control por realimentación se adquiere la facultad de apreciar mejor las ventajas de cada método. El empleo de computadoras ayuda enormemente al proyectista en sus problemas de síntesis de un problema de control. 23 CAPÍTULO III “CUATRIROTORES” III.1 INTRODUCCIÓN Un cuatrirotor es un helicóptero impulsado por cuatro rotores que trata de obtener, mediante el balanceo de las fuerzas producidas por los rotores, planeo y vuelo preciso. El helicóptero es por supuesto una aeronave muy versátil, difiere marcadamente en apariencia de una aeronave de ala fija pero debe operar de acuerdo a las mismas leyes aerodinámicas. No obstante, mientras que el helicóptero puede, a veces, parecer rudimentario es de hecho un vehículo sofisticado que impone grandes demandas sobre sus diseñadores. Imagen 19: Cuatrirotor Los mini-helicópteros son una clase de UAVs que ha ocupado la atención de los investigadores durante las últimas décadas. Su versatilidad y maniobrabilidad, le confieren unas excelentes cualidades, para diversas aplicaciones en las cuales se necesite realizar vuelo estacionario. El helicóptero con cuatro rotores, actualmente es la configuración más utilizada, esto se debe, a que posee la misma naturaleza no lineal del helicóptero clásico y los mismos efectos aerodinámicos, pero con la diferencia de que es más fácil de controlar debido a que los torques están bien definidos. Al principio la idea de los UAV comenzó como un hobby pero en las últimas décadas ha tomado un gran potencial en las esferas civiles y militares. Los UAV son capaces de llevar a cabo trabajos en donde las condiciones del medio ambiente son peligrosas o inalcanzables para los seres humanos. 24 Hay una amplia gama de misiones realizadas por los UAV tales como policial, recate y extinción de incendios, investigaciones, cinematografía, y otras más. Este tipo de vehículos tienen capacidades como: Vuelo estacionario Despegue y aterrizaje vertical Buena maniobrabilidad Capacidad para operar en espacios reducidos Los UAV han generado un gran interés en círculos industriales y académicos, mucha de la investigación se enfoca en el control, estabilidad y maniobrabilidad; a continuación se muestran las posibles configuraciones de los rotores en un UAV: UAV de cuatro rotores UAV de tres rotores UAV de ocho rotores UAV de seis rotores Imagen 20: Configuración de los rotores de un UAV En un estudio realizado por Dmitri Aleksandrov e Igor Penkov de la Universidad Tecnológica, titulado Consumo de energía de mini helicópteros UAV con diferente número de rotores (Energy Consumption of Mini UAV Helicopters with Different Number of Rotors) describen y comparan helicópteros con diferente número de 25 rotores, parametrizando obteniendo distintos parámetros en cuanto a energía que debe producir cada rotor, revoluciones del rotor, energía que debe entregar el motor, tiempo de vuelo estacionario, etc. A continuación se muestra la tabla que se obtuvo de este estudio: Número de rotores 4 3 8 6 Masa (Kg) 1.4 1.32 1.72 1.56 Fuerza producida por cada rotor (o par) [N] 3.5 4.4 4.3 5.2 Fuerza de empuje por cada rotor (o par) [N] 0.7 0.88 0.86 1.04 Ángulo α [grados] 11.31 11.31 11.31 11.31 Velocidad del rotor [RPM], en vuelo estacionario 5,334 5,967 4,656 5,095 Potencia de un solo motor [W], en vuelo estacionario Tiempo de vuelo estacionario [min] Tiempo de vuelo estacionario con 1 Kg. de carga [min] 32.5 40.3 23.8 29.4 25.1 27 17.2 18.5 35.2 35.7 29.5 28.9 Velocidad del rotor [RPM], en vuelo horizontal 5,385 6,024 4,700 5,142 Potencia de un solo motor [W], en vuelo horizontal 33.2 41.2 24.4 30 Tiempo de vuelo horizontal [min] 24.5 26.4 16.7 18.1 Tiempo de vuelo horizontal con 1 Kg. de carga [min] 34.4 34.9 28.8 28.2 Tabla 1: Resultados del estudio “Consumo de energía de mini helicópteros UAV con diferentes números de rotores” Como se puede observar en la tabla anterior el helicóptero en configuración con tres rotores demuestra ser el vehículo con mayor eficiencia en el consumo de 26 energía, y la diferencia con un helicóptero en configuración con cuatro rotores es únicamente del 1.5%, sin embargo, los helicópteros con cuatro rotores ofrecen una mejor y mayor maniobrabilidad en comparación con un helicóptero de tres rotores, por lo que es recomendable emplear un helicóptero de cuatro rotores, para ofrecer al usuario una experiencia más fácil de manejo y estabilidad en sus operaciones. III.2 SISTEMAS DE CONTROL Un cuatrirotor se controla ajustando las velocidades angulares de los rotores que se hacen girar mediante motores eléctricos. Se han investigado diferentes métodos de control, incluyendo el control PID, control no lineal, control de Backstepping, control LQR y controles no lineales con saturaciones anidadas. Los métodos de control requieren una información precisa de la medición de posición y actitud realizadas con un giróscopo, acelerómetro, y otros aparatos de medición, como el GPS, sonar y sensores láser. El reto en el control de un cuatrirotor es que el cuatrirotor tiene seis grados de libertad, pero sólo hay cuatro entradas de control. La estructura de un cuatrirotor se presenta en la imagen 21 incluyendo las velocidades angulares correspondientes, los torques y las fuerzas creadas por los cuatro rotores (numeradas de 1 a 4). Imagen 21: Estructura de un cuatrirotor La posición absoluta lineal de un cuatrirotor se define en el espacio inercial, X, Y, Z con ξ. La actitud, es decir, la posición angular, se define en el espacio inercial con tres ángulos de Euler η. Ángulo de cabeceo θ determina la rotación del 27 cuatrirotor alrededor del eje “y”. Ángulo de alabeo ϕ determina el ángulo de rotación alrededor del eje “x” y ángulo de guiñada ψ alrededor del eje “z”. El vector q contiene los vectores de la posición lineal y angular. , , El origen para este análisis se ubica en el centro de masa del cuatrirotor. En la imagen 21, las velocidades lineales están determinadas por VB y las velocidades angulares por v , , , , La matriz de rotación del cuadro de fuerzas al cuadro de inercias es el siguiente: En donde Sx= sen(x) y Cx= cos(x). La matriz de rotación R es ortogonal por lo que R-1 = RT que es la matriz de rotación del sistema inercial al cuadro de fuerzas. La transformación de matriz para velocidades angulares del sistema inercial al cuadro de fuerzas es Wη, y del cuadro de fuerzas al sistema inercial es W-1η, como se muestra a continuación: , 1 0 0 / / En donde Tx= tan(x). La matriz Wη es inversa si θ ≠ (2k-1) ϕ / 2, (k ∈ )3 28 El cuatrirotor se supone que tiene una estructura simétrica con los cuatro brazos alineados con el cuerpo en el eje “x”-y “y”. Por lo tanto, la matriz de inercia es una matriz diagonal I como se muestra a continuación 0 0 0 0 0 0 La velocidad angular del rotor i, denotada como ωi creando la fuerza fi en la dirección del eje del rotor. La velocidad angular y aceleración del rotor también crean un torque alrededor del eje del rotor. En donde la constante de levantamiento es k, la constante de resistencia al avance es b y el momento de inercia del rotor es IM. Usualmente el efecto de es considerado muy pequeño por lo que es omitido. La combinación de fuerzas de los rotores crea un empuje T en la dirección del eje “z”. El torque TB consiste de los torques , y en la dirección del ángulo correspondiente. , 0 0 En donde l es la distancia entre el rotor y el centro de masa del cuatrirotor. Así, el movimiento de alabeo es producido por la disminución de la velocidad del segundo rotor y el aumento de la velocidad del cuarto rotor. De manera similar, el 29 movimiento de cabeceo es producido por la disminución de la velocidad del primer rotor y el aumento de la velocidad del rotor tercer rotor. El movimiento de guiñeo se produce mediante el aumento de las velocidades angulares de los dos rotores opuestos y la disminución de las velocidades angulares de los otros dos. El sistema de control lineal es una de las partes más importantes en un cuatrirotor, este sistema es responsable de asegurar que el cuatrirotor efectúe un vuelo recto y nivelado. Si el sistema de control lineal no es bueno entonces el cuatrirotor no tendrá un vuelo exitoso. Existen diferentes alternativas para precisar un buen sistema de control lineal. El sistema perfecto para el cuatrirotor será uno que sea rápido, preciso y pueda ser implementado en un microcontrolador de 8-bits. Existen diferentes tipos de sistemas de control lineales que pueden ser utilizados como base para un cuatrirotor. El más simple es tomar un valor deseado y aplicar dicho valor al proceso de control de un dispositivo. Esto se conoce como sistema de control de ciclo abierto. Este tipo de sistema de control lineal funciona muy bien en un entorno ideal donde no hay fuerzas externas que puedan afectar al sistema. Un cuatrirotor tiene 4 rotores todos corriendo a velocidades diferentes. Además de que existen fuerzas externas, como el viento que afecta el equilibrio del cuatrirotor, por esta razón, un sistema de control sencillo como éste no será efectivo para un cuatrirotor. Se requiere un sistema de control más robusto con el fin de tomar en cuenta las diferentes variables que afectarán la estabilidad y comportamiento de un cuatrirotor. Una mejor alternativa es emplear un sistema de control de retroalimentación. En un sistema de control de retroalimentación la diferencia entre la salida actual y la salida deseada se retroalimenta de nuevo en el sistema. Con esta información el sistema puede hacer ajustes a la entrada del sistema para acercarse al valor de la salida deseada. Un ejemplo de esto se muestra en la siguiente imagen. 30 Imagen 22: Sistema de control de retroalimentación En la imagen anterior se muestra que existe una señal de referencia, que es la salida deseada, a esta señal se añade una señal de error, esta señal de error es utilizada como entrada para el controlador. Este controlador utiliza la información para hacer los ajustes a la entrada del sistema, este tipo de sistema de control lineal es muy adecuado para un cuatrirotor. La parte crítica del sistema de control lineal es el controlador. En un sistema de control de ciclo cerrado están disponibles cuatro tipos de controladores, los controladores son el controlador proporcional, o P, el controlador proporcional-integral, o PI, el Proporcional-Derivativo, o PD, y el controlador Proporcional-Integral-Derivativo, o PID. La parte integral de un controlador proporcional-integral toma la suma de todos los errores y lo usa como entrada para el sistema, usando sólo el término integral de la salida se comportará como una línea recta hasta que alcance la salida deseada. Un controlador Proporcional-Integral es más adecuado para un cuatrirotor pero puede crear pequeños excesos. El derivado de un controlador Proporcional-Derivativo añade más a la señal de error para compensar la relación en el cambio del error, el uso de un controlador Proporcional-Derivativo genera un cambio rápido en la señal de error lo cual mejora la respuesta en la entrada del sistema. El controlador Proporcional-Integral-Derivativo añade los efectos de los controladores antes mencionados con el fin de obtener una respuesta más rápida y estable. El error estacionario del controlador P es compensado por el término I y el sobreimpulso del controlador P es compensado por el término D y hace más rápida la respuesta. Para un cuatrirotor el controlador PID será la mejor elección. 31 La imagen 23 muestra la diferencia entre un controlador P, un controlador PI y un controlador PID. Imagen 23: Grafica con la diferencia entre un controlador P, un controlador PI y un controlador PID En un cuatrirotor, un sistema IMU se compone de un acelerómetro de tres ejes y un giroscopio de 2 ejes que son los sensores que proporcionan el sistema de control lineal. El acelerómetro se utiliza para los movimientos de cabeceo y alabeo, mientras que el giroscopio se utiliza como un indicador de rumbo o como sensor de guiñada. III.3 TECNOLOGÍA III.3.1 ESTRUCTURA Refiriéndonos a los materiales empleados en la estructura de los cuatrirotores en modelos pequeños los materiales más empleados son: aluminio, madera y fibra de 32 carbón. Dichos materiales tienen la característica de ser ligeros, resistentes y razonablemente económicos. La madera es la elección más popular para diseños de radiocontrol debido a su bajo costo y su facilidad de trabajar el material. Sin embargo, en atmósferas cálidas y húmedas este material sufre deformaciones que pueden afectar el diseño de la estructura. Además, la madera, sin refuerzos, tiene una tendencia a doblarse en un corto período de uso de tal manera que el diseño rápidamente estaría fuera de los límites de tolerancia. Reforzar la madera es una posibilidad para evitar estas deformaciones, sin embargo, se añade una cantidad mayor de masa al peso de la aeronave. Este material resulta más adecuado para un sistema de ala fija, pero no para un cuatrirotor, por lo tanto, este material se descarta y no se recomienda su uso en cuatrirotores. El aluminio tiene un mejor comportamiento y conserva mejor sus propiedades físicas en distintas condiciones atmosféricas. Este material permite efectuar varios vuelos de prueba repetidamente sin necesidad de reforzar la estructura con otros elementos. Además, debido a su mayor resistencia a la tensión, el aluminio es menos probable que se doble durante el despegue o en vuelo; también proporciona una mayor estabilidad a la estructura. Esto se traduce en una vida más larga para la estructura. Los problemas y desventajas surgen en el peso de las vigas de aluminio para soportar los elementos de control y potencia (batería, sensores, etc.) del cuatrirotor. El aluminio es un material más caro en comparación con la madera. Se puede recomendar un cuatrirotor fabricado en aluminio, teniendo una buena relación costo-beneficio. La fibra de carbono es un material más recomendable para la fabricación de un cuatrirotor debido a dos de sus puntos fuertes: 1. Es un material con una gran elongación y resistencia 2. Es mucho más ligero inclusive que la madera y el aluminio. 33 Sin embargo el uso y empleo de la fibra de carbono es mucho más complicado, su costo es más alto y el proceso de fabricación requiere mayor tiempo y precisión. En cuanto a su comportamiento y conservación de propiedades físicas en distintas condiciones atmosféricas la fibra de carbono tiene un gran comportamiento. Sin lugar a dudas un cuatrirotor fabricado de fibra de carbono es muy recomendable, sin embargo, su costo se puede elevar considerablemente. III.3.2 HÉLICES En cuanto al material empleado para la fabricación de las hélices los materiales más comunes y empleados en cuatrirotores son: plástico, madero, fibra de vidrio y fibra de carbón. La fibra de vidrio y fibra de carbón serían los materiales más recomendables para un mejor desempeño de la aeronave, sin embargo, como se mencionó anteriormente estos materiales son más caros, lo cual aumenta aún más el costo de la aeronave. La madera es muy empleada en diferentes proyectos y modelos y puede ser empleada para vuelos de prueba, su desventaja radica en su facilidad de romperse a altas velocidades, además de requerir pegamento para unirse al mástil del rotor, lo cual dificulta el reemplazo de hélices e incrementa el tiempo que se emplea para el cambio de una hélice. El plástico, la fibra de vidrio y fibra de carbono no requieren el uso de pegamentos. Basta con un tornillo y rondana para sujetar la hélice en su lugar, además de agilizar y simplificar el reemplazo de una hélice. El plástico es un material con un bajo costo y una relación costo beneficio mayor a la fibra de vidrio y carbono. Sus propiedades físicas le brindan una buena dureza, resistente a las fuerzas centrífugas, coriolis, y esfuerzos de tensión-comprensión. Además permite que su fabricación y maquinado se pueda producir en masa abaratando costos de producción y permitiendo modificar el diseño de una manera 34 más expedita. Por lo tanto una hélice fabricada de plástico sería la mejor opción para un utilizar en un cuatrirotor. III.3.3 FUENTE DE ENERGÍA Uno de los aspectos más importantes a considerar en la elección de un cuatrirotor es la fuente de energía ya que será la encargada de proveer de energía a los cuatro motores del cuatrirotor. En algunos modelos es posible que estén equipados con una batería adicional para los componentes electrónicos como sensores, comunicación inalámbrica, sistemas de video, microprocesador, etc. Las especificaciones y requisitos para la fuente de energía principal deben considerar los siguientes aspectos: Considerar una batería con gran energía (entre 10.5V y 12V). El peso de la batería no debe ser muy grande. El rendimiento de la batería debe ser alto y de gran confiabilidad. La batería debe permitir recargas totales y recargas rápidas Los dos principales criterios a cumplir para la elección de una batería: Son el rendimiento y el peso, lo cual dependerá del tipo de misión, condiciones de vuelo y tiempo estimado de vuelo el tipo de batería que se requerirá, dicho en otras palabras una aeronave efectuando un hover consume mayor energía que un vuelo recto y nivelado, el tiempo de vuelo estará determinado por la capacidad de la batería, pues un cuatrirotor no dispone de otra fuente de energía alterna para suplir la energía eléctrica suministrada por la batería, las condiciones atmosféricas afectan también el rendimiento de la batería. El tiempo aproximado de vuelo está determinado por la corriente entregada por la batería, si asumimos que el tiempo de vuelo es una función lineal de la batería, entonces el tiempo máximo de vuelo se puede determinar mediante la siguiente ecuación: 35 60 Dónde: Q= Carga retenida por la batería en Amp X hr I= Corriente operacional del motor en Amp 60= Factor de conversión para convertir las horas en minutos t= Tiempo máximo en que el motor estará encendido NOTA: Esta fórmula considera una batería y un motor., en el caso de que una sola batería alimente los cuatro motores el tiempo total deberá dividirse entre cuatro, en el caso de que exista una batería por cada dos motores el tiempo total deberá dividirse entre dos. Básicamente existen cinco tipos de baterías: 1. Alcalinas 2. Níquel e hidruro metálico (NiMH) 3. Níquel-Cadmio (NiCd) 4. Níquel-Zinc (NiZn) 5. Polímero de litio III.3.3.1 BATERÍAS ALCALINAS Es la batería más básica en comparación con las demás y es una de las más empleadas a nivel mundial, por su compuesto químico no es una batería recargable, por lo cual su uso está limitado y presenta ventajas en condiciones donde la recarga de baterías sea imposible, como por ejemplo áreas urbanas con una infraestructura muy limitada, áreas rurales sin suministro de energía eléctrica, junglas, desiertos y otros terrenos inhabitables e inhóspitos, además de ser las más económicas. La mayor desventaja de este tipo de baterías es su baja capacidad de carga, la mayoría de las baterías son de 1.5V con una corriente de 700mA, esto debido a factores de seguridad personal. 36 Este tipo de baterías no es recomendable para su uso en un cuatrirotor debido a sus limitaciones, a continuación se muestra un ejemplo de su inviabilidad en términos de costo y peso: Supongamos que nuestro cuatrirotor tiene un motor que requiere 10.5V a 8Amp, de este modo se puede calcular el número de baterías necesarias: 10.5 1.5 í 7 í Empleando la fórmula anterior tenemos: 2.85 8 4 60 21 min í 5 Estos cálculos son en base a condiciones ideales para las baterías y bajo corriente estándar de operación del motor. Por lo tanto cada vuelo que se efectúe requerirá cambiar 7 baterías, siendo que el costo aproximado por batería es de $13, por cada vuelo que se pretenda efectuar tendrá un costo de $91, por lo que en 10 vuelos se tendrá un gasto de $910 únicamente en baterías. III.3.3.2 BATERÍAS DE NÍQUEL E HIDRURO METÁLICO (NiMH) Este tipo de baterías tienen una gran aplicación en la telefonía celular, fue una de las primeras baterías recargables y es considerada como una de las fuentes más fiables por su longevidad. Estas baterías son más caras en comparación con las baterías alcalinas y no pueden sostener una carga por mucho tiempo. Con este tipo de baterías se tienen dos desventajas referentes a su capacidad, la primera es que la mayoría de estas baterías son fabricadas con una capacidad de 9.6V, lo cual limita su aplicabilidad, como solución algunos fabricantes colocan dos baterías en serie para aumentar su voltaje, pero incrementa el peso de la aeronave, puede provocar problemas de corriente y calentamiento debido a 37 efectos FEM. La segunda desventaja es el tiempo de recarga, el cual es muy lento, lo cual puede retrasar e incrementar el tiempo entre vuelos, llegando a ser de un vuelo por día, una ventaja es su mayor capacidad siendo desde los 1200mAH hasta los 2000mAH. III.3.3.3 BATERÍAS NÍQUEL-CADMIO (NiCd) Es el tipo más popular de baterías utilizadas para diseños de radiocontrol ya que son más económicas que las baterías NiMH y tienen un tiempo de recarga más rápido, este tipo de baterías fueron empleadas en los primeros años de las computadoras portátiles, debido a su rápido tiempo de carga. Respecto a los cuatrirotores la mayoría de estas baterías se encuentran fabricadas en 6V (5 celdas), 7.2V (6celdas) y 9.6V (8 celdas) usualmente con una carga aproximada de 2200 mAH por batería. Al igual que las baterías NiMH tienen un bajo potencial de 1.2V en comparación con las baterías alcalinas de 1.5V., por lo tanto se requiere utilizar baterías en serie para obtener el potencial requerido por el motor. Este tipo de baterías presentan las siguientes desventajas: Efecto memoria Formación de dendrita Metales tóxicos Este tipo de baterías es recomendable para la alimentación de los circuitos del cuatrirotor, en vez de emplearse para la alimentación de los motores. III.3.3.4 BATERÍAS NÍQUEL-ZINC (NiZn) Este tipo de baterías ha tenido gran aplicación en bicicletas y vehículos eléctricos y recientemente se está ampliando su uso en aplicaciones más pequeñas como telefonía celular y equipos de radiocomunicación, el tamaño de estas baterías es similar al de las baterías NiMH o NiCd. Estas baterías se pueden encontrar en tamaños AA y con un voltaje de 1.6V y una capacidad de 2000mAH, el tiempo de 38 carga de estas baterías es de dos horas y media, con una velocidad muy rápida de carga. También contiene metales pesados y se debe tener cuidado con su uso y disposición. Su principal desventaja es su rápida velocidad de descarga, lo cual disminuye considerablemente el tiempo de vuelo, debido a su velocidad de carga, se recomienda este tipo de baterías para la alimentación de los circuitos del cuatrirotor únicamente. III.3.3.5 BATERÍAS DE POLÍMERO DE LITIO (LiPo) Las baterías de polímero de litio tienen un mayor voltaje siendo entre 3.6V a 4.7V por celda, esto permite una aeronave con un menor número de baterías y disminución del peso del cuatrirotor. Esta batería tiene un costo más elevado y requiere mayores precauciones de uso, el costo de estas baterías depende de la capacidad de carga, por ejemplo, una batería de 2300mAH a 11.1V su costo aproximado es de $850, mientras que una batería de 5500mAH a 11.V su costo aproximado es de $2500. En este tipo de baterías debe tenerse especial cuidado con su proceso de carga/descarga dado que un mal proceso puede ocasionar fuego y causar serias lesiones a las personas o pérdidas materiales. Además cada fabricante proporciona su propio cargador, lo cual representa una ligera desventaja frente a los otros tipos de batería. Estas baterías son recomendables para alimentar los motores de los cuatrirotores debido a su elevado de voltaje y capacidad, lo cual disminuye el peso del cuatrirotor considerablemente, sin embargo, el precio de la aeronave aumentará considerablemente. III.3.4 MOTORES Los motores son un aspecto esencial para la estabilidad y control de un cuatrirotor, los aspectos a considerar durante la elección del motor son: Peso 39 Alta velocidad y torque Relación costo/beneficio Control de velocidad por PWM Sincronización Un motor se define como un dispositivo que puede convertir la energía eléctrica en energía mecánica, a diferencia de los dispositivos piezoeléctricos, que funcionan en la conversión de energía por vibración o fricción, los motores eléctricos emplean la inducción y utilizan típicamente un sistema de rotor para la conversión de energía, los motores típicamente considerados para aplicaciones de corriente directa pueden ser: motor con escobillas, motor paso a paso, servomotores y motores sin escobillas. Generalmente para aeronaves de tamaños pequeños se emplean motores de corriente directa y los hay de dos tipos: Con escobillas Sin escobillas Los motores con escobillas los hay de distintos tamaños, formas y potencias, para accionar estos motores solo es necesario aplicar tensión de alimentación entre sus bornes, y para invertir el sentido de giro basta con invertir la alimentación, para invertir el sentido de giro del motor. A diferencia de los motores paso a paso y servomotores, estos motores no pueden mantenerse en una posición específica, estos simplemente giran a su máxima velocidad y en el sentido que se aplique la alimentación. Los motores con escobillas están compuestos por dos piezas fundamentales: Rotor Estator 40 Imagen 24: Motor con escobillas Los siguientes elementos son componentes básicos de un motor con escobillas: Escobillas y portaescobillas Colector Eje Devanado del rotor (bobinas) Imanes Carcasa El rotor es la parte móvil del motor y es el que proporciona el torque requerido para mover una carga, está formado por el eje, núcleo, bobinas y colector. El estator es la parte fija del motor y su función es suministrar el flujo magnético que será usado por el bobinado del rotor para realizar su movimiento rotatorio, está formado por carcasa, imán permanente y escobillas; La función de las escobillas es transmitir la tensión y corriente de la fuente de alimentación hacia el colector y bobinado del rotor. Por otro lado están los motores sin escobillas los cuales han ganado más popularidad durante los últimos años, actualmente este tipo de motores se emplean también en sectores industriales tales como: automotriz, aeroespacial, médico, equipos de automatización entre otros. 41 Los motores sin escobillas tienen la característica de que no emplean escobillas en la conmutación para la transferencia de energía hacia el colector y bobinado del rotor, en este caso, la conmutación se realiza electrónicamente (conmutación electrónica basada en sensores de posición de efecto Hall). Esta característica permite eliminar problemas que tienen los motores con escobillas como son: Rozamiento Calentamiento Bajo rendimiento Ruido Mayor mantenimiento Los motores sin escobillas ofrecen mayores ventajas frente a los motores con escobillas, siendo las siguientes: Mejor relación velocidad-par motor Mayor eficiencia Menor ruido Mayor vida útil Mayor rango de velocidad Al tener una mayor relación velocidad-par implica que se puede emplear en aplicaciones con espacio reducido como el caso de los cuatrirotores, sin embargo, sus dos principales desventajas por el momento son: Mayor costo Sistemas de control más complejos Por lo que para un cuatrirotor es preferente emplear motores sin escobillas para impulsar las hélices de los rotores, sin embargo, el costo del proyecto aumenta considerablemente. Es posible también emplear motores con escobillas y su 42 desventaja radicaría principalmente en un rendimiento más bajo, mayor consumo de energía y menor número de revoluciones en las hélices. El motor paso a paso también como “stepper motor” y los servomotores pueden girar y pararse con una precisión elevada. Esta alta precisión y su fiabilidad los destinan a ser utilizados en una gran cantidad de dispositivos electrónicos como por ejemplo robots, impresoras, fotocopiadoras, discos duros, etc., por lo que ambos tipos de motores no pueden ser empleados para impulsar las hélices, dado que se requiere que las hélices siempre estén girando y se pueda controlar el número de revoluciones, este tipo de motores tiene gran aplicación en aeronaves de ala fija, donde se requiere que las superficies de control mantengan una posición e inclinación determinada III.3.5 COMUNICACIÓN INALÁMBRICA Existen diferentes protocolos de comunicación inalámbrica disponibles para poder llevar a cabo el control sobre los cuatrirotores. A continuación se describen los protocolos de comunicación más populares que existen en el mercado, de los cuales se verán y analizarán sus ventajas y desventajas al aplicarse sobre los cuatrirotores. III.3.5.1 WI-FI Wi-Fi es un protocolo ampliamente utilizado para las comunicaciones inalámbricas en general, es uno de los protocolos más empleados a nivel mundial. Existen diversos tipos de Wi-Fi, basado cada uno de ellos en un estándar IEEE 802.11; el estándar 802.11b opera en la banda de frecuencia 2.4 GHz ISM con una tasa máxima de transferencia de datos de 11 Mb/s., el alcance máximo con el estándar 802.11g es de 38m en interiores y 140m en exteriores. La tasa de transferencia de datos es muy alta, como es el caso de los cuatrirotores que únicamente controlan su navegación. Lo más recomendado para este tipo de 43 comunicación son proyectos que además de permitir controlar el cuatrirotor permita enviar datos de video y voz en tiempo real. Debido a su alta tasa de transferencia de datos, este consume mucha energía. Lo cual si es un cuatrirotor limitado en cuanto a su batería, debe considerarse utilizar otro protocolo de comunicación, ya que esta energía puede emplearse en elementos más importantes tales como motores y sensores. El Wi-Fi tiene varios protocolos sofisticados que permiten su versatilidad en muchas aplicaciones, esta versatilidad del Wi-Fi lo hacen más costoso y difícil de desarrollar. Este tipo de tecnología tiene la capacidad de soportar protocolos de seguridad como AES y TKIP, lo cual permite que la comunicación pueda ser expuesta a que algún usuario no deseado intervenga las comunicaciones. Dado que este estudio contempla un cuatrirotor como un vehículo aéreo no tripulado, mientras más se extienda la comunicación mejor. El costo de un cuatrirotor que se comunique mediante Wi-Fi puede elevarse considerablemente; al emplear Wi-Fi como comunicación inalámbrica es una excelente alternativa, sin embargo, deberá considerarse el costo, tipo de equipo instalado en el cuatrirotor, volumen de datos que se transferirán y alcance requerido para mantener la comunicación. III.3.5.2 ZIGBEE ZigBee es un protocolo que se emplea normalmente en redes de sensores, este protocolo emplea una topología de red en malla donde cada dispositivo puede comunicarse con otro dispositivo sin un dispositivo central de comunicación. ZigBee está basado en el estándar 802.15.4 de la IEEE. Está considera como una WPAN. ZigBee puede trabajar en las bandas ISM de 915 MHz y 2.4 GHz. La tasa de transferencia de datos máxima es de 250 Kbits/s y puede operar en diferentes distancias dependiendo del medio ambiente y componentes usados, los rangos de alcance oscilan entre los 10 y 75m. Este protocolo fue diseñado para ser una solución de bajo costo y bajo consumo de energía. 44 III.3.5.3 BLUETOOTH Bluetooth es un estándar de comunicación específicamente diseñado para reemplazar los cables entre dispositivos en un corto alcance, también es una WPAN y trabaja en la banda ISM de 2.4GHz. Este estándar de comunicación es muy utilizado por la telefonía celular, especialmente para audífonos, dado que esto elimina los cables necesarios entre el audífono y el micrófono, reemplazándolo por un dispositivo inalámbrico. Aunque este protocolo es muy utilizado para comunicaciones de corto alcance (10m), este puede lograr un alcance hasta de 100m cuando se emplea una radio Bluetooth de clase 1. El estándar de bluetooth puede alcanzar una tasa de transferencia de datos máxima de 1 Mbps para la versión 1.2, 3Mbps para la versión 2.0+EDR y de 24Mbps para la versión 3.0+HS. III.3.5.4 6LOWPAN 6LOWPAN es un protocolo de bajo consumo de energía, trabaja igual que ZigBee, el 6LOWPAN está basado en el estándar 802.15.4 de la IEEE. ZigBee es también un protocolo LOWPAN, la diferencia entre 6LOWPAN y ZigBee, es que 6LOWPAN emplea el protocolo IPv6 lo cual le permite comunicarse con la mayoría de dispositivos que emplean el protocolo IPv6, pero 6LOWPAN tiene una desventaja al no ser tan maduro y contar con la popularidad de ZigBee. Este sistema de comunicación requiere que se implemente un software en un microcontrolador. III.3.5.5 Z-WAVE Z-Wave es también un protocolo de baja potencia y de baja tasa de transferencia de datos. Este protocolo fue diseñado con una tasa de transferencia de datos extremadamente baja, por lo tanto se le ha dado una gran aplicación en la automatización de edificios inteligentes, donde únicamente se requiere que los interruptores envíen señales de apagado/encendido para el control de la iluminación. Z-Wave trabaja en la banda ISM a 900MHz y tiene una tasa de 45 transferencia de datos que oscila entre los 9.6 Kbps y 40 Kbps. En el exterior ZWave puede tener un alcance de hasta 30m. Este protocolo puede ser empleado para cuatrirotores que no requieran un control preciso, que el presupuesto del proyecto sea bajo y que no se requiera un alcance largo. III.3.5.6 DASH7 Dash7 es un protocolo de comunicación inalámbrica de baja potencia y fue diseñado para tener un grupo de sensores conectados en una red de malla. Dash7 puede alcanzar una tasa de transferencia de datos de hasta 250Kbps, un dato muy importante de este protocolo es que puede tener un alcance impresionante, pudiendo ser de hasta 2Km., este gran alcance es debido a que trabaja en la banda ISM a 433 MHz, lo cual permite que esta frecuencia pueda penetrar paredes y otros objetos, el cual es un gran aspecto importante para el tipo de misión de un cuatrirotor. La única desventaja que presenta este protocolo es su precio por costos de diseño y baja popularidad en el mercado, sin embargo, es una excelente opción si se cuenta con el presupuesto adecuado y las condiciones de la operación así lo requieren. III.3.6 SENSORES III.3.6.1 SENSORES PARA LA ESTABILIDAD DEL VUELO Para tener la estabilidad de vuelo y conseguir un control del vuelo, es necesario que en un cuatrirotor se emplee una combinación de sensores, para monitorear continuamente la posición de la aeronave en sus distintas actitudes (alabeo, cabeceo y guiñeo), permitiéndole al microprocesador procesar los datos transmitidos por estos sensores y realizar ajustes en tiempo real. El cabeceo es una medición de la variación del ángulo sobre el eje longitudinal de la aeronave; el alabeo es la medición de la variación del ángulo sobre el eje 46 transversal; y el guiñeo es la medición de la variación del ángulo sobre el eje vertical. Imagen 25: Ejes de un cuatrirotor Para el control de un cuatro rotor es muy importante controlar el cabeceo y alabeo. III.3.6.1.1 IMU Para el control de las actitudes de la aeronave se utiliza una IMU, el cual es una combinación de acelerómetros y giróscopos. La IMU se encarga de que diferentes sensores trabajen juntos para establecer una orientación relativa al terreno precisa de la aeronave. Las IMU varían en los grados de complejidad de acuerdo al número de ejes que pueden ser medidos por los diferentes sensores. Por ejemplo, una IMU de tres grados de libertad, permite medir 3 ejes con un sensor y una IMU de 9 grados de libertad puede medir el mismo número de ejes con 3 diferentes tipos de sensores. III.3.6.1.1.1 ACELERÓMETRO Un acelerómetro, mide la aceleración relativa de la caída libre sobre un eje, existen acelerómetros que permiten calcular la aceleración sobre dos o tres ejes, teóricamente un acelerómetro de dos ejes puede ser suficiente para medir el 47 alabeo y cabeceo, sin embargo, un acelerómetro de tres ejes que permita medir el guiñeo pudiera ser de mayor beneficio para un mayor control. Imagen 26: Sensor acelerómetro III.3.6.1.1.2 GIRÓSCOPO A primera vista pareciera ser que los acelerómetros por sí solos son suficientes para monitorear las actitudes de cabeceo y alabeo de la aeronave, sin embargo, los acelerómetros tienen variaciones en su medición por factores como vibración y aceleración centrípeta, para el caso de los cuatrirotores donde los movimientos laterales o los giros de la aeronave no son tan rápidos como en las aeronaves de ala fija, se puede considerar que la aceleración centrípeta es despreciable pero por otro lado la vibración que generan los cuatro rotores girando a diferentes velocidades es un efecto que afecta la medición de los acelerómetros. Imagen 27: Sensor giróscopo III.3.6.1.1.3 MAGNETÓMETRO Un magnetómetro puede ser una alternativa próxima a los giróscopos para la sensación de la orientación en conjunto con acelerómetros. Los magnetómetros pueden detectar y medir el campo magnético a sus alrededores para producir un 48 vector sobre uno o más ejes pero están sujetos a interferencia de campos magnéticos generados por otros dispositivos eléctrico/electrónicos. Los magnetómetros ofrecen una ventaja sobre los giróscopos en que su rumbo es constantemente actualizado y no sufre de los efectos de derrape como en un giróscopo, lo cual provoca una acumulación de error de posición con respecto al tiempo. Este tipo de dispositivos ofrecen una mejor precisión en el rumbo que siga la aeronave pero no brindan una medición precisa del alabeo. Una combinación de un magnetómetro y acelerómetro que compense la inclinación en el alabeo, es más recomendable para aeronaves de ala fija, donde las velocidades son mayores. Para un cuatrirotor donde la velocidad de operación es menor, el control y corrección del rumbo de la aeronave es más simple, la detección y corrección de inclinación sobre el eje longitudinal de la aeronave es recomendable para la estabilidad de vuelo de una aeronave de ala fija. Imagen 28: Sensor magnetómetro III.3.6.1.1.4 SENSOR INFRARROJO PARA EL HORIZONTE Otra alternativa para el control de una aeronave es emplear un sistema de medición del horizonte por infrarrojo. Esta tecnología está basada en la diferencia de temperatura, donde el cielo es más frío que el terreno y esta diferencia de temperaturas puede ser detectada usando termófilos. 49 Imagen 29: Sensor infrarrojo para el horizonte El problema con esta tecnología es que además del precio, es significativamente menos efectiva a bajas altitudes, y puede disminuir aún más por edificios y construcciones cercanas. No es recomendable emplear esta tecnología en cuatrirotores debido a su baja altitud a la cual opera y dado que una de sus principales ventajas es utilizar su vuelo en espacios reducidos cercano a construcciones y edificios. III.3.6.2 SENSORES PARA DETECCIÓN DE DISTANCIAS Un cuatrirotor requiere de sensores que midan distancias para mantener un vuelo estacionario a una altitud constante y para prevenir colisiones contra el terreno u obstáculos laterales. El sensor que se encuentre en la parte baja del cuatrirotor debe ser capaz de proporcionar una medición confiable y precisa de la distancia con respecto al terreno para bajas altitudes, mientras que el sensor o los sensores que se posicionen lateralmente deben ser capaces de detectar objetos ya sea lateralmente o hacia adelante para prevenir colisiones. Se puede implementar una especie de arco empleando múltiples sensores para obtener una mayor seguridad en el vuelo. III.3.6.2.1 SENSORES DE PROXIMIDAD ULTRASÓNICOS Los sensores ultrasónicos trabajan emitiendo una onda de sonido en un rango ultrasónico, por encima de 20 KHz, y midiendo el tiempo que tarda la onda de sonido en regresar. Sin embargo, los sensores ultrasónicos no son perfectos, por ejemplo hay variaciones en como las diferentes superficies reflejan las ondas de 50 sonido dependiendo de su composición y/o su ángulo relativo al sensor, así que estos factores limitan la precisión de los sensores ultrasónicos. Otra desventaja de los sensores ultrasónicos es el ruido o eco provenientes de ondas de sonido producidas por cohetes. Imagen 30: Sensor de proximidad ultrasónico III.3.6.2.2 SENSORES DE PROXIMIDAD INFRARROJOS Los sensores de proximidad infrarrojos trabajan emitiendo un haz de luz infrarroja y evalúa el retorno de la luz. Los métodos de evaluación del retorno de la luz puede ser la triangulación, mediante el cual se considera el ángulo de retorno y modulación la cual se concentra sobre una modulación específica de la señal. Los sensores infrarrojos son generalmente menos costosos que los ultrasónicos, tienen un menor alcance, por ejemplo, un sensor de largo alcance de la marca Sharp tiene un alcance de 15cm a 1.5m. Los sensores infrarrojos no son efectivos en el exterior, pues son susceptibles a luz infrarroja del sol. Imagen 31: Sensor de proximidad infrarrojo III.3.6.2.3 SENSORES DE PROXIMIDAD DE RAYO LÁSER Los sensores de proximidad de rayo láser trabajan de forma muy similar a un sensor ultrasónico pero en vez de emplear sonido, emplean un impulso de láser. 51 Este tipo de sensores permiten un mayor alcance y precisión en comparación con los ultrasónicos e infrarrojos, pero son significativamente más costosos. Este tipo de sensores tienen un amplio uso en aplicaciones militares tales como adquisición de blancos y detección de velocidad, pueden tener un alcance que va desde los 2 Km hasta los 25 Km. Imagen 32: Sensor de proximidad de rayo láser III.3.6.3 MEDICIÓN DE LA ALTITUD Es recomendable que un cuatrirotor, además de contar con un sensor de proximidad al terreno, se encuentre con un dispositivo capaz de medir la altitud, el propósito de este dispositivo es asegurar que el cuatrirotor mantenga un nivel de vuelo deseado ya sea de forma manual o autónoma. III.3.6.3.1 ALTÍMETRO BAROMÉTRICO Los altímetros barométricos miden la altitud mediante la diferencia de presiones, una menor presión atmosférica indica mayor altitud, la altitud puede ser representada por la siguiente ecuación: ; Donde c es una constante, T es la temperatura absoluta, P es la presión a la que se encuentra el objeto y P0 es la presión al nivel del mar. Como este sensor es únicamente para mantener un vuelo nivelado, puede optarse por comprar un sensor sin mucha precisión, pudiendo disminuir el costo del cuatrirotor. 52 Imagen 33: Sensor altímetro barométrico III.3.6.3.2 ALTÍMETRO EMPLEANDO GPS Para obtener una medición de la altitud es posible emplear la tecnología GPS, la medición de la altitud empleando GPS tiene errores sobre las componentes horizontal y vertical, por lo que no es un sistema muy eficiente y recomendable para la medición de la altitud. III.4 MISIONES Los cuatrirotores proveen grandes ventajas cuando son elegidos para aplicaciones como la investigación, la inspección remota, aplicaciones militares, etc., así como también para salvar pilotos humanos de peligrosas condiciones de vuelo. Como un UAV, los cuatrirotores son muy útiles cuando el ambiente es de difícil acceso, cuando el vuelo es peligroso, monótono o es demasiado extendido y las habilidades del piloto no alcanzan. Como helicóptero, tiene grandes ventajas frente a las aeronaves convencionales ya que pueden despegar y aterrizar en aéreas limitadas y pueden fácilmente flotar sobre objetos estáticos o en movimiento. Los helicópteros se utilizan en diferentes tipos de tareas desde las civiles hasta las militares, siendo estas últimas las más conocidas o empleadas. Dentro de las aplicaciones civiles se puede mencionar la vigilancia del tráfico en carreteras, las operaciones de búsqueda aérea y salvamento, la recolección de información para la predicción meteorológica o detección de fuego, etc. 53 El cuatrirotor posee ciertas ventajas sobre los helicópteros convencionales, por ejemplo, la posición y orientación se logra variando la velocidad angular de cada uno de los cuatro motores, dado que las hélices son de paso fijo. El cuatrirotor que está compuesto de cuatro rotores que dotan a la aeronave de mayor estabilidad, y cuyos movimientos se consiguen variando la velocidad relativa de cada rotor. También un cuatrirotor puede permitir establecer la posición en tres dimensiones del mismo y los diferentes ángulos de orientación proporcionados por el modelo dinámico del vehículo, crear un sistema de control que regule el comportamiento de cada uno de los rotores con el fin de alcanzar una posición deseada y que sea modificable por el usuario, simular la trayectoria del cuatrirotor (obtenida con un controlador y visualizarlo en dos y tres dimensiones). Los vehículos aéreos tripulados por control remoto o no tripulados son aeronaves autónomas que pueden volar sin necesidad de contar con un piloto humano ya que se pueden contar con un control de vuelo programado. Su uso está cada vez más extendido en tareas con grandes riesgos o que presentan cierta dificultad, como en labores de lucha contra incendios, seguridad civil, misiones militares, etc. Este tipo de vehículos puede permitir la adquisición de información en tiempo real en zonas anteriormente inaccesibles, como por ejemplo, la pluma de gases emanados por un volcán, dando lugar a una mejor modelización del estado de la zona mediante el aumento de la velocidad de la adquisición de datos y de la seguridad de los investigadores. Sin embargo, estas ventajas van acompañadas de un bajo coste y la elevada frecuencia en la adquisición de los datos. Algunos cuatrirotores pueden descargar y volar automáticamente por una ruta preestablecida y trazada por GPS, así como, también puede portar cámaras digítales, infrarrojas y sensores de gases que envían instantáneamente información a tierra. Un ejemplo de misión militar es un cuatrirotor de medio metro de diámetro y un sistema de navegación autónomo. El operador sólo marca dos puntos: el lugar de partida y el del destino, el resto lo realiza el software y la cámara con capacidad 54 para levantar un plano tridimensional del terreno. Como resultado, el cuatrirotor evita los obstáculos, entra por ventanas y puertas de una instalación, se suspende por encima del objetivo y elige un adecuado lugar de aterrizaje, permitiendo a los soldados una visión más amplia de sus objetivos sin arriesgar la vida. De hecho, en el futuro cada soldado tendrá su propio ‘espía’ robótico. Tampoco se descarta que los robots voladores se equipen con armas para eliminar o neutralizar a los enemigos. Hoy en día los UAV militares realizan tanto misiones de ataque como de reconocimiento, y se han contabilizado numerosos casos exitosos de aplicaciones con estos tipos de aeronaves. También se utilizan en pequeño, pero creciente número de aplicaciones civiles, como prevención y lucha contra incendios, reconocimiento y toma de muestras en ambientes de alta toxicidad o radiactividad y ayuda en el rescate de náufragos. Imagen 34: Misiones para los UVA 55 CAPÍTULO IV “AERONAVES DE ALA FIJA” IV.1 INTRODUCCIÓN Un avión es bueno como lo es su estructura, el fuselaje determina lo bien que va a volar, restringiendo su velocidad y el tiempo de vuelo. Existen diferentes tipos y estilos de aeronaves, cada uno tiene sus propias ventajas y desventajas. Entrenamiento. Este tipo de aeronaves son diseñadas específicamente para principiante, generalmente son modelos de tamaño grande hechos principalmente de madera balsa, con las semi-alas montadas en la parte superior del cuerpo, usualmente vuelan a bajas velocidades. Modelos a escala. Este tipo de aeronaves recrean los modelos originales a una escala reducida, son usados por personas con mayor experiencia en vuelo, por ejemplo, radiocontrol. Sin embargo son difíciles de fabricar y de volar. Warbirds. Este tipo de aeronaves representan a las aeronaves militares a escala, tienen un vuelo suave y estéticamente se ven atractivos, algunos de ellos son modificados para mejorar sus características de vuelo. Aerobáticos. Típicamente son aeronaves con semi-alas cortas diseñadas especialmente para acrobacias, este tipo de aeronaves son muy difíciles de maniobrar y requieren de una gran experiencia. La mayoría de estas aeronaves tienen las semi-alas montadas al frente del fuselaje. FlatOuts. Típicamente son aeronaves hechas de espuma reforzada, son aeronaves rápidas, fáciles de ensamblar y de volar. Sin embargo, tiene un tiempo de vuelo muy corto por que no son capaces de poder montar motores de gran tamaño, usualmente son utilizadas para practicar maniobras acrobáticas. Planeador. Estas aeronaves tienen alas muy delgadas y muy grandes, son usados para planear y elevarse usando las corrientes térmicas de la atmósfera, debido a su facilidad para planear, este tipo de aeronaves son ideales para volar 56 distancias muy largas a velocidades muy bajas, sin embargo, soportan poco peso de carga y son difíciles de maniobrar. Entrenamiento Modelo a escala Warbird Aerobático Planeador Imagen 35: Tipos de UAV ala fija Las especificaciones que deben considerarse para la elección de uno u otro tipo de aeronave son al menos las siguientes: Propósito o misión a emplear Tiempo de vuelo (Basado en el tamaño y tipo de motor empleado) Estabilidad Maniobrabilidad Materiales de construcción Sistema de control Sistema de aterrizaje 57 IV.2 SISTEMAS DE CONTROL El control de una aeronave se realiza actuando sobre los mandos de vuelo que mueven las superficies de control. El conocimiento del funcionamiento de estas superficies y el efecto en el control de la aeronave, permiten al piloto tener una mejor comprensión de una posible emergencia en vuelo, así como proporcionar la respuesta adecuada en dicho caso. Imagen 36: Superficies de control de vuelo de una aeronave de ala fija IV.2.1 EJES DE LA AERONAVE Para entender los sistemas de control de las aeronaves de ala fija explicaremos primero los ejes de la misma. Existen tres ejes de referencia perpendiculares entre sí y que se cortan en el centro de gravedad, tales como se muestran en la siguiente figura. 58 Imagen 37: Ejes de una aeronave de ala fija El eje longitudinal tiene su origen en el centro de gravedad de la aeronave y está situado en el plano de simetría y hacia la nariz de la aeronave, alrededor de este eje se produce el movimiento de alabeo (roll). El eje lateral tiene su origen en el centro de gravedad y es perpendicular al plano de simetría de la aeronave, siendo su sentido positivo hacia la derecha, alrededor de este eje se produce el movimiento de cabeceo (pitch). El eje vertical tiene su origen en el centro de gravedad al igual que los anteriores ejes, está situado en el plano de simetría de la aeronave y su sentido positivo es hacia abajo, alrededor de este eje se produce un movimiento de guiñeo (yaw). Alrededor de estos ejes se generan tres momentos posibles, el momento positivo alrededor del eje longitudinal, produce un movimiento de balance, el momento positivo alrededor del eje vertical, produce un movimiento de guiñeo positivo haciendo girar el avión hacia la derecha; y el momento positivo alrededor del eje lateral, produce un movimiento de cabeceo que tendería a elevar la nariz del avión (Imagen 37). 59 IV.2.2 ESTABILIDAD Y CONTROL Las aeronaves de ala fija se encuentran en estado de equilibrio si la suma de todas las fuerzas y momentos en su centro de gravedad es igual a cero. Esto significa, que no existen momentos de cabeceo, alabeo y guiñeo. Sin embargo la estabilidad, podría definirse como la capacidad de una aeronave para mantener el equilibrio y recuperarse de los efectos de condiciones perturbadoras, tales como turbulencias, ráfagas, etc. Y el control es la capacidad de respuesta de una aeronave a los mando del piloto. En cada condición de vuelo, la aeronave debe encontrarse equilibrado y la estabilidad es necesaria para minimizar el esfuerzo del piloto. A continuación se da un ejemplo: Supongamos un vuelo de crucero a velocidad constante, si el avión sufre una ráfaga que le provocase un incremento del ángulo de ataque que produciría mayor sustentación y desequilibraría la fuerza según el eje vertical, el avión debido a su estabilidad debe reaccionar reduciendo el ángulo de ataque y así mantener la situación de equilibrio inicial. Esto lo realiza la aeronave sin actuar en ningún mando. Para que un avión responda a los mandos de control, su estabilidad debe ser alterada, es decir, el equilibrio inicial debe ser alterado hasta una nueva situación de equilibrio. Ejemplo: Supongamos el vuelo anterior y queremos reducir la velocidad, la aeronave deberá estar en equilibrio y para ello el piloto deberá alterar el equilibrio anterior hasta la nueva posición mediante la acción de los mandos de vuelo, este caso con el timón de profundidad. IV.2.3 SUPERFICIES DE CONTROL PRIMARIAS Las superficies de control primarias son aquellas con las que el piloto consigue el equilibrio de la aeronave. Básicamente son tres: 1. Timón de profundidad (Elevators) 60 Controla el movimiento longitudinal de cabeceo alrededor del eje transversal. Están localizados en la parte final o borde de salida del estabilizador horizontal, estos actúan empujando y tirando sobre el mando de vuelo o palanca. 2. Alerones Controlan el movimiento de alabeo alrededor del eje longitudinal, estos se encuentran localizados en el borde de la salida de las alas, los alerones se activan girando la palanca o mando a izquierda y derecha. 3. Timón de dirección (Rudder) Controla el movimiento de guiñeo alrededor del eje vertical, se encuentra localizado en el estabilizador vertical en la sección de la cola y cerca del borde de salida, el accionamiento del timón de dirección se efectúa pisando los pedales del timón a derecha e izquierda. IV.3 TECNOLOGÍA IV.3.1 ESTRUCTURA Hay diferentes materiales y técnicas para la construcción de este tipo de aeronaves que se están estudiando. Cada uno de estos métodos tiene sus propias ventajas y desventajas. Los materiales más comunes para la construcción de estas aeronaves son: Madera Tela Plástico Metal Espuma Materiales compuestas (Fibra de vidrio y carbón comúnmente) 61 IV.3.1.1 MADERA El tipo de madera que se emplea es madera balsa, las ventajas de este material es que es un material muy económico y fácil de manipular. Este material es ligero, tiene alta disponibilidad en el mercado y por lo tanto tiene un costo bajo. Para evitar daños a la estructura por efectos de humedad se debe proteger la madera (generalmente se aplica monokote). IV.3.1.2 ESPUMA La espuma es comúnmente utilizada en aeronaves pequeñas, este material es muy resistente a la compresión, generalmente se utiliza poliestireno, poliuretano, PVC y espuma panal de abeja. El poliestireno es el más empleado, sin embargo, es importante mencionar que el gas y otros solventes disuelven este tipo de material. La espuma de PVC es más resistente a la mayoría de los solventes, ya que puede soportar temperaturas altas. La ventaja principal de este material es que su acabado final es muy suave, lo cual permite que se tengan superficies con buenos acabados y de mayor eficiencia aerodinámica a un bajo costo. IV.3.1.3 METAL Este tipo de material es más difícil de manipular y requiere de diferentes procesos de manufactura para obtener las distintas formas geométricas que componen la estructura de la aeronave. Al emplear una estructura de metal no requieren de una estructura de soporte, además de ser más resistentes a daños. IV.3.1.4 MATERIALES COMPUESTOS Otro material empleado para la fabricación de la estructura son los materiales compuestos, generalmente este tipo de materiales se emplean en aeronaves de mayor tamaño, debido al proceso de fabricación. Estos materiales se componen de un núcleo y una resina, generalmente los materiales más comunes para el núcleo son: espuma, madera y honeycomb. La espuma más empleada es el 62 poliestireno pero no se recomienda usar resinas de poliéster o vinílicas, este material proporciona la forma de la pieza a fabricar y soporta el material durante el proceso de curación. Hay tres tipos principales de materiales de refuerzo: fibra de vidrio, fibra de carbón y kevlar. La fibra de vidrio es la más empleada, sin embargo, la fibra de carbón es la más resistente pero su costo es más elevado; El kevlar es un material muy poco popular y con una baja resistencia a la compresión, tiene una gran resistencia a la tensión. La resina juega un aspecto importante en el ámbito de los materiales compuestos y existen resinas de poliéster, epóxicas y vinílicas. Las resinas de poliéster son las más económicas y endurece rápidamente por lo que no soporta muchos esfuerzos mecánicos de tensión-compresión. La resina epóxica es la más resistentes y ligera de las tres, sin embargo, necesita un recubrimiento dado que es un material poco resistente a altas temperaturas. Las resinas vinílicas combina las mejores propiedades de las resinas epóxicas y poliéster, ya que es resistente, flexible, tiene un fácil uso, es de bajo costo y se seca rápidamente, su desventaja es que requiere de una mezcla precisa y puede resultar en una solución explosiva. Las principales desventajas de este tipo de materiales es su complejidad durante la fabricación, tienen un alto costo y poca posibilidad de hacer reparaciones al material. IV.3.2 SEMI-ALAS En aeronáutica se denomina semi-ala o ala a un cuerpo aerodinámico formado por una estructura, compuesta por un perfil aerodinámico y que es capaz de generar una diferencia de presiones entre su cara superior (intradós) y su cara inferior (extradós) al desplazarse por el aire lo que produce la fuerza ascendente de sustentación que mantiene al avión en vuelo. 63 Los aviones pueden tener un número diferente de alas, monoplanos para un ala y biplanos, triplanos para más alas; la configuración de monoplano es la más empleada actualmente debido a la alta resistencia al avance que genera tener más de un plano. Las alas pueden tener básicamente las siguientes posiciones: ala baja, ala media y ala alta; El ala baja se emplea para aeronaves acrobáticas y rápidas que requieren giros rápidos; el ala media se emplea básicamente para aeronaves que requieren mayor estabilidad y una maniobrabilidad suave de la aeronave; y el ala alta se emplea para aeronaves de carga que requieren mayor peso de carga. Cuando se diseña un ala, se consideran diversos factores como se presenta en la siguiente tabla: CARACTERÍSTICAS DEL VUELO VELOCIDAD CAPACIDAD DE CARGA DEL ALA X PERFIL AERODINÁMICO X CAPACIDAD DE ÁNGULO DIEDRO X X LEVANTAMIENTO X X X ESTABILIDAD CAPACIDAD DE DESASTRES X X GIROS DESPLOME ALARGAMIENTO X X X X X X X X X X RELACIÓN LEVANTAMIENTO / RESISTENCIA AL AVANCE AEROBÁTICO X X Tabla 2: Tabla con los diversos factores para el diseño de un ala. 64 IV.3.2.1 PERFIL AERODINÁMICO El perfil aerodinámico es la forma del área transversal de un ala, que al desplazarse a través del aire es capaz de crear a su alrededor una distribución de presiones que genera sustentación. Se pueden clasificar según su forma en simétricos y asimétricos, y también en base a sus características: laminares, de alta sustentación, delgados, de bajo momento, etc. Los perfiles simétricos se emplean generalmente para aviones aerobáticos, los perfiles asimétricos se utilizan para aviones de entrenamiento, planeadores y biplanos, los perfiles delgados se utilizan para tener un vuelo suave y lento, los perfiles curvos se utilizan para modelos a escala y planeadores. IV.3.2.2 CARGA ALAR La carga alar es la medición del peso soportado por cada unidad de área, cuanto menor sea la carga alar más lento será el despegue, vuelo y aterrizaje, cuanto mayor sea la carga alar será más fácil de maniobrar en el aterrizaje, pero deben volar más rápido para mantenerse en vuelo. IV.3.3 FUENTE DE ENERGÍA Hay dos fuentes primarias de energía para las aeronaves de ala fija y varían de acuerdo a su tamaño y tipo de misión donde vayan a operar y pueden ser: Eléctrica Combustible IV.3.4 MOTORES Los UAV que utilizan solo energía eléctrica emplean motores eléctricos de altas revoluciones por minuto. Estos suelen ser de menor potencia y menor peso siendo su periodo de autonomía inferior. Los UAV impulsados con gasolina u otros combustibles fósiles tienen prestaciones mayores además de una mayor autonomía. 65 Si se utiliza un motor eléctrico en una aeronave de ala fija esto conlleva una solución más simple y fácil de mantener, la mayor desventaja de este tipo de motores es que debe portar una batería de gran capacidad para tener una capacidad de vuelo amplia, el peso de las baterías limita mucho la disponibilidad de llevar más carga, aumenta el tamaño de la aeronave y reduce el tiempo de vuelo, con una batería típica se tiene un tiempo de vuelo aproximado de 15 minutos, este tiempo de vuelo se puede extender añadiendo más baterías, lo cual incrementa el costo del proyecto y el peso de la aeronave. Los motores que emplean combustible son sencillos y confiables, este tipo de motores requieren de mayores cuidados y mantenimiento durante la instalación y su operación. Estos motores emplean combustible líquido a base de gasolina, lo cual es menos costoso que las baterías, el costo inicial del motor es más elevado que un motor eléctrico, sin embargo, a largo plazo es más económico, confiable y duradero. IV.3.5 COMUNICACIÓN INALÁMBRICA Radio control. Las señales transmitidas pueden ser señales por PPM o PCM. PPM también cae en la categoría de frecuencia modulada (FM). La frecuencia de operación para los UAV que operan por radiocontrol es de 72 MHz o 2.4 GHz. La frecuencia normalmente es fija para el transmisor/receptor y hasta ocho canales de señales PPM pueden ser transmitidas al mismo tiempo. Después de que el receptor decodifica las señales del transmisor, se generan las señales PWM para los controles de la aeronave. Por ejemplo, supongamos un UAV donde únicamente se controlen tres superficies de control incluyendo el acelerador. Por lo tanto, solo se requiere el uso de tres canales: Canal 1 para el alerón derecho, canal 2 para el alerón izquierdo canal 3 para controlar la aceleración. 66 IV.3.6 CONTROL DEL PILOTO AUTOMÁTICO Un piloto automático es un sistema MEMS el cual se emplea para guiar un UAV sin la asistencia de algún operador humano, consiste en un conjunto complejo de software y hardware. La primera aeronave con piloto automático fue desarrollada por Sperry Corporation en 1962 y la demostración de su primer vuelo se dio dos años después. El sistema de piloto automático es ampliamente utilizado en las aeronaves y embarcaciones modernas. El objetivo de un sistema de piloto automático es guiar constantemente al UAV para seguir trayectorias de referencia o navegar a través de distintos waypoints. Este sistema puede guiar al UAV en todas las fases de vuelo incluyendo: despegue, ascenso, descenso, crucero, aproximación y aterrizaje. El sistema de piloto automático es parte de los sistemas de control de un UAV como se muestra en la figura XXX. El piloto automático necesita comunicarse con una estación en tierra para cambiar el modo de control, recibir señales de satélites GPS para la actualización de su posición y enviar señales a los motores del UAV. Figura XX: Sistema de control de un UAV por radiocontrol El piloto automático es un sistema de control de ciclo cerrado que consiste de dos partes: el observador y el controlador. Los observadores más comunes es el sistema de guía micro inercial incluyendo giróscopos, acelerómetros y sensores magnéticos. También hay otros dispositivos disponibles para determinar la actitud del UAV como infrarrojos y de visión. Las lecturas de los sensores combinadas 67 con la información del GPS puede ser pasada por un filtro para generar la estimación del estado actual para después generar cambios en el control. IV.3.6.1 HARDWARE PARA PILOTO AUTOMÁTICO Un sistema de piloto automático incluye paquetes de sensores para la determinación del estado y procesadores a bordo del UAV para la estimación y control y circuitos periféricos para los motores y las comunicaciones. Debido a las limitaciones de los UAV de tamaño pequeño, el hardware para piloto automático necesita ser de piezas pequeñas, peso ligero y de bajo consumo eléctrico. La precisión del control de vuelo de los UAV requiere una observación precisa de la actitud. Por otra parte, los paquetes de sensores deben garantizar un buen rendimiento especialmente en un ambiente variable donde hay variaciones de temperatura. IV.3.6.2 SENSORES INERCIALES MEMS Los sensores inerciales son usados para medir la posición en tres dimensiones 3D y proporcionar información sobre la actitud. la actual tecnología MEMS hace posible el uso de sensores diminutos y ligeros en los UAV. Los sensores inerciales MEMS incluyen: 1. Receptor GPS – Para medir la posición absoluta y velocidad con respecto al terreno. 2. Giróscopo: Para medir cambios angulares 3. Acelerómetro: Para medir las aceleraciones. 4. Magnético: Para medir el campo magnético, el cual puede ser usado para correcciones en el rumbo del UAV. 5. Presión: Para medir la velocidad de la aeronave. 6. Ultrasónico o SONAR: para medir la altura relativa con respecto al terreno. 7. Infrarrojo: para medir ángulos en la actitud. 8. Cámara RGB u otro dispositivo de imágenes: para reemplazar uno o más de los sensores previamente mencionados. 68 El GPS juega un papel indispensable en el control autónomo ya que este proporciona una medición de la posición absoluta. El error que existe entre la medición del GPS y la posición real puede ser garantizado siempre que exista un seguro de 3 dimensiones. Por ejemplo, el receptor GPS u-blox 5, puede conseguir una precisión de 3 metros en el mejor de los casos y está disponible para aplicaciones civiles. También hay GPS diferenciales que pueden alcanzar una precisión de centímetros. La desventaja del GPS es su vulnerabilidad a factores climáticos y a su relativa baja frecuencia de actualización (comúnmente 4 Hz), que puede no ser suficiente para aplicaciones en el control de vuelo. IV.3.6.3 SOFTWARE DEL PILOTO AUTOMÁTICO Todas las mediciones inerciales de los sensores se envían a los procesadores para filtrar y llevar a cabo el proceso de control. La conversión de todos los datos entregados de los sensores a los procesadores y el ajuste a los sistemas de control requieren un software especialmente diseñado para realizar estas mediciones, ajustes y correcciones. El diseño de software para realizar estos cálculos y mediciones requiere ser preciso, eficiente y confiable, pues de esto depende la navegación de la aeronave. Actualmente existen diferentes soluciones y posibilidades para el piloto automático, pudiendo ser muy simples o demasiado complejos, garantizando la navegación del vehículo. El software debe ser capaz como mínimo de: realizar ajustes en potencia de motor, correcciones de deriva, corrección de niveles de vuelo, cambios en superficies de control. IV.3.6.4 OBSERVACIÓN DEL ESTADO El procesador del piloto automático necesita recolectar las lecturas de todos los sensores en tiempo real, después todas estas lecturas se envían al procesador para observar el estado del UAV. 69 IV.3.6.5 OBJETIVOS DE CONTROL DEL PILOTO AUTOMÁTICO La mayoría de los UAV pueden ser tratados como plataformas móviles para todos los tipos de sensores, la tarea básica de seguimiento de waypoints de un UAV se puede descomponer en diferentes sub-tareas: Mantener la actitud de cabeceo Mantener la altitud Mantener la velocidad Despegue y aterrizaje automático Mantener el ángulo de banqueo Viraje coordinado Mantener el rumbo IV.4 MISIONES Un UAV de ala fija es una aeronave que vuela sin tripulación humana a bordo, son usados mayoritariamente en aplicaciones militares. Un UAV de ala fija es capaz de mantener un nivel de vuelo controlado y sostenido, y propulsado por un motor de explosión o de reacción. Hay una amplia variedad de formas, tamaños, configuraciones y características en el diseño de estos UAV. Históricamente los UAV eran simplemente aviones pilotados remotamente, pero cada vez más se está empleando el control autónomo de los UAV. En este sentido se han creado dos variantes: algunos son controlados desde una ubicación remota, y otros vuelan de forma autónoma sobre la base de planes de vuelo pre-programados usando sistemas más complejos de automatización dinámica. Los UAV son también sistemas autónomos que pueden operar sin intervención humana alguna durante su funcionamiento en la misión a la que se haya encomendado, es decir, pueden despegar, volar y aterrizar automáticamente. 70 Actualmente, los UAV de ala fija militares realizan tanto misiones de reconocimiento como de ataque, se ha informado de muchos ataques con éxito, también son susceptibles de provocar daños colaterales, también son utilizados en un pequeño pero creciente número de aplicaciones civiles, como en labores de lucha contra incendios o seguridad civil, como la vigilancia. Los vehículos aéreos no tripulados suelen ser preferidos para misiones que son demasiado "aburridas, sucias o peligrosas" para los aviones tripulados. Estados Unidos posee una importante flota de vehículos aéreos no tripulados que se utilizan tanto en misiones de reconocimiento como en misiones de ataque. Como anteriormente habíamos comentado un UAV es un pequeño avión que es controlado a distancia por un piloto que, lógicamente, queda resguardado en su base y fuera de todo peligro y, en el caso de Estados Unidos, sus Predators y sus Reapers son bastantemente conocidos por sus intervenciones en su particular lucha contra el terrorismo, teniendo en cuenta su uso en misiones de combate. Los sistemas de estos aviones deberían ser muy seguros. Los UAV han sido un tema controvertido de la aviación durante décadas, el ejército de EE.UU. empezó a experimentar con vehículos aéreos no tripulados tan pronto como la Primera Guerra Mundial en 1916. Históricamente los UAV se han desarrollado y utilizado por los militares como una forma de encuesta o de espionaje en grandes áreas sin poner los equipos humanos de vuelos en riesgo. Como la tecnología avanzada, la inteligencia militar en el uso de aviones no tripulados armados creció, pero los vehículos aéreos no tripulados de combate aéreo han sido conocidos por no alcanzar sus objetivos e incurrir en daños colaterales. La investigación militar y el desarrollo de vehículos aéreos no tripulados siguen creciendo, aumentada por la guerra contra el terrorismo. De hecho, desde 2006 más de 1,900 terroristas de combate han sido asesinados por UAV. Un nuevo UAV conocido como el Observador Global tiene una envergadura de un Boeing 747, puede volar durante días a 65,000 pies, fuera del alcance de la 71 mayoría de los misiles antiaéreos, y puede hacer una encuesta de 280,000 kilómetros cuadrados. También los UAV se han utilizado para fines civiles nacionales muchos años, incluyendo la vigilancia aérea de las misiones de tuberías, de búsqueda y rescate, quitar el polvo de los cultivos agrícolas, el rastreo de animales, el control de los incendios forestales y huracanes de caza. En la actualidad, la FAA aprueba el uso doméstico civil y el gobierno de los UAV en un caso por caso. Este es un proceso lento hace más lenta por el creciente número de solicitantes de vehículos aéreos no tripulados, sin embargo, el proceso de aprobación puede cambiar pronto. Los UAV son aeronaves de fácil transporte, manejo simple, de bajo coste de mantenimiento y con una gran adaptabilidad a todo tipo de entornos, todo esto unido a la calidad de la información que se puede obtener en tiempo real hace que los UAV realicen todo tipo de misiones tanto en el ámbito civil como en el militar. A continuación se enlistan las misiones más comunes de las aeronaves no tripuladas de ala fija: Civil 1. Detección de bancos en pesca 2. Detección y control de incendios 3. Control de tráfico de carreteras 4. Rescate de náufragos 5. Control de cosechas 6. Control del entorno ecológico 7. Situaciones de emergencia y catástrofes Militar 1. Vigilancia de posiciones enemigas 2. Vigilancia de fronteras 3. Vigilancia de costas 4. Reconocimiento de blancos 5. Reconocimiento y adquisición de objetivos 6. Control de fuego propio sobre el enemigo 72 CAPÍTULO V “ESTUDIO COMPARATIVO” Tomando como referencia todas las características mencionadas en los capítulos III y IV de este trabajo, se han tomado diferentes consideraciones para la elección de un UAV ya sea un cuatrirotor o una aeronave de ala fija. Ambos tipos de aeronaves ofrecen diferentes ventajas / desventajas las cuales se deben analizar y ponderar para realizar el proceso de toma de decisión de acuerdo a las necesidades de cada usuario, a continuación se muestran las ventajas / desventajas de ambos vehículos: DESVENTAJAS VENTAJAS CUATRIROTOR ALA FIJA CUATRIROTOR ALA FIJA Posibilidad de realizar vuelo Vuelo a gran Alto costo de No puede realizar estacionario. altitud y velocidad. desarrollo. vuelo estacionario. Elevado grado de Buen nivel de carga útil. Bajo coste. Pocos proveedores. dificultad en maniobrabilidad. Amplia Facilidad de maniobra. investigación en Alto consumo de Baja posibilidad de este tipo de energía. modificar su diseño. aeronave. Gran estabilidad y control. Posibilidad de incorporar diferentes accesorios (cámaras, sensores, etc.) Puede efectuar vuelos en espacio reducidos. Diferentes alternativas de energía. Buen número de proveedores. Baja autonomía. Bajo consumo de energía. Vuelo con gran alcance y autonomía. Posibilidad de instalar piloto automático Tabla 3: Ventajas / Desventajas de un cuatrirotor y una aeronave de ala fija 73 La siguiente tabla muestra una comparativa entre un vehículo cuatrirotor y una aeronave de ala fija, de acuerdo a los factores de despegue, techo de servicio, rendimiento y alcance, se otorga una calificación para identificar el comportamiento ya sea de un cuatrirotor o una aeronave de ala fija. Máximo peso Techo de de despegue servicio [Kg] [m] 0.10 Rendimiento Alcance Aeronave Cuatrirotor de ala fija < 10 E M <2 < 10 E M 3000 2–4 10 – 30 R B 200 3000 3-6 30 – 70 M B 150 – 500 3000 – 5000 6 – 10 70 – 200 M E [hrs] [Km] 250 1 < 30 150 – 300 150 E= Excelente B= Bueno R= Regular M= Malo Tabla 4: Calificación de cuatrirotor y aeronave de ala fija en base a diferentes especificaciones. A continuación se muestra una breve descripción de las diferentes misiones que pueden tener los UAV: 1. Topografía: Los UAV permiten llevar a cabo trabajos que hasta hace poco tiempo solo eran posible con medios tradicionales (topografía tradicional o topografía aérea), sin embargo los UAV permiten aumentar la productividad, dentro de costes razonables. a. Cartografía: permiten la obtención de cartografía de zonas de pequeña extensión con gran nivel de detalle, asegura la mayor actualización posible, permitiendo la obtención de resultados en breve espacio de tiempo. b. Ortofotografía: Se obtiene imágenes aéreas de la zona de estudio, una vez procesadas las fotografías a través de software específico se obtiene un mosaico completo. Sobre este mosaico es posible realizar mediciones, como si de un mapa o plano se tratase. c. Control y planificación urbanística: A través de las imágenes obtenidas mediante un UAV es posible llevar a cabo el control y 74 planificación urbanística de un municipio o nuevo desarrollo, de esta forma, se consiguen en corto espacio de tiempo, fotografías actualizadas de la zona concreta de interés y planos catastrales para el control parcelario. 2. Industria y energía: La tecnología UAV es una excelente herramienta para llevar a cabo inspecciones en lugares peligrosos o inaccesibles, permite simplificar los medios requeridos para realizarlas, reduciendo los tiempos de operación y por tanto los costes. a. Inspecciones de planta solares: Gracias a la utilización de cámaras termográficas se pueden llevar a cabo la detección de elementos defectuosos en plantas fotovoltaicas y termosolares. Este tipo de análisis permite calcular costes derivados de mal funcionamiento de la instalación y cotizar las reparaciones necesarias. Los vuelos con UAV para el mantenimiento de plantas de energía solar permite con pocos recursos obtener gran cantidad de información y realizar un mantenimiento correctivo, predictivo y preventivo. b. Inspección de líneas de alta tensión: La aplicación de UAV a la inspección de líneas de alta tensión es una excelente solución, que permite reducir costes económicos y minimizar los riesgos para el operario que trabaja por los métodos tradicionales expuesto a altos riesgos. Un vuelo próximo a las torres y cableado, o a cualquier elemento o instalación, dará información que permita evaluar la corrección o el motivo de un mal funcionamiento en las líneas de alta tensión. La inspección aérea mediante UAVs permite detectar fallos y evitar así pérdidas de suministro en la red. Gracias a la posibilidad de trazar rutas mediante GPS podremos también crear un itinerario a lo largo del tendido y obtener imágenes de forma totalmente autónoma. 75 c. Inspección de generadores eólicos: La excelente maniobrabilidad de los UAV permite acceder a los diferentes componentes externos de los generadores eólicos y obtener así fotografías para controlar su estado y mantenimiento. La información obtenida de estos vuelos permite conocer el estado en el que se encuentran los diferentes elementos que componen la aero estructura de los aerogeneradores de forma rápida y eficaz. El operador del vuelo, desde una posición segura, puede inspeccionar varios aerogeneradores en el mismo vuelo. d. Control de explotaciones mineras a cielo abierto y canteras: Los UAV son herramientas idóneas para el control de explotaciones a cielo abierto, pudiendo obtenerse imágenes actualizadas del estado de la explotación. De esta manera es posible calcular, por ejemplo el volumen de material extraído en un periodo concreto. La ruta realizada por el UAV puede ser repetida cada cierto periodo de tiempo y así controlar el estado de la explotación y su evolución. e. Inspección de plantas industriales: La utilización de UAVs permite llevar a cabo la inspección de zonas de difícil acceso como chimeneas en plantas de producción de energía, petroquímicas y refinerías. De esta manera se consiguen evitar paradas técnicas muy costosas para la producción. La tecnología UAV es un magnifico complemento a los métodos tradicionales y permite detectar anomalías en este tipo de instalaciones. 3. Termografía con UAV: La tecnología de termografía permite la detección prematura de fallos y averías. Es una buena opción para el mantenimiento predictivo de instalaciones, permitiendo adelantarse al fallo, de esta manera se reduce considerablemente el coste por averías o fallos de construcción. a. Termografía urbana: Mediante la utilización de las plataformas aéreas autónomas combinadas con cámaras termográficas, es posible la evaluación de la eficiencia energética de edificios e instalaciones. Este es el método más avanzado y preciso para 76 detectar la falla de aislamiento térmico y la detección de humedades en edificación. Cada día cobran más importancia este tipo de estudios y a través de ellos es posible conseguir grandes reducciones de costes relacionadas con pérdidas energéticas en edificación. b. Termografía de plantas solares: La utilización de cámaras termográficas se pueden llevar a cabo la detención de elementos defectuosos en plantas fotovoltaicas y termosolares. Se pueden calcular así los costes derivados del mal funcionamiento de la instalación y abordar las reparaciones necesarias, los datos obtenidos pueden ser analizados, de forma que se pueden estudiar diferentes parámetros referentes a los elementos observados y planificar así el mantenimiento de los mismos. c. Termografía de líneas de alta tensión: La aplicación de UAV a la inspección de líneas aéreas es una excelente solución, permitiendo reducir el coste económico y minimizando los riesgos para el operario que trabaja por los métodos tradicionales. Se puede evaluar el grado de corrosión o mal funcionamiento de los distintos elementos de las instalaciones y evitar fallos o caídas en la red, es posible planificar rutas GPS siguiendo el trazado de la línea aérea y obtener imágenes de sus distintos elementos de forma totalmente autónoma. d. Búsqueda de personas y rescate: El uso de cámaras termografícas posibilita la detección de personas y animales a gran distancia, en condiciones de visibilidad reducida o baja luminosidad. Es una herramienta de gran ayuda en tareas de búsqueda o rescate, permitiendo inspeccionar amplias zonas en breve espacio de tiempo, es posible realizar vuelos de reconocimiento sobre zonas afectadas por catástrofes naturales como terremoto, inundaciones e incendios. 4. Medio ambiente: Los UAV permiten llevar a cabo tareas de vigilancia y control ambiental, permite observar desde perspectiva privilegiada los 77 fenómenos y cambios que se producen en grandes espacios y comparar su evolución a lo largo del tiempo. a. Vigilancia forestal y extinción de incendios: En colaboración con los medios de vigilancia y extinción de incendios, los UAVs permiten al puesto de mando vigilar y coordinar los diferentes efectivos, en condiciones en las que las aeronaves tradicionales no pueden operar. Es posible incluso el vuelo nocturno, por lo que se pueden redistribuir los medios terrestres en función de la evolución del incendio durante la noche, esta herramienta permite la gestión de los medios disponibles y mejora su eficacia, por lo que se reduce de forma importante el tiempo que se tarda en controlar un incendio. b. Control de cuencas hidrográficas: Cada día adquiere mayor importancia el control y gestión de los recursos hídricos disponibles, dada su importancia para las necesidades agrícolas, industriales y humanas. Es de vital importancia conocer el estado de las distintas infraestructuras implicadas, ya sea de regulación o de conducción. Los UAVs permiten controlar y analizar el estado de cuencas hidrográficas, áreas de riesgo de inundación y deslizamientos, adicionalmente permiten evaluar y cuantificar el nivel de las reservas hidrográficas y su evolución a lo largo de diferentes periodos. c. Evaluaciones de impacto ambiental: La obtención de imágenes aéreas puede ser utilizada para evaluar el impacto ambiental producido por grandes infraestructuras en el medio ambiente. Este aspecto es tenido en cuenta para el estudio y la ejecución de grandes obras siendo en muchos casos uno de los parámetros más importantes a evaluar. d. Documentación de zonas de degradación y erosión: El uso de la tecnología UAV, permite evaluar y documentar zonas de erosión y estudiar su evolución a lo largo del tiempo. conocidos los resultados, se pueden tomar las medidas necesarias para frenar los efectos producidos sobre el terreno. 78 e. Control de vertidos: A partir de las imágenes obtenidas por cámaras térmicas y multiespectrales a bordo de UAVs, es posible determinar y controlar vertidos ilegales, esta tecnología permite a las autoridades vigilar posibles focos de contaminación y su repercusión en el medio ambiente, es posible evaluar los daños producidos y observar la repercusión que tienen a lo largo del tiempo. f. Control de almacenaje de residuos: Los UAV posibilitan la obtención de imágenes con las que controlar el almacenaje de residuos y su tratamiento, permitiendo detectar instalaciones que actúen fuera de la legalidad. El acopio de materiales peligrosos supone un grave problema para el medio ambiente. Esta práctica deriva en la contaminación de suelos y acuíferos cercanos, lo que supone una grave amenaza para el entorno. g. Estudios de especies salvajes o en peligro de extinción: El bajo nivel sonoro de los UAV eléctricos permite la observación y estudio de especies salvajes o en peligro de extinción sin perturbar el ciclo vital en su hábitat natural. Es posible llevar a cabo el control de especies invasoras, planificación de su eliminación y evaluación de los resultados conseguidos. 5. Reportaje aéreo: Mediante el uso de UAV es posible obtener fotografía y video en alta calidad desde una perspectiva distinta a los medios tradicionales, se obtienen imágenes panorámicas, útiles en multitud de aplicaciones y actividades con un coste razonable. a. Fotografía aérea: Con la utilización de UAV es posible obtener fotografías panorámicas aéreas, este tipo de imágenes pueden ser utilizadas en multitud de aplicaciones y permiten llevar a cabo el seguimiento de distintos tipos de obras, planificación urbanística, vigilancia, etc. Así, de igual modo podemos obtener videos de los cuales podremos captar fotografías individuales y tratarlas en postproceso. 79 b. Video aéreo: Mediante cámaras de video de alta definición se obtienen videos de gran calidad y estabilidad de imagen, para cualquier tipo de aplicación que lo requiera. Esta tecnología permite filmar en lugares inaccesibles y obtener imágenes desde una perspectiva privilegiada, las imágenes pueden ser requeridas tanto para aplicaciones técnicas como artísticas y gracias a la facilidad de uso no requiere de grandes tiempos de preparación ni condiciones meteorológicas especiales. c. Seguimiento de control de obras: La tecnología UAV permite realizar vuelos sobre una zona en obras, se puede llevar a cabo el control de la ejecución, de plazos y cumplimiento de medidas de seguridad. La principal ventaja que presenta la tecnología UAV es la posibilidad de repetir la misma ruta planificada por GPS a lo largo del tiempo, de esta forma podemos analizar la evolución de la obra, donde se pueden analizar los cambios que se va produciendo a lo largo del tiempo. d. Seguimiento de eventos: La perspectiva privilegiada que proporciona un sistema UAV es una herramienta muy útil para el seguimiento de eventos y la coordinación de los diferentes medios implicados, para la aplicación de efectivos de seguridad en eventos multitudinarios, coordinación de servicios de emergencias o incluso retransmisión de señal de video en vivo para eventos deportivos en exterior. 6. Agricultura y ganadería: Cada día adquiere más importancia en agricultura y ganadería la optimización de los recursos disponibles, la inspección de cultivos y ganadería mediante el uso de UAV permite conocer en tiempo real el estado de las diferentes explotaciones de cara a mejorar su eficiencia. a. Inspección y control de cultivos: Control de cultivos a través de la obtención de imágenes multiespectrales, control del estado de campos de cultivo, identificación de número y tipo de especies. 80 b. Control de regadíos: Es importante la gestión eficiente de los recursos hídricos y su aprovechamiento, a través de imágenes multiespectrales es posible evaluar y mejorar la eficiencia de cultivos de regadío. c. Control de Plagas: La obtención de imágenes multiespectrales es una herramienta fundamental para la identificación de árboles enfermos o especies invasoras, este método proporciona información muy valiosa para tratar de solucionar dicho problema, analizar la eficacia de los tratamientos aplicados y observar su evolución a lo largo del tiempo. 7. Seguridad: La utilización de UAV en tareas de seguridad permite apoyar a los medios terrestres con una visión panorámica de la actuación a realizar, es una herramienta útil de trabajo para la policía, bomberos, protección civil y seguridad privada. 81 congelación/descongelación 3. Espesor de la capa de hielo y deformación de la superficie 4. Valoración de incendios, emisiones y 5. Medición de aerosoles y nubes 6. Química del ozono estratosférico externa Mando/control desde una entidad Prevención contra el terreno Todo tipo de clima Precisión de trayectoria Gran altitud Despliegue rápido Desplegarse / Recuperación de la aeronave Precisión de datos sobre condición Perfil vertical 8. Medición del vapor de agua y agua total 9. Observaciones costeras de los océanos 7. Censo de la vida salvaje atmosférica 10. Oceanografía física, meteorología y química comportamiento del humo Plataforma de mayor disponibilidad 1. Seguimiento de animales 2. Humedad del suelo y estados de Largo alcance / Resistencia Base de operaciones en área remota Acceso al espacio aéreo MISIONES PARA LOS UAV / REQUERIMIENTOS 82 11. Medición de niveles de O2 y CO2 12. Estructura y composición de la vegetación 14. Dinámica de la capa de hielo y glaciar 15. Radiación 16. Contaminación troposférica y calidad del aire 17. Espectroscopia en imágenes 13. Distribución de los aerosoles, nubes, y nivel de precipitación 18. Cartografía topográfica y cambio de topografía con LIDAR 20. Aplicación de retardante en incendios forestales externa Mando/control desde una entidad Prevención contra el terreno Todo tipo de clima Precisión de trayectoria Gran altitud Despliegue rápido Perfil vertical de la aeronave Desplegarse / Recuperación 21. Medición de campos magnéticos 22. Clima extremo 19. Inicio, evolución y toque a tierra de huracanes Precisión de datos sobre condición Plataforma de mayor disponibilidad Largo alcance / Resistencia Base de operaciones en área remota Acceso al espacio aéreo MISIONES PARA LOS UAV / REQUERIMIENTOS 83 23. Comportamiento de ríos 24. Nieve – Líquidos equivalentes al agua 25. Comunicación en incendios forestales 26. Microfísica/ propiedades de las nubes 30. Patrulla costera 31. Evaluación de daños en incendios forestales 32. Mapeo de incendios forestales 33. Propiedades de las nubes externa Mando/control desde una entidad Prevención contra el terreno 29. Exploración de terrenos Todo tipo de clima Precisión de trayectoria Gran altitud Despliegue rápido Desplegarse / Recuperación Perfil vertical de la aeronave 27. Medición de la aceleración gravitacional 28. Pronósticos meteorológicos Precisión de datos sobre condición Plataforma de mayor disponibilidad Largo alcance / Resistencia Base de operaciones en área remota Acceso al espacio aéreo MISIONES PARA LOS UAV / REQUERIMIENTOS Tabla 5: Tabla con los requerimientos de acuerdo a las misiones de los UAV. 84 Sistemas confiables de vuelo Gestión sofisticado de contingencias Gestión de la misión autónoma 2. Humedad del suelo y estados de congelación/descongelación 3. Espesor de la capa de hielo y deformación de la superficie 4. Valoración de incendios, emisiones y comportamiento del humo 5. Medición de aerosoles y nubes 6. Química del ozono estratosférico 7. Censo de la vida salvaje 8. Medición del vapor de agua y agua total 9. Observaciones costeras de los océanos 10. Oceanografía física, meteorología y química atmosférica de la aeronave Prevención de colisión Sistema inteligente de vigilancia del estado Comunicación sobre el horizonte 1. Seguimiento de animales MISIONES PARA LOS UAV / TECNOLOGÍA NECESARIA 11. Medición de niveles de O2 y CO2 12. Estructura y composición de la vegetación 85 Sistemas confiables de vuelo Gestión sofisticado de contingencias Gestión de la misión autónoma 14. Dinámica de la capa de hielo y glaciar 15. Radiación 16. Contaminación troposférica y calidad del aire 17. Espectroscopia en imágenes 18. Cartografía topográfica y cambio de topografía con LIDAR 19. Inicio, evolución y toque a tierra de huracanes 20. Aplicación de retardante en incendios forestales 21. Medición de campos magnéticos 22. Clima extremo 23. Comportamiento de ríos 24. Nieve – Líquidos equivalentes al agua de la aeronave Prevención de colisión Sistema inteligente de vigilancia del estado Comunicación sobre el horizonte 13. Distribución de los aerosoles, nubes, y nivel de precipitación MISIONES PARA LOS UAV / TECNOLOGÍA NECESARIA 86 Sistemas confiables de vuelo Gestión sofisticado de contingencias Gestión de la misión autónoma 26. Microfísica/ propiedades de las nubes de la aeronave Prevención de colisión Sistema inteligente de vigilancia del estado Comunicación sobre el horizonte 25. Comunicación en incendios forestales MISIONES PARA LOS UAV / TECNOLOGÍA NECESARIA 27. Medición de la aceleración gravitacional 28. Pronósticos meteorológicos 29. Exploración de terrenos 30. Patrulla costera 31. Evaluación de daños en incendios forestales 32. Mapeo de incendios forestales 33. Propiedades de las nubes Tabla 6: Tabla con la tecnología necesaria de acuerdo a las misiones de los UAV. 87 CONCLUSIONES Como resultado de esta investigación no es posible dictaminar si son más eficientes o deficientes los UVA cuatrirotores contra los de ala fija, la importancia radica en las diferentes características que envuelven su proyecto o el tipo de misión que se pretenda desarrollar. Durante los últimos años se ha desarrollado una gran gama de aplicaciones para ambos tipos de UAV ofreciendo varias ventajas competitivas frente a los demás vehículos aéreos tripulados. El coste de un proyecto o fabricación de un UAV no se compara contra el costo de un vehículo tripulado, adicionalmente, en un vehículo tripulado es forzoso que al menos una persona interactúe con el vehículo para su navegación y control, por otro lado tenemos que un UAV al no ser tripulado puede ser miniaturizado su tamaño o bien incrementar el número de fuerzas G, los UAV también pueden ingresar a un medio ambiente no apto para un ser humano. Al eliminar la cabina de pilotos se reduce la resistencia al avance del vehículo entre muchas otras ventajas. Los vehículos cuatrirotores nos permiten realizar vuelos muy suaves, controlados y confiables, actualmente gracias al avance de tecnología y materiales se pueden llevar a cabo vuelos a una altitud y radio de alcance bueno, que permiten que su aplicación en el campo civil sea amplio. Este tipo de vehículo no requiere de un operador con demasiada experiencia en vuelo, también ofrecen la gran ventaja de proporcionar una vista 360°, realizar vuelos estacionarios y vuelos en espacios muy reducidos. Es importante que este tipo de vehículos aéreos cuenten con diferentes sensores para su control y estabilidad para que el operador enfoque su atención en la misión que está realizando y no concentre su atención en realizar ajustes de potencia, posición, etc. Los vehículos de ala fija muestran un buen comportamiento cuando se requieren en misiones de largo alcance y a baja velocidad de vuelo, para este tipo de 88 vehículos aéreos se tiene más investigación y equipo en el mercado desde los campos académicos, profesionales o de hobby, por esta razón se pueden encontrar diferentes vehículos. Su control de vuelo es complejo y no lo puede realizar un operador principiante, se requiere de técnica y pericia para el control de estos vehículos. Su alcance es mayor que un cuatrirotor, es importante mencionar que este tipo de vehículos no pueden efectuar vuelos estacionarios y sus radios de viraje son más prolongados que un cuatrirotor, siendo difícil cuando se requiere la atención en un punto fijo. Su gran ventaja es la posibilidad de instalar un piloto automático, aunque esto incremente considerablemente el costo del vehículo y su programación también requiere cierto grado de entrenamiento. Tanto una aeronave ya sea cuatrirotor o ala fija deben satisfacer diferentes necesidades de operación, hay características que para ambos tipos de aeronaves que durante el diseño se deben definir y cumplir para garantizar la seguridad de vuelo de la aeronave, como son rendimientos aerodinámicos, de potencia y resistencia estructural. La aviónica es un sistema de gran apoyo para monitorear continuamente, prevenir y reducir incidentes/accidentes. Es importante continuar investigando y estudiando sobre los vehículos aéreos no tripulados pues estos nos permiten efectuar distintas y nuevas misiones que con los vehículos tripulados no pueden realizar, como por ejemplo la observación de reactores nucleares en estados críticos, observación de volcanes, exploración de territorios, búsqueda de recursos naturales, operación sin uso de pistas de aterrizaje o infraestructura compleja y costosa. Este seminario de Sistemas en Aviónica nos proporcionó una visión amplia y general para comprender la interacción que existe entre todos los sistemas, la complejidad de los sistemas de monitoreo, y los diferentes apoyos que un usuario en la mayoría de las situaciones desconoce que existen, pero gracias a estos sistemas las aeronaves previenen y reducen eventos catastróficos así como facilitar al usuario su manipulación y toma de decisiones. 89 BIBLIOGRAFÍA Alberto, P. M., Pérez, H. A., y Pérez B. E. (2008). Introducción a los sistemas de control y modelo matemático para sistemas lineales invariantes en el tiempo. Universidad Nacional de San Juan. Berna F. A. (2012). Desarrollo de una plataforma de tiempo real para la implementación de algoritmos de control multivariables: Ampliación al control de orientación de vehículos aéreos. Universidad de Politécnica de Valencia. Bouabdallah, S., Murrieri, P. y Siegwart, R. Design and Control of an Indoor Micro Quadrotor. Autonomous Systems Laboratory Swiss Federal Institute of Technology and University of Pisa. Cutler, M., Kemal, U. N., Michini, B. y How, P. J. Comparison of fixed and variable pitch actuators for agile Quadrotors. American Institute of Aeronautics and Astronautics. Dmitri A., Penkov, I. Energy consumption of mini UAV helicopters with defferent number of rotors. Tallinn University of Technology. National Aeronautics and Space Administration, NASA. (2008). Sistema inteligente de control de vuelo. Obtenida el 19 de Diciembre de 2012, http://www.nasa.gov/centers/dryden/espanol/FS-076DFRC_espanol.html#backtoTop Oursland J. The design and implementation of a Quadrotor flight controller using the quest algorithm. Department of Mathematics and Computer Science South Dakota school of mines and technology. 90 GLOSARIO Aeronaves de ala fija: Aviones que aseguran su sustentación por la acción dinámica del aire sobre sus planos fijo, denominadas semialas. Aeronaves de ala rotativa: (Helicópteros, autogiros y girodinos), son aquellas que obtiene el levantamiento haciendo girar sus alas, recibiendo su nombre de palas y van montadas en un núcleo giratorio para conformar el rotor. Ángulo de ataque: Se llama ángulo de ataque, al formado entre la cuerda y la dirección de la corriente libre del aire (resultante del viento relativo). El Viento Relativo es definido como el flujo de aire relativo que ataca a un perfil. El viento relativo se incrementa si la velocidad del perfil es incrementada. Centro de Gravedad: Es el punto en donde se encuentra localizada la resultante del peso de todas las partículas que constituyen a un cuerpo, sin embargo, se puede considerar que todo el peso del cuerpo se encuentra localizado en el centro de gravedad. Cámara RGB: Es un dispositivo que captura imágenes convirtiéndolas en señales eléctricas, siendo un transductor óptico. Este tipo de cámaras tiene incorporados 3 sensores que detectan los colores rojo, verde y azul (RGB, por sus siglas en inglés). Cuatrirotor: Aeronave que tiene cuatro rotores para su propulsión. Control no lineal.- Recibe este nombre dado que es un sistema que emplea ecuaciones no lineales para definir su comportamiento. Efecto Hall: Es la medición del voltaje transversal en un conductor cuando es puesto en un campo magnético. Mediante esta medición es posible determinar el tipo, concentración y movilidad de portadores en silicio. Eje de una aeronave: Es una línea imaginaria a través de la estructura del avión, alrededor del cual se produce un movimiento. Hover: Proceso por el cual un objetos está suspendido por una fuerza física que contrarresta la fuerza de gravedad, en una posición estable sin contacto físico con el terreno. Momento: Es el efecto con tendencia giratoria que genera una fuerza al aplicarse con un brazo de palanca respecto a un punto. 91 Monokote: Es un material plástico termoadhesivo. Semiala: Sección redondeada por delante, casi plana por su parte inferior y afilada por detrás. La parte superior se llama Extradós y la parte inferior intradós. Sustentación: Es la fuerza generada sobre un cuerpo que se desplaza a través de un fluido, de dirección perpendicular a la velocidad de la corriente incidente. Termófilo: Van hacia el calor. Waypoint: es un punto de referencia en el espacio físico utilizado para fines de navegación. 92 ACRÓNIMOS AES: Advanced Encryption Standard / Estándar Avanzado de Encriptación. AROD: Airborne Remotely Operated Device / Vehículo Operado por un Dispositivo Remoto. EDR: Enhanced Data Rate / Tasa de Transferencia de Datos Mejorada FAA: Federal Aviation Administration / Administración Federal de Aviación. FM: Frequency Modulation / Frecuencia Modulada GHz: Gigahertz. GPS: Global Positioning System / Sistema de Posicionamiento Global. HP: Horse Power / Caballos de potencia. HS: High Speed / Alta Velocidad. IEEE: Institute of Electral and Electronics Engineers / Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos. IFCS: Intelligent Flight Control System / Sistema inteligente de control de vuelo. IMU: Inertial Measurement Unit / Unidad de medición inercial. ISM: Industrial, Medial and Scientific / Industrial, Médico y Científico. LOWPAN: Low Power Wireless Personal Area Networks / Red Inalámbrica de Área Personal de Baja Potencia LQR: Linear Quadratic Regulator / Regulador Lineal Cuadrático. MEMS: Micro Electromechanical System / Sistema Micro Electromecánico NASA: National Aeronautics and Space Administration / Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio. PCM: Pulse Code Modulation / Modulación por Código de Pulso PID: Proportional Integral Derivative / Proporcional Integral Derivativo. PPM: Pulse Position Modulation / Modulación por Posición de Pulso PWM: Pulse-Width Modulation / Modulación por ancho de pulsos. STR: System Time Real / Sistema en tiempo real. TKP: Temporal Key Integrity Protocol / Protocolo Integral de Clave Temporal UAV: Unmanned Aerial Vehicles / Vehículos aéreos no tripulados. V/STOL: Vertical/Short Take-Off and Landing / Despegue pequeño y aterrizaje vertical. 93 VTOL: Vertical Take-Off and Landing / naves de despegue y aterrizaje vertical. WI-FI: Wireless Fidelity / Fidelidad Inalámbrica. WPAN: Wireless Personal Area Network / Red Inalámbrica de Área Personal. 94
