ANEXO 6 CIS1430IS05

ANEXO 6
CIS1430IS05
APOYO A LA AGRICULTURA DE PRECISIÓN EN COLOMBIA A PARTIR DE IMÁGENES ADQUIRIDAS
DESDE VEHÍCULOS AÉREOS NO TRIPULADOS (UAV’S)
GUÍA DE FOTOGRAFÍA AÉREA
DESDE UAV’S
V3.0
JUAN CAMILO FAJARDO JUNCO
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
FACULTAD DE INGENIERIA
CARRERA DE INGENIERIA DE SISTEMAS
BOGOTÁ, D.C.
2014
ISTAR – CIS1430IS05
Ingeniería de Sistemas
CIS1430IS05
APOYO A LA AGRICULTURA DE PRECISIÓN EN COLOMBIA A PARTIR DE
IMÁGENES ADQUIRIDAS DESDE VEHÍCULOS AÉREOS NO TRIPULADOS (UAV’S)
Autor:
Juan Camilo Fajardo Junco
DOCUMENTO GUÍA DE FOTOGRAFÍA AÉREA DESDE UAV’S COMO
APOYO AL DESARROLLO DEL TRABAJO DE GRADO
Director
Ing. Javier Francisco López Parra M.Sc.
Página web del Trabajo de Grado
http://pegasus.javeriana.edu.co/~CIS1430IS05
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
FACULTAD DE INGENIERIA
CARRERA DE INGENIERIA DE SISTEMAS
BOGOTÁ, D.C.
Diciembre, 2014
Página 2
Pontificia Universidad Javeriana
Guía Fotografía aérea desde UAV’s – Proyecto de Aplicación Práctica
TABLA DE CONTENIDO
1.
UAV ...................................................................................................................6
1.1.
¿Qué es? ................................................................................................................... 6
1.2.
Radio Control ........................................................................................................... 6
1.3.
Estación en tierra ..................................................................................................... 7
1.4.
Sensores .................................................................................................................... 7
2.
RECOMENDACIONES ...........................................................................................7
2.1.
Vuelo ......................................................................................................................... 7
2.2.
Baterías .................................................................................................................... 8
2.3.
Modos de vuelo ....................................................................................................... 10
3.
ASCTEC FIREFLY ............................................................................................10
3.1.
Características ....................................................................................................... 10
3.2.
Radio control .......................................................................................................... 11
3.3.
Modos de vuelo ....................................................................................................... 14
3.4.
Estación en tierra ................................................................................................... 17
4.
TAROT T-2D .....................................................................................................17
4.1.
5.
GOPRO HERO3+ ..............................................................................................19
5.1.
Características ....................................................................................................... 19
5.2.
Control.................................................................................................................... 19
5.3.
Lente gran angular ................................................................................................. 20
6.
7.
Descripción............................................................................................................. 17
FOTOGRAFÍA AÉREA ..........................................................................................20
6.1.
Práctica interior ..................................................................................................... 20
6.2.
Práctica exterior..................................................................................................... 21
BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................21
Página 3
Preparado por el Grupo Investigación Istar- Versión 1.01 – 12/03/2008
ISTAR – CIS1430IS05
Ingeniería de Sistemas
Historial de cambios
Versión
Fecha
Sección documento
Guia_FotografiaAerea_UAV_v1.0
Guia_FotografiaAerea_UAV_v2.0
Guia_FotografiaAerea_UAV_v3.0
23/10/2014
23/10/2014
Tabla de contenido y
forma del documento
Numerales 1, 2 y 3
Información del
cambio
Estructura del documento
Contenido
26/10/2014
Numerales 4, 5, 6 y 7
Contenido
Página 4
Pontificia Universidad Javeriana
Guía Fotografía aérea desde UAV’s – Proyecto de Aplicación Práctica
ILUSTRACIONES
Ilustración 1 UAV y Radio Control ...........................................................................................6
Ilustración 2 Batería LiPo ..........................................................................................................9
Ilustración 3 Cargador de Baterías LiPo ....................................................................................9
Ilustración 4 Frente del UAV ...................................................................................................11
Ilustración 5 Throttle................................................................................................................12
Ilustración 6 Yaw .....................................................................................................................12
Ilustración 7 Pitch ....................................................................................................................12
Ilustración 8 Roll .....................................................................................................................13
Ilustración 9 Modos de vuelo ...................................................................................................13
Ilustración 10 Conexión serial .................................................................................................14
Ilustración 11 Estación en tierra ..............................................................................................17
Ilustración 12 Sistema de estabilización de imagen .................................................................18
Ilustración 13 Software de configuración del Tarot T-2D .......................................................18
Ilustración 14 Cámara GoPro HERO3+ Black edition ............................................................19
Ilustración 15 Corrección del ojo de pez .................................................................................20
Página 5
Preparado por el Grupo Investigación Istar- Versión 1.01 – 12/03/2008
ISTAR – CIS1430IS05
Ingeniería de Sistemas
1. UAV
1.1.
¿Qué es?
Los Vehículos Aéreos no Tripulados (UAV’s) son sistemas de vuelo sin piloto abordo, con la
capacidad de poder ser controlados desde tierra o volar en modo automático a partir de un plan
de vuelo geo-referenciado por GPS. Tienen la capacidad de volar a baja altura y mantener una
comunicación en tiempo real con la estación en tierra (Austin, 2010).
Dentro de los UAV para ambientes educativos y comerciales pueden existir diversas configuraciones estructurales como los son los UAV con rotor delantero similar a un avión, o los UAV
con rotor paralelo como un helicóptero, de esta última encontramos configuraciones de 4 y 6
rotores. Pueden alcanzar alturas de hasta 150m, con transferencia de datos a la estación en tierra
de 20km a la redonda (Fahlstrom & Thomas, 2012).
1.2.
Radio Control
El radio control es un dispositivo electrónico que emite ondas de radio a una frecuencia de
2.4GHz, el UAV posee un receptor de radiofrecuencia y desde el radio control a través de sus
canales es posible transmitir los movimientos al UAV en lo que respecta a dirección, giro y
aceleración y también controlar los modos de vuelo, así como la inclinación de la cámara. El
UAV junto al radio control se muestra a continuación.
Ilustración 1 UAV y Radio Control
Página 6
Pontificia Universidad Javeriana
1.3.
Guía Fotografía aérea desde UAV’s – Proyecto de Aplicación Práctica
Estación en tierra
La estación en tierra permite establecer comunicación en tiempo de vuelo con el UAV, a través
de esta terminal es posible ver en tiempo real los valores de las variables como lo puede ser la
altura, velocidad del viento, posición geográfica, batería, señal de GPS, presión atmosférica,
velocidad del UAV entre otras. A través de la estación en tierra es posible trazar las rutas de
vuelo a través de puntos de control basados en GPS para que el UAV los realice de manera
automática.
1.4.
Sensores
El UAV puede contar con un sensor para teledetección, esta puede ser una cámara fotográfica
de alta resolución, este vehículo por ser una estación de vuelo cuenta con sistema de estabilización de imagen, para que las imágenes aéreas queden tomadas de manera adecuada independientemente del movimiento o turbulencia que surja. El UAV tiene un grupo de sensores que
apoyan la teledetección de la fotografía aérea tales como: GPS (brinda coordenadas geográficas, altura y hora), barómetro (medir la presión atmosférica), brújula electrónica (indica la cardinalidad), acelerómetros (mide la aceleración en los ejes XYZ), giroscopios (mide el giro en
XYZ), higrómetro (mide la humedad) y altímetro (mide la altura con respeto al suelo) (Austin,
2010), todos estos sensores recaudan datos que se convierten en variables para el sistema de
información geográfica y permiten geo-referenciar de manera más precisa la fotografía aérea
captada.
2. Recomendaciones
2.1.
Vuelo

No volar en lugares prohibidos

Evitar volar en interiores

Evitar volar con vientos mayores a 10m/s o 36km/h

Volar con una temperatura entre los 0°C y los 35°C

Volar en condiciones secas, no volar bajo la lluvia o en presencia de tormenta eléctrica

No volar cerca de aeropuertos o sobre aglomeraciones de personas

No operar el UAV más allá de los 5km de radio
Página 7
Preparado por el Grupo Investigación Istar- Versión 1.01 – 12/03/2008
Ingeniería de Sistemas

No volar a más allá de una altura superior a los 500 pies o 152.4m

El UAV siempre debe volar bajo el contacto visual del piloto
ISTAR – CIS1430IS05
El espacio aéreo Colombiano se encuentra reglamentado por la Aerocivil para más información
sobre las restricciones al volar un UAV, revisar este enlace.
2.2.
Baterías
Las baterías usadas por los UAV’s son generalmente las denominadas baterías LiPo, que se
basan en la composición de varias celdas para formar una sola batería, estas baterías pueden
llegar a ser muy peligrosas si no se manipulan de forma adecuada. Los UAV’s con los que
cuenta el Departamento de Ingeniería de Sistemas manejan baterías de 3 celdas. A continuación
se presentan unas recomendaciones:

No exponer la batería al fuego

Siempre cargar la batería con su cargador respectivo

Mientras no se tenga uso de la batería, mantener la batería en bolsas anti flagrantes

Si la batería es de tres celdas no permitir que la batería se descargue a un voltaje inferior
a 9V, generalmente cuando estas baterías llegan a un valor inferior a los 9V estas se
dañan

Si la batería es de tres celdas no permitir que batería se cargue a un voltaje superior a
12.6V

Al cargar las baterías de LiPo con el cargador usar el programa “Balanceador”

La corriente de carga debe ser 2/3 la corriente entregada por la batería, si por ejemplo
la corriente que entrega la batería es 4900mAh, sebe cargar a una corriente menor o
igual a 3200mAh

Al volar el UAV con la estación de vuelo, revisar la batería constantemente si esta es
menor a 9.8V, se debe aterrizar el UAV y cambiar la batería

Si la batería se encuentra inflada es necesario desecharla cuanto antes, porque dejándola así en cualquier momento se puede explotar, para desechar la batería es necesario
hacerlo en el punto de recolección de baterías que la Universidad ha elegido para tal
fin
Página 8
Pontificia Universidad Javeriana

Guía Fotografía aérea desde UAV’s – Proyecto de Aplicación Práctica
Revise muy bien la polaridad de la batería antes de conectarla al UAV y al cargador,
que los colores de los cables coincidan
Esta imagen corresponde a una batería LiPo de 3 celdas con un voltaje de 11.1V y una corriente
de 4900mAh.
Ilustración 2 Batería LiPo
Este es el cargador de baterías LiPo, usar en el modo de programa “Balanceador”.
Ilustración 3 Cargador de Baterías LiPo
Página 9
Preparado por el Grupo Investigación Istar- Versión 1.01 – 12/03/2008
Ingeniería de Sistemas
2.3.
ISTAR – CIS1430IS05
Modos de vuelo
Los UAV’s tienen diversos modos de vuelo para ser implementados cuando el piloto lo crea
necesario o cuando la misión de vuelo lo requiera. Entre los modos de vuelo se puede encontrar
aquellos que con solo cambiar una palanca en el radio control, puede hacer que el UAV mantenga su altura en un punto específico, u otro modo de vuelo corresponde en hacer retornar el
UAV a su punto de despegue, es importante revisar toda la documentación y videos para comprender como funciona los modos de vuelo.

Los modos de vuelo del Quadcopter se pueden ver en este enlace

Los modos de vuelo del ASCTEC Firefly se pueden revisar en esta sección
3. ASCTEC Firefly
La documentación desarrollada en esta sección es basada en la guía dada por ASCTEC, para
más información revisar este enlace.
3.1.
Características
El UAV ASCTEC Firefly presenta las siguientes peculiaridades:

Hélices pequeñas de 8”

Tren de aterrizaje en fibra de carbono

Dimensiones: 60.5 x 66.5 x 16.5 cm

6 motores brushless

Computador con Intel Core i7, 4GB de RAM, SSD 64GB

Máxima carga: 600g

Máxima velocidad: 15m/s ó 54km/h

Máximo tiempo de vuelo sin carga: 22min

Máximo tiempo de vuelo con carga de 600g: 12min

Batería LiPo 11.1V a 4900mAh
Página 10
Pontificia Universidad Javeriana
3.2.
Guía Fotografía aérea desde UAV’s – Proyecto de Aplicación Práctica
Radio control
El radio control usado para controlar el UAV ASCTEC Firefly es el Futaba T7C de 7 canales,
a través de esta estación de mando se pueden controlar los movimientos del UAV, así como el
modo de vuelo y la conexión serial para manejarlo desde la estación de tierra.
Es importante que el piloto siempre se haga detrás del UAV para no perder la referencia de los
movimientos, el UAV tiene un frente, este corresponde a la aleta roja mirando hacia el frente
y el piloto ubicado en la parte de atrás.
Ilustración 4 Frente del UAV
Los movimientos del UAV se dan de la siguiente manera:
Página 11
Preparado por el Grupo Investigación Istar- Versión 1.01 – 12/03/2008
ISTAR – CIS1430IS05
Ingeniería de Sistemas
Acelerador (Throttle) del UAV, hace que el UAV gane o pierda altura
Ilustración 5 Throttle
Giro sobre el eje x (Yaw), hace que el UAV gire sobre su propio eje en x
Ilustración 6 Yaw
Avance adelante o atrás (Pitch), hace que el UAV pilotee hacia adelante o hacia atrás
Ilustración 7 Pitch
Página 12
Pontificia Universidad Javeriana
Guía Fotografía aérea desde UAV’s – Proyecto de Aplicación Práctica
Avance izquierda o derecha (Roll), hace que el UAV se mueva a la derecha o a la izquierda
Ilustración 8 Roll
Los modos de vuelo se controlan con la palanca roja de tres posiciones, la posición más alejada
de usted corresponde al modo “Manual”, la posición del medio es “Altura” y la posición más
cercana a usted es “GPS”.
Ilustración 9 Modos de vuelo
La palanca negra corresponde a la conexión serial que tiene dos posiciones, cuando esta activada permite que el UAV pueda ser volado desde la estación en tierra, asegúrese de que la
palanca este en la posición más lejana a usted para poder volar el UAV desde el radio control.
Página 13
Preparado por el Grupo Investigación Istar- Versión 1.01 – 12/03/2008
ISTAR – CIS1430IS05
Ingeniería de Sistemas
Ilustración 10 Conexión serial
3.3.
Modos de vuelo
El UAV ASCTEC Firefly presenta una serie de alarmas visuales, acústicas y de telemetría,
asegúrese de conocerlas muy bien antes de realizar el primer vuelo, ver enlace. Este UAV tiene
3 modos de vuelo, que se encuentran descritos a continuación del más sencillo al más complejo,
para pilotos principiantes se recomienda tener destreza en el simulador de vuelo AeroSIM RC
y luego comenzar por el modo GPS.
Modo GPS
1. Ponga el UAV en el lugar de partida
2. Inserte y conecte una batería cargada
3. Encienda el UAV sin moverlo y compruebe si hay advertencias. Si no se producen, ya
está listo para continuar, si no ir a la sección de solución de problemas según la alarma
4. Encienda el radio control
5. Asegúrese de que la interfaz serial está desactivada (interruptor negro en el lado derecho de la radio control este empujado lejos de usted)
6. Espere la señal de GPS válida (LED rojo deje de parpadear). Esto a veces puede tardar
unos minutos
Página 14
Pontificia Universidad Javeriana
Guía Fotografía aérea desde UAV’s – Proyecto de Aplicación Práctica
7. Elija su posición en una distancia de aproximada de 4m desde el UAV y que la nariz
del UAV este exactamente apuntando lejos de usted
8. Cambie al modo de GPS llevando el interruptor rojo (en el lado izquierdo del radio
control) completamente hacia usted
9. Inicie los motores empujando la palanca de Throttle a la esquina inferior derecha durante 2 segundos
10. Dé la orden de despegue empujando la palanca izquierda (Throttle) completamente
hacia arriba, ahora el UAV despega y comienza a subir
11. Cuando usted se encuentra en una altura de seguridad de aproximadamente 5m, lleve
la palanca de Throttle exactamente al centro, el UAV mantiene su altura real, ahora, el
sistema de vuelo mantiene su posición, la altura y la orientación por sí mismo.
12. Comience con la práctica del control de posición moviendo las palancas del lado derecho del radio control, que corresponde al Roll y Pitch. No vuele lejos, para asegurarse
de que puede ver la reacción del UAV
13. Después de un tiempo de vuelo de aproximadamente 10 minutos (o cuando se produzca
el aviso de batería) se debe aterrizar. Iniciar el procedimiento de aterrizaje, volando
por encima de su punto de aterrizaje (igual al punto de partida)
14. Deje que el UAV equilibrarse y que mantenga la posición durante unos segundos
15. A continuación, lleve la palanca de Throttle al 25%, el UAV comienza a descender
lentamente
16. Tan pronto como el UAV toque el suelo, llevar la palanca de Throttle al 0% y mantenerla allí.
17. Ahora desarme el radio control con la palanca de Throttle al 0% a la izquierda
18. Ahora puede apagar el radio control y el UAV
Modo Altura
1. Despegue en el modo GPS y suba hasta una altura de aproximadamente de 5m por
encima del suelo
2. Ponga la palanca de Throttle en posición central, el UAV mantiene esta altura por sí
mismo
Página 15
Preparado por el Grupo Investigación Istar- Versión 1.01 – 12/03/2008
Ingeniería de Sistemas
ISTAR – CIS1430IS05
3. Ahora cambie a Modo Altura poniendo el interruptor de modo de vuelo de color rojo
en la posición media
4. Tenga cuidado de no empujar el interruptor de modo de vuelo completamente lejos de
usted, porque entonces sería cambiar al modo manual
5. El UAV se encuentra a la deriva con el movimiento del viento
6. Observar los movimientos del UAV y reaccione a ellos con la palanca de control derecha. Trate de dar órdenes constantes con sólo pequeñas desviaciones (no hacer movimientos agitados o fuertes de la palanca). También ajuste la dirección de la nariz si
no está apuntando exactamente al frente de usted, use la palanca Yaw
7. Si de alguna manera pierde el control sobre el UAV o la distancia es demasiado grande,
inmediatamente cambie de nuevo al modo de GPS que el UAV se ralentiza y mantiene
su posición por sí mismo. Luego de traer de vuelta el UAV cerca de su propia posición
vuelva a intentarlo
8. Cuando haya terminado con la práctica o el tiempo de vuelo, cambie de nuevo al modo
de GPS y aterrice en este modo
Modo Manual
1. Despegue en modo GPS o modo Altura
2. Coloque el UAV a una altura de aproximadamente de 10m y lejos de usted
3. Cambie al modo de Altura y mantenga la posición y la altura lo más preciso posible
4. Ahora cambie al modo Manual. En función del peso que lleve, el UAV ganará o perderá altura
5. Mientras mantiene la posición con la palanca derecha, ajuste la palanca de Throttle con
movimientos pequeños y constantes hasta que el UAV se mantenga entre ascenso y
descenso
6. No le dé ningún comando agitado o fuerte
7. Si de alguna manera pierde el control sobre el UAV, inmediatamente cambie al modo
de GPS que el sistema se ralentiza y mantiene su posición
8. Después de practicar un tiempo, usted será capaz de mantener la posición y la altura
del UAV todo por usted mismo. Cuanto más preciso pueda ser, menor será su espacio
necesario para volar
Página 16
Guía Fotografía aérea desde UAV’s – Proyecto de Aplicación Práctica
Pontificia Universidad Javeriana
3.4.
Estación en tierra
La estación en tierra permite ver en tiempo real las variables que influyen en el vuelo del UAV,
esta terminal tiene la siguiente apariencia
Ilustración 11 Estación en tierra
4. Tarot T-2D
4.1.
Descripción
El Tarot T-2D es un sistema de estabilización de imagen para la cámara GoPro Hero3+ que
pesa 200g, cuenta con dos motores sin escobillas que reciben la información de cómo deben
corregir su movimientos para garantizar la estabilidad de la cámara, posee una IMU (Unidad
de Medición Inercial) que lee la aceleración y giros en los ejes XYZ, estos datos son enviados
a un sistema de control en lazo cerrado para hacer los respectivos ajustes a los movimientos.
Este sistema de estabilización se debe alimentar entre 7.4V y 14.4V preservando una correcta
polaridad, el sistema junto a la cámara se puede apreciar a continuación:
Página 17
Preparado por el Grupo Investigación Istar- Versión 1.01 – 12/03/2008
ISTAR – CIS1430IS05
Ingeniería de Sistemas
Ilustración 12 Sistema de estabilización de imagen
Para controlar los ángulos de giro de las dos articulaciones del Tarot T-2D se puede conectar
una de ellas a un canal tipo perilla del radio control, pero si se desea configurar para que siempre
estabilice en la misma posición, por ejemplo que la cámara siempre quede mirando perpendicular a la superficie, es adecuado usar el software ZYX-BMGC, ver enlace
Ilustración 13 Software de configuración del Tarot T-2D
Página 18
Pontificia Universidad Javeriana
Guía Fotografía aérea desde UAV’s – Proyecto de Aplicación Práctica
5. GoPro HERO3+
5.1.
Características
Es una cámara liviana con un peso de 74g con una lente gran angular para la captura de fotografías y videos. Los videos pueden tener una resolución de hasta 4K, las fotografías preservan
una resolución de 12MP con hasta 30fps, tiene Wi-Fi integrado para conexión con mando a
distancia y es resistente al agua hasta 40m.
Ilustración 14 Cámara GoPro HERO3+ Black edition
5.2.
Control
El control de la cámara se realiza a través del GoPro Wi-Fi Remote que es un control remoto
para manipular todas las funciones de la cámara con un alcance de hasta 180m a la redonda.
Desde este control se pueden cambiar los modos de captura y disparar el obturador de la cámara
para captar la fotografía o el video en el momento preciso.
Página 19
Preparado por el Grupo Investigación Istar- Versión 1.01 – 12/03/2008
ISTAR – CIS1430IS05
Ingeniería de Sistemas
5.3.
Lente gran angular
La cámara GoPro Hero3+ posee una lente gran angular con un FOV (Campo de visión) de
122.6°, por lo cual se hace necesario realizar un filtrado a las fotografías capturadas para eliminar el efecto ojo de pez, mediante el software DeFishr 1.0 es posible realizar la corrección,
ver enlace. Luego de esta corrección las fotografías ya son válidas para realizar un análisis
fotogramétrico de la misma.
A continuación se muestra una fotografía aérea tomada con una resolución de 12MP en el modo
ultra-wide corregida con el software DeFishr 1.0 mediante el perfil “GoPro Hero3+ 1080 wide”
Ilustración 15 Corrección del ojo de pez
6. Fotografía aérea
6.1.
Práctica interior
Para el desarrollo de la práctica en interiores se recomienda

Estar en un recinto no menor a 3m por 3m

No pilotear el UAV por arriba de la altura del piloto

El UAV debe contar con protección contra choques

Contar con un radio de acción de 2m

Pilotear el UAV en modo Manual
Página 20
Pontificia Universidad Javeriana
6.2.
Guía Fotografía aérea desde UAV’s – Proyecto de Aplicación Práctica
Práctica exterior
Para el desarrollo de la práctica en exteriores se recomienda

No pilotear en condiciones de lluvia

Estar en campo abierto

Evitar los campos con árboles o líneas eléctricas

No elevar a más de 90m de altura

Siempre mantener a la vista el UAV

Estar pendientes de la batería en todo momento

Volar en modo de vuelo GPS
7. Bibliografía
Austin, R. (2010). Unmanned Aircraft Systems: UAVS Design, Development and Deployment.
Chichester: Wiley.
Fahlstrom, P., & Thomas, G. (2012). Introduction to UAV Systems. Chichester: Wiley.
Página 21
Preparado por el Grupo Investigación Istar- Versión 1.01 – 12/03/2008