Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería Aeroespacial Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. Autor: Carlos Martín Ayala Tutor: Francisco Gavilán Jiménez Dep. Ingeniería Aeroespacial Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2017 Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 2 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería Aeroespacial Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. Autor: Carlos Martín Ayala Tutor: Francisco Gavilán Jiménez Dep. de Ingeniería Aeroespacial Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2017 Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 3 Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 4 Trabajo fin de Grado: Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. Autor: Carlos Martín Ayala Tutor: Francisco Gavilán Jiménez El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2017 Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 5 El Secretario del Tribunal Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 6 Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 7 A María Ángeles Ayala Díaz, por aportar siempre ese gramo de fuerza A Alberto Martín Ayala, por recordarme siempre el camino A Raquel Gallego Moreno, por estar en todo momento a mi lado y creer en mí A Esteban Martin Lergo, porque sencillamente, sin ti no hubiera sido posible Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 8 Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 9 Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 16 1. Resumen y antecedentes Previamente a la realización de este trabajo, otros alumnos han llevado a cabo sus respectivos trabajos final de grado o carrera haciendo uso de la aeronave que va a ser usada para la realización de este trabajo (Skywalker x8). Por tanto, se va a analizar las condiciones en las que se encuentra ésta, así como las modificaciones o mejoras necesarias en la misma para su correcta operatividad y vuelo. En primer lugar, se puede apreciar que el tren de aterrizaje, tanto el delantero como el principal, ha sufrido daños importantes debido a un aterrizaje forzoso. Por tanto, se debe proceder a la rehabilitación del mismo. Aprovechando estas circunstancias, se van a introducir modificaciones en la geometría del tren principal con el objetivo de mejorar las actuaciones de la aeronave durante las maniobras de despegue y aterrizaje, así como el rodaje en tierra. Estas modificaciones consistirán en el aumento de la distancia entre ruedas del tren principal, con el objetivo de aumentar la estabilidad transversal de la aeronave, así como el desplazamiento hacia adelante de todo el tren, para favorecer el movimiento de rotación durante la carrera de despegue, al situar éste más cerca del centro de gravedad de la aeronave. En segundo lugar, se va a sustituir la hélice que propulsaba la aeronave, la cual era de tipo fijo, por una hélice plegable, con el objetivo de mejorar las características aerodinámicas del ala volante durante el planeo, y ganar así en autonomía de vuelo, además de mejorar las actuaciones de la aeronave en vuelo. En tercer lugar, se hará una completa actualización de todo el equipo de aviónica de la aeronave, así como de su distribución en el interior de la misma, reduciendo en la medida de lo posible las interferencias y ruidos que pudieran causar problemas en las señales proporcionadas por los sensores y las señales enviadas a los elementos de control. En cuarto lugar, se van a realizar pequeñas reparaciones y modificaciones sobre toda la aeronave, tales como la readaptación del tubo de Pitot-estática, el cual estaba despegado del lugar que le correspondía, o el sellado de pequeñas grietas y golpes que presenta la superficie de la aeronave, con el objetivo de mejorar las características aerodinámicas de la misma. Con la aeronave lista para el vuelo, pasaremos a estudiar y analizar qué estación de tierra se va a utilizar para su control, herramienta donde posteriormente procederemos Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 17 a programar y ajustar todos los parámetros necesarios para la correcta operación de la aeronave tanto en modos de navegación asistida como en modo automático. Anteriormente a la realización de vuelos de forma automática nos veremos obligados a cambiar de aeronave debido a los daños ocasionados en la aeronave inicial tras el fallo de un servomotor en el transcurso de la maniobra de despegue de una de las pruebas de vuelo. Por ello, será necesario un reajuste de la electrónica y una puesta a punto de la nueva plataforma RPAS a utilizar. Por último, procederemos a analizar las aplicaciones y posibilidades que se presentan gracias al uso de este tipo de tecnología de plataformas RPAS de vuelo autónomo, así como las conclusiones finales el estudio. 2. Readaptación del tren de aterrizaje 2.1 Tren principal Con el objetivo de llevar a cabo las mejoras anteriormente mencionadas en el capítulo de antecedentes, se ha procedido a la reubicación del tren de aterrizaje principal. La nueva posición de ocupará cada uno de los extremos superiores del eje del mismo será de 50 mm hacia delante de la posición actual y de 20 mm hacia el exterior del fuselaje. Por otro lado, el nuevo ángulo de inclinación elegido para el tren es de 18 grados respecto a la vertical en sentido horario. El entorno elegido para la nueva ubicación del tren es el que se muestra en la imagen 2.1.1. Para la sujeción del tren en dicha zona, se ha procedido a la medición de la misma y al diseño de una pieza que cumpliera con las características y requisitos mecánicos necesarios para el agarre del tren, y la distribución de las fuerzas que éste soporta durante la maniobra de aterrizaje, al resto de la estructura de la aeronave. Dicha pieza, como podemos ver en las imágenes 2.1.2 y 2.1.3, ha sido diseñada en CATIA V5, tomando como diámetro de los orificios de los tornillos de sujeción 3 mm y 10mm para el eje del tren. Para la fijación del tren a la pieza, será necesario mecanizar un nuevo orificio para alojar un perno de sujeción, el cual se realizará posteriormente a la fabricación de la pieza. Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 18 Imagen 2.1.1 Imagen 2.1.2 Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 19 Imagen 2.1.3 El método elegido para la fabricación de la pieza ha sido la impresión en 3D en plástico PLA usando una impresora Anet A8. Para ello, se ha exportado la pieza desde CATIA en formato .stl y se ha configurado su impresión usando el software libre CURA de ULTIMAKER. Con el objetivo de que la pieza cumpliera con las exigencias mecánicas a las que será sometida, se ha optado por una impresión de calidad, con una altura de capa de 0.15 mm, una velocidad de impresión de 50 mm/s y un ratio de relleno del 50%, el cual nos ofrece una resistencia excepcional sin añadir demasiado peso extra a la pieza. Por último, el peso de la pieza marcado por CURA es de aproximadamente 23 g. Cabe destacar que se ha llevado a cabo la impresión de dos de estas piezas, simétricas entre sí, para la sujeción de ambos brazos del tren principal. El proceso de impresión y acabado final de ambas piezas puede apreciarse en las imágenes 2.1.4 y 2.1.5 Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 20 Imagen 2.1.4 Imagen 2.1.5 Para finalizar el conjunto de agarre del tren principal, se han impreso otras dos piezas (imagen 2.1.6) que se ubicarán en la zona inferior exterior del fuselaje, cuya función será fijar la posición de los brazos del tren, mediante un pasador situado en cada Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 21 uno de ellos, y además, repartir la fuerza de impacto al aterrizaje por todo el fuselaje, para evitar así posibles daños en la zona interna donde van ancladas las piezas de la imagen 2.1.5. Imagen 2.1.6 En la siguiente imagen se puede observar cómo queda instalada la nueva cogida del tren principal en el interior del fuselaje. Imagen 2.1.7 Por último, podemos ver en la imagen 2.1.8 la disposición final del tren principal desde el exterior de la aeronave. Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 22 Imagen 2.1.8 2.2 Tren delantero El tren delantero se presentaba completamente inoperativo, debido a que los sistemas de fijación al fuselaje estaban fuertemente dañados. Por tanto, se ha procedido a la fabricación de unas nuevas fijaciones, realizadas en panel de contrachapado. Dichas fijaciones constan de dos piezas, que pueden apreciarse en la imagen 2.2.1, con la doble función de mantener el tren en su posición rígidamente y no permitir que pueda haber variaciones en el ángulo de este respecto a la vertical (lo cual podría ocurrir en el caso de montar una fijación de una única pieza), y a su vez repartir la fuerza del impacto al aterrizaje por todo el fuselaje, de igual manera que se realizaba con el tren principal. Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 23 Imagen 2.2.1 Tras las primeras pruebas de rodaje, se hizo necesario reemplazar el brazo del tren delantero por completo debido a que el que monta no es lo suficientemente rígido para poder realizar virajes cerrados, ya que las varillas de acero que forman la horquilla y amortiguación flectan, causando que la aeronave caiga y golpee el suelo por su parte delantera. La decisión tomada para la construcción del nuevo tren de aterrizaje consiste en la fabricación mediante diseño CAD en SOLIDWORKS e impresión 3D, de una nueva horquilla para la sujeción de la rueda, la cual se fija mediante dos tornillos pasantes a un brazo realizado con una varilla de aluminio de 10mm de diámetro a la cual se ancla la transmisión del servo de dirección. Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 24 Imagen 2.2.3 Imagen 2.2.4 Con estas nuevas configuraciones en el tren de aterrizaje, la aeronave permite un rodaje en pista adecuado y por tanto quedaría de nuevo operativa, a falta de las modificaciones que se detallarán en el siguiente punto. Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 25 Se ha colocado la controladora sobre una base de panel de contrachapado que irá nivelada con el plano que contiene a los ejes longitudinal y transversal de la aeronave. La sujeción a esta base se ha realizado mediante bolas de goma, permitiendo así aislarla controladora de las vibraciones de la aeronave, lo que permite obtener medidas más limpias y libres de ruido. Imagen 4.2.1.1 4.2.2 Módulo GPS El módulo GPS, que contiene el receptor GPS y un magnetómetro (que se usará como brújula principal, apoyada por la interna de la controladora), irá situado sobre una base elevada en el exterior del fuselaje, en la zona delantera de la aeronave, con el objetivo de alejarlo lo máximo posible del campo magnético creado por el motor, y aislado lo máximo posible de otros cables y antenas que pudieran crear campos magnéticos que puedan interferir en el magnetómetro y alterar sí la medida proporcionada por este. La base sobre la que se sitúa este módulo ha sido diseñada con SOLIDWORKS a medida para la posición que debía ocupar en la aeronave, y posteriormente impresa en 3D. Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 32 Imagen 4.2.2.1 Imagen 4.2.2.2 El módulo GPS, al igual que la controladora, presenta una flecha que apuntará hacia delante. Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 33 Imagen 4.2.2.3 4.2.3 Elementos del grupo propulsor El motor en esta aeronave se sitúa en la parte posterior del fuselaje. Se trata de un motor AXI 4130/16 a 385rpm/V. Este motor presenta las siguientes características (extraídas de la web del fabricante) Tabla 4.2.3.1 Por otro lado, la siguiente imagen obtenida de igualmente de la web del fabricante, establece relaciones entre tipo de avión y vuelo a realizar, celdas necesarias de batería, peso del avión, hélice recomendada, etc. Imagen 4.2.3.2 Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 34 Imagen 4.2.3.3 Delante del motor, en el compartimento más retrasado del interior de la aeronave se sitúa el variador. La situación del variador es estratégica, ya que al situar en la parte posterior de la aeronave todos los elementos que conducen grandes corrientes eléctricas, conseguimos aislar en la medida de lo posible el resto de la aviónica de las interferencias y campos que generan estos elementos de potencia. Tan sólo un cable que alimenta el variador desde la batería recorre el fuselaje por su parte inferior derecha. El variador utilizado es de la firma JetiModel, en concreto el modelo Mezon 115 Opto. El nombre del modelo hace referencia a la máxima intensidad de corriente (en amperios) que el variador es capaz de suministrar al motor de manera constante (puede llegar a suministrar algo más de forma puntual). El término Opto hace referencia a que la circuitería de control del variador esta opto acoplada al módulo de potencia del mismo, lo que disminuye en gran medida las interferencias que dicho módulo pudiera inducir en los circuitos de control. Imagen 4.2.3.4 En la siguiente tabla podemos ver algunos de los datos técnicos del variador proporcionados por el fabricante: Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 35 Tabla 4.2.3.5 Las baterías, tanto la que suministra potencia al motor como la que lo hace a la aviónica, van situadas en la parte más adelantada de la aeronave, ya que desempeñan un papel fundamental en el equilibrado de pesos de esta. Por un lado, la batería principal es de la firma Zippy, se trata de una batería LIPO de 5 células y 5800 mA, lo cual nos proporcionará una autonomía suficiente al igual que la potencia necesaria, incluido un gran margen de seguridad para situaciones en las que es necesario realizar una maniobra rápida en vuelo, como recuperar el mando y control de la aeronave en una situación de inminente entrada en barrena. Imagen 4.2.3.6 Debido al alto voltaje de esta batería, la usaremos junto con el módulo sensor de potencia para alimentar a la controladora a través de su puerto POWER, pero no podremos usarla para alimentar la ranura de servos. Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 36 Para esto usaremos una segunda batería, en este caso de la firma Turnigy, de 1500mA y 3 células, la cual conectaremos a un módulo BEC que alimentará la ranura de servos. Imagen 4.2.3.7 4.2.4 Otros elementos de aviónica Elementos como el receptor radiocontrol, el emisor de telemetría, el buzzer, el BEC, el módulo de potencia de la controladora, y el circuito dedicado al procesamiento de los datos suministrados por el sensor de velocidad de aire (tubo pitot-estática), van situados en el compartimento central del fuselaje, a ambos lados de la controladora y el módulo GPS, situados bajo el criterio de disminuir al máximo el cableado, y lograr así la mayor compatibilidad electromagnética posible entre elementos, para evitar interferencias y reducir al máximo el ruido creado en las medidas de los distintos sensores y circuitos a causa del efecto antena que presentan los cables y reducir así el acoplamiento entre líneas (fenómeno conocido como Crosstalk). Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 37 Imagen 4.2.4.1 El pulsador de seguridad, cuya finalidad es armar y desarmar todos los servos y el motor para evitar accidentes mientras la aeronave se encuentra en tierra, va insertado en un taladro de la parte superior del fuselaje, para su fácil y rápido acceso y operación. Imagen 4.2.4.2 Por último, el tubo pitot va situado en la parte delantera-derecha del fuselaje, en la misma dirección que el eje longitudinal de la aeronave, de forma Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 38 que se encuentre siempre paralelo a la corriente incidente (o con el mismo ángulo de deriva respecto a esta que tenga la aeronave). Imagen 4.2.4.3 4.3 Conexionado y cableado entre elementos En las próximas líneas, se van a detallar todas las conexiones y protocolos de comunicación usados para la interconexión de los distintos sistemas de aviónica montados en la aeronave. El elemento central al cual van conectados todos los periféricos es la controladora, que dispone de múltiples puertos de entrada-salida para comunicarse con ellos. Tras las primeras pruebas de rodaje, se toma la decisión de montar toda la aviónica sobre una única base, ya que esto permite situar cada módulo de forma fija con respecto a los demás, de forma que el cableado permanece estable en todo momento, y con la suficiente separación entre sí para que no se produzcan interferencias y ruidos indeseados. La configuración final adoptada se puede observar en la siguiente imagen, en la cual se aprecia que los dos únicos elementos que no se sitúan dentro de la base común son el módulo de potencia, el cual necesariamente debe ir junto a la batería principal para su conexión, y el tubo de pitot, que irá situado en la zona frontal del fuselaje para que ninguna parte de la aeronave interceda en la corriente incidente. Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 39 Imagen 4.3.1 Receptor: Se conecta a la controladora mediante un único cable, ya que usa el protocolo de comunicaciones SBUS2, que permite multiplexar las señales de todos los Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 40 canales a través de un único cable de señal, para ser demultiplexada posteriormente en la controladora, la cual extrae cada canal por un puerto de salida principal, donde se conectarán servos y el variador. Este sistema nos elimina la necesidad de trabajar con un encoder ppm, además de reducir de forma muy importante la cantidad de cables empleados para la conexión de los canales a la controladora. Este es otro de los beneficios de haber utilizado un nuevo sistema de radio, como ya se explicó en capítulos anteriores. Imagen 4.3.2 Módulo GPS: Este módulo tiene dos buses de conexión, por un lado está el perteneciente al receptor GPS y por otro el del magnetómetro. (Véase imagen 4.2.2.3) El primero de ellos irá conectado al puerto de la controladora destinado específicamente para el GPS, mientras que el segundo usará un protocolo de comunicaciones I2C y lo conectaremos a dicho puerto genérico. Emisor de telemetría: Este módulo tiene un bus de conexión que irá conectado al puerto de telemetría 1 de la controladora, ya que esta viene equipada con dos puertos para telemetría. (Véase imagen 4.2.4.1) Módulo de potencia: Este módulo tiene un bus de conexión que irá conectado al puerto “POWER” de la controladora, y alimentará a ésta desde la batería principal, lo que supondrá una alimentación de toda la electrónica interna a la controladora y la de otros módulos como el GPS, sensor de velocidad de aire, telemetría etc. (se excluye la alimentación de los servos, la cual será realizada por la batería secundaria a través del BEC) Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 41 Imagen5.1.1.5 La quinta pestaña, llamada “Estado” muestra la lista completa de parámetros recogidos en cada instante por la estación de tierra, a la cual también podremos acceder, como se explicó anteriormente, desde la pestaña “Quick”. La sexta pestaña, llamada “Servo” nos muestra los valores de final de recorrido asignados a cada canal, lo que permite un acceso rápido a dichos parámetros para poder modificarlos sin tener que entrar en la lista completa de parámetros y hacer una búsqueda detallada. Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 48 Imagen 5.1.1.6 Las siguientes tres pestañas están dedicadas al procesado y reproducción de archivos .log grabados durante los vuelos, y a la ejecución de scripts. Analizaremos en profundidad las opciones disponibles en la pestaña “Logs Telemetría” en capítulos posteriores. Por último, en la pestaña llamada “Mensajes” podremos ver en detalle los posibles errores que el software pueda ir arrojando al realizar diferentes acciones, así como los procesos que el software va realizando en función de lo que el usuario realice en la estación de tierra o en la aeronave, por lo que es una fuente de información muy importante a la hora de hacer frente a problemas que en un primer momento puede desconocerse su causa. Volviendo a las pestañas principales, la segunda que encontramos es la de plan de vuelo. Esta será la herramienta que se usará para crear y modificar las rutas y puntos de paso o waypoints para la programación de vuelos autónomos. Esta pestaña consta de un gran mapa donde podemos observar la posición de la aeronave y puntos de relevancia como “Home”, que es el punto donde la aeronave quedó por primera vez situada por el GPS tras la conexión con la estación de tierra, o los waypoints que el piloto programe. Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 49 Imagen 5.1.1.7 Estos waypoints se crean haciendo doble click izquierdo sobre un punto del mapa, y se podrán cambiar de posición posteriormente manteniendo el botón izquierdo del ratón pulsado sobre ellos y desplazándolos en el mapa. Una vez creados, en la parte inferior de la pestaña se dispone del menú a través del cual vamos a poder ajustar todos los parámetros relativos a cada uno de dichos waypoints. En la parte superior de dicho menú encontramos una serie de parámetros globales que podemos ajustar y que se irán asignando a todos los waypoints que vayamos creando, como son la altitud de paso, la altitud por debajo de la cual se emite un mensaje de advertencia de peligro, o el radio alrededor del waypoint en el que se considera que la aeronave ya ha pasado por dicho waypoint y debe dirigirse al siguiente. Una vez que creamos un waypoint, éste aparece listado en este menú, y en forma de tabla se muestran algunos datos que podremos modificar. El primero es el estado del waypoint, que no es más que la función que pretendemos que realice dicho waypoint, o dicho de otra manera, la acción que realizará la aeronave cuando alcance el waypoint. Esto se presenta a través de un menú desplegable donde encontraremos decenas de diferentes acciones para asignar, por ejemplo punto de paso, aterrizaje, despegue, volar en círculo etc. Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 50 Imagen 5.1.1.8 En la parte derecha de la pestaña podemos ver un menú desde donde podremos elegir la fuente de la cual el software cargará el mapa. Tendremos además las opciones de cargar y guardar un archivo que contiene una ruta creada, y podremos escribir esta ruta en la memoria de la controladora de la aeronave, para que pueda proceder a ejecutarla. Por último, en la parte más baja del menú se nos mostrará las coordenadas del punto asignado como “Home”. Imagen 5.1.1.9 Las siguientes dos pestaña que vemos en el software están dedicada a la configuración tanto del hardware y aviónica de la aeronave, como del propio software. Desde aquí podremos modificar todos los parámetros que integran el sistema Ardupilot, incluidos los controladores PID. La primera de estas pestañas está más enfocada a las configuraciones iniciales, como son la instalación de firmware, la calibración de sistemas y la elección de qué tipos de sensores estarán operativos en nuestra aeronave. Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 51 Por otro lado, la segunda pestaña contiene un árbol o lista con todos los parámetros configurables tanto de la controladora como de otros módulos como puede ser el GPS o el sistema de radio. Imagen 5.1.1.10 Imagen 5.1.1.11 Las pestañas que siguen contienen material necesario para desarrolladores, al tratarse de una plataforma de código abierto, por lo que no resultarán de interés en este estudio. Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 52 5.2 Calibrado inicial del hardware Al conectar el sistema por primera vez a la estación de tierra, ésta nos requiere un calibrado general de todos los sensores una vez que todo el hardware ha sido montado de manera definitiva en la aeronave. 5.2.1 Acelerómetros Lo primero que haremos será colocar la aeronave de forma estática en diferentes posiciones y ángulos según el software nos vaya indicando, de forma que los acelerómetros toman los ejes x, y, z de nuestra aeronave, a la vez que el sentido positivo y negativo de los mismos. Imagen 5.2.1.1 5.2.2 Magnetómetro y giróscopos En este caso, el software nos irá pidiendo realizar una serie de giros a nuestra aeronave, cada uno de ellos con la aeronave posicionada según unos ángulos determinados, mediante los cuales tanto el magnetómetro como los giróscopos tomarán los ejes x, y, z de la aeronave, para poder así interpretar correctamente los giros alrededor de cada uno de ellos. Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 53 Imagen 5.2.2.1 5.2.3 Radio El siguiente paso consiste en calibrar y centrar todos los mandos de nuestra emisora radiocontrol. Con este procedimiento conseguimos ajustar los mandos para que en su posición central correspondan al punto central de recorrido de cada servo, y de igual manera con los finales de recorrido. Posteriormente en la propia emisora podremos seguir ajustando muchos de estos parámetros con más detalle, así como el trimado de cada canal de forma independiente. Imagen 5.2.3.1 Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 54 5.2.4 Modos de vuelo Por último, se nos pedirá asignar un canal de nuestra radio al selector de modos de vuelo. Para ello, se ha decidido asignar un interruptor de 3 posiciones de la emisora, correspondiente al canal 5. Con esto, tenemos la capacidad de conmutar entre tres modos de vuelo en cada momento, incluso durante un vuelo, función que utilizaremos en adelante. Los tres modos de vuelo elegidos son “MANUAL”, “FBWA”, “AUTO”, los cuales se definen a continuación citando el texto que se encuentra en la web oficial del proyecto Ardupilot para describir cada uno de dichos modos. “MANUAL Mode Regular RC control, no stabilization. All RC inputs are passed through to the outputs. The only ways in which the RC output may be different from inputs are as follows: -if a configured failsafe or geofence triggers, and Plane takes control -if the VTAIL_OUTPUT option is enabled, then a software VTAIL mixer is applied on the output -if the ELEVON_OUTPUT option is enabled, then a software Elevon mixer is applied on the output” “FBWA Mode (FLY BY WIRE_A) This is the most popular mode for assisted flying in Plane, and is the best mode for inexperienced flyers. In this mode Plane will hold the roll and pitch specified by the control sticks. So if you hold the aileron stick hard right then the plane will hold its pitch level and will bank right by the angle specified in the LIM_ROLL_CD option (in centidegrees). It is not possible to roll the plane past the roll limit specified in LIM_ROLL_CD, and it is not possible to pitch the plane beyond the LIM_PITCH_MAX/LIM_PITCH_MINsettings. Note that holding level pitch does not mean the plane will hold altitude. How much altitude a plane gains or loses at a particular pitch depends on its airspeed, which is primarily controlled by throttle. So to gain altitude you should raise the throttle, and to lose altitude you should lower the throttle. If you want Plane to take care of holding altitude then you should look at the FlyByWireB mode. In FBWA mode throttle is manually controlled, but is constrained by the THR_MIN and THR_MAX settings. In FBWA mode the rudder is under both manual control, plus whatever rudder mixing for roll you have configured. Thus you can use the rudder Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 55 for ground steering, and still have it used for automatically coordinating turns.” “AUTO Mode In AUTO mode Plane will follow a mission (a set of GPS waypoints and other commands) set by your ground station. When entering AUTO mode Plane will continue from whatever mission item it was last doing, unless you have reset the mission. When in AUTO Plane will by default allow the pilot to influence the flight of the plane by using “stick mixing”, which allows for aileron, elevator and rudder input to steer the plane in a way that can override the autopilot control. Whether this is enabled is determined by the STICK_MIXING option. By default stick mixing behaves the same as FLY BY WIRE_A (FBWA) mode.” Adicionalmente, hay otros dos modos interesantes para este estudio que se probarán y analizarán, con el objetivo de tener una amplia comparativa entre los distintos modos de vuelo que nos ofrece el sistema, y cómo afecta cada uno de ellos al vuelo de nuestra aeronave, con lo que podremos ver cuál de ellos es más conveniente en cada situación y cómo pueden ayudar al piloto en determinadas circunstancias con el control de la aeronave cuando esta no pueda volar de forma totalmente autónoma. Dichos modos son los llamados “FBWB” y “CRUISE” los cuales se describen a continuación. “FBWB Mode (FLY BY WIRE_B) The FBWB mode is similar to FLY BY WIRE_A (FBWA), but Plane will try to hold altitude as well. Roll control is the same as FBWA, and altitude is controlled using the elevator. The target airspeed is controlled using the throttle. To control your altitude in FBWB mode you use the elevator to ask for a change in altitude. If you leave the elevator centred then Plane will try to hold the current altitude. As you move the elevator Plane will try to gain or lose altitude in proportion to how far you move the elevator. How much altitude it tries to gain for full elevator deflection depends on the FBWB_CLIMB_RATE parameter, which defaults to 2 meters/second. Note that 2 m/s is quite a slow change, so many users will want to raise FBWB_CLIMB_RATE to a higher value to make the altitude change more responsive. Whether you need to pull back on the elevator stick or push forward to climb depends on the setting of the FBWB_ELEV_REV parameter. The Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 56 default is for pulling back on the elevator to cause the plane to climb. This corresponds to the normal response direction for a RC model. If you are more comfortable with the reverse you can set FBWB_ELEV_REV to 1 and the elevator will be reversed in FBWB mode. Note that the elevator stick does not control pitch, it controls target altitude. The amount of pitch that will be used to achieve the requested climb or descent rate depends on your TECS tuning settings, but in general the autopilot will try to hold the plane fairly level in pitch, and will primarily climb or descend by raising or lowering the throttle. This can be disconcerting for people used to flying in FBWA mode, where you have much more direct control over pitch. If you have an airspeed sensor then the throttle will control the target airspeed in the range ARSPD_FBW_MIN to ARSPD_FBW_MAX. If throttle is minimum then the plane will try to fly at ARSPD_FBW_MIN. If it is maximum it will try to fly at ARSPD_FBW_MAX. If you don’t have an airspeed sensor then the throttle will set the target throttle of the plane, and Plane will adjust the throttle around that setting to achieve the desired altitude hold. The throttle stick can be used to push the target throttle up beyond what it calculates is needed, to fly faster. As with FBWA, the rudder is under a combination of manual control and auto control for turn coordination. You should also have a look at CRUISE mode, as it is generally better than FBWB, especially if there is significant wind. In CRUISE mode the aircraft will hold a ground track as opposed to just levelling the wings when you don’t input any roll with the aileron stick.” “CRUISE Mode Cruise mode is a bit like FLY BY WIRE_B (FBWB), but it has “heading lock”. It is the ideal mode for longer distance FPV flight, as you can point the plane at a distant object and it will accurately track to that object, automatically controlling altitude, airspeed and heading. The way it works is this: if you have any aileron or rudder input then it flies just like FBWB. So it holds altitude until you use the elevator to change the target altitude (at the FBWB_CLIMB_RATE rate) and it adjusts airspeed based on throttle Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 57 6.4 Armado de la aeronave Una vez todos los sensores se hayan inicializado de forma correcta, precederemos a armar la aeronave, procedimiento mediante el cual quedarán operativos tanto los servos como el motor y los diferentes modos de vuelo, por lo que podremos comenzar nuestro vuelo. Lo primero que deberemos hacer es mantener pulsado el pulsador de seguridad, valga la redundancia, durante unos 3 segundos. Se podrá ver como la luz intermitente del pulsador queda fija. Realizando esta acción, habrán quedado operativos todos los servos de la aeronave excepto el motor. En este punto es importante destacar que si todos los sensores se inicializaron de forma correcta en el paso anterior, en el momento de habilitar el interruptor de seguridad, la controladora emitirá nos pitidos a través del Buzzer, y su luz principal cambiará de amarillo parpadeante a verde parpadeante, lo cual nos indicará que la aeronave se encuentra lista para armar el motor. Si por el contrario la luz principal de la controladora no cambia en este momento, significará que algún sensor no está realizando correctamente sus mediciones o falta alguna conexión por realizar. Esto desembocará en un error que el software arrojará en el momento de armar la aeronave. Si todo es correcto, procedemos a pulsar el botón “Arm/Disarm” en la pestaña acciones (véase la imagen 6.3.3), o podremos también mantener la palanca del timón de dirección al máximo de su recorrido hacia la derecha durante un par de segundos. En este momento la controladora hará una serie de comprobaciones de los equipos de a bordo, llamadas comprobaciones de pre armado (Pre-Arm Checks), las cuales podremos programar desde la siguiente ventana (imagen 6.3.4), que se encuentra en la pestaña de parámetros de configuración de la estación de tierra. Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 64 Imagen 6.3.4 Cuando la controladora comprueba que todo es correcto, se arma la aeronave, de forma que la controladora emitirá a través del Buzzer, un pitido prolongado, y su luz principal pasará a ser verde fija. Por otro lado, sobre el horizonte artificial de la estación de tierra veremos el mensaje “ARMED”. Ahora podemos comprobar que tenemos total control sobre la aeronave, y ésta está lista para realizar el vuelo. 7. Primer vuelo de prueba: bucle abierto 7.1 Objetivo de la prueba El objetivo de este primer vuelo de prueba es el de verificar que los sensores toman datos correctos en vuelo, que el sistema los lee e interpreta correctamente, y por último, que dichos datos se graban convenientemente en los archivos .log y por tanto podemos, una vez concluido el vuelo, acceder a ellos para interpretarlos, analizarlos y recrear el vuelo de forma virtual. Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 65 7.2 Realización de la prueba Para llevar a cabo el vuelo deseado, se va a utilizar exclusivamente el modo de vuelo manual, con el que conseguimos el denominado bucle de control abierto, es decir, introducimos a la controladora tanto los datos de vuelo procedente de los sensores, como las señales de control proporcionadas por el piloto, pero no realimentamos con la salida que ésta nos proporciona, por lo que el piloto tiene el control de la aeronave en todo momento, pero podremos observar a posteriori, la respuesta de control del sistema en cada instante, así como los datos que fue adquiriendo en cada punto del vuelo. Una vez finalizado el vuelo, (el cual fue corto, dibujando una figura en “ocho” sobre la pista de vuelo, ya que el único objetivo era ver de forma clara el trayecto seguido, para analizar los datos obtenidos), se procede a dicho análisis y comprobación de los datos recogidos por la aeronave, enviados y guardados en la estación de tierra en tiempo real, con el objetivo de cerciorar que todo ha salido correctamente. Como podemos ver en el gráfico 7.2.1, correspondiente al perfil de altitud del vuelo, se ha realizado un primer ascenso tras el despegue, para luego bajar y volver a realizar un segundo ascenso, y por último la aproximación final y aterrizaje. Al ser un perfil con cambios significativos entre las distintas etapas del vuelo, nos permite comprobar que el sistema ha tomado los datos correctamente en altitud. Imagen 7.2.1 Otra fuente de datos de vuelo importante es el gráfico 7.2.2, correspondiente al perfil de velocidades respecto a tierra. Puede verse como este perfil tiene una relación clara con el anterior, ya que vemos como la velocidad incrementa en los tramos de ascenso (en los cuales se ha aumentado el valor de la palanca de gases), y decrece en los tramos de bajada, los cuales se han realizado a ralentí. Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 66 Podemos ver en este gráfico, unos picos en la velocidad antes y después del vuelo, los cuales corresponden a las pruebas de rodaje en pista previas al vuelo y al rodaje posterior al aterrizaje. Imagen 7.2.2 Por último, procesando el archivo .kmz creado a partir del archivo .log del vuelo, podemos visualizar la trayectoria seguida por la aeronave en el entorno de Google Earth. Esta representación resulta especialmente útil en la práctica ya que mediante una única imagen nos ofrece una información completa sobre la posición de la aeronave en cada instante del vuelo, tanto en el plano como en altura, además de en qué puntos se ha realizado un envío de datos de vuelo mediante el sistema de telemetría a la estación de tierra. Podemos observar en la imagen que hay un tramo en el que se pierde la conexión entre la aeronave y la estación de tierra, ya que se aprecia como el viraje salta de un punto a otro y el software Google Earth lo interpreta como una línea recta. Tras analizar el entorno, se descubre que una caseta delante de la cual se situaba el ordenador portátil con la antena de telemetría hizo sombra en radiofrecuencia cuando la aeronave se encontraba, desde el punto de vista de la estación de tierra, pasando justo por detrás de dicha caseta, por lo que en vuelos sucesivos, se buscará una mejor ubicación para la estación de tierra. Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 67 Imagen 7.2.3 8. Pruebas de vuelo en modos semiautomáticos o de navegación asistida 8.1 Vuelo en modo FBWA Este modo nos ha permitido realizar un vuelo en el cual tenemos absoluto control sobre la aeronave, pero sin embargo, cuando no se introduce ninguna señal de control por parte del piloto, la aeronave se mantendrá nivelada en vuelo respecto al balanceo y cabeceo. Esto hace que el vuelo sea mucho más estable a la vez que seguro, ya que, además de nivelar la aeronave cuando no se introduce una señal de control por parte del piloto, la controladora tiene implementados unos ángulos máximos de alabeo y cabeceo, los cuales pueden establecerse desde la estación de tierra mediante los parámetros LIM_ROLL_CD y LIM_PITCH_MAX/MIN respectivamente, lo que asegurará que la aeronave nunca alcance valores de ángulos que puedan inducirla en un estado de entrada en pérdida o barrena, con la consiguiente pérdida de control y alto riesgo de accidente que dichas situaciones conllevan. Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 68 Cabe destacar un problema experimentado en este modo de vuelo en la fase de despegue, el cual será de aplicación en aeronaves que por la distribución de su tren de aterrizaje tengan un ángulo de cabeceo positivo al estar situadas en tierra. Dicho problema consiste en que en aeronaves de estas características, la controladora tratará de deflectar negativamente los timones de profundidad para compensar el ángulo que tiene la aeronave en tierra, por lo que cuando el piloto introduzca una señal de control de cabeceo positiva para realizar el despegue, esta se sumará al ángulo negativo introducido por la controladora y como resultado los timones de profundidad quedarán en una posición cercana a 0 (posición neutral), lo que hará muy difícil, e incluso muy peligrosa la maniobra de despegue. Por tanto, debe procederse al despegue mediante un control totalmente manual para posteriormente pasar al modo FBWA, para asegurar en todo momento la seguridad y operatividad de la aeronave. En la siguiente imagen podemos ver el perfil de vuelo obtenido en esta prueba de vuelo. Imagen 8.1.1 En color amarillo se puede ver el primer tramo de vuelo, que se realiza en modo manual y comienza con el despegue, seguido del tramo verde, realizado en FBWA, y donde podemos ver que los movimientos en vuelo de la aeronave son considerablemente más suaves y estables, describiendo en los virajes un radio mucho más grande y uniforme del que se consigue accionando las superficies de control de forma manual. Por último, en el tramo azul se aprecia un nuevo cambio de modo a manual para la maniobra de aterrizaje. Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 69 En los siguientes gráficos podemos ver el tramo de vuelo realizado en modo FBWA, donde apreciamos, tanto para cabeceo como para alabeo, respectivamente, sendas comparaciones entre la respuesta de control que proporciona la controladora (en ángulos de deflexión de las superficies de control), y el respectivo ángulo con el que se encuentra volando la aeronave en ese instante. A la vista de los datos, donde se ve que la controladora deflecta las superficies de control un máximo del orden de los 10 grados, siendo la media del orden de 1 grado, se puede concluir que ésta hace un trabajo excelente ya que como vemos la actitud de la aeronave está en todo momento muy próxima al cero, por lo que la estabilización es máxima y la aeronave vuela de forma horizontal. De igual manera puede observarse como antes y después de entrar en el modo FBWA, al encontrarnos volando de forma manual, la variación de los ángulos de cabeceo y alabeo de la aeronave respecto a 0 son mucho mayores, lo cual ilustra de una manera clara la utilidad de este modo de navegación asistida. Imagen 8.1.2 (Ángulo de cabeceo de la aeronave (verde), Ángulo de deflexión de los timones de profundidad (Rojo), modo de vuelo (amarillo)). Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 70 Imagen 8.1.3 (Ángulo de alabeo de la aeronave (verde), Ángulo de deflexión de los alerones (Rojo), modo de vuelo (amarillo)). 8.2 Vuelo en modo FBWB Este modo de vuelo es en todo idéntico al anterior salvo porque el piloto no posee control directo sobre el cabeceo, sino que el mando de profundidad establecerá la altitud objetivo a la que el piloto quiere volar, y la controladora hará la combinación necesaria de acelerador y ángulo de cabeceo necesarios para alcanzar dicha actitud sin perturbar en gran medida la posición horizontal de la aeronave. Esta modificación en la forma de operar de este modo hace que se elimine el problema que existía en el despegue con el modo FBWA, ya que al introducir el piloto la altitud objetivo mediante el mando de profundidad, cuando nos encontramos en la carrera de despegue y procedemos a realizar la rotación, le estamos comunicando a la controladora que debe aumentar la altitud de vuelo, por lo que la controladora hará la combinación necesaria de ángulo de cabeceo y aceleración para alcanzar dicho objetivo de altitud, dando como resultado un despegue suave y seguro. En el siguiente gráfico podemos ver el perfil de altitud del despegue realizado bajo el modo de vuelo FBWB. Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 71 Imagen 8.2.1 8.3 Vuelo en modo Cruise Este modo opera de manera totalmente similar al modo FBWB, pero mientras este último sólo actúa sobre los controles de cabeceo, alabeo y motor, el modo crucero lo hace también sobre el control de dirección. Para ello, este modo proyecta en cada instante un waypoint a una distancia de 1 km de su ubicación actual en la dirección de su rumbo actual, y pasa a dirigirse de forma directa a dicho waypoint. De este modo, mientras el piloto no introduzca ninguna acción de control en alabeo o guiñada, la aeronave mantendrá su rumbo, y lo cambiará cuando algunas de estas señales de control introducidas por el piloto hagan cambiar la aeronave de rumbo. En el siguiente gráfico podemos ver cómo cada vez que se producía un cambio en el valor de guiñada (verde) o alabeo (rojo) por parte del piloto, la controladora aplicaba un cambio en la salida del canal 4 (azul), (timón de dirección), para poder tomar el nuevo rumbo. Nótese que el resto de cambios que la controladora va aplicando durante el vuelo que no se corresponden con la entrada de una orden de control, corresponden a las correcciones que el sistema realiza en todo momento para mantener el rumbo constante ante perturbaciones, como puede ser el viento. Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 72 Imagen 8.3.1 9. Cambio de plataforma: de Skywalker X8 a Scottish Aviation Bulldog 9.1 Motivos El motivo que lleva a realizar el cambio de plataforma es un accidente ocurrido durante el despegue del Skywalker X8, que pocos instantes después de abandonar el suelo, realizó un brusco movimiento de alabeo, cayendo al suelo sin posibilidad alguna de controlar la situación. Dicha maniobra estuvo causada por el fallo en uno de los servos, concretamente el que controla la superficie móvil del ala izquierda de la aeronave, que quedó bloqueado por un fallo en su electrónica en posición de máxima deflexión positiva, causando el brusco giro de la aeronave alrededor de su eje longitudinal, en sentido contrario a las agujas del reloj, haciéndola impactar contra el suelo. A continuación se presentan imágenes del estado de la aeronave tras el accidente, donde se puede apreciar la necesidad del cambio de plataforma debido a los daños ocasionados. Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 73 Para ello, existen una serie de parámetros configurables que van a permitir controlar la dirección de la aeronave mientras se encuentra en pista, asegurando así que la carrera de despegue y aterrizaje se realizaran de forma rectilínea, lo más centrada en pista posible, para evitar así que la aeronave pudiera salirse por uno de los laterales de la pista y colisionar con algún objeto. Esta funcionalidad se controla a través de ciertos parámetros que encontramos en la pestaña config/tuning de la estación de tierra, concretamente, sólo podremos acceder a ellos si está activada la versión avanzada de esta pestaña desde las opciones de desarrollo del propio software, lo que nos permitirá acceder a la lista completa de parámetros que gobiernan el comportamiento de la aeronave, ya que de lo contrario sólo tendríamos acceso a una lista reducida donde se muestran únicamente los parámetros más comunes y utilizados por la mayoría de los usuarios. Imagen 10.1.1 El primer parámetro que deberemos tener en cuenta, y que actuará como habilitador/inhabilitador de esta opción de guiado automático en pista será el parámetro GROUND_STEER_ALT al cual habrá que darle un valor en metros, que corresponderá a la altitud por debajo de la cual está activo este modo, ya que por encima de la altitud fijada, el modo de guiado en pista se desconectará para dar paso al control sobre el timón de dirección de la aeronave. Típicamente, suele establecerse este parámetro en un valor de 5 metros, para salvar posibles fluctuaciones en las medidas del barómetro de la controladora y asegurar en todo caso que la aeronave está recibiendo control en tierra sobre su dirección. Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 80 La manera en que este modo va a trabajar es fijando en cada instante el rumbo marcado por el magnetómetro, de forma que aplicará movimientos en el tren delantero direccionable con el fin de asegurar que se sigue dicho rumbo. Si el piloto acciona manualmente el mando de dirección o alerones, la aeronave girará según lo demandado por el piloto, y cuando éste vuelva a centrar tanto el mando de dirección como el de alerones, la controladora volverá a bloquear el rumbo y tratar de mantenerlo. El siguiente parámetro que deberá configurarse es STEER2SRV_P cuyo valor corresponde al diámetro, en metros, del círculo mínimo que es capaz de trazar la aeronave en pista cuando la rueda de dirección está completamente girada hacia uno de los lados. Este valor será típicamente de 4 metros aproximadamente para la mayoría de las aeronaves no tripuladas de un tamaño del orden de las aeronaves que venimos utilizando en este estudio. En concreto, para nuestra aeronave el valor se sitúa en 4.2 metros. Se trata de un parámetro crítico para el buen funcionamiento de este sistema de control, ya que es el que le indica a la controladora que ángulo de giro debe aplicar en cada momento para conseguir el giro deseado. El siguiente parámetro que encontramos es STEER2SRV_I, y se trata de la ganancia del integrador que controla el ángulo a aplicar para el direccionado de la aeronave. Un valor de 0.1 será apropiado para la mayor parte de las aeronaves. La ganancia del derivador se controla a través del parámetro STEER2SRV_D, que en la práctica controla la sensibilidad del bucle de control ante vibraciones o pequeños movimientos. Si aumentamos demasiado el valor de esta ganancia, tendremos una oscilación de alta frecuencia en la rueda de dirección, ya que el sistema tratará de corregir cada una de las desviaciones de la posición neutral que el sistema experimente. Sin embargo, un valor muy bajo de este parámetro hará que el sistema no responda hasta que la desviación del vehículo respecto al rumbo fijado sea elevada. Un valor de 0.02 será apropiado para la mayor parte de las aeronaves. El siguiente parámetro, llamado STEER2SRV_IMAX limita el ángulo que la controladora podrá hacer girar al servo que controla la rueda de dirección. Su valor debe ser introducido en centésimas de grado, y por defecto se sitúa en 1500, lo que significa que el servo podrá moverse desde su posición neutra un máximo de +-15 grados. Este valor representa un tercio del recorrido máximo del servo, que será típicamente de +-45 grados, lo que ofrecerá un control de dirección adecuado a menos que la aeronave se encuentre muy mal trimada en el canal de dirección, lo cual conviene corregir de forma mecánica en la transmisión del servo. El parámetro STEER2SRV_MINSPD establece una velocidad respecto a tierra mínima para que se active el sistema. Esto será útil mientras se rueda a velocidades muy lentas para situar la aeronave en cabecera de pista, ya que en este caso no sería de utilidad el modo de bloqueo de rumbo al tener que dirigir la aeronave a través de una ruta que no tendrá por qué ser una línea recta. Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 81 El siguiente y último parámetro que deberemos configurar se refiere al tiempo, en segundos, que deberá tardar la controladora en llevar la aeronave del rumbo actual al rumbo deseado, es decir, controlará el tiempo máximo de respuesta de control permitido. Este parámetro se denomina STEER2SRV_TCONST y para aeronaves de ala fija tendrá un valor de 0.5 típicamente. 10.2 Creación de un plan de vuelo para llevarse a cabo de forma completamente autónoma Se decide realizar un circuito simple, que no contenga giros demasiado cerrados ni maniobras que pudieran poner en peligro la seguridad de la aeronave, como podrían ser también tramos a gran altitud o sobrevuelo de áreas de riesgo, como zonas urbanas o superficies de agua. En concreto, se realiza un circuito con forma de cero, compuesto por dos tramos aproximadamente rectos (uno de ellos conteniendo a la pista de aterrizaje, para albergar ambas maniobras de despegue y aterrizaje), en los que la aeronave volará con ángulos de alabeo cercanos a cero, y dos amplios tramos curvos. Debido a las condiciones meteorológicas del día en que se realizó el vuelo, durante el cual el viento soplaba de forma muy suave con algunas rachas moderadas, aproximadamente alineado con la pista, de este a oeste con una leve componente sur, el modo de vuelo del circuito será en sentido contrario a la agujas del reloj, asegurando así que tanto el despegue como el aterrizaje se realizarán de cara al viento, lo cual aumentará la sustentación al tener una velocidad mayor respecto al aire. En la siguiente imagen podemos ver los waypoints situados en el mapa para la creación de la ruta, donde se aprecia que el software establece una ruta a tramos rectos entre cada uno de los waypoints, lo cual será imposible de seguir para una aeronave de ala fija, por lo que veremos como en los tramos suficientemente largos, el controlador irá oscilando a ambos lados de la ruta hasta situar la aeronave sobre ella. Nótese que los waypoints 1, 10, y 11 no aparecen en el mapa. Esto es debido a que llevan asignadas diferentes acciones que veremos a continuación, y por tanto no son puntos de paso como tal. El waypoint 12, aunque lleva asociada la acción aterrizaje si es un punto de paso, ya que representa el lugar del espacio donde queremos que la aeronave tome tierra, por tanto si aparecerá representado en el mapa. También aparecerá el punto “Home” ya que, aunque este punto no está incluido dentro de la ruta de vuelo, es importante que el piloto sepa en todo momento donde se encuentra ya que será el punto que la aeronave sobrevolará en caso de tener que realizar una maniobra de vuelta a casa de emergencia, en la cual la aeronave se dirigirá al punto “Home” a una altitud previamente configurada por el piloto, y permanecerá volando sobre dicho punto en círculos de un radio también dado de forma previa por el piloto. Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 82 Imagen 10.2.1 A la hora de planificar la ruta de vuelo, no sólo deberemos ir posicionando puntos de paso en el mapa, sino que deberemos asignar diferentes acciones a cada uno de esos puntos excepto a aquellos que efectivamente vayan a ser considerados únicamente puntos de paso, a los que sólo deberemos introducirles dos parámetros; la altura a la cual debe pasar la aeronave por dicho punto, y el radio de aceptación del punto, es decir, el radio del área circular que al ser sobrevolada por la aeronave dará el waypoint en cuestión por alcanzado, y por tanto la aeronave pasará a volar hacia el siguiente. El punto número uno será asignado a la acción TAKEOFF (despegue), e irá situado en el extremo contrario de la pista al cual se colocará la aeronave. Los puntos 2 a 4 serán puntos de paso a una altura de 40 metros sobre la pista de vuelo. Los puntos 5 a 7 serán puntos de paso a una altitud de 50 metros sobre la pista de vuelo. Los puntos 8 a 12 irán reduciendo la altitud de paso en 10 metros cada uno de ellos. De estos puntos, el 8 y 9 serán puntos de paso, sin embargo, el punto 10 tendrá asignada la acción de reducir la velocidad de vuelo respecto al aire a 10 metros por segundo, lo que supondrá el inicio de la aproximación final. Poco después de pasar por el punto 10, el punto 11 tendrá asignada la acción de comenzar la maniobra de aterrizaje, mediante la cual la aeronave extenderá los flaps y bajará el motor a ralentí. Por último el punto 12 será el punto LAND (aterrizaje), que será donde la aeronave deberá tomar tierra para posteriormente desarmar el motor una vez esté parada en la pista. Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 83 Imagen 10.2.2 Una vez tenemos el plan de vuelo completamente definido, lo primero que debemos hacer es guardar el archivo de la ruta para poder cargarla en cualquier momento. En el momento de comenzar el vuelo, conectaremos nuestra aeronave a la estación de tierra mediante el enlace MAVLINK de telemetría. Una vez conectada, desde la pestaña de plan de vuelo, teniendo cargada la ruta, procederemos a escribir la ruta en la memoria de la aeronave. Volviendo a la pestaña de datos de vuelo deberemos ver que ha aparecido la ruta sobreimpresionada en el mapa, lo cual nos indicará que la carga se ha realizado correctamente. Imagen 10.2.3 Posteriormente, tras la inicialización de todos los sensores de la aeronave y tras activar el interruptor de seguridad, procedemos a armar el motor y dejar por tanto la Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 84 aeronave lista para el vuelo. Una vez esto haya sido realizado, desde la pestaña acciones de la estación de tierra, elegiremos en el primero de los desplegables la opción MISION_START y pulsaremos sobre el botón “Hacer acción”. En este momento la aeronave debe comenzar a realizar su misión, comenzando la maniobra de despegue. Imagen 10.2.4 Mientras la aeronave pasa por todas las etapas del vuelo, desde tierra nos mantenemos revisando la estación de tierra comprobando que todo está correcto, aunque siempre vigilando la aeronave en visión directa por si algo fuera mal y tuviéramos que retomar el control manual de la misma en caso de tener que evitar un posible accidente. Una vez la misión ha terminado, podemos observar la diferencia entre la ruta planificada y la ruta llevada a cabo por la aeronave. Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 85 Imagen 10.2.5 Imagen 10.2.6 En la imagen de detalle 10.2.6 se puede apreciar como el despegue se realiza según la trayectoria planeada, sin apenas desviación, lo que nos indica que el proceso de guiado de la aeronave en pista se realizó de forma totalmente satisfactoria. Por otro lado, podemos ver que en el tramo de aproximación final, la ruta seguida por la aeronave se desvía levemente de la planificada hacia el norte, debido a que en este último tramo la aeronave se encontraba descendiendo a ralentí y hubo una racha de viento moderada de sureste, la cual causó la desviación producida. Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 86 En la siguiente imagen se muestra el perfil de vuelo visualizado en Google Earth, donde podemos ver cómo la ruta seguida por el avión ha sido bastante fiel a la planificada. Vemos por ejemplo como en todo el tramo de la ruta asignado a una altitud de 50 metros, ésta se mantiene constante, por lo que podemos concluir que la controladora hace un gran trabajo en su modo automático. Donde sí podemos observar que hay una incongruencia entre lo planificado y lo que ha sucedido en la realidad es en la maniobra de despegue, ya que por seguridad, ésta se ha programado a un nivel de motor del 100%, para asegurar que la aeronave abandonas el suelo de forma rápida, para evitar así posibles problemas en la transición tierra-aire, que a menudo se antoja el tramo más peligroso de un vuelo en modo automático. Debido a esto, cuando la aeronave alcanza el waypoint 2, cuya altitud estaba establecida en 40 metros, la aeronave lleva una altitud de aproximadamente 70 metros, por lo que realiza un descenso a partir de ese momento para situarse a los 40 metros planificados. Imagen 10.2.7 10.3 Aplicaciones del vuelo autónomo de plataformas RPAS Sin duda en este estudio se ha podido comprobar el gran potencial que tienen las plataformas RPAS pilotadas de forma asistida y sobre todo de forma autónoma para diferentes tareas que están en auge en los últimos tiempos. Ya se trate de plataformas de ala fija, como ha sido el objeto de este estudio, o plataformas tipo multirotor, estamos ante una tecnología capaz de poner al alcance del hombre tareas que antes de la llegada de este tipo de vehículos eran impensables bien por su elevado coste, bien por el peligro en que incurrían. Hablamos de tareas como la fotogrametría o la elaboración de mapas de ultra alta definición, para la cual se usan aeronaves RPAS de ala fija, las cuales, volando en modo automático recorren una ruta planificada mediante waypoints tomando fotografías cada Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 87 pocos metros de distancia recorrida o cada pocos segundos, fotografías que mediante software especializado pueden fusionarse para crear una imagen de gran tamaño de todo el terreno sobrevolado por la aeronave. Esta tarea se hace inviable mediante el uso de aeronaves tripuladas debido al alto coste que conlleva, pero sobre todo debido al riesgo de volar una aeronave tripulada de gran tamaño a una distancia muy cercana al suelo. Asimismo, sería imposible realizar esta tarea con un RPAS pilotado manualmente desde tierra, ya que el piloto perdería rápidamente contacto visual con la aeronave, haciendo imposible el vuelo, o muy complicado aunque no imposible en caso de usar un sistema FPV (vista en primera persona). De esta misma forma hay otras muchas actividades que se encuentran en la misma situación y que actualmente o próximamente serán realizadas mediante aeronaves no tripuladas de vuelo autónomo. Algunas de estas actividades pueden ser la vigilancia de fincas, el rodaje de escenas de cine, la monitorización de ciertos ecosistemas o especies animales en libertad, el reparto de mercancías procedentes del ecommerce a particulares, etc. 11. Conclusiones finales La puesta a punto de una aeronave para su correcto funcionamiento y vuelo, lleva asociadas numerosas tareas que deberán ser realizadas de forma exhaustiva y con un gran control, ya que un pequeño fallo en tierra puede desembocar en una gran catástrofe durante un vuelo. Por ello, durante este estudio se ha tratado de mantener la aeronave en las mejores condiciones, introduciéndole todas las mejoras tanto estructurales, como hardware y software necesarias, con el fin de alcanzar el éxito en las pruebas de vuelo realizadas. En el aspecto software, el trabajo necesario para encontrar cada uno de los parámetros que modifica cada una de las funciones de la controladora es tedioso y duro, a la vez que útil y de gran potencial, ya que permite un control total sobre la aeronave, permitiendo implementar funciones de alta complejidad a la misma. En lo que respecta al vuelo autónomo de la aeronave, es un modo que requiere de un alto conocimiento de parámetros y arquitectura de controladores, lo que hace que una mala calibración o timing de los controladores PID, que gobiernan la actitud de la aeronave en vuelo, pueda llevar a un comportamiento inestable de la aeronave. Por ello, se ha prestado especial atención al uso del modo AUTOTUNE, consiguiendo unos valores en los parámetros de los PID adecuados para nuestra aeronave, en lugar de los valores por defecto que implementa la controladora, los cuales, aunque aseguran un vuelo Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 88 relativamente seguro para casi cualquier aeronave, hacen que éste sea impreciso e ineficiente. Rehabilitación para el vuelo de una plataforma RPAS e implantación de un sistema de vuelo autónomo. GIA Carlos Martín Ayala 89