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- 1. Benemérita Universidad Autónoma de Puebla Facultad de Ciencias de la Electrónica Análisis y Síntesis de Mecanismos Memoria Descriptiva de Proyecto. “DRONE” Equipo: Arnold Sánchez Edgar Sánchez Juan Mora Armando Aguilar Daniel Centeno Yair Rentería Profesora: Susana soto H. Puebla de Z. a 30 de Marzo de 2014
- 2. Objetivo general. Desarrollar DRONES aéreos de bajo costo para su implementación en la agricultura y para el monitoreo del volcán Popocatépetl del estado de Puebla. Objetivos específicos. Diseñar y fabricar un DRONE aéreo de bajo costo capaz de monitorear un campo de cultivo con alcance de 5 hectáreas de vigilancia. Además de monitorear campos de cultivos, se ocupara el mismo sistema para monitorear el volcán Popocatépetl. La estructura del DRONE deberá ser de lo más ligera y resistente para una mayor eficiencia. Debe ser alimentado por medio de celdas fotovoltaicas para aumentar el tiempo de vuelo. Debe alertar en tiempo real las amenazas a las que se enfrenta el cultivo y/o situaciones de riesgo en el volcán. Metas: En el cronograma, las metas tienen un tiempo y una implementación fija (Ver cronograma anexo A), por ahora solo se nombraran dichas metas: Investigar todo lo relacionado con los DRONES (materiales, control, motores, etc.). Seleccionar el tipo de DRONE (en base a su aplicación). Elección de los elementos motrices (motores). Repartición del trabajo de acuerdo al análisis FODA (ver anexo B). Buscar tarjetas de desarrollo para el control del DRONE. Buscar que tipos de baterías hay en el mercado y cuales son la mejores para la aplicación. Seleccionar el material de la estructura del DRONE. Realizar un modelo digital del DRONE. Seleccionar el proceso de manufactura del DRONE. Análisis virtual de impactos de la estructura. Investigar cómo controlar los motores, hacer las primeras pruebas con los motores. Ensamblar la parte mecánica con la parte electrónica. Realizar las primeras pruebas de vuelo (prueba de laboratorio). Sacar conclusiones de las primeras pruebas. Someterlo ya a una prueba real (volcán y/o cultivos). Entrega de resultados.
- 3. Acciones para cumplir el objetivo general, los objetivos específicos y las metas. Las acciones que se cumplieron o las acciones que se deben cumplir para lograr lo anterior son: Inicialmente cunado se entregó el proyecto al equipo no se sabía nada acerca del tema, entonces la primera acción que se realizó fue investigar que eran los DRONES (aéreos, terrestres, acuáticos). Teniendo toda esa información se eligió el DRONE aéreo ya que para monitorear grandes extensiones de tierras o monitorear el cráter del volcán Popocatépetl, este tipo de DRONE es el más óptimo. Se realizó la planeación del proyecto, detallando los días de entrega y elaboración de cada meta, para esto se trabajó en equipo y se repartió el trabajo en varias semanas. La elaboración de un DRONE implica mecatrónica por lo que cada integrante del equipo se repartió el trabajo de acuerdo a sus habilidades y conocimientos así que el trabajo se dividió en mecánica, electrónica e informática para la obtención de mejores resultados. Para la selección de los motores el equipo se dio a la tarea de investigar en el mercado de los DRONES aéreos que tipo de motores usan, se buscaron catálogos, manuales, tiendas que proveer este tipo de motores. Se cotizó cada motor y anda cada uno en $350. El encargado de esta tarea fue Arnold Sánchez. Para controlar los motores brushless se buscaron varias tarjetas de desarrollo, se compararon y se eligió arduino por su facilidad, los criterios de elección fueron cantidad de memoria, compiladores, velocidad de trabajo, consumo de energía, tamaño. Una tarjeta de desarrollo arduino en mercado normalmente esta en $450 la versión económica. Los encargados de esta acción fueron Juan Mora, Edgar Sánchez y Yair Rentería. La batería tiene que ser ligera y potente. Actualmente las baterías Li-Po son las más usadas para aeromodelismo se buscó en internet la capacidad de la batería más ligera y potente así que la betería más adecuada para el DRONE es una de 3.7v a 1000mAh con un peso de 55 gramos. Esta batería tiene un precio de $220. El encargado de buscar dicha información fue Daniel Centeno y Arnold Sánchez. Para seleccionar el material de la estructura del DRONE, se eligió de acuerdo a las especificaciones del proyecto, un material muy ligero y resistente a grandes impactos. El material que se escogió fue la fibra de carbono debido a su gran resistencia y al ser muy ligero es el ideal para este tipo de trabajo. La fibra de carbono anda entre $500 y $600 el paquete. Los encargados de ver los materiales son Daniel Centeno, Arnold Sánchez y Armando Aguilar. Al tener definido el material, motores, baterías se hizo un diseño digital de tal manera que pueda llevar con él todos los componentes. Los encargados son Edgar Sánchez y Armando Aguilar. Después de tener el prototipo digital se someterá a una serie de pruebas virtuales para verificar si es funcional para su aplicación. Los encargados son Daniel y Yair.
- 4. Para la manufactura de la estructura se realizara en un molde de acero 2L14, el molde primero es dibujado en solidworks para después mandarlo a maquinar en un VF2. La estructura del DRONE se hará por moldeo de fibra. El precio del acero 2L14 es de $50 el kilo. El encargado de la manufactura es Arnold. En la parte de electrónica y control de los motores, se buscaran los drivers en el mercado y si son demasiados caros, se elaboran. Ya teniendo los driver se empezaran las primeras pruebas para controlar el motor, velocidad y sentido de giro. Los encargados para estas tareas de control de los cuatro motores son Juan Mora y Yair Rentería. Ya teniendo toda la parte electrónica funcionando bien y una vez terminada la estructura se ensamblara y ajustara ambas partes para la realizar las primeras pruebas de laboratorio. Los encargos serán todos los miembros del equipo. Teniendo las primeras pruebas de laboratorio exitosas se realizaran pruebas ya reales ya en campos de cultivos y en el cráter del volcán Popocatépetl. Todos los integrantes del equipo están involucrados ya que si falla algún componente eléctrico o mecánico todos puedan aportar al problema.
- 5. Presentación de resultados. ¿Qué son los drones? Un vehículo aéreo no tripulado UAV, por las siglas en inglés de Unmanned Aerial Vehicle, o sistema aéreo no tripulado UAS de Unmanned Aerial System, conocido en castellano por sus siglas como VANT y como drone, es una aeronave que vuela sin tripulación. A modo de ejemplo se exponen algunas de las aplicaciones donde los UAV pueden ser muy útiles: Medio Ambiente: Parametrización del índice de contaminación lumínica para elaborar mapas de polución lumínica y monitorizar la eficiencia de medidas eco energéticas; control y seguimiento de accidentes industriales con vertidos tóxicos en medios acuáticos y terrestres; control de áreas de depósito y almacenaje de residuos industriales y de su tratamiento. Agricultura: Control y monitorización del estado de los cultivos mediante imágenes multiespectrales, control de la eficiencia de regadíos. Conteo y supervisión de producción agrícola subvencionada (por ejemplo, número de árboles). Geología: Realización de mapas geológicos sedimentológicos, mineralógicos y geofísicos, control y monitorización de explotaciones mineras y su impacto ambiental: movimientos de tierras, producción de áridos, residuos metálicos, balsas de decantación, etc. Determinación y control a escala centimétrica de áreas con riesgos geológicos asociados o caracterización de zonas con riesgo de aludes utilizando imágenes multiespectrales para determinar la humedad de la nieve, cámaras térmicas para determinar su temperatura y técnicas estereoscópicas para determinar grosores. Construcción e inspecciones: Inspección de obras desde el aire. Estimación de impacto visual de grandes obras. Control y análisis de multitudes: Manifestaciones, conciertos, etc. Investigación de una escena de un crimen desde el aire: Accidentes de tráfico. Exploración de lugares de difícil acceso: Cuevas, precipicios, etc. Movilidad y Tráfico: Grabación y monitorización de la situación del tráfico.
- 6. Selección del DRONE. La elección de un DRONE aéreo es adecuada, debido a que se va a monitorear grandes extensiones de tierra y monitorear desde el aire es mucho más rápido y sencillo. La elección está basada en un diseño ya hecho es decir ya existente en el mercado, lo innovador será el proceso de manufactura y el tipo de desarrollo de software para su control.
- 7. Motores seleccionados. Estos motores se escogieron debido a su baja potencia de consumo y a su alta velocidad de giro. Repartición del trabajo según nuestras habilidades. Nombre Rol Arnold Sánchez (Redacción) Diseño de los motores del drone Armando Aguilar (Escribano) Diseño de la estructura del drone Yair García (Motivador) Diseño del control del drone Juan Mora Ramírez(Organizador) Diseño de los circuitos, y organizador Daniel Centeno Barreda Diseño de las hélices Edgar Sánchez Diseño y simulación de la estructura por computadora
- 8. Tarjetas de desarrollo. Arduino vs Raspberry Pi, ¿cuál es la mejor herramienta para ti? Constantemente vemos proyectos grandiosos tanto con Arduino como con Raspberry Pi, y cuando por fin nos decidimos a realizar uno, quizá no sepamos cuál de estas dos plataformas nos conviene usar más. ¿Cuál es la diferencia? Arduino y Raspberry Pi, pueden parecer muy similares, ambas son pequeñas placas de circuitos con algunos chips y pines en ellas, pero en realidad son dispositivos muy diferentes. El Arduino es en realidad un microcontrolador. Un microcontrolador es solo una pequeña parte de lo que hace una computadora y solo proporciona un subconjunto de la funcionalidad de una Raspberry Pi. Aunque el Arduino puede ser programado con pequeñas aplicaciones como C, este no puede ejecutar todo un sistema operativo y ciertamente no podrá ser el sustituto de tu computadora en un tiempo cercano. Por otro lado, Raspberry Pi es en sí una computadora. Fortalezas y debilidades ¿Entonces el Arduino es inútil? Difícilmente, un arduino es excelente para proyectos de electrónica. Este contiene un conjunto de entradas y salidas que a menudo se pueden conectar directamente a componentes y sensores. Es ideal para prototipos. La Raspberry Pi es una mini computadora, completa y funcional. Esta requiere un sistema operativo, y cuenta con todas las partes que se podría esperar de un equipo completo (solo que en una escala pequeña). El almacenamiento se hace en una tarjeta SD, mientras que una función incorporada de Ethernet, permitirá la creación de redes (inclusive con Arduino, a través de shield). Un punto importante de recordar es que Arduino es la plataforma más popular para proyectos de electrónica, y aunque estos puedan hacerse con Raspberry Pi, es mucho más fácil hacerlos con Arduino. Considera Raspberry Pi, para proyectos más demandantes.
- 9. Elección de la batería. Parámetros para la elección de la batería. ¿QUÉ ES LA VELOCIDAD DE DESCARGA? La conocida velocidad de descarga, podríamos definirla como la rapidez con la que la batería se puede descargar de forma segura, es decir, la cantidad de amperios que la batería nos puede suministrar durante una hora de forma continuada, y que normalmente viene expresada en referencia a su capacidad, como 15C, 20C,etc… Por ejemplo si la batería es 1C y 2200mAh, quiere decir que es capaz de suministrar 2.2 amperios en una hora. Si a esta batería le pedimos el doble de intensidad (4.4 amperios), se descargaría en media hora, si le pedimos 8,8A se descargaría en 15 minutos y así sucesivamente. Otro ejemplo, si tenemos una Li-po de 7,4V, 5000mAh y 10C; sería capaz de darnos 10*5 amperios, es decir, 50 amperios; pero suministrando esta corriente de consumo nos duraría 6 minutos. ¿CUANTO DURA UNA BATERIA? Para saber el tiempo que dura una batería teóricamente, conocida su capacidad y su velocidad de descarga (y suponiendo que el consumo que le vamos a exigir es este valor máximo de descarga de forma continua); tenemos la siguiente relación que nos da una primera aproximación: Tiempo (min) = Capacidad de la batería (Amp*min) / Velocidad de descarga (Amp) Es decir, en el ejemplo anterior, tenemos una batería con capacidad de 5000mAh, es decir, dividiendo entre 1000 para pasar a Ah, tenemos capacidad de 5Ah. Estos 5Ah multiplicados por 60 minutos que tiene 1 hora, nos da 300A*min. Por otra parte, la velocidad de descarga hemos dicho que es 10C, es decir, 10*5A que es igual a 50A. Luego el tiempo que nos dura la batería suministrando esta corriente de consumo máxima es: T= 300A*min/50A= 6minutos Tomando estos valores en cuenta se buscó en el mercado la siguiente batería. Para tener un tiempo de vuelo de aproximadamente 15 minutos.
- 10. Batería elegida. Cotización de los componentes: Componente Precio Cantidad Total Motor 460 4 1840 Tarjeta arduino 480 1 480 Batería Li-po 1000 1 1000 Fibra de carbono 600 1 600 Acero 2L14 50 2 100