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Aprendiendo a construir drones (Primera parte)

Esta entrada del blog está dirigida a aquellos que desean introducirse en el desarrollo de aplicaciones para los Vehículos Aéreos no Tripulados (VANT). Utilizaremos con frecuencia las siglas inglesas UAV (Unmanned Aerial Vehicles) o simplemente Drone,  palabra que en inglés hace referencia al sonido que hacen algunos insectos al volar. Este post guarda relación con el Máster que se impartirá el próximo curso en la Universidad de Huelva con el título Máster universitario en Sistemas Aéreos Pilotados de forma Remota en el que Simple Lab participa tratando la fusión de datos en RPAS (Remotely Piloted Aircraft Systems). Puede encontrar más información sobre el Master en http://uhu.es/masterRPAS/ Con la idea de iniciarnos en el mundo de los RPAS construiremos nuestro propia plataforma de desarrollo de aplicaciones AUV. Si desea hacernos alguna sugerencia puede enviar a simple.uhu@gmail.com.

El objetivo de esta entrada y las siguientes de esta serie, será guiar en la construcción de una plataforma de desarrollo de AUV’s que nos permita poner el foco en los elementos software del sistema y sus aplicaciones en sectores como la agricultura, la industria química, la minería, el turismo o la pesca. Sin más, pasaremos a describir las características de nuestra plataforma de desarrollo AUV. El sistema estará compuesto por:

  • Un aeromodelo resistente, fácil de tripular que nos permita hacer nuestras primeras pruebas de vuelo radio controlado.
  • Una electrónica de control
  • Un software de control

Hay muchos ejemplos de sistemas de bajo coste o totalmente gratuitos que han tenido gran repercusión el avance de la sociedad. Baste citar como ejemplo el sistema operativo Linux, el servidor web Apache o la plataforma de aprendizaje Arduino. Por otro lado, según la Comisión Europea la tecnología de los RPAS “ofrecerán un amplio rango de aplicaciones civiles que beneficiarán tanto a los ciudadanos como a los negocios en Europa”.   Con el ánimo de facilitar el camino a cuantos quieran aportar su esfuerzo al desarrollo de esta tecnología pretendemos construir una plataforma de desarrollo de aplicaciones para UAVs con un coste por debajo de los 200€.  

Objetivos del proyecto:

  • Conocer las fuentes de información de referencia en AUVs
  • Conocer algunos UAVs comerciales
  • Conocer los diferentes aeromodelos que pueden servirnos como base para nuestro AUV
  • Conocer diferentes sistemas electrónicos que permitan controlar nuestro AUV
  • Conocer los diferentes sistemas software que permitirán controlar nuestro prototipo
  • Construir un sistema que nos permita practicar con un sistema AUV
  • Realizar una aplicación que permita realizar un modelo en 3D de un terreno.

Fuentes de información de referencia en la construcción de AUV

Empezaremos por revisar algunas fuentes de información que nos ayudarán en el proceso de construcción de nuestro drone. El campo de los Vehículos Aéreos no Tripulados se encuentra en un momento de constante expansión. Aparecen con frecuencia nuevos sistemas tanto software como hardware y existen comunidades en Internet muy activas que comparten información sobre este campo. Es en estos foros donde encontramos información actualizada sobre la construcción de AUVs. Unos de los más destacados es el foro DIY Drones (http://diydrones.com/) dedicado a la plataforma ArduPilot basada en Arduino (http://www.arduino.cc), la popular plataforma didáctica electrónica. Trataremos ArduPilot en la sección “Sistemas electrónicos de control del AUV”. A continuación citamos algunos de estos foros: Do it Yourself Drones http://diydrones.com/ Posiblemente la mayor comunidad no profesional de UAV. Este sitio está especializado ArduPilot, la plataforma universal para aviones, multicópteros y vehículos terrestres. Actualmente la nueva versión denominada Pixhawk y la anterior APM 2.6 ejecutan gran cantidad de software libre y abierto para UAV incluyendo a ArduCopter, ArduPlane y ArduRover. FPV labhttp://fpvlab.com/forums/    Otra gran comunidad de aficionados a los FPV (First Person View). Los FPV permiten a los pilotos utilizando unas gafas con una pantalla y una cámara instalada en el aeromodelo tener la sensación de estar pilotando en primera persona. Estos sistemas suelen ser ideales como base para crear un AUV ya que suelen estar diseñados para poder situar un sistema de visión remota. En nuestro caso podemos utilizar el espacio para situar una cámara o cualquier otro tipo de sensor siempre que no supere lo que se denomina en el mundo de los Drones como “carga de pago” (en inglés Payload), que es el peso máximo extra que admite el modelo.   Hobby UAV UAV Drones for the Hobbyist http://hobbyuav.com/     UAV comerciales Encontramos también UAV comerciales con diferentes características, desde los que se utilizan en un ámbito militar hasta los más recientes de uso civil y de coste mucho más moderado que los primeros. En nuestro caso nos centraremos en aquellos modelos de uso civil y de precio que oscila entre los 600€ y los 12.500€. Esta lista no es completa pero esperamos que esta lista sea suficientemente representativa del sector de los AUV comerciales de uso civil. Si lo desea, puede enviarnos sus sugerencias a simple.uhu@gmail.com Zephyr 2 UAV

  • Precio: 2.000 €
  • Autonomía: 40Km
  • Carga de pago máxima: 500 grms.

http://www.marcusuav.com/zephyruav/

Zephyr UAV img

Zephyr UAV

Tienda donde podrá encontrar accesorios para Zephyr: http://team-blacksheep.com/ Sensefly eBee

  • Precio: 7.800 €
  • Autonomía: 45 minutos
  • Carga de pago máxima: 150 grms.

https://www.sensefly.com/drones/ebee.html

eBee Sensefly img

eBee Sensefly

Lehmann Aviation

  • Precio: 600€ – 5.900€
  • Autonomía: 0.3 a 15 km dependiendo de la versión
  • Carga de pago máxima: 2.4 kg

http://www.lehmannaviation.com/

Lehmann Aviation

Lehmann Aviation

Penguin B UAV platform http://www.uavfactory.com/product/46

  • Precio: 12.500 €
  • Autonomía: más de 20 horas
  • Carga de pago máxima: 10kg
Penguin B UAV platform img

Penguin B UAV platform 

Droidworx Skyjib Airframe

  • Precio: 2.300 €
  • Autonomía: 15 minutos
  • Carga de pago máxima: 4kg

http://aeronavics.com/

Droidworx Skyjib Airframe img

Droidworx Skyjib Airframe

Trimble UX5

  • Precio: 37.500 €
  • Autonomía: 60Km
  • Carga de pago máxima: 500 grms
  • Otras características: Cámara digital Sony NEX5R 16.1MP

http://uas.trimble.com/ux5

Trimble UX5 img

Trimble UX5

Aibot X6

  • Precio: 27.500 €
  • Autonomía: 30 minutos
  • Carga de pago máxima: 3 Kg

http://www.aibotix.es/aibot-x6.html

Aibot X6

Aibot X6

Plataformas para montar tu propio UAV Tras revisar algunos de los modelos comerciales y dado el límite de presupuesto marcado de 200€, creemos que lo más adecuado sería utilizar una plataforma con un único motor y un “ala volante” similar a los modelos Trimble UX5, Lehmann Aviation, SenseFly eBee o Zephyr . Esto nos lleva a descartas los quadcópteros que son muy útiles en aplicaciones que requieran mayor maniobrabilidad, sin embargo el coste es superior al necesitar multiplicar por cuatro el número de motores y reguladores. Aplazamos esta interesante opción para tratarla en futuros proyectos.

Easy Star 2 img

Multiplex Easy Star 2

Además de la citada estructura de “ala volante” encontramos con frecuencia otros aeromodelos como base de AUVs como el Multiplex Easy Star II o algunos similares. Tras analizar esta opción llegamos a la conclusión de que este tipo de plataformas añaden una complejidad extra (mayor número de servos) y por lo general, menor solidez. Creemos que esta opción también puede ser muy interesantes, sin embargo, dada nuestra restricción de presupuesto nos inclinamos por la opción de un modelo con “ala volante”. Plataformas de Ala Volante para nuestro Drone El mercado del aeromodelismo ofrece multitud de opciones para conseguir una plataforma de “Ala Volante” para nuestro AUV a buen precio. Casi todas las tiendas especializadas en aeromodelismo tienen secciones dedicadas a las “Alas Volantes”. También encontramos estos aeromodelos bajo la denominación de FPV (First Person View). Como hemos podido ver estas plataformas no permiten cargas de pago elavadas (unos 500 grms máximo) sin embargo tienen una autonomía aceptable (varios kms) lo que lo hacen útiles para múltiples aplicaciones. En contra tienen la maniobrabilidad ya que no están destinados a moverse con precisión en espacios reducidos. Dada la simplicidad de las alas volante, es fácil encontrar en Internet numerosos tutoriales que explican como construirlo. Con frecuencia encontramos solo la estructura del modelo realizada en EPP (Expanded polypropylene) un material ligero y muy resistente a los golpes. También podemos encontrar los kits con todos los elementos (motor, regulador, alas, pegamento y complementos) necesarios para construir nuestro avión. A continuación mostramos algunos de los modelos de ala volante disponibles en el mercado. Darkwing FPV Drone Precio: 155.48 € http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/uh_viewitem.asp?idproduct=29940

Darkwing FPV Drone img

Darkwing FPV Drone

Skywalker X-8 Precio: 101.19 € http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/uh_viewitem.asp?idproduct=27132 Skywalker X-8 img Skywalker X-8 http://www.aeromodelismoserpa.com/alas-volantes-c-1_323_150.html MS Swift Precio: 45.90 € – 75€ (Maxi Swift)

MS Swift

MS Swift

http://www.aeromodelismoserpa.com/swift-airbrush-line-flag-p-10841.html http://www.aeromodelismoserpa.com/swift-airbrush-line-racing-time-combo-p-10849.html http://www.todohobby.net/es/aviones-electricos/21435-avion-el-swift-ii-red-dart–2427713000376.html Hacker Sky Carver Precio: 99€

Hacker Sky Carver

Hacker Sky Carver

http://www.tableracer.de/Hacker-Sky-Carver-Combo-Hacker-team-Design-10949310_1 Jamara 020065 – Pirol EPP Precio: 49€

Jamara 020065 - Pirol EPP

Jamara 020065 – Pirol EPP

 http://www.cmc-versand.de/Jamara/020065-Pirol-EPP-arnr-30-020065.html  Contruye tu mismo tu Ala Voladora En el sitio web My Geek Show (http://www.mygeekshow.com/) [4,5,6] creado por Trent y Nick, encontramos multitud de vídeos e información necesaria (planos del modelo, etc) para construir nuestro propio drone por poco dinero. El UAV descrito recibe el nombre de Raptor y encontramos una entrada en el portral DIYDrones.com [4] sobre el proyecto. Incluimos a continuación el mensaje que detalla las características del Raptor y detalles de sus componentes:

After two months of research, testing, designing, building and just all out airplane slavery, I’ve finally completed the Raptor 140 – the next generation of the Raptor flying wing family, which is the next performance step in my USA trip next summer.   Check it out!   Improvements over original Raptor: Four times the battery capacity (2.2Ah to 8.8Ah) Two times the motor power output (300W to 600W) Better servos (9g cheap analog to 11g digital) Better air flow (exposed to embedded electronics with canopy) Better water proofing (plastic wrapped to embedded and sealed equipment) Folding prop (8×4 fixed plastic to 10×6 folding carbon fiber) Add current sensor (provides live, in flight Volts and Amp draw) Seperate GPS & Compass (instead of mounted to APM, improves sensor clarity) Improved Crash Damage Reduction (Batteries secured safely) Larger and additional Carbon Fiber spars And more… Estimated performance: Weight: 16000   gm Flight Time: 40min – 50min Stall Speed: 25kph Cruise Speed: 60kph Max Speed: 120kph Radio Range: 1.5km This is the equipment that will go on it: Autopilot: APM2.6 https://store.3drobotics.com/products/apm-2-6-kit-1 FPV/Onboard Camera: http://www.foxtechfpv.com/horyzonhd-full-hd-1080p-fpv-camera-v3-p-8… Radio Tx: ParkeFlyer Turnigy 9x Tx: http://parkeflyer.com/ Reciever: 6ch FlySky http://www.hobbypartz.com/79p-r6b-receiver.html Telemtry: 915mhz 100mW 3DR http://store.3drobotics.com/products/3dr-radio-telemetry-kit-915-mhz Battery: 4.4Ah 30C Sky Lipo: http://www.hobbypartz.com/77p-sl4400-3s1p-30c-3333.html ESC: 60A Brushless http://www.hobbypartz.com/proton60aair.html Motor: 3542 1450kv brushless http://hobbyking.com/hobbyking/store/uh_viewItem.asp?idProduct=38700 Prop: 10×6 Carbon Fiber Folding http://www.hobby-lobby.com/10x6_carbon_fiber_cam_blade_797_prd1.htm Servos: 11g digital http://hobbyking.com/hobbyking/store/uh_viewItem.asp?idProduct=42620 UBEC (for FPV camera): 3A http://hobbyking.com/hobbyking/store/uh_viewItem.asp?idProduct=4319 -Trent Learn More: Raptor Details: http://www.mygeekshow.com/theairplanes/Raptor.html USA Trip Details: http://www.mygeekshow.com/usatrip/ Follow the Show: Website: http://www.mygeekshow.com Facebook: http://www.facebook.com/MyGeekShow Twitter: http://twitter.com/mygeekshow Google+:http://plus.google.com/116950154481685699344 Skype: MyGeekShow UStream: http://www.ustream.tv/channel/mygeekshow Filmed, Edited, Produced and Published by Trent in Arkansas, USA

En sucesiva entregas de esta serie explicaremos como podemos construir nuestro propia Ala Volante por un precio reducido. Emisora y receptor de Radio control Como introducción a la sección de electrónica necesaria para nuestro UAV, presentamos una emisora que puede servirnos para realizar pruebas con nuestro aero-modelo antes de comenzar con la programación. Esta emisora podemos encontrarlas en diferentes proyectos en la red [4,10,12] y puesto que nuestro objetivo es volar sin necesidad de mando de control, consideramos que esta conjunto receptor y emisor [9,11] puede ser interesante si no disponemos ya de uno de similares características. Emisora FS-CT6B 2.4G 6CH de bajo coste utilizada en varios proyectos de radio control incluyendo el Raptor 140 Precio: 33 €

FS-CT6B 2.4G 6CH

FS-CT6B 2.4G 6CH

FS-CT6B Raptor

FS-CT6B Raptor

Algunas abreviaturas utilizadas en el ámbito de los Drones

  • UAV – Unmanned Aerial Vehicle
  • FPV – First Person View
  • VANT- Vehículo Aéreo no Tripulado
  • RPASRemotely Piloted Aircraft Systems 
  • AH - These include Autonomous Harvesting
  • UAS - Unmanned Air Systems 
  • UCAS – Unmanned Combat Aircraft Systems 
  • UGV - Unmanned Ground Vehicles 
  • ROV - Remotely Operated Vehicles 
  • UMS - Unmanned Maritime Systems 
  • UUV - Unmanned Underwater Vehicles 
  • AUV - Autonomous Underwater Vehicles 
  • ASV - Autonomous Surface Vehicles 
  • UGV - Unmanned Ground Systems 
  • USV - Unmanned Surface Vehicles

Referencias

  1. European Commission Remotely Piloted Aircraft Systems (RPAS) http://ec.europa.eu/enterprise/sectors/aerospace/uas/
  2. Galapagos UAV: Ingeniería aplicada a la convervación
    http://www.galapagosuav.org/
  3. MS Composite. Fabricande de Alas Volantes EPP
    http://www.mscomposit.cz/
  4. MyGeekShow Completes the Raptor 140 http://diydrones.com/profiles/blogs/mygeekshow-completes-the-raptor-140
  5. Maximum Radio Range Tests
    http://www.youtube.com/watch?v=6CPP_g5QP2E
  6. The Raptor 140 is DONE!!
    http://www.youtube.com/watch?v=WGq7r3HwSAw
  7. Geotronics. Empresas relacionada con UAV en España http://geotronics.es/productos/aeronaves-no-tripuladas/trimble-ux5
  8. Búsqueda en Google sobre “UAV Airframes”
    https://www.google.es/search?q=UAV+Airframes
  9. FS-CT6B 2.4G 6CH
    http://www.ebay.com/itm/FS-CT6B-2-4G-6CH-R-C-Receptor-Transmisor-Radio-aeroplano-modelo-Heli-Glid-/121280052942?pt=LH_DefaultDomain_186&hash=item1c3cdabece
  10. MikeysRC 450 Heli Cheapest T-Rex Clone Build Series
    https://www.youtube.com/playlist?list=PL18C3065DA3A05A3C
  11. Low cost ($60) 2.4 G Computer Transmitter with Dual Receiver antenna http://diydrones.com/profiles/blogs/low-cost-60-24-g-computer
  12.  Episode 55 – Successful Raptor Maiden Flight! http://www.youtube.com/watch?v=NIp7tkD2Zlc#t=480
  13. [13] EPP TBRC Wing Build – By Yuvski – Part 1/8
    http://www.youtube.com/watch?v=v8hIV-Ve9VQ