Diseño, ensamblaje y programación de un dron autónomo

Abstract

In the last few years vehicle automation has advanced thanks to the development in electronics due to the miniaturization of electronic components and the increase battery efficiency, the increasing processing speed and algorithms, the increase in the efficiency of mechanical components in engineering as well as the application of physics and mathematics in control theory and modeling. This project consists in the design, assembly and programming of a UAV step by step choosing the electronic and mechanical components and how they work. For each sensor we develop codes based on Arduino which is a programming language focused on educational robotics projects and free use. We test about sensors and verify data. Once the tests are passed we develop the main code of the flying controller, it will be responsible for ensuring a safe flight of the UAV, the flying controller will receive the data measured by the sensors including gyroscope, accelerometer, digital compass, barometer and GPS, after data processing it will calculate flight parameters such as pitch, roll and yaw angles, altitude, and GPS positioning. Once the parameters are known, the flight controller will be able to carry out specific orders through PID controllers for each parameter. We made some modifications to PID controller as an approximation of the error using first and second order Lagrange interpolation polynomials. In this thesis we present the characteristics and specifications of the electronic and mechanical components, the codes used for tests, the results of the tests, the problems, inconveniences, failed tests and finally an estimate of project costs and proposed improvements.

En los últimos años el área de la automatización de vehículos ha despegado gracias al desarrollo en la electrónica, con la miniaturización de los componentes electrónicos y aumento de la eficiencia de baterías, la computación en el incremento de la velocidad de procesamiento de información y algoritmos, la ingeniería en el aumento de la eficiencia de los componentes mecánicos, así como el empleo de la física y la matemática en modelación y teoría de control. Este proyecto consiste en el diseño, ensamblaje y programación de un dron desde los primeros pasos, es decir, se eligen los componentes mecánicos y electrónicos necesarios y su funcionamiento. Para cada sensor se desarrollan códigos basados en el lenguaje de programación Arduino; un lenguaje enfocado a proyectos educativos de robótica y de uso libre y gratuito. Se realizan pruebas de funcionamiento y se verifican estos datos. Una vez pasadas las pruebas se desarrolla el programa principal de la controladora de vuelo que será la encargada de asegurar un vuelo seguro del dron, esta contará con todos los datos obtenidos por los sensores: giroscopio, acelerómetro, brújula digital, barómetro y GPS, después de procesar los datos calculará parámetros de vuelo como ángulos de inclinación y orientación, altitud y posicionamiento por GPS. Una vez conocidos los parámetros la controladora será capaz de cumplir órdenes específicas mediante controladores PID para cada parámetro. Se realizan modificaciones al controlador PID como aproximación del error mediante polinomios de interpolación de Lagrange de primer y segundo orden. En la tesis se presentan los componentes mecánicos y electrónicos, sus características y especificaciones, los códigos de prueba usados, los datos obtenidos de las pruebas, los problemas, inconvenientes, pruebas fallidas y finalmente una estimación de los costos del proyecto y mejoras propuestas.