Diseño y Construcción de un Vehículo Aéreo No Tripulado

Abstract

El objetivo general del presente trabajo es el diseño y construcción de un vehículo aéreo no tripulado (UAV, por sus siglas en inglés) que sea capaz de mantener su horizontalidad en forma autónoma, es decir sin necesidad de la intervención de un piloto humano; utilizando para ello sistemas de control embebido que incorporen como referencia la presión atmosférica y el diferencial de temperatura entre la atmósfera y la superficie de la tierra. Para dichos efectos, se diseñará y construirá un aeroplano estable, fácil de volar y con capacidad de transportar la electrónica y sensores necesarios; y se implementará un sistema de sensores e instrumentación apropiados para el vehículo y sistema de control electrónico.

Actualmente, el costo de operación de un UAV comercial es muy elevado y requiere de personal altamente capacitado para una adecuada manipulación y mantenimiento. La compleja electrónica y programación limitan sus usos de manera importante, incluso para misiones sencillas. Este proyecto busca desarrollar una plataforma funcional, confiable, sencilla de operar y que permita la incorporación de nuevos sensores o dispositivos para realizar trabajos futuros. La naturaleza del proyecto despierta la curiosidad de los estudiantes y brinda la oportunidad de promover la carrera y motivar áreas no explotadas en la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile.

El proyecto se divide en tres grandes etapas: diseño y construcción del aeroplano, el diseño y construcción de la electrónica de automatización y finalmente, la integración de la electrónica y el aeroplano. Para ello se realizó un estudio de los sensores que actualmente son utilizados para alimentar al controlador con las distintas variables que permiten manipular al UAV. También se estudiaron las plataformas aéreas existentes y sus configuraciones aerodinámicas dependiendo del uso al que están destinadas. De esta forma fue posible identificar los sensores y la plataforma aérea necesaria para cumplir los objetivos planteados.

Los objetivos planteados para el prototipo del aeroplano derivaron en un “ala alta” de envergadura cercana a los 3[m] en configuración pusher. La planta propulsora elegida es un motor a explosión de 30[cc]. Los materiales utilizados en la construcción son básicamente fibra de vidrio, poliestireno expandido y madera de balsa.

Los sensores incorporados en la electrónica de automatización son: termocuplas infrarrojas para el control de la estabilización horizontal; GPS para la localización en el espacio; sensor de presión absoluta para determinar la altura de vuelo; y un sensor de presión diferencial para la velocidad de vuelo. El microcontrolador utilizado es un PIC24FJ128GA006 de gama media/alta.

Los resultados obtenidos demuestran que un estudiante puede diseñar y construir un UAV en la Facultad. El aeroplano mostró ser una plataforma estable, robusta y fácil de controlar. La electrónica probó que no es necesario contar con presupuesto ilimitado para obtener datos que permitan implementar un controlador para un UAV.

Se destaca que el trabajo de Memoria involucró todos los aspectos básicos de un proyecto de ingeniería, desde la conceptualización hasta la implementación del UAV. Dentro de la electrónica existen ciertos elementos que deben ser mejorados con el fin de obtener un vuelo 100% autónomo. Para trabajos futuros se deja entonces a disposición del estudiantado una plataforma de desarrollo de sistemas de control y posicionamiento.