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Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias

versão On-line ISSN 2071-0054

Rev Cie Téc Agr vol.30 no.2 San José de las Lajas abr.-jun. 2021  Epub 01-Abr-2021

 

ARTICULO ORIGINAL

Evaluación de Sistema de Aeronave Pilotada a Distancia (RPAS), para uso agrícola (Parte II)

Ing. Juan J. Pérez-Paredes
http://orcid.org/0000-0001-5124-7781

Dr. Gilberto J. López-Canteñs* 
http://orcid.org/0000-0002-7789-5880

Dr. Noé Velázquez-López
http://orcid.org/0000-0001-5128-4929

Dr. Irineo L. López-Cruz
http://orcid.org/0000-0003-0630-6257

2Universidad Autónoma Chapingo, Posgrado en Ingeniería Agrícola y Uso Integral del Agua, Chapingo, Edo. México, México.

RESUMEN

Se realizó la evaluación de un prototipo de sistema de aeronave pilotada remotamente RPAS, tipo cuadricóptero, con un sistema que permite la realización de vuelos autónomos y estables para la obtención de imágenes georreferenciadas, mediante la instrumentación de un sensor RGB (Sony IMX117) y un GPS. Se construyó un RPAS, equipado con una controladora Pixhawk con GPS, motores race star de 1400kv, hélices de ocho pulgadas (8045) y ESC de 30 A. En la controladora de vuelo se instaló el firmware “ArduCopter V3.611” (específico para cuadricópteros), se calibro el acelerómetro, el compás, el radio, modos de vuelo (loiter, stabilize y RTL) y la telemetría a 20 mA. Además, se ajustaron los parámetros de vuelo y control del RPAS, con una velocidad de avance horizontal y vertical de 1 m/s, altura máxima de vuelo de 30m, voltaje mínimo de vuelo de 10.5v y un ajuste en el control PID de P=0.046, I=0.047 y D=0.0036 en los ejes roll y pitch y valores de P=0.1, I=0.025 y D=0.5 en el eje yaw. Se realizaron pruebas de vuelo en misiones autónomas con una velocidad constante de 1 m/s, a una altura de 20m y con vientos no mayores a 5 Km/h. Obteniéndose un consumo promedio de 1520 mAh por 7 minutos de vuelo, vibraciones menores a 18 ms2 y movimientos en los ejes “yaw”, “pich” y “roll” menores a 6 grados.

Palabras clave: RPAS; Diseño; Telemetría; Programación de vuelo. Georreferenciación

INTRODUCCIÓN

Se han propuesto diferentes diseños para plataformas RPAS, mostrando un fuerte desarrollo para el vuelo, control y aterrizaje de forma autónoma, con los dispositivos de posicionamiento global (GPS) (Galimov et al., 2020). Aun así, el desafío es seleccionar correctamente los componentes en una plataforma RPAS, para que cumpla con las necesidades y objetivos deseados (Christiansen et al., 2017).

La adecuada selección de los elementos para prototipos permite implementar diferentes estrategias de control, para la estabilización de los ejes del cuadricóptero (Lara et al., 2017). Para utilizar este recurso de manera eficiente, es necesario establecer una coordinación entre la controladora y sistemas de monitoreo para el RPAS, para determinar su ruta basada en el medio ambiente y programarlo de manera segura, sin colisiones y eficiente en el tiempo (Thibbotuwawa et al., 2020).

Pixhawk 4, un hardware de sistema de navegación y control de vuelo, consiste en una unidad de medida inercial (IMU) (giroscopios y acelerómetros), magnetómetro (brújula), barómetro, módulo del sistema de posicionamiento global (GPS) (Pei et al., 2019). El sistema debe estar calibrado para la seguridad y el rendimiento (Vargas, 2015; Gyujin et al., 2020). Además de la configuración de parámetros de vuelo, y un correcto ajuste en el control PID (proporciona, integral y derivativo), que regula las correcciones de los errores ocasionados por las perturbaciones originadas por el viento o diferencias en los motores y las hélices (Bonney et al., 2020). El controlador PID se utiliza ampliamente en el control de vuelo de UAV debido a su alta precisión de control y simple estructura (Dávila et al., 2017; Zhang et al., 2018, 2019).

Teniendo en cuenta las características necesarias con que deben contar las aeronaves para uso en la agricultura de precisión, el objetivo del presente trabajo es evaluar un RPAS, tipo cuadricóptero, de acuerdo una configuración de vuelo establecida y control PID, con un sistema, que le permite la realización de vuelos autónomos y estables para la obtención de imágenes georreferenciadas en forma secuencial, mediante la instrumentación de un sensor RGB.

MATERIALES Y MÉTODOS

Prototipo RPAS

Se utilizó un prototipo de RPAS, tipo cuadricóptero (FIGURA 1), desarrollado en las instalaciones de la Universidad Autónoma Chapingo, equipado con cámara RGB Hawkeye Firefly 8SE con el sensor sony IMX117. La controladora de vuelo modelo pixhawk, que utiliza, es de código abierto y supervisa el funcionamiento del RPAS en los diferentes modos de vuelo, controla la cámara y los giros del gimbal, además georreferencia las imágenes que son capturadas.

FIGURA 1 Prototipo de RPAS. 

Configuración Pixhawk

En la controladora de vuelo del se instaló el firmware “ArduCopter V3.611” y se configuro con el programa “Mission Planner”, una herramienta que proporciona de manera simple y gráfica la configuración de aeronaves basadas en el protocolo de comunicación y control “MAVLINK”(Reyes, 2017). Se cargó el firmware, “ArduCopter V3.611” (específico para cuadricópteros), se calibro el acelerómetro, el compás, el radio, modos de vuelo (loiter, stabilize y RTL) y la telemetría a 20 (mA). Además, se ajustaron los parámetros de vuelo y control del RPAS, en la lista “Full Parameter List”, con una velocidad de avance horizontal y vertical de 1 m/s, altura máxima de vuelo de 30 m, y voltaje mínimo de vuelo de 10.5 v (activando el regreso a casa autónomo, RTL).

Un ajuste importante, es el control PID (Proporcional, Integral, Derivativo), que regula las correcciones de los errores ocasionados por las perturbaciones originadas por el viento o diferencias en los motores y las hélices (Nistal, 2017; Zhang et al., 2019). El control PID es un mecanismo de control por realimentación que calcula la desviación o error entre un valor medido y un valor deseado (Serrano, y Pérez, 2016).

EL controlador PID, genera una señal de salida para contrarrestar el error existente entre la variable controlada y un valor de referencia del sistema (Berra, 2016). La ley de control está basada ecuación 1.

PID=kpet+ ki0tetdt +kd de t dt ( 1 )

En donde t : Tiempo, e : Error, kp,ki,kd : Constantes, kp ·e(t) : Acción proporcional, ki0te(t)dt  : Acción integral, kd de t dt : Acción derivativa.

En misiones autónomas, la controladora de vuelo pixhawk, incorpora un control PID, que corrige la altitud y estabilidad (FIGURA 2). El control se basa en los valores calculados por la IMU y el barómetro, los cuales miden el ángulo del vehículo y la altura, respectivamente. Estos valores son comparados con los deseados, para calcular el error, y así aplicarlo al sistema de control (Bonney et al., 2020).

En la FIGURA 2, se desarrolla el diagrama de control PID, de la controladora de vuelo pixhawk, utilizado para corregir la estabilidad y altura. El valor “Roll”: es la rotación sobre el eje X, permitiendo el desplazamiento hacia la derecha o izquierda. El valor “Pitch”, es la rotación sobre el eje Y, permitiendo el desplazamiento hacia adelante o hacia atrás. El valor “Yaw”, es la rotación sobre el eje Z, permitiendo rotar sobre su eje vertical (Vargas, 2015; Dávila et al., 2017; Nistal, 2017).

FIGURA 2 Diagrama del control PID, utilizado para corregir altura y ángulos, de la controladora de vuelo pixhawk. 

En la TABLA 1, se muestra los valores de ajuste del control PID del RPAS, que utilizaron en las misiones de vuelo. Para los valores P de velocidad y PID de altura.

TABLA 1 Ajuste del control PID 

Parámetros extendidos de sintonización para el control PID (Mission Planner)
Valores P para estabilizar el error de velocidad:
Roll Pitch Yaw Posición X,Y
P=4.0 P=4.0 P=4.0 P=1
Valores PID para estabilizar el error de ángulos.
Valor roll Valor pitch Valor yaw Velocidad XY
P=0.046 P=0.046 P=0.10 P=2
I= 0.047 I=0.047 I=0.025 I=1
D=0.0036 D= 0.0036 D=0 D=0.5
Valores PID para estabilizar el error de altura (Throttle Accel)
P=0.5
I=1.0
D=0.0

Evaluación del prototipo RPAS

La evaluación se realizó en el campo experimental “Tlapeaxco”, de la Universidad Autónoma Chapingo, en Texcoco, Estado de México, Latitud Norte 19°28'57.41", Longitud Oeste -99°6'33.69 (FIGURA 3). Mediante misiones de vuelos autónomos, que se realizaron a una altura de 20m, con una velocidad de avance horizontal de 1 m/s y con vientos no mayores a 5km/h, cubriendo un área de 2258 m2 (0.23 ha).

Para planificar el vuelo (en campo), se utilizó un dispositivo móvil (celular) con la aplicación “Qground Contol“, además, el celular estaba enlazado al RPAS mediante telemetría (FIGURA 4).

FIGURA 3 Vuelo del RPAS. 

FIGURA 4 RPAS, radiocontrol y elemetría 

En la aplicación de Qground Control, se definió el área de vuelo y ajustaron los parámetros de traslape de las fotografías con un 75% frontal y un 65% lateral (FIGURA 5) (recomendado por Ortega (2018). Los parámetros del sensor sony IMX117, de la cámara Hawkeye Firefly 8SE que se utilizó en el RPAS, se ajustaron con un ancho de 6.17 mm y un largo de 4.55 mm, una resolución de 4608 pixeles en lo ancho y 3456 en lo alto y una distancia focal de 3 mm (FIGURA 5).

FIGURA 5 Planificación del vuelo en "Qground Control". 

Otros valores que se ajustaron fueron: el punto de salida y el punto de regreso en la misión de vuelo, estos valores se definieron en el punto en donde se encontraba el RPAS en el momento de configurar la misión (posicionado en una superficie plana y sin maleza).

Después de ajustar los valores mencionados, la aplicación calcula la cantidad de fotos que debe tomar y en qué localización (waypoints), de acuerdo con el traslape configurado y las características de la cámara (Navarro, 2019). En la FIGURA 6, se observan los puntos (en verde), en donde se tomaron las fotografías.

FIGURA 6 Waypoints del plan de vuelo. 

El plan de vuelo (configurado), se cargó al RPAS (mediante telemetría), y se realizaron los vuelos, la aplicación mostro el avance del vehículo en tiempo real y características del vuelo como, el tiempo de vuelo, el estado de la batería y recepción satelital.

Procesamiento

La información generada por los distintos sensores que posee el vehículo, como velocidad, altura, voltaje de la batería, consumo de corriente, posición geográfica, vibraciones y ángulo de posición (x,y,z), fue almacenada por la controladora vuelo.

Los registros de vuelo se descargaron mediante Mission Planner, en un archivo de lectura de Matlab (.mat), por lo cual, se necesitó convertir la información en un archivo (.xlsx), mediante un código de programación desarrollado. Con la información en un archivo (.xlsx), formato de lectura de hoja de cálculo de Microsoft Excel, se graficaron los valores deseados.

Análisis del funcionamiento del prototipo RPAS

Se realizaron tres misiones de vuelo y se midieron los parámetros de voltaje, consumo, corriente, giro, vibración y altura de vuelo, que se utilizaron para la evaluación del funcionamiento del RPAS, los cuales se graficaron y analizaron, a continuación.

En la FIGURA 7, se observa el comportamiento del voltaje de la batería, durante las tres misiones de vuelo. La controladora de vuelo detecta, el voltaje de la batería (voltaje real) y realiza una corrección (voltaje corregido), debido a que, el volteje real, desciende rápidamente, ocasionado por la corriente suministrada a los ESC.

En nuestro caso, se utilizó el voltaje real, para evaluar el estado de la batería y configurar el regreso seguro a casa (RTL), el cual está configurado para activarse, al detectar voltajes mínimos de 10.5 v en la batería. Bonney et al. (2020), mencionan que se puede utilizar el valor del voltaje corregido de la batería, para alargar la duración del vuelo, pero reduce la vida útil de la batería.

En la FIGURA 7, se observa que en los primeros 30s aparecen picos negativos en el voltaje real, esto es debido a que, en ese momento, el RPAS inicio su ascenso a 20 m de altura, ocasionando un descenso brusco de voltaje. Conforme al tiempo transcurrido, el voltaje disminuye de los 12.5 v (carga completa) hasta los 10.4v, limitando el vuelo a aproximadamente 7 minutos (debido a que el regreso a casa RTL está configurado con un voltaje mínimo de 10. 5 v.

FIGURA 7 Voltaje del RPAS durante el vuelo. 

El consumo medio de la batería en los tres vuelos fue de 1520 mAh, por 7 minutos de vuelo (aproximadamente) (FIGURA 8), un 38 % de la capacidad total de la batería (4,000 mAh), por lo que, la batería puede soportar el doble de tiempo de vuelo (teóricamente), si el factor de seguridad de voltaje mínimo se configura conforme al voltaje corregido y no al voltaje real, aumentando considerablemente el tiempo de vuelo.

Como se mencionó en la sección de cálculo de potencia, la batería puede suministrar una intensidad de corriente continua de 200A, para poder alimentar todos los componentes electrónicos. En la FIGURA 8 se puede comprobar que la intensidad máxima de corriente, que se requirió durante los vuelos, no fue mayor a 23 A.

FIGURA 8 Consumo (A) y corriente(A) del RPAS. 

Uno de los puntos importantes para evaluar la estabilidad de un RPAS, es el giro en los ejes “Roll”, “Pitch” y “Yaw, estos valores representan la inclinación del vehículo en sus 3 ejes de movimiento (Fernández et al., 2016). Para evaluar este factor se realizaron dos misiones de vuelo, que se muestran en la FIGURA 9 y FIGURA 10, en donde se puede apreciar que el giro para “Roll” y “Pitch” en los vuelos autónomo del RPAS, varían de -6° a 5°, estos valores, no superaron los límites recomendados por Bonney et al. (2020), que son  +6° para “Roll” y “Pitch”.

El giro en “Yaw” posee valores de 0-360°, debido a que, se representan los cambios de la trayectoria (giro sobre su propio eje), además, el origen está orientado al norte, por lo que cualquier despegue con el frente del RPAS que no esté orientado al norte tendrá valores de 0-360°.

FIGURA 9 Giro en "Roll", "Pitch" y "Yaw" del RPAS (vuelo 1). 

FIGURA 10 Giro en "Roll", "Pitch" y "Yaw" del RPAS (vuelo 2). 

Otro parámetro que se utilizó para evaluar la estabilidad el RPAS, fue la vibración, que es la propagación de ondas, que producen deformaciones y tensiones sobre el chasis (movimientos repetitivos alrededor de la posición de equilibrio) (Bonney et al., 2020). En la FIGURA 11 se observa que la vibración media (de los tres vuelos), se encuentra entre 6 y 16 m s2 , por lo tanto, los valores obtenidos están dentro de los parámetros recomendados por Bonney et al. (2020) de 0-30 m s2

En los primeros 30 segundos de vuelo, la vibración oscilaba de 3 a 18 m s2 , debido a que se genera una burbuja de aire entre el suelo y el RPAS, conforme el ascenso la burbuja desaparece y las vibraciones disminuyen. Esta vibración, no es posible disminuirla con los ajustes en el control PID, solo con alturas de vuelo mayores a 5m desaparece la vibración (Bonney et al., 2020).

FIGURA 11 Vibración media en “X”, “Y” y “Z”. 

Se obtuvieron los valores medios de altura (m) y altitud (msnm), de los tres vuelos (FIGURA 12). Estos valores, son generados por el barómetro, que mide la presión atmosférica y corregidos por el acelerómetro (Bonney et al., 2020). El control PID realizo la correccion de la altura de vuelo, manteniendo la altura en 20 m con un error de ± 0.5m, un error aceptado en la fotogrametria.

FIGURA 12 Altura media del RPAS en los vuelos. 

Se obtuvo la gráfica del comportamiento de los valores de control PID, que corrigen la altura de vuelo (FIGURA 13). En los primeros tres segundos el valor de la acción proporcional “P”, oscila de ± 200 y la acción integral de -150 a 15, esto es debido a que el RPAS ha iniciado el vuelo y los parámetros buscan reducir el error de altura conforme al tiempo. Después de tres segundos, el control PID, estabiliza la altura que el sistema desea y el error tiende a cero.

FIGURA 13 Valores del control PID de altitud. 

El comportamiento de los valores del control PID de los ejes pitch (eje Y) y roll (eje X), se graficó en la FIGURA 14 y FIGURA 15. El RPAS, al iniciar el vuelo se encuentra en una superficie plana, por lo que el control PID detecta que el error es cercano a cero, en el segundo tres, el RPAS inicia el ascenso y es cuando el control PID disminuye los errores rápidamente, con un tiempo de estabilización de dos segundos, obteniendo un comportamiento robusto.

FIGURA 14 Valores del control P y I de pitch y roll. 

FIGURA 15 Valores del control D de pitch y roll. 

CONCLUSIONES

Se evaluó el funcionamiento del RPAS en cuanto a su consumo eléctrico, obteniendo un vuelo de 7 minutos con un consumo total de 1520 mAh, al utilizar el 38% de la capacidad total de la batería y un voltaje final de 10.3v, en vuelos con una altura de 20m y una velocidad horizontal de 1 m/s.

Se realizaron los ajustes del control PID, con valores de P=0.046, I=0.047 y D=0.0036 en los ejes roll y pitch y valores de P=0.1, I=0.025 y D=0.5 en el eje yaw, obteniendo un comportamiento robusto del sistema, con un tiempo de estabilización de dos segundos, vibraciones promedio de 9 m s2 , que oscilan entre 6 y 18 m s2 , y un giro promedio de 3 grados en los ejes X y Y. Por lo que se puede concluir que la estabilidad se encuentra entre los parámetros adecuados para poder utilizar el RPAS en fotogrametría.

REFERENCES

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Recibido: 03 de Diciembre de 2020; Aprobado: 01 de Marzo de 2021

*Autor para la correspondencia: Gilberto J. López-Canteñs, e-mail: alelopez10@hotmail.com

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