INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y

ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL TICOMÁN

SEMINARIO DE ACTUALIZACIÓN CON OPCIÓN A

TITULACIÓN

SISTEMAS DE AVIÓNICA

“DISEÑO CONCEPTUAL DE UN SISTEMA DE

SEGUIMIENTO DE OBJETIVO CONTROLADO POR

MOVIMIENTO DE CABEZA DEL PILOTO”

Tesina que presenta

MOLOTLA JIMÉNEZ JOSÉ RODRIGO

Para obtener el título de

INGENIERO EN AERONÁUTICA

MEXICO D.F JUNIO 2014

iii

ÍNDICE

Índice…………………………………………………………………………………….. iii

Lista de figuras………………………………………………………………………….. v

Lista de tablas……………………………………………………………………….......v

Lista de acrónimos…………………………………………………………………....... vi

Agradecimientos………………………………………………………………………... vii

Resumen………………………………………………………………………………… viii

Abstract……………………………………………………………………………......... viii

Objetivos …………………………………………………………………………….......ix

Estado del arte………………………………………………………………………….. x

Justificación……………………………………………………………………….......... xi

CAPÍTULO 1. EVOLUCION DE LOS SISTEMAS DE ARMAMENTO EN LAS AERONAVES…………………………………………………………………………… 1

1.1 Armamento en las aeronaves…………………………………………….. 2 1.1.1 Conceptos…………………………………………………….…. 2 1.1.2 Evolución del armamento en las aeronaves…………….…… 4 1.1.3 Cañones y torretas en Helicópteros………………….………. 7

1.2 Tecnología actual de adquisición y seguimiento de objetivos…….….. 9 1.2.1 HMD………………………………………………………….….... 10 1.2.2 Seguimiento del movimiento de cabeza…………………….… 11 CAPÍTULO 2. COMPONENTES Y CARACTERÍTICAS DEL SISTEMA DE SEGUIMIENTO DE OBJETIVO………………………………………………………. 12

2.1 Sensores ……………………………………………………………………. 13

2.1.1 Giroscopios…………………………………………………….…. 15 2.1.1.1 Giroscopio de anillo laser………………………….….. 15 2.1.1.2 Giroscopio MEMS……………………………………… 17

2.1.2 Acelerómetros…………………………………………………..... 19

2.1.2.1 Acelerómetros mecánicos…………………………….. 20 2.1.2.2 Acelerómetros capacitivos……………………………. 21 3.1.2.3 Acelerómetros piezoeléctricos……………………...... 22 2.1.2.4 Acelerómetros térmicos………………………..……… 24

iv

2.1.2.4 Acelerómetros micro mecánicos (“MEMS”)……........ 24 2.2 Unidad de control…………………………….…………………………… 26

2.2.1 Micro controladores……………………………………………… 26 2.2.2 Convertidor analógico digital…………………………………….28

2.2.2.1 Tipos de convertidores AD……………………………. 29 2.3 Actuadores……………………………………………….…………………. 31

2.3.1 Motores paso a paso……………………………………………. 32 2.3.2 Servomotores…………………………………………………….. 34 2.3.2.1 PWM…………………………………………………….. 36 2.3.3 Comparación entre motores paso a paso y servomotores….. 38 CAPITULO 3. DESCRIPCIÓN OPERATIVA DEL DISEÑO……………………….. 40

3.1 Detección de movimiento…………………………………………………. 41 3.1.1Sistema de detección de movimiento de cabeceo…………..... 41 3.1.2 Sistema de detección de movimiento de guiñada…………..... 42 3.2 Adquisición de datos, procesamiento y control de actuadores……….. 43 CAPÍTULO 4 PROGRAMACIÓN……………………………………………………... 44

4.1 Eje de Altitud, movimiento de Cabeceo…………………………………. 45 4.1.1 Determinación de posición……………………………………… 45 4.1.2 Control del servomotor………………………………………….. 47

4.2 Eje Azimut movimiento de guiñada………………………………………. 49 4.1.1 Determinación de posición y control del servomotor.......……. 49 CAPÍTULO 5 SIMULACIÓN…………………………………………………………... 51

5.1 Simulación del sistema de seguimiento del movimiento de cabeceo… 52 5.1.1 Condición inicial inclinación de 0°……………………………… 54 5.1.2 Condición pitch 90°………………………………………………. 56 5.1.3 Condición pitch 45°…………………….………………………… 57 5.1.4 Condición pitch -45°……………………………………………… 59 5.1.5 Condición pitch -90°……………………………………………… 60 5.2 Simulación del sistema de seguimiento del movimiento de guiñada………… 62 5.2.1 simulación programada………………………………………….. 63 CONCLUSIONES………………………………………………………………………. 67 REFERENCIAS…………………………………………………………………………. 68

BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………………………. 68

v

Lista de Tablas.

Tabla 1 Duración de pulso, frecuencia y cableado de diferentes fabricantes...... 38 Tabla 2 Componentes de la gravedad para diferentes ángulos de pitch………... 42 Tabla 3 Voltaje a la salida del acelerómetro para diferentes inclinaciones……… 53 Tabla 4. Voltaje para diferentes velocidades angulares…………………………… 64

Lista de figuras. Fig.1.1 Convertiplano Bell-Boeing V-22 Osprey……………………………….…… 3 Fig.1.2. Ascenso en globo durante la guerra civil estadounidense …………….. 4 Fig.1.3. Diseño experimental de Voisin……………………………………………… 5 Fig.1.4 Ejes de movimiento Altazimutal.…………………………………………..… 6 Fig.1.5 Bell UH1- Iroquois………………………………………………………...…… 7 Fig.1.7 Torreta y sistemas detección de objetivo…………………………………… 8 Fig.1.8 Imagen HMD monocromático de un helicóptero Apache…..…………….. 9 Fig.2.1 Dibujo de un giróscopo…………………………………………………..…… 15 Fig.2.2 Esquema del funcionamiento de un giroscopio laser……………………… 16 Fig.2.3 Efecto Coriolis……………………………………………………………..…… 17 Fig.2.4 Esquema de giroscopio MEMS cuando se aplica una velocidad angular…………………………………………………………………………………… 18 Fig.2.5 Comparación del tamaño de los giróscopos MEMS en los últimos años 18 Fig.2.6 Sistema masa resorte amortiguado……………………………………….… 19 Fig.2.7 Esquema de un acelerómetro mecánico de galgas extensiométricas 20 Fig.2.8 Acelerómetro en reposo y siendo afectado por una aceleración…..…… 21 Fig.2.9 Pacas paralelas, y arreglo "interdigital"…………………………………..… 22 Fig.10 Arreglos de capacitores diferenciales, y modelo del circuito……………… 22 Fig.2.11 Esquema de un acelerómetro piezoeléctrico…………………………….. 23 Fig.2.12 Esquema de un acelerómetro térmico y distribución de la temperatura. 24 Fig.2.12 Comparación de las dimensiones de acelerómetros MEMS…………… 25 Fig.2.13 Esquema del interior del encapsulado de un dispositivo MEMS……..… 25 Fig.2.14 Esquema de motores paso a paso de imán permanente, unipolar y bipolar…………………………………………………………………………………… 34 Fig.2.15 Diagrama a bloques típico de un servomotor…………………………….. 35 Fig.2.16 Generación de señal PWM mediante intersección de señales……...…. 36 Fig.2.17 Correlación entre la duración del pulso y la posición del servomotor 37 Fig.3.1 Ejemplo de la forma más sencilla de integración numérica…………….… 43 Fig.5.1 Circuito equivalente para medición de cabeceo…………………………… 52 Fig.5.2 Resultados simulación cálculo de posición……………………………..….. 54 Fig.5.3 Señal PWM para pitch 0°……………………………………………...……… 55 Fig.5.4 ancho de pulso para pitch 0°………………………………………………… 55 Fig.5.5 Posición del servo para pitch 0°…………………………………………...… 55 Fig.5.6 Resultados simulación cálculo de posición pitch 90°…………………..…. 56 Fig.5.7 Señal PWM para pitch 90°…………………………………………………… 56 Fig.5.8 ancho de pulso para pitch 90°……………………………………….……… 57 Fig.5.9 Posición del servo para pitch 90°……………………………………………. 57 Fig.5.10 Resultados simulación cálculo de posición pitch 45°……………………. 58

vi

Fig.5.11 Señal PWM para pitch 45°………………………………………….……… 58 Fig.5.12 ancho de pulso para pitch 45°…………………………………………….. 58 Fig.5.13 Posición del servo para pitch 45°………………………………………...... 59 Fig.5.14 Resultados simulación cálculo de posición pitch -45°…………………… 59 Fig.5.15 Señal PWM para pitch -45°………………………………………………… 60 Fig.5.16 ancho de pulso para pitch -45°……………………………………………. 60 Fig.5.17 Posición del servo para pitch -45°……………………….......................... 60 Fig.5.18 Resultados simulación cálculo de posición pitch -90°…………………… 61 Fig.5.19 Señal PWM para pitch -90°……………………………………………....... 61 Fig.5.20 ancho de pulso para pitch -90°……………………………………………. 62 Fig.5.21 Posición del servo para pitch -90°…………………………………………. 62 Fig.5.22 Circuito equivalente para la simulación del movimiento en Azimut…..… 63 Fig.5.23 Señal programada para simular el movimiento de cabeza……………… 63 Fig.5.24 Respuesta al voltaje inicial de 1.5 v………………………………..……… 64 Fig.5.24 Respuesta del servomotor a impulso 1.6 Volts durante 1 segundo 65 Fig.5.25 Respuesta de ancho de pulso y posición del servo para un desplazamiento hasta 0°…………………………………………………………….… 65 Figura 5.26 Ancho de pulso para posición 180° ……………………………………. 66

Lista de acrónimos. MEMS Micro Electro Mechanical Systems (Sistemas Microelectromecánicos)

HMD Head/Helmet Display (Display montado en casco/cabeza)

TADS Target Acquisition and Designtation Sight.

OACI Organización de Aviación Civil Internacional

VTOL Vertical Take Off and Landing GPS Globa Positioning System CPU Central Proccess Unit ROM Read Only Memory EEPROM Elcectronically Erasable Programable ROM RAM Random Acces Memory CAD Convertidor Analógico Digital PWM Pulse-Width Modulation (Modulación por ancho de pulsos) DSP Procesado Digital del Señales RPM Revoluciones Por Minuto MEA More Electric Aircraft(Aeronave Más Eléctrica) PAP Motor Paso a Paso DPS Degrees per Second, Grados por Segundo. LCD Liquid Crystal Display (Display de cristal Líquido) PIC Peripheral Interface Controller (controlador de interfaz periférico).

vii

AGRADECIMIENTOS

A aquellos que dedicaron su vida a promover una educación laica, gratuita y de

calidad.

A aquellos que fundaron el Instituto Politécnico Nacional, abriendo un camino que

puede recorrer todo individuo que aspire a una formación profesional, sin importar

el estrato social del que provenga.

Al pueblo de México, que hace posible la manutención del sistema de educación

pública.

A mis padres José Luis Molotla, y Leticia Jiménez.

A mis hermanos Carlos e Isaac y mi sobrina Sofía.

A mis abuelas, Emma y Enriqueta,

A toda mi gran familia.

A mi asesor Ing. Rodrigo Avilés.

A los valientes.

viii

RESUMEN

Este trabajo se llevó a cabo con el único objetivo de elaborar un diseño

conceptual que permita implementar la tecnología de micro controladores

programables y sensores micro mecánicos a un sistema de seguimiento de

objetivo, que puede ser controlado por movimiento de cabeza del piloto

Documenta brevemente la evolución de los sistemas de armamento a bordo de las

aeronaves, enlista y compara algunos tipos populares de sensores disponibles

actualmente, analizando sus ventajas y desventajas.

Muestra y explica el código utilizado para medir el movimiento e indicar la posición

de la cabeza, y genera una señal para cada eje de un sistema Alt-Azimutal con la

posición deseada, y de este modo controlar un actuador.

ABSTRACT

The sole purpose of this paper is to create a conceptual design that allows the

usage of MEMS sensors and programmable micro-controller technology in a target

tracking system that can be controlled with head movement from the pilot.

This paper briefly documents the evolution of Aircraft’s onboard weapon systems,

Enlists and compares the advantages and disadvantages of popular kinds of

available sensor technology.

It shows and explains the code used for measuring head movement and updating

position, generating a signal for each axis of an Altitude-Azimuth system with the

desired position, thus controlling an actuator.

ix

ESTADO DEL ARTE

Los sistemas más modernos de Adquisición y seguimiento de objetivo, se

encuentran, sin lugar a dudas en las aeronaves militares de última generación.

Uno de los sistemas más avanzado, es el utilizado en helicóptero BOEING AH-64

APACHE. El cual permite manipular la posición de su torreta o inclusive de un

misil teledirigido por medio del sistema TADS (Target Acquisition and Designtation

Sight), que controla la posición de cámaras infrarrojas y de imagen

monocromática, que muestran al piloto el objetivo y panorama del campo de

batalla en un display monocular, donde se sobrepone información táctica a la

imagen. Este sistema a su vez controla el movimiento de la torreta ubicada en la

parte inferior del helicóptero, de modo que se puede seguir o apuntar a un objetivo

utilizando solamente el movimiento de cabeza.

x

OBJETIVO GENERAL

Crear y comprobar un diseño conceptual que permita la implementación de

un micro controlador en un sistema de seguimiento de objetivo, que sea

capaz de medir el movimiento de cabeza, y controlar la posición de un

actuador por cada eje de un sistema Altazimutal.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Documentar brevemente la evolución del armamento a bordo de las

aeronaves.

Enlistar información acerca de los sistemas de seguimiento de objetivo y

direccionamiento de armamento.

Enlistar y comparar las características de los componentes necesarios en el

sistema a diseñar.

Desarrollar un código de programación, para el dispositivo micro

controlador PIC 16F876A que interprete la información de los sensores y

sea capaz de manipular dos servomotores que actualicen la posición del

sistema de seguimiento de objetivos.

Emplear el software Proteus 7 para simular el sistema.

xi

JUSTIFICACIÓN

En los últimos años, los dispositivos micro mecánicos han evolucionado de

manera exponencial, y han hecho posible la realización de aplicaciones que hasta

hace no mucho, requerían de una fuerte inversión en sensores electrónicos.

Gracias al desarrollo en la tecnología de estos dispositivos, hoy en día estos

sensores están presentes en nuestra vida diaria, en celulares, aparatos de

ejercicio, vehículos, y videojuegos. Año con año, aumenta su capacidad y

precisión, haciéndolos cada vez más confiables y aptos para servir como enlace

en la interacción Humano-Máquina.

La presente tesina pretende implementar sensores MEMS y micro controladores

programables para controlar un sistema de seguimiento de objetivo, similar a los

sistemas instalados en los helicópteros Apache y las versiones con equipamiento

más moderno del helicóptero Cobra.

Considerando que el costo de fabricación de los sistemas instalados en estos

helicópteros asciende a millones de dólares. Vale la pena desarrollar un diseño

conceptual de un sistema que de resultar viable pudiera realizar algunas de las

funciones de esos sistemas, con un costo extremadamente bajo.

La tendencia MEA, es una filosofía de diseño actual en la cual se busca sustituir

los sistemas mecánicos, neumáticos e hidráulicos por actuadores eléctricos con

mayor capacidad de control, menor consumo de energía y menor peso total del

sistema en la aeronave. Por lo cual se propone el uso de motores eléctricos

controlados por señales de pulsos modulados para mover los sistemas.

1

CAPÍTULO 1

EVOLUICION DE LOS SISTEMAS DE ARMAMENTO EN LAS

AERONAVES

2

1.1 ARMAMENTO EN LAS AERONAVES

Es un hecho innegable que la aeronáutica a nivel mundial, ha estado

estrechamente relacionada con labores de defensa desde sus primeros años. Hoy

en día, no es descabellado decir, que los adelantos tecnológicos de las aeronaves

militares, son la punta de lanza del desarrollo de la aviación, presentando

comúnmente, las tecnologías más avanzadas, o bien, tecnologías establecidas

que ofrecen una madurez y confiabilidad altísimas. Existen actualmente aeronaves

militares que fueron diseñados hace décadas, y hoy en día siguen cumpliendo con

las tareas para las que se les diseñó, de manera eficaz. Los estándares de la

aviación civil son muchas veces adaptaciones de los estándares militares que han

estado vigentes desde antes.

1.1.1 CONCEPTOS

La Organización de Aviación Civil Internacional define a una aeronave como

“Toda máquina que puede desplazarse en la atmósfera por reacciones del aire

que no sean las reacciones del mismo contra la tierra”[1]. Dicho de otra forma es

una máquina capaz de sostenerse en el aire, soportando su propio peso, el de su

estructura, tripulación, pasajeros, instrumentos y sistemas necesarios, carga y/o

combustible.

Una aeronave se sobrepone a la fuerza de gravedad mediante una fuerza de

levantamiento estático o dinámico. La forma más común de generar levantamiento

es provocar una diferencia de presiones en un perfil aerodinámico

Las aeronaves se dividen en dos grandes grupos, aquellas que son más ligeras

que el aire conocidas como aerostatos, y aquellas más pesadas que el aire,

conocidas como aerodinos.

Los aerostatos, fueron las primeras aeronaves en usarse con éxito para

transportar, o simplemente elevar pasajeros humanos. Utilizan aire caliente u otros

gases en grandes contenedores, para que la diferencia en el peso del gas

contenido en su interior, genere una fuerza ascendente que los mantenga

elevados, este fenómeno se conoce como flotación, y no es diferente al efecto

mantiene a flote una boya. En este grupo se encuentran los Globos Aerostáticos y

los Dirigibles, aun cuando estos cuentan con medios para alterar su posición en

vuelo.

Los aerodinos conforman un grupo mucho más extenso, pues de él forman parte

la aeronaves de ala fija, ya sea que sean movidos por hélices o motores a

reacción. Las aeronaves de ala rotativa, como son Helicópteros, autogiros, y

girodinos, también son aerodinos.

3

Existen aeronaves convertibles, en las que los rotores cambian su configuración,

girando 90° para convertirse en hélices propulsoras, y comportarse como un

avión, como podemos apreciar en la figura 2.1 este tipo de aparatos requiere de

mecanismos de gran tamaño, complejos y que están sometidos a esfuerzos muy

grandes, por lo que deben ser suficientemente resistentes para llevar a cabo esa

transición, razón por la cual no son tan populares.

Fig.1.1 Convertiplano Bell-Boeing V-22 Osprey

Existen aeronaves de ala fija propulsados con motores a reacción (Motores “Jet”

Turborreactores o Turbofan), que dirigen el flujo de sus motores, hacia el suelo

generando un empuje vertical que los eleva y después los dirigen hacia atrás para

ganar impulso. Este tipo de aeronaves se conocen como VTOL (Vertical Take Off

and Landing).

Otros métodos de generar levantamiento, incluyen “cuerpo de levantamiento”, en

el que el cuerpo de la aeronave está diseñado para producir levantamiento, si

existen alas, estas son muy pequeñas para producir levantamiento considerable y

son usadas solamente para proveer estabilidad y control. Ejemplos de este tipo

de aeronaves, son algunos aviones supersónicos o hipersónicos experimentales

como el X-24 y algunos misiles supersónicos. [2]

Según el Diccionario Aeroespacial Jane’s, una aeronave militar, es “cualquier

aeronave de ala fija o rotativa, que es operada por un servicio armado Legal o

insurrecto.”

Se distinguen dos tipos de aeronave, aeronaves de combate diseñadas para

destruir equipamiento enemigo usando su propio armamento. Y las no

4

combatientes, que no están diseñadas para el combate como su función principal,

pero pueden llevar consigo armas para defenderse. Este tipo de aeronaves opera

principalmente en roles de apoyo. [3]

Comúnmente se denomina aeronave militar a aquellas utilizadas en cualquier

actividad que tenga que ver con actividades militares o de defensa, como puede

ser, transporte de cargamentos estratégicos, (Tropas, Mandatarios, Provisiones,

Municiones, Uniformes, Etc.), patrullaje, ataque, entrenamiento o reconocimiento.

1.1.2 EVOLUCIÓN DEL ARMAMENTO EN LAS AERONAVES.

Las primeras aeronaves en ser utilizadas para fines militares fueron los globos

aerostáticos. Los cuales fueron ampliamente utilizados en el siglo XIX en medio de

algunas batallas europeas, así como en la guerra civil de los Estados Unidos

(1861-1865) y siguieron siendo utilizados regularmente hasta poco antes de la

segunda guerra mundial, cuando los avances en el desarrollo de aeroplanos los

hicieron obsoletos. Su principal uso era en misiones de reconocimiento y

preparación de mejores mapas, en la figura 1.2 podemos observar un vuelo típico

en la época de la guerra civil estadounidense, los globos estaban sujetos a tierra

para evitar que el viento los arrastrase tras líneas enemigas, y al ser derribados el

ejército rival capturara al piloto como espía. [4]

Fig.1.2. Ascenso en globo durante una batalla en la guerra civil estadounidense.

La primera vez que se utilizaron aeroplanos en una guerra ocurrió en 1911 cuando

el ejército aéreo Italiano bombardeo un campamento Turco en Libia. [5] En esta

misma época, aviones de los Estados Unidos fueron utilizados en la frontera norte

de México contra las fuerzas armadas de Pancho Villa. En esos años era común

5

utilizar los aeroplanos para lanzar bombas a los enemigos, así como para realizar

labores de reconocimiento.

En 1910, la revista Flight publicó una foto de un diseño experimental de una

metralla montada en el asiento del pasajero de un avión biplano con un motor de

50 HP, presentado durante la segunda edición del París Air Show, la imagen se

puede apreciar en la figura 1.3 [6]

Fig.1.3. Diseño experimental de Voisin.

En la primera guerra mundial los pilotos llevaban armas consigo, e intentaban

acertar a los enemigos desde sus aeronaves en movimiento. Uno de los

desarrollos que se lograron en esta época fue la implementación de

ametralladoras en aviones biplaza. En estos aviones, las ametralladoras tenían fija

su orientación, pero pronto se desarrolló un sistema conocido como Anillo Scarff,

el cual consistía en una metralla montada en un mecanismo que facilitaba apuntar

y seguir a los objetivos, se ubicaba en el asiento trasero de estos aeroplanos y el

fuego era principalmente defensivo, pues la presencia del piloto impedía apuntar al

frente.

Roland Garros, un piloto francés instaló una ametralladora en su avión que

disparaba a través de la hélice que lo propulsaba, para evitar que las balas

dañaran las hélices, cubrió la parte baja de estas con placas de acero, de esta

manera, cualquier bala que impactara con ellas era desviada. [7] Esta solución

burda, funcionó bastante bien, y el piloto logró derribar 5 aeroplanos alemanes.

Aun así, un tiempo después fue derribado, y su secreto se reveló a los alemanes,

quienes encargaron al fabricante Anthony Fokker que reprodujera el aparato, él

mismo diseñó e instaló un sistema en el cual el giro de la hélice y el disparo del

arma están sincronizados, de modo que las balas no impactan con la hélice [8].

6

A partir de ese momento, el aeroplano dejó de ser un medio de observación y

pasó a tomar un rol activo en los conflictos bélicos.

Las aeronaves, usualmente tenían cabinas abiertas, y las armas eran operadas

manualmente, a medida que las velocidades de operación de los aeroplanos

incrementaron, se hizo más difícil direccionar las armas, principalmente aquellas

ubicadas en la nariz. Para sobreponerse a este problema, lo aviones fueron

equipados con torretas cerradas y el movimiento era asistido por medios

neumáticos e hidráulicos. En la segunda guerra mundial, eran comunes los

aviones con varias torretas asistidas, y aunque se desempeñaban bien para cazar

bombarderos, eran imprácticos cuando se enfrentaban con aviones más ligeros,

debido al peso y el arrastre parásito que generaban las torretas, eran menos

maniobrables que aquellos aeroplanos equipados con ametralladoras fijas. El

fuego “defensivo”, o direccionado hacia atrás, cayó en desuso y se prefirieron

aviones cuya velocidad y maniobrabilidad les permitieran escapar del fuego

enemigo.

Un avance importante en el desarrollo de las torretas, fue la implementación de

torretas controladas remotamente, lo cual hizo más eficiente su montaje, y permitió

que un solo operador fuese capaz de controlar más de una torreta. El montaje de

estas armas permitía dos grados de libertad, un sistema Altazimutal, el cual

permite el control del movimiento angular de dos ejes perpendiculares. El eje

vertical conocido como Altitud, y el eje horizontal conocido como Azimut, ambos se

miden en grados a partir de su intersección. Este concepto es muy importante

pues las torretas modernas siguen utilizándolo, en la figura 1.4 podemos observar

los dos grados de libertad que existen en el sistema Altazimutal.

Fig. 1.4 Ejes de movimiento Altazimutal.

7

Las aeronaves militares siguieron evolucionando, así como su armamento, para

cuando estalló la segunda guerra mundial, los aviones eran los principales

elementos de ataque de los países combatientes. Su uso se diversificó, fueron

utilizados como bombarderos estratégicos, y para superioridad aérea. Hacia el

final de la segunda guerra mundial, una aeronave B-29 lanzó una bomba nuclear

sobre las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki, en uno de los eventos

más fatídicos de la historia humana.

Durante el periodo conocido como guerra fría, la aviación se volcó hacia el uso de

aeronaves con motores a reacción, lo que aumentó drásticamente la velocidad y

altitud de operación de estas.

En la era moderna, el desarrollo de los misiles aire-aire y aire tierra con tecnología

que les permite ser guiados por imágenes térmicas o radar, sin duda disminuyeron

la relevancia de las ametralladoras, principalmente en las aeronaves de ala fija,

aunque hoy en día siguen siendo elementos indispensables en los helicópteros y

aviones más modernos como el F-22 y F-35.

1.1.3 CAÑONES AUTOMÁTICOS Y TORRETAS EN LOS

HELICOPTEROS

La guerra de Vietnam dio por iniciada la era de los Helicópteros con capacidades

de combate, primero con el extenso uso del helicóptero multitarea Bell U-H1 Huey,

el cual incorporaba en algunas configuraciones opcionales una ametralladora

montada en el costado, y operada manualmente. En la imagen 1.5 podemos

apreciar este sistema, y percatarnos que no ofrecía ninguna protección al

operador.

Fig. 1.5 Bell UH1- Iroquois.

8

Debido a la inminente necesidad de un helicóptero de ataque el gobierno de los

Estados Unidos seleccionó al helicóptero AH-56 Cheyenne del fabricante

Lockheed para cumplir con esta misión, sin embargo en 1967 los primeros

helicópteros AH-1G “Cobra” fueron desplegados en Vietnam, al mismo tiempo

que los primeros Cheyenne, los Cobra fueron muy efectivos, y rápidamente se

posicionaron como un excelente helicóptero de ataque. Este modelo incorpora una

torreta montada debajo de la nariz, aunque en un principio era controlada

manualmente, y era de un calibre pequeño, actualizaciones del armamento y

diseño de este helicóptero le han permitido mantenerse activo hasta nuestros días.

A partir de la actualización del armamento conocida como Enhanced Cobra

Armament System, la torreta puede ser controlada con el movimiento de cabeza

del piloto u operador de armamento. En la imagen 1.7 podemos observar la torreta

y los sistemas de captación de imágenes para detectar objetivos, parte del

equipamiento actual de los helicópteros Cobra.[8]

Fig. 1.7 Torreta y sistemas detección de objetivo.

El helicóptero Cobra, cedió su lugar como principal helicóptero de ataque ante el

helicóptero avanzado de ataque Boeing AH-64, introducido en 1982, el cual

representó un gran salto en cuando al sistema de armamento, pues cuenta con un

equipo de sensores en la parte baja de la nariz, para adquisición y designación de

objetivos y visión nocturna. Su armamento básico es un cañón automático M230

de calibre 30 mm. Además está equipado con misiles antitanque AGM-114 Hellfire

y cohetes Hydra 70 en suportes montados en sus alas, y puede portar misiles

antiaéreos AIM-92 Stinger o AIM-9 Sidewinder en los extremos de las alas. Este

9

helicóptero cuenta con un complejo sistema de adquisición y seguimiento de

objetivos, el cañón automático puede ser controlado por el movimiento de cabeza

del piloto.

1.2 TECNOLOGÍA ACTUAL DE ADQUISICIÓN Y

SEGUIMIENTO DE OBJETIVOS

Como ya se ha mencionado, los helicópteros AH-1 Cobra y Boeing AH-64 Apache,

están equipados con tecnología que permite controlar una torreta automática o

inclusive misiles teledirigidos, con el movimiento de cabeza del piloto.

En el caso del helicóptero Apache, la adquisición del objetivo se logra a través del

sistema TADS (Target Acquisition and Designation Sights) desarrollado por

Lockheed Martin en 1982.[9] Contiene sensores óptico-electrónicos y un

designador de objetivo laser. Este sistema se encuentra ensamblado en la parte

frontal del helicóptero, junto con el sistema de visión nocturna del piloto, el sistema

puede rotar en un rango de ±120° en Azimut, y +30°/-60° de elevación, aunque se

encuentran juntos, ambos sistemas pueden rotar independientemente. Los

movimientos del sistema TADS pueden ser “esclavizados“al movimiento de

cabeza del piloto del helicóptero, así, el sistema apuntará hacia donde e piloto fije

su vista, la imagen que se captura en el TADS se envía al piloto para ser

visualizada en el HMD. Como se muestra en la figura 1.8 la imagen que recibe el

piloto es una imagen monocromática, también puede recibir la imagen de la

cámara térmica o de visión nocturna. El plan de desarrollo contempla remplazar la

cámara por una a color de mejor resolución

Fig. 1.8 Imagen presentada en el HMD monocromático de un helicóptero Apache.

10

1.2.1 HELMET MOUNTED DISPLAY

Un Head mounted display, o Helmet mounted display es un dispositivo integrado

en el casco de un piloto, mediante pequeñas pantalla o dos pequeñas pantallas

provee al piloto con información acerca de sus alrededores, como puede ser,

imagen del campo de batalla fuera del campo de visión de la cabina, visión

nocturna, o sistemas de realidad aumentada, donde se muestra información

táctica, aunque en su forma más simple pueden parecer dispositivos sencillos, su

diseño e implementación es bastante complejo. Algunos parámetros principales

para el desarrollo de un HMD son:

Precisión. El error angular en la línea de visión, provocado por diferencias

entre la dirección de la imagen y la posición del casco. Esta línea se utiliza

para dirigir el misil o cañón automático, por lo que el sistema debe estar

calibrada y muy bien colocado en la cabeza del piloto. La línea entre el ojo

del piloto y el display se conoce como línea de visión (LOS). El piloto debe

mantener sus ojos centrados, pues los HMD actuales no puede detectar la

dirección de la mirada, si no la posición de la cabeza.

Latencia (del inglés Latency) Es la magnitud del retraso entre sistema de

detección de la posición y la imagen en el display.

Campo de visión, es el rango angular en el que la vista puede producir una

medición precisa.

Características ópticas, Calibración, resolución, enfoque, display monocular

o binocular

Durabilidad

Costo, de diseño y de entrenamiento

Ajuste con la cabeza del piloto, un casco flojo, o desalineado puede ser

causa de mediciones e imágenes imprecisas.

Los diseños de HMD, deben ser capaces de medir cambios en la elevación,

Azimut y ladeo de la cabeza del piloto, relativos al sistema de referencia

(Aeronave), con una alta precisión aún bajo condiciones de incremento en las

fuerzas g, o cambios rápidos en la posición de la cabeza.

11

1.3 EL SEGUIMIENTO DE LOS MOVIMIENTOS CABEZA

Los sistemas de seguimiento del movimiento de cabeza disponibles actualmente,

se dividen en dos categorías. Ópticos y electromagnéticos.

Los sistemas ópticos emplean emisores infrarrojos en el casco, y detectores

infrarrojos en la cabina (O viceversa), para medir la posición del casco del piloto.

El helicóptero MiG-29/AA-11 Archer, el Eurofighter Typhoon, y el JAS39 Gripen

utilizan esta tecnología.

El seguimiento electromagnético utiliza bobinas en el casco, que se encuentran en

un campo alternador, que producen voltajes eléctricos alternos basados en el

movimiento del casco. Esta técnica requiere de un mapeo preciso de los

elementos magnéticos, tomando en cuenta los materiales ferrosos, conductivos,

en el asiento, y cubierta de la aeronave.

En este diseño, intentaremos implementar sensores electrónicos conectados a

una unidad de control para determinar los movimientos y la posición de la cabeza

del piloto, y poder transmitir ese movimiento a los sensores infrarrojos, o bien

directamente a el cañón automático.

12

CAPÍTULO 2

COMPONENTES Y CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA DE

DETECCIÓN DEL MOVIMIENTO

13

2.1 SENSORES

Un sensor es un dispositivo destinado a medir la magnitud de una variable física o

química, la cual convierte en una señal que puede ser interpretada por un

humano, o bien un dispositivo electrónico.

La señal de salida de un sensor, es generalmente una señal eléctrica que varía su

voltaje en función de la magnitud de la variable de entrada, es recomendable que

esta relación sea lineal, o bien proporcional linealmente a una función matemática

aplicada a la señal de entrada (Comúnmente logarítmica). En la mayoría de los

casos, la señal de salida de los sensores no es apta para su lectura directa o

procesamiento, por lo que se requiere el uso de diversos circuitos para

acondicionar esta señal de salida como son amplificadores y filtros electrónicos de

la señal. Estos circuitos se encargan de adaptar la señal a los niveles apropiados.

Cuando se utilizan sensores en sistemas de adquisición de datos computarizados,

es necesario convertir la señal analógica en una señal digital, lo cual se logra

mediante un convertidor analógico digital. Para estas aplicaciones se debe tener

en cuenta ciertos aspectos de los sensores cómo son:

El rango de medida, es decir, los valores máximos y mínimos que un sensor

puede medir. Cuando los valores extremos de la variable de

instrumentación exceden el rango de medida, los valores de la señal de

salida no serán representativos de las condiciones reales. Un rango de

medición muy amplio y una resolución baja pueden ser necesarios cuando

variable de instrumentación sufre cambios de magnitud muy grandes.

Viceversa, un rango de medida estrecho, pero con una resolución mayor

puede ser necesario para medir variaciones muy pequeñas en aplicaciones

más precisas.

La sensibilidad, está definida como la mínima variación en la señal de

entrada para producir una mínima variación en la señal de salida.

El tiempo de respuesta del sensor, es el tiempo que requiere el sensor para

responder a un cambio en la variable de entrada, de esto depende la

capacidad del sensor para seguir los valores de la variable cuando suceden

cambios bruscos.

La resolución es el cambio mínimo en la variable de entrada que puede ser

detectado por el sensor y que puede ser apreciado en la señal de salida.

14

La Precisión, es el máximo error que se puede encontrar en la señal de

salida, esto crea un margen minúsculo entre el que se deben encontrar los

valores de las mediciones hechas en condiciones idénticas en repetidas

ocasiones, estas tolerancias deben estar consideradas en el diseño.

Offset, es una desviación que se presenta cuando el valor de la variable a

medir es 0, pero se obtiene un valor diferente en la señal de salida.

Si el sensor tiene una salida digital, esta señal es en realidad una

aproximación a la variable de entrada, por lo que presenta un pequeño error

de digitalización.

La sensibilidad debe ser constante a lo largo de todo el rango de medición,

en caso contrario, no existe linealidad en las mediciones, si esta condición

no es calibrada adecuadamente los valores arrojados no serán correctos.

La Histéresis es un error causado cuando la magnitud de la señal cambia

de dirección, pero existe un pequeño retraso en el tiempo de respuesta del

sensor, creando un pequeño error que depende del estado anterior de la

señal, siendo diferente para una señal que crece o decrece, los sistemas

mecánicos y magnéticos son particularmente susceptibles a este error.

La mayoría de los sensores son particularmente sensibles a la temperatura

del ambiente en el que se encuentran, por lo que es necesario hacer

ajustes para tomar en cuenta este factor en las mediciones.

Los errores son acumulativos, por lo que existe cierta interdependencia

entre los componentes, por ejemplo, un sensor de alta calidad verá

reducido su desempeño si se utiliza un convertidor AD de baja calidad.

Los errores y desviaciones pueden clasificarse en dos grupos, los errores

sistemáticos y los errores aleatorios. Los errores sistemáticos pueden ser

compensados por alguna forma de calibración del sistema, por otro lado, los

errores aleatorios se pueden reducir utilizando filtros en la señal.

Para el desarrollo de este proyecto, es necesario comprender los principios de

funcionamiento de dos clases de sensores. Aquellos que miden la aceleración,

llamados acelerómetros, y aquellos que son sensibles a los movimientos

angulares llamados giroscopios.

15

2.1.1 GIROSCOPIOS

Un giróscopo es un dispositivo utilizado para medir o mantener la orientación, este

dispositivo funciona bajo el principio del momento de inercia angular, Los

giróscopos mecánicos consisten de un disco giratorio montado en una estructura

de suspensión Cardán que consiste en dos aros concéntricos cuyos ejes forman

un ángulo recto. Cuando se montan 3 aros de cardán, el aro interior será

independiente de la rotación del soporte. Este arreglo se puede apreciar en la

figura 2.1. En el aro interior se coloca el eje de rotación del disco giratorio, y de

este modo se mantiene prácticamente independiente del efecto del torque en la

estructura.

El plano descrito por la rotación del disco mantendrá su orientación con un mínimo

desajuste acumulado por el tiempo, existen diferentes tipos de giroscopios,

haciéndolo un dispositivo muy versátil por lo cual han sido usados extensamente

como sistemas de referencia inerciales.

Fig. 2.1 Dibujo de un giróscopo.

2.1.1.1 Giroscopio de anillo laser

Un giróscopo de anillo laser consiste en un anillo formado por dos ases luz

propagándose en sentidos opuestos, la rotación del anillo induce una pequeña

diferencia entre el tiempo en que la luz atraviesa el anillo en las dos direcciones,

debido al efecto Sagnac. Esto hace que haya una pequeña separación en la

frecuencia de los ases, un movimiento en la onda estacionaria y por lo tanto un

16

patrón de “golpes” (Del inglés beats) cuando los dos ases se interfieren en la

salida del anillo. De esta forma, el cambio neto del patrón de interferencia varía

con respecto a la rotación del dispositivo en el plano del anillo.

Aunque son más precisos que los giroscopios mecánicos, sufren de un efecto de

“estancamiento” en velocidades de rotación muy bajas. Cuando el anillo laser gira

a una velocidad angular muy baja, las frecuencias de los ases viajando en sentido

contrario se vuelven casi idénticas, La interferencia cruzada entre ambos ases

provoca que la onda estacionaria se “estanque” en una fase, haciendo que la

frecuencia de cada as sea la misma que la de el otro, en lugar de responder a la

variación gradual.

El “tramado” (En inglés Dithering) forzado puede ayudar a sobreponerse a este

problema. La cavidad del anillo laser se rota alternativamente de manera

mecánica a su frecuencia de resonancia. Esto asegura que la velocidad angular

del sistema se encuentre usualmente lejos del límite de estancamiento. Aunque el

tramado no resuelve completamente este problema, pues en cada cambio de

dirección existe un pequeño momento en el que la velocidad angular es casi cero

y puede ocurrir un estancamiento brevemente. En la figura 2.2 podemos observar

el recorrido que realizan los ases de luz, así como el pequeño motor piezoeléctrico

de tramado y el tipo de patrón que genera la interferencia.

Fig. 2.2 Esquema del funcionamiento de un giroscopio laser.

Los giróscopos de anillo laser pueden ser usados como elementos estables en

sistemas inerciales de referencia, uno por cada grado de libertad. La ventaja de

usar este tipo de acelerómetros, es que no hay partes móviles (A excepción del

motor de tramado). Esto indica que no hay fricción lo que reduce la desviación. El

17

dispositivo completo es compacto, y liviano, haciéndolos apropiados para su uso

en aeronaves.

Los giroscopios de fibra óptica funcionan con el mismo principio, a excepción de

que el medio de propagación por el cual viajan los ases de luz, es una bobina

formada por fibra óptica, llegando a tener longitudes de hasta 5km. La intensidad

del efecto Sagnac se ve afectada positivamente con el número de giros de la

bobina.

2.1.1.2 Giroscopio MEMS

Un giróscopo micro maquinado utiliza una estructura vibrante de cuarzo que es

sensible a las rotaciones gracias al efecto Coriolis. Normalmente hay dos masas

vibrando en fases opuestas sobre un eje, este eje es conocido como “drive axe”.

Cuando el dispositivo gira, la fuerza de Coriolis crea una vibración sobre un eje

ortogonal a la velocidad lineal del eje “Drive” y a la velocidad angular. Cómo es

proporcional a la velocidad angular , esta vibración es la base para el cálculo de

la aceleración. Este nuevo eje es llamado “Eje de medición”.

La fuerza de Coriolis es la componente dinámica de la fuerza inercial, más su

existencia depende de una velocidad linear, mientras que la otra componente de

fuerza , la fuerza centrifuga, siempre está presente Estas fuerzas son

abstracciones de la inercia vistas desde un marco referencial que gira. En la figura

2.3 observamos un diagrama que muestra el sentido en el que se presenta la

fuerza de Coriolis, así como su fórmula.

Fig. 2.3 Efecto Coriolis.

18

La mayoría de los giroscopios MEMS disponibles actualmente utilizan una

configuración de “tenedor de afinación” (Del inglés Tuning Fork). Dos masas

oscilan constantemente en direcciones opuestas. Cuando se aplica una velocidad

angular, la fuerza del efecto Coriolis en cada masa actúa en direcciones opuestas,

lo que resulta en una variación de la capacitancia. Este cambio diferencial en el

valor de la capacitancia es proporcional a la velocidad angular, por lo que se

convierte en voltaje en la salida para giróscopos análogos, o en un LSB para

señales digitales. En la figura 2.4 podemos observar cómo actúa la fuerza de

Coriolis en sentido opuesto cuando el dispositivo gira alrededor del eje z. (Yaw)

.

Fig. 2.4 Esquema de un giroscopio cuando se aplica una velocidad angular.

Cuando el dispositivo se ve sometido a una aceleración lineal, ambas masas se

ven sometidas a la misma fuerza y moverán en el mismo sentido. Por lo que no se

detectará un cambio en la capacitancia, lo cual producirá una diferencia 0 en el

voltaje de salida o 0 LSB, por lo que los giróscopos MEMS no son sensibles a la

aceleración linear.

En la figura 2.5 podemos observar como se ha ido reduciendo el tamaño de los

giroscopios MEMS en los últimos años, haciendo posible aplicaciones donde los

sistemas de medición deben ser muy pequeños.

Fig. 2.5 Comparación del tamaño de los giróscopos MEMS en los últimos años.

19

2.1.2 ACELERÓMETROS.

Se conoce como acelerómetro a una familia de dispositivos capaces de medir la

"aceleración". Casi siempre la aceleración medida por los acelerómetros no es

aquella que relaciona la velocidad final e inicial de un objeto en un sistema de

coordenadas, si no la aceleración asociada con el fenómeno del peso de una

masa de prueba que se encuentra dentro del marco de referencia el dispositivo.

Cómo ejemplo, un dispositivo de este tipo que se encuentra en reposo sobre una

superficie fija en la tierra arrojará una medición de 1g (Debido a su peso), aun

cuando no hay un cambio de velocidad (Hablamos entonces de una aceleración

estática), en cambio, un dispositivo en caída libre (En que su velocidad aumenta

constantemente) medirá una aceleración de valor 0g, pues se encuentra en un

marco referencial en el que no tiene peso, sin embargo, debido a la presencia del

aire en la atmosfera, el dispositivo no experimentará una caída libre, pues es

afectado por la fuerza de arrastre. Cuando el dispositivo alcance su velocidad

terminal, la fuerza de arrastre y la atracción gravitacional serán de igual magnitud

pero en sentido inverso, y el acelerómetro volverá a indicar una aceleración 1g.

Aunque las unidades del SI para cuantificar la aceleración son: ,

generalmente los valores obtenidos por los acelerómetros se expresan en

unidades de "fuerza g".

En concepto, un acelerómetro se comporta como un sistema masa resorte

amortiguado el cual podemos observar en la figura 2.6. Cuando el acelerómetro es

sometido a una aceleración externa, la masa de prueba se desplaza de su

posición neutral, este desplazamiento es medido, ya sea de manera analógica o

digital para obtener la aceleración.

Fig. 2.6 Sistema masa resorte amortiguado

20

Elegir entre un acelerómetro digital o analógico está determinado por el tipo de

hardware con el que interactuará el acelerómetro. Los acelerómetros analógicos

entregan una señal eléctrica continua en la que el voltaje es proporcional a la

aceleración, cuando se usan PIC con entradas analógicas, o circuitos analógicos,

son una buena opción, y no requieren de la implementación de un convertidor AD

externo que retrasaría la señal en el proceso.

Cuando las entradas de la unidad que procesará la información, son únicamente

digitales, se necesitará de un acelerómetro digital, que generalmente entrega a la

salida una señal de PWM. Esto presenta una desventaja pues consumirá más

recursos del micro controlador.

Unos de los factores más importantes a tomar en cuenta en un cuenta cuando se

elige un acelerómetro, es el número de ejes, pues dependiendo de la aplicación

final podría bastar con los datos obtenidos en 2 ejes. Con un tercer eje (O bien dos

acelerómetros de dos ejes, colocados en ángulo recto) se obtiene mayor precisión

y se incrementan las posibles aplicaciones. Es posible y relativamente sencillo

determinar la inclinación de un aparato si medimos los componentes que induce la

gravedad en cada eje del acelerómetro.

2.1.2.1 Acelerómetros mecánicos

El más simple de los acelerómetros, se compone de una masa unida a un

dinamómetro, aunque también puede estar unida a resortes elásticos. Los

desplazamientos de la masa de prueba se miden con galgas extensiométricas, la

aceleración produce una deformación de la galga que se traduce en una variación

en la corriente detectada por un puente de Wheatstone, la deformación es

directamente proporcional a la aceleración aplicada al acelerómetro. En la figura

2.7 podemos ver el esquema de un acelerómetro de este tipo.

Fig. 2.7 Esquema de un acelerómetro mecánico de galgas extensiométricas

21

Algunos sistemas utilizan sistemas rotativos desequilibrados, los cuales, al ser

sometidos a una aceleración originan movimientos oscilatorios, estos son

conocidos como servo acelerómetros.

2.1.2.2 Acelerómetros capacitivos

En un acelerómetro capacitivo, cuando es sometido a una aceleración, este

modifica la posición relativa de las placas de un micro condensador, aumentando

o disminuyendo la capacitancia de este, en función de la distancia entre sus

placas.

En su forma de construcción más sencilla, un acelerómetros capacitivo, asemeja

una letra H, como el que se muestra en la figura 2.8 en la cual una viga rígida

central está sujeta a la carcasa en sus dos extremos por dos elementos elásticos,

sujeto a la viga central se encuentra una placa que actúa como base común para

dos placas situadas equidistantemente (En estado de reposo ) a los lados de esta,

entre las placas se crea un dieléctrico, y al variar la distancia de las placas de

manera simultánea, la comparación diferencial de ambas capacitancias es

convertida en un voltaje proporcional a la aceleración experimentada.[8]

Fig. 2.8 Acelerómetro en reposo (Izq.) y siendo afectado por una aceleración (Der.)

Debido a que la magnitud de la capacitancia varía en función de la distancia entre

2 placas conductoras, se han ideado diferentes arreglos para este tipo de

acelerómetros.

Existen arreglos para medir el desplazamiento con solo una medición de

capacitancia, debida al movimiento de las placas, que puede ser paralelo o

vertical. Estos arreglos pueden ser tan sencillos como usar solamente dos placas

paralelas, o a modo de "Dedos" en los que las placas se deslizan entre los

espacios del arreglo. Estos dos arreglos pueden apreciarse en la figura 2.9.

22

Fig. 2.9 Pacas paralelas, y arreglo "interdigital"

Cuando utilizamos un arreglo de capacitores diferenciales (Es decir, en la que el

valor de la capacitancia disminuye para un lado mientras que aumenta para el

otro), podemos linealizar la salida, es decir, la salida de voltaje será proporcional a

la separación de forma lineal (Y no exponencial como en el modo anterior). Esto

además permite que al no haber un cambio (Estar en reposo), la salida sea 0. En

la figura 2.10 podemos apreciar diferentes arreglos de placas para sistemas de

capacitores diferenciales.

Fig.2.10 Arreglos de capacitores diferenciales, y modelo del circuito.

3.1.2.3 Acelerómetros piezoeléctricos.

Son un tipo de acelerómetros que basan su funcionamiento en el efecto

piezoeléctrico de ciertos materiales, que al ser apretados producen una pequeña

corriente eléctrica.

Cuando una fuerza es aplicada a la masa de prueba del acelerómetro esta

transmite la fuerza al elemento piezoeléctrico, la fuerza aplicada se observa como

un cambio en el voltaje de la corriente producido por el material.

23

En la figura 2.11 podemos observar el esquema básico del funcionamiento de un

acelerómetro piezoeléctrico.

Fig. 2.11 Esquema de un acelerómetro piezoeléctrico

Los materiales utilizados en los acelerómetros se categorizan en dos grupos:

Cristal sencillo son los más usados, siendo el cuarzo el material cuyo uso

está más extendido. Aunque estos materiales ofrecen un periodo de vida

más extendido, su principal desventaja es que generalmente ofrecen una

sensibilidad menor que los materiales cerámicos.

Los materiales cerámicos: por su parte tienen una mayor sensibilidad y su

costo de producción es menor. Entre los materiales usados se encuentra el

titanato de bario, zirconato de plomo, titanato de plomo, metaniobato de

plomo y otros materiales cuya composición es considerada propiedad de

las compañías responsables de su desarrollo. La principal desventaja de

estos materiales, es que su sensibilidad se degrada con el tiempo,

reduciendo su vida útil drásticamente en comparación con los dispositivos

de cristal sencillo.

Para aplicaciones en que se usan piezoeléctricos de baja sensibilidad, se pueden

conectar dos o más cristales juntos para tener una mayor salida. Para una

aplicación particular, el material adecuado puede ser seleccionado en base a su

sensibilidad y respuesta en frecuencia. Debido al bajo nivel de la señal y alta

impedancia de salida que poseen los acelerómetros piezoeléctricos, es necesario

amplificar y convertir la impedancia de la señal producida. Este problema solía

solucionarse utilizando un amplificador y convertidor de impedancia externo. Sin

embargo, este método es poco práctico debido al ruido que se introduce en a

24

señal. Actualmente estos amplificadores y convertidores están disponibles en

circuitos integrados y generalmente están incluidos en la misma carcasa que el

acelerómetro.

2.1.2.4 Acelerómetros térmicos

Los acelerómetros térmicos son desarrollados por la empresa MEMSIC, el modo

en el que miden las aceleraciones es muy diferente a los demás tipos, y no

involucra partes móviles. Utiliza moléculas de gas calentadas para detectar la

aceleración usando termopares. Una resistencia central se calienta e induce su

calor a las moléculas de gas, los sensores de temperatura ubicados en los

extremos, miden la diferencia de los valores.

Cuando un acelerómetro térmico se somete a una aceleración, las moléculas

menos densas del gas calentado se mueven en la dirección de la aceleración, y

las moléculas frías y más densas se en la dirección contraria, creando una

diferencia en la distribución de la temperatura. La variación de la temperatura en

cada extremo de la estructura del acelerómetro es proporcional a la aceleración a

la que es sometido.[9]

En la figura 2.12 podemos observar cómo se distribuye la temperatura alrededor

de la burbuja de gas caliente cuando esta ve alterada su posición debido al efecto

de una aceleración.

Fig.2.12 Esquema de un acelerómetro térmico y distribución de la temperatura

2.1.2.4 Acelerómetros micro mecánicos (“MEMS”)

El primer acelerómetro micro mecanizado fue diseñado en la universidad de

Stanford en 1979, pero llevó más de 15 años para que fueran utilizados

comúnmente en la industria, estos dispositivos tienen un gran potencial comercial

y hacen posible la realización de muchos proyectos tecnológicos. Requieren de

25

menos energía, son compactos, y sus lecturas son altamente confiables.

Frecuentemente se combinan múltiples sensores para obtener mediciones multieje

y datos más precisos.

Los dispositivos micro maquinados están construidos con componentes de entre 1

100 micrómetros de tamaño (0.001-0.1mm) y los dispositivos suelen tener un

tamaño en el rango de 20 micrómetros a un milímetro (0.02-1-00mm).

En la figura 2.12podemos observar cómo ha disminuido el tamaño de estos

dispositivos en los últimos 30 años.

Fig. 2.12 Comparación de las dimensiones de acelerómetros MEMS (1980, 1995,2006)

Son un resultado directo del desarrollo de la tecnología de semiconductores y

circuitos integrado y actualmente están disponibles en una gran variedad de

rangos de medición, llegando a sensar hasta el orden de miles de “g”. Se

distinguen 3 categorías principales de acelerómetros MEMS, el capacitivo de

silicio, piezorresistivos y los acelerómetros térmicos. La mayoría de los

acelerómetros MEMS corresponden a la primera categoría. En la figura 2.14

podemos observar las el interior del encapsulado de un acelerómetro micro

mecánico actual..

Fig. 2.13 Esquema del interior del encapsulado de un dispositivo MEMS

26

2.2 UNIDAD DE CONTROL

Para llevar a cabo el monitoreo y posicionamiento de nuestro sistema, las señales

a la salida de los sensores deben ser interpretadas, y analizadas para ordenar el

movimiento de los actuadores automáticamente. La comunicación entre los dos

extremos del sistema se lleva a cabo en una unidad de procesamiento. La unidad

debe ser capaz de realizar de realizar las funciones necesarias en tiempo real, y

tomar las decisiones sobre el comportamiento del sistema de acuerdo a los

algoritmos contenidos en su programación.

2.2.1 MICROCONTROLADORES

Los micro controladores son ampliamente utilizados para automatizar y controlar

una gran variedad de sistemas, que varían en complejidad, desde muy sencillos

con unos pocos componentes, hasta sistemas complejos de robótica,

automatización industrial o aplicaciones aeroespaciales.

Su gran versatilidad se debe que son circuitos integrados programables, que

contiene todos los elementos de una computadora completa. Sus puertos de

entrada y salida están diseñados para permitir la conexión de sensores y

actuadores requeridos el dispositivo al que va a controlar. Debido su tamaño

reducido, suele estar incorporado en el dispositivo al que controla por lo que se le

denomina “Controlador incrustado”. Una vez que ha sido programado, el micro

controlador solamente sirve para realizar la tarea que le fue asignada. Aunque

actualmente, dependiendo de su tecnología, existen micro controladores que

pueden ser reprogramados en repetidas ocasiones.

Un micro controlador, no debe confundirse con un microprocesador, pues el micro

procesador es un circuito que contiene la Unidad Central de Proceso, conocida

como “Procesador” de una computadora. La UCP está formada por la Unidad de

Control, que interpreta las instrucciones y el flujo de datos, los buses del

microprocesador, permiten a este interactuar con el hardware acopándole los

módulos necesarios. Un micro controlador es un sistema cerrado que contiene una

computadora completa en su interior, sus características son limitadas y no se

pueden modificar.

En un principio los micros controladores se programaban solamente en lenguaje

ensamblador, pero actualmente se usan varios lenguajes de alto nivel para

programarlos. Estos lenguajes pueden estar diseñados específicamente para

trabajar con Micro controladores, o ser versiones “Dialectos” especiales de

lenguajes más populares, tal es el caso del lenguaje C. Los compiladores de estos

lenguajes para micro controladores, facilitan el trabajo de programación, aunque

27

también representan algunas restricciones. En realidad, el compilador PCB que

utilizaremos en el desarrollo de este diseño “Traduce” el programa escrito en

lenguaje C, a un programa de lenguaje ensamblador con extensión “.Hex” . Este

es el verdadero programa que se graba en el micro controlador.

Las partes principales que integran un micro controlador son:

Procesador. Los más sencillos son de 4 bits, y usualmente son de 8, pero

también existen procesadores más complejos que pueden ser de 32 o

hasta 64, bits, o utilizar una arquitectura Harvard o de Princeton (Von

Neumann).

Memoria no volátil (Aquí es donde se almacena el programa). Actualmente

puede ser de tipo ROM (Read Only Memory) o de tipo EEPROM

(Elcectronically Erasable Programable ROM) o Flash. El programa puede

ser de solo unos cuantos Kb o varios Mb.

Memoria de lectura y escritura para guardar los datos (RAM). En esta,

memoria se guardan los datos de las lecturas de los sensores, los cálculos

del programa, los valores de las variables, es decir, los datos que se

generan a partir de la aplicación del programa.

Interfaces para el control de periféricos

o En paralelo

o En serie

o Otros puertos de comunicación como pueden ser BUS I2C o USB

o Entradas y salidas discretas, para controlar o detectar el estado

lógico de un pin individualmente.

Generador de reloj, Típicamente se utiliza un cristal de cuarzo, el cual tiene

una frecuencia de oscilación constante de aproximadamente 4MHz.

También se pueden utilizar otro tipo de oscilador, como es el caso del

Oscilador con resistencia y condensador, el cristal de alta velocidad, el de

baja frecuencia y bajo consumo de potencia, o bien hacer uso de una señal

de reloj externa.

-Recursos auxiliares

o Convertidores AD/DA

o Watchdog

28

o Protección ante fallas en el suministro de corriente

o Moduladores PWM (Generan, una señal discreta de pulsos

rectangulares de amplitud controlada)

Al tener una integración de este tipo, en donde la todos, o la mayoría de los

componentes necesarios para el control de un sistema, reduce drásticamente el

número de chips, el cableado y el tamaño del circuito, en comparación con un

sistema equivalente utilizando componentes por separado. El hecho de que a

cada Pin se le pueda asignar una función mediante el software, en lugar de estar

dedicados a una función desde el principio, permite que sean utilizados en una

inmensa variedad de aplicaciones.

2.2.2 CONVERTIDOR A/D (ANALÓGICO A DÍGITAL)

Un convertidos analógico digital (ADC en Inglés o CAD), es un dispositivo que

convierte una cantidad física en un número digital equivalente que representa la

amplitud de las la señal analógica. Es un elemento indispensable en un sistema de

adquisición de datos, pues puede constituir por si mismo uno.

El desarrollo de los microprocesadores y los procesadores digitales de señal

(DSP) han permitido realizar tareas que durante mucho tiempo fueron realizadas

por dispositivos analógicos. Pero como el mundo sigue real sigue siendo análogo

es necesario un puente que enlace las variables analógicas con los procesos

digitales, este enlace se logra a través de un convertidor A/D.

La conversión involucra la cuantificación de la entrada por lo que invariablemente

se introduce un pequeño error.

En lugar de realizar una sola conversión, un CAD, toma muestras de la señal

periódicamente. Como resultado se obtiene una secuencia de valores digitales

que fueron convertidos de una señal de tiempo y amplitud continuos en una señal

de tiempo y amplitud discretos.

Un convertidor analógico digital está definido por su ancho de banda (El rango de

las frecuencias que puede medir) y su relación señal/ruido (Que tan precisas son

sus medidas, comparadas con el ruido que introduce). El ancho de banda está

caracterizado principalmente por la frecuencia de muestreo, la cual debe ser al

menos el doble, relaciones menores pueden provocar un fenómeno de Aliasing

(Efecto que causa que diferentes señales sean indistinguibles entre si al momento

de ser muestreadas, y la distorsión que se genera al reconstruir la señal de

manera digital). Si el CAD opera a una frecuencia de muestreo mayor al doble

29

del ancho de banda de la señal, entonces se puede llevar a cabo una

reconstrucción perfecta y despreciar el error de cuantificación.

El rango dinámico de un CAD se ve influenciado por diversos factores, incluidos la

resolución, linealidad, y precisión, y errores de sincronización. Generalmente se

mide en términos del número efectivo de Bits (ENOB), el número de bits n cada

medida que en promedio no son ruido. En un convertidor AD ideal el ENOB es

igual a la resolución.

La resolución de un convertidor indica el número de valores discretos que puede

producir para el rango de valores analógicos en la señal de entrada. La resolución

determina el magnitud del error de cuantificación, por lo que determina la relación

máxima de Señal/ruido de un convertidor ideal sin usar sobre-muestreo.

Los valores de la resolución están comúnmente expresados en un número de bits,

representando un número binario, en consecuencia el número disponible de

niveles o valores es una potencia de 2. Por ejemplo un convertidor con una

resolución de 8 bits puede codificar una señal análoga hasta en 256 niveles.

Al muestrear una señal de entrada, el CAD almacena su valor analógico en

instantes de tiempo fijos (periodo de muestreo) determinados por el circuito de

muestreo y retención. Si la información que porta la señal no experimenta cambios

bruscos se puede muestrear a frecuencia baja sin temor a perder información

crucial de la señal. Sin embargo, si la señal de interés fluctúa con velocidad, una

velocidad de muestreo baja conlleva pérdida de información cuando se trata

reproducir la señal original a partir de las muestras. En estos casos es necesario

muestrear con mayor velocidad para asegurar la reproducción fiel de la señal

capturada.

3.2.2 TIPOS DE CONVERTIDORES AD

Existen diferentes tipos de convertidores AD, algunos de los cuales se enlistan a

continuación.

Flash ADC (DAC de conversión directa), tiene un grupo de comparadores

muestreando la señal de entrada en paralelo, cada uno se activa cuando l

voltaje está en su rango asignado. El banco de comparadores alimenta a

un circuito lógico que genera un código para cada rango de voltaje. La

conversión directa es muy rápida, y permite velocidades de muestreo en el

orden de los GHz, pero generalmente solo tiene 8 bits de resolución o

inclusive menos. Debido a que el número de comparadores se duplica por

cada bit adicional requerido, el espacio requerido es mayor, se presenta

30

alta capacitancia en la entrada, mayor disipación de potencia y son

propensos a producir errores en la salida, pudiendo entregar un código

fuera de secuencia.

CAD de aproximaciones sucesivas, utiliza un comparador para reducir

sucesivamente el rango que contiene al voltaje de entrada. En cada paso

sucesivo, el convertidor compara el voltaje de entrada con la salida de un

convertidor Digital-Analógico (CDA en español DAC en inglés), que puede

representar el punto medio de un rango de voltaje seleccionado. En cada

paso de este proceso, la aproximación es almacenada en un registro de

aproximaciones sucesivas (En inglés SAR).

CAD de rampa. Produce una señal de tipo diente de sierra que se eleva o

baja y luego regresa rápidamente a cero. Cuando la rampa empieza, un

reloj empieza contar. Cuando el valor de la rampa es igual al de la señalo

de entrada un comparador es activado, y el valor del reloj se registra. Este

tipo de comparador requieren menos transistores.

CAD Wilkinson, está basado en la comparación de un voltaje de entrada

con el voltaje producido por un capacitor cargando. Se permite que el

capacitor cargue hasta que su voltaje es igual a la amplitud del pulso de

entrada, se utiliza un comparador para determinar cuándo se alcanza esta

condición. En ese momento se deja que el capacitor se descargue

linealmente, lo que produce un voltaje en rampa Cuando el capacitor

comienza a descargarse un pulso se genera, y permanece activo hasta que

el capacitor está completamente descargado. Este pulso opera una

compuerta que permanece abierta mientras el pulso esté activo, y recibe

pulsos de un reloj de oscilador de alta frecuencia. El número de pulsos de

reloj que entran por la compuerta se registra y es proporcional a la amplitud

del pulso de entrada.

CAD integradores o de doble rampa, aplica el voltaje desconocido a la

entrada de un integrador y permite que el la rampa de voltaje ascienda por

un periodo fijo de tiempo (Tiempo de subida). Entonces un voltaje de

referencia de polaridad opuesta se aplica al integrador y se deja que la

rampa descienda hasta el punto en que la salida del integrador regresa a

0(Tiempo de bajada). El voltaje de entrada se calcula en función del voltaje

de referencia y del tiempo de subida (que es constante) y tiempo de bajada.

Generalmente el tiempo de bajada se mide en unidades del reloj del

convertidor, por lo que tiempos más largos de integración permiten una

31

mayor resolución. De forma inversa se puede aumentar la velocidad del

convertidor s se sacrifica la resolución.

Convertidores sigma delta, aumentan la tasa de muestreo por resolución.

Las señales son muestreadas a una tasa mucho mayor que la de Nyquist,

pero con un solo bit de resolución en amplitud. La señal análoga de entrada

y el flujo de bits, cuya densidad de un bit es una representación de la

magnitud de la señal análoga, son sumadas. Luego son integradas y entran

a un comparador, el cual tiene como salida 0 o 1 dependiendo si la salida

del integrador es mayor o menor que el voltaje de referencia del

comparador

Una de las ventajas de utilizar un micro controlador, es que generalmente están

equipados con la tecnología necesaria para que sus buses de entrada o salida

puedan ser utilizados de forma analógica o digital. Gracias a esto el convertidor

analógico-digital requerido para llevar a cabo este diseño, podemos prescindir de

un elemento físico externo, y así se ahorra espacio, y se facilita el desarrollo.

2.3 ACTUADORES

En una máquina o sistema controlado a distancia, de manera automática o

semiautomática, un actuador es el elemento encargado de la parte operativa. El

actuador recibe una orden del sistema de control y convierte la energía que se le

aplica en un trabajo útil en la ejecución de tareas previamente establecidas.

Los actuadores son ampliamente utilizados como mecanismos para realizar o

prevenir el movimiento. Existen diferentes tipos de actuadores, como pueden ser:

Hidráulicos, consisten en un cilindro con un fluido en su interior, que utiliza

la potencia hidráulica para facilitar la operación mecánica. Como los

líquidos son prácticamente incompresibles, un actuador hidráulico puede

ejercer una fuerza considerable, pero su aceleración y velocidad son

limitadas.

Neumáticos, convierten energía creada por vacío o por aire comprimido a

alta presión en un movimiento rotatorio o lineal. Pueden generar grandes

fuerzas con cambios de presión relativamente pequeños. Generalmente se

usan en diafragmas para mover válvulas.

Eléctricos, son movidos por motores o solenoides, que convierten la

energía eléctrica en movimiento, son limpios, efectivos y pueden tener una

gran variedad de usos.

32

Los parámetros que se toman en cuenta a la hora de elegir un actuador incluyen la

velocidad que pueda alcanzar, fuerza, aceleración y eficiencia energética.

También deben considerarse factores como el peso, volumen que ocupan,

durabilidad y condiciones de operación.

Cuando se habla de fuerza en actuadores, se deben considerar dos tipos

diferentes .La carga estática es la fuerza que ejerce o puede soportar un actuador

cuando no está en movimiento. Y la carga dinámica es la fuerza que puede ejercer

el actuador en movimiento, ambos parámetros deben considerarse por separado y

pueden ser de vital importancia para la aplicación final. La velocidad se mide sin

carga, pues esta disminuirá invariablemente cuando una carga sea aplicada. Se

deben tomar en cuenta las condiciones en las que operará el actuador, así como

la durabilidad de este. Estos dos últimos factores están relacionados directamente,

pues condiciones de operación inadecuadas pueden acelerar el desgaste del

dispositivo.

Para este proyecto, nos concentraremos en los actuadores eléctricos, en

concordancia con la tendencia actual en la aviación a sustituir componentes

mecánicos e hidráulicos con componentes eléctricos que requieren menos

mantenimiento y han alcanzado mayor eficiencia, gran robustez y confiabilidad.

Esta tendencia es conocida como More Electric Aircraft.

Los actuadores que consideraremos para el diseño son motores eléctricos de dos

tipos, servomotores, y motores paso a paso.

2.3.1 MOTORES PASO A PASO

A diferencia de los motores de corriente continua de escobillas que giran de

manera continua cuando se les aplica un voltaje, el motor paso a paso tiene la

característica particular es que el eje en la salida del motor puede girar en una

serie de pequeños intervalos angulares predefinidos, también conocidos como

pasos. Los motores paso a paso son atractivos porque pueden ser controlados

directamente por un controlador o una computadora.

El motor PAP gira en función de los pulsos aplicados en sus devanados. Cada

impulso provoca la rotación del eje del rotor en un valor angular preciso. De este

modo, si se conoce el número de pulsos, se puede conocer también la posición

final del motor. Este tipo de motores presenta un sistema de lazo abierto.

Su velocidad está expresada en RPM, y esta varía en función de la tensión

aplicada, la corriente que fluye en el motor, y la carga mecánica a la que está

33

sujeto. Los pasos, o incrementos angulares se miden en grados, y es l parámetro

fundamental de un motor PAP. Son comercializados en una amplia variedad de

grados de rotación por paso, desde .72° hasta 22.5° por paso, que corresponden a

500 y 16 pasos por revolución respectivamente. El motor PAP más popular tiene

pasos de 7.5°.

Existen 3 tipos principales de motores paso a paso, si los clasificamos de acuerdo

a su construcción:

Reluctancia variable. Tiene un rotor multipolar de hierro y un estator

devanado laminado, y rota cuando los dientes del rotor son atraídos a los

dientes del estator electromagnéticamente energizados. La inercia del rotor

de un motor de paso de reluctancia variable es pequeña y la respuesta es

muy rápida, pero la inercia permitida de la carga es pequeña. Cuando los

devanados no están energizados, el par estático de este tipo de motor es

cero

Imán permanente. Permiten mantener un par diferente de cero cuando el

motor no está energizado. Dependiendo de la construcción del motor, es

típicamente posible obtener pasos angulares de 7.5, 11.25, 15, 18, 45 o

90°. El ángulo de rotación se determina por el número de polos en el estator

Híbridos. se caracterizan por tener varios dientes en el estator y en el rotor,

el rotor con un imán concéntrico magnetizado axialmente alrededor de su

eje. Se puede ver que esta configuración es una mezcla de los tipos de

reluctancia variable e imán permanente. Este tipo de motor tiene una alta

precisión y alto par y se puede configurar para suministrar un paso angular

tan pequeño como 1.8°.

En los motores tipo imán permanente, su rotor es un imán que posee una ranura

en toda su longitud y el estator está formado por una serie de bobinas enrolladas

alrededor de un núcleo o polo.

Existen dos tipos principales de motores paso a paso de imán permanente, los

unipolares que se caracterizan por tener varios dientes en el estator y en el rotor,

el rotor con un imán concéntrico magnetizado axialmente alrededor de su eje. Se

puede ver que esta configuración es una mezcla de los tipos de reluctancia

variable e imán permanente. Este tipo de motor tiene una alta precisión y alto par y

se puede configurar para suministrar un paso angular tan pequeño como 1.8°. Y

los bipolares, que tienen generalmente 4 cables de salida, como es necesario el

cambio de dirección del flujo de corriente a través de las bobinas en orden

34

apropiado para poder realizar su movimiento. Se necesita un puente H por cada

motor. En la figura 2.14 podemos observar

Fig.2.14 Esquema de motores paso a paso de imán permanente, unipolar y bipolar.

2.3.2 SERVOMOTORES

Un servomotor, comúnmente abreviado “Servo”, proveniente del latín “Servus” que

significa esclavo, es un sistema motorizado capaz de tomar posiciones

predeterminadas y mantenerlas. En el caso de un motor rotativo, esta posición es

un valor angular, y una distancia (Desplazamiento) en el caso de un motor lineal.

La posición es verificada y corregida continuamente, en función de la medida. Es

un sistema esclavizado, es decir, que es controlado por una señal externa.

Se pueden utilizar motores eléctricos, unidos a sistemas mecánicos o hidráulicos

para obtener una ventaja mecánica. Para llevar a cabo un ajuste preciso de la

posición, el motor está equipado con un sistema de medición que determina la

posición actual del motor, comúnmente esto se logra con la implementación de un

potenciómetro unido al eje del motor. Al existir un desplazamiento angular, el

motor transmitirá el mismo movimiento al potenciómetro, por lo que su resistencia

cambiará en función de la posición.

Esta variación de la resistencia se traduce en un cambio en el voltaje, este voltaje

es comparado con un valor preestablecido para cada posición. Si existe una

desviación, el motor se mueve en la dirección en que se encuentra más cercano el

valor requerido, de modo que la desviación disminuye, hasta llegar al valor

establecido, o bien a un valor dentro de un rango de tolerancia. Este proceso

también puede llevarse a cabo de manera digital.

Existe una amplia gama de servomotores, existen algunos que pueden pesar

varios kilogramos y funcionar con corriente alternativa, con carcasas y engranajes

metálicos, hasta los más pequeños servomotores usados en modelismo, hechos

de materiales plásticos y que funcionan con unos cuantos volts de corriente

directa.

35

Los servomotores más sencillos son controlados por medio de un cable eléctrico

de 3 hilos el cual permite alimentar al motor y transmitir las órdenes de posición en

forma de una señal de PWM. En este tipo de señales, la duración de los impulsos

de la señal de nivel discreto determina el ángulo absoluto al que se debe mover el

eje, la señal se repite periódicamente, generalmente a una frecuencia de 50 Hz, o

un tiempo de 20 ms, lo cual permite el ajuste y mantenimiento de la posición.

Como esta posición es monitoreada y comparada continuamente para encontrar la

diferencia de posición, se dice que es un sistema retroalimentado, conocido

también como sistema de lazo cerrado.

Fig. 2.15 Diagrama a bloques típico de un servomotor.

Virtualmente, cualquier motor eléctrico puede ser utilizado para convertirse en un

servomotor, pero la sección de control requiere cotidianamente una alimentación

regulada en corriente directa por separado, especialmente si la alimentación

eléctrica del sistema utiliza corriente alterna. La potencia de salida continua varia

de unos cuantos watts a quizás 2-3kW, con voltajes de 5, 12, 24, 48 y múltiplos de

50 V como estándar.

Los motores DC están conformados por dos partes principales: el rotor y el

estator.

El rotor es el dispositivo que gira en el centro del motor DC y está compuesto de

arrollados de cable conductores de corriente. Esta corriente es suministrada al

rotor por medio de las "escobillas" generalmente fabricadas de carbón. La fuerza

con la que el motor gira es proporcional a la corriente que hay por los conductores.

A mayor tensión, mayor corriente y mayor par motor.

El estator es la parte inmóvil de la estructura del motor, es el encargado de

suministrar el flujo magnético que será usado por el bobinado del rotor para

realizar el movimiento giratorio pues generalmente es donde se encuentra el imán

permanente, las “escobillas” también se encuentran en esta parte de la estructura.

Otro de los componentes fundamentales del servomotor, es su sistema de

reducción de revoluciones, un engranaje planetario encargado de reducir la

36

velocidad angular a la salida, al mismo que tiempo que otorga una ventaja

mecánica al sistema. A la salida del reductor de velocidad, en el eje de giro

reducido, es donde se debe implementar el sensor de posición. En servomotores

de mayor nivel, se utilizan sensores ópticos como un codificador rotatorio,

Otro de los componentes principales de un servomotor, es el circuito donde se

lleva a cabo la detección del error de posición, es en este circuito donde los

voltajes de referencia, y el que representa la posición actual, son comparados,

para determinar la dirección de giro de motor.

Los módulos para el control de servomotores son hoy en día componentes

industriales estandarizados. Usualmente el diseño está basado en un Puente H.

Que son circuitos electrónicos que permiten que un voltaje se aplique a una carga

en cualquier dirección. Cambiando la polaridad que reciben las terminales del

motor, y de este modo permitiendo que el motor se mueve en ambos sentidos. Los

puentes H están disponibles como circuitos integrados, o bien pueden ser

construidos a partir de componentes electrónicos tradicionales.

2.3.2.1 MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSOS.

La modulación por ancho de pulsos (Del inglés Pulse-Width Modulation), es una

técnica de modulación que controla la duración del estado alto de una señal de

pulsos rectangulares, basado en la información contenida en una señal

moduladora. Puede ser usada para transmitir información, aunque su uso principal

se encuentra en el control de la potencia aplicada a dispositivos eléctricos,

comúnmente motores.

En la figura 2.16 podemos observar la forma más sencilla de generar una señal

PWM, conocida como método intersectivo.

Fig 2.16 Generación de señal PWM mediante intersección de señales.

37

El método intersectivo, requiere de una señal de diente de sierra o triangular, que

al ser comparada con la señal de entrada, producirán una señal en estado alto

cuando la señal de entrada sea mayor que la señal de diente de sierra. Por lo que

se producen pulsos en las intersecciones de las señales.

La forma en la que una señal PWM controla un servomotor es sencilla, y está

limitada a indicar la posición en que se debe situar (Los ángulos que debe

moverse). La duración del nivel alto de la señal de pulsos rectangulares es la que

nos indica la posición que el eje del motor debe adoptar.

Cada servomotor tiene sus márgenes de operación, correspondientes a los

valores de ancho de pulso máximo y mínimo que el servo puede entender, estos

valores no deben ser sobrepasados, ya que el servo tiene límites mecánicos que

impiden su movimiento más allá de su margen de operación, este margen es

variable. Existen servomotores que solamente pueden girar en un rango de 180°(

los más habituales), aunque existen modificaciones para que puedan desplazarse

sin límites.

En el caso de un servomotor restringido a 180°, una señal de 1.5 ms corresponde

a la posición central, es decir, a mitad del recorrido angular disponible (90°), una

duración de pulso de .3 ms corresponde a un valor de 0°, y un valor de pulso de

2.5 ms corresponde a 180°, se puede posicionar al servo en cualquier posición

entre los limites superior e inferior, simplemente variando la duración del pulso, la

posición variará 1 grado por cada .01 ms. La relación entre la duración de pulso

alto y ciclo bajo se puede apreciar en la figura 2.17, aun cuando los valores de

ancho de pulso son diferentes, el principio de operación es el mismo.

Fig.2.17 Correlación entre la duración del pulso y la posición del servomotor.

38

Los valores de ancho de pulso son específicos para cada servomotor, y están

especificados en la hoja de datos proporcionada por el fabricante. El periodo entre

pulso y pulso no es tan crítico para operar un servomotor, sin embargo es

recomendable utilizar periodos de 20 ms, o en un rango entre los 10 y los 30 ms.

Duración de pulso [ms] Frecuencia Color de cables

Fabricante 0° 90° 180° [Hz] Positivo Negativo Control

Futaba 0.9 1.5 2.1 50 Rojo Negro Blanco

Hitech 0.9 1.5 2.1 50 Rojo Negro Amarillo

Graupner/Jr 0.8 1.5 2.2 50 Rojo Marrón Naranja

Multiplex 1.05 1.6 2.15 40 Rojo Negro Amarillo

Robbe 0.65 1.3 1.95 50 Rojo Negro Blanco

Simprop 1.2 1.7 2.2 50 Rojo Azul Negro

Tabla 1. Duración de pulso, frecuencia y cableado de diferentes fabricantes

Para que el servo pueda mantener su posición, es indispensable que el sistema de

control siga enviando la señal con pulsos con la misma duración. En caso de que

una fuerza externa intente alterar la posición del servo este intentará resistirse, si

se deja de enviar pulsos, el servomotor dejará de oponer resistencia y cualquier

fuerza externa podría alterar su posición.

3.3.3 COMPARACIÓN ENTRE MOTORES PASO A PASO Y

SERVOMOTORES.

Los motores paso a paso operan generalmente en un sistema de lazo abierto, el

motor recibe órdenes que le indican el movimiento específico que debe realizar.

Bajo algunas circunstancias, los motores paso a paso pueden no reaccionar y

perder pasos, debido a efectos de resonancia o fuerzas inesperadas. Aunque esto

no es común, la posibilidad de que esto pase es una desventaja y disminuye su

confiabilidad. Aunque se puede operar un motor paso a paso con un sistema de

lazo cerrado esto aumenta el costo total del sistema.

La retroalimentación en los servomotores permite que el motor corrija cualquier

discrepancia en la posición.

Cuando un motor paso a paso trabaja a altas velocidades, ve disminuido

drásticamente su torque. Si se aplican configuraciones de micro pasos, el torque

ofrecido puede mejorar, pero mientras su sistema sea de lazo abierto no se

desempeñarán tan bien como los servos. Si consideramos dos dispositivos de

tamaños similares, los servomotores pueden generar velocidades y torques de

entre dos y cuatro veces las ofrecidas por un motor paso a paso

39

Los motores paso a paso son generalmente de imán permanente (Brushless), por

lo que no son propensos al desgaste y requieren poco o ningún mantenimiento.

Los servomotores por su parte, pueden ser construidos con una amplia variedad

de tipos de motores eléctricos, lo que incluye motores de imán permanente, que

requieren poco mantenimiento, sin embargo los servomotores con motores de

escobillas, requieren cambiarlas después de aproximadamente 5000 horas de

uso.

Aun cuando lo motores paso a pueden producir hasta 25 000 micro pasos por

revolución. La posición final no siempre se alcanza, especialmente cuando se ven

sometidos a cargas externas, debido a su naturaleza de sistema de lazo abierto.

La resolución de los servomotores es variable, habiendo codificadores de hasta

10000 pulsos por revolución. Aunado a esto, su sistema de lazo cerrado aumenta

su precisión enormemente.

Los servomotores tienen un ciclo de trabajo, es decir, que sus pulsos de voltaje

alto, se intercalan con pulsos de estado bajo, por lo que su consumo de energía es

bajo, en cambio, los motores paso a paso siempre están energizados, aunque

esto supone una mayor resistencia ante fuerzas externas que intenten desviarlo

de su posición, también representa un elevado consumo de energía constante.

Las principales desventajas de los servomotores, son referentes a su costo, mayor

en comparación con el de los motores paso a paso, la complejidad de los circuitos

y la electrónica de control del mismo, así como la necesidad (O quizás esta pueda

ser una ventaja) de “afinar” o modificar y ajustar continuamente los algoritmos

internos y la electrónica para que el servomotor pueda realizar su objetivo con el

torque, velocidad, precisión más adecuados.

40

CAPÍTULO 3

DESCRIPCION OPERATIVA DEL DISEÑO

41

3.1 Detección de movimiento.

Para llevar a cabo el seguimiento del objetivo, es necesario determinar de algún

modo, la dirección en que el piloto fija su vista. Para este diseño

implementaremos sensores MEMS de dos tipos, acelerómetros y giroscopios. Los

dispositivos MEMS por su tamaño tan reducido, son ideales para situarlos dentro

del casco del piloto.

Para conocer la posición del casco, es necesario contar con la información de dos

desplazamientos angulares, del sistema acimutal, conocidos como cabeceo y

guiñada. (En inglés Pitch y Yaw respectivamente).

3.1.1 Sistema de detección de movimiento de cabeceo.

Para determinar la posición angular conocida como cabeceo, utilizaremos un

sensor ADXL335, con un rango de medida de ±3 g, es ideal para aplicaciones de

detección de inclinación. Este acelerómetro cuenta tres ejes de medición, otorga

estas lecturas a través de 3 salidas analógica, que varían el valor de su voltaje de

acuerdo a la fuerza g actuando sobre ellos. El valor de este voltaje es de 1.5V a

0g, y una sensibilidad de ± 0.3 V / g. Los componentes de la gravedad actuando

en cada eje del dispositivo, se comportan como vectores, y la resultante de estos

vectores es la gravedad. Debido a que la gravedad siempre actúa de forma

perpendicular hacia el suelo, es posible determinar la posición del dispositivo

realizando una operación trigonométrica.

Para conocer la componente de la gravedad en el eje Y, realizamos una operación

de coseno, y para conocer la componente de la gravedad en el eje Z realizamos la

operación Seno. La siguiente tabla (3) contiene los valores de los componentes

de la gravedad para el rango de ángulos posibles en el movimiento de cabeceo del

piloto (±90°). Podemos observar que para la posición de 45° los valores de los

componentes de la gravedad son exactamente iguales.

Pitch Eje Z Eje Y Pitch Eje Z Eje Y

0 1 0 0 1 0

1 0.9998477 0.01745241 -1 0.9998477 -0.01745241

5 0.9961947 0.08715574 -5 0.9961947 -0.08715574

10 0.98480775 0.17364818 -10 0.98480775 -0.17364818

20 0.93969262 0.34202014 -20 0.93969262 -0.34202014

25 0.90630779 0.42261826 -25 0.90630779 -0.42261826

30 0.8660254 0.5 -30 0.8660254 -0.5

35 0.81915204 0.57357644 -35 0.81915204 -0.57357644

40 0.76604444 0.64278761 -40 0.76604444 -0.64278761

45 0.70710678 0.70710678 -45 0.70710678 -0.70710678

42

Pitch Eje Z Eje Y Pitch Eje Z Eje Y

50 0.64278761 0.76604444 -50 0.64278761 -0.76604444

55 0.57357644 0.81915204 -55 0.57357644 -0.81915204

60 0.5 0.8660254 -60 0.5 -0.8660254

65 0.42261826 0.90630779 -65 0.42261826 -0.90630779

70 0.34202014 0.93969262 -70 0.34202014 -0.93969262

75 0.25881905 0.96592583 -75 0.25881905 -0.96592583

80 0.17364818 0.98480775 -80 0.17364818 -0.98480775

85 0.08715574 0.9961947 -85 0.08715574 -0.9961947

90 0 1 -90 0 -1

Tabla 2. Valores de los componentes de la gravedad para diferentes ángulos.

2.1.2 Sistema de detección de movimiento de guiñada.

Para detectar el movimiento de guiñada (Yaw), no podemos utilizar los valores de

los componentes de la gravedad, por lo que se requiere de otro tipo de sensor.

Utilizaremos entonces un giroscopio LYPR540AH, el cual cuenta también con 3

ejes de medición, y 6 salidas analógicas (3 amplificadas, y 3 no amplificadas, 1

para cada eje). Puede medir con precisión hasta ±400°/s si se utilizan sus salidas

amplificadas, con una sensibilidad de 3.2 mV/dps*. La salida del giroscopio en

reposo es de 1.5V, y varía en función de la velocidad de giro.

Si la velocidad fuera constante, entonces bastaría con multiplicar la velocidad por

el tiempo para conocer el desplazamiento angular y actualizar la posición, pero

debido a la condición impredecible de los movimientos de cabeza, se requiere de

otro método para lograrlo.

Recordemos que la velocidad es la primer derivada de la posición, por lo cual, es

necesario integrar la función velocidad para obtener el desplazamiento.

De igual manera, para el movimiento circular, que la velocidad angular es el

cambio del ángulo con respecto al tiempo.

Es necesario realizar una integración numérica, que en su forma más sencilla,

consiste medir la tasa de giro periódicamente, e ir sumando los desplazamientos

obtenidos en cada ciclo de muestreo. La precisión de este método recae

completamente en la frecuencia de muestreo, y mientras más alta sea, sus

lecturas serán más confiables. Un ejemplo de este tipo de aproximación numérica

se muestra en la figura 3.1, como podemos ver se produce un pequeño error se en

43

los valores, por lo cual es necesario calibrar el sistema y reiniciar sus valores

periódicamente. En el caso de nuestro sistema emplearemos una frecuencia de

muestreo de 50 ciclos por segundo, coincidiendo así con el ciclo de generación de

señal PWM.

Fig. 3.1 Ejemplo de la forma más sencilla de integración numérica.

2.2 Adquisición de datos, procesamiento y control de actuadores.

Las operaciones matemáticas, y la interpretación de los valores obtenidos por los

sensores, se llevara a cabo en dos dispositivos micro controlador PIC 16F876A,

cada uno dedicado a la interpretación del movimiento y posición de cada grado de

libertad, esto permite aumentar la precisión, al disminuir el ciclo de lectura de

datos a la mitad. Con este dispositivo se generarán las señales de PWM que

controlarán dos servomotores analógicos para un rango de giro de 180° y se

controlan mediante pulsos a PWM a 50 Hz, con duración de pulso alto de 1.5 a 2.5

ms. Estos servomotores son capaces de mover una plataforma donde se podría

montar fácilmente una cámara pequeña de alta resolución, que envíe su señal a

un HMD, o bien, la señal PWM puede ser utilizada para controlar directamente la

posición de la torreta mediante un servomotor con un motor eléctrico más potente,

como aquellos de 25 v usados comúnmente en otros sistemas de actuadores en el

avión al cual se le instale un sistema de control por PWM. Cualquier motor

eléctrico puede ser convertido en un servomotor, si se diseñan los sistemas de

control pertinentes.

44

CAPÍTULO 4

PROGRAMACIÓN

45

Para llevar a cabo las ideas expuestas en el capítulo anterior, es necesario que las

señales del entorno físico sean medidas e interpretadas por una unidad de control,

esta función recae en el dispositivo micro controlador PIC 16F876A, el cual

requiere ser programado para poder llevar a cabo la adquisición de los datos, y el

procesamiento de las señales que controlarán el sistema.

Los dispositivos PIC se programan en lenguaje ensamblador, pero mediante el

compilador PIC C podemos programar el dispositivo utilizando un dialecto del

lenguaje C desarrollado para facilitar la programación de estos dispositivos.

Cuando se compila el código, se genera un archivo con extensión (.Hex), este

archivo es el código ensamblador equivalente, además incluye librerías y

controladores necesarios para la manipulación de los puertos del micro

controlador y dispositivos periféricos cómo son pantallas LCD matriciales o de

caracteres. Cómo se utilizarán dos dispositivos micro controladores, se

desarrollarán 2 programas diferentes, el primero corresponde al movimiento de

cabeceo (“pitch”) y el segundo corresponde al movimiento de guiñada (Yaw).

4.1 Eje de Altitud, movimiento de Cabeceo.

El cabeceo es el movimiento que altera la altitud de un objeto, está definido como

el giro de un cuerpo sobre el eje lateral (X), cuando se realiza idealmente, es decir

sin movimiento de ladeo, el cabeceo involucra solamente un cambio en las

lecturas de gravedad en los ejes “Z” y “Y”. El voltaje de salida del sensor a nivel 0g

es 1.5 V y su sensibilidad es de .3v/ ±1 g Por lo que la relación de los voltajes

representa la posición del dispositivo. Este movimiento representa la inclinación de

la cabeza del piloto hacia arriba o hacia abajo.

4.1.1 Determinación de posición.

A continuación se presenta el código de programación en lenguaje C, y se

describe la función que tiene cada comando.

Programa 1

#include <16F876A.h> // Incluye la librería de los controladores del dispositivo. #device adc=10 // Designa el tamaño del convertidor AC a 10 bits de resolución #FUSES XT,NOWDT //Implementa un oscilador de cristal, y el “perro guardián” #use delay(clock=4000000) //Establece la frecuencia del cristal de oscilación a 4.0MHz #include <math.h> //Incluye la librería en la que se encuentran los códigos para

realizar operaciones matemáticas #include <lcd.c> //Incluye el programa que hace posible controlar un display LCD void main() //Función principal {

46

float xvolt,yvolt,zvolt,xacel,yacel,zacel,pitch,P; //Etablece las variables que se utilizarán en el programa, el tipo flotante permite utilizar números enteros o con punto decimal de hasta 16 bits

delay_ms(50); //Establece un retraso de 50 ms while (true) //Crea un ciclo infinito { setup_adc_ports(ALL_ANALOG); //Establece todos los puertos como análogos setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL); //Establece el reloj lcd_init(); //Inicializa la pantalla LCD set_adc_channel(0); //Habilita el canal 0 del puerto A delay_us(20); //Retraso de 20 micro segundos zvolt=read_adc(); //adquiere el valor del canal 1, representa el

voltaje del eje Z zacel=((zvolt-307)/61); //Mediante este logaritmo se transforma el valor

digital del voltaje en fuerzas g delay_ms(100); //Retraso 100 microsegundos set_adc_channel(2); //Habilita el canal 2 delay_us(20); //Retraso 20 microsegundos xvolt=read_adc(); //Adquiere el valor del canal 2 representa el

voltaje del eje X xacel=((xvolt-307)/61); //Convierte el valor digital del voltaje en fuerzas g set_adc_channel(1); delay_us(20); yvolt=read_adc(); yacel=((yvolt-307)/61); printf(lcd_putc, "\f az= %f ay= %f",zacel,yacel); //Muestra los valores de la aceleración en cada eje

a través del display LCD.

P=sqrt(yacel*yacel+xacel*xacel+zacel*zacel); //Operación matemática que crea la resultante de los vectores de aceleración en cada eje.

if (yacel<0) //Condiciona el flujo del programa, realiza su función si el valor de la

aceleración en Y es negativo { pitch=(-1)*(360*acos(zacel/p))/(2*3.141592); //Establece la posición del dispositivo

comparando la aceleración en z, con la resultante de la gravedad, convierte el valor de radianes a grados.

printf(lcd_putc, "\n pitch = %f",pitch); //Muestra en pantalla el valor del ángulo de cabeceo. delay_ms(1000); } else if (yacel>=0) //Condiciona el flujo del programa, realiza la operación para cualquier

valor de aceleración en y mayor o igual a 0. { pitch=(360*acos(zacel/p))/(2*3.141592);

47

printf(lcd_putc, "\n pitch = %f",pitch); delay_ms(1000); } } }

Este programa solo sirve para obtener y representar los valores de la posición en

la pantalla LCD y se usará durante la simulación, el programa que se emplea en el

micro controlador montado en el casco del piloto, no requiere de pantalla propia,

por lo que se reduce su tamaño. El tiempo de duración del ciclo de adquisición de

datos se reduce drásticamente al no incluir los retrasos necesarios para presentar

la posición en la pantalla.

4.1.2 Control del servomotor.

El código empleado en el micro controlador debe incluir una función encargada de

generar la señal PWM, esto se logró creando una función cíclica que cambia el

tiempo alto de la señal de salida del puerto C0. El código utilizado es el siguiente.

Programa 2

#include <16F876A.h> #device adc=10 #FUSES XT,NOWDT #use delay(clock=4000000) #include <math.h> //Se incluyen las mismas cabeceras, a excepción del controlador del display

LCD. void posicion (float i) //Se crea una función llamada posición, la cual recibe el valor del pitch al

final del programa, en una variable flotante llamada i. { int32 h; int j; //se declaran dos variables, entero de 32 bits h, que representará el tiempo

de periodo alto, y entero j, que creará ciclos para producir la señal PWM h=2000+(i*(50/9)); //El valor de posición 0° corresponde a 2000ms, por lo que, si convertimos

la desviación angular a su equivalente en microsegundos y lo añadimos, producirán el tiempo de estado alto necesario para mover el servomotor al ángulo requerido.

for(j=0;j<5;j++) //Contador, genera 5 ciclos de señal PWM. { OUTPUT_HIGH(PIN_C0); //Establece la salida del pin C0 a estado alto. delay_us(h); //Mantiene la señal del pin C0 en estado alto por el valor de la variable h. OUTPUT_LOW(PIN_C0);// Establece la salida del pin CO en estado bajo

48

delay_us(20000-h); //Debido a que la frecuencia de pulsos de trabajo del servomotor es de 50Hz, el ciclo de trabajo debe ser de aproximadamente 20ms, si restamos la variable h a este número, obtenemos el retraso necesario obtener la frecuencia de trabajo.

} } void main() //La función main, permanece casi igual, solamente se reducen los tiempos

de retraso, y se eliminan las líneas de código que controlaban el display LCD.

{ float xvolt,yvolt,zvolt,xacel,yacel,zacel,pitch,R; while (true) { setup_adc_ports(ALL_ANALOG); setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL); set_adc_channel(0); delay_us(20); zvolt=read_adc(); zacel=((zvolt-307)/61); set_adc_channel(2); delay_us(20); xvolt=read_adc(); xacel=((xvolt-307)/61); set_adc_channel(1); delay_us(20); yvolt=read_adc(); yacel=((yvolt-307)/61); R=sqrt(yacel*yacel+xacel*xacel+zacel*zacel); if (yacel<0) { pitch=(-1)*(360*acos(zacel/R))/(2*3.141592); } else if (yacel>=0) { pitch=(360*acos(zacel/R))/(2*3.141592); } posicion(pitch); // Esta línea de código toma el valor de la variable pitch y lo introduce en la

función posicion, situada al principio del código, por lo que se reinicia el programa y el ciclo vuelve a comenzar de manera ininterrumpida.

} }

49

4.2 Eje Azimut movimiento de guiñada.

El movimiento de guiñada es un movimiento giratorio alrededor del eje vertical (Z),

este movimiento, representa el giro de la cabeza de un lado al otro. El rango

aproximado del movimiento son 180°.

4.1.1 Determinación de posición y control del servomotor

La manera en que se actualiza la posición es multiplicando la velocidad medida en

el giroscopio, por un diminuto intervalo de tiempo. La sección dedicada a generar

la señal PWM se encuentra dentro de la función main, lo cual permite que su ciclo

de operación sea continuo, por lo que el ancho de los pulsos y la posición del

servo varían en tiempo real con la señal de entrada. Es más mucho más eficiente

no incluir display LCD, debido a que no requiere tiempos de espera para manipular

el LCD. Este es el código final que se graba en el dispositivo micro controlador PIC

18F876A.

Programa 3

#include <16F876A.h> //Incluye la librería del dispositivo #device adc=10 //Define el tamaño del convertidor AD a 10 bits de resolución #FUSES XT,NOWDT //Establece un oscilador de cristal y el perro guardían #use delay(clock=4000000) // Establece la frecuencia de oscilación a 4.0MHz. #include <math.h> //Incluye la librería matemática. #include <lcd.c> //Incluye el programa que permite interactuar con una

pantalla LCD.

void main() //Función principal. { float vgiro,volt,volrel,rate,pos,ang; // Variables flotantes. int32 h; //Variable entera de 32 bits. while(true) //Crea ciclo infinito. { setup_adc_ports(ALL_ANALOG); //Establece todos los puertos como analógicos setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL); //Establece el reloj interno set_adc_channel(0); //Establece el canal A0 delay_us(20); vgiro=read_adc(); volt=vgiro*(.0049); volrel=(volt-1.5); rate=volrel/.0032;

50

if(rate>1.35) // Establece el algoritmo a seguir para valores de más de 1.35 dps. Esto crea un nivel de activación que es vital para evitar la deriva del giroscopio.

{ ang=rate*.02; pos=pos+ang; h=2000+(pos*(50/9)); //En esta sección se lleva a cabo la generación de la señal OUTPUT_HIGH(PIN_C0); //PWM, el ciclo es continuo por lo que el ancho de los pulsos delay_us(h); //y la posición de los servomotores cambiará en tiempo real. OUTPUT_LOW(PIN_C0); delay_us(18000-h); } else if(rate<-1.35) //Condiciona la señal, solo acepta valores negativos menores

//a -1.35 { ang=rate*.02; pos=pos+ang; h=2000+(pos*(50/9)); OUTPUT_HIGH(PIN_C0); delay_us(h); OUTPUT_LOW(PIN_C0); delay_us(18000-h); } else if(rate>=-1.35&&rate<=1.35) //Mantiene la posición estacionaria, y evita estabiliza

el //sistema ante perturbaciones minúsculas. { h=2000+(pos*(50/9)); OUTPUT_HIGH(PIN_C0); delay_us(h); OUTPUT_LOW(PIN_C0); delay_us(18000-h); }}}

51

CAPÍTULO 5

SIMULACIÓN.

52

Para poder comprobar el comportamiento del sistema, es necesario realizar

pruebas al los programas desarrollados. La construcción y reprogramación de un

dispositivo sería necesaria de no ser por los simuladores electrónicos por

computadora, al utilizar el software ISIS Proteus podemos hacer ajustes en un

tiempo mínimo, y simular los sistemas de una manera bastante precisa.

Dentro de este programa cargaremos el código ensamblador en un micro

controlador virtual al cual le aplicaremos diferentes combinaciones de voltajes en

los puertos de los sensores, simulando de esta manera el comportamiento de

estos en el mundo real.

5.1 Simulación del sistema de seguimiento del movimiento de

cabeceo.

Utilizamos el primer programa que desarrollamos para poder observar los cambios

en la posición expresada en el display LCD. En la figura 5.1 se muestra la

estructura y los componentes del circuito del sistema diseñado y simulado en el

software Proteus.

Fig.5.1 Circuito equivalente para medición de cabeceo.

En el diseño tenemos al componente principal del sistema que es el micro

controlador PIC 16F876A, una pantalla LCD donde se mostrarán los valores de la

inclinación. Para simular el comportamiento de los sensores, se han colocado tres

baterías independientes, las cuales suministran un voltaje de acuerdo con los

valores típicos del acelerómetro ADXL335 en diferentes ángulos de inclinación.

53

Los voltajes típicos a la salida de cada eje del acelerómetro se pueden apreciar en

la siguiente tabla.

Pitch Voltaje Z Voltaje Y Pitch Voltaje Z Voltaje Y

0 1.8 1.5 0 1.8 1.5

1 1.79995431 1.50523572 -1 1.79995431 1.49476428

5 1.79885841 1.52614672 -5 1.79885841 1.47385328

10 1.79544233 1.55209445 -10 1.79544233 1.44790555

15 1.78977775 1.57764571 -15 1.78977775 1.42235429

20 1.78190779 1.60260604 -20 1.78190779 1.39739396

25 1.77189234 1.62678548 -25 1.77189234 1.37321452

30 1.75980762 1.65 -30 1.75980762 1.35

35 1.74574561 1.67207293 -35 1.74574561 1.32792707

40 1.72981333 1.69283628 -40 1.72981333 1.30716372

45 1.71213203 1.71213203 -45 1.71213203 1.28786797

50 1.69283628 1.72981333 -50 1.69283628 1.27018667

55 1.67207293 1.74574561 -55 1.67207293 1.25425439

60 1.65 1.75980762 -60 1.65 1.24019238

65 1.62678548 1.77189234 -65 1.62678548 1.22810766

70 1.60260604 1.78190779 -70 1.60260604 1.21809221

75 1.57764571 1.78977775 -75 1.57764571 1.21022225

80 1.55209445 1.79544233 -80 1.55209445 1.20455767

85 1.52614672 1.79885841 -85 1.52614672 1.20114159

90 1.5 1.8 -90 1.5 1.2

Tabla 3. Voltaje a la salida del acelerómetro para diferentes inclinaciones.

El voltaje varía en razón de la gravedad y no directamente del ángulo. La razón

por la cual el voltaje en Z para ángulos negativos y para ángulos positivos es el

mismo, radica en el hecho de que su posición natural es horizontal, si se 90

grados en cualquier dirección quedará completamente de lado, y su medición será

de 0g. A 0g el voltaje a la salida del acelerómetro es 1.5, y a 1g es de 1.8.

Se seleccionaron 5 casos representativos para simularlos, en Proteus, la condición

inicial 0°, la condición totalmente hacia arriba 90° y a la mitad de ese recorrido 45°,

así como la posición completamente hacia abajo y posición a la mitad de ese

recorrido.

Al ajustar el voltaje de las baterías que alimentan las entradas del puerto A del pic,

observaremos los valores calculados de la gravedad en el display LCD, y los

compararemos con los valores esperados. El voltaje en el eje X permanece

54

constante a 1.5 V que representan un valor de 0g, pues el cambio de este genera

otro movimiento conocido como Roll.

5.1.1 Condición inicial inclinación de 0°

Para la condición inicial de 0°, tenemos que:

Vz=1 Vy=1.5

aZ=1 aZ=0

Introducimos los valores de voltaje y comparamos los resultados con la

simulación.

Fig. 5.2 Resultados simulación cálculo de posición.

Podemos comprobar en la imagen del display que los valores de la aceleración en

los ejes Z y Y son correctos, así como el ángulo de cabeceo.

La siguiente parte de la simulación corresponde a verificar la señal PWM y que el

servomotor simulado se mueva a la posición deseada.

Introducimos los mismos valores al mismo circuito, pero con el programa 2

cargado en el microcontrolador.

55

Fig 5.3 Señal PWM para pitch 0°

Para obtener una altitud de 0°, es necesario que el servomotor se sitúe a la mitad de su

recorrido, por lo cual se requiere una señal de pulsos con un ancho de 2ms, y una

frecuencia de aproximadamente 50Hz, si observamos con detenimiento la figura 5.3

podemos observar que la frecuencia es correcta, la escala horizontal de esta imagen es

de 5ms. En la figura 5.4 observamos el ancho de pulso, con una escala horizontal de 1ms.

Observamos que también se cumple el ancho de pulso requerido por el servomotor.

Fig. 5.4 ancho de pulso para pitch 0°

En la figura 5.5 podemos observar la posición de servomotor simulado, el servomotor

tiene 180° de libertad, por lo que para situarse a la mitad de ese rango debe moverse 90°,

observamos que la posición es suficientemente cercana a la posición deseada para el

sistema.

Fig. 5.5 Posición del servo para pitch 0°

56

5.1.2 Condición pitch 90°

Para la condición inicial de 90°, tenemos que:

Vz=1.5 Vy=1.8

aZ=0 aZ=1

Introducimos los valores de voltaje y comparamos los resultados con la

simulación.

Fig. 5.6 Resultados simulación cálculo de posición pitch 90°

Podemos comprobar en la imagen del display que los valores de la aceleración en

los ejes Z y Y son correctos, así como el ángulo de cabeceo.

La siguiente parte de la simulación corresponde a verificar la señal PWM y que el

servomotor simulado se mueva a la posición deseada.

Introducimos los mismos valores al mismo circuito, pero con el programa 2

cargado en el microcontrolador.

Fig 5.7 Señal PWM para pitch 90°

57

Para obtener una altitud de 90°, es necesario que el servomotor realice por completo su

recorrido, por lo cual se requiere una señal de pulsos con un ancho de 2.5ms, y una

frecuencia de aproximadamente 50Hz, si observamos con detenimiento la figura 5.7

podemos observar que la frecuencia es correcta, la escala horizontal de esta imagen es

de 5ms. En la figura 5.8 observamos el ancho de pulso, con una escala horizontal de 1ms.

Observamos que también se cumple el ancho de pulso requerido por el servomotor.

Fig. 5.8 ancho de pulso para pitch 90°

En la figura 5.9 podemos observar la posición de servomotor simulado, el servomotor

tiene 180° de libertad, por lo que para situarse al final de ese rango debe moverse 180°,

observamos que la posición es exactamente la deseada.

Fig. 5.9 Posición del servo para pitch 90°

5.1.3 Condición pitch 45°

Para la condición inicial de 90°, tenemos que:

Vz=1.71213 Vy=1.71213

aZ=0.7071678 aZ=0.7071678

Introducimos los valores de voltaje y comparamos los resultados con la

simulación.

58

Fig. 5.10 Resultados simulación cálculo de posición pitch 45°

Podemos comprobar en la imagen del display que los valores de la aceleración en

los ejes Z y Y son correctos, así como el ángulo de cabeceo.

La siguiente parte de la simulación corresponde a verificar la señal PWM y que el

servomotor simulado se mueva a la posición deseada.

Introducimos los mismos valores al mismo circuito, pero con el programa 2

cargado en el micro controlador.

Fig 5.11 Señal PWM para pitch 45°

Para obtener una altitud de 45°, es necesario que el servomotor realice ¾ partes de su

recorrido, por lo cual se requiere una señal de pulsos con un ancho de 2.25 ms, y una

frecuencia de aproximadamente 50Hz, si observamos con detenimiento la figura 5.11

podemos observar que la frecuencia es correcta, la escala horizontal de esta imagen es

de 5ms. En la figura 5.8 observamos el ancho de pulso, con una escala horizontal de .5

ms. Observamos que también se cumple el ancho de pulso requerido por el servomotor.

Fig. 5.12 ancho de pulso para pitch 45°

59

En la figura 5.12 podemos observar la posición de servomotor simulado, el servomotor

tiene 180° de libertad, por lo que para situarse al final de ese rango debe moverse 135°,

observamos que la posición es exactamente la deseada.

Fig. 5.13 Posición del servo para pitch 45°

5.1.4 Condición pitch -45°

Para la condición inicial de 90°, tenemos que:

Vz=1.71213 Vy=1.28786

aZ=0.7071678 aZ=- 0.7071678

Introducimos los valores de voltaje y comparamos los resultados con la

simulación.

Fig. 5.14 Resultados simulación cálculo de posición pitch -45°

Podemos comprobar en la imagen del display que los valores de la aceleración en

los ejes Z y Y son correctos, así como el ángulo de cabeceo.

La siguiente parte de la simulación corresponde a verificar la señal PWM y que el

servomotor simulado se mueva a la posición deseada.

60

Introducimos los mismos valores al mismo circuito, pero con el programa 2

cargado en el micro controlador.

Fig 5.15 Señal PWM para pitch -45°

Para obtener una altitud de -45°, es necesario que el servomotor realice 1/4 parte de su

recorrido, por lo cual se requiere una señal de pulsos con un ancho de 1.75 ms, y una

frecuencia de aproximadamente 50Hz, si observamos con detenimiento la figura 5.16

podemos observar que la frecuencia es correcta, la escala horizontal de esta imagen es

de 5ms. En la figura 5.8 observamos el ancho de pulso, con una escala horizontal de .5

ms. Observamos que también se cumple el ancho de pulso requerido por el servomotor.

Fig. 5.16 ancho de pulso para pitch -45°

En la figura 5.12 podemos observar la posición de servomotor simulado, el servomotor

tiene 180° de libertad, por lo que para situarse al final de ese rango debe moverse 45°,

observamos que la posición es muy cercana la deseada con un error de solamente 0.3°.

Fig. 5.17 Posición del servo para pitch -45°

61

5.1.5 Condición pitch -90°

Para la condición inicial de 90°, tenemos que:

Vz=1.5 Vy=1.2

aZ=0 aZ=-1

Introducimos los valores de voltaje y comparamos los resultados con la

simulación.

Fig. 5.18 Resultados simulación cálculo de posición pitch -90°

Podemos comprobar en la imagen del display que los valores de la aceleración en

los ejes Z y Y son correctos, así como el ángulo de cabeceo.

La siguiente parte de la simulación corresponde a verificar la señal PWM y que el

servomotor simulado se mueva a la posición deseada.

Introducimos los mismos valores al mismo circuito, pero con el programa 2

cargado en el micro controlador.

Fig 5.19 Señal PWM para pitch -90°

Para obtener una altitud de -90°, es necesario que el servomotor se conserve la posición

donde comienza su recorrido, por lo cual se requiere una señal de pulsos con un ancho

de 1.5 ms, y una frecuencia de aproximadamente 50Hz, si observamos con detenimiento

la figura 5.19 podemos observar que la frecuencia es correcta, la escala horizontal de esta

imagen es de 5ms. En la figura 5.20 observamos el ancho de pulso, con una escala

62

horizontal de .5 ms. Observamos que también se cumple el ancho de pulso requerido por

el servomotor.

Fig. 5.20 ancho de pulso para pitch -90°

En la figura 5.20 podemos observar la posición de servomotor simulado, el servomotor

tiene 180° de libertad, por lo que para situarse al final de ese rango debe moverse 0°,

observamos que la posición del servo simulado es 0°.

Fig. 5.21 Posición del servo para pitch -90°

5.2 Simulación del sistema de seguimiento del movimiento de

guiñada.

Utilizamos el programa 3 para poder comparar los cambios en la posición

expresada en el display LCD con los cambios del servomotor simulado. En la

figura 5.22 se muestra la estructura y los componentes del circuito del sistema

diseñado y simulado en el software proteus, los componentes principales son los

mismos que el sistema anterior, pero la forma de simular el voltaje proporcionado

por los sensores cambió, para este sistema necesitamos una señal continua que

varíe y mantenga un voltaje durante un tiempo establecido, y así poder alterar la

posición del sistema, en el software ISIS Proteus, tenemos a nuestra disposición

generadores de corriente directa programables.

63

5.2.1 simulación programada

Fig.5.22 Circuito equivalente para la simulación del movimiento en Azimut.

En la figura 5.23 podemos observar una gráfica de tiempo / voltaje, esta gráfica

puede controlar una señal continua colocando puntos que alteran la su valor y

dirección.

Fig. 5.23 Señal programada para simular el movimiento de cabeza.

Utilizaremos esta señal para simular el movimiento de cabeza, recordemos que el

giroscopio elegido tiene un voltaje neutral de 1.5 V, por lo cual una señal de 1.5V

continuos no debe afectar la posición del sistema, mientras más lejos se encuentre

un punto de la línea horizontal de 1.5 v, la velocidad angular de la simulación será

más grande.

La tabla 5 muestra los valores de voltaje para algunas velocidades angulares.

64

dps Voltaje dps Voltaje

400 2.8 -400 0.2

300 2.475 -300 0.525

200 2.15 -200 0.85

180 2.085 -180 0.915

120 1.89 -120 1.11

100 1.825 -100 1.175

90 1.7925 -90 1.2075

60 1.695 -60 1.305

45 1.64625 -45 1.35375

30 1.5975 -30 1.4025

20 1.565 -20 1.435

10 1.5325 -10 1.4675

5 1.51625 -5 1.48375

3 1.50975 -3 1.49025 Tabla 4. Voltaje de algunas velocidades angulares.

Iniciamos la simulación con una señal continua de 1.5 V, correspondientes a una

velocidad angular nula, es decir, la posición angular Yaw debe permanecer en 0°,

y la posición del servo debe mantenerse en el punto medio, lo que significa que el

ancho de los pulsos de la señal PWM debe ser muy cercano a los 2.0 ms. En la

figura 5.24 podemos observar la respuesta del sistema a la condición inicial,

podemos apreciar que se cumplen los requerimientos de respuesta ante la señal

inicial.

Fig. 5.24 Respuesta al voltaje inicial de 1.5 v.

Para simular el movimiento de en Azimut de la cabeza, primero enviaremos una

señal de velocidad de 30°/s durante un segundo, si el tiempo de muestreo utilizado

en la aproximación numérica está sincronizado con el tiempo del ciclo del

programa completo, entonces el valor del ángulo al final de este pulso, deberá ser

un valor de aproximadamente 120°.

65

Fig. 5.24 Respuesta del servomotor al impulso de 1.6 Volts durante 1 segundo.

La posición del servo adoptó un valor con un error aceptable de solo 1°, por lo cual

podemos decir que el sistema se comporta de forma correcta.

Continuamos con la simulación programada, ahora se espera que la respuesta

ante el siguiente pulso lleve al servomotor a la posición de 0°, esto significa un

ancho de pulso en la señal PWM de 1.5ms.

Fig. 5.25 Respuesta de ancho de pulso y posición del servo para un desplazamiento hasta

0°

En la figura 5.25 podemos observar una vez más que el sistema cumple con los

requerimientos, de ancho de pulso y posición del servo, si se observa la animación, se

puede apreciar que el servomotor y el ancho de pulso cambian continuamente, por lo que

el sistema actualiza la posición con un mínimo retraso

Para la última parte de la simulación programada, se creó una señal lleve el sistema de 0

a 180° en un tiempo menor a dos segundos, por lo que se utilizó un pulso alto y más corto

que los anteriores, la respuesta del sistema debe incluir una posición de 180° en el

servomotor y un ancho de pulso de 2.5 ms en la señal PWM.

66

Figura 5.26 Ancho de pulso para posición 180°

En la figura 5.26 podemos observar que el ancho de pulso de la señal PWM generada es

de aproximadamente 2.5ms, correspondiendo con la posición del servo simulado a 180°.

67

CONCLUSIONES

Esta tesina comprueba que se pueden utilizar sensores MEMS para facilitar la

interacción humano-máquina, sin embargo, me parece que un sistema con la

precisión que tienen los sistemas de armamento militar requiere de más

investigación y sobre todo de la construcción y realización de pruebas físicas en

un prototipo.

Una de las partes más interesantes de desarrollar el código fue la parte que se

encargaba de controlar la señal PWM y al mismo tiempo hacer el cálculo de la

posición, ambos procesos interferían el uno con el otro por lo que el tiempo del

procesamiento de la información debía tomarse en cuenta para establecer el

intervalo de la aproximación numérica, e incluirlo en el tiempo de estado bajo de la

señal.

Al haber desarrollado el código y la simulación de este proyecto, se tomaron en

cuenta situaciones ideales, que no representan completamente los desperfectos y

errores inherentes de la interacción con mundo real.

Me queda claro que los dispositivos MEMS son una herramienta muy poderosa, y

que tienen el potencial de ser utilizado en aplicaciones innovadoras por personas

creativas.

68

REFERENCIAS

[1] Organización de Aviación Civil Internacional (julio de 2006 (décima

edición)). «1. Definiciones y reglamento general relativo al otorgamiento de

licencias. Punto 1.1.- Definiciones».

[2 ] Aircraft, Wikipedia en Inglés.

[3 ] Aerial Warfare, Wikipedia en Inglés.

[4] Flightglobal en internet

http://www.flightglobal.com/FlightPDFArchive/1910/1910%20-%200863.PDF

[5] Gunston, Bill (1986). Jane's Aerospace Dictionary. London, England: Jane's

Publishing Company Limited. ISBN 0-7106-0365-7.

[6] Murphy, Justin (2005). Weapons and Warfare: Military Aircraft, Origins to

1918. ABC Clio. pp. 53–54. ISBN 1-85109-488-1.

[7] G. van Wyngarden. Early German Aces of World War 1. Osprey Publishing,

2006. ISBN 1-84176-997-5

[8] Doscher, James. "Accelerometer Design and Applications". 2008.

[9] MEMSIC thermal accelerometer MXC 6226XC Whitepaper, SENSOR

Magazine 2012.

[10] Electric Motors and Drives, Fundamentals, types and Applications, Austin

Hughes

BIBLIOGRAFÍA

Electric Motors and Drives, Fundamentals, types and Applications, Austin Hughes

Compilador C CCS y simulador PROTEUS para micro controladores PIC, Eduardo

García Brejio.

Manual de usuario del compilador PCW de CCS. Andrés Cánovas López.

Palacios Municio, Enrique. Micro controlador PIC16F84. Desarrollo de

proyectos. 2ª ed. México: Alfa-Omega 2006.