Controlador de Eyección de Paracaídas con Arduino para Drones (Parte 2)

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Continuamos con este tutorial (Parte 1) que culminará con una propuesta de diseño de un Eyector de Paracaídas con Arduino para drones.

Iremos despacio para poder ir explicando cada una de las materias y en esta entrega vamos a hablar del microcontrolador Arduino. Gracias a él conseguiremos un sistema eyector totalmente autónomo que constará de una pequeña batería, de un microprocesador Arduino independiente del controlador de vuelo y como mínimo de un sensor barométrico de precisión. Todo muy barato. El disparo se provocará cuando la lectura del sensor barométrico realizada a intervalos de medio segundo detecte una velocidad de caída del dron que supere un valor considerado crítico.

El diseño básico de un controlador para eyección de un paracaídas

Los elementos básicos imprescindibles de nuestro controlador serían un Arduino como controlador, un sensor baromérico, un servomotor como actuador electromecánico y unas baterías para que sea totalmente autónomo. Expresamos esta idea de forma simplificada en el dibujo de cabecera.

La imagen solo muestra los cuatro tipos de elementos esenciales. Un sensor barométrico que envía datos a un controlador, el cual es alimentado con una batería eléctrica y un servomotor que responderá a las órdenes del controlador mediante la acción mecánica correspondiente. En realidad para un montaje definitivo usaremos un Arduino Pro Mini que funcionalmente es muy similar al Arduino UNO que hemos usado para la ilustración. También introduciremos algunos elementos auxiliares, pero la idea del diseño es tan simple como se ve en la imagen. El programa de control para Arduino tampoco sería muy complicado.

Tipos de sensores para medir la altitud o distancia al suelo.

Hemos empezado señalando el tipo de sensor barométrico como elección para nuestro diseño, pero conviene explicar los motivos de esta elección dada la gran diversidad de sensores que teóricamente podríamos haber considerado en un primer momento.

Recordamos que dejamos una pregunta en el aire en el capítulo anterior de esta serie.

¿No sería mejor usar un acelerómetro que un sensor barométrico?

La respuesta es que nada impide usar un acelerómetro, que podría servir para detectar una serie de condiciones suficientemente graves tales como el impacto del dron contra un objeto, pero si pretendemos detectar la velocidad de caída debemos considerar en primer lugar que un dron con motores averiados podría colocarse en una posición anómala, como por ejemplo boca abajo o de lado. Las lecturas cambiantes del acelerómetro de un dron que cae sin control podrían en muchos casos interpretarse de forma equivocada. Por ejemplo, la ausencia de aceleración puede interpretarse como caída libre, pero si un dron que sube a toda velocidad corta el gas, seguirá ascendiendo antes de caer trazando una curva parabólica. Es decir, subiría primero por inercia hasta pararse y luego empezaría a caer.

Si el paracaídas se abre mientras el dron todavía está subiendo y decelerando por efecto de la gravedad, podríamos generar un problema. Este problema que acabamos de describir es una forma de explicar que solo con un acelerómetro no podemos conocer la velocidad final de un dron porque con un acelerómetro no podemos conocer ni posiciones ni velocidades. En la fórmula siguiente no podríamos averiguar ni Vf ni Vi.

Vf = Vi * a * t

Por suerte, existen una amplia variedad de tipos de sensores disponibles, algunos de ellos pueden ser del tipo telémetros (dispositivo capaz de medir la distancia a un objeto de forma remota).

En nuestro caso, un telemétro podría teóricamente usarse para medir la distancia al suelo. Para cada tipo de sensor comentaremos sus pros y sus contras acorde al uso que pretendemos darle en nuestro controlador.

Los diferentes tipos de sensores que en teoría podríamos usar son:

1. Acelerómetro: Usar este sensor ya hemos explicado que no es una buena idea, porque no mide altitudes ni velocidad de caída, que es lo que realmente necesitamos tal y como ya hemos explicado.

2. Sensor barométrico: Se trata del tipo de sensor más adecuado para nuestros propósitos. Es un sensor barato, muy ligero y fiable. La presión atmosférica corresponde al peso de la columna de aire sobre una unidad de superficie. La presión media al nivel del mar es de 1013,25 hPa. Pero esta es solo una media, porque la presión al nivel del suelo no es constante. Esto no será un problema para nosotros porque los drones usan estos altímetros y al arrancar toman el valor de presión atmosférica, lo registran como el valor de altitud y trabajan considerando la altitud relativa respecto del punto de despegue del dron, lo cual resulta muy práctico para el piloto.

3. Telémetro radieoléctrico (radar): Se trata de un tipo de sensor muy preciso y muy caro. Estos aparatos son pequeños radares que miden la distancia con respecto al suelo. Funcionan midiendo el tiempo que tarda una señal radioeléctrica emitida desde una aeronave en volver tras rebotar contra el suelo. Este sofisticado tipo de sensor se usa sobre todo en bombas y misiles, y son muy caros.

4. Telémetro óptico: Mide la distancia mediante dos minicámaras separadas por una distancia y que miran en la misma dirección. Las imágenes obtenidas difieren por estar ligeramente desplazadas. Cuanto más cercano esté el obstáculo, mayor será el desplazamiento del mismo entre ambas imágenes. Este es el mismo principio de la visión binocular de muchos animales que proporciona un efecto 3D al ser procesado por el cerebro. Lo que se obtiene es una representación de los obstáculos a diferentes distancias. Este tipo de sensores son caros, necesitan un procesador capaz de procesar muchos datos a gran velocidad, Es muy útil como sensor para trazar rutas esquivando árboles en un bosque, por ejemplo, pero no para medir la distancia al suelo. En un suelo de aspecto uniforme no se pueden localizar bien las referencias y el dron no sería capaz de medir distancias a los obstáculos.

5. Telémetro ultrasónico (sónar): Emite un sonido a una frecuencia superior a los 20.000 Hz inaudible para el ser humano, y mide el tiempo en que la señal tarda en volver rebotada. Hay una gran variedad de estos sensores usados en drones, robots y rovers, para evitar que choquen con obstáculos. Son ligeros y resultan fiables acortas distancias. Los hay muy baratos pero su utilidad por lo general se reduce a un rango de distancias de entre 2 centímetros a 5 metros. Pueden valer para anticipar una colisión, pero a nosotros no nos sirve porque el dron ha de poder volar a una distancia del suelo mucho mayor y detectar la velocidad de caída peligrosa desde una gran distancia del suelo.

6. Telémetro Láser: Los hay de dos tipos:
   

7. Un primer tipo usa el tiempo que tarda en rebotar el rayo de luz láser y volver, de forma similar a como lo hace el sónar con el sonido.

8. Como un sistema de medida por triangulación emitiendo dos rayos láser. Las características en los diferentes modelos del mercado pueden ser muy diferentes y en general los que tienen un precio asequible sólo sirven para distancias muy inferiores a las que necesitamos usar.

9. GPS: No es buena idea usar el GPS para medir la altitud. Un simple altímetro barométrico resultará mucho más barato y preciso. El GPS funciona mediante una red de satélites en órbita sobre el planeta Tierra, a 20.200 km de altura. El receptor GPS localiza como mínimo tres satélites recibiendo la identificación y la hora del reloj de cada uno de ellos. Con base en estas señales, el aparato sincroniza el reloj del receptor GPS y calcula el tiempo que tardan en llegar las señales al equipo. De esta forma se mide la distancia del receptor a cada satélite. Con ello se calcula posición del receptor GPS respecto a los satélites. El error de altitud siempre será considerablemente mayor que el error en el plano horizontal por razones geométricas.

10. Lidar: Un lídar o lidar (un acrónimo de Laser Imaging Detection and Ranging) es un dispositivo que permite determinar la distancia desde un emisor láser (generalmente en infrarojo) a puntos de una superficie utilizando un haz de láser pulsado. La distancia al objeto se determina midiendo el tiempo de retraso entre la emisión del pulso y su detección a través de la señal reflejada. Hasta hace poco su precio era prohibitivo pero ahora hay aparatos con gamas de precio más asequibles. En cualquier caso son caros. Se usan como sensores para conducción autónoma. En topografía permiten obtener una nube de puntos con coordenadas 3D (es decir: coordenadas espaciales x, y, z), pero para calcular la distancia al suelo no necesitamos comprar un instrumento tan caro y hacer un mapa topográfico del mismo. Lo menciono porque ignoro si dentro de un tiempo esto va a cambiar.

¿Cuál es la diferencia entre un microcontrolador (MCU) y un microprocesador (CPU)?

Un microprocesador (CPU) es la unidad central de proceso de un ordenador: es un chip especializado en realizar una gran variedad de operaciones aritmético lógicas y de intercambio de información con la memora RAM del sistema. Necesita ser complementada con una gran cantidad de circuitos adicionales para interactuar con diferentes sistema electrónicos. Un microcontrolador (MCU) es un procesador completo en un solo chip, que está especializado en realizar una gran variedad de operaciones de entrada salida y se puede conectar directamente a una gran variedad de dispositivos. Pueden ser muy versátiles llegando a ser capaces de interactuar con toda clase de sensores, actuadores y una amplia variedad de circuitos electrónicos. Son programables y pueden manejar una gran variedad de protocolos de comunicación con otros dispositivos. Para nuestro proyecto usaremos un microcontrolador Arduino de gama baja.

¿Dónde comprar el material de electrónica?

Si estamos decididos a comprar el material, una de las primeras cosas que necesitaremos será hacer un pedido de componentes electrónicos.

Tanto los materiales sueltos como kits completos, puedes comprarlos en las tiendas OnLine más importantes del planeta tales como:

1. www.aliexpress.com (Es el gigante chino del comercio OnLine, suelen tener los mejores precios y una gran variedad de productos. Es en realidad un intermediario y debemos prestar atención a los datos de cada tienda, tales como su antigüedad o valoraciones).

2. www.banggood.com (Banggood es un comercio electrónico que posee su propio catálogo de productos; no funciona como intermediaro entre tiendas y compradores).

3. www.amazon.es (Tienen una gestión de pedidos más garantista).

4. www.ebay.es (Ademas de tiendas clásicas podrás acceder al mercado de segunda mano).

5. www.dx.com (Dealextreme, tienda especializada en Gadgets).

6. es.gearbest.com/ (tienda especializada en Gadgets.)

Si compras fuera de tu país o fuera de tu espacio económico, (fuera de la Union Europea si eres europeo), revisa cuál es el importe máximo que puedes comprar sin tener que pagar ni aranceles ni de gastos de gestión de aduana. En España esa cantidad está en torno a los 22 euros. En particular, para pedidos pequeños hay que considerar estos gastos de gestión, que son una cantidad fija entre 5 o 6 euros. Para más información consulte ¿Qué tasas de aduanas se pagan al comprar por Internet?

El mercado chino tiene muy buenos precios, especialmente en productos de electrónica de pequeño tamaño, pero los pedidos tardan bastante en llegar, salvo que la tienda donde compramos tenga infraestructura logística de apoyo en nuestro país.  Hay que asegurarse de comprar en una tienda asociada que tenga una buena calificación y más de dos años de antigüedad para evitar sorpresas desagradables. Las especificaciones de los productos no sioempre son claras y la documentación podría ser inexistente o estar escrita en chino. Algunas veces puedes comprar un producto en una tienda a buen precio y mirar si en otra, aunque lo tenga más caro, puedes conseguir la documentación.

Las mejores tiendas físicas de componentes electrónicos hace tiempo que no pueden competir en precio y en variedad de productos con la amplísima oferta de productos en las tiendas on-line especializadas. En lo que respecta al comercio de componentes electrónicos, las pocas tiendas físicas locales que quedan continúan siendo un recurso válido sólo cuando se trata de comprar componentes baratos habituales y cuando necesitamos hacer una compra rápida para completar un montaje, por ejemplo, pero cuando podemos hacer un pedido con algo de tiempo funciona mejor el comercio on-line.

Ventajas en el uso de un controlador Arduino para nuestro proyecto CEPAD.

Se podrían usar otros controladores, pero hay muchos motivos que a nosotros nos han llevado a usar un controlador Arduino.

El controlador Arduino se basa en el uso de hardware libre y software libre. Son muy populares, baratos, y la gran comunidad de usuarios que la usa y que proporciona soporte gratuito la hace ideal para proyectos de desarrollo en entornos altamente colaborativos.

Tenemos algunas controladoras de vuelo para drones basadas en chips de Arduino, como por ejemplo APM. Nosotros usaríamos un segundo controlador Arduino más pequeño que el del APM. Estaría dotado de alimentación a pilas y podría funcionar con total independencia de la controladora de vuelo, para así poder detectar una condición de emergencia y que nuestro controlador CEPAD pueda estimar a tiempo y con seguridad la necesidad de apertura del paracaídas. De esta forma, aunque la controladora de vuelo falle o se quede sin batería, nuestro paracaídas podría ser disparado para su despliegue a tiempo de evitar daños importantes.

Para finalizar

Ya dije que no me iba a limitar a comentar cómo construir un brico paso a paso. Este proyecto es ante todo un tutorial multidisciplinar que toca todas las áreas de conocimiento relacionadas con nuestro diseño del Controlador de Eyección de Paracaídas con Arduino para Drones.

No obstante, antes de continuar con esta serie, parece conveniente hacer una pequeña introducción al mundo de Arduino que sirva de guía a todos aquellos que deseen iniciarse en este fascinante mundillo de Arduino.

Eso lo haremos en un artículo próximo, pero lo haremos al margen de la serie de artículos dedicados al diseño de CEPAD, porque el tema de Arduino sin duda es muy amplio, y a poco que comentemos sobre él merece un tratamiento aparte. Lo orientaremos para aquellos interesados en conocerlo y que carecen de conocimientos previos ni de electrónica, ni de Arduino, ni de programación, pero que les interesaría saber lo imprescindible para intentar hacer algún pequeño brico con uno de estos controladores que algunos críos ya conocen porque hay varios productos y aplicaciones para jugar con él.