Aplicación Electrónica para UAV: integración de IMU y GPS

Abstract

La gran expansión que han sufrido en los últimos años los vehículos aéreos no tripulados ha cambiado las reglas del juego en lo que se conocía hasta el momento del entorno aeronáutico. Tanto a nivel de sistemas y de aplicaciones como a nivel de normativa se han producido modificaciones y la aparición de una serie de nuevos recursos aplicables a estos sistemas. La consecuencia de estos cambios ha sido la creación de nuevas líneas de desarrollo en el ya de por sí complicado y en constante cambio mundo de la aeronáutica. Una de las dificultades que se encuentra alguien externo a las compañías desarrolladoras de estos productos es la falta de información disponible en el dominio público. Los avances punteros en este sector no se detallan en su totalidad debido a la gran competencia que existe entre las empresas. Todo esto es la clave que actúa como motivación de nuestro trabajo, moviéndonos a profundizar más en la aviónica que se aplica en los UAVs. Siendo conscientes de lo rápido que avanzan y han avanzado estos desarrollos en los últimos tiempos, se ha considerado oportuno realizar un breve estudio previo del estado del arte en el que nos encontramos actualmente. Como el resultado que se tiene en el presente es el fruto de todo lo ocurrido en el pasado, comenzaremos comentando el desarrollo de estos sistemas desde su primera aparición. Esto permitirá entender por qué estos sistemas evolucionaron lentamente a lo largo de 100 años y han experimentado un sorprendente impulso que los ha hecho llegar, incluso, hasta el ámbito doméstico. En el presente por tanto contamos con un amplio rango de sistemas a nuestro alcance en los que nos podemos basar para justificar nuestros desarrollos posteriores. Por ello se continuará exponiendo la jerarquía de la vasta variedad de diferentes vehículos no tripulados que se conocen, para obtener una visión más clara de todas las clases que se pueden encontrar en la realidad. Todo ello no sería posible sin los equipos de aviónica que realizan ciertas funciones en los UAVs propias de la tripulación. En este punto podremos afirmar que se comprende el estado actual de estos sistemas y que se entiende la criticidad que la aviónica supone para un UAV, por lo que se procede a analizar sistemas reales que las compañías ofrecen. Para ello se ha realizado un estudio de mercado, desglosando las características de los diferentes sistemas. Realizado este paso, se comprobará que una parte vital de la electrónica aplicada son los sensores de posicionamiento, tanto inerciales como GPS, apareciendo en la inmensa mayoría de los mismos. Ya que no podemos abarcar todo el espectro de sistemas de aviónica, decidimos centrar nuestro estudio en estos instrumentos tan necesarios para la autonomía de dichos vehículos. Y como no es lo mismo quedarse en la teoría que pasar a la práctica, se decidió construir un prototipo que fusionase una unidad de medidas inerciales con un receptor de señales GPS, permitiéndonos conocer su funcionamiento más en profundidad. La plataforma que nos permitirá construir nuestro prototipo, ofreciéndonos la suficiente flexibilidad y potencia como para poder integrar ambos dispositivos será Arduino. En concreto se empleará un Arduino Due, que cuenta con unas características óptimas para nuestro objetivo Como ejemplo de IMU para nuestro estudio se ha seleccionado la placa 10- DOF IMU Breakout - L3GD20H + LSM303 + BMP180 de Adafruit. Este instrumento agrupa tres acelerómetros en los tres ejes, tres giróscopos en los tres ejes, tres magnetómetros en los tres ejes, un sensor de temperatura y un sensor de presión. Para su correcto funcionamiento la compañía ofrece una serie de códigos compatibles con Arduino que permiten extraer los datos de cada sensor por separado y otros que integran dichos datos para obtener información más interesante a la hora del posicionamiento. Finalmente se seleccionará, para la integración posterior, un código que devuelve los ángulos que definen el rumbo del vehículo, y otro que extrae las aceleraciones que captan los acelerómetros. El otro pilar de nuestro proyecto será el receptor de GPS Ultimate GPS Breakout de la compañía Adafruit igualmente. El objetivo de este instrumento será recibir las sentencias NMEA (protocolo de comunicación empleado) que emiten los satélites, y el código que ofrece Adafruit se encarga de depurarlas para conseguir al final datos legibles. Este código será el que posteriormente se integrará con los indicados anteriormente para obtener el prototipo deseado. Finalmente se detallarán los pasos que se han seguido para completar la fusión de ambos dispositivos, obteniendo un equipo que consigue emitir tanto los datos inerciales como el posicionamiento GPS coordinadamente. Con esto se ha conseguido obtener un sistema a partir de dos, ahorrando en espacio, tanto físico como digital. Con todo ello hemos podido incrementar nuestros conocimientos sobre la electrónica que emplean estos dispositivos, ya que son necesarios para comprender correctamente su funcionamiento, al igual que aquellos relacionados con la programación en el lenguaje empleado, como paso necesario para realizar la correcta integración del software, y con todo ello conocer más en profundidad la aviónica que se aplica en los UAVs. Finalmente, se exponen algunas líneas de mejoras futuras que se podrían aplicar como continuación del desarrollo llevado a cabo en el presente Trabajo de Fin de Grado.