Revisión y Modificación del Firmware de Libre Acceso ArduCopter para su uso en el Proyecto AirWhale

Abstract

El proyecto AirWhale consiste en el desarrollo de una aeronave híbrido entre dirigible y multirotor. El objetivo principal de dicho proyecto reside en la urgente necesidad de aumentar la autonomía de los quadrotors sin abandonar la agilidad y maniobrabilidad que los caracteriza. La intención, claramente innovadora, ha llevado a un grupo de alumnos reunirse y trabajar juntos por la construcción completa de dicha aeronave, formalizando un equipo de desarrollo amparado por la asociación universitaria EsiTech y la Universidad de Sevilla. Todos los trabajos personales de los alumnos que componen el equipo forman un Trabajo Fin de Grado extenso y detallado, en la línea del trabajo general del proyecto AirWhale. Para implementar las distintas leyes de control que gobiernan el movimiento del AirWhale, son imprescindibles el diseño de un modelo dinámico asoaciado a la aeronave, para la experimentación en un primer nivel de precisión y para la sintonización de los distintos controladores, y la selección de una plataforma que se encargue de la gestión eficaz de sensores que recopilen información sobre el entorno que rodea a la aeronave y actuadores que lleven a cabo una serie de acciones con la intención de cumplir ciertos propósitos de forma autónoma, ya sean relacionados con el movimiento de la nave o con la obtención de datos en forma de imagen u otro formato. En primer lugar, se expone el procedimiento por el cual se obtiene el modelo dinámico realizando simplificaciones coherentes con uno de los objetivos de este trabajo: la construcción de un prototipo del AirWhale. En segundo lugar, se ha visto necesario el uso de la plataforma ArduPilot, destacada por su capacidad para la gestión simultánea de distintos periféricos y sensores, la popularidad con la que cuenta en el mundo de la aeronavegación y la disponibilidad de distintos y variados firmwares según la configuración de la nave a controlar. Sin embargo, debido al evidente carácter innovador que posee la aeronave AirWhale, no existe un firmware específico que se ajuste a la misma, a nivel de modelo dinámico. En este sentido, hay que mencionar la dificultad añadida de la inexistencia de documentación oficial y detallada sobre el funcionamiento de los distintos firmwares, ya que estos han nacido de la mente colectiva de una comunidad de miles de desarrolladores, y, aunque son trabajos realmente eficientes, hace falta una revisión del código para conocer qué se debe modificar y adoptar para el propósito de este escrito: obtener un firmware adecuado para gobernar la aeronave AirWhale. Finalmente, para comprobar la validez de dicho firmware modificado, se llevarán a cabo dos experimentaciones. La primera consiste en el uso de un sistema ‘hardware-in-the-loop’ formado por Ardupilot y el programa de simulación Matlab; la información detallada sobre la configuración, comunicación entre hardware y software, e interfaz programada en Matlab del sistema HIL se podrá consultar íntegramente en el trabajo correspondiente a la alumna Elena Manga Caballero. Los resultados no se mostrarán en este escrito. La segunda experimentación, más ambiciosa, conlleva la construcción de un prototipo con una dinámica aproximada al AirWhale que muestran los trabajos de Juan Carlos Mancebo Sánchez, Javier Eduardo Mitjavila Samayoa e Inmaculada Gómez Vázquez. El diseño en CATIA, disponible en el trabajo de José Luis Holgado Álvarez, y el proceso de construcción, gestionado y llevado a cabo personalmente de forma conjunta con el mencionado alumno, se han concebido siempre intentando distanciarse lo menos posible del AirWhale original y minimizando la complejidad para hacer posible la obtención del prototipo final.

The AirWhale project consists of the development of a hybrid aircraft between airship and multirotor. The main aim of the project lies in the urgent necessity of increasing the autonomy of quadrotors without abandoning the agility and manoeuvrability that characterizes them. The clearly innovative intention has been carried out by a group of students that have met and worked together in the complete building of the mentioned aircraft, creating a development team inside the college association EsiTech and with the collaboration of the University of Seville. All the individual works of the students that are part of the team constitute a wide and detailed End of Grade work. Each of the individual EOG works inside the AirWhale project will be mentioned throughout the document as a reference for this one. The selection of a platform in charged of efficiently managing the sensors which gather the information about the environment surrounding the aircraft, and also controlling the actuators that carry out several actions with the intention of working autonomously in the movement of the craft or in the obtaining of data has been necessary. This has been required for implementing the different laws of control that govern the movement of the AirWhale. Thus, it has been necessary to use the ArduPilot platform, outstanding for its capacity to simultaneously managing different peripherals and sensors, the popularity in the world of air navigation and the availability of several firmwares that depend on the settings of the craft to be controlled. However, due to the evidently innovative nature of the AirWhale aircraft, there is not a specific firmware for it, at the level of a dynamic model. In this sense, it is necessary to mention the added difficulty of the lack of official and detailed information about the functioning of the different firmwares. As the only information comes from the collective cooperation and work of a community of thousands of developers, it is necessary to review the code to know what is required to be modified to fulfil the aim of this project and obtain an appropriated firmware to control the AirWhale aircraft. Finally, to check the validity of the modified firmware, two experiments will be carried out. The first one consists of the use of a “hardware-in-the-loop” system, constituted by Ardupilot, the software of the platform Mission Planner and the simulation program Matlab. The detailed information about settings, communication between hardware and software and interface of the HIL system programmed in Matlab could be checked completely in the EOG work of Elena Manga Caballero. Results won’t be shown. The second experiment is more ambitious, as it involves the building of a prototype with a similar dynamic to the AirWhale. This is shown by the EOG works of Juan Carlos Mancebo Sánchez, Javier Eduardo Mitjavila Samayoa e Inmaculada Gómez Vázquez. The design in CATIA, which is available in the work of José Luis Holgado Álvarez, and the process of the building of the aircraft have been conceived always trying to be as similar as possible to the original AirWhale and minimizing the complexity to make it possible to obtain the final prototype.