Diseño y construcción de la placa de circuito impreso de un controlador de vuelo para cuadricóptero

Abstract

(SPA)Este trabajo muestra el diseño, montaje y desarrollo de un prototipo de un controlador de vuelo de un cuadricóptero, desde la concepción de la idea hasta el montaje final en un cuadricóptero. Así se quiere enseñar todas las etapas por las que pasa el desarrollo de un nuevo prototipo hasta que llega a la fase de pruebas que validarán o no todo el trabajo realizado. Además, se construye todo un ecosistema de aplicaciones y tecnologías entorno al prototipo que permitirán su desarrollo y validación. De este modo, aquí se presentan los últimos avances en comunicaciones como el bluetooth de bajo consumo, siendo este la tecnología puntera en dispositivos IOT (internet of things) con su protocolo Eddystone que permitirá la comunicación con el dispositivo. También se presentan las complicadas matemáticas que ocultan el modelamiento y control del cuadricóptero, utilizándose el algoritmo de fusión sensorial por excelencia entre la comunidad open source, el algoritmo de Sebastian Madgwick que con la combinación del campo gravitatorio y el campo magnético de la Tierra se consigue averiguar la orientación del cuadricóptero. Por supuesto, este algoritmo no sería posible sin los últimos avances en sensores inerciales que a través de la tecnología MEMS se consigue que estos sensores tangan un tamaño minúsculo y un precio muy bajo, pero con una precisión decente que requiere de calibración que a veces no es tan fácil como se presupone. Se muestra también la complicada calibración del magnetómetro donde es necesario resolver un problema de ajuste elipsoidal para poder medir sin distorsión el campo magnético de la Tierra, necesario para poder obtener medidas del estado del cuadricóptero y así poder aplicar controladores discretos PID en cada variable de estado con el objetivo común de estabilizar el dispositivo en la posición deseada por el usuario. Todo esto sin olvidar la desafiante tarea de colocar todos los componentes como el procesador con antena bluetooth integrada, sensores y circuitos auxiliares en una placa de apenas 3x5 cm sin que haya problemas de ruido electromagnético y de recalentamiento.

(ENG)This project shows the design, building and development of a flight controller protoype for a quadcopter, from the initial idea to the last step that is the frame assembly with the flight controller. Therefore, this project will show all the necessary phases for prototyping and the final test that will validate all the prior work. The work showed here will make an entire ecosystem of apps and technologies around the prototype that will allow the development and validation. This will suppose the use of cutting edge technology used on IoT (internet of things) devices like the Bluetooth Low Energy communication protocol with its Eddystone protocol to allow the communication with the device. The development process will also face with the complex maths behind the control and modelling of a quadcopter with the use of the Sebastian Madgwick sensor fusion algorithm, ones of the most used algorithms in the open source world. This algorithm combines the Earth’s gravitational and magnetic field to calculate the quadcopter orientation using only three inertial sensors (accelerometer, gyroscope and magnetometer) that take advantage of the last advances in MEMS technology that allows to manufacture this sensors in a tiny encapsulation and at a very low price but with the disadvantage that these sensors need calibration because they can be easily affected by noise. But sometimes this calibration is not as easy as you could think, for example magnetometer calibration has to resolve a problem of ellipsoid fitting to remove all the distortions present in a measure. Without these calibrations the results obtained with the Madgwick algorithm would not be precise enough to apply discrete PID controllers to the quadcopter that have the mission of stabilizing the quadcopter at the desired position by the user. All this is done without forgetting the challenging task of placing all the components like the microprocessor with an embedded bluetooth antenna, all the sensors and auxiliary circuits on a board of barely 3x5 cm without problems of electromagnetic noise between components or board overwhelming.