Desarrollo de un prototipo a escala de un vehículo aéreo no tripulado de despegue y aterrizaje vertical con sistema de propulsión a chorro
El presente documento tiene como finalidad mostrar los procesos de construcción y validación de un prototipo a escala de aeronave no tripulada con capacidades de despegue y aterrizaje vertical con sistema de propulsión a chorro, cuya funcionalidad es probar y validar estrategias de control para cohe...
- Autores:
-
Daza Florez, Juan David
Payanene Zambrano, Gabriel Andrés
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2023
- Institución:
- Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB
- Repositorio:
- Repositorio UNAB
- Idioma:
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- OAI Identifier:
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- Acceso en línea:
- http://hdl.handle.net/20.500.12749/21117
- Palabra clave:
- construction
Vectorial thrust
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El presente documento tiene como finalidad mostrar los procesos de construcción y validación de un prototipo a escala de aeronave no tripulada con capacidades de despegue y aterrizaje vertical con sistema de propulsión a chorro, cuya funcionalidad es probar y validar estrategias de control para cohetes. Se busca, con esto, que los estudiantes de la UNAB puedan diseñar y probar diferentes estrategias de control para el despegue, trayectorias de vuelo, estabilización durante el descenso y aterrizaje del vehículo. Puesto que el documento comprende el proceso de desarrollo, es pertinente describir las secciones que lo componen. Inicialmente se expone un contexto generalizado de la situación del sector aeroespacial en Colombia, con los diferentes hitos logrados por instituciones gubernamentales (sector defensa) e instituciones de educación superior. Presentando así la problemática identificada, justificando el porqué de este proyecto y los objetivos a lograr.En las siguientes secciones se presenta el proceso de diseño, la caracterización de sensores y actuadores, así como el diseño electrónico y las estrategias de control. En la sección de diseño se muestra la estructura física desarrollada para el prototipo, dividido en subsistemas que interactúan entre sí como un único mecanismo. La sección de caracterización de sensores y actuadores contiene las curvas de funcionamiento obtenidas, con las cuales se parametrizan los actuadores del dispositivo. En la sección de diseño electrónico se exhiben los componentes digitales (sensores, microcontrolador, actuadores) que formarán parte de los circuitos tanto de control como de potencia, y su incorporación en una tarjeta PCB. Finalmente, en la sección de estrategias de control, se hace una descripción de la estrategia diseñada. Y se realiza un análisis de datos los recopilados durante las pruebas implementadas. |
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Se busca, con esto, que los estudiantes de la UNAB puedan diseñar y probar diferentes estrategias de control para el despegue, trayectorias de vuelo, estabilización durante el descenso y aterrizaje del vehículo. Puesto que el documento comprende el proceso de desarrollo, es pertinente describir las secciones que lo componen. Inicialmente se expone un contexto generalizado de la situación del sector aeroespacial en Colombia, con los diferentes hitos logrados por instituciones gubernamentales (sector defensa) e instituciones de educación superior. Presentando así la problemática identificada, justificando el porqué de este proyecto y los objetivos a lograr.En las siguientes secciones se presenta el proceso de diseño, la caracterización de sensores y actuadores, así como el diseño electrónico y las estrategias de control. En la sección de diseño se muestra la estructura física desarrollada para el prototipo, dividido en subsistemas que interactúan entre sí como un único mecanismo. La sección de caracterización de sensores y actuadores contiene las curvas de funcionamiento obtenidas, con las cuales se parametrizan los actuadores del dispositivo. En la sección de diseño electrónico se exhiben los componentes digitales (sensores, microcontrolador, actuadores) que formarán parte de los circuitos tanto de control como de potencia, y su incorporación en una tarjeta PCB. Finalmente, en la sección de estrategias de control, se hace una descripción de la estrategia diseñada. Y se realiza un análisis de datos los recopilados durante las pruebas implementadas.Agradecimientos 1 Contenido 2 Lista de figuras 4 Lista de tablas 8 1. Introducción 9 2. Problemática 10 2.1. Descripción de la problemática 10 2.2. Justificación 11 3. Objetivos 12 3.1. Objetivo General 12 3.2. Objetivos específicos 12 4. Metodología 13 5. Marco teórico 15 6. Estado del arte 29 6.1. Diseño UAV VTOLs 29 6.2. Sistemas de control 31 7. Desarrollo y diseño 34 7.1. Selección de componentes 34 7.2. Diseño CAD 44 7.3. Análisis CFD aplicado al prototipo 52 7.4. Análisis estático de piezas estructurales 59 7.5. Modelo matemático 67 7.5.1. Modelo general 67 7.5.2. Modelo geométrico de la tobera 71 7.5.3 Modelo para selección de motor 75 7.6. Caracterización de sensores y actuadores 80 7.6.1. Caracterización EDF 80 7.6.2. Caracterización barómetro 83 7.6.3. Caracterización sensor ultrasónico 85 7.6.4. Caracterización del sensor de corta distancia LIDAR 86 7.6.5. Caracterización de las baterías 87 7.7. Diseño electrónico 88 7.8. Diseño estrategias de control 92 7.8.1. Modelado por espacio de estados 92 7.8.2. Controlador PID para altitud 100 7.8.3. Controlador PID para orientación 103 8. Resultados y evidencias 109 8.1. Evidencias de construcción 109 8.2. Pruebas realizadas 115 8.3. Datos obtenidos y análisis 118 9. Alcance del proyecto 122 10. Conclusiones 124 11. Referencias bibliográficas 126 Anexos 129PregradoThe purpose of this document is to show the processes of construction and validation of a scale prototype of an unmanned aircraft with vertical take-off and landing capabilities with jet propulsion system, whose functionality is to test and validate control strategies for rockets. It is sought, with this, that UNAB students can design and test different control strategies for takeoff, flight trajectories, stabilization during descent and landing of the vehicle. Since the document covers the development process, it is pertinent to describe the sections that compose it. Initially, a generalized context of the situation of the aerospace sector in Colombia is exposed, with the different milestones achieved by government institutions (defense sector) and higher education institutions. Thus presenting the identified problem, justifying the reason for this project and the objectives to be achieved. The following sections introduce the design process, characterization of sensors and actuators, as well as electronic design and control strategies. The design section shows the physical structure developed for the prototype, divided into subsystems that interact with each other as a single mechanism. The characterization section of sensors and actuators contains the operating curves obtained, with which the actuators of the device are parameterized. The electronic design section exhibits the digital components (sensors, microcontroller, actuators) that will be part of both the control and power circuits, and their incorporation into a PCB board. Finally, in the section on control strategies, a description of the designed strategy is made. And an analysis of the data collected during the implemented tests is carried out.Modalidad Presencialapplication/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Colombiahttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Desarrollo de un prototipo a escala de un vehículo aéreo no tripulado de despegue y aterrizaje vertical con sistema de propulsión a chorroDevelopment of a scale prototype of a vertical take-off and landing unmanned aerial vehicle with jet propulsion systemIngeniero MecatrónicoUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABFacultad IngenieríaPregrado Ingeniería Mecatrónicainfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisTrabajo de Gradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1finfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPconstructionVectorial thrustSimulationJet propulsionDevelopment of prototypesSimulation methodsAutomatic controlAlgorithmsMachine theoryMecatrónicaDesarrollo de prototiposMétodos de simulaciónControl automáticoAlgoritmosTeoría de las máquinasUAVVTOLConstrucciónPropulsión a chorroEmpuje vectorialSimulaciónA. C. P. N. O. R. V. J. O. A. B. N. C. Angarita Cruz, METODOLOGÍA PARA MANTENER, ACTUALIZAR Y MONITOREAR LOS PRINCIPALES INDICADORES DEL MERCADO SATELITAL / ESPACIAL EN COLOMBIA., 1 ed., Bogotá Colombia: DEPARTAMENTO NACIONAL DE PLANEACIÓN, 2020.A. C. P. N. O. R. V. J. O. A. B. N. C. Angarita Cruz, Estado de la innovación y el emprendimiento en temas espaciales, Bogotá: DEPARTAMENTO NACIONAL DE PLANEACIÓN, 2020.D. SHETTY y R. A. KOLK, Mechatronics system design, Cengage Learning, 2010., 2010.L. R. NEWCOME, Unmanned aviation: a brief history of unmanned aerial vehicles., American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2004.AUAV, Australian UAV.T. Wilmshurst, An Introduction to the Design of Small Scale Embedded Systems with examples from PIC, 80C51 and 68HC05/08 Microcontrollers, Palgrave Foundations, p. 200.D. PÉREZ, Sistemas embebidos y sistemas operativos embedidos. Lecturas en ciencias de la computación, Universidad Central de Venezuela, 2009, pp. 1316-6239.M. d. V. 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