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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA “UNIDAD PROFESIONAL TICOMÁN”

“SIMULACIÓN MECATRÓNICA DEL CONTROL DE LOS ALERONES POR INTERFAZ GRÁFICA”

TESINA

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:

INGENIERO EN AERONÁUTICA

PRESENTA:

MARÍA FERNANDA VALVERDE VEGA

ASESORES:

ING. JUAN CARLOS TORRES ÁVILA LIC. DAVID TORRES ÁVILA

ENERO, 2013

A Mi Maravillosa Madre y Extraordinaria Hermana. A ellas por ser los grandes motores que han permitido que este avión despegara…. Hoy, hago una escala en la terminal de una más de mis innumerables metas e incansables sueños. Definitivamente este viaje, estuvo lleno de contratiempos, turbulencias y cielos despejados, sin embargo continuó en vuelo y rumbo planeado, no solo gracias a la capitana de este avión, sin duda es el resultado del esfuerzo y arduo trabajo que en equipo con esta maravillosa tripulación, han hecho de este viaje, una extraordinaria aventura. Hubo muchas nubes negras, tormentas y huracanes, que trataron de desviar, he incluso impedir que este viaje continuara y aterrizara en tierras seguras, sin embargo, gracias a las mejores copilotos que cualquier tripulación pudiese tener, Rosalba Vega Vera y Melissa Valverde Vega, se mantuvo la altitud deseada. Gracias por que estuvieron a mi lado siempre, acompañándome a enfrentar estas y demás adversidades, sin perder nunca el control de mi fortalecido avión, apoyándome y aconsejándome en todo momento, permitiendo que este vuelo continuara con el rumbo planeado, la realización de uno de mis grandes sueños. Gracias por que han construido este avión del mejor material jamás creado, con mis sueños, mis valores, mis principios, mi perseverancia y empeño como pasajeros. Con una estructura hecha de acero pero ligero como pluma, todo ello con su gran dosis de amor, con el único deseo de ver cumplir todas mis metas. ¡Muchas Gracias! por ser los mejores mapas de navegación que cualquier otra aeronave quisiese tener, pero sobre todo Gracias por ser mis mejores y únicas referencias del presente y mis mejores motivos para mi hermoso viaje futuro.....

Con amor María Fernanda Valverde Vega Hija y hermana.

Agradecimientos Hay muchos a los cuales quiero agradecer; Especialmente a esas personas que sin compartir el mismo lazo sanguíneo, más si, un gran cariño, creyeron en mí y me mostraron su apoyo incondicional, al inicio, durante y termino de este gran reto, Eternamente Agradecida… A mis asesores: Juan Carlos Torres Ávila y David Torres Ávila Por brindarme su apoyo, no solo en el ámbito profesional, sino también personal, por esas palabras de aliento, esos consejos, que en gran medida contribuyeron a que hoy este en esta etapa de mi vida, me llevo un grato recuerdo de ustedes, no solo como mis profesores y asesores, sino como los nobles seres humanos que son, muchas gracias por el apoyo brindado y su guía hasta el final. Al profesor Abel Hernández Gutiérrez, que con su carácter muy particular, me permitió aprender de él. ¡A las personas que conocí a lo largo de estos cuatro años, y que ahora forman parte importante de mi vida!

A mi Familia Por esos bellos momentos compartidos, las risas, los triunfos, los sueños… Pero sobre todo por esas reuniones en casa de los abuelos, compartiendo un delicioso mole y un exquisito café hecho por nuestros queridos viejos, aromas que nunca olvidare, todo esto acompañado de una encantadora platica.

¡Gracias a todos ustedes por ser testigos del término de uno de mis grandes retos, la culminación de mis estudios universitarios!

¡Orgullosamente Politécnico! María Fernanda Valverde Vega

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ÍNDICE

OBJETIVO GENERAL:

I

OBJETIVO ESPECÍFICO:

I

ESTADO DEL ARTE:

II

ANTECEDENTES:

III

JUSTIFICACIÓN:

IV

INTRODUCCIÓN:

V

CAPÍTULO I

1

1. ELEMENTOS BÁSICOS

1

1.1 FUNCIONAMIENTO DEL AVIÓN 1.2 FUERZAS EN VUELO 1.3 EJES DEL AVIÓN 1.4 CENTRO DE GRAVEDAD 1.5 SUPERFICIES DE CONTROL 1.5.1 Superficies primarias 1.5.2 Superficies secundarias.

1 7 8 9 12 13 17

CAPITULO II

20

2. ELECTRÓNICA DE LAS AERONAVES

20

2.1 SISTEMAS DE CONTROL EN AERONAVES 2.1.2 Sistemas de control de vuelo 2.1.3 Sistema GPS para navegación 2.1.4 Sistemas de supervivencia 2.1.5 Control digital del motor 2.2 COMANDOS ELÉCTRICOS DE VUELO (FLY- BY- WIRE)

20 20 21 21 23 26

CAPITULO III

32

3. SOFTWARE Y HARDWARE PARA TRANSFERENCIA DE DATOS.

32

3.1 SOFTWARE 3.1.1 Matlab 3.2 HARDWARE 3.2.1 Arduino 3.2.2. Arduino uno

32 32 36 36 37

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3.2.3 Microcontrolador 3.2.4 Servomotores de radiocontrol

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41 46

CAPITULO IV

50

4. CONSTRUCCIÓN Y PROGRAMACIÓN DEL PROTOTIPO

50

4.1 PROGRAMAS PARA EL CONTROL DE LOS SERVOS DE LOS ALERONES 4.2 IMPLEMENTACIÓN DE SUPERFICIES DE CONTROL (ALERONES), Y ANDAMIAJE. 4.3 CONEXIÓN DE HARDWARE Y SOFTWARE 4.4 EVIDENCIAS

50 58 64 66

CONCLUSIONES:

70

BIBLIOGRAFÍA:

70

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Objetivo general:

Diseñar y desarrollar el sistema de control para la sustentación del ala de perfil cualquiera, por medio de los elementos que conforman la mecatrónica tales como programación, electrónica y el sistema mecánico.

Objetivo específico:

Conocer en detalle los instrumentos de Aviónica para el diseño de la simulación del control de los alerones de un perfil cualquiera y su interconexión. Identificar los sistemas y factores externos que tienen relación con la Aviónica, Mecatrónica y Aeronáutica, que afectan a los sistemas de navegación.

I

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Estado del arte:

Un profesional interdisciplinario es capaz de diseñar, manufacturar y construir dispositivos y sistemas mecatrónicos, así como automatizar procesos industriales, y de navegación aérea, debe dominar otro idioma, integrarse en equipos de trabajo para desarrollar y emplear nuevas tecnologías, en beneficio de la sociedad de forma sistémica y sin dañar el medio ambiente. El profesional en esta área de la ingeniería debe solidar su liderazgo en los equipos interdisciplinarios de trabajo, cuidando la cultura y educación social de sus miembros de acuerdo a su origen y nacionalidad. Por lo anterior el responsable de proyecto, no solo debe ser un buen científico, sino que también debe tener gusto por lo humanístico y las relaciones sociales. El profesional egresado del Instituto Politécnico Nacional debe comprometerse con su ideario “La técnica al servicio de la patria”; su compromiso es ser competitivo, no solo nacional sino internacionalmente, desenvolverse correctamente en cualquier parte y situación tanto personal como laboral. Por todo lo anterior esta tesina tiene el enfoque de uno de los aspectos que debe cubrir el profesionista, en cuanto a su capacidad de diseño, creatividad y construcción de herramientas auxiliares en la industria moderna. Sin embargo este estudio forma parte de ciencias como Biónica, Mecatrónica, Telemática,

lo

cual

convenientemente

le

prepara

para

formarse

como

investigadores en el área de Tecnología Avanzada.

II

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Antecedentes: La mecatrónica nace a causa de la revolución industrial, que tuvo como consecuencia la creación de maquinas para el aumento en la calidad y cantidad de productos de uso, o consumo masivo, luego a mediados de los años cuarenta del siglo pasado la llamada segunda revolución industrial que tuvo como característica miniaturización

relevante de

los

la

creación

componentes

del

transistor

electrónicos

semiconductor

acoplados en

y

la

circuitos

integrados, dio origen al computador digital, este invento cambio totalmente el pensamiento de la sociedad y de la industria. En medio de estas dos épocas, los países que emplearon, pero en especial que produjeron estas nuevas tecnologías que se pusieron a la cabeza o a la vanguardia de la sociedad. El término de Mecatrónica surge de la combinación sinérgica de distintas ramas de la Ingeniería, entre las que destacan: la Mecánica de precisión, la Electrónica, La Informática y los Sistemas de Control. Su principal propósito es el análisis y diseño de productos y de procesos de manufactura automatizados. La cantidad de electrónica que se ha introducido en las aeronaves en los últimos años relacionados con la navegación, la aproximación, el aterrizaje, la instrumentación general, etc. es enorme. Gracias a todos los microprocesadores y demás dispositivos manejados en la aviónica de control, día a día, los aviones se convierten en medios más seguros, prácticos y cómodos para transportar a millones de personas a través de todo el mundo.

III

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Justificación: En la actualidad toda institución educativa en la Ingeniería Aeronáutica está comprometida e involucrada en la preparación de Especialistas en diferentes áreas de soporte para el campo Aeronáutico. Frente a los nuevos desarrollos electrónicos y de tecnología digital implementada en las aeronaves, las disposiciones internacionales de seguridad aérea y la actualización de equipos, se es consciente de las necesidades que tiene el país en el campo aeronáutico, por esto el área de la simulación sustentada en la mecánica, electrónica y programación proveen una alternativa eficaz para aliviar los altos costos de inversión en materiales y equipos, haciendo viable el estudio de la aviónica en los centros educativos y adecuada al inversionista-empresario, para el desarrollo de tecnologías especializadas.

IV

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Introducción:

Un sistema dinámico es un sistema cuyo estado evoluciona con el tiempo. El comportamiento en dicho estado se puede caracterizar determinando los límites del sistema, los elementos y sus relaciones; de esta forma se puede elaborar modelos que buscan representar la estructura del mismo sistema. En cuanto a la elaboración de los modelos, los elementos y sus relaciones, se debe tener en cuenta: 1. Un sistema está formado por un conjunto de elementos en interacción. 2. El comportamiento del sistema se puede mostrar a través de diagramas causales. 3. Hay varios tipos de variables: variables exógenas (son aquellas que afectan al sistema sin que éste las provoque) y las variables endógenas (afectan al sistema pero éste sí las provoca).

El software matemático MATLAB (abreviatura de MATrix LABoratory, "laboratorio de matrices") ofrece un entorno de desarrollo integrado (IDE) con un lenguaje de programación propio (lenguaje M). Está disponible para las plataformas Unix, Windows y Mac OS. Entre sus prestaciones básicas se hallan: la manipulación de matrices, la representación de datos y funciones, la implementación de algoritmos, la creación de interfaces de usuario (GUI) y la comunicación con programas en otros lenguajes y con otros dispositivos hardware. El paquete MATLAB dispone de dos herramientas adicionales que expanden sus prestaciones, Simulink (plataforma de simulación multidominio) y GUIDE (editor de interfaces de usuario - GUI). Además, se pueden ampliar las capacidades de

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MATLAB con las cajas de herramientas (toolboxes); y las de Simulink con los paquetes de bloques (blocksets). Este software es muy usado en universidades y centros de investigación y desarrollo. Es por ello que se decidió usarlo, ya que este permitirá realizar una interfaz entre la parte real y virtual del proyecto. La Interfaz es la conexión entre dos ordenadores o máquinas de cualquier tipo dando una comunicación entre distintos niveles. Además, la palabra interfaz se utiliza en distintos contextos: Pero la que se ocupara es la interfaz gráfica de usuario, conocida también como GUI (del inglés graphical user interface) es un programa informático que actúa de interfaz de usuario, utilizando un conjunto de imágenes y objetos gráficos para representar la información y acciones disponibles en la interfaz. Su principal uso, consiste en proporcionar un entorno visual sencillo para permitir la comunicación con el sistema operativo de una máquina o computador. Esto surge como evolución de las interfaces de línea de comandos que se usaban para operar los primeros sistemas operativos, y es pieza fundamental en un entorno gráfico. Como ejemplos de interfaz gráfica de usuario, cabe citar los entornos de escritorio Windows, el X Windows de GNU/Linux o el de Mac OS X, Aqua. En el contexto del proceso de interacción persona-ordenador, la interfaz gráfica de usuario es el artefacto tecnológico de un sistema interactivo, que posibilita a través del uso y la representación del lenguaje visual, una interacción amigable con un sistema informático.

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Un transductor es un dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada, en otra diferente a la salida, este dispositivo es usado principalmente en la industria, en la medicina, en la agricultura, en la robótica, en la aeronáutica, etc. para obtener la información de entornos físicos y químicos y así conseguir (a partir de esta información) señales o impulsos eléctricos o viceversa. Para programar las posiciones de los alerones en el ala, se utilizara la GUI de Matlab, en conjunto con un transductor, para crear un entorno visual, amigable y fácil de operar, es así como se da inicio al primer capítulo denominado Elementos Básicos, con la intención de adentrarnos al mundo de la aeronáutica para comprender el porqué se decidió hacer la simulación mecatrónica del control de los alerones por interfaz grafica.

VII

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CAPÍTULO I 1. Elementos básicos En este capítulo expondremos los puntos fundamentales sobre la operación de las aeronaves, es decir, describir las partes principales que permiten al avión despegar, volar, aterrizar y virar.

1.1 Funcionamiento del avión Independientemente del fabricante, tipo, modelo y tamaño, los aviones posen elementos comunes sin los cuales no podrían volar. Todos necesitan un fuselaje, alas, cola y superficies flexibles para el control del vuelo. El fuselaje tiene que ser, necesariamente, aerodinámico para que ofrezca la menor resistencia al aire. Esta es la parte donde se acomoda la tripulación, el pasaje y la carga. En la parte frontal del fuselaje se encuentra situada la cabina del piloto y el copiloto, con los correspondientes mandos para el vuelo y los instrumentos de navegación.

Imagen 1.1 fuselaje

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Las alas constituyen la parte estructural donde se crea fundamentalmente la sustentación que permite volar al avión. En los aviones que poseen más de un motor, situados en las alas y en el caso que sean de reacción también pueden ir colocados en la cola, en las alas están ubicados los tanques principales donde se deposita el combustible que consumen los motores del avión.

Las alas varían en diseño, estructura de superficie y sección transversal dependiendo del tamaño y tipo de actividad que desempeñara el avión, ya que son de suma importancia para el vuelo.

Imagen 1.2 Alas

Para que un avión pueda realizar las funciones básicas de despegue, vuelo y aterrizaje es necesario que las alas incorporen también algunas superficies de control, que generen cambios en su forma durante el vuelo.

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Entre las funciones de algunas de esas superficies de control está incrementar la creación de la sustentación que mantiene al avión en el aire, mediante la introducción de variaciones en el área de las alas u ofreciendo mayor resistencia al aire durante las maniobras de despegue y aterrizaje. De esa forma se logra reducir al mínimo la velocidad necesaria para despegar o aterrizar, por eso el peso y el tamaño del avión, son factores de suma importancia en la aviación.

Los alerones, en el campo de la aeronáutica, son unas superficies de mando y control que se encuentran en los extremos de las alas de los aviones, su misión es llevar a cabo los virajes del avión a ambos lados a través de un movimiento de alabeo.

Imagen 1.3 Alerones

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La cola en la mayoría de los aviones posee una estructura estándar y simple, formada por un estabilizador vertical también llamado timón de dirección, que va en la cola vertical del avión y que permite que gire en la dirección de vuelo. Y dos estabilizadores horizontales también llamados elevadores o timón de profundidad en forma de “T” normal, “T” invertida, o cruz, que van en ambas colas horizontales del avión y que permite que el avión suba o baje. Aunque también se pueden encontrar aviones con dos y con tres estabilizadores verticales, así como en forma de “V” con estabilizador vertical y sin éste.

Imagen 1.4 Estabilizador horizontal

Imagen 1.5 Estabilizador vertical

Imagen 1.6 Estabilizadores de cola

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Los aviones necesitan de uno o varios motores que lo impulsen para poder volar, excepto los planeadores. De acuerdo con su tamaño, los aviones pueden tener la siguiente cantidad de motores:



Uno (monomotor)



Dos (bimotor)



Tres (trimotor)



Cuatro (cuatrimotor o tetramotor)



Seis (hexamotor).

Los dos tipos de motores en los aviones son los siguientes:



De émbolo o pistón (explosión)



De reacción (turbina)

Los motores de reacción se dividen, a su vez, en tres categorías:



Turborreactor o turbo jet



Turbo fan o turboventilador



Turbohélice o turbopropela

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El tren de aterrizaje. Es el mecanismo al cual se fijan las ruedas del avión. Los aviones pequeños suelen tener tres ruedas, una debajo de cada semiala y otra en el morro o nariz. En modelos de aviones antiguos o en los destinados a realizar acrobacia aérea, esa tercera rueda se encuentra situada en la cola. En el primer caso la configuración se denomina “triciclo” y mantiene todo el fuselaje del avión levantado al mismo nivel sobre el suelo cuando se encuentra en tierra.

En los aviones que tienen la rueda atrás, llamada también “patín de cola”, el morro o nariz se mantiene siempre más levantado que la cola cuando el avión se encuentra en tierra.

En la mayoría de los aviones pequeños de poca velocidad, el tren de aterrizaje es fijo. Sin embargo, en los más grandes y rápidos es retráctil, es decir, que se recoge y oculta completamente después del despegue, para que no ofrezca resistencia al aire, al aumentar la velocidad de desplazamiento. Dos de los trenes de aterrizaje se ocultan, generalmente, debajo de las alas y el delantero dentro del morro o nariz. Es tan grande la resistencia que puede ofrecer el tren de aterrizaje cuando el avión se encuentra en vuelo, que si no se retrae, la fuerza que adquiere el viento al aumentar la velocidad puede arrancarlo del fuselaje.

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1.2 Fuerzas en vuelo

Imagen 1.7 Fuerzas en vuelo

El peso es el que empuja al avión hacia la tierra por efecto de gravedad. La sustentación del avión es la fuerza producida por la forma aerodinámica del ala al estar en vuelo. El empuje es la fuerza que producen los motores jet o las hélices y que hace que el avión pueda moverse por el aire. La resistencia al avance, que es la fuerza que se opone al movimiento.

Para que el avión vuele, la sustentación debe ser mayor que el peso del avión, y el empuje que entregan los motores también mayor que la resistencia.

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1.3 Ejes del avión Los ejes que actúan en un avión son el longitudinal, transversal y vertical. Eje longitudinal. Es el eje imaginario que va desde la nariz (morro) hasta la cola del avión. El movimiento alrededor de este eje (levantar un ala bajando la otra) se denomina alabeo (en ingles "roll"). También se le denomina eje de alabeo. Eje transversal o lateral. Es el eje imaginario que va desde el extremo de una semiala al extremo de la otra. El movimiento alrededor de este eje (morro arriba o morro abajo) se denomina cabeceo ("pitch" en ingles). También denominado eje de cabeceo. Eje vertical. Eje imaginario que atraviesa el centro del avión. El movimiento en torno a este eje (morro virando a la izquierda o la derecha) se llama guiñada (en inglés "yaw" ). Denominado igualmente eje de guiñada.

Imagen 1.8 Ejes del avión

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En un sistema de coordenadas cartesianas, el eje longitudinal o de alabeo sería el eje "x"; el eje transversal o eje de cabeceo sería el eje "y", y el eje vertical o eje de guiñada sería el eje "z". El origen de coordenadas de este sistema de ejes es el centro de gravedad del avión.

1.4 Centro de gravedad

El centro de gravedad (CG) es el punto en que el avión quedaría en perfecto equilibrio si estuviera suspendido de este punto, también como ya se mencionó en el tema anterior, es el punto de intersección de los ejes longitudinal, lateral y vertical, y el punto en que se supone que actúan las cuatro fuerzas fundamentales del vuelo: sustentación, peso, resistencia y empuje. El CG debe mantenerse en su rango de diseño para asegurar que el avión tenga un vuelo estable y responda correctamente a los mandos. Retomando algunos conceptos conocidos, el peso es la fuerza de atracción gravitatoria ejercida de forma perpendicular a la superficie de la tierra, con un sentido hacia abajo y con una intensidad proporcional a la masa del cuerpo sobre el cual se ejerce. Esta fuerza gravitatoria atrae continuamente al avión hacia la tierra, por lo cual es contrarrestada por la fuerza de sustentación para mantener al avión en vuelo. La cantidad total de sustentación producida por un aeroplano, está limitada por el diseño de ala, el ángulo de ataque, la velocidad y la densidad del aire. Si la sustentación tiene un límite, se deduce que el peso, fuerza opuesta, también lo tiene, pues en caso contrario la sustentación podría ser insuficiente para contrarrestar el peso y mantener al avión en vuelo.

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Por otra parte, un avión se diseña en función del uso al cual está destinado, avión de transporte, combate, entrenamiento militar, aviones comerciales, privados y los supersónicos que viajan a Mach 2*. Se trata de hacer los aeroplanos lo más ligeros posible, sin sacrificar seguridad ni potencia.

Estas son algunas deficiencias producidas por sobrepeso. 

Mayor velocidad de despegue.



La carrera de despegue se hace más larga y se necesita más longitud de pista.



La tasa de ascenso* se reduce y puede ser difícil librar obstáculos.



El techo absoluto* de operación del avión es más bajo.



La distancia máxima alcanzable es más corta.



La velocidad de crucero es menor.



La capacidad de maniobra del avión se empobrece.



Posibilidad de daños estructurales volando en áreas turbulentas.



La entrada en pérdida del avión se produce con una velocidad mayor que en condiciones normales.



La velocidad de planeo y aterrizaje se incrementa.



Se necesita más longitud de pista en el aterrizaje.



El esfuerzo sobre el tren de aterrizaje es mayor.



La capacidad de freno se reduce. Entre muchas otras.

*Mach 2, se refiere a la velocidad en la que viaja, es decir a dos veces la velocidad del sonido.*tasa de ascenso, máxima tasa que el avión puede dar de acuerdo a su relación peso potencia.*techo absoluto, se define como la máxima altitud a la que puede ser sometido el avión.*velocidad de crucero, velocidad constante y uniforme que puede llevar un avión en condiciones normales.

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Imagen 1.9 Centro de gravedad

Por eso es de suma importancia que el peso este nivelado. Para el desarrollo de esta tesina, se calculó el centro de gravedad del prototipo, exactamente ahí es el punto en donde colocaremos el tornillo sin fin, que actuara como el eje, este a su vez montado en una rotula que permitirá el giro libre del avión. *Ver capítulo IV imagen 4.17, 4.18

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1.5 Superficies de control

Imagen 1.10 Superficies de control

Las superficies de control son tres: alerones, timón de profundidad y timón de dirección. El movimiento en torno a cada eje se controla mediante una de estas tres superficies. Cada movimiento del avión es provocado y controlado por una superficie específica, otras están destinadas a mejorar el rendimiento en determinadas circunstancias. Las superficies de control están distribuidas en dos zonas del avión, las alas y la cola. Digamos que las superficies se dividen en dos grupos, el principal está formado por los alerones, timón de profundidad y timón de dirección. Este grupo controla los movimientos del avión sobre los tres ejes (longitudinal, transversal y vertical) durante el vuelo normal, se manejan con los pedales y el

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bastón de mando (especie de volante, que además de rotar se desplaza hacia delante y hacia atrás) o joystick. El resto de las superficies, forman el grupo secundario y no funcionan permanentemente durante el vuelo, solo se las utiliza en el despegue o en el aterrizaje. Su finalidad es la de mejorar las condiciones de sustentación a bajas velocidades. Estas superficies no pueden desplegarse indistintamente, tienen velocidades límites, ya que por encima de estas pueden sufrir daños estructurales.

1.5.1 Superficies primarias Son superficies aerodinámicas movibles que, accionadas por el piloto a través de los mandos de la cabina, modifican la aerodinámica del avión provocando el desplazamiento de este sobre sus ejes y de esta manera el seguimiento de la trayectoria de vuelo deseada. Los alerones, en el campo de la aeronáutica, son unas superficies de mando y control que se encuentran en los extremos de las alas de los aviones y su misión es llevar a cabo los virajes del avión a ambos lados a través de un movimiento de alabeo. Principio de funcionamiento El alerón está diseñado con una cara recta y una cara curva, o con ambas caras curvas pero con una de ellas de mayor desarrollo o longitud, de modo que el aire que pase por la curva lo tenga que hacer más rápido que el de la cara recta. Esto, de acuerdo con el principio de Bernoulli, genera una caída de presión en la cara curva y, en consecuencia, una fuerza debida a la succión.

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La idea es provocar una asimetría de sustentación en ambas alas de la aeronave. Esto induciría a que una ascienda (gane sustentación) y la otra descienda (pierda sustentación). Al deflectar los alerones hacia arriba o hacia abajo se logra este efecto. Supongamos que se quiere realizar un movimiento de alabeo a la derecha: giramos el volante a la derecha; el alerón del ala derecha sube y al haber menos sustentación esa ala desciende; por el contrario, el alerón abajo del ala izquierda provoca mayor sustentación en esa ala y que esta ascienda.

Imagen 1.11 Funcionamiento de los alerones.

Timón de profundidad, es la superficie o superficies móviles situadas en la parte posterior del empenaje horizontal de la cola del avión, su accionamiento provoca el movimiento de cabeceo (morro arriba o morro abajo) sobre su eje transversal. En consecuencia, el movimiento de cabeceo del avión provoca la modificación del ángulo de ataque.

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En algunos aviones, el empenaje horizontal de cola es de una pieza haciendo las funciones de estabilizador horizontal y de timón de profundidad. El timón de profundidad es accionado por el piloto empujando o tirando del volante o la palanca de control, y suele tener una deflexión máxima de 40º hacia arriba y 20º hacia abajo.

Principio de Funcionamiento: Al tirar del volante de control, esta superficie sube mientras que al empujarlo baja , en algunos aviones se mueve la totalidad del empenaje horizontal. El timón arriba produce menor sustentación en la cola, con lo cual esta baja y por tanto el morro sube (mayor ángulo de ataque). El timón abajo aumenta la sustentación en la cola, esta sube y por tanto el morro baja (menor ángulo de ataque). De esta manera se produce el movimiento de cabeceo del avión y por extensión la modificación del ángulo de ataque.

Imagen 1.12 Funcionamiento del timón de profundidad.

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Timón de dirección, es la superficie móvil montada en la parte posterior del empenaje vertical de la cola del avión. Su movimiento provoca el movimiento de guiñada del avión sobre su eje vertical, sin embargo ello no lo hace virar, se suele utilizar para equilibrar las fuerzas en los virajes o para centrar el avión en la trayectoria deseada. Suele tener una deflexión máxima de 30º a cada lado. Esta superficie se maneja mediante unos pedales situados en el suelo de la cabina. Principio de Funcionamiento: Al pisar el pedal derecho, el timón de dirección gira hacia la derecha, provocando una reacción aerodinámica en la cola que hace que esta gire a la izquierda, y por tanto el morro del avión gire (guiñada) hacia la derecha. Al pisar el pedal izquierdo, sucede lo contrario: timón a la izquierda, cola a la derecha y morro a la izquierda.

Imagen 1.13 Funcionamiento del timón de dirección.

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1.5.2 Superficies secundarias. Es posible disminuir la velocidad mínima que sostiene a un avión en vuelo mediante el control de la capa límite, modificando la curvatura del perfil, o aumentando la superficie alar. Las superficies que realizan una o más de estas funciones se denominan superficies hipersustentadoras. Las superficies primarias nos permiten mantener el control de la trayectoria del avión, las secundarias se utilizan en general para modificar la sustentación del avión y hacer más fáciles muchas maniobras. Las superficies secundarias son: flaps, slats y spoilers o aerofrenos. Flaps, son dispositivos hipersustentadores, cuya función es la de aumentar la sustentación del avión cuando este vuela a velocidades inferiores a aquellas para las cuales se ha diseñado el ala. Situados en la parte interior trasera de las alas, se deflectan hacia abajo de forma simétrica (ambos a la vez), en uno o más ángulos, con lo cual cambian la curvatura del perfil del ala (más pronunciada en el extradós* y menos pronunciada en el intradós*), la superficie alar (en algunos tipos de flap) y el ángulo de incidencia, todo lo cual aumenta la sustentación (y también la resistencia).

Imagen 1.14 Flaps y ángulos de extensión.

*extradós, Es la parte superior de un perfil alar, medido desde el borde de ataque hasta el borde de salida.*intradós, es la parte inferior de un perfil alar, medido desde el borde de ataque hasta el borde de salida.

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Slats, Son superficies hipersustentadoras que actúan de modo similar a los flaps. Situadas en la parte delantera del ala, al deflectarse canalizan hacia el extradós una corriente de aire de alta velocidad que aumenta la sustentación permitiendo alcanzar mayores ángulos de ataque sin entrar en pérdida. Se emplean generalmente en grandes aviones para aumentar la sustentación en operaciones a baja velocidad (aterrizajes y despegues), aunque también hay modelos de aeroplanos ligeros que disponen de ellos. En muchos casos su despliegue y repliegue se realiza de forma automática; mientras la presión ejercida sobre ellos es suficiente, los slats permanecen retraídos, pero cuando esta presión disminuye hasta un determinado nivel (cerca de la velocidad de pérdida) los slats de despliegan de forma automática. Debido al súbito incremento o disminución (según se extiendan o replieguen) de la sustentación en velocidades cercanas a la pérdida.

Imagen 1.15 Slats

Spoilers o Aerofrenos, al contrario que los anteriores, el objetivo de esta superficie es disminuir la sustentación del avión. Se emplean sobre todo en reactores que desarrollan altas velocidades y sirven para frenar el avión en vuelo, perder

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velocidad y facilitar el aterrizaje, ayudar a frenar en tierra, y en algunos aviones como complemento de los alerones para el control lateral y los virajes en vuelo.

Imagen 1.9 Spoilers o aerofrenos

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CAPÍTULO II

2. Electrónica de las aeronaves

En este capítulo resaltaremos el impacto que ha tenido la electrónica, y los sistemas de control en las aeronaves para que las compañías quieran producir “aviones más eléctricos”.

2.1 Sistemas de control en aeronaves

Aviónica es una abreviatura de electrónica para la aviación, la aviónica, es uno de los tres ejes de la tecnología de construcción de aeronaves (los otros ejes son sistemas de propulsión y sistemas estructurales). Los principales sistemas de aviónica se pueden referir: 2.1.2 Sistemas de control de vuelo La función de estos sistemas es permitir el control de la aeronave durante el vuelo. Una tarea que originalmente era realizada por medios mecánicos y posteriormente hidráulicos, actualmente descansa en gran medida en sistemas computarizados. Esta nueva forma de transmitir los comandos del piloto a los mecanismos del avión se conoce como "Fly-by-Wire" (comandos eléctricos de vuelo). Una alternativa al "Fly-by-Wire" es el "Fly-by-Optics", en la que los cables son cambiados por fibra óptica, que es inmune a interferencia electromagnética y transmite datos a mayor velocidad.

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2.1.3 Sistema GPS para navegación El sistema de posicionamiento global (GPS - global positioning system) es una tecnología que permite determinar rápidamente y con gran precisión la localización sobre la Tierra de cualquier objeto, por lo que se está convirtiendo en la principal herramienta de navegación.

Sistema de aterrizaje por instrumentos (ILS - Instrument landing system). Su función es ayudar a los pilotos para que alineen su nave con la línea central de la pista de aterrizaje durante la aproximación final. El sistema abordo consiste, básicamente en un receptor que procesa una señal de radio proveniente de un transmisor sobre la pista y la convierte en información precisa de dirección y altitud.

2.1.4 Sistemas de supervivencia

Su objetivo es garantizar un alto nivel de seguridad en la operación de la aeronave. Incluye subsistemas como los siguientes: 

Sistema de advertencia de proximidad de suelo.

Su función es advertir al piloto que la nave puede estar en riesgo de hacer contacto no intencional con el suelo, mediante la lecturas de una serie de sensores de diferentes sistemas, incluyendo altímetros, sensores de configuración de alerones y sensores del ILS.

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

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Sistema de alerta de tráfico y prevención de colisiones (TCAS – Traffic Alert and Collision Avoidance System).

Consiste, básicamente, en un dispositivo transmisor-receptor que busca permanentemente señales provenientes de otros dispositivos TCAS como indicador de la presencia de otra aeronave en las proximidades.



Sistema de detección de rayos y radar de clima.

Estos sistemas están diseñados para buscar diferentes elementos de las tormentas, específicamente, rayos y precipitación (en el caso del radar) y pronosticar su evolución.



Indicadores

Los indicadores de un avión es posiblemente el elemento más distinguible de la tecnología en un avión. Dentro de este grupo de dispositivos se encuentra el altímetro (que proporciona la altura a que se encuentra la nave, típicamente con respecto al nivel del mar), el indicador de balance (conocido también como horizonte artificial, muestra el balance del avión con respecto al horizonte: balance de las alas e indica si la nariz está por abajo o arriba del horizonte), el indicador de velocidad de aire (muestra la velocidad relativa del avión con respecto al aire circundante), el indicador de velocidad vertical (también conocido como variómetro, señala si el avión vuela nivelado o si está ascendiendo o descendiendo y en este caso, la velocidad vertical correspondiente), el compás magnético, giroscopios, indicadores de velocidad del motor, indicadores de temperatura del motor, indicador del contenido de combustible, etc.

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

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Sistemas de comunicación.

Éste es un importante sector de la aviónica, responsable de garantizar canales de comunicación al interior del avión y viceversa. Los sistemas de electrónica, información y comunicaciones en un avión son cada vez más numerosos y complejos. Así, la aviónica adquiere cada

vez mayor

importancia.

2.1.5 Control digital del motor

El sistema completo de control digital del motor se denomina muchas veces sistema FADEC, que incluye el ordenador-regulador, y la interface de entrada y salida.

Los motores de los aviones comerciales tienen instalado el regulador FADEC ( Full Authority Engine Control). FADEC que está constituido por el ordenador de control y el hardware, que regula el propio motor y otros sistemas periféricos.

Así, el FADEC, además de calcular la cantidad exacta de combustible que se introduce en la cámara de combustión del turborreactor, verifica otras funciones como la inversión de empuje, la presentación de datos en la cabina de vuelo, sistema de encendido, entre otros.

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El número de funciones controladas por el FADEC depende del tipo de avión. En un motor de encendido por chispa de movimiento alternativo el FADEC usa sensores de velocidad, temperatura y presión para controlar el estado de cada cilindro. Una computadora digital calcula el pulso ideal para cada inyector y ajusta el tiempo de encendido como sea necesario para lograr un rendimiento óptimo. En un motor de encendido por compresión el FADEC funciona de manera similar y realiza todas las mismas funciones, excepto las relacionadas específicamente con el proceso de encendido por chispa. Los sistemas FADEC eliminan la necesidad de magnetos, carburador, controles de mezcla, y sobrealimentado de motor. Una palanca de acelerador solo es característica de una aeronave equipada con un sistema de FADEC. El piloto simplemente coloca la palanca del acelerador a la posición deseada, y el sistema FADEC ajusta el motor y la hélice de forma automática para el modo seleccionado. No hay necesidad que el piloto controle la mezcla de aire / combustible. Sistemas FADEC se consideran una parte esencial del motor y control de la hélice, y puede ser alimentado por el sistema eléctrico principal de la aeronave. En muchas aeronaves FADEC usa la energía de un generador separado conectado al motor. Pero indiscutiblemente, debe haber una fuente de seguridad eléctrica disponible. Un fallo de un sistema FADEC podría resultar en una pérdida completa de empuje del motor. La generación y presentación digital de datos del motor es función adicional del sistema FADEC. La presentación de datos se efectúa en pantallas CRT, de tubos de rayos catódicos, o bien en las más modernas pantallas de cristal líquido LCD, de alta resolución gráfica.

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La tendencia es a introducir cada vez más las pantallas de cristal líquido dado el bajo consumo de corriente que tienen. La información que proporciona el sistema FADEC se clasifica en dos categorías: pantalla de datos primaria y secundaria. La clasificación de pantalla se hace en atención a la categoría de los datos que se presentan en un instante dado. La pantalla primaria de datos visualiza parámetros esenciales del motor, tales como revoluciones de los grupos rotatorios, temperatura de gases de escape y otros. Esto se muestra permanentemente. La pantalla secundaria de datos visualiza variables secundarias, tales como la presión y temperatura de aceite, estado de los filtros, etc. La página que contiene estos datos se muestra en pantalla solo cuando se selecciona. La pantalla secundaria tiene además dos configuraciones, una que se presenta durante la puesta en marcha del motor y otra después. Aprovechando la alta resolución gráfica que se ha conseguido recientemente en pantallas de tubo de rayos catódicos CRT, y de cristal liquido LCD, conviene señalar que la mayor parte de las indicaciones de los parámetros del motor se muestran en rojo cuando se sobrepasa el valor admisible del parámetro, en ámbar señal de precaución y en verde para operación normal.

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2.2 Comandos eléctricos de vuelo (fly- by- wire)

A principios de la década de los '80, el diseño de los sistemas de control secundario comenzó a utilizar señales eléctricas que iban desde las palancas de potencia a través de computadoras y hasta los actuadores hidráulicos de las superficies de control. El nuevo sistema fly-by-wire (comandos eléctricos de vuelo) hizo más fácil esta tecnología al control primario del avión. Ya no se necesitaba el cuerno convencional de mando, dado que las órdenes salían del puesto de pilotaje por vía electrónica, y se lo reemplazó por una palanca o bastón lateral más pequeño, el denominado sidestick. El nuevo sistema redujo el peso y la complejidad mecánica del avión, bajó los costos y representó para el piloto grandes ventajas, principalmente en materia de precisión, seguridad y ergonomía*. El primer avión comercial que utilizó estos controles fue el Concorde, que voló por primera vez en 1969. Los Airbus A310, A300-600 y el Boeing 767 y 757 incorporan el fly-by-wire a principio de los ´80 y lo usan de manera limitada para operar las superficies móviles del ala (Slats, flaps y spoilers). El A320 fue el siguiente, en 1988, convirtiéndose en el primer avión comercial en hacer pleno uso de estos modernos controles. El liderazgo de Airbus Industrie es seguido de cerca por Boeing ya que está instalando este sistema en sus 777. Las computadoras juegan un papel muy importante, conocen el sistema total de capacidades técnicas y aerodinámicas del avión, los pilotos pueden hacer un uso total de éstas sin correr el riesgo de exceder su envolvente de vuelo*. El sector de la envolvente que figura en las computadoras del sistema fly-by-wire esta preprogramado a manera de limitar las actitudes que pudiera adoptar la aeronave. También se aplica la protección contra las violaciones a los excesos de velocidad independientemente de la orden dada por un piloto al avión a través del sidestick. *ergonomía, disciplina que se encarga de hacer más agradable la relación hombre – lugar de trabajo *envolvente de vuelo, se refiere a los límites de carga y condiciones de vuelo satisfactorias para la aeronave.

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Un avión mas eléctrico es aquel avión al que se le han sustituido partes mecánicas, hidráulicas o neumáticas por sus contrapartes eléctricas; como resultado, la demanda eléctrica del transporte es más alta. Sin embargo, no tiene la restricción de que toda la potencia que necesita para operar y moverse sea totalmente eléctrica. En este caso el esquema de propulsión puede ser híbrido, es decir, una mezcla entre eléctrico y de combustión interna. Entre los aviones más eléctricos que existen a nivel comercial están por ejemplo el Airbus 380 y el Boeing 787. El Boeing 787-9 Dreamliner es una versión del 787-8 algo más grande. Ambos son reactores super-eficientes con nuevas características atractivas para los pasajeros. Aportará al segmento medio del mercado las economías operativas propias de los grandes reactores, empleando un 20% menos combustible que cualquier otro avión de su tamaño.

Imagen 2.1 Boeing 787 Dreamliner

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La arquitectura del sistema hidráulico del A380 difiere significativamente de otros aviones, utiliza cuatro generadores eléctricos de frecuencia variable de 150 kVA. Los cables eléctricos son de aluminio en lugar de cobre, para mayor ahorro de peso debido al número de cables utilizados para un avión de este tamaño y complejidad. El sistema de energía eléctrica está totalmente informatizado y muchos contactores e interruptores han sido sustituidos por dispositivos de estado sólido, para un mejor rendimiento y mayor fiabilidad.

Imagen 2.2 Airbus 380

Todos los aviones se controlan a través del movimiento de superficies fijas a sus alas y empenajes. En una aeronave de pequeñas dimensiones, estas superficies, conectadas mecánicamente a los controles de la cabina de mando, son accionadas directamente por el piloto. En aparatos más grandes y rápidos, como los aviones comerciales, se necesita un esfuerzo mayor para mover esas superficies, lo que hace necesario el empleo de actuadores hidráulicos.

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El enlace entre los controles de la cabina de pilotaje y los actuadores hidráulicos de las alas y empenajes continúa siendo mecánico y se basa en cables de acero, que se extienden por todo lo largo y ancho de la aeronave. Un avión con implementación de fly-by-wire (comandos eléctricos de vuelo), este enlace se sustituye por uno eléctrico. En el Airbus A320, por ejemplo, los computadores canalizan el flujo de esas señales eléctricas. El fly-by-wire elimina la necesidad de las columnas de mandos de control, una de las compañías que mejor ha sabido aprovechar esto es Airbus, sustituyendo esas columnas de control clásicas, por una pequeña palanca (stick) lateral cómoda de usar, que también permite visualizar en su totalidad los instrumentos y libertad de movimiento para el piloto. Todos los aviones tienen limitaciones físicas, no pueden volar demasiado despacio, o entrarían en pérdida; ni demasiado rápido, tienen que maniobrar dentro de sus parámetros específicos o se tendrán daños estructurales, Estas limitaciones se conocen como envolvente de vuelo y sus fronteras no deben ser sobrepasadas en una operación normal. Uno de los aviones mejor equipados y protegidos ante casi cualquier inconveniente, y muestra mejor el sistema fly by wire es el A320, la protección de la envolvente de vuelo de los controles, proporciona un resguardo adicional para evitar exceder la mayoría de esas limitaciones. Esto ayuda a los pilotos a obtener los máximos rendimientos de su aeronave conservando el pleno control, lo que contribuye a aumentar la seguridad. Por ejemplo, la protección de la envolvente de vuelo incrementa considerablemente las posibilidades de sobrevivir a un viento de cizalladura* haciendo posible a los pilotos obtener de forma rápida y segura los máximos rendimientos en régimen de ascenso.

*cizalladura, es el cambio en la velocidad o dirección del viento a lo largo de una línea recta).

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El fly-by-wire se ha convertido en un patrón industrial para los aviones de nueva generación. En el A320 existen cinco computadores de fly-by-wire y la aeronave puede volar utilizando tan sólo uno de ellos; dichos computadores trabajan simultáneamente y, si uno de ellos falla, el siguiente toma automáticamente el relevo. Como todos los demás sistemas importantes de un avión comercial, los computadores fly-by-wire están diseñados, construidos, probados y certificados bajo las normas más estrictas Cada uno de los cinco ordenadores de fly-by-wire se compone, de dos unidades que no dejan de vigilarse mutuamente. Además, tres de ellos están diseñados y construidos por un fabricante, mientras que los dos están hechos por otro, con una concepción independiente, utilizando diferentes componentes. Estos dos tipos de computadores se programan por equipos de trabajo que usan distintos lenguajes de programación, haciendo virtualmente imposible que el mismo fallo afecte a todos a la vez. La probabilidad de que los cinco computadores fly-by-wire tengan una avería durante un vuelo es extremadamente remota: el riesgo está calculado en menos de una vez por un billón. Sin embargo, en el caso de pérdida del control, las tripulaciones de A320 pueden continuar pilotando el aparato con los mandos mecánicos auxiliares (compensación del timón horizontal y timón de dirección). Un fallo eléctrico completo es extremadamente improbable, debido a que cuenta con no menos de 5 fuentes de potencia diferentes un generador en cada uno de los dos motores, la unidad de potencia auxiliar (APU), un generador hidráulico ligado a una turbina de aire comprimido y baterías que pueden volar por 60min. Pero, si existiese una falla eléctrica total, el A320 podría seguir volando gracias a sus controles mecánicos de ayuda.

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No obstante los pilotos siempre pueden recuperar el control manual, presionando un botón que desconecte el sistema automático. Compañías del Grupo Safran, Hispano-Suiza está trabajando en la arquitectura de los sistemas eléctricos requeridos para las aeronaves “más eléctricas” del futuro, con énfasis en cuatro áreas: 

sistema de propulsión (motor y góndola)



sistemas de aterrizaje y frenos



accionadores eléctricos de control de vuelo



administración de la energía eléctrica, desde la transmisión hasta el cableado

Algunas de las ventajas de la energía eléctrica: 

Fácil de usar



Potencia - Sólo cuando la necesita



Limpio - No deja residuos de sucio



Respetuoso del medio ambiente - No hay emisiones



Bajo Ruido - El motor es silencioso



No necesita mantenimiento

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CAPITULO III

3. Software y hardware para transferencia de datos. En este capítulo describiremos los programas y dispositivos a ocupar en el prototipo. Comenzaremos explicando el ambiente de programación Matlab

3.1 Software 3.1.1 Matlab Es un lenguaje de alto desempeño diseñado para realizar cálculos técnicos, integra el cálculo, la visualización y la programación en un ambiente fácil de utilizar donde los problemas y las soluciones se expresan en una notación matemática. MATLAB es un sistema interactivo cuyo elemento básico de datos es el arreglo que no requiere de dimensionamiento previo. Esto permite resolver muchos problemas computacionales, específicamente aquellos que involucren vectores y matrices, en un tiempo mucho menor al requerido para escribir un programa en un lenguaje escalar no interactivo tal como C o Fortran.

Se puede aplicar para 

Cálculos numéricos



Desarrollo de algoritmos



Modelado, simulación y prueba de prototipos



Análisis de datos, exploración y visualización



Graficación de datos con fines científicos o de ingeniería



Desarrollo de aplicaciones que requieran de una interfaz gráfica de usuario (GUI,Graphical User Interface).

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Los Scripts: Los scripts son la clase más simple de archivos –M, no tienen argumentos de salida. Los scripts son muy útiles para automatizar los comandos de MATLAB cuando resulta muy difícil hacerlo desde la línea de comando. Los scripts operan en el espacio de trabajo existente o pueden crear nuevas variables; es decir pueden usar cualquier variable que esté presente en el espacio o crear nuevas variables que queden disponibles al terminar de ejecutar el script para nuevos cálculos. El toolbox: El toolbox de Adquisición de Datos (DAQ) le permite al usuario capturar y/o generar señales reales e interactuar con ellas desde Matlab. De lo anterior, puede deducirse que un sistema de adquisición de datos es un conjunto de software y hardware que permiten a un sistema digital “conectarse” al mundo real. Un sistema de adquisición de datos típico está formado de: • Sensores y actuadores • Hardware de adquisición de datos • Hardware de acondicionamiento de señal • Computadora o procesador • Programa

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Imagen 3.1 Sistema de adquisición de datos

Construcción de interfaz grafica de usuario en Matlab: La interfaz de usuario es el medio con que el usuario puede comunicarse con una máquina, un equipo o una computadora, y comprende todos los puntos de contacto entre el usuario y el equipo. La interfaz gráfica de usuario, conocida también como GUI (del inglés graphical user interface) es un programa informático que actúa de interfaz de usuario, utilizando un conjunto de imágenes y objetos gráficos para representar la información y acciones disponibles en la interfaz. Su principal uso, consiste en proporcionar un entorno visual sencillo para permitir la comunicación con el sistema operativo de una máquina o computador. Habitualmente las acciones se realizan mediante manipulación directa, para facilitar la interacción del usuario con la computadora.

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Surge como evolución de las interfaces de línea de comandos que se usaban para operar los primeros sistemas operativos y es pieza fundamental en un entorno gráfico. En el contexto del proceso de interacción persona-ordenador, la interfaz gráfica de usuario es el artefacto tecnológico de un sistema interactivo que posibilita, a través del uso y la representación del lenguaje visual, una interacción amigable con un sistema informático. Matlab permite desarrollar fácilmente un conjunto de pantallas (paneles) con botones, menús, ventanas, etc., que permiten utilizar de manera muy simple programas realizados dentro de este entorno. Este conjunto de herramientas se denomina interfaz gráfica de usuario (GUI). Las posibilidades que ofrece MATLAB no son muy amplias, en comparación a otras aplicaciones de Windows como Visual Basic y Visual C. La elaboración de GUIs se puede llevarse a cabo de dos formas, la primera de ellas consiste en escribir un programa que genere la GUI (script), la segunda opción consiste en utilizar la herramienta de diseño de GUIs, incluida en el Matlab, llamada GUIDE.

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3.2 Hardware

3.2.1 Arduino

Arduino es una plataforma de hardware libre, basada en una placa con un microcontrolador y un entorno de desarrollo, diseñada para facilitar el uso de la electrónica en proyectos multidisciplinares.

El hardware consiste en una placa con un microcontrolador Atmel AVR y puertos de entrada/salida.

El software consiste en un entorno de desarrollo que implementa el lenguaje de programación Processing/Wiring y el cargador de arranque (boot loader) que corre en la placa.

Arduino puede detectar las entradas por una variedad de sensores que tiene y puede afectar a sus alrededores controlando luces, motores y otros actuadores. El microcontrolador de la placa se programa mediante el lenguaje de programación Arduino (basado en Wiring) y el entorno de desarrollo Arduino (basado en Processing ). Estos proyectos Arduino pueden ser independientes o se pueden comunicar con el software que se ejecuta en un ordenador (por ejemplo, Flash, Processing, MaxMSP ).

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3.2.2. Arduino uno

El Arduino UNO es una placa electrónica basada en el ATmega328. Tiene 14 entradas / salidas digitales pines (de los cuales 6 pueden ser utilizados como salidas PWM), 6 entradas analógicas, un oscilador de cristal de 16 MHz y una conexión USB.

Imagen 3.2 Placa Arduino Uno

Describiendo componentes

1.- Micro controlador ATmega328 Es un microcontrolador de la compañía Atmel que cuenta con 32KB de memoria flash, 2KB de memoria RAM y 1KB de memoria EEPROM.

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Características Voltaje de Operación: 5V Memoria Flash: 32 KB de los cuales 512 bytes son utilizados por el bootloader SRAM 2 KB EEPROM 1 KB Velocidad del Reloj 16 MHz

2.- Boton Reset

Suministrar un valor LOW(0V) para reiniciar el microcontrolador. 3.- ICSP Conector para la programación ICSP, este es el sistema utilizado en los dispositivos PIC para programarlos sin necesidad de tener que retirar el chip del circuito del que forma parte. 4.- PWM Pines 3, 5, 6, 9, 10 y 11 provee de 8 bits de salida PWM con la función analogWrite. La modulación por ancho de pulsos (PWM) de una señal o fuente de energía es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica, ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga. 5.- Serie: 0 (RX) y 1 (TX) Se utiliza para recibir (RX) y transmisión (TX) datos serie TTL. Estos pines están conectados a los pines correspondientes de la ATmega8U2 USB-to-TTL de chips de serie.

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6.- Interrupciones externas Pines 2 y 3 Estos pines pueden ser configurados para activar una interrupción en un valor bajo, un flanco ascendente o descendente, o un cambio en el valor. 7.- SPI 10 El Bus SPI (del inglés Serial Peripheral

Interfaces) es un estándar de

comunicaciones, usado principalmente para la transferencia de información entre circuitos integrados en equipos electrónicos. El bus de interfaz de periféricos serie o bus SPI es un estándar para controlar casi cualquier dispositivo electrónico digital que acepte un flujo de bits serie regulado por un reloj. 8.- GND Pines de tierra. Abreviación de Ground que traducido al español es Tierra y en el contexto de la electrónica significa el común del circuito adonde se supone que existe 0 voltios. 9.- AREF Tensión

de

referencia

para

las

entradas

analógicas.

Se

utiliza

con

analogReference (). 10.- USB El Arduino UNO tiene una serie de facilidades para comunicarse con una computadora, Usando los canales de comunicación de esta serie a través de USB y aparece como un puerto COM virtual en el ordenador. Utiliza el estándar de los controladores USB COM, y no necesita ningún controlador externo.

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11.- Conector de alimentación Plug hembra de 2.1mm para la conexión de alimentación en la placa. 12.- Reset Suministrar un valor LOW(0V) para reiniciar el micro controlador. Típicamente usado para añadir un botón de reset a los shields que no dejan acceso a este botón en la placa. 13.- 3.3 V Una fuente de voltaje a 3.3 voltios generada en el chip FTDI integrado en la placa. La corriente máxima soportada 50mA. 14.- 5V La fuente de voltaje estabilizado usado para alimentar el micro controlador y otros componentes de la placa. 15.- GND Pines de toma de tierra. 16.- VIN La entrada de voltaje a la placa Arduino cuando se esta usando una fuente externa de alimentación (en opuesto a los 5 voltios de la conexión USB). Se puede proporcionar voltaje a través de este pin, o, si se esta alimentado a través de la conexión de 2.1mm , acceder a ella a través de este pin. 17.- Analog In El Arduino UNO tiene 6 entradas analógicas, y cada una de ellas proporciona una resolución de 10bits (1024 valores). Por defecto se mide de tierra a 5 voltios.

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18.- Cristal Un cristal oscilador a 16Mhz, El oscilador de cristal se caracteriza por su estabilidad de frecuencia y pureza de fase, dada por el resonador. La frecuencia es estable frente a variaciones de la tensión de alimentación. La dependencia con la temperatura depende del resonador, pero un valor típico para cristales de cuarzo es de 0.005% del valor a 25 °C, en el margen de 0 a 70 °C.

Para hacer la programación ocuparemos el Micro controlador ATMEGA328 motivo por el cual se abordada en el tema siguiente un poco sobre micro controladores.

Imagen 3.3 Microcontrolador ATmega328

3.2.3 Microcontrolador Es un circuito integrado programable que contiene todos los componentes de una computadora. Se emplea para controlar el funcionamiento de una tarea determinada y, debido a su reducido tamaño, suele ir incorporado en el propio dispositivo al que gobierna. Esta última característica es la que le confiere la denominación de «controlador incrustado» (embedded controller).

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El micro controlador es una computadora dedicada. En su memoria sólo reside un programa destinado a gobernar una aplicación determinada; sus líneas de entrada/salida (puertos) soportan la conexión de los sensores y actuadores del dispositivo a controlar, y todos los recursos complementarios disponibles tienen como única finalidad atender los requerimientos del micro controlador. Una vez programado y configurado el micro controlador solamente sirve para gobernar la tarea asignada. Diferencia entre microprocesador y micro controlador El microprocesador es un circuito integrado que contiene la Unidad Central de Proceso (UCP), también llamada procesador de una computadora. La UCP está formada por la Unidad de Control, que interpreta las instrucciones, y el flujo de los datos. Las patitas (buses) de un microprocesador sacan al exterior la información procesada por este, para permitir conectarle con el hardware que compone a una computadora, por ejemplo el teclado, la pantalla, el mouse, etc. Un microprocesador es un sistema abierto con el que puede construirse una computadora con las características que se desee, acoplándole los módulos necesarios. Un microcontrolador es un sistema cerrado que contiene una computadora completa y de características limitadas que no se pueden modificar.

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Arquitectura interna Un micro controlador posee todos los componentes de una computadora, pero con características fijas que no pueden alterarse (y en ocasiones más limitadas). Las partes principales de un micro controlador son: 1. Procesador 2. Memoria no volátil para contener el programa (disco duro) 3. Memoria de lectura y escritura para guardar los datos (RAM) 4. Líneas de EIS para los controladores de periféricos: a) Comunicación paralelo b) Comunicación serie c) Diversas puertas de comunicación (bus l2ºC, USB, etc.) 5. Recursos auxiliares: a) Circuito de reloj b) Temporizadores c) Perro Guardián («watchdog») d) Conversores AD y DA e) Comparadores analógicos f) Protección ante fallos de la alimentación g) Estado de reposo o de bajo consumo

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Enlistaremos las características más representativas de cada uno de los componentes del microcontrolador. Memoria de programa El microcontrolador está diseñado para que en su memoria de programa se almacenen todas las instrucciones del programa de control. No hay posibilidad de utilizar memorias externas de ampliación. Como el programa a ejecutar siempre es el mismo, debe estar grabado de forma permanente. Existen cinco tipos diferentes de memoria adecuados para soportar esta función: 1. ª ROM con máscara En este tipo de memoria el programa se graba en el chip durante el proceso de su fabricación mediante el uso de «máscaras». 2. ª EPROM La grabación de esta memoria se realiza mediante un dispositivo físico gobernado desde una computadora, que recibe el nombre de grabador. En la superficie de la cápsula del micro controlador existe una ventana de cristal por la que se puede someter a la memoria del chip a rayos ultravioletas para producir su borrado y emplearla nuevamente. 3. ª OTP (Programable una vez) Este modelo de memoria sólo se puede grabar una vez por parte del usuario, utilizando el mismo procedimiento que con la memoria EPROM. Posteriormente no se puede borrar. Su bajo precio y la sencillez de la grabación aconsejan este tipo de memoria para prototipos finales y series de producción cortas.

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4. ª EEPROM La grabación es similar a las memorias OTP y EPROM, pero el borrado es mucho más sencillo al poderse efectuar de la misma forma que el grabado, o sea, eléctricamente. Sobre el mismo zócalo del grabador puede ser programada y borrada hasta 1.000.000 veces. Aunque se garantiza 1.000.000 de ciclos de escritura/borrado en una EEPROM, todavía su tecnología de fabricación tiene obstáculos para alcanzar capacidades importantes y el tiempo de escritura de las mismas es relativamente grande y con elevado consumo de energía. 5. ª FLASH Se trata de una memoria no volátil, de bajo consumo, que se puede escribir y borrar en circuito al igual que las EEPROM, y suelen disponer de mayor capacidad que estas últimas. El borrado sólo es posible con bloques completos y no se puede realizar sobre posiciones concretas. En las FLASH se garantizan 1.000 ciclos de escritura‐borrado. Son muy recomendables en aplicaciones en las que sea necesario modificar el programa a lo largo de la vida del producto, como consecuencia del desgaste o cambios de piezas, como sucede con los vehículos. Por sus mejores prestaciones está sustituyendo a la memoria EEPROM para contener instrucciones. Microchip ha introducido la memoria FLASH porque tiene mejores posibilidades de aumentar su capacidad con relación a la EEPROM. También por su mayor velocidad y menor consumo. No obstante, la EEPROM es capaz de soportar 1.000.000 de ciclos de escritura/borrado, frente a los 1.000 de la FLASH.

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3.2.4 Servomotores de radiocontrol Son

pequeños

dispositivos

utilizados

tradicionalmente

en

radiocontrol,

popularmente llamados “servos” y suelen usarse para el control del modelismo a distancia, actuando sobre el acelerador de un motor de combustión, en el timón de un barco o de un avión, en el control de dirección de un automóvil, etc, su pequeño tamaño, bajo consumo, buena potencia, y notable precisión, los hacen ideales para la construcción de los microrobots.

Imagen 3.4 Servomotor.

Un servomotor está constituido por un pequeño motor de corriente continua, unas ruedas dentadas que trabajan como reductoras, lo que proporciona una potencia considerable, y una pequeña tarjeta de circuito impreso con la electrónica necesaria para su control.

Imagen 3.5 Servomotor desmontado

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Funcionamiento del servomotor La tensión de alimentación de los servos suele estar comprendida entre los 4 y 8 volts. El control de un servo se limita a indicar en qué posición se debe situar, mediante una señal cuadrada TTL modula en anchura de impulsos PWM (Pulse Width Modualtion). La duración del nivel alto de la señal indica la posición donde queremos poner el eje del motor. El potenciómetro que el servomotor tiene unido al eje del motor

indica al circuito eléctrico de control interno mediante una

retroalimentación, si este ha llegado a la posición deseada.

Imagen 3.6 Pulsos de control del servo.

La duración de los impulsos indica el ángulo de giro del motor, cada servomotor tiene sus márgenes de operación, que corresponden con el ancho del pulso máximo y mínimo que el servo entiende y que, en principio, mecánicamente no puede sobrepasar. Si se sobrepasan los límites de movimiento del servo, comenzara a emitir un zumbido, avisando un cambio en la anchura del pulso. Si el intervalo entre pulso y pulso es inferior al mínimo puede interferir con la temporización interna del servo causando un zumbido y la vibración del brazo de

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salida. Si es mayor que el máximo, entonces el servo pasara a estado dormido entre pulsos provocando que se mueva a pequeños intervalos. Es importante mencionar que para que un servo se mantenga en la misa posición, es necesario enviarle continuamente un pulso de una anchura constante. De este modo si existe alguna fuerza que le obligue a abandonar esta posición intentara resistirse. Si se deja de enviar pulsos, o el intervalo entre pulsos es mayor del máximo permitido, entonces el servomotor perderá fuerza y dejara de intentar mantener su posición, entonces cualquier fuerza externa podría desplazarlo. Un servomotor es como un motor eléctrico que solo se puede mover en un ángulo de aproximadamente 180 grados, esto quiere decir que no dan vueltas completas como los motores de corriente continua.

Los servomotores tienen tres terminales:



Alimentación del servo = V servo = terminal positivo de la batería. cable color rojo.



Terminal del negativo de la batería,= GND (tierra), el cable puede ser color



café o negro.



Señal por donde se aplica la entrada de pulsos. El cable puede ser color naranja, amarillo, blanco o azul.

Imagen 3.7 Terminales de los servos.

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El servo que utilizaremos para el proyecto es el power high performance HD- 1440A. Dimensiones

Imagen 3.8 Servo HD-1440A

Imagen 3.9 Dimensiones del servo HD-1440A

Especificaciones

HD-1440ª

4.8 V

velocidad de operación

0.12 segundos/ 60 grados 0.10 segundos/ 60 grados

torque

0.8 kg-cm

HD-1440ª Peso Límite de ángulo

6.0 V

1.0 kg-cm

4.3 gr (+/-) 1 gr 180 grados (+/-) 10 grados

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CAPITULO IV

4. CONSTRUCCIÓN Y PROGRAMACIÓN DEL PROTOTIPO

Este capítulo se presenta paso a paso, el armado del prototipo así como la programación de la interfaz gráfica de usuario en el ambiente Matlab, trabajando en conjunto con la placa Arduino Uno y el servo HD-1440A previamente descritos en el capítulo anterior, así como, la demostración física de los elementos básicos abordados en el capítulo I.

4.1 Programas para el control de los servos de los alerones

Sketch para grabar en la tarjeta arduino uno:

#include //Cabecera para el servo 

Servo servo1;



Servo servo2;



int matlabDato1; //Se le asigna el valor leído en el puerto serial



int matlabDato2;



int pos = 90;

//Posición inicial del servo

void setup(){ 

servo1.attach(9);



servo2.attach(8);



Serial.begin(9600); //Se inicializa el puerto serial configurado a 9600

//Servo en puerto 9

50

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} void loop(){ 

if(Serial.available()>0)



matlabDato1=Serial.read(); //Asignando valor leido en el puerto



if(matlabDato1==1)

{

// Si el valor digitado es 1 gira a la derecha

{ 

pos += 5;



servo1.write(pos);



delay(15);

//Se incrementa //La posición del servo //Se espera por otra orden

} 

else if(matlabDato1==2)



pos-=5;



servo1.write(pos);



delay(15);

//Si el valor digitado es 2 gira a la izquierda

{ //Se decrementa //La posición del servo //Se espera por otra orden

} 

matlabDato2=Serial.read(); //Asignando valor leído en el puerto



if(matlabDato2==1)

//Si el valor digitado es 1 gira a la derecha

{ 

pos += 5;



servo2.write(pos);



delay(15);

//Se incrementa //La posición del servo //Se espera por otra orden

} 

else if(matlabDato2==2)



pos-=5;



servo2.write(pos);

//Si el valor digitado es 2 gira a la izquierda

{ //Se decrementa //La posición del servo

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

delay(15);

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//Se espera por otra orden

} } } GUI y programa en Matlab:

Imagen 4.1 Ambiente gráfico en Matlab

function varargout = alerones(varargin) 

% ALERONES MATLAB code for alerones.fig



% ALERONES, by itself, creates a new ALERONES or raises the existing



% singleton*.



% H = ALERONES returns the handle to a new ALERONES or the handle to



the existing singleton.



% ALERONES ('CALLBACK',hObject,eventData,handles,...) calls the local

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

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% function named CALLBACK in ALERONES.M with the given input arguments.



% ALERONES ('Property','Value',...) creates a new ALERONES or raises the existing singleton*. Starting from the left, property value pairs are



% applied to the GUI before alerones_OpeningFcn gets called. An



% unrecognized property name or invalid value makes property application



% stop. All inputs are passed to alerones_OpeningFcn via varargin.



%*See GUI Options on GUIDE's Tools menu. Choose "GUI allows only one instance to run (singleton)".



% See also: GUIDE, GUIDATA, GUIHANDLES



% Edit the above text to modify the response to help alerones



% Last Modified by GUIDE v2.5 14-Jan-2013 09:01:23



Begin initialization code - DO NOT EDIT

gui_Singleton = 1; gui_State = struct('gui_Name',

mfilename, ...

'gui_Singleton', gui_Singleton, ... 'gui_OpeningFcn', @alerones_OpeningFcn, ... 'gui_OutputFcn', @alerones_OutputFcn, ... 'gui_LayoutFcn', [] , ... 'gui_Callback', []); if nargin && ischar(varargin{1}) gui_State.gui_Callback = str2func(varargin{1}); end if nargout [varargout{1:nargout}] = gui_mainfcn(gui_State, varargin{:}); else gui_mainfcn(gui_State, varargin{:});

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end % End initialization code - DO NOT EDIT

% --- Executes just before alerones is made visible. 

function alerones_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin)



% This function has no output args, see OutputFcn.



% hObject



% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB



% handles



% varargin command line arguments to alerones (see VARARGIN)



% Choose default command line output for alerones

handle to figure

structure with handles and user data (see GUIDATA)

handles.output = hObject; 

% Update handles structure

guidata(hObject, handles); 

% UIWAIT makes alerones wait for user response (see UIRESUME)



% uiwait(handles.figure1);

global dato1; global dato2; global arduino; global di; global dd; di=0; dd=0; dato1=1; dato2=1;

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

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%Se crea la comunicacion serial en COM4

arduino=serial('COM4','BaudRate',9600); 

%Se abre el puerto poder enviar los datos

fopen(arduino); 

% --- Outputs from this function are returned to the command line.

function varargout = alerones_OutputFcn(hObject, eventdata, handles) 

% varargout cell array for returning output args (see VARARGOUT);



% hObject



% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB



% handles



% Get default command line output from handles structure.

handle to figure

structure with handles and user data (see GUIDATA)

varargout{1} = handles.output;

% --- Executes on button press in masAI. function masAI_Callback(hObject, eventdata, handles) 

% hObject



% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB



% handles

handle to masAI (see GCBO)

structure with handles and user data (see GUIDATA)

global dato1; global di; dato1=1; fprintf(arduino,'%s',char(dato1)); %Se envia el DATO di=di+5; set(handles.gradAI,'string',di);

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

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% --- Executes on button press in menosAI.

function menosAI_Callback(hObject, eventdata, handles) 

% hObject



% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB



% handles

handle to menosAI (see GCBO)

structure with handles and user data (see GUIDATA)

global dato1; global di; dato1=2; fprintf(arduino,'%s',char(dato1)); %Se envia el DATO di=di-5; set(handles.gradAI,'string',di); 

% --- Executes on button press in masAD.

function masAD_Callback(hObject, eventdata, handles) 

% hObject



% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB



% handles

handle to masAD (see GCBO)

structure with handles and user data (see GUIDATA)

global dato2; global dd; dato2=1; fprintf(arduino,'%s',char(dato2)); %Se envia el DATO dd=dd+5; set(handles.gradAD,'string',dd); 

% --- Executes on button press in menosAD.

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function menosAD_Callback(hObject, eventdata, handles) 

% hObject



% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB



% handles

handle to menosAD (see GCBO)

structure with handles and user data (see GUIDATA)

global dato2; global dd; dato2=2; fprintf(arduino,'%s',char(dato2)); %Se envia el DATO dd=dd-5; set(handles.gradAD,'string',dd); 

% --- Executes on button press in fin.

function fin_Callback(hObject, eventdata, handles) 

% hObject



% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB



% handles

handle to fin (see GCBO)

structure with handles and user data (see GUIDATA)

fclose(arduino); %Se cierra el puerto close

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4.2 Implementación de superficies de control (alerones), y andamiaje.

Para poner en marcha este proyecto se adaptó un planeador, es decir, a las alas se le implementaron superficies de control, unos alerones con el fin de demostrar el efecto de alabeo. En términos simples provocar que una semiala ascienda (gane sustentación) y la otra descienda (pierda sustentación). Al deflectar los alerones hacia arriba o hacia abajo.

Imagen 4.2 Planeador

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Paso 1 Con ayuda de una cortadora de unicel, y un cutter se procede a cortar las superficies de control, en este caso solo seran los alerones.

Imagen 4.3 Creación de alerones

Paso 2 Para que los alerones hagan su correcta función se ocuparon bisagras de plástico, 3 para cada alerón, se le hizo una ranura al alerón y al ala aproximadamente de 1cm, es importante recalcar que las bisagras deben estar a la misma distancia, las bisagras deben ser metidas a presión en ambos lados cuidando el libre movimiento de ellas.

Imagen 4.4 Bisagras de plástico

Imagen 4.5 Colocación de bisagras

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Paso 3 Para construir el mecanismo de los alerones se ocuparon 2 cuernos de mando, alambre acerado y el servo, se procedió a hacer las mediciones, marcar la silueta en donde estaría situado el servo y el cuerno de mando, así como la distancia de la varilla, sin perder de vista la longitud a la que la varilla debe ser cortada permitiendo que el servo haga su carrera y defelcte los alerones a los ángulos deseados.

Imagen 4.6 Cuerno de mando

Imagen 4.7 Varilla

Imagen 4.9 Orificios para colocación de servo y cuerno de mando.

Imagen 4.8 Microservo

Imagen 4.10 Colocación de servo y cuerno de mando.

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Paso 4 Decoración

Imagen 4.12 Acabado del avión

Imagen 4.13 Vista del alerón

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Paso 5 Andamiaje

Imagen 4.14 Vista superior del andamiaje

Imagen 4.15 Rótula

Imagen 4.16 Vista frontal del andamiaje

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Paso 6 Colocación del eje en el centro de gravead.

Imagen 4.17 Vista de colocación de eje.

Imagen 4.18 Acercamiento de la colocación del eje en el centro de gravedad

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4.3 Conexión de hardware y software

Imagen 4.19 Mecanismo de alerones

Imagen 4.20 Tarjeta Arduino

Imagen 4.21 Ambiente Matlab

Imagen 4.22 Iniciando GUIDE de Matlab

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Imagen 4.23 Ambiente grafico y código

Imagen 4.24 Iniciando el ambiente GUIDE

Imagen 4.25 Diseño de la interfaz grafica

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Imagen 4.26 Código para mover los alerones.

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Imagen 4.27 Muestra los grados a los que están los alerones.

Imagen 4.28 Acercamiento de la pantalla que controla los grados de los alerones.

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4.4 Evidencias

Imagen 4.29 Prototipo visto de frente.

Imagen 4.30 Prototipo vista en planta.

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Imagen 4.31 Vista lateral del mecanismo del alerón.

Imagen 4.32 Vista frontal superior del prototipo

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Imagen 4.33 Vista lateral del prototipo.

Imagen 4.34 Prueba final del prototipo

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Conclusiones:

En este trabajo se diseño y desarrollo un sistema de control para la simulación electromecánica de sustentación del ala de un perfil cualquiera, utilizando software de programación, sus herramientas de interfaz grafica, sus prestaciones de comunicación por transferencia de datos y elementos electromecánicos para auxiliar la motricidad de los alerones.

Al conocer la instrumentación empleada en aviónica, su interconexión e identificación de sistemas, y factores externos que afectan a la navegación, así como los que tienen relación con la mecatrónica y aeronáutica, fue posible el diseño de la colocación de los dispositivos de control para simular el movimiento de alerones en las alas de un modelo de avión.

Aprovechando el funcionamiento electromecánico y la transferencia de datos, se diseño una interfaz grafica, que sirve para el control de estos alerones por medio de una computadora personal, esto fue posible gracias a las herramientas y conocimientos adquiridos a lo largo de la investigación para el desarrollo de este proyecto.

Por lo anterior, se puede concluir que el objetivo, simular el control de los alerones de un ala, se cumplió satisfactoriamente.

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Bibliografía:

Libros 1) Nassim Khale; Virtual Reality and Animation for MATLAB® and Simulink® Users: Visualization of Dynamic Models and Control Simulations; Springer 2012 Ed. 2) VV.AA.; Fundamentos de control con Matlab; Pearson España 2001.

3) Delores M. Etter; Solución de problemas de ingeniería con matlab; Prentice Hall 1998. 4) By Douglas Stamps Ph.D;. Learn LabVIEW 2010 / 2011 Fast A Primer for Automatic Data Acquisition; SDC Publications 2012.

Web 1. www.pololu.com 2. www.flightlearnings.com 3. www.wikipedia.es 4. www.ads-b.com 5. www.aviationtoday.com 6. www.arduino.cc 7. www.arinc.com

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“La Técnica al Servicio de la Patria”

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