DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UNA INTERFAZ DE CONTROL PARA EL HELICOPTERO QUANSER 2 DOF

DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A CONTROL INTERFACE FOR THE HELICOPTER QUANSER 2 DOF

Yarokxy Arjadis Lázaro Mejía ∗, Fabián Andrés Reyes Romero **, Henry Alberto

Hernández ***, Lely Adriana Luengas****

Resumen: En el presente artículo se expone el diseño e implementación de una interfaz de

control para el helicóptero Quanser 2 DOF [1] de los laboratorios de electrónica de la

Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, con el fin de

reacondicionar el helicóptero Quanser 2 dof que se encontraba en desuso. Para solucionar

esta problemática se diseñó un hardware usando un microcontrolador y una interfaz gráfica

diseñada en el software Matlab, logrando así recuperar una herramienta de la universidad

que será de gran utilidad para los estudiantes de tecnología en electrónica, ingeniería en

control y afines.

∗ Estudiante de Tecnología en electrónica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad tecnológica, Bogotá, Colombia, e-mail: yalazarom@correo.udistrital.edu.co ∗∗ Estudiante de Tecnología en electrónica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad tecnológica, Bogotá, Colombia, e-mail: fareyesr@correo.udistrital.edu.co *** Ingeniero en Control, Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad tecnológica, Bogotá, Colombia, Docente Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad tecnológica, Bogotá, Colombia e-mail: heahernandezm@correo.udistrital.edu.co **** Ingeniera electrónica, Universidad Autónoma, Bogotá, Colombia, Magister en Ingeniería Eléctrica, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia, PhD en Ingeniería, Pontificia Universidad Javeriana, Bogotá, Colombia, Docente Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad tecnológica, Bogotá, Colombia e-mail: lelyluco@gmail.com

El hardware cuenta un protocolo de comunicación vía USB, con el cual envía al computador

los datos que lee de los dos sensores encoders, con los que cuenta el helicóptero. Y a su vez

genera una señal de voltaje, para controlar las fuentes de poder. Logrando establecer un lazo

cerrado en conjunto con la interfaz de control, en la cual se realiza el control de los dos

grados de libertad del helicóptero.

Palabras claves: Microcontrolador, Control, Lazo Cerrado, Matlab, Quanser 2 Dof, Encoder Cuadratura,

Abstract: In this article the design and implementation of a control interface for the Quanser

2 DOF helicopter [1] of the electronics laboratories of the technological faculty of the

Francisco José de Caldas district university is exposed, in order to be able to use the

Quanser 2 dof helicopter that is in disuse. To solve this problem, a hardware was designed

from a microcontroller and a graphical interface in the Matlab software, thus recovering a tool

from the university that is very useful for engineering students.

The hardware has a communication protocol via USB, with which it sends to the computer the

data it reads from the two sensors, with which the helicopter counts. And in turn generates a

voltage signal, to control the sources of power. Achievement of a closed loop in conjunction

with the control interface, in which the helicopter's degrees of freedom are controlled.

With the control interface, in which the two degrees of freedom of the helicopter are

controlled.

.

Key Words: Microcontroller, Control, Closed Loop, Matlab, Quanser 2 Dof, quadrature

Encoder

1. Introducción:

El laboratorio de electrónica de la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital

Francisco José de Caldas posee una herramienta didáctica llamada helicóptero Quanser

2 dof. Sin embargo, en la actualidad está en desuso por la falta compatibilidad con los

computadores actuales ya que la tarjeta de adquisición viene con soporte para puerto

PCI, y su vez generando un costo muy elevado la actualización de dicha herramienta.

El helicóptero puede llegar a hacer una herramienta de gran utilidad para los estudiantes

de ingeniería en control electrónico de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas,

ofreciendo la oportunidad de realizar el componente practico en áreas de control no lineal

teniendo en cuenta que el modelo de la plata es no lineal.

El hardware diseñado e implementado está basado en un microcontrolador PSoC 5. El

cual cuenta con dos DAC de 8 bits con el que se realiza la conversación de señal digital a

señal análoga con la cual se realiza el control de las fuentes de poder originales del

helicóptero. Y su vez permite la adquisición de señales de posición del helicóptero y

también constan con una comunicación vía USB. La cual permite controlar el helicóptero

por medio de una interfaz visual desde el computador

2 ESTADO DEL ARTE

Desde hace varios años se han hecho publicaciones sobre control e implementación para

el helicóptero Quanser 2 dof, de los cuales podemos resaltar “CONTROL ROBUSTO DE

UN HELICÓPTERO DE DOS GRADOS DE LIBERTAD PIVOTADO” por EDWARD

HERNANDO BEJARANO BARRETO, donde realizo la comparación entre estrategias de

control clásicas como son LQR y LMI para un helicóptero de dos grados de libertad

basándose en los diseños del fabricante Quanser 2 Dof. En el cual hallo el modelo

matemático de la planta. [2]

En otra publicación anterior de estudiantes de la PONTIFICIA UNIVERSIDAD

JAVERIANA, “DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA TARJETA DE ADQUISICIÓN

DE DATOS INALÁMBRICA PARA EL CONTROL DEL HELICÓPTERO 2-DOF DE

QUANSER”, por ANGELICA MARIA HERNANDEZ BONILLA FERNANDO NICOLAS

VARGAS PLAZAS, donde desarrollaron e implementaron una tarjeta de adquisición

basada en un microcontrolador PIC de la familia 16F conectada a un módulo XBee el cual

se comunica inalámbricamente a otro módulo XBee y desde Matlab realizan el control del

helicóptero Quanser 2 Dof.[3]

En publicaciones como COMPARACIÓN DE UN CONTROLADOR LQR VS UN

CONTROLADOR PID IMPLEMENTADOS EN UN HELICÓPTERO DE DOS GRADOS

DE LIBERTAD PIVOTADO, CRISTIAN DAVID GONZALEZ URIBE, UNIVERSIDAD

DISTRITAL FRANCISCO JODE DE CALDAS, presenta el diseño Y comparación de un

controlador PID y un controlador LQR (Linear-Quadratic Regulator) para la

implementación de los mismos en una plataforma experimental de un helicóptero de dos

grados de libertad pivotado.[4]

Además, otra publicación sobre diseño de control del helicóptero es CONTROLADOR

ROBUSTO LMI PARA UN HELICÓPTERO DE DOS GRADOS DE LIBERTAD, OSCAR

IVÁN HIGUERA MARTÍNEZ, JUAN MAURICIO SALAMANCA, de la UNIVERSIDAD

PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA, donde presenta el diseño de un

controlador robusto H∞ usando técnicas de desigualdades matriciales lineales (LMI), para

controlar la posición de Pitch y de Yaw en un helicóptero. Se presenta el diseño de un

controlador FF+LMI con el propósito de conseguir la estabilización del sistema, y

adicionalmente se realiza el diseño de un controlador FF + LMI + Integrador, para hacer

que el error de seguimiento sea igual a cero.[5]

Y por último esta DIGITAL INTEGRATIVE LQR CONTROL OF A 2DOF HELICOPTER,

FERNANDO DOS SANTOS BARBOSA, GIOVANNI GALLON NETO, BRUNO

AUGUSTO ANGELICO, ESCUELA POLITÉCNICA DE LA UNIVERSIDAD DE SÃO

PAULO, SÃO PAULO, BRASIL, donde realizan un control robusto teniendo en cuenta

que el modelo hallado por el método de LaGrange es no lineal así que se proyecta un

controlador LQR digital utilizando antivuelco. [6]

3 PROTOTIPO

3.1 DIAGRAMA DE BLOQUES

En la figura 1 se aprecia el diagrama de bloques implementado para el desarrollo de la

interfaz de control para el helicóptero Quanser 2 Dof

Figura 1 Diagrama del Prototipo

3.1 HELICOPTERO

El helicóptero Quanser 2 Dof contiene 2 sensores tipo encoder que correspondes cada uno

de los dos grados de libertad (Pitch, Yaw), donde Yaw tiene una resolución de: 8192

conteos/revolución y Pitch 4096 conteos/revolución que se polarizan con 5v. Además,

contiene dos motores DC los cuales están posicionados en cada uno de los ejes de libertad

como se muestra en la figura 2 y figura 3

Figura 2 Diagrama de cuerpo libre mostrando de movimiento [7]

Figura 3 Quanser 2 DOF [7]

3.2 FUENTE

El bloque de fuente esta constituido por dos fuentes de poder (UPM-2405, UPM-1503

originales de la maqueta didáctica) las cuales se encargan de suministrar la potencia

deseada a cada uno de los motores del helicóptero. Están fuentes se controlan por medio de

una señal DC que varía entre +-5v donde un nivel de voltaje de 0v equivale a un punto de

equilibrio de no movimiento de los motores y su punto máximo como su punto mínimo

equivale a su máxima entrega de potencia en movimiento donde la diferencia entre mínimo y

máximo no mas es el sentido de giro

3.3 DAQ

Parte importante que permite establecer comunicación entre el PC, y captar las señales

procedentes de los encoders del helicóptero y a su vez permite realizar el enlace hacia las

fuentes de poder para permitir dosificar la potencia de cada motor. Este bloque consta con

sub bloques:

• Microcontrolador: en este bloque se selecciono un Psoc 5 (CY8C5888LTI-LP097) el

cual tiene 4 DAC de 8bit con 8Msps, modulo USB (full speed),y bloques dedicados

para la adquisición de las señales de los encoders , además tiene una frecuencia de

trabajo de 80 MHZ, este se encarga de establecer comunicación con el computador

por vía usb mediante un protocolo USB UART el cual ofrece un punto de

comunicación tipo COM, también encargado de realizar la recopilación de señales

para el adecuado uso del helicóptero

• Acondicionamiento: de la salida de los DACs del microcontrolador se obtiene una

señal en cada uno de ellos de 1V a 0v. el bloque de acondicionamiento se en carga de

amplificar los voltajes y de hacer un corrimiento de offset. para obtener una ventana

de voltaje de +-5v para el control de las fuentes de poder, en este bloque se usó un

integrado (Lm324), el cual contiene 4 amplificadores operaciones donde 2 ellos se

encargan de hacer la amplificación de ganancia de señal y 1 de hacer la corrección

del voltaje offset. El integrado esta conectado a una fuente dual de +10v y -10v para

su optimo uso

3.4 PC

En esta etapa es donde se ejecuta el software en este caso sería MATLAB R2017A el cual

ofrece una interfaz gráfica para su control (App designer) y una programación por tipo

bloques (simulink) la que se encarga de recibir los datos enviados por el micro controlador y

su ves de trasmitir los datos de manipulación

4. RESULTADOS

Los principales resultados de este proyecto es la elaboración de la tarjeta de adquisición de

datos como se muestra en la figura 4 y de una interfaz gráfica en MATLAB de control y su

comunicación entre si.

Figura 4 Tarjeta de adquisición de datos

Que está compuesta por un microcontrolador Psoc 5 el cual permite la manipulación y

adquisición de señales del helicóptero Quanser 2. Este microcontrolador se adecuo con los

bloques necesarios para que ofrezca un óptimo funcionamiento y fluidez de la aplicación

como se muestra en la figura 5

Figura 5 diseño de bloques utilizados para el funcionamiento del psoc

La comunicación establecida es por vía USB, utilizando el protocolo de comunicación UART

SERIAL, esta se pudo lograr con la facilidad de que el PSoC 5 contiene embebido un bloque

que permite establecer dicha comunicación, entre el pc y la tarjeta de adquisición. Dicha

comunicación está establecida a un (1) byte con una velocidad que puede establecerse entre

921600 baudios a 9600 baudios, que puede establecer el usuario al momento de crear el

puerto en el pc.

También hay que destacar que el acondicionamiento de señales que se basa en el arreglo de

unos cuantos amplificadores operacionales como se muestra en la figura 6

Figura 6 diseño esquemático acondicionamiento de señales de salida

Una vez con la culminación del desarrollo del hardware se procedió al desarrollo del software

en el entorno de simulink que ofrece Matlab, se adecuo las señales procedentes de la tarjeta

de adquisición para darles una mejor resolución y cambio de unidades como se observa en

la figura 7.

Figura 7 Modelo de bloques Simulink

Después se realizó una interfaz grafica usando la herramienta que ofrece Matlab para el

desarrollo de interfaz de usuario y muestras de datos. Esta interfaz contiene 2 dials que

cumplen con la función de manipulación del motor de Pitch y el otro con modificar el valor de

set point del motor Yaw el cual esta regido por un control PID. Dicho control PID se puede

configurar en la interfaz grafica ya que ofrece la posibilidad de agregar los datos de las

constantes como se muestra en la figura 8. También ofrece la posibilidad de mostrar dos

graficas correspondientes a los ángulos de inclinación con referencia al punto de inicio

mostrado en la figura 9.

Figura 8 Interfaz de control desarrollada en Matlab Figura 9 graficas ángulos de inclinación

Una vez hecho la interfaz visual se procedió a comprobar el sistema con un control PID sobre

eje Yaw con constantes del siguiente valor P=6, I=0.1, D=0.1 las cuales se seleccionaron

arbitrariamente y con setpoint de 90,180 y -180 grados con respecto al punto de referencia

inicial. Una vez finalizado la práctica se obtuvo las siguientes graficas (figura 10, figura 11 y

figura 12), en las cuales vemos la respuesta el control implementado.

Figura 10 Setpoint con 90 grados

Figura 11 Setpoint de 180 grados

Figura 12 Setpoint de -180 grados

Donde la línea amarilla representa el desplazamiento de Angulo del helicóptero y la línea

azul el setpoint. Cómo se puede observar en las gráficas anteriores una vez helicóptero llega

a la posición deseada por el usuario se observan unas oscilaciones generadas por la hélice

de Pitch. Además, cabe destacar que modelo de la planta es no lineal y por tal motivo

requiere un control mucho más robusto para así lograr un control más exacto y de mayor

precisión.

5. CONCLUSIONES

• Psoc 5 es una herramienta de muy alto nivel de versatilidad ya que ofrece muy buenas

herramientas para el desarrollo de dispositivos, ahorrando espacio y componentes y a

su vez brindando un sistema embebido muy flexible para la creación por parte de los

usuarios. Por lo que fue de mucha utilidad para la construcción de la tarjeta de

adquisición. ya que esta proveía los bloques adecuados para la facilidad de su

programación y desarrollo de la comunicación vía usb

• El entorno de desarrollo de Matlab en aplicaciones de interfaz brinda al usuario un

entorno amigable para la creación de aplicaciones, como no tiene mucho grado de

complejidad haciendo fácil la vinculación de la parte visual con la parte de control

hecha en simulink

• Simulink puede ser el mejor entorno de programación visual ya que le permite al

usuario un gran contenido de herramientas para realizar una programación versátil y

fácil de comprender, como contiene herramientas fáciles para establecer un protocolo

de comunicación tipo Uart Serial, esto facilito el montaje de la comunicación vía usb

con la tarjeta de adquisición. además, simplifica la elaboración de un controlador PID

ofreciendo un bloque exclusivo para el diseño de dicho controlador. Evitando: usar una

mayor área de trabajo y una mayor complejidad para su desarrollo

6. REFERECIAS

[1] G. Herrmann, “System Specifications 2 Dof Helicopter & 3 Dof Helicopter,” pp. 1–2, 2012.

[2] EDWARD HERNANDO BEJARANO BARRETO, “CONTROL ROBUSTO DE UN HELICÓPTERO DE DOS GRADOS DE LIBERTAD PIVOTADO,” Universidad Santo Tomas, 2017.

[3] A. Maria and H. Bonilla, “DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS INALÁMBRICA PARA EL CONTROL DEL HELICÓPTERO 2-DOF DE QUANSER®.,” PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE INGENIERIA CARRERA DE INGENIERIA ELECTRONICA, 2013.

[4] C. David and G. Uribe, “COMPARACIÓN DE UN CONTROLADOR LQR VS UN CONTROLADOR PID IMPLEMENTADOS EN UN HELICÓPTERO DE DOS GRADOS DE LIBERTAD PIVOTADO.,” 2016.

[5] O. Iván, H. J. Mauricio, E. D. I. Electrónica, U. Grupo, and D. E. De Ingeniería, “CONTROLADOR ROBUSTO LMI PARA UN HELICÓPTERO DE DOS GRADOS DE LIBERTAD,” pp. 47–57, 2015.

[6] C. C. G. Rodrigues, M. G. Todorov, and M. D. Fragoso, “DIGITAL INTEGRATIVE LQR CONTROL OF A 2DOF HELICOPTER,” Cba 2016, pp. 2944–2949, 2016.

[7] U. Manual, “Quanser 3-DOF Helicopter User Manual,” 2011.