Diseño del sistema electrónico de un paracaídas autónomo para multirrotores

Abstract

[ES] La normativa internacional publicada por la EASA, Easy Access Rules for Unmanned Aircraft Systems 2020 y las disposiciones publicadas en España por el BOE, BOE-A-2020-2087, regulan muchos aspectos del vuelo, así como una gran multitud de factores como el diseño, utilización o fabricación de los vehículos aéreos no tripulados, denominados RPAS (Remotely Piloted Aircraft System). Uno de los aspectos más relevantes, es el uso de dispositivos de reducción de la energía de impacto o terminación de vuelo seguro en aquellas zonas con aglomeración de edificaciones o personas.

La utilización de un paracaídas es una de las alternativas más viables y sencillas para subsanar dicha regulación. El principal desafío que presentan estos sistemas es el despliegue automático del paracaídas, por ello, se diseña un sistema capaz de detectar comportamientos anómalos en el vuelo, caídas y giros fuera de control que requieran el despliegue del paracaídas. Se busca un dispositivo de bajo coste, que permita cumplir los requerimientos de seguridad y robustez necesarios, además de ser suficientemente versátil para su futura aplicación en vehículos diversos.

Se ha diseñado un sistema electrónico automático basado en un microcontrolador de 8 bits (ATmega328P) y un módulo IMU, GY-80, que integra en un único dispositivo tres sensores muy versátiles: el acelerómetro ADXL345, el giróscopo L3G4200D y el sensor de presión barométrico BMP085. Se ha construido una estructura de estabilización y protección que permite realizar las medidas de forma correcta evitando los errores sistemáticos. De esta forma, se realizan una serie de estudios para optimizar las prestaciones del dispositivo.

En primer lugar, se configuran los sensores estudiando sus diferentes modos de funcionamiento, y sus parámetros característicos, frecuencia de salida, ruido, sensibilidad¿. Seguidamente, se utilizan una serie de medidas para calibrar de forma individual cada sensor. Posteriormente, para validar el proceso de calibración, se realiza un estudio estadístico basado en la definición de intervalos de confianza. A continuación, con el objetivo de reducir el ruido de los sensores y fusionar su información se compara la estimación de dos filtros: el filtro complementario y el filtro de Kalman. Para ello se realiza un análisis exhaustivo de la configuración de cada filtro: influencia de sus parámetros característicos, respuesta temporal ante oscilaciones rápidas y lentas, estabilidad ante vibraciones estables y aisladas¿ Finalmente, se desarrolla el algoritmo de detección de comportamientos anómalos. Este algoritmo se basa en ocho funciones de detección distintas, para detectar todo tipo de comportamientos y dotar al sistema de redundancia, aumentando su robustez y reduciendo los falsos positivos. Además, se desarrolla una interfaz gráfica de usuario en MATLAB, donde se simula el funcionamiento por modos del sistema y se permite una elevada configuración de este.

[EN] The international regulations published by EASA, Easy Access Rules for Unmanned Aircraft Systems 2020 and the provisions published in Spain by the BOE, BOE-A-2020-2087, regulate many aspects of flight, as well as a multitude of factors such as the design, use or manufacture of unmanned aerial vehicles, called RPAS (Remotely Piloted Aircraft System). One of the most important aspects is the use of impact reduction devices or safe flight termination in those areas with buildings or people agglomeration.

The use of a parachute is one of the most viable and simple alternatives to remedy such regulation. The main challenge presented by these systems is the automatic deployment of the parachute, therefore, a system capable of detecting in-flight malfunction, falls and turns out-of-control that require parachute deployment is designed. The system has to be a low-cost device in order to fulfill the necessary safety and robustness requirements, in addition to being versatile enough for future application in various vehicles.

An automatic electronic system based on a 8-bit microcontroller (ATmega328P) and a module IMU, GY-80, has been designed. The module integrates three very versatile sensors into a single device: the accelerometer ADXL345, the L3G4200D gyroscope and the barometric pressure sensor BMP085. A stabilization and protection structure has been built to correctly perform measurements avoiding systematic errors. In this way, a series of studies are carried out to optimize the performance of the device.

First of all, the sensors are configured by studying their different operating modes, and their characteristic parameters, output frequency, noise, sensitivity¿ Then, a series of measurements are used to individually calibrate each sensor. Subsequently, to validate the calibration process, a statistical study is realized based on the definition of confidence intervals. Consecutively, in order to reduce the noise of the sensors and merge their information, the estimate of two filters is compared: complementary filter and Kalman filter. In this way, a thorough analysis of the configuration of each filter is performed: influence of its characteristic parameters, temporary response to rapid and slow oscillations, stability against stable and isolated vibrations... Finally, the algorithm for detecting malfunctions in-flight is developed. This algorithm is based on eight different detection functions, to detect all kinds of behaviors and provide redundancy to the system, increasing their robustness and reducing false positives. In addition, a graphical user interface is developed in MATLAB, where the operation by modes is simulated and a high configuration of system is allowed.

[CA] La normativa internacional publicada l’any 2020 per la EASA, Easy Access Rules for Unmanned Aircraft Systems 2020 i les disposicions publicades a Espanya al BOE, BOE-A-2020- 2087, regulen molts aspectes del vol, així com una gran quantitat de factors com el disseny, la utilització o la fabricació dels vehicles aeris no tripulats, denominats RPAS (Remotely Piloted Aircraft System). Un dels aspectes més rellevants, és l’ús de dispositius reductors de la energía de impacte o terminació de vol segur en aquelles zones amb una aglomeració d'edificacions o persones. La utilització d'un paracaigudes és una de les alternatives més viables i senzilles per a esmenar aquesta regulació. El principal repte que presenten aquests sistemes és l’obertura automàtica del paracaigudes, per això es dissenya un sistema capaç de detectar comportaments anòmals en el vol, caigudes i girs fora de control que necesiten l’obertura del paracaigudes. Es busca un dispositiu de baix cost, que permeta complir els requeriments de seguretat i robustesa necessaris, a més de ser prou versàtil per a la seua futura aplicació en vehicles diversos. S'ha dissenyat un sistema electrònic automàtic basat en un microcontrolador de 8 bits (ATmega328P) i un mòdul IMU, GY-80, que integra en un únic dispositiu tres sensors molt versàtils: l'acceleròmetre ADXL345, el giroscopi L3G4200D i el sensor de pressió baromètric BMP085. S'ha construït una estructura d'estabilització i protecció que permet realitzar les mesures de manera correcta evitant els errors sistemàtics. D'aquesta forma, es realitzen una sèrie d'estudis per optimitzar les prestacions del dispositiu. En primer lloc, es configuren els sensors estudiant els seus modes de funcionament, i els seus paràmetres característics, freqüència d'eixida, soroll, sensibilitat…. Seguidament, s'utilitzen una sèrie de mesures per a calibrar de manera individual cada sensor. Posteriorment, per a validar el procés de calibratge, es realitza un estudi estadístic basat en la definició d'intervals de confiança. A continuació, amb l'objectiu de reduir el soroll dels sensors i fusionar la seua informació es compara l'estimació de dos filtres: el filtre complementari i el filtre de Kalman. Per això es realitza una anàlisi exhaustiva de la configuració de cada filtre: influència dels seus paràmetres característics, resposta temporal davant oscil·lacions ràpides i lentes, estabilitat davant vibracions estables i aïllades… Finalment, es desenvolupa l'algoritme de detecció de comportaments anòmals. Aquest algoritme es basa en huit funcions de detecció diferents, per a detectar tot tipus de comportaments i dotar al sistema de redundància, augmentant la seua robustesa i reduint els falsos positius. A més, es desenvolupa una interfície gràfica d'usuari en MATLAB, on es simula el funcionament per modes del sistema i es permet una elevada configuració d'aquest.