Aquí podeis encontrar la publicación oficial de la resolución del premio, y también en la web de Josek (un saludo )

Los candidatos al premio, según las bases,  fueron los proyectos vinculados a las Comunidades Autónomas de Madrid, Valencia, Castilla y León y Aragón, habiéndose presentado en la categoría senior un total de 19 proyectos.

Previo a la entrega de premios, David Fernández, presidente del Grupo de Usuarios de Linux y Software Libre (GLUEM), ofreció una conferencia a cerca de “Qué es es Software Libre”, a modo de introducción. Os invito a que repaseis las diapositivas porque son interesantes y convincentes

Después de la conferencia se realizó la entrega de premios, comenzando por la categoría “Junior”. Los premiados fueron 

Juan Santamaría y Christian Blaya por el proyecto Gexal. Enhorabuena Juan y Christian!

Juan Santamaría y Christian Blaya

Ambos dos hicieron una presentación del proyecto, describiéndolo y dando detalles de cómo lo han realizado. Muy interesante chicos! Mucho ánimo para seguir con el buen trabajo

Posteriormente fue mi turno de presentar el proyecto y expliqué igualmente los inicios, de qué partes consta, qué utilizo como plataforma hardware y software (Pista para los que entran por primera vez: Arduino). Finalmente hice una demostración de cómo controlo la velocidad de los motores mediante el mando a distancia que también he construido para la ocasión. A continuación os dejo un par de imágenes, la primera una instantánea del aparato, Flyerball R4, y de mí mismo posando con la mega tarjeta

Flyerball R4 a 27 de Abril de 2010

Daniel Bernardos recibiendo el Primer Local en el CUSL por la Universidad Europea de Madrid

Agradecer desde aquí a Mario Mata, Sergio Bemposta y, en especial, a Diego Gachet, mi director de proyecto, todo el apoyo ofrecido. Y cómo olvidarme de Josek, un estupendo profesor pero mejor amigo Un saludo!

Y ahora a seguir currando

Para poder conseguir el objetivo 2 debemos:

• Desarrollar un algoritmo de control que a partir de los valores leídos por los sensores, varíe la velocidad de los motores. Estos algoritmos son también llamados PIDs.
• Filtrar los valores de los sensores para obtener una señal limpia. También es necesario mezclar los valores del acelerómetro y de los sensores de giro para obtener un buen feedback del sistema. El filtro a utilizar será algunas de las variantes del Filtro Kalman.

• La estructura es estable, habiendo sido construida en aluminio en base a unos planos determinados.
• La mecánica (motores, batería, controladores de velocidad) han sido fijados a la estructura, junto con las élices, lo que le confiere una estructura final a la aeronave suficiente como para cumplir los objetivos marcados.
• La electrónica también está finalizada, se ha comprobado que la plataforma de computación es estable y fiable para el proyecto, puediendose llevar a cabo en ella los cálculos necesarios para cumplir los objetivos. Los sensores también han sido testeados individualmente y en conjunto, viendo que arrojan resultados fiables.
• La placa donde los sensores han sido ensamblados cumple la función de cablear los mismos al Arduino, y ha sido testeada con el objetivo de comproblar que el cableado es correcto y es funcional. No presenta errores de soldadura ni de cortocircuitado.

Habiendo comprobado y conseguido los anteriores puntos, el proyecto permite a día de hoy:

• Controlar de forma manual la aeronave. El aparato finalmente elegido para el control manual es el joystick Wii Nunchuck de Nintendo. El funcionamiento y cómo interactúa el mando con Arduino está explicado en este mismo blog en la entrada “Control manual del Flyerball“
• Obtener los valores de aceleración y giro del Flyerball a través de los sensores. Dichos valores son enviados desde la aeronave hasta un PC, ambos conectados a través de un cable USB. Estos valores son fundamentales para poder realizar el algoritmo de control automático que controle la velocidad de cada uno de los motores dependiendo de la aceleración e inclinación de la aeronave.

Podeis encontrar los próximos pasos a desarrollar en la entrada de este mismo blog “Siguientes pasos“

Este mando permite controlar y variar la velocidad de los cuatro motores gracias al movimiento norte-sur-este-oeste del joystick disponible en el mando. Además dispone de otros dos botones más un acelerómetro a disposición del programador. Para leer los valores del joystick se usa la librería disponible en el blog de Tod E. Kurt y el adaptador que diseño para no tener que pelar los cables del mando.

Accesorio para hacer interactural el mando con Arduino:

El objetivo de este PCB es eliminar el cableado con cables (valga la redundancia) para pasar a un cableado por pistas en el circuito impreso. De esta forma se eliminan muchos errores en la fase de pruebas, ya que los cables pueden dar falsos contactos o incluso soltarse, pelarse…

La forma de la placa será idéntica a la forma del Arduino Mega, copiando exactamente las posiciones de los pines digitales, analógicos y demás que presenta aquella. De esta forma, al montarla encima del Arduino, los pines coincidirán perfectamente, creando un “segundo piso”. Se puede decir que diseñamos un módulo que encaja en el Arduino.

El programa elegido para el diseño de la placa es Eagle, que permite de forma gratuíta diseñar y exportar ficheros de PCB de hasta 2 capas. Para la versión de pago no existe limitación. El editor es intuitivo y potente. Permite generar ficheros Gerber que permiten mandar el diseño a un proceso de fabricación industrial. No obstante, también se pueden imprimir los diseñor y manufacturar en casa las placas, comprando los materiales necesarios (placa de cobre, ácidos, etc…) Para el proyecto usé el servicio de BatchPCB que me fabricó la placa con un acabado excelente.

A continuación podeis ver el proceso y los diferentes pasos para obtener una PCB.

[Imagenes del diseño]

[Imagenes de la placa ya fabricada]

Esta explicación pretende mostrar una analogía entre un aparato robótico y el propio cuerpo humano. La analogía es la siguiente:

Humano                               Robot

Columna vertebral          Estructura robótica

Cerebro                                Plataforma de computación

Sentidos                               Sensores

Piernas y brazos               Actuadores

Por tanto, análogamente, para dotar de control a la aeronave es necesario proveerla de una estructura (columna vertebral), plataforma de computación (cerebro), sensores (sentidos) y actuadores o motores (piernas y brazos).

Como se ha descrito anteriormente en la entrada de este mismo blog “Plataforma de control. Arduino“, se utiliza un Arduino Mega para la toma de decisiones a bordo de la aeronave. También se han detallado los actuadores que se encuentran disponibles para manejar el aparato en el apartado “Configuración mecánica del Flyerball“. Se trata de 4 motores cuya velocidad puede ser controlada por controladores de velocidad.

Más detalladamente, los controladores de velocidad “Speed Controller X-55-SB-Pro” nos proveen de una interfaz muy sencilla tipo servo, con una señal de Vcc, una de GND y otra señal digital. Vcc se conecta a +5V, GND a tierra y la señal digital a una señal del microcontrolador tipo PWM. En mi proyecto estoy usando una librería que permite definir el pulso de ancho de banda en microsegundos, lo cual brinda una gran precisión en el control de los motores. La librería ha sido escrita por Michael Margolis para Arduino liberada bajo la licencia “GNU Lesser General Public
  License” y se llama “ServoTimer2″. La podeis encontrar en el siguiente enlace.

Los sentidos de la aeronave son los sensores. Para este problema de estabilidad, se dota a la nave de sensores de aceleración y de giro. Opcionalmente se puede incluir un sensor de campo magnético.

Los sensores de giro elegidos son los siguientes:

Medición de Pitch y Roll: LPR503AL Dual 30º/s

Medición de Pitch y Yaw: LPY503AL Dual 30º/s

Cuanto menos grados por segundo midan los sensores de giro, más sensibles son a los cambios. Para este proyecto necesitamos unos sensores con esta sensibilidad ya que los giro son muy rápidos. A menor sensibilidad, mayor fuerza es necesaria para cambiar el estado de los sensores.

Para medir la aceleración he escogido el siguiente sensor:

Sensor de aceleración +-2g, 6g en 3 ejes LIS3LV02DQ

Un primer acercamiento al cableado consiste en presentar los sensores en una placa de entrenamiento y cablear las patillas a su correspondiente pin en el microcontrolador. Esta técnica es muy útil para prototipar de forma rápida, pero no resulta eficiente para una versión final del dispositivo. Los cables pueden presentar malas conexiones entre sí, pueden soltarse en el transcurso del funcionamiento, con lo que se descarta como opción para el desarrollo estable.

Un segundo acercamiento es diseñar una placa que albergue los sensores, la plataforma de computación y las interfaces a los actuadores. Este es el caso ideal, ya que en una misma placa tenemos todos los elementos necesarios para controlar la aeronave. No obstante, esta técnica requiere un conocimiento profundo de electrónica, de soldadura de componentes SMT y de un banco de pruebas de la placa muy profudo como para ser albergado en estre proyecto.

El acercamiento que se ha elegido para estre proyecto ha sido diseñar una placa que albergase los sensores con sus respectivas placas accesibles(breakout boards). Las breakout boards serán simplemente pinchadas encima de pines y el cableado irá dibujado como pistas en la placa principal. Esta placa así misma irá pinchada encima del Arduino Mega, lo que completará el proceso de cableado y eliminará errores sustanciales.

En el siguiente post podeis leer más a cerca del diseño de la placa de montaje de sensores: Diseño de la placa de montaje de sensores

• 4 motores “Hacker Brushless Motor A30-12XL”
• 4 controladores de velocidad “Speed Controller X-55-SB-Pro”
• 1 batería de polímero de litio de 4 celdas “TP-ProLite-V2-20C 3900 4S”
• 4 élices “APC 14×7 E Thin Electric Propeller”

Es muy importante asegurarse de que la relación entre motores, controladores de velocidad, élices y batería es perfecta. De esta manera aseguramos el máximo rendimiento de todos los elementos, y también la seguridad de que no vamos a quemar ningún elemento por exceso de potencia. Para recibir orientación sobre estas relaciones se puede visitar la siguiente tabla proviniente de Aero Model

TABLA COMPARATIVA

Alternativamente puedo configurar la aeronave como 4 pares de élices contrarotatorias “APC 12×3.8SFP Slow Flyer Counter Rotating Propellers” Podeis ampliar conocimiento en Wikipedia a cerca de las élices contrarotatorias

Además es necesario para trabajar con la batería los siguientes accesorios:

• Alimentador de corriente 12V 5A “Thunder Power RC 12V 5A Power Supply”
• Cargador de baterías de polímero de litio de hasta 5 celdas “ThunderPower Charger TP535C”
• Balanceador de carga de baterías de polímero de litio de hasta 5 celdas “Thunder Power LiPo-Balancer TP-205″

El control de forma externa consiste en enviar los valores de los sensores a bordo de la aeronave a una computadora, la cual realiza los cálculos oportunos para corregir el movimiento ésta, y los envía de vuelta a la aeronave, para que ésta corrija la velocidad de los motores. Esta forma de control es necesaria cuando los cálculos son muy complejos y requieren de una velocidad de computación y memoria importantes.

El control a bordo consiste en ubicar la plataforma de computación a bordo de la aeronave, de forma que no es necesario ningún tipo de comunicación con el exterior para corregir el control o tomar decisiones. Los sensores, actuadores y cálculos residen todos en la aeronave.

El el caso del Flyerball, la plataforma de computación elegida es Arduino, más concretamente Arduino Mega. Ha sido elegido debido a que es hardware y software libre, y también porque Arduino presenta un conjunto de librerías que permite comunicarse fácilmente con dispositivos a través de I2C y SPI. También contiene librerías para la comunicación por puerto serie, lectura y escritura de valores en señales digitales y analógicas, y un largo etcétera que lo convierte en una potente plataforma de desarrollo de hardware y software libre.

Para los profanos como yo hace 1 año, aquí teneis una breve introducción de cosecha propia de lo que es Arduino:

Arduino es una plataforma de computación física de hardware libre. También es un entorno de programación o IDE para la programación de dicha plataforma, también de software libre. Arduino está compuesto principalmente por un microcontrolador Atmel,  varios leds de control, resistencias, condensadores, puerto de entrada/salida, toma de corriente y algún elemento adicional. Básicamente brinda disponibles las entradas/salidas del microcontrolador a través de pines fácilmente accesibles.

El Arduino Mega ha sido elegido para el proyecto porque es el más potente de la gama, posee suficiente memoria para albergar el algoritmo de control y tiene gran versatilidad al presentar 4 vías de comunicación serie. Para más detalles, visitar la página oficial de descripción.

No obstante el diseño debe ser preciso, lo más exacto posible. Gracias a la ayuda de un muy buen amigo, Antonio de Frutos Esteban, conseguí crear unos planos que me permitieron crear las piezas y la estructura de la aeronave.

La estructura de la aeronave consiste en un cuadrado de 15cmx15cm al cual van ensamblados cuatro brazos de manera que conectan los vértices dos a dos. El diseño y corte de la estructura cuadrada es sencilla, pero para los brazos y acoples de los motores fue necesario el diseño de los mismos de manera precisa. A continuación se puede ver el diseño y dimensiones de las piezas.

En la figura “brazo 1″ se puede apreciar el acople circular que se hizo a una estructura rectangular para sujetar los motores a los brazos de la aeronave. En la figura “brazo 2″ se pueden apreciar las dimensiones de los brazos, que van anclados al cuerpo de forma cuadrada.

El siguiente paso en el desarrollo de la aeronave es la creación de una maqueta a escala real para observar las dimensiones de la aeronave. A continuación se puede observar la maqueta realizada en material cartón pluma.

[Imagen de la maqueta]

El último paso es producir la estructura en un material que aguante el peso y potencia de los motores. Se sopesaron varios materiales como la madera, el aluminio, varios tipos de fibras (vidrio, carbono), así como metacrilato. La madera se descartó porque no resistiría el peso de la aeronave. Las fibras tienen un elevado coste, por lo que se descartaron por falta de presupuesto, a pesar de ser la fibra de carbono el material óptimo. Finalmente se optó por el aluminio, que confiere resistencia, robustez y también un importante ahorro en el coste de producción.

A continuación se puede observar el resultado final del prototipo desarrollado en aluminio.

[Imagen de la aeronave en aluminio]