Diseño de aviónica para helicóptero autónomo

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, 
TECNOLOGICO 
DE MONTERREY® 
Instituto Tecnológico y de Estudios 
Superiores de Monterrey 
Campus Ciudad de México 
División de Ingeniería y Arquitectura 
Ingeniería en Electrónica y Comunicaciones 
Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica 
"Diseño e implementación de la aviónica 
de un helicóptero R/C para la regulación 
en hover'' ·~ .l 
Autores: Mónica Fragancia Rivera Graciano 
Luis Rodrigo Mela Valenzuela 
Viciar Jonatan luna Viveros 
Alejandro Baltazar Alvarado 
Asesor: Dr. Ernesto Olguín Díaz 
México D.F. a 4 de mayo de 2004. 
ITESM 
UIIPUS ClUIJ.4.LJ 1.h MEXICO 
81BLlú1 ti.LA 
~ 
.~ 
, 
Indice General 
1 DESCRJPCIÓN DEL PROYECTO 3 
1.1 Alcance del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 
1.2 Estado del arte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 
1.3 Problemática y Justificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 
1.4 Objetivos y Metas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 
2 MODELO DEL HELICÓPTERO 5 
2.1 Modelo dinámico del helicóptero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 
2.1.1 Metodo de Euler-Lagrange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 
2.1.2 Cinemática de velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 
2.1.3 Método de Kirchhoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 
3 INSTRUlMENTACIÓN 11 
3.1 Sensores de posición generalizada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 
3.1.1 Si'itema de posicionamiento global o CPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 
3.1.2 Altímetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 
3.1.3 Inclinómetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 
3.1.4 Brújula Digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 
3.2 Aceleración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 
3.2.1 Acelerómetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 
4 ADQtnSICIÓN DE LOS DATOS 23 
4.0.2 Utilización del CODEC y del puerto serial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 
4.0.3 Uso del CODE COMPOSER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 
4.0.4 Programación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 
4.0.5 R.esultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 
4.0.6 MICROPROCESADOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 
4.0. 7 Manejo de las señales de control del multiplexor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 
4.0.8 Conexión entre el microprocesador y la interfaz RS232 . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 
4.1 MULTIPLEXAJE ............................................ 30 
4.1.1 Multiplexor ADC0816 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 
4.1.2 Multiplexor 74HC158 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 
4.1.3 Cable plano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 
5 TRANSMISIÓN DE LOS DATOS 35 
5.1 Modem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 
5.1.1 Configuración del Modem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 
5.1.2 Pruebas del Modem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 
1 
2 ÍNDICE GENERAL 
6 CAJA AVIÓNICA 41 
6.0.3 Cálculo de potencia, peso y dimensiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 
6.1 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 
6.1.1 'Irabajo a futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 
6.1.2 Comentarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 
A Estudio y análisis de los düerentes componentes disponibles en el mercado 45 
B Investigación adicional 51 
B.l Giroscopio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 
B.1.1 Definición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 
B.1.2 Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 
B.1.3 Modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 
B.2 Servomotores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 
B.2.1 Definición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 
B.2.2 Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 
B.2.3 Modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 
C DSP C5416 
D Codigo del microcontrolador 
53 
57 
Capítulo 1 
DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO 
El objetivo global del proyecto es realizar un helicóptero autónomo, es decir, que se mantenga suspendido en 
el aire a cierta altura donde la velocidad relativa del aire es cero con respecto a la tierra ( esto en inglés se le 
conoce con el nombre de hover ). Para esto se desarrollará una caja que contendrá los sensores de posición, 
aceleración, la electrónica de control y la transmisión de los datos a la base terrestre vía MODEM, a esta caja 
se le denomina aviónica. 
A través de un sistema de control remoto, desde una base terrestre, se le indicará al helicóptero a qué altura 
permanecerá suspendido y por medio de distintos dispositivos de posición como altímetros, inclinómetros, brújula 
digital, giroscopios y GPS se obtendrán las mediciones para obtener el estado del helicóptero. Conjuntamente 
por medio de dispositivos de aceleración, se obtendrán los datos para calcular la aceleración del helicóptero y 
por procedimientos matemáticos se tendrá la posición del mismo. 
Para complementar la aviónica, en un DSP se implementará un simulador para cálculos en tiempo real y 
también la ley de control que hará que el helicóptero se mantenga suspendido en la posición deseada. 
1.1 Alcance del proyecto 
Actualmente el costo de videograbar tomas aéreas es muy alto pues se considera el precio del helicóptero, un 
piloto especializado, un camarógrafo y un reportero (dependiendo de la empresa que utiliza este servicio), al 
tener un sistema de vuelo autónomo nos provee la capacidad de eliminar costos en esta tarea, pues se podrá 
implementar una video cámara que mandará la señal a una base terrestre y así eliminamos los costos del piloto, 
camarógrafo, reportero, helicóptero, etc. Además, el tamaño del helicóptero que utilizamos facilita el acceso a 
zonas sinuosas o de difícil movilidad para un helicóptero normal. 
Una de las características futuras del helicóptero será la evaluación de combustible para llegar a los lugares 
destino, es decir, si se le programa al helicóptero para ir a un cierto objetivo y considera que el combustible que 
tiene no le alcanza, irá a una base a recargarse del hidrocarburo apropiado. 
Cabe mencionar que este proyecto se realizará en varias facetas y con la colaboración de diferentes equipos en 
distintas áreas, este documento describe el modelo matemático del helicóptero, la investigación y pruebas de los 
componentes de posición y aceleración, la adquisición de los datos de los sensores y el método de la transmisión 
a la base terrestre. 
1.2 Estado del arte 
En larama de la Aviónica, para los sistemas de manejo de control que se utilizan hoy en día, se requieren 
de una gran variedad de circuitos integrados modernos, los cuales puedan tener un uso común junto con los 
procesadores, en este caso los DSP's que manejan muchas funciones del área de la Aviónica, incluyendo el manejo 
de los sensores de control, sensores de precisión, tareas de control de pista y funciones de control, también, se 
puede utilizar en el área de navegación. Es decir, estamos hablando de un vehículo aéreo robotizado, no 
tripulado, con despegue y aterrizaje vertical autónomo. 
3 
4 CAPÍTULO l. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO 
Con esto, podemos mencionar que los alcances de los aparatos de vuelo es hoy en día una maquina voladora 
de excepcionales características, capaz de actuar por sí sola, tomar sus propias decisiones durante el vuelo y con 
la misión de prestar ayuda en labores de búsqueda y rescate, investigación científica en el caso de los procesos de 
recolección de datos y muestras en sitios de difícil acceso, el estudio de los cambios climáticos, la contaminación 
del medio ambiente, la prevención y aviso de incendios forestales. También puede utilizarse como ayuda en la 
organización del tránsito vehicular en las ciudades y carreteras, o como soporte para las emisoras de TV y radio 
en la transmisión de noticias "en vivo ". 
En este tipo de proyectos, podemos mencionar que su arquitectura se ha implementado con el objetivo de 
brindar al aerovehículo una total autononúa en sus procedimientos de control de vuelo. La alta complejidad, 
y la necesidad de una gran exactitud en los cálculos y procesos computacionales para la ejecución de las leyes 
de control han hecho prioritario que el sistema diseñado ofrezca características importantes tales como una alta 
velocidad de adquisición de los datos provenientes de los sensores, alta velocidad de procesamiento y respuesta, 
comunicación ínterprocesador, etc, rasgos óptimos en un procesador digital de señal (DSP). 
Cada procesador realiza una tarea independiente y paralela en tiempo real, permitiendo así una mayor 
velocidad de proceso y optimizando el desempeño de la aeronave. 
Conforme con el objetivo para lo que se requiera el aerorobot, encontramos las siguientes misiones: 
• Labores de búsqueda y rescates 
• Investigación científica (estudio de la contaminación ambiental, los cambios climáticos, etc). 
• Control del tránsito vehicular. 
• Plataforma de investigación en Robótica Aeroespacial. 
1.3 Problemática y Justificación 
En el siguiente capítulo se describe el modelo dinámico del helicóptero (ecuaciones 2.20 y 2.21) donde se justica 
porque es necesario conocer la posición global del helicóptero (p) en todo momento y de esta forma determinar 
la velocidad (q) y la aceleración (q). También en un proceso inverso si conocemos la aceleración q, podriamos 
obtener la posición global p del helicóptero. 
Para conocer la posición globlal del helicóptero utilizaremos dispositivos electrónicos, el desplazamiento en 
x y en y se obtendrá con un GPS, la altura en z se conocerá por medio de un altímetro; los movimientos 
rotacionales en los ángulos </J y 0 se harán por medio de inclin6metros y para el ángulo de guiñada 'lj; con una 
brújula Y para obtener los valores de aceleración v y w utlilizaremos un acelerómetro y un giroscopio. 
Ahora bien, parte de las especificaciones del helicóptero es que resiste un peso máximo de despegue de 18 
lbs (aproximadamente 9 kg), considerando que el helicóptero pesa 9 lbs (aproximadamente 4.5 kg), tenemos 
únicamente 9 lbs para la caja de aviónica pero este peso máximo de despegue es a nivel del mar, a la altura de 
la Ciudad de México es únicamente el 60% por la altitud, es decir, 12 lbs, y el peso del helicóptero es el mismo 
por lo que únicamente tenemos 3 lbs (aproximadamente 1.5 kg) para la caja aviónica [l]. 
1.4 Objetivos y Metas 
Los objetivos son los siguientes: 
• Investigación y adquisición de los instrumentos de posición y aceleración disponibles en el mercado ade-
cuados para cubrir las especificaciones del helicóptero modelo X-Cell 90 entre la que destaca el peso extra 
que soporta. 
• Realizar la conexión de los diversos instrumentos de posición y aceleración. 
• Efectuar la conversión de los datos analógicos de los dispositivos a digital y enviarlos por el puerto serial 
{de un DSP) al MODEM para su transmisión. 
• Implementar un MODEM para la transmisión de los datos a la base terrestre y desarrollar un software en 
la misma que interprete los valores que son recibidos. 
Capítulo 2 
MODELO DEL HELICÓPTERO 
Para realizar el análisis de los movimientos del helicóptero lo haremos por medio de un referencial de ejes 
coordenados fijos a tierra y otro que tenga el origen en un punto del helicóptero (figura 2.1); consideraremos en 
el segundo marco de referencia a la parte positiva de x hacia adelante, y hacia estribor y z hacia abajo, este 
último es por convención de la aviación para que la fuerza de gravedad y el eje tengan el mismo sentido, es 
decir, que el sentido del eje apunte hacia el centro de gravedad de la tierra. 
Además el helicóptero presenta movimientos rotacionales en x-y-z (figura 2.1). Lo cual significa que la 
rotación del ángulo de alabeo(</>) es alrededor de x, la rotación del ángulo de cabeceo (0) es alrededor del eje y 
y finalmente, el ángulo de guiñada ( 1/;) realiza su rotación alrededor del eje z con los siguientes rangos: 
</> [- 71", + 1r] 
0 [- 1r/2, + 1r/2] 
1/; [- 71", + 1r] 
z 
Figura 2.1: Ejes coordenados x, y, z. Ángulos alabeo(</>), cabeceo (0) y guiñada('I/;) 
Para obtener la posición del helicóptero desde el eje fijo, es decir, para trasladar los valores del marco de 
referencia en el helicóptero al de tierra se hace por medio de la relación 2.1.[5] 
(2.1) 
donde p(O) es el marco de referencia inercial fijo a tierra, pM es el marco inercial en el helicóptero y R/í es 
una matriz de rotación definida en la ecuación 2.2.[5] 
5 
6 CAPÍTULO 2. MODELO DEL HELICÓPTERO 
Ro Rz,,¡,Ily,0Rx,<1> (2.2) 
[ e,/, -s~ O ][ ~ O s8 ][ 1 o 
o l S'lp Clp Ü Ü 1 Ü Ü c4> -s</> 
O O 1 -s0 O c0 O s<j) c<j) 
[ c,J,cl) -s,¡,,xp + c,f,s8s,t, s~s<f, + c,f,s8c,/, l 
s'lj}c0 c¡/Jc<f> + s'lj}s0s<j) -c¡/Js<j) + s'lj}s0c<p 
-s0 c0s<p cfJc<p 
De la ecuación 2.2, Cx = cos(x) y sx = seno(x). 
(2.3) 
Una de las propiedades de la matriz de rotación R0 es la que se muestra en la ecuación 2.3, por lo que si 
tenemos la posición en el referencial inercial fijo a tierra, por medio de la transpuesta de la matriz rotacional 
podemos tener la posición en el referencial inercial del helicóptero, es decir: 
De la ecuación 2.3, mT es la matriz Ro transpuesta y / es una matriz identidad. 
2.1 Modelo dinámico del helicóptero 
2.1.1 Metodo de Euler-Lagrange 
Él modelo dinámico del helicóptero (ver[5]) puede ser determinado por las ecuaciones de Euler-Lagrange 
(ecuación 2.4) o por la fórmula de Newton-Euler. 
El método de Euler-Lagrange se basa en como varía la energía por cada eje coordenado. La ecuación 
Euler-Lagrange es: 
d 8L 8L 
----=T 
dt 8q 8q 
(2.4) 
donde L es el "Lagragiano" del sistema definido como la diferencia entre la energía cinética y la potencial 
L~K-U. 
En forma vectorial, la energía cinética del helicóptero está expresada como: 
(2.5) 
mv es la masa del helicóptero, /3 es una matriz identidad, lv E R3x3 es un tensor constante de inercia del 
helicóptero, ves un vector de la velocidad lineal y Wv es un vector de velocidad angular. 
El primer término en la ecuación 2.5 representa la energía cinética lineal mientras que el segundo término 
representa la energía cinética angular. 
Ahora bien, podernos reescribir la ecuación 2.5 de la siguiente manera: 
K = ~i{H(q)q 
2 
donde q = [ x iJ z </J iJ ~ ] T y H ( q) es una matriz de inercias que depende de q. 
Ahora bien, sustituyendo 2.6 en 2.4, obtenernos los siguientes términos 
(2.6) 
2.1. MODELO DINÁMICO DEL HELICÓPTERO 7 
8L 
H(q)q 
a4 
d 8L 
H(q)q + H(q)q dt8q 
oL 8K au---
8q 8q 8q 
Por lo tanto la ecuación 2.4 queda de la siguiente manera: 
H(q)q+ (H(q)q - aK) + au = Tq = ( Txyz ) 
8q 8q Trpy 
H ( q) q es el producto de la masa por la aceleración, ( H ( q)q - ~~) = C ( q, q) q que son las fuerzas de 
Coriolis y i~ = g ( q) es un vector gravitacional. 
Finalmente, la ecuación que caracteriza el comportamiento dinámico del helicóptero queda de la siguiente 
forma: 
H(q)q+C(q,q)q + g(q) = Tq (2.7) 
2. 1.2 Cinemática de velocidad 
La posición global p del helicóptero la definimos en la ecuación 2.8 
(2.8) 
donde, 
y 
En la sección anterior vimos que q = [ Vv Wv r' podemos observar que Vv = d, pero no es cierto que 
wv = -y, por lo que Wv-:/ -y. Existe una matriz que relaciona Wv con i' y es la ecuación 2.9. [5] 
w=J(-y)-y 
donde el operador J ('Y) está definido como sigue 
[ 
cos ,,¡; cos 0 - sin ,,¡; o~ l 
J(-y) = sin'lj;cos0 cos'I/J 
-sin0 O 
y 
(2.9) 
8 CAPÍTULO 2. MODELO DEL HELICÓPTERO 
Finalmente, se puede definir una matriz de velocidades expresadas en el referencial del helicóptero por medio 
de la ecuación 2.10. 
!±.. ( d(v) ) _ ( V ) 
V- wM - w (2.10) 
donde v = (vx,Vy,vzf y w = (wx,Wy,wz). La relación entre la velocidad v y la velocidad generalizada q es 
conocida como la ecuación cinemática del helicóptero y dada por la ecuación 2.11. 
(2.11) 
donde Jv ( q) también es un operador lineal definido en la ecuación 
Jv (q) = [ m ('y) ] E R6x6 floT('y)J('y) 
2.1.3 Método de Kirchhoff 
La definición por medio del método Newton-Euler se encuentra en el referencial inercial fijo a tierra, es un 
método general pero no es válido para el helicóptero, por lo que utilizamos el método de Kirchoff de un cuerpo 
rígido en el espacio definido en la ecuaciones 
d8K 8K 
--+wx-=f 
dt av 8v 
(2.12) 
d 8K 8K 8K 
--+wx-+vx-=n 
dt aw aw av 
(2.13) 
donde K es la energía cinética de la masa en movimiento, v es la velocidad lineal, w es la velocidad angular 
del helicóptero, f es un vector de fuerzas exógenas y n el vector de momentos exógenos ejercidos sobre el 
helicóptero. Las velocidades y fuerzas son descritas desde el referencial del helicóptero. La energía cinética del 
helicóptero se puede expresar mediante la ecuación 
1 
K = 2vr Mv (2.14) 
Mes una matriz constante que se define en la ecuación 2.15. 
(2.15) 
mvS[r] es llamado el primer momento de inercia de mv. rv = [ Tx Ty Tz r que es la distancia del 
referencial del velúculo al centro de masas. Iv es el tensor de inercias relativo al centro de masas y S [a] es 
una matriz simétrica sesgada (definida en [5]) del vector a que representa el producto cruz (a x b = S [a] by 
S [af = -S [al). Ecuación 2.16. 
[{ -az ¾ l S[a] ~ o -ax (2.16) ax o 
Así que la ecuación 2.15 queda de la siguiente manera: 
m o o o mTz -mTy 
o m o -mTz o mTx 
M= 
o o m mTy -mTx o 
o -mTz mry lxx lxy fxz 
mTz o -mTx lxy Iyy lyz 
-mTy mTx o fxz Iyz fzz 
2.1. MODELO DINÁMICO DEL HELICÓPTERO 9 
Definimos el tensor de fuerzas como F ~ (f7', nT), si desarrollamos las ecuaciones 2.12 y 2.13 y la expresión 
de la energía cinética 2.14, se tiene la ecuación 
Mv+C(v)=F (2.17) 
donde el término C( v) es el vector de las fuerzas de Coriolis definido en la ecuación 2.18. 
C(v) = ( m,, (w,, x v,,) + m,, [w,, x (w,, x rv)] ) 
-m,, [(w,, x v,,) x rv] + w,, x I,,w,, (2.18) 
• El término w,, x v,, es la aceleración de Coriolis (m/s2] 
• El témino w,, x (w,, x rv) es la aceleración centrífuga (m/s2] 
• El término w,, x I,,w,, es el torque giroscópico [N · m] 
El tensor de fuerzas F incluye las fuerzas de gravedad F 9 , las fuerzas aerodinámicas de tracción FT (produci-
das por las aspas de los rotores y que generan el movimiento del vehículo) y las fuerzas aerodinámicas disipati~ 
F D (producidas por la fricción del aire sobre el fuselaje del vehículo). Por lo tanto, el tensor quedaría de la 
forma F = F9 +FT +Fv. 
F9 es el tensor de gravedad dado por F9 = -g(q) y g(q) es el vector de gravedad1 que se define por la 
ecuación 2.19. 
FT, fueIZ88 aerodinámicas de tracción, está dado por la siguiente ecuación: 
FT=Bu 
donde u es el vector definido por los componentes de las fuerzas de la. colectivos y los ciclicos. 
cíclico longitudinal 
cíclico lateral 
colectivo del rotor principal 
colectivo del rotor de cola 
(en dirección x,,) 
( en dirección Yv) 
( en dirección z,,) 
( en dirección Yv) 
y B es el operador que distribuye los efectos de estas fuerzas de tracción y la matriz es: 
1 o o o 
o 1 o 1 
B= 
o o -1 o 
o lldrpll o o 
lldrpll o o o 
o o o lldrcll 
(2.19) 
F D, fuerzas disipati~ aerodinámicas, son aquellas provocadas por las fueIY.85 de sustentación y arr~re del 
fuselaje del helicóptero al desplazarse por el aire, estas dependen cuadráticamente de la velocidad relativa del 
helicóptero y el viento y está dado por la ecuación siguiente: 
Fv = -D(llvll)v 
Donde D (llvll) 3> O 
Finalmente, el modelo dinámico completo del helicóptero, usando la formulación de Kirchhoff, se expresa 
como sigue: 
1 El signo negativo es debido a que el eje zo es positivo hacia el centro de gravedad de la tierra 
10 CAPITULO 2. MODEW DEL HELICÓPTERO 
Mv + C(v) + D(llvll)v + g(q) = Bu 
V Jv(q)q 
(2.20) 
(2.21) 
donde las ecuaciones 2.20 y 2.21 son llamadas ecuación dinámica y ecuación cinemátic.a respectivamente. 
Por lo tanto requerimos conocer la posición, aceleración y velocidad del helicóptero para cubrir las incógnitas 
de las ecuaciones 2.20 y 2.21, para conocer la velocidad relativa del helicóptero ( v) tendríamos que conocer la 
velocidad del viento, lo cual es bastante complicado debido a los instrumentos de medición (venturis), por lo que 
nos enfocaremos a conocer la posición y aceleración del helicóptero y por medio de procedimientos matemáticos 
obtendremos la velocidad. 
En el siguiente capítulo describiremos los instrumentos necesarios para obtener la posición ( q) y la aceleración 
(q). 
Capítulo 3 
INSTRUMENTACIÓN 
3.1 Sensores de posición generalizada 
Para conocer la posición globlal del helicóptero utilizaremos dispositivos electrónicos, el desplazamiento en x y 
en y se obtendrá. con un GPS, la altura en z se conocerá por medio de un alt<metro; los movimientos rotacionales 
en los ángulos ,jJ y 9 se harán por medio de inclín6metros y para el ángulo de guiñada 1P con una brújula. Y 
para obtener los valores de aceleración v y w utlilizaremos un aceler6metro y un giroscopio. 
3.1.1 Sistema de posicionamiento global o GPS 
El GPS o sistema de posicionamiento Global (Global Positioning System) es un sofisticado sistema de orientación 
y navegación cuyo funcionamiento está. basado en la recepción y procesamiento de las informaciones emitidas 
por una constelación de 24 satélites conocida como NAVSTAR, ubicados en diferentes órbitas a unos 20.000 km 
por encima de la superficie terrestre[6]. 
Funcionamiento Cada satélite de la constelación GPS emite continuamente dos códigos de datos diferentes 
en formato digital. Estos datos son transmitidos por medio de señales de radio. 
Uno de los códigos está reservado para uso exclusivamente militar y no puede ser captado por los receptores 
GPS civiles. El otro código, (de uso civil} transmite dos series de datos conocidas como ALMANAQUE y 
EFEMERlDES. Los datos ofrecidos por el almanaque y las efemérides informan sobre el estado operativo de 
funcionamiento del satélite, su situación orbital, la fecha y la hora. 
Obviamente cada satélite emite sus propias efemérides y almanaque que incluyen un código de identificación 
específico para cada satélite. Los satélites están equipados con relojes atómicos que garantizan una alta precisión 
con un error estimado en un segundo cada 70.000 años. 
Un receptor GPS debe disponer en su memoria del almanaque y las efemérides actualizadas (si no lo están 
se actualizan automáticamente en poco tiempo, cuando el receptor sintonice las señales emitidas por un mínimo 
de tres satélites), de esta manera sabrá donde buscar los satélites en el firmamento.Los satélites transmiten 
continuamente su situación orbitaly la hora exacta. El tiempo transcurrido entre la emisión de los satélites 
y la recepción de la señal por parte del receptor GPS, se convierte en distancia mediante una simple fórmula 
aritmética (el tiempo es medido en nanosegundos). Al captar las señales de un mínimo de tres satélites, por 
triangulación el receptor GPS determina la posición que ocupa sobre la superficie de la tierra mediante el 
valor de las coordenadas de longitud y latitud (dos dimensiones). Dichas coordenadas pueden venir expresadas 
en grados, minutos y/ o segundos o en las unidades de medición utilizadas en otros sistemas geodésicos. La 
captación de cuatro o más satélites facilita, además, la altura del receptor con respecto al nivel del mar ( tres 
dimensiones). Las coordenadas de posición y otras informaciones que puede facilitar el receptor, se actualizan 
cada segundo o cada dos segundos [6]. 
Modelo utilizado La investigación de los dispositivos disponibles en el mercado se encuetra en el Apéndice 
B. Para tener todas la ventajas del GPS, utilizaremos un receptor GPS de módulo OEM (sus siglas en inglés 
Original Equipment Manufacturers). Los módulos OEM hacen frente al desafío de elegir un GPS que resuelva 
11 
12 CAPÍTULO 3. INSTRUMENTACIÓN 
una tarea específica. Como el OEM es únkamente el circuito, facilita la adquisición de datos para ser procesada 
y por lo tanto podamos adquirir los datos de la ubicación del helicóptero. 
Se escogió el GPS SuperStarll de la marca NovAtel porque cumplió con las especificaciones (tabla 3.1) de 
peso, dimensiones, exactitud y consumo de potencia. Otra consideración importante que se tenía en el GPS era 
que nos diera las mediciones de posición (x e y) y altura (z). El tiempo en el que se actualiza la información es 
de un segundo {típicamente), lo cual no satisface las necesidades del proyecto pues para poder realizar el control 
del helicóptero, el muestreo de un segundo es mucho tiempo por lo que utilizaremos el método de la aceleración 
descrita en el capítulo anterior para conocer la posición y un altímetro para la altura. El GPS se utilizará para 
corroborar que el helicóptero esté cambiando la posición a la deseada y de esta manera no importa que el tiempo 
de muestreo sea de un segundo. 
Existían varías opciones que cumplían con las especificaciones antes mencionadas, pero se decidió este modelo 
debido a que en el artículo [1], que trata de un proyecto semejante, usaron el GPS Superstar y su función era 
la misma para la cual lo utilizaremos, gracias a ésto y a que satisface nuestras necesidades el modelo de GPS 
antes mencionado es el que vamos a utilizar. 
MARCA: 
MODELO: 
CARACTERÍSTICAS 
Voltaje requerido 
Corriente requerida: 
Rango de Temperatura: 
Exactitud: 
Tiempo de respuesta: 
NovAtel 
Superstar II 
MEDIDA 
5 
240 
-30 a +75 
1 
3 
1 
UNIDADES 
Volts 
mA 
ºC 
m (DGPS) 
m (WASS) 
Hz 
Tabla 3.1: Especificaciones técnicas del GPS 
De las hojas especifcaciones del GPS tenemos que se tienen que conectar los pines que se muestran en la 
tabla 3.2 
No de pin Conexión 
2 5 Volts 
10,13,16,18 Tierra 
11 Tx 
12 Rx 
Tabla 3.2: Pines del GPS 
Pruebas Primeramente instalamos el software que viene con el GPS en la computadora, luego, conectamos la 
recepción y transmisión del GPS a una interfaz (Circuito Integrado) RS232 para cambiar los valores de voltaje 
de TTL a -10 Volts y + 10 Volts, posteriormente realizamos la conexión con el GPS que fue exitosa pero el GPS 
no funcionó debido a que necesitamos una antena pasiva marca NOVATEL para que opere. Lo que obtuvimos 
fue un mensaje en la hyperterminal del software instalado ( como se muestra en la figura 3.1) que indica la 
inicialización del GPS y después una interrupción de un vector debido a la falta de la antena pasiva NOVATEL. 
Por lo tanto, no se pudo verificar el funcionamiento correcto del GPS. 
3. 1.2 Altímetro 
El altímetro o sensor de presión barométrica se usa para hacer mediciones de presión barométrica en una amplia 
variedad de aplicaciones meteorológicas y aeroespaciales como los son los vehículos manejados por humanos o 
los que no se manejan por tales, obtención de datos oceonográficos, estaciones meteorológicas remotas y medidas 
propias del aire [10] y [11]. 
3.1. SENSORES DE POSICIÓN GENERALIZADA 
~ Gp~ No1epad 
frie Edil Secmi t:lelp 
" HovAtel Inc.1.11 .. SSII 
ú 
DI 
PSH: UXGlllll6111117 
UCPB: lx955212A5 
PCPB: lxlHD831t 
GD 
< 
HovAtel Inc. 
S/W Uersion: 1.11 .. L1 
CB=lxllllll3F SHP Abort Exception 
SPSR: lx61111•9 Supervi5or Stack: lx2117Flt1CfJQ Stack: lx6111.21 Addre55: lbcllDBD6C 
Callin9FunctionLR: lxlllm751 CallingFunctionStack:lxllllllll 11111111111 lxllllllll 1111111111111111111111 lxllllllll 
lxllllllll lx"'2111111 lx2117FWI lx11111111 lx21l7F.-cl 1x1m22FC 1113FA66666 .......... 1112•11FIIII 1x2••1152C 
13 
Interrupt Uectors:lxEAlllll7 lxEAII .. FE lxEAIIIFFE lxEAIIIFFE lxEAN.-FE 1x•11137Alt lxEAII .. FE llcEAII .. FE lxEA1•1•9 
lxE1AIIIII 
HovAtel Inc.1.11 .. SSII 
ú 
DI 
PSH: UXGlllll6111117 
UCPB: lx955212A5 
PCPB: lxllll3831t 
Figura 3.1: Prueba del GPS 
Funcionamiento Los altímetros basan su funcionamiento en la medida de las variaciones verticales de la 
presión atmosférica, que desciende (junto con la temperatura) al aumentar la altitud. 
Tienen un sistema de medición a base de un sensor piewresistivo de silicón que contiene elementos sensibles 
a la presión y a la temperatura. Señales digitales que representan la temperatura y la presión son procesadas 
por un microprocesador que da una temperatura totalmente compensada y lecturas de presión calibradas [10] 
y [11]. 
Modelo utilizado Debido a que los altímetros disponibles en el mercado son demasiado caros ( como se 
puede corroborar en el Apéndice B), nos inclinamos por un sensor con aplicaciones de altímetro o barómetro de 
Motorola. Las especificaciones técnicas de este modelo se presentan en la tabla 3.3. 
MARCA: 
MODELO: 
CARACTERÍSTICAS 
Voltaje requerido 
Corriente requerida: 
Rango de Temperatura: 
Error: 
Tiempo de respuesta: 
Sensibilidad 
Rango de Presión 
Motorola 
MPX4115A 
MEDIDA 
5 
7 
-40 a +125 
1.5 
100 
45.9 
15 a 115 
UNIDADES 
Volts 
mA 
ºC 
% 
Hz 
mV/kPa 
kPa 
Tabla 3.3: Especificaciones técnicas del altímetro 
De la hoja de especificaciones del altímetro [19], obtenemos los pines y su función (tabla 3.4). El altímetro 
tiene una parte gris y otra negra, la forma de nombrar los pines es, viendo de frente la parte gris, se numeran 
los pines de izquierda a derecha. 
14 CAPÍTULO 3. INSTRUMENTACIÓN 
No de pin Conexión 
1 V salida 
2 Tierra 
3 +5V 
4 NC 
5 NC 
6 NC 
Tabla 3.4: Pines del altímetro 
Pruebas Para que funcione el altímetro debe de ponerse de manera horizontal ya que el valor está dado por 
la diferencia de presiones. 
Como podemos observar en la Figura 4 de la hoja de especificaciones del altímetro ([19]) la relación entre el 
Voltaje de salida y la presión barométrica es lineal dada por la fórmula 3.1. 
Vour 0.095 
PBarométrica = 0.045 + 0.009 (3.1) 
Para obtener la altura mediante la variación de la presión, consideramos que el sistema es isotérmico y que 
la variación de la presión en función de la altitud está dada por la ley de Laplace [23]: 
(-Mgx) p = Poexp NAkT 
donde, 
Po es la presión de la atmósfera (1.103 x lü5 Pa) [22] 
Mes el peso molegular del aire (0.0288 kg/mol) 
g es la aceleración de la gravedad (9.8 m/s2) 
k es la constante de Boltzmann (1.3805x 10-23 J/K) 
Tes la temperatura de la atmósfera en Kelvin 
NA es el número de avogadro (6.0225x 1023 ) 
Aunque la atmósfera no es isotérmica, consideramos que la temperatura es de 25ºC, que es igual a 298.15K 
y sustituyendo los valores, la fórmula quedaría de la siguiente forma 
P = Poexp (87;;73) 
y de la fórmula anterior despejamos la altura, ya que la presión P es el valor que obtuvimos del altímetro y 
tendríamos finalmente: 
Alt = -8782 73 ln ( PBarométrica) 
ura · 1.103 x 105 
3.1.3 Inclinómetro 
Estos sensores sirven para medir la inclinación, el ángulo de un objetocon respecto a un eje horizontal (figura 
3.2). 
Funcionamiento :Están formados por un electrolito (liquido conductor} situado en un recipiente en el cual 
hay introducidos dos electrodos de platino enfrentados y ambos con una parte fuera del electrolito. Cuando el 
sensor se inclina, uno de los electrodos entra más en contacto con el electrolito y el otro menos. Si se miden las 
corrientes de salida de los electrodos, es posible determinar el ángulo de inclinación [12]. 
3.1. SENSORES DE POSICIÓN GENERALIZADA 15 
~ 
flro,llo de ln:lnll:IOn 
IG-avmad • ~-
Figura 3.2: Sensor de inclinación 
Modelo utilizado El modelo que utilizamos y la tabla de especificaciones de los datos que nos interesan se 
encuentran en la tabla 3.5. 
MARCA: Crossbow 
MODELO: CXTA02 
CARACTERÍSTICAS MEDIDA UNIDADES 
Voltaje requerido 6 a 30 Volts 
Corriente requerida: 8 mA 
Rango de Temperatura: -40 a +85 ºC 
Sensibilidad: 0.1 mV/° 
Rango de medición: (± 75) o 
No. de ejes: 2 xey 
Tiempo de respuesta: 6 Hz 
Voltaje de ángulo cero 2.5 ± 0.15 Volts 
Tabla 3.5: Especificaciones técnicas del inclinómetro 
Decidimos que fuera este básicamente por el precio ya que el inclinómetro digital cubre un mayor rango de 
medición (90º) pero el precio es muy alto comparado con este (estos datos se pueden revisar en el Apéndice B). 
De la hoja de especificaciones del inclinómetro [15], obtenemos los pines y su función (tabla 3.6), el pin 1 es 
el que se encuentra más cercano a la muesca del conector y el pin 5, por ende, el más lejano. 
No de pin Conexión 
1 6 a30 V 
2 Tierra 
3 Alabeo (<P) 
4 Cabeceo (0) 
5 Temp (opcional) 
Tabla 3.6: Pines del inclinómetro 
Pruebas Se utilizó una fuente de alimentación constante de 12 volts, debido a que algunos de los componentes 
que utilizaremos trabajan con este voltaje, las tablas que se muestran a continuación nos darán la información 
de cada uno de los movimientos dentro del inclinómetro. 
Angulo </J (alabeo), alrededor de x 
El ángulo cero es el sensor sin inclinación, es decir, sin movimiento, fijo en el origen, este tiene un voltaje de 
salida o voltaje de offset que es de 2.6 V para el eje x. A partir de aquí empezamos a girar el inclinómetro hacia 
16 CAPÍTULO 3. INSTRUMENTACIÓN 
el lado positivo y negativo de dicho eje como se observa en la figura 3.3, obteniendo los datos que se observan 
en la tabla 3.7, realizamos una gráfica para comparar el voltaje de salida contra el ángulo como se observa en 
la figura 3.4. 
Giro(º) Vsalida {Volts) Giro(º) V salida (Volts) 
-90 0.553 10 2.93 
-80 0.585 20 3.26 
-70 0.682 30 3.57 
-60 0.844 40 3.85 
-50 1.06 50 4.11 
-40 1.344 60 4.28 
-30 1.625 70 4.42 
-20 1.94 80 4.50 
-10 2.31 90 4.50 
Tabla 3. 7: Valores de inclinación alrededor del eje x 
Figura 3.3: Movimientos del inclinómetro alrededor del eje x 
E 
! 
Anggo de alabeo alrededor de ·x-
. .. 
. __,r 
-- ..,,,-
~ 
V .,,_ 
./ Serie 1 l'u,to 'O" 1 
_,,,,,,,- {O, 2.6) 1 --- --
~~~~~~~~~~o~a~~••n••• 
·-[-1 
Figura 3.4: Voltaje de salida con respecto a los diferentes ángulos de inclinación alrededor de x 
Angulo 0 (cabeceo), alrededor de y 
Para este eje el ángulo de cero grados presenta un offset de 2.583 V. Ahora bien, realizamos el giro del sensor 
hacia arriba y hacia abajo como se muestra en la figura 3.5para ver el voltaje de salida a diferentes ángulos, los 
datos obtenidos se presentan en la tabla 3.8 y la figura 3.6 es una representación gráfica del voltaje de salida 
contra el ángulo. 
3.1. SENSORES DE POSICIÓN GENERALIZADA 
Giro(º) V salida (Volts) Giro(º) V salida (Volts) 
-90 0.48 10 2.89 
-80 0.55 20 3.21 
-70 0.69 30 3.53 
-60 0.82 40 3.79 
-50 1.02 50 4.02 
-40 1.30 60 4.23 
-30 1.64 70 4.34 
-20 1.97 80 4.44 
-10 2.16 90 4.45 
Thbla 3.8: Valores de inclinación alrededor del eje y 
Figura 3.5: Movimiento del inclinómetro alrededor del eje y 
E 
! 
Anguo de cabeceo alrededor de "Y" 
. 
·-
~ 
r .. ---- _/ 
-- V .,,., . 
/ Serie l Punto •o• 1 
_/ (O, 2,583) 1 
~ --
-
~~~~~~~~~~om~~w~•mm~m 
Br-1·] 
Figura 3.6: Voltaje de salida con respecto a los diferentes ángulos de inclinación alrededor de y 
17 
Por lo tanto podemos decir que de acuerdo a las gráficas 3.6 y 3.4 tenemos un rango de comportamiento 
lineal hasta antes de sobrepasar los 75 ° y - 75 °, después de estos valores se pierde la linealidad del componente, 
por lo cual en este rango nos resulta una medición no satisfactoria para nuestra aplicación. 
Posteriormente, realizamos una regresión lineal en Exc:el (MR) para tener la recta que caracteriza la relación 
entre el voltaje de salida del inclinómetro y el ángulo que representa (figura ) para los dos ángulos (alabeo 
y cabeceo), consideramos únicamente los valores entre 60 y -60 grados ya que como lo dicen las hojas de 
especificaciones es el rango de linealidad para este sensor; y así, tuvimos las ecuaciones 3.2 y 3.3. 
"Vsalidax 
"Vsaliday 
0.0302 * Alabeo + 2.5938 
0.0298 * Cabec:eo + 2.5644 
(3.2) 
(3.3) 
18 CAPÍTULO 3. INSTRUMENTACIÓN 
Despejamos el ángulo de las ecuaciones 3.2 y 3.3., para tener finalmente la relaciones (ecuaciones 3.4 y 3.5) 
Alabeo = 
Cabeceo 
(½alidax - 2.5938) 
0.0302 
Wsaliday - 2.5644) 
0.0298 
(3.4) 
(3.5) 
Es importante destacar que al hacer la regresión lineal, Excel (MR) presentó una exactitud en la regresión 
lineal de 0.9973 (como se muestra en la figura 3.7), por lo que se puede decir que es bastante cercana la 
aproximación lineal al comportamiento real del inclinómetro. Las ecuaciones 3.4 y 3.5 serán utilizadas para 
programarlas en el componente que realice la adquisición de datos y que se obtenga el ángulo a partir del 
voltaje de salida. 
E 
1 
> 
~ e1e alabeo 111rac1ec1or de ·x· y= 0.0302x + 2.5938 
R2 =0.9976 
ArVJk> de cabeceo alrededor ele "Y" 
Figura 3. 7: Regresión lineal de las pruebas del inclinómetro 
3.1.4 Brújula Digital 
y= 0.0298x + 2.5644 
R2 =0.9976 
La brújula como se plantea anteriormente nos proporciona el valor del ángulo de guiñada '1/J del helicóptero, que 
es la orientación del mismo. Para poder obtener esta información utilizaremos una brújula del tipo digital. 
La brujula digital es un sensor de campos magneticos que una vez calibrado ofrece una precision de 3-4 
grados y una resolucion de decimas [9]. 
Funcionamiento La brújula digital utiliza un dispositivo electronico que es un sensor de campo magnético el 
cuál es muy sensible para detectar el campo magnético de la tierra. Dos de estos dispositivos montados pueden 
ser utilizados para conocer la dirección de la componente horizontal del campo magnético de la Tierra [7] 
MARCA: Honeywell 
MODELO: HMR3200 
CARACTERÍSTICAS MEDIDA UNIDADES 
Voltaje requerido 6 a 15 Volts 
Corriente requerida: 18 a 20 mA 
Rango de Temperatura: -40 a +85 ºC 
Exactitud: 1 o 
Tiempo de respuesta: 15 Hz 
Tabla 3.9: Especificaciones técnicas de la brújula digital 
Modelo De las hojas de especificaciones ([20]), tenemos que la conexión mínima para que la brújula funciones 
es como la que se muestra en la tabla 3.10. 
3.1. SENSORES DE POSICIÓN GENERALIZADA 19 
No de pin Conexión 
2 Tx 
3 Rx 
5 Tierra 
9 6 a 15 V 
Tabla 3.10: Pines de la brújula digital 
Pruebas Primeramente, se conectan los pines 2 y 3 a una interfaz ( circuito integrado) RS232 para cambiar 
el voltaje de O y 5V que tiene la brújula a -10 y + 10 Volts que es el voltaje que identifica el puerto serial de la 
computadora. 
Al percatarnos por medio de la Hyperterminal de la computadora que la brújula funcionaba, analizamos la 
forma en que envía los datos. La gráfica 3.8 nos muestra una trama de la brújula en cierta posición; de esta 
gráfica podemos observar que el valor de voltaje es de O a 5 V, siendo O Volts un O lógico y 5 Volts un 1 lógico. 
También vemos que el tiempo de bit es de 56 µs , la velocidad de transmisión para este dispositivo es de 19200 
baudios. 
lekPres Prl 
--
.. 
:, 
' . 
' ' . • 1 . 
' 
' ' .. 
t--:'.,lf-"-------
.¡. 
+ t .... l ~ . 
1-
. i.t 
* 
• 
ll: 5.00 V 
@: -80.0mV 
6.: 56.0µs 
@ : -s.oo_µs 
ChlAmpl 
5.00 V 
. ¡ ~ 
: ' ~ . , ,.. . :hl Frecuencia . --t . ·l l!.443kH¿ . t ............ . 
+ .. ... ........ ... ·t· ... ... ......... ... ... .. J 
+ + .... i •. 
tlilll 2. 00 V 1 Pl..iº-º~ Al Chl J 3.12 V, 
ü J7.800" 1 
Figura 3.8: Trama de la brújula digital 
19 Abr 2004 
20:05:54 
La trama antes de comenzar está en alto (5 Volts), al empezar a transmitir inicia con un O lógico (figura 
3.9(a)). Comienza la transmisión, el primer número (figura 3.9(c)) es el 11001100, para este tipo de transmisión 
se tiene que dividir en dos, es decir, cuatro bits y cuatro bits, los primeros cuatro son 1100, que se tienen que 
cambiar para poderlo interpretar a 0011, este es el número 3. Después los siguientes cuatro bits, 1100, también 
los cambiamos de orden para obtener el número en hexadecimal que sería 0011, que también es el número 3; 
finalmente el primer número que obtuvimos es el número menos significativo y el segundo el más significativo 
por lo que tendríamos el número 33 que en código ASCII es el número 3 decimal. Repetimos este procedimiento 
para los siguientes números (tabla 3.ll)considerando que entre número y número existe un cambio que está 
dado por un 1 y después un O (figura 3.9(b)) 
20 
Letra 
e 
d 
e 
f 
g 
h 
i 
CAPÍTULO 3. INSTRUMENTACIÓN 
(b), Pres Pr\ 
ó: 
-"'" 
- . . - .- - . 
± 
+ 
· 1+ ¡ 
.. j 
± 
·(f) 
.;. 
(<.e_)_ ( . . (d)J (e) 
(b) {b) ( b ) t (b) 
(a) + 
... 
1 
j 
J 
-~ 
~ Ch l Ampl 
j 5.00 V 
1 
. _ .~ : : hl Frecuencia 
1 6.443kH2 
(g) (b) · (i) ~ 
f b ) : (b) ·1 
. ·1 
::: l :1 
rillJJ 2.00 V 1 P~ A Ch1 f 3. 12Vj 
ü!7. !!00 % 1 
19Abr 2004 
20:05:01! 
Figura 3.9: Trama de la brújula segmentada para identificar los valores 
Trama Original Cambio de orden Número Hexadecimal 
los. cuatro bits 2o. cuatro bits los. cuatro bits 2os. cuatro bits los 2os. 
1100 1100 0011 0011 3 3 
0010 1100 0100 0011 .. .. 4 .. .. 3 
1110 1100 0111 0011 7 3 
0111 0100 1110 0010 E 2 
0001 1100 1000 0011 8 3 
1011 0000 1101 0000 D o 
0101 0000 1010 0000 A o 
Cambio de posición Valores Código ASCII 
Letra los. cuatro bits 2o. cuatro bits 
e 3 3 33 3 
d 3 4 34 4 
e 3 7 37 7 
f 2 E 2E 
g 3 8 38 8 
h o D OD Regreso de línea 
i o A OA Cambio de línea 
Tabla 3.11: Interpretación de la trama de la brújula digital (segunda parte) 
Por lo tanto, el valor de esta trama es 347.8°, el valor de OD y OA en código ASCII son regreso de línea y 
cambio de línea por lo que es importante saberlo para posteriormente en la adquisición de datos, estos valores, 
no indican nada para nuestra aplicación. 
3.2 Aceleración 
3.2.1 Acelerómetro 
Un acelerómetro es un sensor de aceleración basado en materiales piezoeléctricos integrados con una señal 
condicionada y una corriente electrónica regulada [14] 
3.2. ACELERACIÓN 21 
Modelo Debido a que anteriormente se había hecho un proyecto que involucró unos acelerómetros y nos fueron 
donados, (ver [16]) son los que utilizaremos. Se puede observar el modelo y la tabla de especificaciones de los 
datos más importantes en la tabla 3.12. 
MARCA: Crossbow 
MODELO: CXL04M3 
CARACTERÍSTICAS MEDIDA 
Voltaje requerido +5 ± 0.25 
Corriente requerida: 24 
Rango de Temperatura: -40 a +85 
Sensibilidad: 500 
Ancho de banda: DC 100 
No linealidad: 0.2 
UNIDADES 
Volts 
mA 
ºC 
mV/g 
Hz 
%Fs 
Tabla 3.12: Especificaciones técnicas del acelerómetro 
De la tabla de especificaciones del acelerómetro (tabla 3.12) la sensibilidad es de 500 mV /g, esto significa 
que cada 500 mV es una gravedad, es decir, 9.8 m/s2 y que tiene un error en la linealidad el instrumento de 
0.2 %, por lo que podemos deducir un comportamiento lineal y que para obtener la aceleración hacemos una 
regla de tres ( ecuación 3.6) donde tenemos como dato el voltaje de salida y como constantes la aceleración de 
la gravedad y su equivalente en voltaje para este dispositivo. 
500 mV 9.8m/s2 (voltaje obtenido (mV))*(9.8m/s2 ) 
Voltaje obtenido (mV) = a ===} 500 mV (3.6) 
También de la hoja de especificaciones del acelerómetro ([14]} tenemos a qué corresponde cada pin (como se 
muestra en la tabla 3.13) donde el pin 1 es el pin que está junto a la muesca que tiene el conector del acelerómetro 
y el pin 5 es el más lejano a la muesca. 
No de pin Conexión 
1 5V 
2 Tierra 
3 Aceleración en x 
4 Aceleración en y 
5 Aceleración en z 
Tabla 3.13: Pines del acelerómetro 
Pruebas Para corroborar que la aceleración debida a la gravedad corresponda a 500 m V colocamos el acel-
erómetro en la posición normal y vimos el voltaje de salida de cada uno de los pines (del 3 al 5), cuando estaba 
en esta posición teníamos un voltaje de salida como se muestra en la tabla 3.14. 
Posteriormente giramos 90º el acelerómetro con respecto al eje y y tomamos nuevamente la medición y así 
sucesivamente hasta que el acelerómetro rotara 360º y regresara a su posición original. Los datos de esta prueba 
se observan en la tabla 3.14. 
No. de pin salida normal salida normal + 90° salida normal + 180º salida normal + 270º 
2 2.561 V 2.559 V 2.572 V 2.548 V 
3 2.557 V 1.974 V 2.576 V 3.133 V 
4 3.146 V 2.560 V 1.991 V 2.550 V 
Tabla 3.14: Valores de las pruebas del acelerómetro 
Al momento de cambiar la posición del acelerómetro simulamos que el acelerómetro está cayendo en un sólo 
eje debido a que internamente tiene una masa que se recarga en el material pieweléctrico y esta presión que 
22 CAPÍTULO 3. INSTRUMENTACIÓN 
realiza sobre el material piezoeléctrico es directamente proporcional a la aceleración, por lo tanto, por segunda 
ley de Newton y el diagrama de cuerpo libre (figura 3.10}, tenemos que I:F = ma, donde F = mg, por lo 
tanto mg = ma, lo que resulta que a= g. Así que la aceleración es la gravedad y si notamos en la tabla 3.14, 
la diferencia que existe es de 0.5 V aproximadamente. 
m 
LP'=ma :. mg = ma-+a = g 
Figura 3.10: Diagrama de cuerpo libre para la masa del acelerómetro 
El acelerómetro en la parte superior tiene un diagrama del sentido de los ejes (x, y y z) más una leyenda 
junto que dice +g, de las pruebas y la tabla??, podemos ver que el eje z + g está hacia abajo y que cuando la 
aceleración va en el sentido del eje, el voltaje de salida promedio para los acelerómetros es 2.56 V y cuando la 
aceleración es en el sentido contrario al eje de referencia, el voltaje es mayor al voltaje de 2.56 V. El voltaje de 
salida nos indica el sentido de la aceleración, así que considerando esto, la ecuación 3.6, quedaría de la siguiente 
forma: 
(voltaje obtenido (mV}- 2.56 V)*(9.8m/s2 ) 
ªeje= - 585 mV (3.7} 
El signo negativo en la formula 3. 7 es para obtener la dirección de la aceleración en el eje y esta fórmula 
aplica para los tres ejes, también se tomó un promedio de los voltajes para tener el voltaje de V O¡¡ set y el voltaje 
que representa cada cambio de gravedad promedio para los tres acelerómetros es 585 m V. 
Capítulo 4 
ADQUISICIÓN DE LOS DATOS 
Se utilizo el DSP, debido a que es un microprocesador de propósito especifico el cual tiene micros optimizados 
para el procesamiento digital de señales, cuenta con un set de instrucciones optimimdo para la digitalización 
de señales1 , su alta velocidad de procesamiento lo hace atractivo por lo cual las instrucciones de suma y 
multiplicación se pueden realizar en un solo ciclo de maquina en comparación con los microprocesadores normales 
que las efectúan en dos o tres ciclos de maquina. 
Además cuenta con la incorporación de periféricos optimizados para el procesamiento de señales, estos 
periféricos pueden ser: 
• Conversores A/D y D/A. 
• Comunicación Serial y Paralelo. 
Al hacer un marco general de los DSP 'S podemos mencionar a la familia que se utilizará que es la C54, el 
modelo de DSP es C5416, cabe mencionar que este dispositivo es fabricado por la compañía Texas Instrument 
y sus características se encuentran en el Apéndice C 
4.0.2 Utilización del CODEC y del puerto serial 
Antes de adentrarnos al área de programación debemos de tomar en cuenta las características con las que trabaja 
el DSP para laadquisición de las señales, es decir, para la realización de este proyecto tenemos dos principales 
alternatiws para la lectura de datos que son: 
• Puerto Serial 
• Codee (Codificador/Decodificador) 
Ambas alternativas se utilizarán para la adquisición de datos y en las siguientes líneas nos daremos a la tarea 
de analizar que ruta conviene más para cada sensor ya que manejamos datos digitales y analógicos por lo cual 
plantearemos dos alternativas para la captura de los datos y entre ellas tomaremos la más adecuada. 
l. Puerto Serial 
Si solo se utilizará el puerto serial para la lectura de los datos se tendría que usar dos multiplexores , uno 
de ellos para los sensores que nos dan una señal de salida de tipo analógico y otro para los sensores con 
una respuesta digital Para las señales analógicas sería necesario la utilización de un conversores analigico 
digital (A/D) para que a la salida de este componente se tome la señal y se introduzca al puerto serial del 
DSP, el diagrama a bloques sugerido es el que se muestra en la figura 4.1 
2. CODEC 
Al configurar el CODEC del DSP vía software puede realizar las siguientes funciones: 
1 El set de instrucciones maneja Ecuaciones en Diferencias finitas (formato digital), lo cual nos lleva a tener una suma 
de productos. 
23 
24 
---3 
bÑjalldip:11 
015 
CAPÍTULO 4. ADQUISICIÓN DE LOS DATOS 
-
Figura 4.1: DIAGRAMA A BLOQUES DEL PUERTO SERIAL 
• Cambio de la taza de muestreo. 
• Atenuación de las salidas. 
• Contiene un filtro pasaaltas. 
Si tomamos en cuenta el segundo parámetro anteriormente mencionado nos podemoo dar cuenta que este 
dispositivo solo puede atenuar la salida y no las entradas por tal razón se debe tomar en cuenta las 
restricciones eléctricas proporcionadas por el fabricante para poder realizar la lectura de los datoo, ya que 
si no se tomarán en cuenta se prodría dañar al CODEC , por lo cual las señales de salida de los diferentes 
sensores deberán ser atenuadas ya que el voltaje máximo a su entrada es 2 V (Rms), esto nos lleva a la 
atenuación de algunas señales tales como son: 
• inclinómetro. 
• acelerómetros. 
• altímetro. 
Los niveles de voltaje de salida de cada uno de estos sensores es de O a 5V. 
El diagrama sugerido para esta alternativa seria el de la figura 
Figura 4.2: DIAGRAMA A BLOQUES DE PTO. SERJALY CODEC 
25 
Tomando en cuenta que nuestra principal restricción es el peso y que al mismo tiempo nos interesa la 
exactitud de los datos obtenidos, la forma de acceso al DSP de nuestros sensores analógicos será por medio del 
CODEC y los datos digitales entrarán por medio del puerto serial. La desventaja que tendría la implementación 
de la primera hipótesis sería que al utilizar un conversor Analogico Digital antes de la entrada al DSP, nos 
llevaría a no sacar el provecho máximo a este dispositivo ya que el CODEC cuenta con A/D 's internos por lo 
cual no es necesario manejarlos externamente. En cuanto a la exactitud de los datos obtenidos por el DSP se 
medirá por medio de la ecuación 4.1. 
Vcc 
Resolución=~= 19.53 mV 
donde n es el número de bits y Vcc el voltaje de alimentación. 
4.0.3 Uso del CODE COMPOSER 
(4.1) 
El software utilizado es el Code Composer V2 Studio, este programa es un emulador de los proyectos que ahí se 
realizarán, por tal motivo al momento de hacer las simulaciones y las pruebas de los proyectos la visualización 
para obtener los datos de algunos registros no es tan fácil. 
La creación de nuevos proyectos con este software se explicará en el apéndice C. 
4.0.4 Programación 
Para comenzar la programación del DSP dividiremos el proyecto en tres archivos de tipo ensamblador: 
l. Programa de inicialización del puerto serial, CODEC e interrupciones, este programa contendrá también 
la rutina de lectura de datos. 
2. Programa llamado "VECTORS", en el cual se encuentra los espacios de memoria de la interrupciones, 
cabe mencionar que este archivo es reciclado de un demo que se encuentra en el CD de instalación del 
programa. 
3. El tercer archivo es llamado "Volume" y tiene la extensión" .cmd", en este archivo se encuentra distribuido 
el espacio de memoria del DSP, y se localiza de igual forma en el CD de instalación. 
De esta forma queda constituido nuestro proyecto que lleva por nombre "helicoptero", 
Programa de inicialización del puerto serial, CODEC e interrupciones, este programa contendrá 
también la rutina de lectura de datos. 
Para una mejor explicación del programa de inicialización (" proyectofinal.asm") lo subdividiremos en los sigu-
ientes bloques: ( Apéndice C ( Código completo)) 
l. Definición de variables globales y locales. 
2. Direccionamiento del Codee y del Puerto Serial. 
3. Lectura y escritura del Codee. 
4. Inicialización de Interrupciones 
5. Recepción de Datos. 
Definición de variables globales y locales. En esta parte del programa utilizaremos los registro mapeados 
en memoria ( .mmregs), también estamos haciendo referencia a una etiqueta llamada recep que se encuentra 
definida en el programa denominado "VECTOR" y que se mostrará acabando la explicación del programa de 
inicialización. 
l. En el apartado donde se encuentra la instrucción .data nos indica que utilizaremos el espacio de memoria 
de datos para definir nuestras variables locales las cuales sólo tendran un espacio de memoria. 
26 CAPÍTULO 4. ADQUISICIÓN DE LOS DATOS 
Direccionamiento del Codee y del Puerto Serial. En esta sección del código tenemos las palabras de 
control del CODEC y del puerto serial, para hacer una mejor explicación de que es lo que se esta haciendo en 
este apartado del programa daremos una pequeña reseña, si se quisiera obtener mayor información dirigirse a 
[16]. 
Como ya se menciono el CODEC se utilizará para obtener las lecturas de las señales analógicas, en un 
principio solo se manejaron este tipo de señales ya que si se contaba con los sensores para realizar las pruebas, 
cabe mencionar que el CODEC esta multicanalizado al puerto serial número dos esto es por que una vez que 
las señales son leídas por el CODEC pasan a una etapa de conversión de analógico a digital y de aquí van al 
puerto serial para ser almanecenadas en el registro DRR12. 
--••DSP 
Rx 
Figura 4.3: Forma de ingreso de la señal analogica 
Lectura y escritura del Codee. La programación del CODEC se realiza por medio del CPLD (parte de 
control) y el DSP manda y recibe los datos como ya se mencionó a través del puerto serial dos. 
La forma de controlar al CODEC vía software es mediante la manipulación de 4 registros (0,1,2,3), a estos 
registros no se tiene acceso directo por lo cual la forma de manipularlos es por medio codee_ l y codee_ h 
que tiene su espacio de memoria en la dirección 0002h y 0003h respectivamente, cada uno de estos tiene una 
capacidad de 8 bits.([21] pag 18) 
Para comprobar que el CODEC esta bien configurado tenemos que verificar el bit 7 del registro 6 del CPLD 
esto tiene la finalidad de corroborar que se puede mandar otro dato. En el segmento de programa anteriormente 
presentado nos muestra esta actividad. Primeramente se hace una lectura de puerto en la dirección número 6, 
se guarda el valor obtenido de esa lectura en la variable mise, posteriormente se hace un AND lógico con el 
numero 80h, el resultado de la and lógico se guarda otra vez en la variable mise si es igual al 80h se verifica con 
la instrucción BITF y no nos provoca un carry por lo tanto el programa continua sin saltar a la etiqueta, esto 
quiere decir que el CODEC esta ya preparado para seguir con la rutina. 
Inicialización de Interrupciones Las interrupciones pueden ser de dos tipos las enmascarables y las no 
enmascarables, las primeras se pueden habilitar o inhabilitar por software y en las segundas el usuario no se 
pueden inhabilitar por software y la mayoría de las veces se utilizan para detectar eventos críticos como pueden 
ser un cambio de voltaje o módulos de memoria defectuosos. 
En la dos últimas lineas de este apartado se muestra los dos tipo de interrupciónla intrucción INTR 20 
realiza un salto al programa de VECTORSy realiza la rutina que le corresponde a la interrupción de recepción. 
Recepción de Datos. En la última parte del código generado se realiza la lectura del DRR12 que es donde 
esta ubicada el dato que ingreso de los sensores, este dato se guarda en el acumulador para que de aquí se 
almacene el la variable valor y se mande por el registro de transmisión DXRlO 
"VECTORS", espacio de memoria de la interrupciones 
En este código solo se hicieron varias modificaciones : 
l. Se tuvo que consultar el spru 095 ([16]) para poder encontrar la ubicación exacta de la interrupción de 
recepción localidad 20h, para poder agregarla al código. 
2. Una vez ubicada y colocada dentro del programa se realizó la rutina de salto al programa principal para 
realizar la reopción de datos. 
"Volume"distribución de el espacio de memoria del DSP 
El código de esta sección se encuentra en el Apéndice C 
4.0.5 Resultados 
27 
Los resultados obtenidos con el DSP no fueron favorables a pesar de que se probó varias veces cada instrucción, 
todas las configuraciones ya sea de puerto serial, CODEC e interrupciones se realizaban adecuadamente. 
Las dificultades a los que nos enfrentamos eran dos principalmente: 
l. Al realizar la interrupción por software (INTR 20h), se efectuaba el salto al programa de VECTORS y se 
ubicaba en el espacio de la interrupción correcta, pero una ve-L aquí no reconocía la instrucción BD recep, 
y no saltaba de regreso al programa principal, esto se debía a un problema de latencia y se solucionó 
agregando dos instrucción NOP antes de BD recep, de esta forma si regresaba a la etiqueta de recep, cabe 
mencionar que para llegar a esta conclusión se probaron una por una las interrupciones y esta fue la única 
que mostró este conflicto. 
2. La segunda dificultad fue que al realizar las pruebas con la señal senoidal de un generador de funciones 
entrando por el CODEC algunas veces realizaba el salto al código de VECTORS y otras no, a este conflicto 
jamás se le encontró solución. 
Al no obtener resultados favorables para la lectura de datos debimos de trazarnos una ruta alterna para 
realizar la obtención de datos, este nuevo camino fue la implementación tanto física como de programación 
de un micropocesador modelo AT90S8535 fabricado por ATMEL, es de importancia resaltar que el DSP nos 
se descarta para la implementación del proyecto por lo cual se sugiere a la gente que continué este proyecto 
haga una investigación sobre DSP 's y encuentre el dispositivo más adecuado sugiriendo que empiecen por la 
familia 6000 de DSP 's fabricados por Texas Instument, ya que la implementación de las leyes de control y el 
modelo dinámico del helicóptero son algunas de las actividades que faltan de programar y es posible que con 
un micropocesador no sea suficiente para este proyecto. 
Al obtener los resultados que no fueron satisfactorios nos vimos en la necesidad de implementar un nuevo 
diseño para completar la caja de avionica, este nuevo prototipo para la tarjeta de obtención de datos basa su 
funcionamiento en un microcontrolador de la marca Atmel, modelo AT90S8535, el cual brinda características 
de capacidad de memoria y rapidez para realizar las instrucciones por debajo de las brindadas por el DSP. 
La elección de este componente se realizo mediante un estudio de mercado en el cual figuraban tres principales 
tipos de microcontroladores, los cuales fueron: 
PIC'S 
ATM89C51 
AT90S8535. 
Se selecciono el 8535, ya que a pesar de que se conocía el 8051 y se tenían las bases técnicas para su utilización, 
el primero nos brinda mayor capacidad de memoria y su ciclo de maquina es de 125 ns, que es la rapide-L para 
realizar una instrucción. Además de contar con un conversor Analógico/Digital, que puede ser habilitado de 8 o 
10 bits según sea conveniente dentro del proyecto, con respecto a los Pie 's nos vemos limitados a que la mayoría 
de ellos tienen propósitos generales, en los cuales se requería de la implementación de por lo menos dos; con el 
propósito de la conversión Analógico/Digital y el Pic's de Puertos de entrada y salida (1/0). 
4.0.6 l\flCROPROCESADOR 
El Microcontrolador AT90S8535, se alimenta con una batería de 5 Volts lo cual nos da la posibilidad de contar 
con la fuente de alimentación para algunos sensores, basado en una arquitectura RISC de la familia AVR , y 
con la capacidad de poder realizar instrucciones en un solo ciclo de reloj. 
Como características principales del armado del microcontrolador tenemos: 
Alimentación en General. 
Frecuencia de reloj: 8MHZ con una amplitud de 2 Volts. 
Conexión de la habilitación del los conversores Analógicos/Digitales del Puerto A. 
Para la obtención de datos se propone dos tablillas en la cual se tiene el microcontrolador y la Interfaz 
RS232, la cual manejara la comunicación del Microcontrolador con el Transmisor del MODEM. 
28 CAPÍTULO 4. ADQUISICIÓN DE LOS DATOS 
Para poder realizar la comunicación de estos dos componentes nos basamos en la programación de la 
adquisión de los datos dentro del microcontrolador así como la transmisión; para esto fue necesaria la uti-
lización del software CodeVisión AVR Compiler, su utilización y la forma de crear nuevos proyectos se explicara 
en el anexo XXX. 
La programación se llevo a cabo siguiendo la metodología que se plantea en los siguientes puntos: 
l. Inicialización de puertos para su habilitación ya sea de escritura o de lectura (R/W) 
2. Manejo de las señales de control del multiplexor. 
3. Lectura de los datos y transmisión a la interface RS232. 
Inicialización de puertos para su habilitación ya sea de escritura o de lectura (R/W) 
Para este apartado se cuenta con dos alternativas: 
• Configuración por medio del code Wizard que nos generará un archivo de extensión (.cwp), esta es la 
forma grafica de manipular las configuraciones de puertos, timers, interupcione.s, puerto serial étc. 
• La otra opción de configuración se genera al momento de crear un archivo nuevo, ya que al realizar 
esta actividad aparece una hoja de texto donde se encuentran descritos todos los componentes que puedes 
modificar (puertos, timers, interrupciones, etc), para poder configurar estos dispositivos de forma adecuada 
se debe de tener un estudio previo, para el desarrollo de este proyecto solo utilizamos el converso analógico 
digital y la configuración de puertos para acondicionarlos como puertos de entrada y de salida según 
convenga, para mayor información sobre la configuración de los componentes anteriormente mencionados 
ver el anexo D. 
La dinamica de configuración que utilizamos fue la segunda por lo cual, la forma en que quedaron distribuidos 
los puertos es la siguiente: 
Puerto A: en este puerto se encuentra los conversores A/D, cada una de las líneas de puerto es una en-
trada, por donde se pensó en un principio introducir cada una de las señales de nuestros sensores por este 
medio pero solamente cuenta con 8 canales y no nos eran suficiente para todos los sensores, los conversores 
Analogico/Digitales son de 10 bits. 
Puerto B: se utiliza este puerto para la captura de los datos provenientes de un multiplexor que cuenta con 
la Conversión A/D, por tal motivo nuestros datos de captura son de forma digital y simplifica la programación 
ya que solamente se realiza la lectura del puerto y su adición a una variable dependiendo del sensor que se este 
leyendo en ese momento. 
Puerto C: &te dispositivo se configuro en modo de Escritura/Lectura, ya que el microcontrolador será el 
componente del sistema que controla al Multiplexor, ya que esté le dirá el momento en el cual se quiere obtener 
la lectura de los datos, cabe mencionar que el multiplexor cuenta con 4 líneas de control, que son donde el 
microcontrolador escribirá para la selección del sensor. Para una mejor comprensión la distribución de lineas 
de puerto se muestran en la tabla 4.1. 
Lineas de puerl,o Descripción 
4-7 Escritura para la selección del sensorque se quiere leer. 
3 Pulso en alto de duración de 125 ns. Para la habilitación de la conversión digital 
2 Linea de lectura para esperar la señal de fin de conversión. 
1 Escritura para la indicación de captura de datos del componente controlado. 
o Datos digitales 
Tabla 4.1: Descripción de pines del puerto C 
Cabe mencionar que la configuración del puerto A queda como entrada para la conversión analógica, dicho 
puerto sólo se oon.figura por si en un futuro se desea adicionar a la aviónico algún otro dispositivo de tipo 
analógico. 
Para la visualización de los datos en la base terrestre se puede operar de dos formas: 
Forma manual: 
En este caso el programa realizara por medio del menú la obtención de la medición del sensor deseado. 
Forma Automática: 
Se desplegara en pantalla todos los datos de los diferentes sensores en todo momento. 
4.0. 7 Manejo de las señales de control del multiplexor 
29 
Se manejó un formato de programación en el cual tengamos desplegado en pantalla cada una de las señales 
caracterizadas de los sensores, el núcleo de nuestro programa es la selección de dos menús para realizar la 
medición de los sensores analógicos. 
Salidas de Acelerómetros: 
Aceleración en el eje x 
Aceleración en el eje y 
Aceleración en el eje z 
Salidas del In.clinómetro 
Inclinación en el eje x 
Inclinación en el eje y 
Altimetro 
Altura ( eje z) 
La forma de operar y visualizar los datos del programa a la base terrestre es la siguiente: 
Código Medición 
1 Sensado de todos los componentes desplegados una vez en pantalla 
2 Sensado continuo de los componentes para su despliegue en pantalla 
Tabla 4.2: Operación del micro en la base terrestre 
Dentro de la programación se implementaron cada una de las ecuaciones para poder acondicionar la diferentes 
señales digitales obtenidas por medio del miltiplexor, esto se podrá describir de manera más formal dentro del 
código realizado. 
4.0.8 Conexión entre el microprocesador y la interfaz RS232 
La utilización de los lenguajes de bajo nivel, representan un considerable ahorro de código en la confección de los 
programas, lo que es muy importante dada la estricta limitación de la capacidad de la memoria de instrucciones. 
Los programas bien realizados en lenguaje 
Ensamblador optimizan el tamaño de la memoria que ocupan y su ejecución es muy rapida. 
El lenguaje de alto nivel que se emplean con microcontroladores son el C y el BASIC, de los que existen varias 
empresas que comercializan versiones de compiladores e interpretes para diversas familias de microcontroladores. 
Los valores lógicos proporcionados por las líneas del microcontrolador AT90LS8535 no corresponden a las 
especificaciones establecidas para la norma de comunicación serial RS232. Por lo tanto, debe existir algún medio 
de convertir los niveles del AT90LS8535 a los niveles exigidos por esta norma. 
El circuito MAX232 de la firma MAXIM dispone de dos canales de entrada para 
niveles TTL, que son el TIIN y el T2IN, con sus correspondientes salidas RIOUT y R2OUT , igualmente 
posee dos canales de entrada para niveles RS-232 RIIN, R2IN y sus correspondientes salidas TTL , TIOUT y 
T2OUT ; se alimenta con +5 Volts. 
El circuito integrado MAX232 permite adaptar los niveles lógicos del AT90LS8535 con los que exige la norma 
RS-232. 
En el esquema, se emplea uno de los dos canales disponibles. Una línea de salida del Micro AT90LS8535 
(TxD) aplica la información a transmitir (TTL) por el pin TIIN del MAX232. Dicha información sale por la 
pin RIOUT, pero convertida a niveles RS-232, 
Enviándose por la pin 3 (TxD) de un conector estándar OB25. 
30 CAPÍTULO 4. ADQUISICIÓN DE LOS DATOS 
La línea de recepción RS-232 (TxD) corresponde a la pin 2 del DB25. La información que se recibe se 
introduce por la pin RlIN del MAX232, que la convierte a niveles TTL que salen por TlOUT a la otra pin del 
Microcontrolador AT90LS8535. 
La transmisión vía MODEM se podrá visualizar de manera gráfica a través de la hyperterminal de la 
computadora, la cual se encontrará configurada de la siguiente manera: 
• Ubicación del puerto serial ( com X ) 
• Configuración del pueto a 2400 bps para su óptima transmisión y recepción de los datos 
4.1 MULTIPLEXAJE 
El multiplexaje forma parte de la adquisición de los datos, este punto es de suma importancia porque nos permite 
leer los datos provenientes de cada uno de los sensores (brújula, GPS, acelerómetros, inclinómetro y altímetro) 
para que posteriormente sean procesados por el microprocesador que estamos utilizando (AT90S8535) y lograr 
una buena transmisión de la información que nos están arrojando cada uno de ellos a la base terrestre. Se hizo 
uso de dos multlipexores, el ADC0816 y el 74HC158. 
4.1.1 Multiplexor ADC0816 
Este es un circuito integrado que además de multiplexar las señales hace la conversión de analógico a digital. 
Este circuito tiene como entradas las señales provenientes de los acelerómetros, inclinómetro y altímetro. El 
diagrama de pines para este circuito es el que se muestra en la figura 4.4. 
Dual-In-Une Package 
• 
AIClltl, 
UCllll 
llll'VIIW 
1111 
UI\USIDN CDIIITRDL 
MIU 
IDDI 
IDDC 
Figura 4.4: Pines del multiplexor ADC0816 
De la hoja de especificaciones del multiplexor ADC0816 destacamos las características que se observan en la 
tabla 4.3. 
Voltaje de alimentaci6n 5V 
Voltaje en cada pin -0.3V a (Vcc +0.3V) 
Voltaje en las entradas de control -0.3 a 15V 
Rango de temperatura -65ºC a + 150ºC 
Tabla 4.3: Especificaciones del Multiplexor ADC0816 
4.1. MULTIPLEXAJE 31 
Conexión entre los sensores y el multiplexor 
Los sensores que se conectaron a este multiplexor son aquellos que entregan la señal en forma analógica, es decir, 
los acelerómetros, el inclinómetro y el altímetro. &tos sensores son los que se pusieron con este multiplexor 
debido a que el ADC0816 tiene la ventaja de que además de ser multiplexor es conversor Analógico-Digital, por 
lo que al momento de seleccionar una de las entradas nos dará el valor en digital listo para leerse por algún 
puerto del microprocesador. La conexión de pines con cada sensor es la siguiente tabla: 
Acelerómetro 1 Acelerómetro 2 Aceler6metro 3 In.clinómetro 
INO-Z IN3-Z IN6-Z IN9 - cabeceo ( <P) 
INl - Y IN4-Y IN7- Y INlO - alabeo ( O) 
IN2-X IN5-X IN8-X 
Tabla 4.4: Conexión de pines con cada sensor 
El diagrama de conexión del multiplexor se encuentra en la figura 4.5. 
ll " IIC 
NJ -.. 
DII ... 
DIJ 
DII 
011 
•• LA 
.... 
~·1 • 1-IV • IIAl.01 
• llllf'UTAAaaE .. Y111 
~-,e 
Figura 4.5: Diagrama de conexión del multiplexor ADC0816 
Altímetro 
INll - Vout 
De acuerdo a las hojas de especificaciones de dicho multiplexor, se necesita de un reloj de 64 KHz, el diseño 
del oscilador se hizo por medio de un LM555 el cual es un dispositivo altamente estable que genera oscilaciones 
o retardos de tiempo muy exactos. Se puede configurar bajo diferentes formas de operar, por lo que se escogió 
la operación astable ya que como oscilador tanto la frecuencia como el cilclo de trabajo son muy exactos. 
El diagrama de pines para este circuito es: 
11111 
º""" JMIIDIIGll 
A!Rl 1 COIITIIOL vot.Taar 
TopVleW 
Figura 4.6: Pines del LM555 
Para poder obtener los valores de resistencias y el del capacitor para conseguir la frecuencia deseada se utilizó 
la siguiente fórmula 
32 CAPÍTULO 4. ADQUISICIÓN DE LOS DATOS 
f 
1.44 
Si proponemos C = 47nF 
4748kf! 
Si se propone entonces RA = 2.7kf!, tenemos R8 = Ikf! 
La forma en la que se conecto este integrado es la que se muestra en el siguiente diagrama 
1 
1 
1 
1 
f·· 
1 
1 
1 
1 
Figura 4. 7: Conexión LM555 
4.1.2 Multiplexor 74HC158 
Para la adquisición de los valores que se obtienen del GPS y de la Brújula se usó este multiplexor, los datos 
que se reciben de estos dos componentes ya están de forma digital por lo que no es necesario un conversor de 
analógico a digital, motivo por cual no se utilizó el circuito integrado ADC0816. El diagrama de pines para este 
circuito se encuentraen la figura 4.8. 
Figura 4.8: Pines del multiplexor 74HC158 
De las hojas de especificaciones de este circuito integrado tenemos que el voltaje de alimentación es de 5 
Volts. 
Conexión entre los sensores y el multiplexor 
La conexión de los pines con cada sensor es la que se muestra a continuación: 
4.1. MULTIPLEXAJE 33 
11¡¡ Tx de la Brújula 
111 Tx del GPS 
2Io Rx del cable plano 1 1 311 Rx del cable plano 
2Y Rx de la Brújula I lt-3=y,.-----=Rx,----,d,.....,el,....,G=P=--=s~----+l 
lY Tx del cable plano 
Tabla 4.5: Conexión de pines con cada sensor 
4.1.3 Cable plano 
Se requiere interconectar la tarjeta que tiene a los doo multiplexores y loo sensores con el microprocesador por 
lo que se hizo por medio de un cable plano de 20 pines, las señales que reciben cada uno de los pines se muestra 
en el diagrama 4.9. 
LSB 
0000000000 
0000000000 
G:SDALE5Yl~VOE: S D C B A 
Figura 4.9: Asignación de pines para el cable plano 
De la figura 4.9, tenemos 
• Tx- Proviene del Mux 75HC158 
• Ilx- Se conecta al Mux 75HC158MSB a LSB- Salida de 8 bits del Mux ADC0816 
• GND- Es la tierra general de sistema 
• ALE- Señal ALE del Mux ADC0816 
• 5V- Conectado a los dispositivos que se alimentan con 5V {75HC158, ADC0816, altímetro, in.clinómetro 
y GPS) 
• 12V- Conectado a los dispositivos que se alimentan con 12V (acelerómetros y brújula) 
• OE- Output enable del Mux ADC0816 
• EOC- Señal de lectura de la conversión del Mux ADC0816 
• A,B,C,D- Señales de control del Mux ADC0816 
Cabe mencionar que el manejo de las señales de ALE, OE y de control es por medio del microcontrolador. 
Los sensores junto con los dos multiplexores se colocaron en una tablilla de baquelita, ya se explicó la 
conexión de los multiplexores y del cable plano, pero cabe hacer una breve explicación de la configuración de 
cada uno de los sensores dentro de dicha tablilla para efectos de usos futuros. Ya se ha mencionado en otros 
apartados del documento que presentamos a que equivale cada uno de los pines de los sensores, por lo que el 
propósito de esta explicación es sólo mencionar la conexión hecha dentro de la tablilla. 
Todo lo anterior es viendo la tablilla de frente, del lado izquierdo de encuentran los headers para los acel-
erómetros y el último es para el in.clinómetro, arriba del la base de 40 pines ( que es en donde va el Mux ADC0816) 
se encuentra la base para el altímetro. En la esquina derecha y arriba, están la base para la brújula y debajo 
de está están los headers para conectar al GPS. 
34 CAPITUW 4. ADQUISICIÓN DE LOS DATOS 
o-z 
0-Y 
o-x 
0-GND 
0 Ya: 
Figura 4.10: Pines del acelerómetro en la tablilla 
Figura 4.11: Pines del altímetro en la tablilla 
0-
(.r ca'-(8J 
o- ...... (t) 
0-GND 
0-,ra: 
Figura 4.12: Pines del inclinómetro en la tablilla 
-o 
Rs-Q 
r. -O 
-o 
-o 
-o 
GND-Q 
Yac-o 
Figura 4.13: Pines de la brújula en la tablilla 
9999 
GNDlb: lit \'a: 
Figura 4.14: Pines del GPS en la tablilla 
Capítulo 5 
TRANSMISIÓN DE LOS DATOS 
Uno de los dispositivos que se utilizará para la adquisición de datos es el modem, se cuenta con dos módulos 
(maestro y esclavo), el esclavo se coloca en la caja aviónica y esta directamente conectado al DSP el cual 
transmite a dicho módulo de manera serie la información de los diferentes sensores, este módulo a su vez envía a 
la base terrestre la información obtenida. El maestro se encuentra conectado a la base terrestre (computadora) 
por medio de un cable serial y recibe del esclavo los datos de los sensores para así poder visualimr en el simulador 
gráfico el comportamiento del helicóptero. 
5.1 Modem 
Debido a que anteriormente se había hecho un proyecto que involucró unos modems (ver [16]) y nos fueron 
donados, son los que utilizaremos. Se puede observar el modelo y la tabla de especificaciones de los datos más 
importantes en la tabla 5.1. 
5.1.1 Con.figuración del Modem 
Se cuenta con dos módulos que trabajan bajo el método maestr<resclavo, decimos que el maestro es el módulo 
con la salida RS-232 y el esclavo el módulo con la salida del footprint. Los módulos pueden ser modificados con 
diferentes parámetros para optimizar su funcionamiento según la aplicación para la que se van a usar, todo los 
cambios se hacen por medio de un programa de configuración (setup program). Se puede accesar a este programa 
conectando los módulos a cualquier programa de terminal, en nuestro caso usamos la Hyperterminal; por medio 
de ella se hace la configuración del puerto serial para poder establecer la comunicación entre la computadora 
y el módulo y así tener acceso al programa de configuración. La Hyperterminal se debe de configurar con los 
parámetros que se muestran en la tabla 5.2 y en la figura 5.1, se muestra la ventana de configuración de la 
Hyperterminal con los parametros de la tabla 5.2 
MARCA: Freewave 
MODELO: DGR09RFS 
CARACTERÍSTICAS MEDIDA 
Voltaje requerido 
Corriente requerida: 
Rango de Temperatura: 
Frecuencia: 
Potencia de salida: 
Rango: 
12 
600 
-40 a +75 
902 a 928 
1 (a 12 V de entrada) 
20 
UNIDADES 
Volts 
mA 
ºC 
MHz 
w 
millas 
Tabla 5.1: Especificaciones técnicas del Modero 
35 
36 CAPITULO 5. TRANSMISIÓN DE LOS DATOS 
Parámetro Configuraci6n 
Baud rate 19200 
Data bits 8 
Parity None 
Stop Bits 1 
Parity Check None / Off 
Parity Detect None / Off 
Tabla 5.2: Parámetros de con.figuración de la hyperterminal 
Propiedades de COM 1 Í?!(8J 
Configuración de puerto 1 
,6.its por segundo: J 
Bits c1e gatos: Is 
f.aridad: f Ninguno 
Bit~ de parada: j1 
Control de flujo: ! Hardware 
B,estaurar predetenninados 
Cancelar Apli~ar 
Figura 5.1: Vista de la configuración de la hyperterminal 
El maestro se conectó por medio de un cable macho-hembra RS-232 a la computadora, se con.figuró la 
Hyperterminal y para poder invocar el programa de configuración se oprimió el botón de "configuración", que 
se encuentra junto a la salida serial del MODEM, se despegó un menú principal como se muestra en la figura 
5.2. 
Al accesar a este menú los tres LEDS que se encuentran en el módulo se ponen en color verde y permanecen 
asf hasta que se salga del modo de configuración, lo cual se logra apretando la tecla ESC en la computadora. 
El esclavo se conectó a la computadora por medio de un cable que se construyó tomando como base las hojas 
de especificaciones de la asignación de pines del RS-232 (tabla 5.3) y del footprint (tabla 5.4) que es la salida 
de este módulo. 
5.1. MODEM 37 
_ ,01,x 
[je ~dit 'ti-~!·- lf.alp 
D~ le i lm0 '19 111f 
~ 
IIIUN IIEHU 
Version 5.57 04-07-99 
Standard Hop Table 11 Mode• Serial Nu.ber 901-5587 
11 
(0) Set Operation Node 11 
(ll Set Baud Rate 11 
(2) Edit Call Book 
(3) Edit Radio Trans11ission Characteristics 
(4) Show Radio Statistics ¡si Edit llultiPoint Paraaeters r 6) TDHll Henu (Escl E11i t Setup 
Enter Choice 
~ 
..: 
Comecied 00:00:39 IIAúo ddeci ¡192008-N-1 HSCROll HCAPS §B jc.i;u,e jf'lnl echo ¡ A 
Figura 5.2: Menú principal de la configuración del Modero 
Pin Asignación Señal 
1 Carrier Detect Output 
2 Transmit Data Output 
3 Receive Data Input 
4 DTR Input 
5 Ground 
6 Data Set Read.y Output 
7 RTS Input 
8 Clear to Send Output 
9 Ground 
Tabla 5.3: Asignación de los pines del RS-232 
Pin Asignación 
1 B+ input 
2 Interrupt (Ground to invoke menu) 
3 DTR 
4 Ground 
5 'fransmit Data 
6 Ground 
7 Receive Data 
8 Carrier Detect 
9 RTS 
10 Clear to Send 
Tabla 5.4: Asignación de los pines del footprint 
Con el cable de comunicación entre el Modem esclavo y la computadora se puede configurar el esclavo, es 
decir, entrar al menú de configuración ( setup) del esclavo. La forma en que realizamos este cable fue conectando 
38 CAPÍTULO 5. TRANSMISIÓN DE LOS DATOS 
cada pin del RS-232 con su respectivo pin del footprint quedando de la manera que se presenta en la tabla 5.5 
Pin RS-232 Pin Footprint 
1 Carrier Detect 8 Carrier Detect 
2 Transmit Data 5 'Iransmit Data 
3 Receive Data 7 Receive Data 
4 DTR 3 DTR 
5,9 Ground 4,6 Ground 
7 RTS 9