Plataforma de control y operación para prototipo de dos grados de libertad basado en helicóptero de la Universidad El Bosque
El presente proyecto de grado desarrolló una plataforma de control y operación para el prototipo didáctico de dos grados de libertad basado en un helicóptero de la Universidad el Bosque. Por medio del microcontrolador ESP32 el sistema local ejecutó tareas concurrentes bajo FreeRTOS: lectura de dos s...
- Autores:
-
Girón Chilito, Nicolás Alberto
Laino Mercado, Sebastián David
- Tipo de recurso:
- https://purl.org/coar/resource_type/c_7a1f
- Fecha de publicación:
- 2025
- Institución:
- Universidad El Bosque
- Repositorio:
- Repositorio U. El Bosque
- Idioma:
- spa
- OAI Identifier:
- oai:repositorio.unbosque.edu.co:20.500.12495/18134
- Acceso en línea:
- https://hdl.handle.net/20.500.12495/18134
- Palabra clave:
- Control automático
Robótica
Automatización
Tecnología avanzada
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Automatic control
Robotics
Automation
Advanced technology
- Rights
- License
- Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International
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El presente proyecto de grado desarrolló una plataforma de control y operación para el prototipo didáctico de dos grados de libertad basado en un helicóptero de la Universidad el Bosque. Por medio del microcontrolador ESP32 el sistema local ejecutó tareas concurrentes bajo FreeRTOS: lectura de dos sensores MPU6050 a 100 Hz, algoritmo PID a 10 Hz y generación de señales PWM para un motor brushless y uno DC. Para la etapa de potencia, se seleccionó un driver TB6612FNG alimentado por una fuente de 12 V/5 A, mejorando la eficiencia energética y la precisión de control. Se definió un protocolo de comunicación serial USB a 115 200 bps que permite configurar parámetros PID, establecer setpoints de ángulo de elevación y giro, iniciar/detener el sistema y consultar datos en tiempo real. Durante las pruebas, el tiempo de asentamiento osciló entre 20 y 30 s. El diseño modular y de código abierto facilita la replicabilidad y el mantenimiento, permitiendo la sustitución de sensores y drivers sin rediseñar la PCB. El prototipo fue encapsulado en una carcasa impresa en 3D con conectores DB15, USB-C y C14, cumpliendo criterios de usabilidad y seguridad. En conjunto, se obtuvo un sistema confiable, económico y de fácil uso, adecuado para la enseñanza de control y como base para investigaciones futuras. |
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[1] E. Bermúdez, “Prototipo didáctico basado en el concepto de un helicóptero de dos grados de libertad para la universidad El Bosque”, Bogotá DC, 2024. Consultado: el 14 de agosto de 2024. [En línea]. Disponible en: https://repositorio.unbosque.edu.co/items/a04df45b-a69e-443b-ae7d-4c9c453b4698 [2] M. López-Martínez, J. M. Díaz, M. G. Ortega, y F. R. Rubio, “Control of a laboratory helicopter using switched 2-step feedback linearization”, en Proceedings of the American Control Conference, 2004, pp. 4330–4335. doi: 10.1109/ACC.2004.182630. [3] F. Gopmandal y A. Ghosh, “LQR-based MIMO PID control of a 2-DOF helicopter system with uncertain cross-coupled gain”, en IFAC-PapersOnLine, Elsevier B.V., dic. 2022, pp. 183–188. doi: 10.1016/j.ifacol.2023.03.031. [4] S. M. Ahmad, A. J. Chipperfield, y O. Tokhi, “Dynamic modeling and optimal control of a twin rotor MIMO system”, en Proceedings of the IEEE 2000 National Aerospace and Electronics Conference. NAECON 2000. Engineering Tomorrow (Cat. 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Edwards, y B. Bolton, “Statics”, en Mechanical Engineering Systems, Elsevier, 2001, 5, pp. 204–294. doi: 10.1016/B978-075065213-1/50005-2. [10] R. P. R. Paper, Ms.Neha, R. Laddha, y Prof. A. P. Thakare, “A Review on Serial Communication by UART”, 2013. [En línea]. Disponible en: https://api.semanticscholar.org/CorpusID:212584910 [11] T. Tserendondog, Control Technique with Microcontrollers. Mongolian University of Science and Technology, 2023. [En línea]. Disponible en: https://ec.europa.eu/programmes/erasmus-plus/project-result-content/374cc16e-f91f-431e-ba46-8745d9aef419/Controll_Technique_with_Microcontrollers.pdf [12] R. K. Sahu, S. Panda, U. K. Rout, y D. K. Sahoo, “Teaching learning based optimization algorithm for automatic generation control of power system using 2-DOF PID controller”, International Journal of Electrical Power & Energy Systems, vol. 77, pp. 287–301, 2016, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2015.11.082. [13] R. 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Se definió un protocolo de comunicación serial USB a 115 200 bps que permite configurar parámetros PID, establecer setpoints de ángulo de elevación y giro, iniciar/detener el sistema y consultar datos en tiempo real. Durante las pruebas, el tiempo de asentamiento osciló entre 20 y 30 s. El diseño modular y de código abierto facilita la replicabilidad y el mantenimiento, permitiendo la sustitución de sensores y drivers sin rediseñar la PCB. El prototipo fue encapsulado en una carcasa impresa en 3D con conectores DB15, USB-C y C14, cumpliendo criterios de usabilidad y seguridad. En conjunto, se obtuvo un sistema confiable, económico y de fácil uso, adecuado para la enseñanza de control y como base para investigaciones futuras.Ingeniero ElectrónicoPregradoThis degree project developed a control and operational platform for a two-degree-of-freedom educational prototype based on a helicopter model from Universidad El Bosque. Using the ESP32 microcontroller, the local system executed concurrent tasks under FreeRTOS: reading data from two MPU6050 sensors at 100 Hz, running a PID algorithm at 10 Hz, and generating PWM signals for a brushless motor and a DC motor. For the power stage, a TB6612FNG driver powered by a 12 V/5 A supply was selected, improving energy efficiency and control precision. A USB serial communication protocol at 115,200 bps was defined to configure PID parameters, set elevation and rotation angle setpoints, start/stop the system, and retrieve real-time data. During testing, the settling time ranged between 20 and 30 s. The modular and open-source design ensures replicability and ease of maintenance, allowing sensor and driver replacements without redesigning the PCB. The prototype was housed in a 3D-printed enclosure with DB15, USB-C, and C14 connectors, meeting usability and safety standards. Overall, the result is a reliable, cost-effective, and user-friendly system suitable for teaching control theory and serving as a foundation for future research.application/pdfAttribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 Internationalhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/Acceso abiertohttps://purl.org/coar/access_right/c_abf2http://purl.org/coar/access_right/c_abf2Control automáticoRobóticaAutomatizaciónTecnología avanzada621.381Automatic controlRoboticsAutomationAdvanced technologyPlataforma de control y operación para prototipo de dos grados de libertad basado en helicóptero de la Universidad El BosqueControl and operation platform for a two-degree-of-freedom helicopter-based prototype from Universidad El BosqueIngeniería ElectrónicaUniversidad El BosqueFacultad de IngenieríaTesis/Trabajo de grado - Monografía - Pregradohttps://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fhttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1finfo:eu-repo/semantics/bachelorThesishttps://purl.org/coar/version/c_ab4af688f83e57aa[1] E. Bermúdez, “Prototipo didáctico basado en el concepto de un helicóptero de dos grados de libertad para la universidad El Bosque”, Bogotá DC, 2024. Consultado: el 14 de agosto de 2024. [En línea]. Disponible en: https://repositorio.unbosque.edu.co/items/a04df45b-a69e-443b-ae7d-4c9c453b4698[2] M. López-Martínez, J. M. Díaz, M. G. Ortega, y F. R. Rubio, “Control of a laboratory helicopter using switched 2-step feedback linearization”, en Proceedings of the American Control Conference, 2004, pp. 4330–4335. doi: 10.1109/ACC.2004.182630.[3] F. Gopmandal y A. Ghosh, “LQR-based MIMO PID control of a 2-DOF helicopter system with uncertain cross-coupled gain”, en IFAC-PapersOnLine, Elsevier B.V., dic. 2022, pp. 183–188. doi: 10.1016/j.ifacol.2023.03.031.[4] S. M. Ahmad, A. J. Chipperfield, y O. Tokhi, “Dynamic modeling and optimal control of a twin rotor MIMO system”, en Proceedings of the IEEE 2000 National Aerospace and Electronics Conference. NAECON 2000. Engineering Tomorrow (Cat. 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Edwards, y B. Bolton, “Statics”, en Mechanical Engineering Systems, Elsevier, 2001, 5, pp. 204–294. doi: 10.1016/B978-075065213-1/50005-2.[10] R. P. R. Paper, Ms.Neha, R. Laddha, y Prof. A. P. Thakare, “A Review on Serial Communication by UART”, 2013. [En línea]. Disponible en: https://api.semanticscholar.org/CorpusID:212584910[11] T. Tserendondog, Control Technique with Microcontrollers. Mongolian University of Science and Technology, 2023. [En línea]. Disponible en: https://ec.europa.eu/programmes/erasmus-plus/project-result-content/374cc16e-f91f-431e-ba46-8745d9aef419/Controll_Technique_with_Microcontrollers.pdf[12] R. K. Sahu, S. Panda, U. K. Rout, y D. K. Sahoo, “Teaching learning based optimization algorithm for automatic generation control of power system using 2-DOF PID controller”, International Journal of Electrical Power & Energy Systems, vol. 77, pp. 287–301, 2016, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2015.11.082.[13] R. 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