implementaciÓn de un drone de apoyo al centro de
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IMPLEMENTACIÓN DE UN DRONE DE APOYO AL CENTRO DE VIGILANCIA DE UNICENTRO BOGOTÁ
PROYECTANTE
JOSÉ ALEJANDRO QUINTERO ECHEVERRÍA
:
UNIVERSIDAD PILOTO DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIONES
BOGOTÁ D.C.
2018
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IMPLEMENTACIÓN DE UN DRONE DE APOYO AL CENTRO DE VIGILANCIA
DE UNICENTRO BOGOTÁ
PROYECTANTE
JOSÉ ALEJANDRO QUINTERO ECHEVERRÍA
PROPUESTA PROYECTO DE GRADO
PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO DE TELECOMUNICACIONES
DIRECTOR
MSC. ING. LUIS EFREN ROJAS MONTAÑEZ
UNIVERSIDAD PILOTO DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIONES
BOGOTÁ D.C.
2018
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NOTA DE ACEPTACIÓN
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________________________________________
________________________________________
________________________________________ Jurado 1
________________________________________ Jurado 2
Ciudad y fecha (día, mes, año): _____________________________________________
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Dedico este trabajo a todos aquellos
que me apoyaron me guiaron y me
dieron fuerza para poder alcanzar el
objetivo trazado con el proyecto.
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AGRADECIMIENTOS Le agradezco a Dios, por darme la capacidad de entendimiento e ingenio para trabajar en este proyecto. A mis padres, hermano y hermana por brindarme su apoyo y estar siempre a mi lado. Y a mi compañero de lucha y de vida, Drako, quien con su compañía, me ayudó a solventar todos los impases que surgieron a lo largo de esta gran travesía. A mis abuelos Luis Alejandro Echeverría y José Delfín Quintero, junto con mi tío José Enrique Echeverría quienes desde arriba han sido una inspiración y mi fuerza de voluntad. Jose Alejandro Quintero E.
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CONTENIDO
pág. Glosario……………………………………………………………………………….14
Resumen………………………………………………………………………..……15
1. INFORMACIÓN DEL PROYECTO………………........................……….…16
1.1 INTRODUCCIÓN……………..…………………………………………………17
1.2 OBJETIVO GENERAL...……………………………………………........….…18
1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS…..….………………..………………………….18 1.4 METODOLOGÍA… ………….………..………………………………………..18 2. ESTADO DEL ARTE…….…………………………………….………………..19
2.1. MARCO HISTÓRICO .............................................................................. 19
2.1.1. Drones en Colombia y en el mundo ............................................. 20
2.1.2. Regulación en Colombia y el mundo ............................................ 20
2.2. MARCO DE ANTECEDENTES ............................................................... 21
2.3. MARCO CONCEPTUAL ......................................................................... 21
2.3.1. Comunicaciones RF ..................................................................... 22
2.3.2. Protocolo de comunicación serial I2C .......................................... 22
2.3.3. Sensores ...................................................................................... 23
2.3.4. Modulación PWM ........................................................................ .23
2.3.5. Baterías LiPo ................................................................................ 24
3. DESARROLLO DEL PROYECTO ................................................................... 26
3.1 ANÁLISIS DE LAS TECNOLOGÍAS PARA LA TRANSMISIÓN DE IMÁGENES EN TIEMPO REAL DESDE UN DRONE……......…………………26
7
3.1.1 Tecnología FPV…………………………………………………….....27
3.1.2 Cámara FPV…………………………………………………………...27
3.1.3 Tipo de cámara FPV (CMOS o CCD)……………………………….27
3.1.4 Características cámaras FPV………………………………………..27
3.1.5 Antenas para transmisión de imágenes en tiempo real…………...28
3.1.6 Frecuencias utilizadas en FPV……………………………………….28
3.1.7 Uso de los drones en la seguridad privada…………………………28
3.1.8 Clasificación de los Drones …………………………………………..28
3.1.9 Especificaciones técnicas de los drones para seguridad y vigilancia
privada………………………………………………………………………….29
3.1.10 Sistema de vigilancia y seguridad CCTV……………………….…29
3.1.11 Cámara de video para CCTV………………………………………..30
3.1.12 Formato de cámaras CCTV……………………………………….…30
3.1.13 Medio de transmisión de imágenes en CCTV………………….…..31 3.1.14 Sensor de imagen CCD (charge coupled device)…………….……32
3.2 DEFNICIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS TÉCNICOS FUNCIONALES
PARA EL DRONE Y EL SISTEMA DE TRANSMISIÓN DE IMÁGENES. ……...33
3.2.1 Placa cámara CCTV QUADDRIX QT60C/IR………………………...33 3.2.2 Dispositivo XBee Series Pro2 …………………………………………33 3.2.3 OQPSK (QPSK con corrimiento)………………………………………34 3.2.4 Características estándar IEEE 802.15.4………………………………36 3.2.5 Seguridad IEEE 802.125.4……………………………………………..38
3.2.6 Encriptación AES……………………………………………………………..40 3.2.7 Hardware XBee……………………………………………………………….42
3.2.8 Modos de operación y parámetros en xBee……………………………….42 3.2.9 Microcontrolador MC51FQE128…………………………………………….44
8
3.2.10 Tarjeta de desarrollo DEMOQE128……………………………………….45 3.2.11 Sensor de temperatura y humedad DHT11………………………………46 3.2.12 Sensor ultrasónico SRF05…………………………………………….……47 3.2.13 Sensor barométrico BMP180………………………………………………47 3.2.14 Sensor magnetómetro GY271-HMC5883L……………………………….48
3.2.15 NET PELCO 5400T…………………………………………………………48 3.2.16 Sensor GY-521 / MPU6050………………………………………………..48 3.2.17 GPS NEO-M8………………………………………………………………..49 3.2.18 Motor Brushless A2212 13T 1000KVA……………………………………49 3.2.19 Hélices………………………………………………………………………..49 3.2.20 Controladores electrónicos de velocidad ESC…………………………...49 3.2.21 Baterías LiPo………………………………………………………………...50 3.2.22 Control remoto……………………………………………………………….50 3.2.23 Requirimientos técnicos definidos…………………………………………50
3.3 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL DRONE Y EL SISTEMA DE TRANSMISIÓN DE IMÁGENES SEGÚN LOS REQUERIMIENTOS TÉCNICOS DEFINIDOS. ……………………………………………………………………………..51 4. RESULTADOS ................................................................................................. 69
4.1 VALIDACIÓN DE PRUEBAS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS SOBRE EL
FUNCIONAMIENTO DEL DRONE Y EL SISTEMA DE TRANSMISIÓN................69
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................. 74
TRABAJOS FUTUROS ......................................................................................... 74
REFERENCIAS ..................................................................................................... 75
ANEXOS ............................................................................................................... 81
9
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 2.1 Países con normativa en uso de drones. ............................................. 21 Figura 2.2. Partes de un Controlador Electrónico de Velocidad – ESC……….......24
Figura 2.3. LiPo hinchada dentro del drone………………………………………......25 Figura 3.1 Sistema FPV…………………………………………………………………26 Figura 3.2.Sistema típico de transmisión de video en drone………………….........28 Figura 3.3 Partes de una cámara CCTV……………………....................................30
Figura 3.4. Sensores de imagen CCD aplicable……………………………………..30
Figura 3.5. Especificaciones de una cámara CCTV para transmisión en tiempo real ………………………………………………………………………………………..31
Figura 3.6. Características de una cámara CCTV…………………………………...31 Figura 3.7. Funcionamiento CCD…………………………………………….……….32
Figura 3.8. Sensor captura de imagen CCD..........................................................33
Figura 3.9. Cámara QUADDRIX QT-60C/IR…………………………………………34 Figura 3.10. Especificaciones técnicas camara QT60C/IR………………………...34 Figura 3.11. Diferencias de fase entre QPSK y OQPSK………….………………..35
Figura 3.12. Diagrama de constelación OQPSK o código Gray…………………..36 Figura. 3.13. Diagrama temporal OQPSK - QPSK Compensada…………...........36 Figura 3.14. Propiedades de alto nivel IEEE 802.15.4……………………………..37 Figura 3.15. Capas del protocolo Zigbee. Estándar IEEE. 802.15.4……………...37 Figura 3.16. Descripción capas Zigbee…………………………………………..…..37 Figura 3.17. Estructura de canales IEEE 802.15.4 define 27 canales de frecuencia………………………………………………………………………………..38
10
Figura 3.18 Algoritmo criptográfico AES……………………………………….…….39 Figura 3.19. Ataque de fuerza bruta a una clave de AES de 4 bits……………....39 Figura 3.20. Tamaño de las clave y posibles combinaciones………………………40
Figura 3.21. Topologías Zigbee®……….……………………………………………..41
Figura 3.22. Módulo xBee.ProSerie2…………………………………………..……...42
Figura 3.23. Modos de operación y parámetros en xBee…………………….……..42 Figura 3.24. Operación Transparente…………………………….................………43
Figura 3.25. Operación API………………………………………………………….….43 Figura 3.26. Regulador Xbee SparkFun Explorer………………….……..………….43 Figura 3.27. Programador Xbee con aplicación USB and RS232 TTL……….……44 Figura 3.28. Características microcontrolador MCF51QE128……………………...45 Figura 3.29. Características tarjeta de desarrollo DEMOQE128…………………...45 Figura 3.30. Tarjeta de desarrollo DEMOQE128………………………………….…46 Figura 3.31. Distribución de pines DEMOQE128…………………………….………46 Figura 3.32. NET5400T Series Network Video Encoder…………………..………..48 Figura 3.33 Hélices 10x45”………………………………………………………….….49 Figura 3.34. Especificaciones hélices……………………………………..…………..49 Figura 3.35. Batería TURNIGY 500mAh 20C-30C PLUG XT60……………………50 Figura 3.36. Peso del drone, consumo y suministro máximo de corrientes…..…..52 Figura. 3.37 Esquemático completo drone………………………………………..….53 Figura 3.38. Montaje cámara de video………………………………………………..54 Figura 3.39 Tarjeta de distribución de potencia………………………………………54 Figura 3.40. Montaje estructura completa…………………………………..………..55 Figura 3.41. Tarjeta de potencia fuentes switcheadas con sensores...……………55
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Figura 3.42 Sensor de nivel de batería………………………………………………..56 Figura 3.43. Montaje de sensores en tarjeta de potencia……………………….…..56 Figura 3.44. Montaje estructura completa…………………………………………….57 Figura 3.45. Tarjeta de distribución de potencia………………………….………….57 Figura 3.46. Armado general del drone………………………………………...…….57 Figura 3.47 Entorno de programación IDE CODEWARRIOR XBEE SDK..………58 Figura 3.48. Desarrollo código en entorno de programación……………….………59
Figura 3.49. Xbee Aplication Project………………………………………………..…59 Figura 3.50. Creación proyecto en entorno SDK……………………….…………….60 Figura 3.51. Creación Project Demoqe128……………………………………..…….60 Figura 3.52. Selección microcontrolador entorno CODEWARRIOR……………….61 Figura 3.53. Entorno de programación definido…………………………………..….61 Figura 3.54 Activación funcionalidades…………………………………………..…..62 Figura 3.55. Configuración conversor Análogo/Digital………………………………62 Figura 3.56 Resolución Conversor A/D………………………………………………63 Figura 3.57. Configuración PWM motores……………………………………………63 Figura 3.58. Compilación con éxito del código de desarrollo……………………….64 Figura 3.59. Programación LABVIEW 2015……………………………………….…64 Figura 3.60. Programación LABVIEW 2015………………………………………….65 Figura 3.61. Esquema programación en LABVIEW 2015…………………………..65 Figura 3.62. Programación LABVIEW 2015…………………………………………..66 Figura 3.63. Programación sensores en LABVIEW 2015……………………...……66 Figura 3.64 Inyección de señal de video en tiempo real en NET 5404T en central de seguridad UNICENTRO Bogotá…………...........................................…………67
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Figura 3.65. Configuración señal de video en tiempo real desde xBee receptor en sistema ENDURA CCTV de UNICENTRO..........................................67 Figura 3.66. Configuración señal de video en tiempo real desde xBee receptor en sistema PELCO CCTV de UNICENTRO…………………………..……68 Figura 4.1. Enlace satisfactorio módulos xBee……………………………………….69
Figura 4.2 Izquierda voltaje fuente 3.3v.Derecha fuente 6.5v para DEMOWE128.69
Figura 4.3. Funcionamiento sensor de temperature, distancia y humedad. .......... 70
Figura 4.4. Funcionamiento brújula ....................................................................... 70
Figura 4.5. xBee operativo .................................................................................... 71
Figura 4.6. Funcionamiento sensor barométrico. .................................................. 71
Figura 4.7. Interface GPS, brújula digital, horizonte
artificial y modelo drone 3D…… ............................................................................ 72
Figura 4.8. Drone en central de monitoreo UNICENTRO BOGOTA D.C .............. 72
Figura 4.9. Drone en Central de seguridad Unicentro Bogotá ............................... 73
Figura 4.10. Imagen reproducida en tiempo real parqueadero externo UNICENTRO Bogotá. Adaptación canal DVR Sistema CCTV………………..……73
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LISTA DE ANEXOS
pág.
Anexo A. Solicitud formal a Unicentro Bogotá sobre desarrollo del drone....81 Anexo B. Autorización acta de reunion con director de seguridad Unicentro TC. Ernesto Condía. ........................................................................................... .82 Anexo C. Entrevista director de seguridad Unicentro TC. Ernesto Condía … ....................................................................................... .83 Anexo D. Entrevista director seguridad Centro Mayor Nixon González .................................................................................................... 84 Anexo E. Entrevista director seguridad 4-72. Ingeniero Alejandro Pérez .................................................................................. 85 Anexo F. Email Ingeniero. Pedro Vargas Información LABVIEW – NI………...86 Anexo G. Factura licencias LABVIEW - National Instruments………………....87 Anexo H. Data sheet ESC SIMONK 30A……………………………………….……88 Anexo I. Data sheet cámara QUADDRIX QT60C/IR………………………….……89 Anexo J. Data sheet xBee Pro Series2………………………………………….….90 Anexo K. Datasheet NET 5404T………………………………………………….…..91 Anexo L. Datasheet Shield USB xBee…………………………………………..…..92 Anexo M. Datasheet HMC5883L……………………………………………….…..…93
Anexo N. Datasheet MPU6000-6050………………………………………….……...94
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GLOSARIO CCD: charge coupled device – dispositivo de carga acoplada. CCTV: circuito cerrado de televisión. CMOS: complementary metal oxide semiconductor – semiconductor complementario de óxido metálico. ESC: electronic speed control - controlador electrónico de velocidad. FPV: first person vision – vista en primera persona. GCS: ground control station.- estación de control terrena. GPS: global positioning system - sistema de posicionamiento global - sistema de navegación basado en 24 satélites (21 operativos y 3 de respaldo).
IDE: integrated development environment - entorno de desarrollo integrado - entorno de desarrollo interactivo. NTSC: national television system committee. estándar de televisión americano. emplea sub-portadora 3.57945 mhz, cuya fase varia con el tinte del color y cuya amplitud varia con la saturación del color. PAL: phase alternating line. estándar de televisión que describe el cambio de fase del color en la señal de video. es el estándar de televisión europea, china, malasia, australia, nueva zelanda, el medio este y partes de áfrica. emplea sub-portadora de 3.57561149 mhz. PWM: pulse width modulation - modulación por ancho de pulsos. SDK: software development kit - kit de desarrollo de software. sdk reúne un grupo de herramientas que permiten la programación de aplicaciones. TVL: tv lines – líneas televisivas. UAV: unmanned aerial vehicle UHF: ultra high frecuency – ultra alta frecuencia VANT: vehículo aéreo no tripulado
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RESUMEN El presente trabajo tiene como fundamento el desarrollo e implementación de un drone para transmitir imagen en tiempo real a la central de monitoreo de Unicentro Bogotá. El proyecto contempla un desarrollo de software propio por medio de una tarjeta electrónica para adquisición de datos DEMOQE128 de PEmicro, trabajando con un microcontrolador MCF51QE128 FLEXIS de 32 bits y designado para telemetría y control en el vuelo. Contiene cuatro (4) módulos inalámbricos xBee Pro Series2 de DIGI INTERNATIONAL encargados de transmitir las señales de video y telemetría. El proyecto se desarrolla en su totalidad por medio y bajo las plataformas de CodeWarrior Development Studio de Freescale, Digi XBee CodeWarrior Programmable SDK de Freescale. LABVIEW 2015 de NATIONAL INSTRUMENTS y OrCAD. La programación para los módulos no se realiza por medio del software convencional XCTU ya que por medio del kit de desarrollo de CodeWarrior se logra personalizar el dispositivo y con implementación de seguridad única. Esto hace que el desarrollo sea completamente diferente a los desarrollos convencionales para estos módulos de transmisión. El drone contiene sensórica para realizar su control desde una estación de control terrena GCS. Posee un sensor de temperatura y humedad DHT11, un sensor barométrico BMP180 para determinar presión atmosférica, altitud y un segundo sensor de temperatura, un sensor magnetómetro GY271 para visualizar brújula digital, un sensor de distancia ultrasónico SRF05, un sensor de nivel de batería fabricado de manera propia, un sistema GPS por medio de un módulo UBLOX M8N. Se implementa un sensor GY521 el cual contiene un giroscopio y un acelerómetro, en donde mide la velocidad y dirección de la gravedad en el dispositivo, realiza un control PID (Proporcional-Integral-Derivativo) de lazo cerrado electrónico, logrando una vista de horizonte artificial en la GCS. El drone realiza la transmisión de imagen en tiempo real por medio de una cámara profesional para CCTV QUADDRIX QT60C/IR y transmite la señal de video por medio de dispositivos de radiofrecuencia xBee Series Pro2 los cuales se encargan de encriptar y brindar seguridad a la señal de transmisión. La señal de video es configurada de manera directa al sistema CCTV de Unicentro por medio de un NET PELCO 5404T el cual se encuentra operativo actualmente dentro del sistema CCTV del centro comercial, es programado por medio de direcciones IP y sistema operativo LINUX para lograr visualización en tiempo real dentro de la central de seguridad y vinculado a los grabadores de video del sistema CCTV de Unicentro Bogotá.
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1. INFORMACIÓN DEL PROYECTO
1.1 INTRODUCCIÓN
El presente proyecto se construye para realizar el envío de imágenes en tiempo real hacia la central de seguridad y monitoreo CCTV de la ciudadela centro comercial Unicentro Bogotá por medio de un drone de última tecnología. Para la ejecución del proyecto en las instalaciones de Unicentro se dispone de una carta que se remite a la gerencia del centro comercial (Anexo A) y su respectiva autorización con acta firmada (Anexo B) por medio de una reunión establecida con el director de seguridad de Unicentro Bogotá Tc. Ernesto Condía. El proyectante actualmente labora en las instalaciones de Unicentro Bogotá en donde se desempeña como técnico de mantenimiento preventivo y correctivo de los sistemas CCTV y alarmas del centro comercial. Esto permite la autorización y el desarrollo del proyecto. Unicentro cuenta con un sistema CCTV híbrido Análogo-Digital, en donde la distribución de cableado para las cámaras se realiza por medio de cable coaxial, con una interfaz de video, grabación y distribución en software, la cual se realiza a través de un NET PELCO 5404T de PELCO el cual asigna una dirección IP a cada dispositivo y de esta forma trabajar el sistema de forma digital. De las cámaras instaladas algunas se encuentran fuera de servicio evidenciando puntos ciegos existentes en donde no se tiene cobertura de video, algunas se encuentran fuera del sistema CCTV por el deterioro del cableado, la vieja infraestructura del centro comercial, la antigüedad de las cámaras ya que algunas están obsoletas y el fabricante no brinda soporte sobre equipos descontinuados. En Colombia el 18 de Junio de 2017 se perpetró un atentado terrorista en el centro comercial Andino de Bogotá como lo confirma el Canal Caracol “Tres muertos y nueve heridos deja atentado terrorista en centro comercial Andino de Bogotá”. Se realiza una entrevista al encargado en ese momento como Director de la Policía Nacional General Jorge Nieto el cual manifiesta al Canal Caracol “Efectivamente fue un artefacto que colocaron (…), técnicos antiexplosivos están haciendo la verificación de qué artefacto fue el que causó la lesión a estas personas” [1]. En esta explosión se registraron daños en las cámaras, quedando zonas descubiertas sin ningún respaldo. Lo que indica que existen centros comerciales en Colombia con sistemas de CCTV de tecnología obsoleta y sin sistemas de respaldo o apoyo como la tecnología de un drone para complementar sus sistemas de CCTV y esquemas de seguridad. Esto se evidencia en entrevistas realizadas al T.C Ernesto Condía, Director de seguridad de Unicentro (Anexo A), al bombero profesional Nixon González, Director de Seguridad del centro comercial Centro Mayor (Anexo B) y al Ingeniero Electrónico Alejandro Pérez Director de seguridad en 4-72 (Anexo C), indican no disponer de drones en sus protocolos de seguridad para los centros comerciales que tienen a cargo.
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Adicionalmente en la entrevista realizada al TC. Ernesto Condía, Director de Seguridad de Unicentro menciona “…en la parte externa de parqueadero se han presentado robos a vehículos, el día 14 de Enero de 2018 se presentó un hurto a una camioneta blindada. Robo sin un apoyo y seguimiento externo a tiempo sobre quien comete el hurto…” [2]. El proyecto se divide en cuatro (4) capítulos los cuales detallan la metodología empleada para su desarrollo. El primer capítulo brinda información sobre la información del proyecto, introducción y objetivos a cumplir. El segundo capítulo trata sobre los antecedentes, marco histórico y conceptual del tema en general de todos los sistemas que trabajan sobre el drone. El tercer capítulo muestra el desarrollo general. Selección de tecnologías. Definición de los requerimientos técnicos y funcionales del drone. Pauta el diseño, la construcción de código de programación y la construcción general del dispositivo. El cuarto capítulo informa sobre los resultados obtenidos en el desarrollo del dispositivo. Muestra imágenes exitosas de las pruebas realizadas a todos los sistemas del drone. Por último se indican las conclusiones y recomendaciones pertinentes al realizar proyectos de este tipo y al utilizar dispositivos electrónicos de vuelo. Adicionalmente se informa sobre implementaciones y trabajos futuros para un mayor rendimiento y aprovechar al máximo este robusto dispositivo.
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1.2 OBJETIVO GENERAL
Construir un drone que permita transmitir imágenes en tiempo real al centro de vigilancia de UNICENTRO Bogotá, mediante un software propio.
1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Analizar las tecnologías para la transmisión de imágenes en tiempo real desde un drone.
Definir los requerimientos técnicos funcionales para el drone y el sistema de transmisión de imágenes.
Diseñar e implementar el drone y el sistema de transmisión de imágenes según los requerimientos técnicos definidos.
Validar las pruebas y analizar los resultados del funcionamiento del drone y del sistema de transmisión.
1.4 METODOLOGÍA
El tipo de metodología para abordar en cuanto al desarrollo del proyecto y según el criterio que brinda Jacqueline Hurtado de Barrera en su libro Metodología de la Investigación Holística, es una metodología proyectiva, ya que conduce a un invento, un programa, un diseño y una creación dirigida a determinar una necesidad, basada en conocimientos anteriores, hallando solución a un problema práctico y nueva modalidad de aplicación en la realidad [3].
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2. ESTADO DEL ARTE 2.1 MARCO HISTÓRICO Un vehículo aéreo no tripulado (VANT) o UAV (Unmanned Aerial Vehicle) por sus siglas en inglés, es una aeronave remotamente tripulada (ART) o RPA (Remotely Piloted Aircraft) por sus siglas en inglés, que vuela sin tripulación. Comúnmente denominada drone Históricamente sus primeros usos fueron en aplicaciones militares en la primera guerra mundial entre los años 1914 y 1918 como se muestra a continuación:
A finales del año 1916 se construye en Reino Unido por el capitán A.H Low el Aerial Target, un vehículo aéreo no tripulado controlado por radio desde tierra que pretendía servir como blanco aéreo de entrenamiento y como defensa contra los Zeppelins. En el año 1917 se desarrolla el conocido “Torpedo Aéreo Kettering (Kettering Bug)” por Charles F. Kettering de la General Motors, con los controles de Elmer Sperry y su hijo Lawrence Sperry [4].
Posteriormente se emplearon en la segunda guerra mundial para entrenar a los operarios de los cañones antiaéreos y para reconocimientos de ataque.
Los drones son utilizados en trabajos de lucha contra incendios, seguridad civil, lucha contra el narcotráfico, vuelos de reconocimiento, cuidado de oleoductos, seguridad ciudadana, combates en guerras actuales, proteger zonas de alto riesgo, cuidado a la caza furtiva, verificación del clima, limpieza del aire, búsqueda de personas en desastres naturales, actividades de alto riesgo para el ser humano como toma de información a volcanes, glaciares y altas profundidades oceánicas. Los drones han sido sobresalientes en diferentes escenarios.
2.1.1 Drones en Colombia y en el mundo
Al transcurrir el año 2005 La Fuerza Aérea Colombiana ha dispuesto el uso de drones, puntualmente el drone Scan Eagle adquirido a los Estados Unidos, el cual realiza todas sus operaciones en campo abierto cumpliendo actividades de vigilancia, reconocimiento, prevención de desastres naturales, detección de cultivos ilícitos y tala de árboles. Apoya misiones para capturar y desmovilizar personas al margen de la ley, búsqueda de secuestrados, realiza operativos contra la minería ilegal y labores de inteligencia en donde se han evitado ataques terroristas por parte del grupo armado ELN a los oleoductos Caño Limón Coveñas y Bicentenario [5].
Esto habla de lo importante que se han convertido estos dispositivos para la seguridad nacional ya que han sido responsables de frustrar acciones delictivas.
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Según el coronel Felipe León, director de Aeronaves No Tripuladas de la Fuerza Aérea, estas naves se convirtieron en un complemento perfecto para las operaciones tripuladas y para los objetivos de las fuerzas militares “Permiten proteger la vida de nuestros hombres (…) pueden acceder a lugares remotos y críticos, alcanzan mayores alturas, tienen mayor autonomía de vuelo y toman fotografías de alta calidad” [6].
En el transcurso del uso de drones en Colombia se ha logrado con éxito capturar y desmovilizar personas al margen de la ley, incautar material de guerra, destruir laboratorios de coca, detectar minería ilegal y enviar alarmas sobre derrames y posibles atentados a oleoductos. La mayoría de estas actividades se han desarrollado en zonas de Santander, Arauca, Putumayo y Nariño [7]. 2.1.2 Regulación en Colombia y el mundo
Las normas para el uso de drones dependen del país en donde se encuentre. No se tienen leyes concretas que rijan el uso de drones en el mundo. Sin embargo, en la Figura 2.1, se exponen 24 de los 117 países con normativa aplicada [8] los cuales siguen parámetros establecidos por la regulación global de drones Global UVS Regulations [9]. Las resoluciones de cada país establecen parámetros a seguir como control sobre el peso del dispositivo, permiso sobre el espacio aéreo a utilizar, la seguridad del dispositivo sobre cada actividad que realiza, carnetización de piloto del drone para poder operar, distancia de vuelo sobre personas o lugares específicos, sistemas de seguridad en vuelo, intimidad de las personas y el tipo de drone a implementar [10].
“Los drones son cada vez más regulados en todo el mundo, ya que tanto las autoridades gubernamentales como las independientes de la aviación están despertando al tamaño de la creciente demanda. Aunque en la actualidad hay poco en el camino de las leyes reales concretas que rigen el uso de los drones” [11].
España en el tema de la regulación en el uso de los drones, establece una normativa, más no una ley específica que regule el tema. Adicional a esto, esta normativa indica ser una ley temporal la cual aborda las medidas en las que se puede realizar trabajos aéreos en función del peso del drone. “El texto aprobado se completa el régimen general de la Ley 48/1960, de 21 de julio, sobre Navegación Aérea” [12].
En los Estados Unidos “La FAA (Federal Administration Aviation) es el ente que regula la normativa para la implementación de drones. Esta norma indica que los drones pueden volar sin permiso especial pero las operaciones para uso comercial deben solicitar permisos adicionales para su operación.” [13].
La normativa para el uso de drones en el Reino Unido es menos estricta que la impuesta por los Estados Unidos. Esto representa una oportunidad para las personas que quieren disponer de un drone para fines lucrativos. A raíz de esta ventaja para aquellos que se quieren lucrar con los servicios que ofrece un drone y
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los riesgos que este conlleva se ha aumentado la presión sobre el gobierno para implementar un conjunto más estricto de reglas [14].
Figura 2.1. Países con normativa en uso de drones.
Fuente: Autor
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Para volar un drone legalmente en Colombia se deben cumplir ciertas reglas desde el 8 de Septiembre de 2015 con la circular 002 regulatoria de la Aeronáutica Civil de Colombia (CR 5100-082-002) siendo Colombia pionera en este tema.
En la actualidad el uso de drones para vigilancia y seguridad privada es un tema bastante amplio y útil en su teoría, pero en su aplicación, específicamente para centros comerciales, es muy limitado. Las normas, NFPA 730-2006 guía para seguridad física en establecimientos y NFPA 731-2006 guía para la instalación de sistemas electrónicos de seguridad en establecimientos, no restringen el uso de drones en establecimientos para uso en exteriores. Para la implementación del drone en exteriores se siguen los requerimientos generales de aeronavegabilidad y operaciones para RPAS según la circular 002 regulatoria de la Aeronáutica Civil de Colombia (CR 5100-082-002) y a nivel mundial según la OACI – Organización de Aviación Civil Internacional por medio de la Enmienda 43 del Anexo 2, Enmienda 6 del Anexo 7 y Enmienda 13 del Anexo 13 (10°edición).
2.2 MARCO DE ANTECEDENTES A nivel mundial se conoce de dos casos en centros comerciales que cuentan con un drone en funcionamiento operativo para su vigilancia y complemento a sus esquemas de seguridad. El primero se encuentra en un centro comercial en la ciudad de La Serena, capital de la Región de Coquimbo, Chile, en donde se manifiesta por parte de Catalina Guzmán (coordinadora regional de la subsecretaría de prevención del delito, comités de seguridad pública, gerentes de supermercados y centros comerciales) la frecuencia de robos en algunas zonas del centro comercial La Serena [15]. Razón por la cual se lanzó una campaña contra el robo de autos cuyo fin es disminuirlos, para lo cual se estipuló la implementación de un drone para el monitoreo de los estacionamientos en el centro comercial. Precisamente como lo indica el diario digital El Observatodo: “…señalaron que implementarán nuevas medidas en esta materia, como por ejemplo el uso de un Drone.” Siendo esta materia la seguridad de los estacionamientos del centro comercial en espacio abierto [16].
La implementación del Drone ha conseguido prevenir los hurtos de manera satisfactoria, ha cumplido con la disminución de los robos a los locales y a los estacionamientos, brindando protección y seguridad a sus visitantes. El centro comercial La Serena ha logrado obtener con un solo drone el cubrimiento de zonas desprotegidas sin la necesidad de una nueva implementación de CCTV o contratar más personal así como lo indica el diario El Día [15].
El segundo es el primer drone de vuelo autónomo en el mundo el cual se utiliza como parte de vigilancia en el centro comercial Marineda City el más grande de España. Desarrollado por PROSEGUR, forma parte de la vigilancia del centro comercial, sobrevolando zonas internas y externas [17].
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En el mercado existen drones de última tecnología para realizar tareas de vigilancia y seguridad privada como es el drone Prosegur [17], el drone DJI Matrice 200 [18], ideales para los trabajos a realizar en el centro comercial pero sus precios son bastante elevados. Igualmente se encuentran drones económicos como el drone Parrot AR. Abejón 2.0 ELITE [19], pero no satisface las necesidades de operatividad para el centro comercial.
2.3 MARCO CONCEPTUAL 2.3.1 Comunicaciones RF Una comunicación RF es cuando no se utiliza cable como medio de unión entre sistemas. Su principal ventaja es evitar la necesidad de establecer un cableado y rapidez en la instalación. 2.3.2 Protocolo de comunicación serial I2C. El protocolo I2C envía información a través de una sola vía de comunicación. La información es enviada bit por bit de forma coordinada [20].
La transmisión se realiza a través de los pines SDA y SCL
SDA – Serial Data. Es la vía de comunicación entre el maestro y el esclavo para transmitir información.
SCL – Serial Clock. Es la vía por donde viaja la señal de reloj.
2.3.3 Sensores Un sensor es un dispositivo que capta magnitudes físicas o químicas y las transforma en variables eléctricas. Estas variables pueden ser temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, pH, etc. [21]. 2.3.4 Modulación PWM La modulación por ancho de pulsos o pulse width modulation es una técnica en la que se modifica el ancho de una señal periódica ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga como por ejemplo el control de motores brushless el cual es el caso de este proyecto. Los motores se controlan por medio de dispositivos ESC (Controladores Electrónicos de Velocidad) los cuales tienen el propósito de variar la
24
velocidad de un motor eléctrico junto con el sentido de giro. Un ESC trabaja bajo transistores de efecto de cambio (FET) en donde se logra el control del motor por medio de las variaciones en los cambios de estos transistores. Estos variadores son controladores de Modulación por Ancho de Pulsos (PWM) para controlar motores eléctricos. Los variadores para motores brushless crean una corriente alterna trifásica a partir de corriente continua proveniente de una batería LiPo. Uno de los polos genera un voltaje proporcional a la velocidad de giro del motor conocido como fuerza electromotriz. Este voltaje le sirve al ESC para establecer qué tan rápido y en cual dirección gira el motor en determinado momento. Con esta información el ESC es capad de averiguar como manda la corriente a los electroimanes del motor para que este gire [22].
Figura 2.2. Partes de un Controlador Electrónico de Velocidad - ESC
Tomado de: http://fpvmax.com/2016/12/21/variador-electronico-esc-funciona/
2.3.5 Baterías LiPo Una batería LiPo (Litio y polímero) es un tipo de batería diseñada especialmente para drones. Una batería LiPo puede ser recargada y consigue almacenar gran cantidad de energía ofreciendo una tasa de descarga muy alta [23]. Las baterías LiPo se componen de una cantidad de baterías en su interior conectadas en serie y cada batería interna puede alcanzar 4.2v cuando está cargada, siendo un mayor voltaje por celda que otros tipos de baterías. El número S corresponde al número de celdas que contiene una batería LiPo. Una batería 3S de tres (3) celdas como es el caso de este proyecto, está compuesta por 3 baterías internas conectadas en serie. Las baterías LiPo también tienen una clasificación C. Esta clasificación indica la velocidad de descarga de la batería. De
25
esta forma se obtiene el cálculo de la corriente constante máxima que suministra una batería LiPo. El cálculo de corriente se realiza de la siguiente manera:
Co = Ca x C; en donde: Co es el consumo máximo de corriente = Capacidad x Clasificación C
Ca es la capacidad de corriente C es la clasificación C
Si se tiene una batería LiPo 3S 5000mAh 30C, su consumo de corriente máximo seguro sería de 5000mAh x 30C = 150A. . Si la batería se descarga demasiado rápido es un daño para la batería. Estas
baterías son de especial cuidado. En el momento que se conecta el drone y
comienza su descarga se debe hacer de manera lenta. Cambios abruptos en la
batería la pueden dañar. Las baterías LiPo no se pueden descargar por debajo de
3.5v. Esto indica que el drone no se puede dejar conectado de manera permanente.
En el momento que se conecta se debe realizar el vuelo. De lo contrario se descarga
de manera que puede llegar a estar por debajo de los 3.5v y la batería ya queda
inservible corriendo un riesgo para las personas que se encuentran cerca ya que
estas baterías explotan causando graves daños a su alrededor. Esto es debido a
que la resistencia interna se elevará más rápido que la descarga dentro del límite
de la batería. Esta resistencia interna limita el consumo máximo y la energía que se
pierde por la resistencia se transforma en calor logrando que la batería se caliente,
puede hincharse, abrirse y explotar. En la figura 2.3 se observa la batería LiPo
hinchada por lo que debe ser desechada.
Figura 2.3. LiPo hinchada dentro del drone.
Fuente: Autor
26
3. DESARROLLO DEL PROYECTO
3.1 ANÁLISIS DE LAS TECNOLOGÍAS PARA LA TRANSMISIÓN DE IMÁGENES EN TIEMPO REAL DESDE UN DRONE. La señal de video para transmitir imagen en tiempo real desde un drone se genera a través de una cámara de video ya sea análoga o digital, ésta última en ocasiones con puerto para tarjeta SD o micro SD, esta señal se envía de forma inalámbrica para posteriormente ser visualizada en dispositivos como un monitor, una Tablet, un celular o un computador en donde este último para lograr video en tiempo real requiere servidores de video trabajando sobre LINUX y por los procesos de la cámara se realiza por “video-stream” que es la forma de transmitir el vídeo en tiempo real [24]. 3.1.1 Tecnología FPV
La tecnología actualmente utilizada para lograr transmisión de imágenes en tiempo
real en drones es la FPV (First Person View o vista en primera persona), su
característica es cuando el piloto por medio de unas gafas con un display
incorporado con conexiones y una cámara integrada en el drone, percibe que se
encuentra dentro de éste. Muy utilizada en las carreras de drones con visualización
para una sola persona [25].
El sistema FPV tiene mejor calidad que el streaming, es sencillo y consiste en una
cámara, un transmisor de video, un receptor de video y un display para mostrar el
video en un TV o en unas gafas. Las gafas son más utilizadas pero para este
proyecto se utiliza un monitor especial para CCTV el cual tiene conexión para plug
RG59 utilizado en CCTV.
Figura 3.1 Sistema FPV
Tomado de: http://dronewiki.net/tu-guia-basica-para-empezar-en-el-fpv/
27
3.1.2 Cámara FPV
La resolución TVL (Líneas Televisivas) de una cámara FPV comúnmente se encuentra entre 380TVL y 600TVL. Para que la imagen en el receptor sea más clara se necesita de mayor resolución. Una cámara de 800TVL en adelante tiene imagen óptima en receptores con pantallas grandes y gafas FPV con alta resolución [26]. 3.1.3 Tipo de cámara FPV (CMOS O CCD)
Las cámaras más utilizadas por su sencillez de conexión y tamaño son las GO-PRO
con tecnología CMOS (semiconductor complementario de óxido metálico) y
permiten grabar en HD. Pero las cámaras con tecnología CCD (dispositivo de carga
acoplada) están mejor adaptadas a los drones [25]. Por esta razón se comparan
estas dos (2) tecnologías CMOS y CCD. Para este proyecto se utiliza tecnología
CCD.
3.1.4 Características cámaras FPV
Cuando se realiza vuelo en exteriores se presentan cambios de intensidad
abruptos luz, contrastes, diferencias entre las zonas oscuras y las claras
Menos ruido en las imágenes
Mejor sensibilidad a la luz
Mayor rango dinámico
Menor latencia
3.1.5 Antenas para transmisión de imágenes en tiempo real
Omnidireccionales: El mismo alcance en todas las direcciones
Cloverleaf: Tiene forma de flor en la parte superior de la antena.
Helicoidales: Direccionales en forma de solenoide con gran alcance.
28
3.1.6 Frecuencias utilizadas en FPV
La frecuencia de operación para lograr transmitir video depende de protocolos,
estándares y normas legales de cada país. A continuación se plasman las
frecuencias más comunes:
500 MHz
900 MHz
1.2 GHz
1.3 GHz
2.4 GHz
5.8 GHz
En este proyecto la transmisión de imágenes en tiempo real se realiza a través de
módulos xBeeSeriesPro2 los cuales operan a 2.4GHz con 16 canales en UHF. La
más usada es 5.8 GHz con 32 canales [27].
3.1.7 Uso de los drones en la seguridad privada. A nivel mundial los drones, Vehículos Aéreos No Tripulados (VANT o UAV - Unmanned Aerial Vehicle), son una de las tecnologías más desarrolladas. Para estos avances tecnológicos se incorporan cámaras sencillas con un sistema de transmisión ya preestablecido y armado solo para conectar y trabajando en la banda 5.8GHz. En la figura 3.2 se observa un sistema típico de transmisión de video en tiempo real para un drone convencional [28].
Figura 3.2. Sistema típico de transmisión de imágenes en un drone.
Tomado de: http://investigacion.utc.edu.ec/revistasutc/index.php/utciencia/article/view/57/58
29
3.1.8 Clasificación de los Drones Los drones se clasifican en dos (2) modalidades:
ALA FIJA: Son los drones en forma física semejante a un avión o avioneta pero no posee cabina. Poseen uno o más motores de hélice o propulsión.
ALA ROTATORIA: El más conocido es el multirotor, como lo es en este proyecto. Los multirotores son construidos en base a helicópteros, construidos con mínimo tres (3) motores. Esta clasificación de ala rotatoria es la utilizada en este proyecto. Drone con cuatro (4) rotores (cuadricóptero).
La Escuela de Automatización e Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Beijing China ha desarrollado un software que proporciona funciones en el procesamiento de imágenes aéreas obtenidas de un drone en tiempo real. De esta manera se tiene la oportunidad de usar drones para vigilancia y seguridad [28]. De la misma forma que este proyecto, el cual implementa un código propio para la transmisión de imagen en tiempo real. 3.1.9 Especificaciones técnicas de los drones para seguridad y vigilancia privada.
No tiene piloto a bordo.
Se reutilizan y se recupera en caso de pérdida.
Realizan vuelo por control remoto.
Es útil para la carga elementos.
Tiene sistemas de propulsión y autonomía.
Al integrar un drone a una central de seguridad CCTV, se tiene control sobre sectores de difícil acceso reduciendo la exposición de peligro para un ser humano, mayor cobertura, verificación perimetral, supervisión de cubiertas y parqueaderos. Los trabajos con drones deben ser completamente seguros tal como los de las aeronaves tripuladas y no presenten peligro hacia personas o bienes [7]. 3.1.10 Sistema de vigilancia y seguridad CCTV. CCTV significa circuito cerrado de televisión, es un sistema que consiste en grabar actividades por medio de cámaras análogas o digitales con video en tiempo real [29]. En la figura 3.3 se observan las partes que forman parte de una cámara para CCTV.
30
Figura 3.3 Partes de una cámara CCTV
Tomado de: https://fleets.rearviewsafety.com/rvs-062710-quad-view-backup-reverse-camera-system-ccd-cameras-digital-lcd.html
3.1.11 Cámara de video para CCTV Una cámara diseñada para CCTV, está compuesta por un dispositivo captador de imágenes, un circuito electrónico asociado (DSP) y una lente, lo cual permite visualizar una acción determinada. Las tecnologías CCD o CMOS son las utilizadas por el dispositivo captador de imágenes y está compuesta por un formato estándar en las cámaras de 1/3” o 1/4” [30]. Para este proyecto se utiliza un sensor CCD (Charged Coupled Device), en español, dispositivo de carga acoplada. Es un dispositivo fotosensible encargado de recoger imágenes en forma de luz y las descomprime en colores primarios rojo, verde y azul para formar la imagen que será mostrada [31]. 3.1.12 Formato de cámaras CCTV El formato de una cámara está determinado por el tamaño del sensor a utilizar. Si se tiene una cámara de formato de CCD de 1/3”, como es el caso de este proyecto, se refiere a la medida en forma diagonal del sensor y dependiendo de su tamaño, se define el formato de la cámara [31]. En la figura 3.4 se observan los sensores aplicables para CCD. Las especificaciones de una cámara para transmisión de imagen en tiempo real para CCTV se observan en la figura 3.5 y de igual manera se muestra en la figura 3.6 las características para estas cámaras.
Figura 3.4. Sensores de imagen CCD
Fuente: Autor
31
Figura 3.5. Especificaciones de una cámara CCTV para transmisión en tiempo real
Fuente: Autor
Figura 3.6. Características de una cámara CCTV.
Fuente: Autor
3.1.13 Medio de transmisión de imágenes en CCTV.
Cable coaxial: El blindaje del cable coaxial rechaza interferencias electromagnéticas superiores a 50 kHz.
Par trenzado UTP: Se utiliza en conexiones superiores a los 200m y usa amplificadores de video con impedancia de 100 Ω.
Enlace inalámbrico: Este es el medio de transmisión que se utiliza en este proyecto por medio de los módulos inalámbricos xBee Series Pro2. Este medio se utiliza para transmitir imagen de CCTV entre 100m y 8.000m. La señal de video es modulada con una frecuencia entre 1GHz y 10GHz dentro de la región de las microondas del espectro electromagnético.
Ancho de banda: Para enviar señales de video de alta calidad en un sistema óptimo es suficiente un ancho de banda entre 6 MHz y 7 MHz.
32
Estándar de televisión NTSC: National Televisión System Committee - Comité Americano de comerciantes e ingenieros. Emplea sub-portadora 3.57945 MHz, cuya fase varia con el tinte del color y cuya amplitud varia con la saturación del color [32].
Estándar de televisión PAL: Phase alternating line. Describe el cambio de fase del color en la señal PAL. Es el estándar de Televisión Europea, China, Malasia, Australia, Nueva Zelanda, el Medio Este y partes de África. Emplea sub-portadora de 3.57561149-MHz [32].
Sistema PAL: Ancho de banda óptimo para transmitir imagen es 5.5Mhz.
Sistema NTSC: Ancho de banda óptimo para transmitir imagen es 4.2Mhz. 3.1.14 Sensor de imagen CCD (Charge Coupled Device) El sensor CCD, dispositivo de carga acoplada, es uno de los más comunes y más utilizados en la imagen digital. Su funcionamiento se basa en el efecto fotoeléctrico descrito teóricamente por Einstein en 1905. Este principio se cumple cuando un fotón incide sobre una superficie y logra desprender electrones del material tal como se muestra en la figura 3.7. De esta manera se genera una corriente eléctrica aprovechable para lo que se necesite [33].
En la figura 3.8 se observa el sensor CCD en su forma física. Su funcionamiento necesita de un conversor análogo-digital o ADC, que es el que se encarga de convertir los datos de cada píxel en datos digitales binarios para poder ser leídos [34].
Figura 3.7. Funcionamiento CCD
Tomado de: http://museodelaciencia.blogspot.com.co/2010/03/como-funciona-el-sensor-ccd.html
33
Figura 3.8. Sensor captura de imagen CCD.
Tomado de: http://www.redatel.net/html/sensor-de-la-imagen-digital.html
3.2 DEFICICIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS TÉCNICOS FUNCIONALES PARA EL DRONE Y EL SISTEMA DE TRANSMISIÓN DE IMÁGENES.
Las tecnologías a utilizar y la selección de los dispositivos con sus respectivas características se muestran en esta parte del proyecto. Se muestran de manera independiente con los dispositivos asociados y sus funcionalidades.
3.2.1 Placa cámara CCTV QUADDRIX QT60C/IR La placa de esta cámara funciona con dos (2) circuitos integrados monocromáticos SONY. El primero es un circuito temporizador con un integrado CXD2463R y el otro es un circuito de procesamiento de señales de imagen por medio de un sensor CCD y un integrado CXA1310A [35]. El Circuito de procesamiento de señales, integrado CXA1310AQ, elaborar la señal básica de procesamiento de imagen monocromática para una cámara CCTV por medio de un sensor CCD. [35]. Características:
Procesamiento de la señal CCD con 75Ω en la salida de vídeo.
Monocromática variable AGC de 32dB por medio de amplificadores operacionales con lazo cerrado.
El circuito integrado CXD2463R genera las señales de sincronización para el control de tiempo y señal de back-end en un sistema de cámara de video con sensor de imagen CCD [36].
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Características: • Función de generación de señal de sincronización. • Función de iris electrónico incorporado. • Soporta poca velocidad limitador de iris electrónico • Admite sincronización externa automática. • Salida de pulsos de ventana para la compensación de contraluz En la figura 3.9 se observa la imagen de la cámara QUADDRIX QT60C/IR utilizada en este proyecto y sus especificaciones técnicas en la figura 3.10.
Figura 3.9. Cámara QUADDRIX QT-60C/IR
Tomado de: https://microtronix.com.co/images/stories/articles/cctv/camaras/domo/quaddrix_qt60cir.pdf
Figura 3.10. Especificaciones técnicas cámara QT-60C/IR
Fuente: Autor
35
3.2.2 Dispositivo XBee Series Pro2 El dispositivo xBee Series Pro2 es un módulo de comunicaciones inalámbrico basado en el estándar IEEE 802.15.4. Se concentra en la baja transmisión de datos y modulación CSMA para evitar interferencias. Los módulos escuchan antes de transmitir. Si hay una interferencia, el dispositivo espera un período de tiempo y vuelve otra vez o se traslada a otro canal. Se tienen definidos 16 canales en la banda de 2.4 GHz. El protocolo IEEE 802.15.4 define múltiples niveles de seguridad en donde se permite el reconocimiento de mensaje para mejorar la confiabilidad de la entrega de datos [37]. Opera según la FCC Part15.247 - United States en la banda de frecuencia ISM 2.4 - 2.5 GHz [38], [39]. 3.2.3 OQPSK (QPSK con corrimiento) Es una variante de QPSK, llamada QPSK con corrimiento o QPSK compensada,Es una modulación por desplazamiento de fase en cuadratura escalonada en la cual las formas de onda I y Q se desplazan entre sí en la mitad de un tiempo de bit. Esto se logra al introducir en el canal en cuadratura Q, un dispositivo que introduzca el retardo ya mencionado. En la figura 3.11 se observa el desfasamiento con respecto a QPSK.
Figura 3.11. Diferencias de fase entre QPSK y OQPSK
Tomado de: http://www.crit.upc.edu/JCEE2004/pdf/EstadoActual_WirelessRF_SILICA.pdf
IEEE 802.15.4 – ZigBee está diseñado para redes de área personal inalámbrica de bajas tasas de datos y tamaño pequeño WPANs (Redes inalámbricas de área personal), Como se menciona anteriormente, con modulación (CSMA/CA - Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) acceso múltiple por detección de portadora y prevención de colisiones, es un protocolo de control de acceso a redes de bajo nivel que permite que múltiples estaciones utilicen un mismo medio de transmisión. Espera intervalos de tiempo para enviar la trama [40]. En la figura 3.12 se observa el diagrama de constelación para esta modulación.
36
Figura 3.12. Diagrama de constelación OQPSK o código Gray.
Tomado de: https://es.wikipedia.org/wiki/Modulaci%C3%B3n_por_desplazamiento_de_fase#OQPSK_(QPSK_con_corrimie
nto)
La representación en el eje del tiempo de una señal típica OQPSK es mostrada en la figura 3.13. Obsérvese el desfase por un período de medio símbolo entre las señales I y Q. Los cambios abruptos de fase ocurren aproximadamente dos veces, al igual que en QPSK pero son más pequeños. En la figura se muestra el flujo de datos función del tiempo y señal resultante [41]. Figura. 3.13. Diagrama temporal OQPSK - QPSK Compensada
Tomado de: https://es.wikipedia.org/wiki/Modulaci%C3%B3n_por_desplazamiento_de_fase#OQPSK_(QPSK_con_corrimie
nto)
3.2.4 Características estándar IEEE 802.15.4 Las características más importantes son su flexibilidad de red, un método de secuencia directa de espectro extendido (DSSS) que resulta en bajos costos de implementación, bajos costos, bajo consumo de energía. Poca interferencia en la banda de 2.4GHz ya que permanece el 99.9% en modo sleep sin necesidad de estar en espera de envío de información. En la figura 3.14 se muestran las propiedades de alto nivel del estándar IEEE 802.15.4.
37
Figura 3.14. Propiedades de alto nivel IEEE 802.15.4
Tomado de: http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lem/archundia_p_fm/capitulo4.pdf
En la figura 3.15 se observan las capas de aplicación del protocolo Zigbee y una descripción breve de estas capas en la figura 3.16.
Figura 3.15. Capas del protocolo Zigbee. Estándar IEEE. 802.15.4
Tomado de: https://www.digi.com/resources/documentation/digidocs/pdfs/90002002.pdf
Figura 3.16. Descripción capas Zigbee
Fuente: Autor
38
La PHY especifica la banda de operación industrial, médica y científica (ISM) de los 2.4 GHz que está disponible a nivel mundial.
La MAC cumple con la función de confirmar las recepciones exitosas de las tramas. Las recepciones exitosas y las validaciones de datos o comandos MAC se confirman por medio de reconocimiento.
La NWK especificada por el estándar Zigbee maneja la estructura de red, enrutamiento y seguridad.
La capa de aplicación es la que habilita la interoperabilidad y está compuesta por:
APS ofrece el estándar y la interfaz entre la red y la capa de aplicación. Permite la comunicación entre dispositivos de diferentes fabricantes.
Application Framework: Entorno donde se almacenan las aplicaciones en los dispositivos ZigBee.
ZDO (ZigBee Device Object): Ofrece funcionalidades de descubrimiento de dispositivos y gestión avanzada de red
Figura 3.17. Estructura de canales IEEE 802.15.4 define 27 canales de frecuencia
Tomado de: http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lem/archundia_p_fm/capitulo4.pdf
En la figura 3.17 se observa como la capa PHY de los 2.4 GHz soporta 16 canales entre los 2.4 y los 2.4835 GHz con un amplio espacio entre canales (5 MHz) esto con el objetivo de facilitar los requerimientos de filtrado en la transmisión y en la recepción. Dentro del encabezado del PHY, se utilizan 7 bits para especificar la longitud de la carga de datos (en bytes). La longitud de paquetes va hasta los 127
39
bytes. La duración máxima de paquetes es de 4.25 ms para la banda de los 2.4 GHz [41]. 3.2.5 Seguridad IEEE 802.15.4 La seguridad en el estándar IEEE 802.15.4 proporciona tres niveles de seguridad: • Sin seguridad (por ejemplo, aplicaciones de publicidad). • Control de acceso a listas (sin seguridad criptográfica). • Seguridad con clave simétrica. Se incluye en las capas superiores. AES 128. 3.2.6 Encriptación AES AES (Standard Avanzado de Encriptación), es un estándar de encriptación computacional seguro contra ataques de fuerza bruta. Gobiernos confían en AES y en que su seguridad no podrá ser comprometida. En la seguridad informática cualquier algoritmo criptográfico requiere claves de múltiples bits para encriptar la información como se muestra en la figura 3.18.
Figura 3.18 Algoritmo criptográfico AES
Tomado de: http://www.dataqubo.com/encriptacion-que-tan-seguro-es-aes/
La longitud de la clave utilizada en este tipo de encriptación, establece la posibilidad de soportar un ataque de fuerza bruta, donde las claves más largas son exponencialmente más difíciles de descubrir que claves más cortas. Un ataque de fuerza bruta involucra verificar sistemáticamente todas las combinaciones de claves posibles hasta que se encuentre la clave correcta [42].
Figura 3.19. Ataque de fuerza bruta a una clave de 4 bits
Tomado de: http://www.dataqubo.com/encriptacion-que-tan-seguro-es-aes/
40
En la figura 3.19 se muestra que tomaría un máximo de 16 rondas verificar cada clave posible, comenzando con “0000”. Si se tiene el tiempo suficiente, un ataque de fuerza bruta es capaz de crackear cualquier algoritmo conocido. En la figura 3.20 se indica la cantidad posible de combinaciones de claves respecto de la longitud de la clave (en bits). Para este proyecto se utiliza la seguridad AES128.
Figura 3.20. Tamaño de las clave y posibles combinaciones
Tomado de: http://www.dataqubo.com/encriptacion-que-tan-seguro-es-aes/
Se observa el incremento exponencial de combinaciones posibles a medida que aumenta la longitud de la clave. A continuación se considera:
El computador más rápido del mundo opera a 10.51 x 10^15 flops.
El número de flops requeridos por cada combinación posible es de 1000.
Cantidad de combinaciones por segundo
= (10.51 x 10^15) / 1000 = 10.51 x 10^12
Cantidad de segundos en un año
= 365 x 24 x 60 x 60 = 31536000
Cantidad de años necesarios para crackear AES con una clave de 128 bits. Como ejemplo para el caso de este proyecto.
= (3.4 x 10^38) / [(10.51 x 10^12) x 31536000] = 1.02 x 10^18 = 1 millón de billones de años para crackear seguridad.
En comparación, la edad del universo = 13.75 miles de millones de años.
41
Los módulos XBee funcionan dentro de una topología de red de diferentes maneras: Coordinador, Router y End Device. Así como se observa en la figura 3.21.
Figura 3.21. Topologías Zigbee®
Tomado de: https://www.sparkfun.com/datasheets/Wireless/Zigbee/XBee-Datasheet.pdf
El Coordinador: Es el nodo de la red que tiene la única función de formar una red. Responsable de establecer el canal de comunicaciones y PAN ID (identificador de red) para toda la red. Los Routers: Es un nodo que crea y mantiene información sobre la red para determinar la mejor vía para enrutar un paquete. End Device: Los dispositivos finales no tienen capacidad de enrutar paquetes. Deben interactuar siempre a través de su nodo padre, ya sea este un coordinador o un router. 3.2.7 Hardware XBee La distribución de pines del módulo xBee RF y su forma física se describen en la figura 3.22. Internamente trabaja con un trabaja con un microcontrolador MC9SO8QE de Freescale.
42
Figura 3.22. Módulo xBee.ProSerie2
Tomado de: https://aprendiendoarduino.wordpress.com/2016/11/16/zigbeexbee/
3.2.8 Modos de operación y parámetros en xBee Para configurar y usar los módulos XBee es necesario descargar e instalar XBee Configuration and Test Utility (XCTU) que es un software el cual que permite interactuar con los módulos mediante un interfaz gráfico. Esta forma sencilla se muetra en la figura 3.23. Esta aplicación incluye herramientas que hacen muy fácil configurar y probar los módulos [43].
Figura 3.23. Modos de operación y parámetros en xBee
Fuente: Autor
43
El dispositivo xBee posee dos modos de operación los cuales se observan en las figuras 3.24 y 3.25.
Figura 3.24. Operación Transparente
Fuente: Autor
Figura 3.25. Operación API
Fuente: Autor
Para una configuración y programación completa, robusta, segura y personalizada del módulo de operación xBee Pro Series2 aprovechando su microcrocontrolador MC9SO8QE. En este proyecto se utiliza codewarrior SDK xBee para programar los módulos [38]. Para una fácil operación y conexión de los dispositivos xBee se dispone de una placa de conexión indicada en la figura 3.26 y una placa de conexión de xBee, figura 3.27, la cual permite enviar información por el puerto serie TTL y de manera simultánea por el puerto mini USB para el PC.
Figura 3.26. Regulador Xbee SparkFun Explorer
Tomado de: https://www.carrod.mx/products/explorador-xbee-regulada-sparkfun
44
Figura 3.27. Programador XBee con aplicación USB and RS232 TTL
Tomado de: https://www.robotshop.com/en/droids-sas-xbee-usb-board.html
El programador para Los módulos XBeePRO-S2 de la figura 3.27, XBee shield USB permite una conexión fácil y segura entre los módulos de Xbee y el PC. Contiene un regulador de voltaje de alta potencia. Cuatro LED’s permiten el constante monitoreo de actividad de transmisión. El conector USB Mini B salida USB serial TTL Rx-Tx permite el flujo de datos en simultáneo con el conector USB Mini B aprovechando la lectura de datos en juntos puertos [44]. 3.2.9 Microcontrolador MC51FQE12. Se utiliza el microcontrolador MCF51QE128 de bajo costo y bajo consumo de energía fabricado por la compañía Freescale de 32 bits. Utiliza el núcleo V1 ColdiFire el cual alcanza los 50MHz. Las características principales se observan en la figura 3.28.
45
Figura 3.28. Características microcontrolador MCF51QE128
Fuente: Autor
3.2.10 Tarjeta de desarrollo DEMOQE128 Se utiliza una tarjeta de desarrollo de bajo costo, DEMOQE128 de PEmicro con la cual se programan los microcontroladores MCF51QE128 y MC9S08QE128 ya q ofrecen compatibilidad en terminales y periféricos. En la figura 3.29 se observa las características de la tarjeta de desarrollo y en la figura 3.30 se muestra la tarjeta de desarrollo DEMOQE128 en su forma física y su distribución de pines en la figura 3.31
Figura 3.29. Características tarjeta de desarrollo DEMOQE128
Fuente: Autor
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Figura 3.30. Tarjeta de desarrollo DEMOQE128
Tomado de: http://tesis.ipn.mx/bitstream/handle/123456789/5720/MONITOREOPARAMET.pdf?sequence=1
Figura 3.31. Distribución de pines DEMOQE128
Tomado de: http://tesis.ipn.mx/bitstream/handle/123456789/5720/MONITOREOPARAMET.pdf?sequence=1 3.2.11 Sensor de temperatura y humedad DHT11 El sensor DHT11 se compone de un sensor capacitivo para medir la humedad y de un termistor. La señal de salida es digital y llevan un pequeño microcontrolador interno para hacer el tratamiento de señal. Existen en el mercado tres variantes: El sensor suelto, con un encapsulado azul y cuatro pines disponibles para conectar. (Será necesario añadir la resistencia pull-up)
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El sensor con una placa soldada, con tres pines disponibles para conectar y una resistencia pull-up (normalmente de 4,7-10 kΩ). El utilizado en este proyecto El mismo formato que el anterior, pero con un condensador de filtrado (normalmente de 100 nF). 3.2.12 Sensor ultrasónico SRF05 El SRF05 es un sensor ultrasónico utilizado para medir distancias y trabaja con dos (2) modos de operación.
Modo 1 - SRF05 ECO - DISPARO SEPARADO Este es el modo que se utiliza en este proyecto. El modo utiliza por separado los pines de disparo de señal y eco y es el que se utiliza en este proyecto. El modo 2 utiliza las señales de eco y disparo o trigger por el mismo pin. 3.2.13 Sensor barométrico BMP180 El BMP180 es un sensor digital de presión con alta precisión para aplicaciones de consumo. Trabaja con un ruido de baja altura de sólo 0.25m el BMP180 ofrece un rendimiento superior. La interfaz I2C permite la fácil integración de sistemas con un microcontrolador [45]. El BMP180 se basa en tecnología piezo-resistiva para trabajar con robustez, alta precisión y linealidad así como estabilidad a largo plazo. Dirección de registro BMP180 A continuación se muestra la dirección del módulo BMP180. Distingue el LSB de la dirección del dispositivo entre lectura (1) y lectura (0), correspondiente a la dirección 0xEF (lectura) y 0xEE (escritura) por medio del protocolo I2C. 3.2.14 Sensor Magnetómetro GY271 - HMC5883L Sensor de ejes con el cual se obtienen valores del campo electromagnético y lograr una visualización tipo brújula. Obtiene valores en los ejes x, y, z, para ser leídos y direccionados por protocolo I2C [46] 3.2.15 NET5400T La serie NET5400T es un alto rendimiento, solo canal al codificador de vídeo multicanal que integra múltiples cámaras. Los codificadores de NET5400T ofrecen
48
imágenes nítidas reduciendo drásticamente los requisitos de ancho de banda y almacenamiento de red para aplicaciones de video vigilancia. La imagen del NET se observa en la figura 3.32. [47].
Figura 3.32. NET5400T Series Network Video Encoder
Tomado de: http://www.videoline-tvcc.com/upload/pdf/NET5400T_MAN_ING.pdf
3.2.16 Sensor GY-521 / MPU6050 El sensor MPU6050 es un dispositivo integrado de MotionTracking (seguimiento del movimiento) de 6 ejes que combina un sensor giroscopio 3 ejes, un acelerómetro de 3 ejes y un procesador de movimiento digital ™ (DMP). Contiene bus I2C dedicado [48]. 3.2.17 GPS NEO-M8 Los módulos NEO-M8 son receptores GNSS, sistema global de navegación por satélite
(Global Navigation Satellite System, GNSS) constelación de satélites que transmite rangos de señales utilizados para el posicionamiento y localización en cualquier parte del globo
terrestre. El módulo puede recibir y seguir varios sistemas GNSS como GPS, GLONASS, Galileo-listo, BeiDou y QZSS. Los módulos de posicionamiento de NEO-M8 están diseñados para recibir y seguir señales de L1C/A en 1575.42 MHz y se configuran para sistemas concurrentes de posicionamiento Global (GPS) y recepción GLONASS. [49] El módulo de posicionamiento M8N NEO está listo para recibir y realizar un seguimiento GPS y al mismo tiempo mejorar la precisión y cobertura. Cuando estén disponibles las señales Galileo E1B/C, u-blox M8N NEO receptor equipado con un dispositivo de memoria flash de SQI será capaz de recibir y procesar a través de una actualización de firmware.
49
3.2.18 Motor Brushless A2212 13T 1000KVA Motores trifásicos de alta potencia utilizados en la tecnología drone. Son motores de imanes permanentes. El termino Brushless se ha adoptado del inglés, sin escobillas. Utilizan imanes permanentes en su rotor y cuyos bobinados se encuentran en el estator.
3.2.19 Hélices
Se dispone de hélices 10x45” las cuales se observan en la figura 3.33 y sus especificaciones en la figura 3.34
Figura 3.33 Hélices 10x45”
Fuente: Autor
Figura 3.34. Especificaciones hélices
Fuente: Autor
3.2.20 Controladores electrónicos de velocidad ESC Un controlador electrónico de velocidad (ESC) se encarga de variar la velocidad de
un motor brushless junto con el sentido de giro y brindándole la potencia y corriente
necesaria al motor. El controlador de velocidad a utilizar en este proyecto es el ESC
SIMONK 30A.
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3.2.21 Baterías LiPo La batería LiPo a utilizar en este proyecto es una batería TURNYGY 5000nmAh 20C-30C la cual se muestra en la figura 3.35.
Figura 3.35. Batería TURNIGY 500mAh 20C-30C PLUG XT60
Fuente: Autor
3.2.22 Control remoto El control remoto a utilizar en éste proyecto es el FLYSKY ISB6 el cual dispone de una conexión Tx-Rx que permite conectar el módulo de transmisión a gusto del piloto. Siendo de esta forma la opción para conectar los pines Rx-Tx del modulo xBee SeriesPro2 . 3.2.23 Requirimientos técnicos definidos
Los requirimientos técnicos definidos son los elementos y dispositivos anteriormente descritos en este capítulo. El drone posee una autonomía de vuelo de 15min. Se utiliza una batería LiPo de 5000mAh mencionada anterioirmente. No se utiliza otro tipo de batería ya que estas baterías LiPo son especialmente diseñadas para los drones y dispositivos robóticos de vuelo. Estas baterías tienen alta capacidad de descarga y entrega de corriente. Esta entrega de corriente es necesaria para manejar motores trifásicos los cuales se utilizan en este proyecto. Se definen motores brushless A2212 12T 1000KVA. Se piensa en utilizar baterías de hidrógeno HiPo (Polímero de Hidrógeno), las cuales contienen más capacidad de corriente y mayor duravilidad pero los costos son altamente elevados. Por esta razón se define técnicamente el uso de las baterías LiPo. Las hélices que se utilizan en este proyecto son de una medida 10x45” las cuales técnicamente tienen la capacidad de empuje de 800g instaladas en motores brushless A2212 100KVA. Este empuje es suficiente
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técnicamente ya que al multiplicar el empuje que realizan los cuatro (4) motores con estas hélices, se logra un empuje total de 2400g, suficientes para los 1312.71g que pesa actualmente el drone que se realiza en este proyecto. Se definen estos motores ya que son ideales para este tipo de drone. El drone esarrollado en este proyecto es un drone de 550mm y técnicamente se definen estos motores ya que motores de más KVA, son empleados para drones pequeños con medidas de 110mm a 330mm, utilizados para carreras y competencias deportivas. El drone de este proyecto, como se menciona anteriormente, es un drone con una medida de 550mm, técnicamente se utiliza este tamaño ya que es la medida estándar de drones grandes y utilizados para seguridad, vigilancia y fotografía. Esta medida se utiliza técnicamente por su estabilidad y fácil modo de operación y pilotaje. El requirimiento técnico para la seguridad en la comunicación inalámbrica se obtiene por parte de los módulos inalámbricos xBee Series Pro2 manejando una segurridad y criptografía AES128 brindando una seguridad técnicamente robusta y fiable.
3.3 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL DRONE Y EL SISTEMA DE TRANSMISIÓN DE IMÁGENES SEGÚN LOS REQUERIMIENTOS TÉCNICOS DEFINIDOS. Primeramente se realiza un estudio sobre peso y corrientes tratadas en el proyecto, corriente suministrada por la batería y el consumo de corriente total. De igual manera el peso total del dispositivo para determinar el tiempo de vuelo y la viabilidad del drone en su totalidad. A continuación se muestra la figura 3.36, de la cual solo se tiene en cuenta el suministro máximo de corriente suministrado por la batería el cual es de 150A mayor a los 137.42A lo que indica el suministro suficiente para el funcionamiento del sistema en vuelo. El empuje de cada motor con hélices 10x45” y con un voltaje de 11.1v es de 802g. El empuje total con los cuatro (4) motores es de 3208g mayor que los 1312.71g de peso del drone. Adecuado para la escala de 1:3 respecto al peso total del drone con el empuje total.
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Figura 3.36. Peso del drone, consumo y suministro máximo de corrientes
Fuente: Autor
El sistema trabaja con tres (3) módulos xBee. Un (1) módulo coordinador que se encuentra en la estructura del drone. Otros dos (2) módulos finales, uno en el control remoto para interpretar las señales de movimiento y otro en el pc recibiendo la información de telemetría y señales de video en tiempo real. El diagrama eléctrico se observa en la figura 3.37.
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Figura. 3.37 Esquemático completo drone
Fuente: Autor
54
En la figura 3.38 se observa el montaje de la cámara CCTV y en la figura 3.39 la tarjeta de distribución de potencia.
Figura 3.38. Montaje cámara de video
Fuente: Autor
Figura 3.39 Tarjeta de distribución de potencia.
Fuente: Autor
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En la figura 3.40 se muestra el montaje completo de la estructura y en la figura 3.41 se observa la tarjeta de potencia fuentes switcheadas con sensores
Figura 3.40. Montaje estructura completa
Fuente: Autor
Figura 3.41. Tarjeta de potencia fuentes switcheadas con sensores
Fuente: Autor
Se realiza el montaje del sensor de batería y la batería LiPo en el sistema tal como se muestra en la figura 3.42 y el montaje de sensores en una tarjeta de potencia diseñada para la distribución de voltajes como se muestra en la figura 3.43
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Figura 3.42 Sensor de nivel de batería.
Fuente: Autor
Figura 3.43. Montaje de sensores en tarjeta de potencia.
Fuente: Autor
El montaje completo del drone se muestra en la figura 3.44 y la tarjeta de potencia en la figura 3.45
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Figura 3.44. Montaje estructura completa.
Fuente: Autor
Figura 3.45. Tarjeta de distribución de potencia
Fuente: Autor
La estructura se monta toda junta como se indica en la figura 3.46
Figura 3.46. Armado general del drone
Fuente: Autor
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Como se menciona anteriormente los dispositivos xBee se programan con el software XCTU pero para una programación robusta, aprovechar a fondo el dispositivo xBee y tener una seguridad propia y un software propio, se define el entorno en CODEWARRIOR para xBEE. A continuación se realiza el procedimiento de creación del proyecto en el entorno de CODEWARRIOR paso a paso. El dispositivo xBee se utiliza para el envío de información de telemetría, en donde recibe los datos de la tarjeta de desarrollo DEMOQE128, pero para la transmisión de video en tiempo real se dispone de un PIN A/D del dispositivo xBee para que la señal entre directamente al dispositivo sin tener que ser procesada por la tarjeta de desarrollo DEMOQE128 generando demoras, perdidas e intermitencia en la señal de video en vivo. En la figura 3.47 se observa el entorno de programación y la creación del proyecto en el entorno de programación.
Figura 3.47 Entorno de programación IDE CODEWARRIOR XBEE SDK
Fuente: Autor
.
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A continuación en la figura 3.48 se realiza la creación en el entorno de programación con el nombre del proyecto con el Project name: DroneUnicentro.
Figura 3.48. Desarrollo código en entorno de programación.
Fuente: Autor
En la figura 3.49 se selecciona el dispositivo xBee a utilizar, la memoria de este y se finaliza la creación del entorno.
Figura 3.49. Xbee Aplication Project
Fuente: Autor
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Finalmente se realiza la finalización y creación exitosa del proyecto como se muestra en la figura 3.50
Figura 3.50. Creación proyecto.
Fuente: Autor
La figura 3.51 muestra la creación del proyecto en CODEWARRIOR para la telemetría incorporando el microcontrolador a trabajar.
Figura 3.51. Creación Project Demoqe128 con el nombre DroneUnicentroTelemetria
Fuente: Autor
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En esta sección se define el microcontrolador MCF51QF128.Como se mustra en la figura 3.52
Figura 3.52. Selección microcontrolador entorno CODEWARRIOR.
Fuente: Autor
La figura 3.53 muestra el código de programación definido para la operación del sistema en general.
Figura 3.53. Entorno de programación definido.
Fuente: Autor
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En la figura 3.54 se observa la activación de funcionalidades del entorno de programación para un óptimo rendimiento.
Figura 3.54 Activación funcionalidades.
Fuente: Autor
Para la lectura de la señal de video y la medición de la batería es necesario configurar el conversor análogo-digital A/D. Como se indica en la figura 3.55
Figura 3.55. Configuración conversor Análogo/Digital
Fuente: Autor
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En la figura 3.56 se define la resolución a trabajar del conversor análogo-digital A/D.
Figura 3.56 Resolución Conversor A/D
Fuente: Autor
Adicionalmente se configuran los registros para las entradas PWM (modulación por ancho de pulsos) del sistema para trabajar con los motores. Como muestra la figura 3.57
Figura 3.57. Configuración PWM motores
Fuente: Autor
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La figura 3.58 muestra como finalmente después de realizar el código de desarrollo se realiza la compilación del mismo para descartar errores y estar seguro de la programación del sistema.
Figura 3.58. Compilación con éxito del código de desarrollo
Fuente: Autor
Para la estación terrena en su entorno grafico se realiza la programación en el software LABVIEW 21015 como se muestra en la figura 3.59 y 3.60
Figura 3.59. Programación LABVIEW 2015
Fuente: Autor
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Figura 3.60. Programación LABVIEW 2015
Fuente: Autor
La programación detrás del entorno gráfico de LABVIEW 2015 se muestra en las figuras 3.61, 3.62. y 3.63.
Figura 3.61. Esquema programación en LABVIEW 2015
Fuente: Autor
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Figura 3.62. Programación LABVIEW 2015
Fuente: Autor
Figura 3.63. Programación sensores en LABVIEW 2015
Fuente: Autor
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La conexión en la central de monitoreo de Unicentro se muestra en la figura 3.64
Figura 3.64 Inyección de señal de video en tiempo real en NET 5404T en central
de seguridad UNICENTRO Bogotá.
Fuente: Autor
La configuración en el sistema de CCTV de Unicentro se muestra en la figura 3.65 y 3.66. Esta configuración se realiza por medio de direcciones IP en el sistema de video de Unicentro Bogotá. Figura 3.65. Configuración señal de video en tiempo real desde xBee receptor en
sistema ENDURA CCTV de UNICENTRO
Fuente: Autor
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Figura 3.66. Configuración señal de video en tiempo real desde xBee receptor en sistema PELCO CCTV de UNICENTRO
Fuente: Autor
.
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4. RESULTADOS
4.1 VALIDACIÓN DE PRUEBAS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS SOBRE EL
FUNCIONAMIENTO DEL DRONE Y EL SISTEMA DE TRANSMISIÓN.
Para estar completamente seguro de los enlaces se realiza la verificación de señal y potencia de los dispositivos xBee por medio del software XCTU. La prueba se observa en la figura 4.1.
Figura 4.1. Enlace satisfactorio módulos xBee
Fuente: Autor
Se realiza la toma de voltajes y corrientes respectivos sobre todos los dispositivos. En la
figura 4.2 se observa la toma de voltajes sobre la tarjeta de potencia en sus diferentes
salidas de distribución.
Figura 4.2. Izquierda voltaje fuente 3.3v. Derecha fuente 6.5v para DEMOQE128.
Fuente: Autor
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La prueba que se realiza en tiempo real sobre los sensores se observa de manera satisfactoria en la firgua 4.3. Se muestra la gráfica en el entorno gráfico de LABVIEW 2015.
Figura 4.3. Funcionamiento sensor de temperatura, distancia y humedad.
Fuente: Autor
La prueba de funcionamiento sobre el sensor magnetómetro se observa en la figura 4.4. Esta prueba se realiza directamente en las instalaciones de la National Instruments en la ciudad de Bogotá D.C con la colaboración del ingeniero Pedro Vargas, ingeniero de National Instruments en Colombia, Perú y Ecuador. La paleta robotica de LABVIEW 2015 contiene el módulo magnetómetro y el módulo de horizonte artificial.
Figura 4.4. Funcionamiento brújula digital
Fuente: Autor
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La recepción exitosa del modulo xBee instalado en el drone se muestra con el LED testigo encendido transmitiendo datos. Esto se observa en la figura 4.5
Figura 4.5. xBee operativo
Fuente: Autor
El sensor barométrico indica de manera satisfactoria en la figura 4.6 la presión atmosférica, altura sobre nivel del mar y la temperatura interna del drone. El altímetro indica la altura sobre el nivel del mar como se menciona anteriormente e indica la altura de Bogotá y exactamente Unicentro Bogotá en donde se realiza la implementación.
Figura 4.6. Funcionamiento sensor barométrico.
Fuente: Autor
La prueba satisfactoria sobre la lectura de los datos de la brújula, el horizonte artificial y el GPS para la autonomía del drone se muestra en la figura 4.7. Estos datos de GPS, brújula digital, horizonte artificial y el modelo en 3D del drone son
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datos indispensables para el vuelo autónomo del drone y su óptimo pilotaje. Adicionalmente se muestra en la imagen de GPS una ruta programada en Unicentro Bogotá.
Figura 4.7. Interface GPS, brújula digital, horizonte artificial y modelo drone 3D.
Fuente: Autor
En la figura 4.8 y 4.9 se observa el drone en las instalaciones de la central de seguridad de Unicentro para su respectiva transmisión de imagen en tiempo real.
Figura 4.8. Drone en central de monitoreo UNICENTRO BOGOTA D.C
Fuente: Autor
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Figura 4.9. Drone en Central de seguridad Unicentro Bogotá
Fuente: Autor
La figura 4.10 muestra la prueba final de transmisión de imagen en tiempo real enviada desde el drone ubicado en los parqueaderos externos de Unicentro hasta los monitores de la central de seguridad. En el monitor del PC ubicado en la parte inferior de la figura 4.10, se tiene la señal de GPS proveniente del drone y en el monitor ubicado en la parte superior de la figura se tiene la señal en tiempo real desde el drone ubicado en la parte externa de parqueadero.
Figura 4.10. Imagen reproducida en tiempo real parqueadero externo UNICENTRO Bogotá. Adaptación canal grabadores sistema CCTV.
Fuente: Autor
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5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
En la realización de este proyecto se observa el análisis detallado de todos los sensores funcionales del sistema. Estos análisis se deben realizar a conciencia para no tener problemas en las rutas preprogramadas o en los vuelos que se realicen. Si se saltan detalles el drone no va a ser estable en vuelo y no va a despegar para su vuelo.
Las lecturas de los sensores magnetómetro, giroscópio y acelerómetro son indispensables para el vuelo del drone así sea para vuelo autónomo o controlado por control remoto. Por esto se realiza la lectura por porgramación de software o de lo contrario el drone quedaría sin estos datos y seria imposible realizar cualquier vuelo. Gracias al software LABVIEW directamente se toma esta decision con toda la asesoria de la National Instruments y en desarrollo de librerías para la ejecución en vivo de los sensores.
Se debe tener especial cuidado con las baterías LiPo ya que estas son un riesgo para cualquier operación. En dado caso que no se sepan cargar o descargar estas corren el riesgo de explotar causando grandes daños alrdedor. Por este motivo se debe adquirir un sistema de carga que nivela las baterias del dispositivo.
Se deben tener presentes todos los riesgos sobre la operación del drone ya que se debe tomar un curso de piloto para no generar riesgos a terceros y tener todo lo pertinente y relacionado al drone con normas legales y permisos otorgados para vuelos y trabajos de seguridad.
TRABAJOS FUTUROS
En trabajos futuros se pretende adquirir motores más potentes y una batería de más mAh para lograr una mayor autonomía de vuelo.
Adicionalmente se quiere integrar el módulo robótico de LABVIEW 2015 con licencia a varios años y lograr la lectura de todos los sensores sin un tiempo de clausura o finalización de una licencia económica y lograr por un único software con durabilidad sin caducidad.
También se pretende implementar un integrado que realice procesamiento de voz para lograr el primer drone en el mercado con voz integrada para su operación.
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[41] ARCHUNDIA PAPACETZI, Francisco Martín. Wireless Personal Area Network (WPAN) & Home Networking. Capítulo 4. Puebla, 2003, 18p. Tesi Profesional (Licenciatura en Ingeniería en Electrónica y Comunicaciones). Universidad de las Américas Puebla Departamento. En línea disponible en:(http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lem/archundia_p_fm/capitulo4.pdf).
[42] DataQUBO Backup , Online. “Encriptación: ¿qué tan seguro es AES?”. En
línea disponible en: (http://www.dataqubo.com/encriptacion-que-tan-seguro-es-
aes/).
[43] Vera Romero, C. A., Barbosa Jaimes, J. E., & Pabón González,). Parámetros de configuración en módulos XBEE-PRO® S2B ZB para medición de variables ambientales. Revista Tecnura, 19(45), 141-157. doi: 10.14483/udistrital.jour.tecnura.2015.3.a11. ?”. En línea disponible en: (https://revistas.udistrital.edu.co/ojs/index.php/Tecnura/article/view/9022/11100#fig10).
[44] ROBOTSHOP, xBee USB board. En línea disponible en: (https://www.robotshop.com/media/files/pdf/droids-xbee-usb-board-datasheet.pdf).
[45] BMP180, Datasheet En línea disponible en: (Fuente: https://cdn-shop.adafruit.com/datasheets/BST-BMP180-DS000-09.pdf).
80
[46] HONEYWELL, HMC5883L Datasheet En línea disponible en: (http://www.vistronica.com/images/Documentos/HMC5883L.pdf).
[47] PELCO, NET54040T Datasheet En línea disponible en: (http://pdn.pelco.com/content/encoder-net5400-series#sthash.IwpbtAgY.dpbs).
[48] INVENSENCE, GY521 Datasheet En línea disponible en:
(http://www.haoyuelectronics.com/Attachment/GY-521/mpu6050.pdf).
[49] NEO-M8, uBloxM8 concurrent GNSS mmodules Datasheet En línea disponible en: (https://www.u-blox.com/sites/default/files/NEO-M8_DataSheet_(UBX-13003366).pdf).
[50] SIGMA, Datasheet En línea disponible en: (https://www.sigmaelectronica.net/producto/srf05/).
81
ANEXOS
Anexo A. Solicitud formal a Unicentro Bogotá sobre desarrollo del drone.
82
Anexo B. Autorización acta de reunion con director de seguridad Unicentro Tc. Ernesto Condía.
83
Anexo C. Entrevista director de seguridad Unicentro. Tc. Ernesto Condía
84
Anexo D. Entrevista director de seguridad Centro Mayor. Nixon González.
85
Anexo E. Entrevista director de seguridad 4-72. Alejandro Pérez.
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Anexo F. – Email ingeniero Pedro Vargas información LABVIEW - NI
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Anexo G. Factura licencias LABVIEW - National Instruments
88
Anexo H. Data sheet ESC SIMONK 30A
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Anexo I. Data sheet cámara QUADDRIX QT60C/IR
90
Anexo J. Data sheet xBee Pro Series2
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Anexo K. Datasheet NET 5404T
92
Anexo L. Datasheet Shield USB xBee
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Anexo M. Datasheet HMC5883L
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Anexo N. Datasheet MPU6000-6050