Diseño e implementación de un sistema aéreo no tripulado (UAS) multirotor para aplicaciones fotogramétricas

Abstract

La fotogrametría es una técnica con un alto potencial para solucionar problemas de diferentes disciplinas mediante la toma de imágenes en diferentes regiones del espectro electromagnético. Mediante imágenes referenciadas es posible reconstruir superficies e identificar características localizadas de la zona bajo estudio. El Laboratorio de Fotogrametría en la Escuela de Ingeniería Electrónica del Instituto Tecnológico de Costa Rica aprovecha el potencial de esta técnica para solucionar problemas en diversos campos de interés, en conjunto con otros departamentos e instituciones del parís. Como ejemplo, en el área de agricultura de precisión, se trabajó a la mano del Laboratorio PRIAS del CeNAT (Centro Nacional de Alta Tecnología) para el modelado de procesos de la erosión de los suelos aprovechando la capacidad de vehículos aéreos no tripulados (UAV). Sin embargo, se requieren sistemas con buena capacidad de carga, para poder transportar cámaras y sensores de alta resolución. Por esta razón, el presente proyecto desarrolla el diseño e implementación ”a la medida” de un sistema aéreo no tripulado (UAS) el cual pueda cumplir con las necesidades de los investigadores del Laboratorio de Fotogrametría. Se propone una solución de diseño a partir de componentes comerciales y un controlador de vuelo de código abierto debido a una relación de costo y flexibilidad positiva. Seguidamente se explica el diseño mecánico, electrónico y de control de la plataforma y la implementación final realizada. Se realizaron pruebas exhaustivas para validar el funcionamiento del UAS. Se empezó por pruebas de laboratorio para validar los componentes esenciales antes de intentar volar la plataforma. Luego se realizaron pruebas en control manual para validar la capacidad de vuelo de la plataforma. Finalmente se realizaron pruebas de misiones automáticas en donde se demostró la funcionalidad de la plataforma con misiones automatizadas y levantamiento de datos fotogramétricos.

Photogrammetry is a technique with a high potential to solve problems of different disciplines by taking images in different regions of the electromagnetic spectrum. Through referenced images it is possible to reconstruct surfaces and identify localized characteristics of the area under study. The Photogrammetry Laboratory at the School of Electronic Engineering in the Technological Institute of Costa Rica takes the advantage of the potential of this technique to solve problems in various fields of interest, together with other departments and institutions in Costa Rica. As an example, in precision agriculture, the PRIAS Laboratory of the CeNAT (National Center for High Technology) worked on the modeling of soil erosion processes using the potential of unmanned aerial vehicles (UAV). However, systems with good load capacity are required in order to transport cameras and high resolution sensors. For this reason, the present project develops the design and implementation ”made to size” of an unmanned aerial system (UAS) which can meet the needs of the researchers of the Photogrammetry Laboratory. A design solution is proposed using commercial components and an open source flight controller due to a positive cost and flexibility relationship. Next, the mechanical, electronic and control design of the platform and the final implementation carried out are explained. Extensive tests were performed to validate the operation of the UAS. At first, laboratory tests were made to validate the essential components before attempting to fly the platform. Then, tests were carried out in manual control to validate the flight capacity of the platform. Finally, automatic missions tests were performed where the functionality of the platform was demonstrated with automated missions and photogrammetric data collection.