Sistema de medición de vibraciones basado en Raspberry Pi para estabilización de dispositivos de adquisición de imágenes en dron hexarotor F550.

Abstract

Hoy en día existen variados tipos y tamaños de drones con la capacidad de transportar diversos sensores y equipos a bordo para el cumplimiento de misiones específicas. Particularmente, en muchas aplicaciones es una práctica común integrar dispositivos de imágenes en ellos. De hecho, el desarrollo de la tecnología del sistema conjunto, dron-cámara, es un tema de gran relevancia científica-tecnológica, ya que posee diversas aplicaciones de alto impacto social y ambiental, tales como: monitoreo de recursos geológicos, hídricos y forestales, operaciones de rescate en desastres naturales, vigilancia y seguridad, entre otras. No obstante, durante el proceso del vuelo, los drones experimentan en forma natural vibraciones que surgen debido a las condiciones de vuelo y su mecánica propia, principalmente debido al movimiento de los motores y las hélices. Cuando estas vibraciones se transmiten a los sistemas de imágenes y cámaras a bordo, se generan borrosidades y desencuadre en la escena, degradando la calidad de las imágenes captadas. Dependiendo de la severidad de las vibraciones experimentadas, estas pueden generar daños en los componentes ópticos. Por esta razón, es de gran relevancia estudiar y desarrollar sistemas de estabilización con el fin de mitigar sus efectos sobre los equipos a bordo. En este trabajo, se desarrolló e implementó un sistema de medición de vibraciones en un dron hexarotor con el objetivo de caracterizar las vibraciones experimentadas por el dron durante el vuelo, con el propósito final de desarrollar una metodología de aislamiento de vibraciones mecánicas para sistemas de imágenes a bordo. En particular, en este trabajo: (i) se habilitó un dron hexarotor mediante el montaje de sus componentes, (ii) se realizaron las configuraciones de software y calibración de instrumentos del dron y (iii) se desarrolló un sistema de medición de vibraciones con una computadora Raspberry Pi y tres acelerómetros digitales triaxiales. En el desarrollo del sistema de mediciones, se realizaron las conexiones físicas entre los equipos, los programas de configuración y operación de los acelerómetros, se calibraron los instrumentos de medición y se diseñaron y fabricaron los housing de los componentes. Una vez implementado el sistema de mediciones en el dron, se realizaron pruebas experimentales de vuelo, registrando las aceleraciones en tres ejes en tres fases de vuelo: hovering, desplazamiento horizontal y vertical. Finalmente, con un análisis de tiempo-frecuencia, se caracterizaron las vibraciones experimentadas por el dron a modo de identificar las componentes de frecuencias que deben ser aisladas con el método de estabilización mecánica.

Nowadays, drones have proven to be versatile aircraft that are produced in different shapes, types and sizes. Usually, drones are equipped with various sensors to fulfill mission-specific duties. In this regard, at present is a common practice to mount imaging devices on drones. The development of the drone-camera systems technology is a subject of great relevance in scientific and technological areas because it can be utilized in several applications with high social and environmental impact such as: monitoring of natural resources such as mineral, water and forest resources; rescue operations in natural disasters, surveillance and security, among others. However, during a flight drones exhibit vibrations caused by flight conditions and their own mechanics, the latter mainly due to the movement of the motors and propellers. When flight vibrations are transmitted to the imaging devices onboard, their image quality is degraded by motion blur and scene misframing. Furthermore, depending on the severity of the vibration, they could cause physical damage to the imaging device’s optical components. For this reason, it is of great importance to study and develop mechanical stabilization systems to mitigate the effects of vibrations on the onboard equipment. In this work, a vibration measurement system is developed and implemented in a hexarotor drone to characterize the vibrations experienced by the drone over time in a flight. This corresponds to the first step in developing a mechanical vibration isolation methodology for onboard imaging systems. In this work an F550 model hexarotor drone was assembled, its operational software was configured, and its flight-aid instrumentation was calibrated. Furthermore, a vibration measurement system was developed with a Raspberry Pi computer and three triaxial digital accelerometers. Particularly, the physical and electrical connections between the equipment were set up, the accelerometer operation software was developed, the accelerometer’s calibration was performed, and the onboard accelerometer housing components were designed and constructed. The measurement system was implemented in the hexarotor drone, and a verification test was conducted. Subsequently, flight tests were conducted with the measurement system onboard to record the accelerations in the three axes for three different flight phases: hovering, horizontal displacement and vertical displacement. Finally, the vibrations experienced by the drone were characterized using a time-frequency analysis to identify the frequency components that must be isolated with a mechanical stabilization system.