PROYECTO FIN DE CICLO.pptx

Proyecto Fin de ciclo Dron con ESP32

Ciclo Formativo Sistemas de Telecomunicaciones e Informáticos

Autor: Alejandro Martín Resina

Memoria

Objetivos del proyecto

• Diseñar y fabricar una PCB optimizada para el dron que integre el microcontrolador ESP32.
• Implementar el firmware necesario para el control del dron a través de WI-FI.
• Usar una interfaz de usuario intuitiva para el control del dron mediante dispositivos móviles.
• Evaluar el rendimiento y la estabilidad del dron

Características del dron

• Controlado por Wi-Fi: Se puede controlar mediante un smartphone.
• MPU-6050 IMU para control de estabilidad.
• PCB todo en uno: no necesita piezas impresas en 3D.
• Fácilmente actualizable: Se pueden añadir funciones adicionales como el mantenimiento de posición o el mantenimiento de altura mediante módulos externos.
• Pequeño y ligero.
• Cargador de batería integrado.
• Interfaz USB integrada para programación y depuración.
• Aplicación para Android e IOS.

Componentes principales

• ESP32-WROOM-32: Microcontrolador principal
• Controlador CP2102N: Conversión USB a UART para la programación y depuración.
• MPU - 6050: Sensor inercial principal con acelerómetro y giroscopio
• TP4056: Circuito integrado para la carga de batería.
• MIC5219-3.3YM5.TR: Regulador de 3,3V para la alimentación de los circuitos integrados como MPU-6050 y ESP32.
• Conector USB Tipo C: Función de carga de batería, depuración y programación.
• Motores sin núcleo 720: Pequeños y potentes
• Batería LiPo 3,7V 1800 mAh 25C: Alta tasa de descarga para alimentar bien los motores.

Componentes pasivos

• Resistencias de pelicula fina: Presición y estabilidad
• Condensadores de cerámica multicapa: Excelentes propiedades y rendimiento.
• Diodo rectificador SS34: Protege los circuitos de la polaridad inversa y tiene una caida de voltaje muy baja.
• Diodos de proposito general: Protegen a los MOSFETS de la inductancia de los motores al ser apagados repentinamete.

• Mosfets canal N y P: Control de motores, interruptor controlado electronicamente.
• Conector JST y conmutador deslizante: Conector de batería y encendido/apagado del dron.

Circuto regulador de 3,3V

Funcionamiento del circuito

El conector USB proporciona la entrada de 5V,esta línea se conecta al diodo SS34 que permite el paso de corriente en una sola dirección protegiendo contra la polaridad inversa y su baja caída de voltaje minimiza la pérdida de de energía. El condensador C4 suaviza el voltaje de entrada, el MOSFET se utiliza para conmutar el voltaje de entrada hacia el regulador, este MOSFET es canal P quiere decir que se activa cuando la tensión de la puerta es mas baja que la de la fuente. La resistencia R2 actúa como un pull-down para mantener el MOSFET apagado cuando el regulador está apagado. El regulador de voltaje recibe la salida del MOSFET y proporciona una salida d de 3,3 V. Por último tenemos un diodo LED que indica que el regulador esta funcionando.

Circuito cargador de baterías

Funcionamiento del circuito

El circuito se alimenta a través del VBUS y se conecta al pin VCC del TP4056, la resistencia Rprog conectada en el pin PROG del IC programa la corriente de carga a aproximadamente 333.33 mA . Mientras la batería esta cargando, el pin CHRG del TP4056 está en estado bajo, lo que enciende el LED2, cuando esta completamente cargada, el pin STDBY se pone en estado bajo, encendiendo el LED3. Estos LEDs proporcionan una indicación visual del estado de la carga. LED 2 indica cartga en progreso y LED3 indica carga completa. El condensador C14 filtra el ruido en al línea de alimentación y estabiliza el voltaje suministrado al circuito.

Circuitos medidor de voltaje y circuito de encendido

Funcionamiento de los circuitos

El circuito medidor de voltaje se basa en un divisor de tensión simple arrojando la mitad del voltaje de la batería en el pin ADC_BAT ya que tenemos dos resistencias del mismo valor. El circuito de encendido y apagado sirve para habilitar o deshabilitar la salida del regulador de tensión utilizando un interruptor. Cuando el interruptor SW1 está cerrado (posición 1-2 conectada), LDO_EN se conecta a tierra. Esto habilita el regulador de voltaje (LDO). Cuando el interruptor SW1 está abierto (posición 1-2 desconectada), LDO_EN no tiene conexión a tierra y el regulador de voltaje se desactiva.

Circuito de conversión USB a UART

Funcionamiento del circuito

Este circuito es un adaptador de USB a UART utilizando el CP2102N. El CP2102N actúa como un puente entre el puerto USB y el dispositivo UART, permitiendo la comunicación serie. Los capacitores C1, C3 y C5 aseguran una alimentación estable y sin ruido. Los resistores R2 y R3 configuran la interfaz USB, mientras que R4 es un pull-up para el pin de reinicio. El MOSFET 2N7002DW se utiliza para conmutar las señales RTS y DTR, controlando así la comunicación serie.

Circuito ESP32 SoC

Funcionamiento del circuito

El ESP32-WROOM-32 está alimentado por una fuente de 3.3V, estabilizada y filtrada por los capacitores C10, C12 y C13. El pin EN está conectado a un resistor pull-up (R10) para mantener el módulo habilitado. Pulsando un botón (no mostrado en el esquema pero implícito por la configuración), se puede resetear el módulo. El ESP32 cuenta con múltiples pines configurables para diversas funciones, incluyendo UART, I2C, entradas analógicas y salidas digitales, control de LEDs y motores. Los pines TXD0 y RXD0 permiten la comunicación serie con otros dispositivos.

Circuito MPU-6050

Funcionamiento del circuito

Este circuito utiliza el sensor de movimiento MPU-6050, que es un módulo IMU (Unidad de Medición Inercial) que combina un acelerómetro y un giroscopio de 6 ejes. El MPU-6050 está alimentado por una fuente de 3.3V, estabilizada y filtrada por los capacitores C17 y C18. El sensor se comunica con el microcontrolador a través de las líneas SCL y SDA, que están conectadas a resistores pull-up para mantenerlas en un estado lógico alto por defecto. Los pines auxiliares de I2C y de sincronización permiten la conexión de sensores adicionales y la sincronización con otros dispositivos.

Circuito controlador de motores

Funcionamiento de los circuitos

La fuente de alimentación (+BATT) se conecta a través del conector J2 y alimenta tanto el motor como el circuito de control. El diodo D1 y el capacitor C2 protegen el circuito contra picos de voltaje y filtran el ruido eléctrico. La señal de control se aplica al gate del MOSFET . Si esta señal es alta (generalmente cercana al voltaje de la batería), el MOSFET se enciende y permite que la corriente fluya a través del motor, activándolo. Cuando la señal de control es baja (0V), la resistencia R1 asegura que el gate del MOSFET se descargue, apagando el MOSFET y, por lo tanto, el motor.

Diseño de la PCB

Software utilizado

Herramientas de Diseño Integradas:

• Editor de esquemas
• Editor de PCB

• Gestor de componentes
• Generador de BOM

Capacidades Avanzadas:

• Enrutamiento automático y manual
• Soporte para múltilples capas
• Verificación de diseño(DRC/ERC)
• Visualización 3D

Reglas de diseño de la PCB

Reglas de diseño eléctrico

Plano de tierra

Ancho de pista

Redes de alimentación de 1 a 0,5 mm

Líneas de datos 0,25mm

• Espaciado: 0,1524 mm
• Ancho mínimo: 0,1524 mm

• Conexiones de pad: Alivios térmicos
• Espaciado alivio térmico: 0,508 mm
• Ancho del alivio térmico: 0,508 mm

Ubicación de circuitos en la placa

Firmware y archivos de proyecto

Firmware proporcionado por Expressif

Para flashear el código en nuestro dron ESP32, se usa la siguienet herramienta:

ESP32 Flash Download Tool

Descargaremos ESP32 Flash Download Tool, seleccionaremos nuestro tipo de chip y seleccionaremos el archivo de firmware ESPDrone.bin con la dirección 0x00 y seleccionaremos el puerto de comunicaciones haremos un borrado y flashearemos el firmware. Una vez terminado el proceso el dron estará listo

Todos los archivos disponibles en mi repositorio de GitHub

https://github.com/aLEjAndromrtn17/Dron-ESP32

Pliego de condiciones

Especificaciónes técnicas

Dimensiones y peso

Sistemas de navegación y control

• Peso: 208 g
• Dimensiones: Ancho x Largo x Altura = 10cm x10cmx4,5cm

• IMU (Unidad de medición Inercial): MPU-6050
• Controlador de vuelo : ESP32-WROOM-32

Conectividad y Comunicación

Batería y autonomía

• Frecuencia de operación: 2,4 GHz

• Tipo de batería: Batería de Iones de Litio (LiPo)
• Capacidad: 1800 mAh 25C
• Tiempo de vuelo: 15 - 20min aprox
• Tiempo de carga: 3 - 4 h

Modos de vuelo

• Modo ATTI: Vuelo manual sin asistencia GPS

Rango de operación

Motores y propulsión

• Distancia de control: 90 m
• Altura máxima: Depende de la distancia de control

• Tipo de motores: Motores sin núcleo con escobillas DC
• Potencia: 45000 rpm a 3,4V

Manual de usuario

Como usar el dron

Para controlar el dron lo haremos a través de una aplicación, disponible en Android e IOS. Creada por CrazyFlye La aplicación se llama ESP-Drone APP y se puede descargar en el siguiente código QR:

Una vez instalada esta es la interfaz de vuelo:

Uso de la aplicación

Conectaremos nuestro teléfono móvil a la red Wi-Fi generada por el dron llamada ESP32xxxx e introduciremos la contraseña 12345678. Dentro de la aplicación presionaremos el botón de conexión, para saber que se ha establecido al conexión en nuestro dron se iluminara una luz verde, si el dron se desconecta de la aplicación o se reinicia a la hora de despegar significa que la batería no tiene carga suficiente. El joystick izquierdo sirve para elevar, bajar y rotar el dron y el joystick derecho para mover el dron.

Preparación para el vuelo

• Coloca el dron con la cabeza mirando hacia adelante y la cola (es decir, la parte de la antena) mirando hacia atrás.

• Coloca el dron en una superficie plana y enciéndelo
• Una vez establecida la comunicación, comprueba si el LED del costado del dron parpadea rápidamente en VERDE.
• Un LED ROJO parpadeante indica que la batería es BAJA, cargue la batería si esto ocurre.
• Deslice ligeramente hacia delante el joystick izquierdo para comprobar si el dron despega.
• Utilice el joystick derecho para comprobar si el control de dirección funciona bien.

Sentido de giro de las hélices

Anexo Herramientas recomendadas para la soldadura del dron

Soldadura SMD

Los mas recomendable para soldar componentes SMD es una estación de soldadura con pistola de aire caliente o una forma más sencilla usando una cama caliente.

Presupuesto

Costo total por dron de 66,53 euros aprox.

Conclusiones

Esto ha sido todo y gracias por la atención