DISEÑO DE UN SISTEMA DE SUJECIÓN DE BALONES PARA INCENDIOS A

TRAVÉS DE UN VEHÍCULO AÉREO NO TRIPULADO TIPO CUADRICOPTER.

AUTORES:

JANNY SULAY DUARTE OROZCO

LUISA FERNANDA PARRA CASTAÑO

PROYECTO DE GRADO

TECNOLOGÍA EN MECATRÓNICA

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA

FACULTAD DE TECNOLOGÍA

INGENIERÍA EN MECATRÓNICA

PEREIRA, RISARALDA

2023

TRABAJO PARA OPTAR AL TITULO DE TECNOLOGÍA EN MECATRONICA

MSc. ADONAÍ ZAPATA GORDON

DISEÑO DE UN SISTEMA DE SUJECIÓN DE BALONES PARA INCENDIOS A

TRAVÉS DE UN VEHÍCULO AÉREO NO TRIPULADO TIPO CUADRICOPTER.

JANNY SULAY DUARTE OROZCO

LUISA FERNANDA PARRA CASTAÑO

TECNOLOGÍA EN MECATRONICA

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA

FACULTAD DE TECNOLOGÍA

PEREIRA, RISARALDA

2023

AGRADECIMIENTOS

Deseo expresar mis más sinceros agradecimientos a:

 Quiero expresar mi sincero agradecimiento al docente Adonaí Zapata Gordon durante este tiempo. Ha sido una experiencia enriquecedora y gratificante que ha contribuido significativamente a mi crecimiento profesional y personal. -Janny Duarte  A mi madre Sandra y mi padre Mario, así como a mi hermano Juan Miguel por toda su paciencia y comprensión; a Dios por darme la salud y la persistencia; a mi familia por comprender mis obligaciones.

Cuando nos proponemos una meta siempre hay personas que nos acompañan ya sea directa o indirectamente en cada paso que das para alcanzarlo, siempre creemos que todo lo hacemos solos, pero ahí están las personas que jamás imaginamos que nos apoyarían.

Mis más sinceros agradecimientos al docente Adonaí zapata Gordon por apoyarme en los proyectos realizados y por la paciencia en cada proceso. A mis padres Mery y Alfonso que siempre han sido mi mayor motivación y apoyo en cada paso que he dado, han sido excepcionales con su fuerza que los caracteriza y sus palabras de motivación que cada día me ayudaban a no rendirme por más miedo que tuviera al fracaso, gracias al creador que todo lo puede por siempre darme fuerzas y permitirme dar un paso más en mi vida, a mi hermana y sus hijos por su aporte a mi vida que siempre me han enseñado a ser mejor persona a través de su forma de ver la vida. Y cada una de la persona que han sido participes en mi camino como profesional.

CONTENIDO

CAPÍTULO 1 ........................................................................................................... 9

1. Definición de la propuesta ............................................................................... 9

1.1. Introducción ............................................................................................... 9 1.2. Definición del problema ............................................................................. 9 1.2.1. Planteamiento del problema ............................................................... 9 1.2.2. Formulación del problema ................................................................ 10 1.2.3. Sistematización ................................................................................. 10 1.3. Delimitación ............................................................................................. 10 1.4. Objetivos ................................................................................................. 10 1.4.1. Objetivo general ................................................................................ 10 1.4.2. Objetivos específicos ........................................................................ 10 1.5. Justificación ............................................................................................. 11 CAPÍTULO 2 ......................................................................................................... 12

2. FUNDAMENTOS Y TECNOLOGIA DE LOS DRONES ................................. 12

2.1. Origen del Drone ..................................................................................... 12 2.1.1. Drones .............................................................................................. 13 2.1.2. Tipos de drones ................................................................................ 13 2.1.3. Drones DJI ........................................................................................ 18 2.1.4. Tipos de drones DJI .......................................................................... 18

2.2. Módulos de control y procesamiento (Arduino, esp, Raspberry Pi). ........ 21

2.2.1

Tipos. ................................................................................................. 21

2.3

Módulos de comunicación ..................................................................... 22

2.3.1

Tipos de módulos de comunicación ............................................... 22

2.4

Diseño asistido por computador (CAD) ................................................. 24

2.4.1

Inventor .......................................................................................... 24

2.4.2

CATIA ............................................................................................. 25

2.4.3

Fusion 360 ...................................................................................... 25

2.4.4

SolidWorks ..................................................................................... 26 CAPITULO 3 ...................................................................................................... 27

3. DISEÑO DE UN SISTEMA DE SUJECIÓN DE BALONES PARA INCENDIOS.

........................................................................................................................... 27

3.1. Antecedentes de los drones .................................................................... 27 3.2. Antecedentes internacionales ................................................................. 27 3.2.1. Características del balón de polvo seco ........................................... 29

3.3. Diseño de Piezas .................................................................................... 30 3.3.1. Sistema de Sujeción ......................................................................... 30 3.4. Diseño electrónico ................................................................................... 34 3.4.1. Componente del diseño electrónico. ................................................. 35 CAPITULO 4 ......................................................................................................... 36

4. Resultados ..................................................................................................... 36

Recomendaciones ............................................................................................. 41 Referencias ........................................................................................................... 42 anexos ................................................................................................................... 51

Lista de figuras Figura 2.1.1 Réplica de la paloma que vuela de arquitas [6] ................................ 12 Figura 2.1.2 Drone Cuadricóptero [12] .................................................................. 13 Figura 2.1.3 Drone hexacópteros [14] ................................................................... 14 Figura 2.1.4 Drone Octocópteros [16] .................................................................. 14 Figura 2.1.5 Drones de ala fija [18] ....................................................................... 15 Figura 2.1.6 Drones VTOL [20] ............................................................................. 15 Figura 2.1.7 Drones con alas plegables [22] ......................................................... 15 Figura 2.1.8 Drones con esféricas o 360 grados [24] ........................................... 16 Figura 2.1.9 Drones submarinos voladores [26] .................................................... 16 Figura 2.1.10 Drones de alta altitud o altitud extrema [28] .................................... 16 Figura 2.1.11 Drones de combate y tácticos [30] .................................................. 17 Figura 2.1.12 Drones autónomos [32] ................................................................... 17 Figura 2.1.13 Drones de carga y transporte de personas [34] .............................. 17 Figura 2.1.14 Drone especializados en agricultura [36] ........................................ 18 Figura 2.1.15 Drone Mavic serie [38] ................................................................... 18 Figura 2.1.16 Drone Air serie [40] ......................................................................... 19 Figura 2.1.17 Drone DJI mini [42] .......................................................................... 19 Figura 2.1.18 Drone AVata serie [44] .................................................................... 19 Figura 2.1.19 Drone Inspire serie [46] ................................................................... 20 Figura 2.1.20 Drone DJI FPV [48] ......................................................................... 20 Figura 2.1.21 Drone Matrice serie 1 [50] ............................................................... 20 Figura 2.2.1.1 Figura Arduino uno. [52] ................................................................. 21 Figura 2.2.1.2 Esp32 [54] ...................................................................................... 21 Figura 2.2.1.3 Raspberry Pi [56] ............................................................................ 22 Figura 2.3.1 Módulo Bluetooth. [58] ...................................................................... 22 Figura 2.3.2 Modulo WI-FI [60] .............................................................................. 23 Figura 2.3.3 Modulo radiofrecuencia (RF) [62] ..................................................... 23 Figura 2.3.4 Modulo LoRa (Long Range) [64] ...................................................... 24 Figura 2.4.1 Diseño mecánico con inventor pieza básica. [67].............................. 25 Figura 2.4.2 Diseño de un motor de 4 cilindros en CATIA [69].............................. 25 Figura 2.4.3 Diseño en Fusión 360 [71] ................................................................ 26 Figura 2.4.4 Diseño en SolidWorks. [73] ............................................................... 26 Figura 3.2.1 SNAG [75] ......................................................................................... 28 Figura 3.2.2 Dron industrial PD6B-AW-ARM [77] ................................................. 28 Figura 3.2.3 Bola de polvo seco. [80] .................................................................... 29 Figura 3.2.4 Tipos y tamaños de los balones de polvo seco. [82] ......................... 30 Figura 3.3.1 Base Principal [AUTORES] ............................................................... 31 Figura 3.3.2 Brazos de Movimiento [AUTORES] ................................................... 31 Figura 3.3.3 Bases de los dedos. [AUTORES] ...................................................... 32 Figura 3.3.4 Dedos [AUTORES] ............................................................................ 32 Figura 3.3.5 Centro Motor [AUTORES] ................................................................. 33 Figura 3.3.6 Acople Motor [AUTORES] ................................................................. 33 Figura 3.3.7 Varilla Roscada [AUTORES] ............................................................. 34 Figura 3.4.1 Diseño electrónico. [AUTORES] ........................................................ 34 Figura 3.4.2 A4988 [84] ......................................................................................... 35

Figura 3.4.3 Motor nema 16 [86] ........................................................................... 35 Figura 4.1 Ensamble del sistema de sujeción. [AUTORES]…………………………36 Figura 4.2 Ensamble del sistema de sujeción con el balón [AUTORES]…………...37 Figura 4.2.1 montaje electrónico. [AUTORES]………………………………………..38 Figura 4.2.2 código [AUTORES]………………………………………………………..39

LISTA DE TABLAS

Tabla 3.2.1 Dimensiones y características del balón de polvo seco ..................... 30

CAPÍTULO 1

1. DEFINICIÓN DE LA PROPUESTA

1.1. Introducción

Los incendios son un fenómeno que puede tener diversas causas y consecuencias, tanto para el medio ambiente como para los seres humanos. Algunas de las causas son naturales, como los rayos o las erupciones volcánicas, pero otras son provocadas por la acción humana, como la quema de combustibles fósiles, la deforestación, el descuido o la intencionalidad. Los incendios afectan negativamente a la biodiversidad, al suelo, al clima y a la salud de las personas que viven cerca de las zonas afectadas. Por eso, es necesario implementar medidas de prevención y control de los incendios, así como mejorar la capacidad de respuesta de los bomberos y las autoridades competentes. En este trabajo se propone el uso de drones equipados con bolas de fuego como una solución innovadora y eficaz para combatir los incendios estructurales en la ciudad de Pereira, Colombia.

1.2. Definición del problema

1.2.1. Planteamiento del problema

Los incendios no ocurren normalmente por causas naturales también son incendios provocados por la combustión de gases y otros factores como el fallo de los electrodomésticos y el deterioro de las instalaciones, el calentamiento global, la falta de políticas adecuadas de prevención y control de incendios, la deforestación y la negligencia humana entre otras causas. Actualmente uno de los mayores problemas en todo el mundo es el aumento de los incendios, que se están volviendo más generalizados y destructivos en el mundo. Este problema afecta no solo a las áreas naturales, sino también a las comunidades que viven cerca de las zonas afectadas y dependen de los recursos naturales para su subsistencia [1] Estos incendios tienen impactos negativos en el medio ambiente, incluida la pérdida de biodiversidad, la degradación del suelo y la liberación de gases de efecto invernadero que contribuyen al calentamiento global; [2] en los seres humanos tiene una gran probabilidad de enfermarse si se respira el humo dando como efectos tos, dificultad para respirar normalmente, ardor en los ojos entre otros síntomas. [3] La Dirección Nacional de Bomberos de Colombia (DNBC) dio el reporte donde se obtuvo información de incendios estructurales entre 2017 y abril de 2021 entre ellas se encuentra la información de los municipios de Medellín, Manizales y Pereira. En la ciudad de Pereira su rango de incendios del 2017 hasta 2019 es de 250 incendios por año en la cual los incendios estructurales por cada mil habitantes reportados en Pereira es del 17% en Colombia es el país que reporta la menor cantidad de fallecidos por cada cien mil habitantes en comparación con Chile, Ecuador, Estados Unidos, Venezuela y Panamá, siendo Chile el país que presenta más fallecidos por

incendios estructurales hasta el momento no se ha reportado muertos en la ciudad de Pereira este lo indica (DNBC) [4]

1.2.2. Formulación del problema

¿Es viable el desarrollo de un sistema de sujeción de balones para incendios a través de un vehículo aéreo no tripulado tipo cuadricóptero?

1.2.3. Sistematización

¿Cuáles serán los parámetros y características del sistema de sujeción? ¿Cuál será el diseño electrónico del sistema de sujeción? ¿Cuál será el diseño mecánico del sistema de sujeción?

¿Cuáles serán las pruebas de laboratorio?

1.3. Delimitación

La misión del presente proyecto es diseñar un sistema de sujeción para un balón de polvo seco para un Drone tipo cuadricóptero esto con el fin de brindar apoyo al cuerpo oficial de bomberos para las situaciones de rescate en donde el Drone hará reconocimiento en las áreas más afectadas y extinguir el fuego con el balón de polvo seco, para esto se utilizará las herramientas de diseño mecánico CAD para poder diseñar las piezas adecuadas que darán construcción del sistema de sujeción.

La Universidad Tecnológica de Pereira proporciona el software necesario (inventor) con una licencia que se renueva anualmente; permitiendo el fácil acceso a este software este es importante para la realización de este proyecto y además proporciona el espacio ideal para la reunión de los investigadores como lo es el Taller de mecatrónica y el CIDT que está ubicado en el edificio 15 de la universidad.

1.4. Objetivos

1.4.1. Objetivo general

Diseñar un sistema de sujeción de balones para incendios para un vehículo aéreo no tripulado tipo cuadricóptero.

1.4.2. Objetivos específicos

1. Seleccionar parámetros y características del sistema a diseñar.

2. Diseñar el sistema mecánico y electrónico del prototipo utilizando

herramientas CAD.

3. Realizar un prototipo de sistema electrónico para validar su funcionamiento.

1.5. Justificación

Con base en las necesidades de las fatalidades, pérdidas económicas, entre otros factores los sistemas tecnológicos requieren de una mayor innovación para desarrollar prototipos en donde se utiliza un sistema progresista como un aeronave no pilotada tipo Drone e implementando un sistema de extinción tales como: Extintores, BIE(Boca de Incendio Equipada), grupo de presión, inhibidor de llama entre otros; en este caso se planea desarrollar un prototipo en donde se diseña una adaptación para un dron con una carga de bolas de fuego ya que su activación es automática cuando entra en contacto con el fuego; este es un método eficaz y rápida para los incendios ocurridos en el país por lo que la implementación de esta tecnología le brinda seguridad al cuerpo de bomberos, la información que transmite el Drone a los técnicos será de tiempo real de manera que vigilara el avance del fuego por lo tanto proporcionará un vista completa del área del incendio y ayudara a los bomberos a planificar una estrategia y posibilita una toma de decisiones rápida acerca de a dónde enviar los equipos o de si es necesario realizar alguna evacuación.

El proyecto que se plantea desarrollar consiste en un Drone cuadricóptero para una carga útil de 0.4 kg en un sistema de sujeción (garra) para sujetar las bolas de polvo y en un sistema de cámara para visualizar las zonas de descarga de las bolas y en la bola como tal.

CAPÍTULO 2

2. FUNDAMENTOS Y TECNOLOGIA DE LOS DRONES

2.1. Origen del Drone

Existen prototipos técnicos y experiencias previas de tentativas de vuelo con Vehículos Aéreos no Tripulados que anteceden a los drones que podemos conocer hoy día. Tal es el caso del invento del filósofo y matemático griego Arquitas de Tarento 428 a.C.-347 a.C, que es anterior al año cero de nuestra era. Se estima que es el creador del primer dispositivo de vuelo autopropulsado conocido como “la paloma que vuela a vapor de Arquitas”. Llamado también como “la primera máquina volátil de la antigüedad”, el invento, construido de madera y presentando una estructura aerodinámica muy similar a la estructura de un pájaro con alas, disponía en la parte inferior una cavidad hueca y cilíndrica de bronce. En su interior funcionaba una pequeña caldera que al generar vapor ejercía presión hasta llegar a tomar propulsión y volar algunos metros de distancia. [5] como la Figura 2.1.1

Figura 2.1.1 Réplica de la paloma que vuela de arquitas [6]

En 1916 fue contratado el profesor Archibald Low por el recién formado Ministerio del Aire británico para desarrollar defensas contra los dirigibles alemanes Zeppelins; asimismo se diseñó el primer avión por control radial destinado a funcionar como torpedo aéreo para derribar a los Zeppelins. Aunque el primer prototipo resultó un fracaso en su fase de experimento.

La mecatrónica moderna, de acuñación originalmente japonesa de los años 1960, implica conceptual y prácticamente integrar lo físico-mecánico con lo electrónicodigital mediante elementos informático-computacionales para crear funciones manejables indirectamente por humanos, es decir por control remoto. [7]

2.1.1. Drones

Un dron es un tipo de vehículo aéreo no tripulado donde su trayectoria de vuelo es controlada con un programa de software o también manejado por un control remoto. [8] Estos drones son importantes actualmente eso sí, depende del uso que cada persona le dé, hoy en día se utilizan para tomar fotos a muchos kilómetros de distancia, búsqueda de personas desaparecidas o también como medio de promoción de filmes o publicidad para empresas. [9]

2.1.2. Tipos de drones

Existen diferentes tipos de drones, como los cuadricópteros, los hexacópteros, los octocópteros y los aviones no tripulados. [10]

 Cuadricóptero:

Un dron cuadricóptero es un tipo de dron que se caracteriza por tener cuatro rotores en cada esquina, lo que le permite mantenerse en el aire y desplazarse en cualquier dirección. Es uno de los tipos de drones más comunes hoy en día, ya que es fácil de manejar y no cuesta tanto como otros tipos de drones. [11] Figura 2.1.2

Figura 2.1.2 Drone Cuadricóptero [12]  Hexacópteros:

Un hexacópteros es un tipo de dron que se caracteriza por tener seis rotores en cada esquina, lo que le permite mantenerse en el aire y desplazarse en cualquier dirección. A diferencia de los drones cuadricópteros, los hexacópteros tienen una mayor capacidad de carga y estabilidad en el aire, lo que los hace ideales para aplicación industriales y de transporte. [13] Figura 2.1.3

Figura 2.1.3 Drone hexacópteros [14]

 Octocópteros:

Un octocópteros es un tipo de dron que se caracteriza por tener ocho rotores en cada esquina, lo que le permite mantenerse en el aire y desplazarse en cualquier dirección. A diferencia de los mencionados anteriormente este tipo de Drone tiene mayor capacidad de carga y estabilidad en el aire, lo que los hace ideales para aplicaciones de “elevación de cargas pesadas” como videos aéreos de alta resolución o transporte de carga. [15] Figura 2.1.4

Figura 2.1.4 Drone Octocópteros [16]

 Drones de ala fija:

A diferencia de los cuadricópteros, estos drones tienen un diseño similar al de un avión. Son ideales para misiones de largo alcance y fotografía aérea, pero requieren suficiente espacio para el despegue y el aterrizaje. [17] Figura

2.1.5

Figura 2.1.5 Drones de ala fija [18]

 Drones VTOL (despegue y aterrizaje vertical): Estos drones combinan las capacidades de despegue y aterrizaje vertical de un cuadricóptero con las capacidades de vuelo horizontal de un avión. Son versátiles y adecuados para diversas aplicaciones. [19] Figura 2.1.6

Figura 2.1.6 Drones VTOL [20]

 Drones con alas plegables:

Algunos drones tienen alas plegables, lo que los hace portátiles y fáciles de transportar. Son útiles para actividades al aire libre y aplicaciones de exploración. [21] Figura 2.1.7

Figura 2.1.7 Drones con alas plegables [22]

 Drones con esféricas o 360 grados: Estos drones están equipados con cámaras que pueden capturar imágenes y vídeos en todas direcciones, permitiendo panorámicas de 360 grados y contenido inmersivo. [23] Figura 2.1.8

Figura 2.1.8 Drones con esféricas o 360 grados [24]  Drones submarinos voladores:

Este dron puede operar tanto en el aire como bajo el agua, lo que lo hace ideal para explorar ambientes acuáticos y costeros. [25] Figura 2.1.9

Figura 2.1.9 Drones submarinos voladores [26]  Drones de alta altitud o altitud extrema: Los drones de gran altitud son vehículos aéreos no tripulados (UAV) que están diseñados para volar a gran altura, generalmente por encima de los

4.000 metros (13.123 pies). A menudo se utilizan con fines meteorológicos o

de vigilancia. [27] Figura 2.1.10

Figura 2.1.10 Drones de alta altitud o altitud extrema [28]  Drones de combate y tácticos:

Estos drones son utilizados por fuerzas militares y de seguridad para misiones estratégicas y tácticas como vigilancia, reconocimiento y operaciones ofensivas o defensivas. [29] Figura 2.1.11

Figura 2.1.11 Drones de combate y tácticos [30]  Drones autónomos:

Los drones autónomos pueden operar sin intervención humana directa y utilizar inteligencia artificial y sistemas de navegación avanzados para tomar decisiones y completar misiones de forma independiente. [31] Figura 2.1.12

Figura 2.1.12 Drones autónomos [32]  Drones de carga y transporte de personas:

Aunque aún están en desarrollo y regulación, existen drones diseñados para transportar personas o cargas de mayor tamaño que podrían revolucionar el transporte urbano y la logística de entrega. [33] Figura 2.1.13

Figura 2.1.13 Drones de carga y transporte de personas [34]

 Drone especializados en agricultura:

Estos drones se utilizan para la agricultura de precisión, realizando tareas como fumigación de cultivos, seguimiento sanitario de las plantas y cartografía agrícola. [35] Figura 2.1.14

Figura 2.1.14 Drone especializados en agricultura [36]

2.1.3. Drones DJI

SZ DJI Technology Co., conocida comercialmente como DJI, que significa Dà-Jiāng Innovations, es una empresa china más conocida mundialmente como el mayor fabricante de vehículos aéreos no tripulados: los drones.

2.1.4. Tipos de drones DJI

 Mavic Series:

Esta serie presenta un rendimiento de imágenes de alto nivel ya que este presenta 3 cámaras, 3 sensores y lentes con diferentes distancias focales. [37] Figura 2.1.15

Figura 2.1.15 Drone Mavic serie [38]  Air Series:

Esta serie de drones tiene un gran angular y teleobjetivo medio x3 con un tiempo de vuelo de 46 minutos lo cual cuenta con una detección omnidireccional y protección integral. [39] Figura 2.1.16

Figura 2.1.16 Drone Air serie [40]  DJI Mini:

Esta serie cuenta con cámara compacto y ultraligero diseñado para viajes y momentos. [41] Figura 2.1.17

Figura 2.1.17 Drone DJI mini [42]  DJI Avata Series:

Esta serie de drone tiene un controlador de movimiento intuitivo, con video estabilizado 4k, tamaño de la palma de la mano y ágil con protector de hélice incorporado y transmisión HD de baja latencia. [43] Figura 2.1.18

Figura 2.1.18 Drone AVata serie [44]  Inspire Series Esta serie de drones tiene como principal un Gimbal de 3 ejes de fotograma completo x9-8k Air, procesamiento de imágenes, seguimiento de sujeto, evasión de obstáculos omnidireccional, velocidad de vuelo hasta 58.4 mph. [45] Figura 2.1.19

Figura 2.1.19 Drone Inspire serie [46]

 DJI FPV

Elegante y aerodinámico, el avión DJI FPV ofrece una potente propulsión, duración de la batería y resistencia al viento, lo que hace que este sistema sea tan capaz como visualmente impresionante. [47]. Figura 2.1.20

Figura 2.1.20 Drone DJI FPV [48]  Matrice Series El diseño del Matrice Series está inspirado en los avances recientes en aviónica. El diseño está dirigido a aplicaciones profesionales gracias a una combinación de funciones inteligentes, alto rendimiento y fiabilidad.

Matrice 100 es ideal para desarrollar soluciones en todos los sectores que utilizan sensores fotogramétricos, térmicos y multiespectrales por estas funcionabilidades se selecciona este drone para el desarrollo de este proyecto más de esto es la que está disponible en la facultad, pero también puede ser cualquier drone que cumpla con el peso solicitado. [49] Figura 2.1.21Figura 2.1.21

Figura 2.1.21 Drone Matrice serie 1 [50]

2.2. Módulos de control y procesamiento (Arduino, esp, Raspberry Pi). Los módulos de control y procesamiento son dispositivos electrónicos que se utilizan para gestionar y regular el funcionamiento de diferentes sistemas o componentes, tanto en el ámbito industrial como en el automotriz.

2.2.1 Tipos.

 Arduino Arduino es una plataforma de creación de electrónica de código abierto, la cual está basada en hardware y software libre, flexible y fácil de utilizar para los creadores y desarrolladores. [51] Según la figura Se trata de una placa impresa con todos los componentes necesarios para el funcionamiento del micro y su comunicación con una computadora a través de comunicación serial. Figura 2.2.1.1

Figura 2.2.1.1 Figura Arduino uno. [52]

 ESP32

La ESP32 es una placa de desarrollo de bajo costo y alto rendimiento que combina un microcontrolador de doble núcleo a 240 MHz con Wi-Fi y Bluetooth integrados. Esta combinación hace que la ESP32 sea una herramienta poderosa en electrónica y programación. [53] Como se muestra en la Figura 2.2.1.2

Figura 2.2.1.2 Esp32 [54]

 Raspberry Pi Es una mini computadora, un hardware completo que reside en una sola placa base y está conectado a una plataforma de programación. Fue lanzado por primera vez en 2012 para realizar proyectos e investigaciones de robótica a nivel amateur y profesional, de hecho, se considera como una alternativa al más conocido Arduino. [55] Figura 2.2.1.3

Figura 2.2.1.3 Raspberry Pi [56]

2.3 Módulos de comunicación

Los módulos de comunicación son componentes electrónicos o software que permiten la transferencia de datos, información o señales entre dispositivos, sistemas o personas. Existen muchos tipos de módulos de comunicación, cada uno diseñado para un propósito específico.

2.3.1

Tipos de módulos de comunicación  Módulo Bluetooth:

Es un módulo de conexión que puede funcionar como esclavo o maestro, escucha solicitudes de conexión y genera solicitudes de conexión, y tiene una conectividad corta. [57] Figura 2.3.1

Figura 2.3.1 Módulo Bluetooth. [58]

 Módulo WI-FI:

Los módulos Wi-Fi son dispositivos miniaturizados que permiten la comunicación inalámbrica entre dispositivos. Cuando se utilizan ondas de radio, garantizan la transmisión y recepción de señales. [59] Figura 2.3.2

Figura 2.3.2 Modulo WI-FI [60]

 Módulo Radiofrecuencia (RF):

Los módulos de RF de 433 MHz son muy populares debido a su bajo costo y facilidad de uso. Vienen en pares, transmisor (FS1000A) y receptor (XY-MK-5V), tipo simplex, es decir. Monocanales y unidireccionales, su velocidad de transmisión es baja, pero para aplicaciones básicas son muy útiles. [61] Figura 2.3.3

Figura 2.3.3 Modulo radiofrecuencia (RF) [62]

 Módulo LoRa (Long Range):

LoRa es la modulación utilizada por los dispositivos para lograr una cobertura de baja potencia y representa la capa física de la red que dicta las frecuencias operativas utilizadas para largo alcance y muy baja potencia. [63] Figura 2.3.4

Figura 2.3.4 Modulo LoRa (Long Range) [64]

2.4 Diseño asistido por computador (CAD)

La planificación CAD (diseño asistido por computadora) se utiliza en casi todas las industrias para proyectos tan diversos como diseño de paisajes, construcción de puentes, edificios de oficinas y animación cinematográfica. Los programas CAD 2D o 3D pueden realizar una variedad de tareas, como crear un modelo 3D a partir de un plano, aplicar materiales y efectos de iluminación y documentar el diseño con medidas y otras notas. Funciones como las nubes de puntos le permiten agregar contexto del mundo real a los dibujos para crear un duplicado digital o recrear objetos físicos en modelos. [65] Ayuda a los usuarios a crear diseños 2D o 3D para visualizar la construcción y permite el desarrollo, la modificación y la optimización del proceso de diseño Algunos de los softwares CAD profesionales más populares son:

2.4.1 Inventor

Autodesk Inventor es un software CAD basado en computadora desarrollado por Autodesk para modelado mecánico, simulación, visualización y documentación en 3D. Inventor permite la integración de datos 2D y 3D en un entorno, creando una representación virtual del producto final que permite a los usuarios confirmar la forma, el ajuste y la función del producto antes de construirlo. Autodesk Inventor incluye herramientas de modelado paramétrico, de edición directa y de forma libre y capacidades de traducción multi-CAD a partir de dibujos de computadora DWG (DraWinG) estándar. [66] Figura 2.4.1

Figura 2.4.1 Diseño mecánico con inventor pieza básica. [67]

2.4.2 CATIA

El software CATIA (Aplicación interactiva tridimensional asistida por computadora) es una solución multiplataforma completa para diseño, fabricación, ingeniería, 3D y PLM asistidos por computadora. El software comercializado por Dassault Systèmes es ideal para sólidos, superficies, ensamblajes, dibujos, fabricación y análisis. [68] Figura 2.4.2

Figura 2.4.2 Diseño de un motor de 4 cilindros en CATIA [69]

2.4.3 Fusion 360

Autodesk ha desarrollado otro software para aplicaciones de modelado 3D, como Fusion 360 o Tinkercad. Como sugiere el nombre, Fusion 360 pretende ser una solución completa que ofrece herramientas CAD, así como CAM (fabricación asistida por computadora) y CAE (diseño asistido por computadora). Para aplicaciones de fabricación aditiva, es más fácil utilizar software que AutoCAD porque está diseñado para facilitar el desarrollo de productos. [70] Figura 2.4.3

Figura 2.4.3 Diseño en Fusión 360 [71]

2.4.4 SolidWorks

Es un software de diseño CAD (diseño asistido por computadora) 3D para modelar piezas y ensamblajes 3D y planos 2D. Software que ofrece diversas soluciones para cubrir aspectos relacionados con el proceso de desarrollo de productos. Sus productos le permiten crear, diseñar, simular, producir, publicar y gestionar datos del proceso de diseño. [72] Figura 2.4.4

Figura 2.4.4 Diseño en SolidWorks. [73]

CAPITULO 3

3. DISEÑO DE UN SISTEMA DE SUJECIÓN DE BALONES PARA

INCENDIOS.

3.1. Antecedentes de los drones

Los drones, también conocidos como vehículos aéreos no tripulados (UAV) o sistemas de aeronaves pilotadas remotamente (RAPS), tienen una historia en varios campos, con razones militares, comerciales y civiles que impulsaron su desarrollo. Primera Guerra Mundial: Los drones comenzaron durante la Primera Guerra Mundial, cuando se desarrollaron en Estados Unidos drones radiocontrolados como el Kettering Bug.

La segunda Guerra Mundial: Durante la Segunda Guerra Mundial, los nazis utilizaron drones, especialmente el V-1, una bomba voladora autopropulsada que fue uno de los primeros ejemplos de vehículo aéreo no tripulado utilizado en combate.

Durante la Guerra Fría, se continuaron desarrollando drones para uso militar, y se crearon drones como el QH-50 DASH de la Marina de los EE. UU. Década de 1980: Los avances en la tecnología de vuelo por cable y la miniaturización de componentes electrónicos han contribuido al desarrollo de drones más pequeños y controlables.

Década de 1990: Se han realizado esfuerzos para adaptar la tecnología de drones militares a aplicaciones civiles como la agricultura y la vigilancia. Principios de la década de 2000: Empresas y agencias gubernamentales han comenzado a utilizar drones para vigilancia, mapeo, inspección de infraestructura y fotografía aérea.

Drones de consumo: Disponibles para el público en general, estos drones se utilizaron principalmente para fotografía aérea, videografía y entretenimiento.

3.2. Antecedentes internacionales

Hoy por hoy hay desarrollos enfocados en el diseño de sistemas de sujeción para ciertas aplicaciones, algunos investigadores se han inspirado en la naturaleza, especialmente en las aves rapaces, que tienen garras adaptadas para sujetar y capturar objetos. Un ejemplo de estos drones es SNAG y PD6B-AW-ARM  SNAG (Stereotyped Nature-inspired Aerial Grasper) Creado por ingenieros de la Universidad de Stanford. Este dron tiene cuatro hélices y dos patas con garras que se pueden mover de forma independiente. Las garras tienen resortes que le permiten ajustar la presión necesaria para aferrarse a las

ramas. Además, el dron tiene un acelerómetro que detecta cuando ha aterrizado y activa un algoritmo de equilibrio para estabilizarlo.

El SNAG se basa en la anatomía y el comportamiento del halcón peregrino, una de las aves más rápidas y hábiles para cazar presas en el aire. El dron puede posarse en diferentes tipos de ramas, incluso en condiciones hostiles, humedad o moho y además puede capturar objetos en pleno vuelo. Estas capacidades le dan al dron una mayor autonomía y versatilidad, ya que puede descansar y recargar su batería en cualquier lugar, así como realizar misiones de rescate o exploración. [74] ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.

Figura 3.2.1 SNAG [75]

 Dron industrial PD6B-AW-ARM

Drone creado por la empresa Aero Expo tiene una capacidad de agarrar y transportar objetos de diferentes formas utilizando los brazos; unir; cortar cables; girando la perilla; girar el interruptor; dejar caer una boya para recuperar materiales peligrosos. [76] Figura 3.2.2

Figura 3.2.2 Dron industrial PD6B-AW-ARM [77]

3.2.1. Características del balón de polvo seco

Para todo el proceso de diseño se tomaron en cuenta las dimensiones del balón de polvo seco que se va a utilizar y sus características, esto con el fin de si el Drone puede soportar el peso y si el diseño del sistema de sujeción fue el adecuado. A continuación, se mostrarán diferentes tipos de balones que existen en la industria. Este es un tipo de sistema de extinción de fuego que utiliza un polvo químico seco (Bicarbonato potásico) y se activa automáticamente al momento de estar en contacto con el fuego y también puede ser recargable. [78] Gracias a este tipo de extinción de fuego se pueden apagar incendios de diferente calibre en condiciones seguras. La condición que tiene este polvo seco permite tener protección frente a incendios de riesgos especiales. Este sistema de extinción puede agobiar fuegos de clase A, B, C, K Y D; ya sea en entornos industriales o en espacios abiertos. [79] Figura 3.2.3

Figura 3.2.3 Bola de polvo seco. [80]

1. Tipos de bolas de polvo seco

 Bicarbonato sódico: Es 2 veces más efectivo químicamente que la sal de sodio para el mismo valor de descarga kg/s teniendo la ventaja del más bajo potencial de ionización del potasio.

 Cloruro potásico: poseen un grado de corrosividad lo que genera una rápida limpieza después de su aplicación por lo que su uso está restringido en componentes electrónicos. Es usado es extinción de fuegos líquidos combustibles y gas de clase C.

 Fosfato monoamónico: son usados en formulaciones de agentes multipropósito (polvos triclase ABC) ya que su acción extintora es para fuegos de clase A, B, C. [81] Figura 3.2.4

Figura 3.2.4 Tipos y tamaños de los balones de polvo seco. [82]

Dimensiones y características del balón de polvo seco Tabla 3.2.1

MARCA

MODELO

TAMAÑO

(DIAMETRO)

PESO

(KILOGRAMO)

ELIDE FIRE TECIDEAS

152mm 1.3kg

ELIDE FIRE CUIDADO

AMOROSO

105mm

0.4 kg

ELIDE FIRE SALVA-VIDAS

105mm

0.4 kg

AFO

INCENDIOS

147mm

1.3 kg

TENYU

TECH

TY1200B-2 150mm

1.2 kg

Tabla 3.2.1 Dimensiones y características del balón de polvo seco

El balón de polvo seco que se tomó como referencia para realizar el diseño es el Elide Fire modelo salvavidas ya que es el más estándar a nivel industrial según la Tabla 3.2.1.

3.3. Diseño de Piezas

3.3.1. Sistema de Sujeción

Para el diseño del sistema de sujeción se tomaron las medidas adecuadas permitiendo así que estén se dividida en 7 partes, en la cual está conformado por: Dedos, motor nema 16, centro de adaptación, brazo de movimiento, base de la pinza.

 Base Principal Se inicia con el diseño de la base principal de la garra en donde esté sujeta a los 3 brazos de movimiento estos consisten en darle movilidad a los dedos en el eje horizontal y a la vez están sujetos los dedos; cada perforación tiene tornillos para la

sujeción del compuesto. Longitud total del contorno 640mm esto con el fin de darle mayor espacio al movimiento de los dedos. Su altura es de 56mm se le dio este rango para una mayor movilidad a la varilla que va acoplada al eje del motor. Figura

3.3.1 Base Principal [AUTORES]Figura 3.3.1

Figura 3.3.1 Base Principal [AUTORES]

 Brazos de Movimiento Para esta pieza se hace el diseño en forma de riel este que permita el movimiento en forma horizontal para mejor agarre de la bola de polvo seco. Sus medidas son longitud de 58mm x 20mm de ancho. se realizaron en base al tamaño de la pieza llamada centro. Figura 3.3.2

Figura 3.3.2 Brazos de Movimiento [AUTORES]

 Bases de los dedos.

Esta base permite el deslizamiento de los dedos ya sea para ampliar el rango de agarre de los dedos o minimizarla. Sus medidas son: longitud 46mm x 20mm ancho. Figura 3.3.3

Figura 3.3.3 Bases de los dedos. [AUTORES]  Dedos El diseño de los dedos se realizó tomando como guía el balón de polvo seco, esto con el fin de saber su mayor alcance de sujeción. altura 115mm x 46mm ancho El diseño interno de los dedos se realizó con el fin de reducir el peso de la garra, mejorar la eficiencia del agarre y también para permitir que se adapte a diferentes tamaños o formas de objetos. Figura 3.3.4

Figura 3.3.4 Dedos [AUTORES]

 Centro Motor Esta pieza se realizó pensando en el acople para el motor, este diseño con sus tres lados tiene la función de sujetar la base principal y es la que le da el movimiento a este. Sus medidas son: longitud total de 232mm x diámetro interno 10mm. Figura

3.3.5

Figura 3.3.5 Centro Motor [AUTORES]  Acople Motor Esta pieza se acopla a la varilla que va sujeta al motor esto con el fin de darle el movimiento a la pieza llamada centro. Diámetro exterior de 14mm. Distancia entre centro 25mm. Figura 3.3.6

Figura 3.3.6 Acople Motor [AUTORES]

 Varilla Roscada Esta varilla será el eje principal de la pieza ya que esta está sujeta al motor y por medio del movimiento de rotación se genera el movimiento del acople generando así el movimiento de todas las piezas juntas. Diámetro de 8mm x distancia de centros 50 mm. Figura 3.3.7

Figura 3.3.7 Varilla Roscada [AUTORES]

3.4. Diseño electrónico

Para el adecuado funcionamiento de un mecanismo este debe tener unos componentes electrónicos esto con el fin de que cada pieza o cada sección del dispositivo funcionen correctamente, a continuación, se mostrara el diseño realizado para el sistema de sujeción. Figura 3.4.1

Figura 3.4.1 Diseño electrónico. [AUTORES]

3.4.1. Componente del diseño electrónico.

 A4988: El A4988 es un controlador de motor micropaso completo con un traductor incorporado para facilitar su uso. [83]

Figura 3.4.2 A4988 [84]

 Motor Nema 16: Un motor NEMA es un motor eléctrico que cumple con los estándares de la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (NEMA). [85] Figura 3.4.3

Figura 3.4.3 Motor nema 16 [86]

CAPITULO 4

4. RESULTADOS

Para concluir los resultados obtenidos han sido satisfactorios y serán de gran importancia al momento de construir el sistema de sujeción para el balón de polvo seco.

Como primer resultado se tiene el obtenido al realizar el ensamble completo del sistema de sujeción para el balón de polvo seco (Figura 4.1); con todos los componentes descritos a lo largo del presente documento, este sistema de sujeción es de gran importancia ya que es el que sostiene el balón. Figura 4.1

Figura 4.1 Ensamble del sistema de sujeción. [AUTORES]

Un segundo resultado como se puede observar es aquel obtenido al ensamblar el balón de polvo seco al sistema de sujeción (Figura 4.2) este es el resultado final del diseño permitiendo ver que el diseño se realizó con las características adecuadas del balón. Este balón como se ha mencionado anteriormente es el que realizara la extinción del fuego. Figura 4.2

Figura 4.2 Ensamble del sistema de sujeción con el balón [AUTORES]

Electrónico.

En este proyecto, se utilizó un microcontrolador ESP32 para crear un sistema de control robusto de lazo cerrado. El ESP32 se conecta a un dispositivo LoRa es decir un módulo de comunicación inalámbrica que permite un amplio rango de intercambio de datos de aproximadamente 13 a 15 km, lo que significa que tiene una cobertura para todo el perímetro de la ciudad de Pereira; al adquirir los datos de comunicación que se reciben desde el dispositivo emisor, es decir el Drone, se activa el inversor de giro A4988 para controlar el motor paso a paso Nema 16, lo cual abre y cierra las pinzas de la garra. Figura 4.2.1

Figura 4.2.1 montaje electrónico. [AUTORES]

A continuacion se mostrará el código que realizado para el funcionamiento de los módulos y componentes electrónicos. Figura 4.2.2

CONCLUSIONES

 La propuesta presentada pretende introducir una solución innovadora y eficaz mediante el uso de drones equipados con bolas de fuego para combatir incendios estructurales.

 Esta solución aprovecha la movilidad, velocidad y precisión de los drones para lanzar bolas de fuego que generan una explosión controlada que extingue los incendios.

 Se puede concluir que el presente diseño desarrollado en el actual proyecto será una gran ayuda al cuerpo de bomberos para la extinción del fuego.

 Gracias a la investigación realizado por los investigadores obtuvieron una grata experiencia y enseñanza realizando el diseño mecánico en CAD (Inventor) del sistema de sujeción del balón de polvo seco y electrónico (Easy eda)

 El proceso de elaboración de este proyecto da como fin un aprendizaje significativo al proceso de formación como futuros tecnólogos en mecatrónica.

RECOMENDACIONES

Después de haber diseñado el sistema de sujeción para el balón de polvo seco se pueden indicar las siguientes recomendaciones.

 Se recomienda en la parte electrónica el uso adecuado del motor en este caso se podría utilizar un Motor DC ya que tiene una implementación del frenado dinámico y tiene una gran fuerza.

 Respecto al sistema de sujeción se realiza una sugerencia para el Drone el cual es realizarle un incremento de tamaño de sus patas para que no obstaculice el aterrizaje ya que el sistema de sujeción es alto.

 Se pueden utilizar Drones altos para que el sistema de sujeción no presente dificultades al Drone al momento de su aterrizaje.

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ANEXOS

Anexo 1. Plano de Nema 16 [87]

A4988

Anexo 2. A4988 [88]