mandos de vuelo para simulador de helicóptero resumen del

MANDOS DE VUELO PARA SIMULADOR DE HELICÓPTERO
Autor: Isasi Guerrero, Luis Javier.
Directores: Alexandres Fernández, Sadot. Muñoz Frías, Daniel.
Entidad Colaboradora: Simloc Research S. L.
RESUMEN DEL PROYECTO
El proyecto presentado a continuación trata sobre el diseño de unos mandos de vuelo
de tipo joystick basado en un microcontrolador de tipo PIC, respondiendo a las
características de vuelo de un helicóptero.
Introducción
El objetivo de estos mandos de vuelo es adaptar el hardware de un ordenador al vuelo
de una aeronave (en este caso un helicóptero). El ordenador correspondiente deberá
tener un software de simulación de vuelo.
El ámbito en el que se usan este tipo de mandos es en el de la aviación. La simulación
de vuelo introduce al usuario en un espacio de realidad virtual, y recrea artificialmente
el vuelo de la aeronave y el entorno en el que vuela, su uso se extiende al
entrenamiento de pilotos y al diseño de nuevas naves, además de a otras aplicaciones.
Además, la simulación de vuelo también tiene muchos usuarios en el mundo del ocio.
El estado de la cuestión de este proyecto resulta muy variado puesto que las
necesidades que los mandos de simulador cubren dependen del fin que se le vaya a
dar al simulador y de la inversión económica disponible. La mayoría de los mandos
de aviación desarrollados están diseñados para ser utilizados en el ámbito del ocio,
por lo que se suelen etiquetar como joysticks y mandos para juegos de ordenador o de
videoconsola. Estos mandos suelen ser los más económicos. En el otro extremo se
sitúan los mandos específicos de aeronaves, que son réplicas exactas de aeronaves
concretas con el objetivo de aumentar el realismo y servir al usuario como
entrenamiento de cara a pilotar la aeronave real.
Los simuladores surgieron para satisfacer estas necesidades de entrenamiento de los
pilotos. Además de por razones de seguridad obvias, otra de las ventajas que goza
volar en simulador es la económica, puesto que una hora de vuelo de una avioneta
convencional se sitúa alrededor de los 150€ mientras que una hora de vuelo de
simulación en Simloc Research de un Airbus A-320 cuesta entorno a los 80€. Estos
números traducidos a un helicóptero pasan a ser de 360€/h de vuelo real y 200€/h de
vuelo en simulación.
En el sector de la simulación de aviación existen dos empresas que destacan: Indra y
Bombardier. Concretamente para el EC-135 (el helicóptero para el que se diseña estos
mandos), La misma empresa creadora de la nave (Eurocopter) tiene un simulador
propio para entrenar a pilotos.
Además, son multitud de empresas pequeñas las que ofrecen estos servicios. Suele ser
muy común entre estas pequeñas empresas aquellas con carácter de asociación de
pilotos o academia de vuelo.
Hay empresas que se limitan a administrar el hardware del simulador, sin incluir el
software. En el ámbito de los mandos para el simulador, el líder es Saitek, puesto que
su mercado es el de los videojuegos y abarca gran parte de la oferta de joysticks. Pero
como la simulación está más extendida para aviones que para helicópteros la oferta
para estos últimos está más limitada, y no hay un líder claro en el mercado. Los
mandos de un helicóptero se componen de cíclico, colectivo y pedales.
Una palanca de colectivo cuesta entorno a los 400€, unos pedales de gama media-alta
600€ y un joystick de cíclico con forma de cuello de cisne para asemejarse a uno real
tiene un precio de 1000€.
En Junio de 2013 se presentó en la Fundación ONCE un proyecto de conducción de
automóvil mediante mandos joystick para personas con movilidad reducida. Dado que
el número de grados de libertad de un helicóptero es mayor que el de un automóvil, a
primera vista resulta que este último es más sencillo, pero los mandos están
completamente integrados en el vehículo y esto dificulta el proyecto.
En 2003, un profesor de la Universidad Politécnica de Cataluña, para potenciar la
inspiración de sus alumnos, tuvo la idea de reciclar el fuselaje C152 de un viejo avión
Cessna 150 que ya no estaba en condiciones de volar. Desde la adquisición,
profesores de la Escuela han ido construyendo un simulador de vuelo con el fuselaje,
y han sido ayudados por alumnos que han dedicado sus proyectos de fin de carrera a
esta idea, centrándose cada proyecto en una parte concreta del simulador.
El coste que supone adquirir unos mandos de avión para simulador han motivado a
muchos particulares a construirse un mando propio a partir de elementos básicos de
informática que no suponen un esfuerzo económico.
La motivación de este proyecto reside en Simloc Research. Esta empresa pequeña
ofrece un servicio de horas de vuelo en sus simuladores del Airbus A-320 y
McDonnell Douglas F-18, además de ofrecer la posibilidad de comprar uno de estos
simuladores. La rentabilidad en el negocio es muy alta puesto que su valor reside en la
mano de obra, no en el material, por esta razón Simloc Research descarta la compra
de los simuladores y decide crearlos caseros.
Lógicamente, la demanda de simulación de vuelo de helicópteros no está tan
extendida como la de aviones, pero aún así no se abastece suficientemente este
mercado. Por ello, Simloc Research ha decidido comenzar un proyecto para crear un
simulador de helicóptero. A la hora de elegir el modelo de helicóptero se eligió el
Eurocopter EC-135 por estar entre las naves civiles más comunes. Usuarios comunes
de estos helicópteros son los medios de comunicación y la Guardia Civil.
Metodología
El primer paso de este proyecto ha sido buscar información útil sobre métodos para
implementar las ideas a desarrollar. Para conseguir el funcionamiento de los mandos
primero se ha diseñado un circuito para el PIC18F2550 para que pueda comunicarse
vía USB. Una vez el ordenador reconoció el PIC como dispositivo USB cuando este
se enchufa, el siguiente paso es que el ordenador reconozca el tipo de dispositivo
USB. En este caso se programaró el PIC con un gestor de arranque y los descriptores
correspondientes para que fuera reconocido como un joystick. Después de conseguir
que el ordenador reconociera el joystick, se soldaron potenciómetros y botones al
circuito del PIC que se corresponden con los ejes y los botones del joystick. En el
siguiente paso se trabajaría con el simulador (Microsoft Flight Simulator en el caso de
hacer las pruebas en Simloc Research y Prepar3D en el caso de probar en ICAI), se
adecuarían los movimientos del joystick para que simulasen el comportamiento de
unos mandos reales de un helicóptero. Finalmente estaría el moldear con resina el
cuadro de mandos de un EC-135 para dar realismo al sistema.
Resultados
El objetivo de que el microcontrolador sea reconocido como joystick por el ordenador
ha sido el último logro del proyecto. Se ha tenido una serie de problemas con el
oscilador correspondiente debido a causas desconocidas y no se han podido resolver
estos problemas. Por ello, se ha optado por utilizar un generador de ondas externo
para suplir al oscilador y poder continuar con el proyecto, aunque aun así no se hayan
llegado a los objetivos propuestos.
Las últimas pruebas de funcionamiento de los botones no han dado resultado positivo.
Conclusiones
Los objetivos principales de este proyecto no han sido terminados debido a problemas
de tiempo y problemas del oscilador. El joystick con el oscilador externo funciona,
pero los botones no se han conseguido programar. Se ha intentado solucionar el
problema del oscilador de varias maneras antes de optar por un oscilador externo
puesto que esto se consideraba un último recurso.
El planteamiento final del proyecto ha sido completamente distinto al planteamiento
propuesto por la entidad colaboradora debido a la falta de claridad de la proposición.
Distintos lenguajes de programación, compiladores, y entornos integrados de
desarrollo han hecho que la forma de trabajar propuesta haya sido difícil de
implementar.
El siguiente paso lógico en el proyecto sería conseguir que al pulsar un botón del
joystick el ordenador lo reconociera.
El software de demostración de joystick que se ha tomado como modelo no incluye ni
un desglose de los contenidos ni ningún detalle de hasta qué punto incluye el propio
software de demostración, esto ha repercutido a la hora de saber si falta código por
escribir para que funcionen los botones y cuánto código falta.
CONTROLS FOR HELICOPTER FLIGHT SIMULATOR
Author: Isasi Guerrero, Luis Javier.
Directors: Alexandres Fernández, Sadot. Muñoz Frías, Daniel.
Collaborating Institution: Simloc Research S. L.
PROJECT ABSTRACT
The project presented here is focused in the design of a joystick type flight control
based on a PIC microcontroller, responding to the characteristics of a helicopter flight.
Introduction
The goal of these flight controls is to adapt the hardware of a computer to the flight of
an aircraft (in this case a helicopter). The computer must have an appropriate flight
simulation software.
The field in which this type of controls is used is in aviation. Flight simulation
immerses the user into a virtual reality and artificially recreates the flight of the
aircraft and the flying environment. Its use is extended to pilot training and new
aircraft designing, among other applications. In addition, flight simulation also has
many users in the entertainment world.
The state of the art of this project is very diverse as the needs that the simulator
controls satisfy depend on the purpose of the simulator and on the economic
investment available. Most of aviation controls developed are designed to be used in
an entertainment context, so they are usually labeled as joysticks or videogame
controllers for computer games and consoles. These controls are usually the cheapest.
On the other hand there are specific aircraft controls, which are exact replicas of
specific aircrafts. This is due to the goal of increasing realism and to help the user
adapt himself to the real aircraft during his training with the simulator.
Simulators arose trying to meet the needs of pilots training. Apart from obvious
security reasons, another advantage of flying with a simulator is that it is usually less
expensive, since a one-hour flight in a conventional aircraft costs more or less 150 €
while an hour’s flight simulation of Simloc’s Airbus A-320 costs around 80 €. These
numbers translated to helicopters become 360 € per hour in a real fight and 200 € in a
simulated flight.
There are two companies that stand out in the aviation simulation field: Indra and
Bombardier. Specifically for the EC-135 (the helicopter for which these controls are
designed), the same creators of the aircraft (Eurcopter) use its own simulator to train
pilots. There are also many small companies that offer these services. It is very
common among these small enterprises those with a nature of pilots association
or/and flight school.
Some companies merely manage the simulator hardware, not including the software.
The leader in simulator controls is Saitek, since videogames is their market and they
are the main joystick manufacturer. Because simulation is more extended to airplanes
than to helicopters, the variety for the last ones is more limited and there is no clear
leader in the market. Helicopter controls have three separate inputs: the cyclic stick,
the collective lever and the anti-torque pedals. A collective lever costs around 400 €,
the pedals may cost 600 €, more or less, and the cyclic joystick may cost 1000 € if it
is similar to a real one.
In June 2013 a project of car driving via joystick controls for disabled people was
presented in the ONCE Foundation. Since the number of freedom degrees in a
helicopter is bigger than in a car, at a first glance it appears that a car should be easier
to design, but in this project the joysticks are fully integrated in the car and that is a
clear engineering handicap.
In 2003 a professor from the Polytechnic University of Catalonia had the idea of
recycling a C152 fuselage from an old Cessna 150 that was no longer able to fly to
enhance the inspiration of his students. Since the acquisition, professors have been
building a flight simulator with the fuselage and they have had the help of the
students, which have dedicated their final year project to this idea, each project
focusing on a specific part of the simulator.
The cost of buying flight simulator controls have motivated many private individuals
to build up their own controls from basic computer components that do not involve
such financial efforts.
The motivation of this project lies on Simloc Research. This small company offers a
flight simulation service in both Airbus’s A-320 and McDonnell Douglas’s F-18.
These flight simulators are also on sale. The revenues of the business is quite high
because its value does not rely on the material but on the workmanship, therefore
Simloc Research rejected the idea of buying simulators and started to build their own
homemade ones.
Naturally, the demand for helicopter simulation is not as widespread as airplane
simulation, but even in this situation there are not enough helicopter simulators to
cover the market. This is why Simloc Research has decided to start a project to create
a helicopter simulator. When choosing the helicopter model, the Eurocopter EC-135
was chosen because it is among the most common civilian crafts. Common users of
this helicopter are the media and police of several countries.
Methodology
The first step on this project has been to find useful information about methods to
deploy the ideas to develop. The first thing was to design an electronic circuit for the
PIC18F2550 so it could communicate via USB. Once the computer recognized the
PIC as a USB device when it is plugged in, the next type was to make the computer
recognize the type of USB device. In this case, with the bootloader and the descriptors
the PIC was programed to be recognized as a joystick. After getting the computer to
recognize the joystick, potentiometers and buttons that correspond to the axes of the
joystick are welded to the PICs circuit. The next step would imply working with the
simulator (Microsoft Flight Simulator if testing the controls in Simloc Research and
Prepar3D in case the tests were to be at University). The potentiometers would be
calibrated so the movements of the helicopter in the simulator are as they should be.
Finally, the dashboard of the EC-135 would be molded with resin to give more
realism to the system.
Results
The target of the PIC being recognized by the computer as a joystick has been the last
achievement of the project. There have been a series of problems related to the
oscillator due to unknown causes and the problems have not been solved. That is the
reason of the decision of using an external wave generator to replace the original
oscillator and to be able to continue the project. But still, the targets in the timeline
have not been able to be met.
Conclusions
The main objectives of this project have not been completed due to time constraints
and problems with the oscillator. The joystick works with an external oscillator but
the buttons do not respond. The problem with the oscillator has not been solved even
though it was approached in several ways. Because it was considered the last choice,
after several attempts with the internal oscillator the external one was installed.
The final approach to the project was completely different to the one proposed by the
collaborating institution due to the lack of clearness of their proposition. Different
programming languages, compilers and integrated development environments have
made the way to work difficult and compatibility an issue. The next logical step in the
project would be to manage the computer to recognize the button when it is pressed.
The joystick demo software that has been taken as a model does not have any index of
what it includes or any detail of what the demo software’s limits are. This has been an
issue at the moment of finding out if more source code was necessary.