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.