sábado, 26 de diciembre de 2015

Todo lo que necesitas saber sobre drones



En esta entrada comentaremos todo lo necesario para conocer, fabricar o comprar un dron.


Detallaremos paso a paso cada parte que forman los drones más extendidos, los Cuadricópteros (quadcopter), aunque también existen diferentes desarrollos de los UAV(Unmanned Aircraft Vehicle) o vehículos no tripulados.




El primer paso es decidir el objetivo, algunos usuarios quieren llevar cargas como cámaras o escáner 3D otros realizar acrobacias o carreras. Por ejemplo, un dron acrobático no funciona bien para llevar carga útil pesada, y viceversa. 

 

La distancia recorrida depende del número de motores y la potencia de la batería, aunque también influye la forma de la aeronave. En algunas aplicaciones, se necesitan recorrer largas distancias, para este fin la mejor opción es utilizar aeroplanos, que tienen mayor tiempo de vuelo al necesitar menos cantidad de motores (1 o 2 motores) y alcanzan mayor velocidad.

Para mantener la estabilidad del dron, los motores deben giran unos en un sentido y otros al opuesto, ademas de mantener la dirección.



A continuación, explicaremos las partes que forman un dron.



1.-Controlador central:
La función básica es el mantener el Dron en vuelo estable.

Para aquellos que elijan sistemas basados en tecnología libre (open source), la plataforma Arduino ha creado Arduipilot, formando una unidad de navegación inercial.

ArduPilot está formado por los siguientes componentes:

-Placa Base ArduPilot Mega (APM): Permite el control de todo tipo de UAVs. Está basado en el microcontrolador ATmega2560 e incorpora el software necesario para usarlo sin necesidad de programarlo, pero al ser de código abierto deja la puerta abierta a modificaciones del código y utilizarlo para cualquier otra función, por este motivo nos centraremos en este tipo de tecnología, que es compatible con la gran cantidad de componentes y accesorios del mercado.

 

-Placa de expansión (shield) ArduPilot Mega IMU(Inertial Motion Unit): esta unidad contiene los sensores necesarios para la estabilidad de un UAV(), además de conexiones disponibles para añadir nuevos sensores.

Se conecta sobre la placa base de APM, y permite ampliar sus conexiones además de traer integrados diferentes sensores.
Sus principales propiedades son:
·         Relé de cámara, luces o cargas.
·         ADC de 12 bits: Para mejor resolución del giroscopio/Acelerómetro y sensor de viento.
·         Puerto de entrada I2C: Permite construir matrices de sensores.
·         Puertos analógicos de expansión de 10 bits.
·         Botón de reinicio.
·         Relación de Sensores dentro del IMU.
o   Giroscopio XY(InventSense IDG 500)
o   Giroscopio Z (Invense ISZ 500)
o   Acelerómetro de 3 ejes (ADXL335)
o   Sensor de presión absoluta (Bosch BS P085)
o   GPS (Mediatek MT3329):Proporciona posición a una frecuencia máxima de 5Hz.

 


Acelerómetro 3 ejes: Este sensor mide la aceleración estática (en el eje vertical, como la gravedad) y la aceleración dinámica (en el eje horizontal, en un plano XY).
Giroscopio: Este sensor mide los ángulos de ubicación del dron en el aire.
Normalmente, el giroscopio viene incorporado en la misma unidad que el acelerómetro de 3 ejes, de esta manera, el acelerómetro calcula la posición y el giroscopio el ángulo en el que se encuentra.
 Módulo de acelerómetro + giroscopio

Magnetómetro: Este sensor mide la fuerza y la dirección de un campo magnético. En los UAV (tanto aéreos, terrestres o marítimos), se utilizan para poder orientar el aparato respecto a los puntos cardinales (tomando como referencia el polo Norte) a modo de brújula digital.



Módulo GPS: Sistema de navegación y localización mediante satélite.

 



2.-Fuselaje o Marco:
A continuación, tendremos que seleccionar un marco, este necesita ser lo suficientemente fuerte como para soportar las fuerzas opuestas de los motores sin flexionar y hacer frente a los aterrizajes forzosos sin romperse. Al mismo tiempo, también debe ser lo suficientemente ligero que sus motores pueden fácilmente levantarlo, y lo ideal sería tener un pequeño perfil aerodinámico para evitar ser demasiado afectado por el viento. Los marcos deben ser capaces de amortiguar las vibraciones y eventualmente contar con soportes para colocar una cámara u otro equipo.

Los cuadros de carbono probablemente serán los más ligeros. La madera de balsa también es otra opción pero más económica.

3.-Motores:
La elección del motor adecuado es importante para un buen rendimiento en cualquier Dron.

Para comenzar el proceso de selección básico, necesitamos calcular cuánta fuerza será necesaria para mantener el dron en vuelo. La regla básica es que los motores deben ser capaces de producir dos veces el peso total de vuelo del dron en el empuje.

La ecuación es: 

Empuje requerido por motor = (peso de la aeronave x 2) / 4 motores

Para una aeronave de 4 motores (QuadCopter), cada motor debe ser capaz de producir un medio del peso.

Para estimar el peso total de la aeronave, podemos partir de la siguiente referencia:

> Suponer que cada motor y su hélice pesa 100 gramos, un total de 400 gramos para 4 motores.

> El peso de la estructura, alrededor de 450-500 gramos.

> Añadir 300 gramos de la batería.

> Añadir 100 gramos para 4 de “ESC” (controladores de velocidad)+ cables + enchufes + el receptor de radio.

> Si añadimos una carga útil, como por ejemplo una cámara o un sensor, añadiremos su peso al total calculado.


Para grandes multi-rotores o aeronaves que lleven cargas útiles, grandes hélices y motores de baja kv  que trabajan mejor. Estos tienen más impulso de rotación, y mantendrán más fácilmente la estabilidad del Dron.

Para la elección del motor, debemos conocer las siguientes características:
- Peso - 100 gramos o menos
- Voltaje - 3 celdas (11.1V)
- Velocidad del Motor (kV): Según las necesidades, mientras más lento,   más estable.
- Datos Thrust: Capacidad de empuje calculada.
- Tamaño: Los motores más comunes van desde 21 a 30mm

La elección del motor vendrá determinado por el objetivo que queremos conseguir, según si necesitamos estabilidad, o gran potencia.
 

Para la elección del motor, podemos identificar algunas características mediante su código de identificación.
Ejemplo: motor 2814-11 710kV
28 es el diámetro de Ancho (28 mm)
14 es el largo o la altura del motor (14 mm)
11 son las vueltas de alambre que tiene por diente. (11 vueltas) o bien los “Slot” que tienen según el fabricante.
710KV son las rpm (revoluciones por minuto) que ofrece el motor por Voltio. (Porcentaje de Velocidad sin carga).

Notas:
El Kv es entonces definido por el número de espiras y el diámetro del hilo de cobre utilizado para el bobinado. Dos motores de dimensiones idénticas pueden poseer unos Kv diferentes a consecuencia del distinto número de espiras que componen sus bobinas.
Elección del Kv
Altos Kv: no es necesario alimentarlos con tensiones elevadas, no obstante el consumo de corriente es elevado, lo que afecta al rendimiento del controlador y de las baterías. La baja inductancia de las bobinas da una impresión de aceleración violenta, el motor es muestra más vivo.
Bajos Kv: usan una corriente más baja, lo que no repercute en el controlador y en las baterías. El rendimiento del motor es mayor, el motor se muestra menos vivo ante aceleraciones. No obstante, se necesita alimentarlo con una tensión mayor.
Es esta última configuración la que nos permitirá obtener un rendimiento más alto.



4.-Controlador de velocidad:
Una vez que hayas elegido el motor, también es necesario seleccionar el controlador de velocidad o “ESC” (Electronic Speed Control).

Los ESC se clasifican principalmente para la cantidad de corriente que puede suministrar constantemente al motor. Algunos también pueden tener una calificación de "Burst Current. Para obtener el ESC correcto, primero determina el consumo de corriente máximo de las especificaciones del motor elegido, añadir un margen de seguridad del 10%, y buscar los ESC clasificados a por lo menos esta cantidad de corriente. También tendrá que comprobar que su ESC elegido está clasificado para el número correcto de células de la batería (generalmente 3 células o 11.V) y asegurarse de que no es demasiado pesado.

Casi cualquier ESC trabajará en su Dron, pero algunos funcionan mejor que otros. Algunos de los ESC de mayor calidad son de una "frecuencia de actualización" más rápida ( el número de veces (por segundo) a la que se comprueban nuevas instrucciones de la tarjeta de control y ajustar la velocidad del motor en consecuencia). Un ritmo más rápido de actualización significa un mayor control, una respuesta más rápida a la entrada piloto y mayor estabilidad.

Considera que se necesitan 4 ESC idénticos para tu Dron. Es posible volar un quadcopter con 4 ESC diferentes, pero será más errático y mucho más difícil de controlar.

También puede considerar la posibilidad de comprar una tarjeta de programación para sus ESC. Esta herramienta pequeña, de bajo costo te permitirá de forma rápida y fácil reprogramar los ESC que se comporten de manera incorrecta. No es obligatorio, se puede programar manualmente los ESC.


5.-Hélices:
El problema principal es encontrar las hélices que están disponibles en ambos sentidos de giro, los QuadCopter tienen la mitad de los motores que giran en sentido de las agujas del reloj (CW), y la otra mitad que giran en sentido anti-horario (CCW), esto se hace para lograr un equilibrio estable del Dron.
 Podrás encontrar que la vida de la batería se puede ampliar hasta en un 15% simplemente por la búsqueda de la perfecta combinación de diámetro y paso de una hélice. 
 


También se utilizan hélices de 3 palas. Las principales razones para esto pueden ser el aumento "de tracción", debido a la mayor superficie de las hojas, el equilibrio mejora porque las cuchillas están repartidas alrededor del marco a 120 grados en lugar de 180, y la longitud de la hoja reducida (con un empuje equivalente) permite el paso del Dron por áreas de acceso reducido. En teoría, las hélices de 3 palas crean más fricción y son menos eficientes que las de 2 palas.


6.-Batería:


Al elegir una batería, las dos cosas principales que son de interés son la capacidad y peso.

Ten en cuenta que 4 motores que funcionan al mismo tiempo pueden consumir una gran cantidad de corriente. Asegúrate de que la calificación de la batería C sea suficiente para soportar 4 x la corriente máxima del ESC elegido.


El conjunto completo se debe colocar en la parte central para estabilizar el peso.

El diagrama de conexión básico puede ser el siguiente:


Una vez tenemos nuestra aeronave terminada o bien entendidos todos los funcionamientos básicos podemos practicar sin causar daños materiales mediante un simulador, que comprueba si nuestro código y configuración son los correctos.


Una vez sabemos todas las partes que forman un dron, podemos pasar a manejarlo mediante sistemas de Radio Control(RC) de forma manual o también mediante vuelos programados:



Esta capacidad de maniobra y de control nos permite llegar a sitios antes imposibles de imaginar, tomas imágenes y medidas de dificil acceso y realizar tareas repetitivas y de supervisión...



 Para terminar, os dejamos un enlace a nuestra sección de Curiosidades donde tenemos notcias de los últimos drones, apariencias, nuevas capacidades y aplicaciones.



25 comentarios:

  1. Excelentes las notas, me servirán de base para iniciar mi proyecto

    ResponderEliminar
  2. buenas por favor me puede ayudar?... tengo un drone DX-4 Sharper Image, lo que sucede es que el drone tiene 3 helices que paran de girar. En el momento que lo inicio con el control remoto no se detiene y no se que será si es el control o el drone "la tarjeta" será algo facil de resolver. (Usando el control recibe señal de derecha o izquierda, solo que no lo puedo detener) Gracias

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Hola, hace poco una persona nos vino con un problema similar: su drone al iniciar el vuelo algunas hélices giraban mas que otras, y en algunas maniobras, no se detenia correctamente. El problema estaba que al sufrir el drone un golpe, el giroscopio de la tarjeta de control se habia desplazado, dando órdenes erroneas sobre estabilidad y posición.
      EL modelo de tu aparato lo desconocemos, pero el funcionamiento es similar en todos. COmprueba el estado de tu giroscopio, que este bien fijo a la estructura. Comprueba de forma manual girando tu mismo con la mano el dron y fijate las hélices que usa y detiene según el angulo de inclinación.

      Eliminar
  3. Hola muy bueno el post, cuando tenga más experiencia me gustaría montar uno por mi mismo, yo he adquirido un path finder cx20 no hace mucho, aún no le he puesto ningún accesorio, quiero cambiarle los motores para que soporte más peso, quisiera que llevara más o menos un kilo extra, el drone pesa 1,200kg aproximadamente con la bateria, me pregunto si me podrias recomendar algún motor por la web para ésto, se qu tiene que llevar pocos kv pero la verdad que no entiendo mucho y me lío un poco, gracias y un saludo.

    ResponderEliminar
  4. Hola Francis,

    Como bien comentas, lo que puedes buscar son motores de bajo Kv, estos motores sólo necesitan de mayor voltaje para alimentarlos, pero al bajar la corriente, no necesitas cambiar otras partes del dron como los ESC. El dron con este tipo de motores, se aprecia una respuesta de maniobra más lenta, pero son más eficientes y para llevar cargas como una cámara no necesitas respuestas rápidas y movimientos bruscos.

    Los kv son las rpm que alcanza el motor en vacio por cada voltio, uno de 1000kv a 11v serian 11000 rpm en vacío aunque con helice gira mas despacio.

    Por tanto, manteniendo la misma potencia, obtienes más torque (fuerza en el giro) a menos kv.

    En la web, existen muchos proveedores sobre artículos para drones, ten en cuenta a la hora de cambiar tus motores los siguientes aspectos:

    -Conexión de los motores compatibles para evitar tener que hacer soldaduras.
    -Que el peso del motor y las dimensiones sean los más parecidas a los motores de fábrica. Un aumento de peso en los motores, puede suponer un cambio del tipo de batería en el dron.
    -Si colocas una carga extra, busca información del fabricante del dron para localizar el punto medio de gravedad del aparato para no causar sobreesfuerzos en su funcionamiento. También de forma manual se puede estimar cogiendo el dron por diferentes zonas hasta encontrar el equilibrio sin balanceos.

    Esperamos que esta información sea de utilidad.


    Un saludo,
    Ingenio Triana.

    ResponderEliminar
  5. Este comentario ha sido eliminado por el autor.

    ResponderEliminar
  6. Hola, quiero y necesito implementar uno, que sea de los menos costosos, es para un trabajo en la universidad; sin una tarea en específico, básicamente que vuele y que controlemos el vuelo (izquierda, derecha, avanzar, retroceder). Ustedes me pueden ayudar?

    ResponderEliminar
  7. Hola Juan Carlos, comentanos más detalladamente que ayuda necesitas y que esperas conseguir de tu proyecto.

    Esperamos tu respuesta.

    Un saludo,
    Ingenio Triana.

    ResponderEliminar
  8. Hola me podrían ayudar con una duda como calculo el empuje del motor ya seleccionando la hélice porq aveces no se consigue ese dato del fabricante y como determino el tiempo de vuelo de un drone (que parámetros debo saber) si lo puedes explicar con datos reales de algún drone seria de mucha ayuda

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Hola, parasaberel empuje de tus motores, la 1ª opción es siempre ver laficha técnica del fabricante. Normalmente el empuje viene determinado como "thrust" y se mide en gramos.
      La 2ª opción, es pesar tu dron completo. Por lo general,los drones tienen un empuje del doble del peso del dron para asegurar un buen rendimiento. Si colocas un peso unido a tu dron que sea aproximandamente el peso del dron, verás que llegado a un determinado peso no consigues que despegue bien. En ese momento, suma el peso total del dron y la carga que le añadiste, la divides entre los motores que tengas (4, 6, 8 ...) y tienes el empuje aproximado.

      Ejemplo: 1 dron de peso 900g. Le añades 900g y pruebas a despegar con mucho cuidado. Si levanta el vuelo sin problema, añade mas peso, por ejemplo 200g más y vuelve a probar. Ahora despega pero lo hace muy lentamente y con dificultad.
      Has encontrado un valor cercano al máximo.
      Pesa el conjunto total Dron(900g) + Carga (1.100g)=2000g / 4 motores =500g de empuje por cada motor.

      En esta web, además tienes un calculador de parámetros muy completo:
      http://www.xdrones.es/multicopter-calculator/

      El tiempo de vuelo, se aproxima si tienes los amperios hora que suminstra tu batería, y el consumo de la electrónica completa o al menos los motores que es la parte esencial.

      No obstante, este dato varía ya que las condiciones de vuelo no son siempre las mismas.

      El mejor método de aproximación para este tipo de cálculos, es mediante ensayo-error. Una prueba de vuelo con la batería cargada al 100% y mantener la aeronave en vuelo constante hasta agotar la batería dará una idea aproximada. Luego, las pruebas se realizan en vuelo con maniobras y tendras entre los dos datos un promedio muy aproximado.

      De todas formas, aqui tambien te dejo un archivo para calcular o aproximar bien tus parámetros:

      https://www.rcgroups.com/forums/thumbgallery.php?t=1191623&do=threadgallery&type=files&group=none&starter=no

      Esperamos que esta información te sea de utilidad.

      Un saludo,
      Ingenio Triana.

      Eliminar
    2. Estimados Muchas gracias por su respuesta a sido de gran ayuda mas adelante les conversare sobre mi selección de elementos para un dron que deseo armarme

      Eliminar
  9. Buenisimooo, saludos desde Argentina, voy a ver si puedo realizar un par, tengo unos problemitas de seguridad en la univ. donde trabajo (UNAJ)

    ResponderEliminar
  10. Estimados utilizando una pagina que ustedes me proporcionaron pude sacar los siguientes datos de 8 motores de 660kv hélices 1555 de fibra de carbono, una tarjeta DJI A2, 2 baterías de 8000 mAh es para levanta hasta 10 kg incluido el peso del drone, me gustaría saber si estos valores me sirven para el drone que pienso en armarme, me gustaría que me dieran una opinión sobre estos valores

    ResponderEliminar
  11. hola!, buenas soy de Ecuador y deseo y debo fabricar un dron. Soy estudiante de Electricidad entiendo el sistema de las baterías, pero no totalmenete el arduino y los componentes del dron. Intentare hacer un dron para proyecto de mi semestre, incluso veo tutoriales de como los hacen. Deseo solicitarle su asesoramiento ya que usted Ingenio Triana, demuestra ser una persona muy entendida en la materia.. me disculpo por solicitarle esto ya que ciertamente soy una persona desconocida. o si me permite comunicarme con usted o alguien que podría ayudarme, por medio de otra plataforma (what ap o facebook) .
    Att: Ruben Zuñiga Castro

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Hola Ruben, para cualquier consulta, puedes utilizar esta misma plataforma del blog para realizar preguntas o bien nuestro correo electronico ingeniotriana@gmail.com

      Un saludo y esperamos tus noticias.

      Eliminar
  12. Bnos dias le hablo desde colombia tengo mi dron um bayengtoins x 16 con control de altura sufrio un golpe muy duto choco contra un arbol al caer al suelo siguio funcionando un solo motor pero no apago con las mandos me toco desconectarle la bateria mi pregunta donde puedo conseguir o si esa targeta se puede reparar creo se quemaron tres transistores y aun asi no se si el motor sufrio algun daño ps le doy corriente y sigue como em corto. Gracias

    ResponderEliminar
  13. Buenos dias !! Quisiera hacerles una consulta porfavor ,hace poco empeze con los drones y e adquirido uno baratito con gps para empezar , os cuento el dron es un bayangtoys x16 y abeces cuando me hace el solo el autoretum cuando empieza el descenso lo hace muy brusco llegando al suelo a toda pastilla en seco , lo e destapado y me encontre je havian puesto la antena del dron justo debajo del giroscopio y viendo varios videos ninguno viene asi , todos tienen la antenita bien estirada hacia una de las patas traseras . Mi pregunta es , puede que me estuviera haciendo interferencias ?? Por lo poco que se y e visto no me cuadra y menos al no estar aisladas los dos componentes con alguna mantaa anti interferencias. Muchas gracias y un saludo.

    ResponderEliminar
  14. Buenos dias !! Quisiera hacerles una consulta porfavor ,hace poco empeze con los drones y e adquirido uno baratito con gps para empezar , os cuento el dron es un bayangtoys x16 y abeces cuando me hace el solo el autoretum cuando empieza el descenso lo hace muy brusco llegando al suelo a toda pastilla en seco , lo e destapado y me encontre je havian puesto la antena del dron justo debajo del giroscopio y viendo varios videos ninguno viene asi , todos tienen la antenita bien estirada hacia una de las patas traseras . Mi pregunta es , puede que me estuviera haciendo interferencias ?? Por lo poco que se y e visto no me cuadra y menos al no estar aisladas los dos componentes con alguna mantaa anti interferencias. Muchas gracias y un saludo.

    ResponderEliminar
  15. Más que excelente información el post me ha resultado de gran utilidad, les comento que De forma reciente adquirí una de estas excelentes máquinas y Me topé con uno de los mejores sitios especialista en venta de drones debido a que te agregan una capacitación con 0 costo al comprarlo les dejo el enlace por si algún lector decide que quiere enfocarse en el mundo de los drones: https://omegadrone.com.mx/ El drone que a mi más me agradó es el Phantom 4 Pro. les dejo un clip de video que se exponen sus características y bondades: https://www.youtube.com/watch?v=TWZSP6-oV6k

    ResponderEliminar
  16. Saben si se puede realizar algo así con la Lion 2? Me gustaria que me ayudaran, me va muy bien con ella pero sería excelente ampliarla

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Si, con la Lion 2 y cualquier otra impresora 3D puedes imprimir el chasis de drones.Entre los materiales mejor adaptados para el uso de drones son aquellos con carbono, que aligeran mucho el peso del chasis sin perder propiedades mecánicas, pero una alternativa mucho más económica es utilizar filamento ASA, similar al ABS pero soporta mejor las condiciones exteriores como los rayos UV del sol.


      Un saludo,
      Ingenio Triana.

      Eliminar
  17. Hola me llamo Ángel, hace unos días compré un drone Xiaomi 4K, ayer mirando configuraciones de la APP, en Settings se encuentra IMU, por ni ignorancia le dí Check IMU.
    Hay algún problema al chequearlo, debo de hacer algo, me perjudica en algo, tengo entendido que se debe de hacer en la calle y la base bien nivelada.
    Gracias

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Hola Ángel,

      no, no pasa nada. Puedes hacerlo siempre que quieras, pero hay que hacerlo sobre una plataforma nivelada o cogerá una referencia incorrecta de la gravedad. Y ahí si que puedes liarla parda...

      :)

      Eliminar
  18. Excelente informacion, pero creo que si yo armo mi propio dron, no durara 5 minutos en el aire jajaja. No es mejor comprar uno listo para volar? aca pueden encontrar uno bastante economico y ahorrarse algunas monedas! https://3btop.com/?s=drones

    ResponderEliminar