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.
