Objetivo
La construcción de un drone de cuatro motores (Quadcopter) con componentes básicos para mantener de costo bajo posible.
Métodos
El primer paso en la
construcción de tu Drone QuadCopter es el decidir que uso se le dara. Algunas
personas sólo requieren pasear, algunos quieren llevar cámaras u otras cargas
útiles, o hacer acrobacias aéreas, incluso algo más complejo como un Drone
tele dirigido automatizado, es muy importante tener claro el objetivo, por
ejemplo: un Drone acrobático no funciona bien para llevar carga útil pesada, y
viceversa. Así que hay que tomar esta decisión antes que nada porque cada componente
se escoge en base a ello, a continuación los componentes para un Drone
QuadCopter básico:
Controlador central:
Es el "cerebro" de
tu Drone, su costo va desde $30 hasta unos cientos de dólares. La función básica
es el mantener el Drone en vuelo estable independientemente de la habilidad del
piloto, como se trata de tu primer Drone, voy a recomendar el controlador KK 2.0,
es relativamente económico, versátil y fácil de configurar gracias a su
pantalla LCD con guías sencillas.
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.
Si usted quiere que su Drone
sea ágil y acrobático, busque o construya un cuadro ligero (alrededor de 350
gramos, o menos si es posible) con una diagonal de motor a motor de 400-500mm.
Los cuadros de carbono probablemente serán mejores.
Para aquellos que deseen
llevar una pequeña cámara de video, la estabilidad y espacio para una carga
útil es lo más importante, en este caso busque un buen marco fuerte con una
diagonal de motor a motor de 450-700mm. Es posible que desee considerar
diferentes configuraciones de forma, tales como H-quads o V-colas, con el fin
de tener los motores fuera del alcance del video.
La elección del motor
adecuado es importante para un buen rendimiento en cualquier Drone, pero es
especialmente crítico en un QuadCopter, donde su Drone está literalmente
colgando en el aire, suspendido en virtud de los rotores. Con el gran número de
motores disponibles, y la gama de diferentes tamaños, velocidades y
especificaciones para cada motor, la elección de motores adecuados puede ser
una tarea desalentadora.
Para comenzar el proceso de
selección básico, necesitamos calcular cuánto empuje será necesario para
mantener la nave en el aire. La regla básica con multi-rotores es que sus
motores deben ser capaces de producir dos veces el peso total de vuelo de la
nave en el empuje. Este "margen de seguridad" se asegura de que sus
motores serán capaces de responder rápidamente a sus entradas de control, o
detener un decesenso vertical rápido, incluso cuando el voltaje de la batería se
reduce con el tiempo.
Por lo tanto, la ecuación es
como sigue:
Empuje requerido por motor = (peso de la aeronave x 2) / 4
motores
Así que para una embarcación
de 4 motores (QuadCopter), cada motor debe ser capaz de producir un medio de
peso de la aeronave en el empuje.
No hay duda de que ya está
viendo el problema con esta ecuación - que en realidad no sabe lo que su Drone
pesará todavía! Afortunadamente podemos hacer algunas conjeturas para
acercarnos a la realidad. A los efectos de la estimación, podemos suponer que
cada motor y su hélice pesa 100 gramos - un total de 400 gramos por 4 motores.
Añadir el peso de la trama,
que es probable que sea alrededor de 450-500 gramos. Añadir otros 300 gramos de
la batería, y otros 100 gramos para 4 de “ESC” (controladores de velocidad,
explicaremos luego) y sus cables y enchufes, el receptor de radio, tablero de
control y cableado probablemente pesará otros 50 gramos o menos. Si usted está
llevando una carga útil, como por ejemplo una cámara u otro equipo especial,
que tendrá que añadir también.
Para el QuadCopter promedio,
el peso de vuelo total es probable que sea alrededor de 1,3 kg. Usando la
ecuación anterior, ahora sabemos que estamos en busca de un empuje total de 2,6
kg, o 650 g por cada motor. Ahora sabemos que estamos buscando para motores de
hasta 1000 gramos de empuje, lo que puede generar al menos 650 gramos de empuje utilizando
una batería de 3 celdas y un propulsor de 8 a 12 pulgadas de diámetro (ver más
sobre esto más adelante).
Para las aeronaves de
acrobacia aérea, usted debe buscar en los motores de alrededor 1000-1400kV y
relativamente pequeñas hélices. Estos harán que su Drone sea más sensible y
permitir saltos y otras maniobras acrobáticas, a expensas de ser un poco más
difícil de controlar.
Para grandes multi-rotores o
aeronaves que lleven cargas útiles, grandes hélices y motores de baja kv
trabajan mejor. Estos tienen más impulso de rotación, y mantendrán más
fácilmente la estabilidad de su Drone. Busque 700-900kv motores capaces de
hacer el empuje que necesita.
Utiliza una batería de 3
celdas, para empezar, se puede cambiar a una de 4 celdas más adelante si es necesario.
Drones básicos comúnmente
utilizan hélices tipo slow-fly 2 palas, 8.12 pulgadas de diámetro y con un paso
de 4 a 6 pulgadas, sin embargo la selección de la hélice es muy importante y
puede ser un poco complicado. Hablaremos de eso más tarde - sólo tiene que
utilizar los tamaños anteriores como una guía para su primer Drone.
Ahora si estás listo para
empezar a buscar motores!
La lista de especificaciones
para cada motor que se encuentra en las tiendas en línea puede ser
desalentador, pero trata de comprobar los siguientes elementos en cada motor:
1. Peso - 100 gramos o menos
2. Voltaje - 3 celdas
(11.1V) generalmente lo que estás buscando
3. Velocidad de Motor (kV) –
de acuerdo a sus necesidades ( mientras mas lento, mas estable)
4. Datos Thrust – Capacidad de
empuje de acuerdo a la fórmula expuesta anteriormente
5. Tamaño: Los motores mas
comunes van desde 21 a 30mm
Controlador de velocidad:
Una vez que hayas elegido el
motor, también es necesario seleccionar el controlador de velocidad o “ESC”
(Electronic Speed Control), afortunadamente, esta tarea es mucho más simple que
la selección del motor.
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", pero esto
debe ser ignorado por el momento. 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 Drone, 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, en definitiva, una mayor estabilidad.
Considera que se necesitan 4
ESC idénticos para tu Drone. 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 - pero la tarjeta de programación hace las cosas más
fáciles.
Hélices
Seleccionar las hélices es
un trabajo bastante simple, en teoría. Las especificaciones para tu motor deben
indicar más o menos el tamaño que necesita, para crear el empuje que estás
buscando. Sin embargo, hay algunas complicaciones.
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 Drone.
Comienza con la hélice de
tamaño recomendado en las especificaciones del motor, pero no dudes en
experimentar con diferentes hélices, así notarás cómo afecta el rendimiento de
tu Drone. 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.
Si decides experimentar, ten
cuidado de quemar tus motores, batería y ESC, la temperatura de estos puede
subir peligrosamente por sobrecargar de trabajo al usar hélices demasiado
grandes.
Al comprar hélices,
asegúrate de pedir por lo menos el doble de las hélices necesarias, son muy fáciles
de romper cuando estás aprendiendo, afortunadamente son relativamente baratas cuando
se compran en paquetes. Es muy frustrante no poder volar, simplemente por no
tener una hélice de repuesto.
Cada uno de sus nuevos
propulsores (hélices) tiene que ser equilibrado antes de que sean utilizados en
tu Drone. Defectos leves en el proceso de fabricación pueden causar que una
hoja de la hélice sea un poco más pesada que la otra, creando una vibración
cuando la hélice está girando rápidamente. Para equilibrar, simplemente añade o
elimina peso de modo que ambas cuchillas sean el mismo peso. Esta tarea sólo se
tarda un minuto o dos con el equipo adecuado, y puede mejorar dramáticamente la
estabilidad de su Drone al reducir las vibraciones que produce malestar en los sensores
del controlador central. En este Blog explicaré como equilibrar una hélice.
También tenga en cuenta que algunas
marcas de hélices multi-rotor más populares están disponibles en múltiples
colores. La idea es que los 2 motores delanteros estén equipados con (por
ejemplo) hélices rojas, y los motores traseros estén equipados con un color
diferente. Esto ayuda al piloto a la orientación al saber qué camino está
apuntando el Drone, y en qué dirección es "hacia adelante". Es
posible que desee hacer esto; es muy eficaz, pero para esto, tienes que tener
suficientes repuestos y a la vez de la dirección correcta (CW o CCW), además
del color adecuado, asì que puede ser caro. Hay otras formas, tales como diferentes
colores o marcas en los “brazos” del marco, o el uso de LEDs, que pueden lograr
un resultado similar.
Por último, hay muchas
personas que utilizan hélices de 3 palas en Drone multi-rotor. 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 Drone por áreas de acceso
reducido. En teoría, las hélices de 3 palas crean más fricción y son menos
eficientes que las de 2 palas, pero la diferencia es a menudo lo suficientemente
pequeña como para ser notable. Se libre de probarlas y nos cuentas que tal te
va!
Batería:
Al elegir una batería, las
dos cosas principales que son de interés son la capacidad y peso. A primera
vista, parece sencillo - una batería con mayor capacidad mantendrá su Drone en
el aire por más tiempo. Sin embargo, las baterías con mayor capacidad son
también más pesadas, lo que significa que sus motores tienen que trabajar más
duro para mantener el Drone en el aire. Siempre existe el riesgo de obtener
capacidad de vuelo muy limitada por adquirir baterías demasiados pesadas.
El método que utilizaremos
para decidir qué batería a utilizar es relativamente simple, recordemos que la
regla de oro para elegir los motores es tener el doble de empuje que el peso
del Drone. Como la batería es el último componente que se escoge, podemos tener
una buena idea del peso del Drone, restamos el empuje total de los 4 motores
menos el peso del Drone (incluyendo cargas útiles adicionales), la diferencia
debe alcanzar para las baterías de 3 cell.
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.
No hay manera de saber
exactamente el tiempo de cada vuelo de tu Drone o la vida útil de la batería.
El peso, las condiciones de vuelo, el tipo de motor, el tamaño de la hélice y
el estilo de pilotaje de cada piloto, son todos factores importantes para
determinar estas variables.
Como punto de partida para escoger
la batería, me gustaría sugerir una batería 3S con una capacidad de alrededor
de 2700-3000 mAh. Puede que tengas que ajustar estos valores para adaptarlo al
peso y el empuje de tu Drone. Yo personalmente recomiendo el uso de baterías
Turnigy NanoTech, porque tener una buena calificación C y tienen una excelente
relación peso / capacidad.
Otros
componentes
Hay un par de otros
artículos relacionados con la electricidad que son necesarios para un Drone QuadCopter:
Un tablero de distribución
de energía se utiliza a menudo para hacer la conexión de 4 juegos de cables ESC
juntos de una manera limpia y ordenada. Estos tableros son por lo general una
placa de circuito sencillo con 2 pistas, una para cables positivo y uno para
cables negativos. La placa de circuito en general, tiene un número de puntos de
soldadura, o, a veces se enchufa, donde cada uno de los cables de alimentación
de los ESC se pueden conectar. Se proporciona un único punto de conexión
adicional para la batería.
Evaluación
Para poner en práctica lo aprendido anteriormente, se realizará una prueba práctica, los estudiantes deben implementar y fabricar el dron casero explicado anteriormente.
El estudiante aprobará la prueba si es que:
- El dron cumple las especificaciones realizadas
- El dron puede realizar un vuelo de 5 minutos como mínimo