UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA
AERONÁUTICA Y DEL ESPACIO
GRADO EN INGENIERÍA AEROESPACIAL
TRABAJO FIN DE GRADO
Diseño de un cuadricóptero para maximizar la autonomía de vuelo
AUTOR: Daniel SEDANO MORENO
ESPECIALIDAD: Propulsión Aeroespacial
TUTOR DEL TRABAJO: Ignacio GÓMEZ PÉREZ
Julio de 2018
ÍNDICE
Índice……….……….……….………..…………....2
Nomenclatura.……….……….………...………3
Lista de Gráficas..……….……….………..…..4
Lista de Tablas…..……….……….……….4
1.Introducción.…..……….……….………....5
2.Introducción: Investigación de mercados.………….………...5
2.1.Investigación de mercados.….……….………....……….……..5
2.2.Investigación de aplicaciones.……….……….……….…….10
2.3.Innovación y Derecho.……….……….……….………...12
2.4.Conclusión.……….……….……….……….………..12
3.Diseño de un cuadricóptero para maximizar la autonomía de vuelo.………..14
3.1.Diseño Conceptual.……….……….……….……….14
3.1.1.La especificación.……….……….……….………….……...15
3.1.2.Maximización del tiempo de vuelo. Establecimiento de los 5 requisitos de diseño...……….……….……….………...……...16
3.1.3.Diseño: Resumen ejecutivo..……….……….………....….19
3.2.Sistema de Energía y Propulsión.……….……….……….……...22
3.2.1.Batería..……….……….……….………..……...22
3.2.1.1.Selección de la batería..……….……….……….………..24
3.2.2.Motores..……….……….……….……….……….…………...26
3.2.2.1.Selección de los motores..……….……….……….…….27
3.2.3.Hélices..……….……….………….……….……….……….28
3.2.3.1.Selección de las hélices.……….……….……….……….29
3.3.Sistema de Control, Navegación y Comunicaciones.……….………..30
3.3.1.Selección de los componentes electrónicos en base a la especificación……….……….36
3.4.Diseño de la Estructura..……….……….……….………37
4.Conclusión..……….……….……….……….43
5.Bibliografía..……….……….……….………....………….43
NOMENCLATURA
Autonomía [s]
We Potencia eléctrica consumida por la batería [W]
Ee Energía eléctrica disponible en la batería [J]
C Capacidad de la batería [A * s]
V Voltaje eléctrico [V]
N Número de motores-hélices
𝜂 Eficiencia energética global [Kg /W]
--(se puede obtener de las tablas del fabricante del motor, en g/W)-- 𝜂b Eficiencia energética batería [Kg /W]
𝜂m Eficiencia energética motor [Kg /W]
𝜂h Eficiencia energética hélice [Kg /W]
𝛼 Factor de carga E Empuje Total [Kg]
M Masa Total del Dron [Kg]
RPM Revoluciones por minuto del rotor del motor [r/min]
KV Constante característica del motor [rpm/v]
T Par Torsor del motor [N·m]
Wm Potencia mecánica suministrada por el motor [W]
LISTA DE GRÁFICAS
Gráfica 01 - Investigación del Mercado Global (Página 6) Gráfica 02 - Valor estimado del mercado, por industria (Página 10) Gráfica 03 - Sistema de Control del dron (Página 32) Gráfica 04 - Características del aluminio (Página 42) Gráfica 05 - Características de la fibra de carbono (Página 42) Gráfica 06 - Esfuerzo a lo largo de la placa plana (Página 43)
LISTA DE TABLAS
Tabla 01 - Productos Amateur (Página 7) Tabla 02 - Productos Profesionales (Página 8) Tabla 03 - Productos Prosumidores (Página 9) Tabla 04 - Tabla del fabricante del motor EMAX MT3506 (Página 18) Tabla 05 - Método iterativo para calcular el sistema propulsivo óptimo (Página 20) Tabla 06 - Resultados: Autonomía Máxima (Página 21)
1.Introducción.
El presente trabajo se concibió como ampliación de una asignatura del Grado. El trabajo consiste en un manual para entender cómo funciona un cuadricóptero y desarrollar un prototipo con el objetivo de maximizar su tiempo de vuelo, bajo restricciones de peso y masa y con la capacidad de navegar autónomamente.
2.Introducción: Investigación de mercados.
Como introducción al trabajo se ha realizado una investigación de mercado, con el fin de encontrar drones con diseños parecidos al que se va a diseñar para completar el trabajo.
El mercado de los drones tiene una tendencia creciente. Se ha investigado el mercado para analizar los productos y las aplicaciones más relevantes para la realización de este trabajo, es decir, para el posterior desarrollo de un cuadricóptero de alta autonomía.
Desde un punto de vista general, el tipo de consumidores y el tipo de aplicación de los drones pueden ser de tres tipos, así que habrá tres sectores diferenciados.
Después se analizarán varios productos de cada sector y varias aplicaciones de carácter civil y comercial.
2.1.Investigación de mercados.
El mercado se componen de tres segmentos diferenciados: cada segmento de mercado tiene un producto tipo y un cliente tipo. Los tipos de cliente son:
consumidor amateur, prosumidor y consumidor profesional.
Gráfica 01 - Investigación del Mercado Global
Fuente :https://www.researchandmarkets.com/
En el sector de los productos amateur, los clientes no se quieren gastar mucho dinero y quieren un dron fácil de pilotar y con alta resistencia a impactos, ya que son pilotos amateur. El producto se diseña con una finalidad recreativa y consumista, con apenas calidad. Este producto puede interesar a clientes que quieran jugar con un dron de juguete o que les gustaría hacer fotos y videos desde una perspectiva aérea.
En este mercado es relativamente fácil sacar productos que satisfagan la
necesidades de los clientes, pero hay mucha competencia con muchos más medios para fabricar grandes cantidades de productos en serie. Por lo tanto, no es
recomendable apostar por este mercado para lanzar un producto.
Mirando la siguiente tabla, podemos ver dos ejemplos de los productos más relevantes diseñados para el cliente amateur: son Syma-X5C Explorers y Aquadrone.
Tabla 01 - Productos Amateur
Modelo (Gama) Masa (g) Tiempo Vuelo Max. (min) Coste
Syma X5C-1 (Gama Baja) 916 8
32,99 € (Amazon)
Aquadrone (Gama Baja) 130 8
69,90 € (Juguetronica)
Fuente : Elaboración Propia.
El siguiente sector a estudiar es el de más calidad, el profesional. A diferencia de las necesidades recreativas de los consumidores aficionados, los consumidores
profesionales tienen necesidades relacionadas con la industria y el comercio. Los productos diseñados para estos consumidores tendrán el grado más alto de calidad en el mercado y conseguirán los mejores actuaciones, para una aplicación
determinada.
Los consumidores pueden ser empresas o profesionales autónomos a quienes no les importe gastar más dinero para comprar un producto con un grado de calidad superior. Las aplicaciones relacionadas con la industria son: agricultura, transporte, militar, ayuda humanitaria, monitoreo ambiental, monitoreo de sistemas de energía, industria cinematográfica, etc.
El coste del dron y la complejidad de su diseño son más altos que en el caso amateur. Sin embargo, podrá generar un mayor beneficio económico y se podrán crear productos de más valor.
Tabla 02 - Productos Profesionales
Modelo (Gama) Masa (g) Tiempo Vuelo Max. (min) Coste
Inspire 2 (Gama Alta) 3440 27 3399 € (DJI)
Matrice 200 Pro (Gama
Alta) 4530 38
(No encontrado) Matrice 600 Pro (Gama
Alta) 10000 38 5699 $ (DJI)
AGRAS MG-1S (Gama
Alta) 13800 22
8650 € (RC Innovations)
MAPKER 3500 55
9075 € (Technidrone)
Fuente: Elaboración Propia.
Algunos ejemplos notorios de productos diseñados para la categoría profesional son DJI Inspire 2, DJI Matrice Pro Series, DJI AGRAS MG-1S y MAPKER.
En la gama media del mercado, encontramos a los prosumidores, que quieren un producto con un cierto grado de calidad y un rendimiento notable con un precio relativamente asequible.
Es posible que hayan sido consumidores aficionados en el pasado, pero ahora están más involucrados en su afición (aviones no tripulados de carreras, filmación, fotografía), y no les importa gastar dinero en el producto. Además, los prosumidores pueden ser pequeñas empresas o profesionales autónomos, como por ejemplo:
periodistas, artistas visuales, etc. Para satisfacer tanto sus pasatiempos como sus
necesidades profesionales, el producto para los prosumidores debe diseñarse optimizando su rendimiento, con buena calidad.
En resumen, el segmento de mercado del prosumidor es una mezcla de los segmentos de mercado profesional y aficionado. Tiene un buen potencial económico.
Tabla 03 - Productos Prosumidores
Modelo (Gama Media) Masa (g) Tiempo Vuelo Max. (min) Coste
DJI Spark (Gama Media) 300 16 499 € (DJI)
DJI Mavic Air (Gama Media) 430 21 849 € (DJI)
DJI Mavic Pro Platinum
(Gama Media) 734 30 1299 € (DJI)
DJI Phantom 4 Pro (Gama
Media) 1388 30 1699 € (DJI)
Helipal Storm (Gama Media) 3250 54
1496 $ (Helipal) Typhoon H Pro (Gama
Media) 1900 25
1399 € (Yuneec)
Fuente: Elaboración Propia.
Algunos ejemplos de productos notorios diseñados para la categoría de prosumers son DJI Spark, DJI Mavic Air, DJI Mavic Pro Platinum, DJI Phantom 4 Pro, Helipal Storm y Typhoon H Pro.
Por otro lado, no solo hay empresas de fabricación de drones. También
encontramos compañías que fabrican componentes o tecnología para drones, y cuya función es proporcionar componentes para los fabricantes de drones. Estas empresas son decisivas en el desarrollo de las tecnologías de drones; la forma de obtener una mejora real de los desempeños y las capacidades de un dron es actuar
a nivel de componente. Por lo tanto, hay otro segmento de mercado: las empresas fabricantes de componentes.
2.2.Investigación de aplicaciones.
Se ha realizado una investigación de las aplicaciones más relevantes de los drones en la actualidad. En la siguiente gráfica se muestra el valor estimado del mercado de drones, por industria.
Gráfica 02 - Valor estimado del mercado, por industria
Fuente: Tech Insider.
Los drones son una invención reciente y solo algunas de sus posibles aplicaciones están establecidas: tenemos la oportunidad de descubrir nuevas aplicaciones. Las aplicaciones que ya están establecidas han sido estudiadas:
1. En el sector agrícola, es común monitorear ambientes, plantaciones y ganado, así como estudiar sus características y actuaciones para optimizar el uso de los
recursos. También hay drones equipados con tanques de agua, tijeras podadoras o sistemas de pulverización (fumigación y fertilización) y drones que siembran
semillas automáticamente.
2. En la industria de la energía, se verifica el estado de los sistemas energéticos (turbinas eólicas, cableado eléctrico, paneles solares, tuberías, etc.), cuando hay un problema los drones pueden notificar el problema para reparar el sistema. Además, los drones equipados con una cámara termográfica se pueden utilizar para mejorar la eficiencia energética de los edificios.
3. En el sector de la seguridad pública, los drones se utilizan para múltiples
propósitos: misiones de búsqueda y rescate, extinción de incendios, cumplimiento de la ley, respuesta a desastres, cumplimiento de la ley y defensa (militar) son algunos ejemplos.
4. En el sector de infraestructura, los drones se utilizan para el mapeo de sitios, que consiste en inspeccionar el área y utilizar tecnologías de mapeo en 3D. Esta técnica es utilizada por drones para averiguar dónde es el lugar más apropiado para
construir una infraestructura (redes de transporte, edificios, etc.), construir una mina, obtener recursos, etc.
5. En el sector de la construcción, los drones se pueden usar para inspeccionar edificios o para hacer promociones en vídeo de fincas y edificios. También se pueden usar para construir mapas 3D de ciudades y pueblos, y para verificar el estado térmico de los edificios.
6. En el sector de transporte, los drones se pueden utilizar para controlar el tráfico, el envío de mercancías, pancartas publicitarias y el transporte de ayuda
humanitaria. Una de las últimas innovaciones que se está desarrollando, son los
drones que son capaces de transportar personas, útiles en misiones de rescate y para el transporte interurbano.
7. En el sector de medios y entretenimiento, los drones se usan para fotografía profesional, cinematografía y periodismo.
8. En el sector de control ambiental, existen aplicaciones relevantes: monitoreo del clima, prevención de eventos sísmicos, monitoreo de la contaminación y gestión de residuos.
9. En el sector de los seguros, los drones se pueden utilizar para tomar fotos y almacenar datos de accidentes. También se pueden usar para registrar, desde una perspectiva aérea, los resultados de un desastre natural y ayudarnos a analizar su impacto económico.
2.3.Innovación y Derecho.
El mercado se enfrenta al desafío constante de la innovación. Si las empresas desean garantizar su supervivencia y convertirse en las líderes de la sociedad, deberán mejorar sus productos y encontrar necesidades desconocidas. Para que los drones logren un mayor éxito, deberán desarrollarse nuevas tecnologías y
aplicaciones. Sin embargo, dado que la ley actual no es suficientemente permisiva, su implementación puede no ser fácil.
Las tendencias tecnológicas de innovación se basan en una mejora notable del control y la navegación de la aeronave y su integración con la inteligencia artificial, como la integración de múltiples drones en la realización de una misión - "swarming"
-. Otras tendencias son la mejora en la capacidad de las celdas de las baterías y el diseño de drones con una inspiración biológica - "biomiméticos" -. A medida que la tecnología mejore, nuevos productos y aplicaciones serán posibles.
Sin embargo, también existen barreras en el mercado de drones. La principal limitación del mercado es la ley: el espacio aéreo se regulariza; hay áreas de espacio aéreo en donde el vuelo está prohibido. Como consecuencia, el desarrollo de la tecnología y el crecimiento del mercado están limitados y trabajan bajo su potencial. Por ejemplo, en España, la ley se ha actualizado recientemente
(diciembre de 2017), aumentando los derechos en materia de drones; la normativa expuesta en "Disposición 15721 del BOE núm. 316 de 2017 ".
Con una ley más concesiva, la tecnología de los drones mejorará, aparecerán
nuevos productos y nuevas aplicaciones, el mercado crecerá y se generarán nuevas oportunidades comerciales.
2.4. Conclusión.
De la investigación de mercado podemos concluir que cuanto más avance el desarrollo tecnológico, se crearán más aplicaciones comerciales e industriales.
Tanto la técnica como la innovación serán clave para el diseño de el cuadricóptero que se va a desarrollar a continuación. Por ello, estas tendencias deben ser
aprovechadas siempre que se vaya a desarrollar un nuevo producto.
3.Diseño de un cuadricóptero para maximizar la autonomía de vuelo.
Esta es la parte principal del trabajo y en ella se desarrolla el proceso general de diseño de un cuadricóptero: partiendo de una especificación dada, se diseñará un prototipo de cuadricóptero. La especificación consistirá principalmente en que el prototipo permanezca en el aire el máximo tiempo posible.
3.1.Diseño Conceptual.
El primer paso del diseño es establecer una metodología para diseñar y desarrollar el cuadricóptero, con el fin de idear y establecer un concepto funcional y geométrico del dron deseado y de sus sistemas. La metodología de diseño consiste en resolver las siguientes cuestiones:
1. Diseño General del Producto.
¿Cuál es la especificación?
¿Qué claves habrá que seguir para cumplir con los requisitos de la misión?
¿En qué subprocesos se divide el proceso de diseño?
¿Con qué fin se va a emplear el prototipo una vez esté fabricado?
2. Diseño de la Planta Propulsiva.
¿Cómo consigue volar el cuadricóptero a partir de una fuente de energía?
¿Cuáles son las partes que componen la planta propulsiva?
¿Cómo seleccionar sus componentes para satisfacer los requisitos de la misión?
3. Diseño del Sistema de Control.
¿En qué consiste el proceso de control del cuadricóptero?
¿Cuáles son las partes que componen el sistema de control?
¿Cómo seleccionar sus componentes para satisfacer los requisitos de la misión?
4. Diseño de la Estructura.
¿Qué geometría tendrá la estructura?
¿Cuáles son las partes que componen la estructura?
¿Cómo seleccionar y dimensionar sus componentes para satisfacer los requisitos de la misión?
3.1.1.La especificación.
El primer paso para diseñar el dron es establecer la especificación que, en función de las necesidades del usuario y/o de los requisitos operacionales de la misión, determina una serie de condiciones a imponer y que definirán el proceso de diseño.
Las condiciones de diseño pueden ser de muchos tipos: coste, masa, tamaño, consumo energético, tiempo de vuelo, velocidad, maniobrabilidad, autonomía operativa, diseño de útiles, sensores, software específico, etc.
A partir de aquí, se va a diseñar un prototipo de un dron partiendo de la siguiente especificación:
1. Diseñar para obtener el Máximo Tiempo de Vuelo “a Punto Fijo” posible.
2. Presupuesto Máximo ::: 500 €
3. Masa Total Máxima ::: 2 Kg (0.2 Kg se reservan para la carga de pago).
4. Navegación y Operación Autónoma.
5. Capacidad de aterrizaje y despegue vertical.
6. Capacidad de permanecer estáticamente en el aire, dentro de un círculo de 3 metros de diámetro.
Dado que el presupuesto y los recursos son limitados y se desea seguir un proceso de diseño lo más sencillo posible, el número de rotores no se considerará un
parámetro de diseño: el dron a diseñar contará con cuatro rotores. Con esta
decisión de diseño se consiguen cumplir las condiciones 5 y 6 de la especificación.
En cuanto al resto de condiciones, la 4ª se cumplirá escogiendo una controladora de vuelo que incluya un autopiloto; la 2ª y la 3ª se impondrán como restricciones y la 1ª como objetivo prioritario del diseño, obtener el máximo tiempo de vuelo.
3.1.2.Maximización del tiempo de vuelo. Establecimiento de los 5 requisitos de diseño.
Cumplir la especificación requiere maximizar el tiempo de vuelo, siendo ésta la condición prioritaria. Para comenzar, hay que recurrir a la ecuación de la autonomía de vuelo, que se obtiene dividiendo la energía eléctrica total disponible en la batería entre la potencia eléctrica consumida por la batería; se tendrá en cuenta que todos los cálculos deben realizarse con las magnitudes medidas en el sistema
internacional de unidades. El propósito de este apartado es refinar los criterios 1, 2, 3, 4, 5 y 6 de la especificación y dar unas claves nuevas.
Autonomía = (Eb/Wb) [1.1]
La energía eléctrica total disponible en la batería depende de su diseño interno y puede ser calculada como el producto de su voltaje por su capacidad.
Energía total disponible = Eb = V · C [1.2]
Por otro lado, la potencia eléctrica media consumida por la batería depende del empuje necesario para satisfacer los requerimientos operacionales de la misión y de la eficiencia energética global del conjunto batería-motores-hélices.
Potencia eléctrica consumida = Wb = E / 𝜂 [1.3]
El empuje necesario depende del factor de carga y de la masa total del
cuadricoptero. El factor de carga “𝛼” indica la capacidad de propulsión o maniobra del dron, cuanto más alto sea su valor más rápido podrá ir el dron pero más potencia consumirá.
Empuje = E = 𝛼 · M [1.4]
También se tiene que tener en cuenta la hipótesis de que la masa del cuadricóptero está distribuida por igual entre los cuatro motores, así resulta que los valores del empuje suministrado por cada hélice y de que los valores de las eficiencias globales de cada hélice son los mismos para cada motor, simplificando las ecuaciones.
La eficiencia global es el producto de la eficiencia de cada componente del conjunto;
se considera que la eficiencia global es igual al producto de la eficiencia del motor por la eficiencia de la hélice, al ser la eficiencia de la batería muy cercana a 1.
Cuidado porque no es adimensional, tiene dimensiones de Kg/W.
Eficiencia global = 𝜂 = 𝜂b · 𝜂m · 𝜂h 𝜂m · 𝜂h [1.5]≃
Los valores de la eficiencia energética de cada motor varían en función del grado de carga del motor. Se pueden encontrar estos valores, en una tabla de referencia que viene suministrada por su fabricante. (Tabla 04)
La expresión final de la fórmula, para calcular el tiempo de vuelo esperado y maximizarlo es:
Autonomía = Eb/Wb = (V · C) / ((𝛼 · M)/𝜂) = (V · C · 𝜂) / (𝛼 · M) [1.6]
Tabla 04 - Tabla del fabricante del motor EMAX MT3506
Fuente: rc-innovations
Partiendo de [1.6]: Para maximizar la autonomía, lo que habrá que hacer es escoger las baterías que den mayor producto (V·C)/M, esto es, baterías que representen un porcentaje másico más alto respecto al total de la aeronave. Además, se tendrá que diseñar el dron para que su masa sea la menor posible, pero acercándose lo
máximo posible a la especificación máxima de 2Kg.
El otro factor, (𝜂 / 𝛼), representa el aprovechamiento de la energía. En cuanto a 𝛼, se fija su valor en 2: se va a diseñar el dron para que tenga una capacidad de maniobra suficiente, sin poder alcanzar grandes velocidades y aceleraciones, porque si lo que se requiere para la misión es maximizar el tiempo de vuelo se debe usar la batería para “aguantar más tiempo” y no se debe usar para “ir más rápido”. En cuanto a 𝜂, será mayor si conseguimos escoger el conjunto energético-propulsivo óptimo.
Combinando estas ideas subrayadas aquí y las condiciones 1ª, 2ª y 3ª de la especificación, llegamos a 5 conclusiones, siendo la 1ª la primera en decidir y la más limitante y la 5ª la última que debe decidirse y la más variable:
1. Fijar la operativa de vuelo, considerando un valor medio de 𝛼=2.
2. Minimizar la masa del dron, pero acercarse lo máximo posible a la especificación máxima de 2Kg. Minimizar el coste del dron, pero acercarse lo máximo posible a 500€. Es decir, apurar al máximo pero no gastar sin motivo.
3. Escoger baterías que representen un porcentaje másico más alto respecto al total de la aeronave y con la mayor densidad energética posible.
4. Escoger los motores-hélices que proporcionen un mayor valor de 𝜂.
5. Minimizar aún más la masa del dron.
Estas claves pasarán a ser la referencia para continuar del diseño, son unos mandamientos que hay que cumplir para que la misión se cumpla con el mayor grado de satisfacción posible, el máximo tiempo de vuelo.
3.1.3.Diseño: Resumen ejecutivo.
A partir de los 5 mandamientos, se seleccionarán varios motores, baterías y hélices, se establecerán conjuntos de batería-motor-hélices y se compararán sus
actuaciones en Excel. La selección de los conjuntos está determinada por las condiciones de presupuesto y masa máximas; se pretende conseguir, como condición prioritaria de diseño, el máximo tiempo de vuelo a punto fijo posible.
Después, se calculará el presupuesto total, la masa total del dron y la autonomía de
vuelo esperada para cada uno de los conjuntos batería-motor-hélices. Para el cálculo de la masa total del dron se tendrán en cuenta las contribuciones dela masa de la estructura, de la electrónica y de la carga de pago. Para el cálculo del coste se tendrá en cuenta la suma de los precios individuales de cada compra realizada.
Para el cálculo de la autonomía se tendrá en cuenta la ecuación [1.6].
Tabla 05- Método iterativo para calcular el sistema propulsivo óptimo
Fuente: Elaboración Propia.
Mediante sucesivas iteraciones y ajustando estos tres parámetros principales (masa, autonomía y presupuesto) se puede ir afinando con precisión el diseño al conjunto óptimo, descartando los conjuntos que no cumplan las condiciones de presupuesto máximo y masa máxima y escogiendo el que proporcione la máxima autonomía: se habrá obtenido el diseño final de la planta propulsiva, es decir, del conjunto baterías-motores-hélices definitivo.
Tabla 06 - Resultados: Autonomía Máxima
Modelo Masa Coste Autonomía Máx
Li-Po 4S 1900 gr 450 € 28 min Li-Po 3S 1750 gr 420 € 23 min
Fuente: Elaboración Propia.
El segundo paso es escoger los componentes electrónicos: se comprarán para integrarlos en la estructura y que proporcionen las funciones necesarias, se trata de diseñar un sistema que controle la navegación, las comunicaciones y las
operaciones. Los componentes son: un autopiloto que contenga a la controladora y los sensores básicos para la navegación, un GPS, cuatro variadores de velocidad ESC, una antena de telemetría y un sistema de radiocontrol, así como sensores extraordinarios si se desea realizar funciones adicionales. Además, se podrá que modificar el software incluido en el autopiloto en función de las necesidades de la misión. Se cumplirá la 4ª condición de la especificación: navegación y operación autónoma.
El tercer y último sistema a diseñar es la estructura. La estructura consta
principalmente de cuatro barras dispuestas en X y de dos placas planas que forman la pieza central. Se tendrá en cuenta en el diseño que se deben maximizar las dimensiones, se debe minimizar la masa total y se tienen que satisfacer los
requisitos de la resistencia de los materiales y de la estructura. Se tendrá en cuenta el posterior proceso de fabricación y montaje. También se tendrá que tener en cuenta la inclusión de un soporte estabilizador de cámara, en el caso de que se desee equipar una.
Se ha mencionado la aplicación del prototipo finalizado a una misión particular, era una de las preguntas introducidas en la metodología de diseño del apartado 2.1. Sin embargo, no se destinará el prototipo a ninguna misión práctica: tan solo se
realizarán unas pruebas de vuelo para saber la autonomía real y saber si se ha cumplido la condición prioritaria de diseño.
3.2.Sistema de Energía y Propulsión.
El sistema energético-propulsivo se encarga de suministrar la potencia necesaria para que el dron vuele según las condiciones de vuelo deseadas. Está compuesto por una batería como fuente de energía eléctrica, cuatro motores eléctricos para transformar la energía eléctrica en energía mecánica, cuatro hélices para
transformar la energía mecánica en energía propulsiva y cableado para conectar los distintos componentes.
3.2.1.Batería.
La batería es la encargada de aportar la energía necesaria al sistema para su funcionamiento. Las más comunes son las de Li-Po, con una densidad energética específica adimensional del orden de 0,185 y con la principal ventaja es que pueden descargar a altas intensidades (10C-40C) de manera constante, obteniéndose mayores valores instantáneos de la potencia propulsiva y mayor capacidad de maniobrar, pudiendo operar el cuadricóptero con un alto factor de carga. La batería se caracteriza por: el número de celdas que la componen, cómo están conectadas esas celdas (en serie o en paralelo), su voltaje, su capacidad y su factor de
descarga.
Las baterías están formadas por celdas de 3.7V y que al instalarlas en serie, se suman las tensiones de todas ellas, identificándose con la letra S. Por lo tanto, una batería 4S nos indica que consta de 4 celdas conectadas en serie y que producen una tensión nominal de 14,8v (4 celdas · 3.7v = 14,8v). Se debe tener en cuenta esta tensión al escoger la placa controladora a instalar y que ésta tenga unas especificaciones máximas y mínimas, ya que una sobretensión o una subtensión podrían dañar los variadores de velocidad.
Esta tensión es importante puesto que los motores instalados en el dron giran con una cantidad determinada de revoluciones por minuto en función de la tensión que produce la batería. En las especificaciones de los motores aparece un número,
“KV”, que medido en rpm/voltio, se multiplica dicho número por la tensión y se obtiene el número de revoluciones por minuto que es capaz de realizar el motor.
Las celdas de las baterías también se conectan entre sí en paralelo, identificadas con la P, por lo que la capacidad total es la suma de las capacidades individuales, es decir, si se conectan 3 baterías en serie de 2.000mAh cada una: se obtienen 6.000mAh (3baterias · 2.000mAh = 6.000mAh).
En general, cuanta más capacidad más autonomía, pero también influyen otras variables como la masa total del dron y la eficiencia energética de los motores... y si se añaden baterías en serie el peso total también aumentará disminuyendo el tiempo de vuelo, por lo que siempre que se pueda es preferible conectar las celdas en paralelo antes que conectarlas en serie, para maximizar el tiempo de vuelo.
Como recurso adicional, se puede visitar http://www.ecalc.ch/, que es un simulador que proporciona estimaciones de vuelo dependiendo de la capacidad de carga.
También hay que tener en cuenta el factor de descarga de la batería. Esta viene detallada por una referencia de descarga máxima que consta de un número seguido de la letra “C” donde C es la intensidad de la batería. Para saber la intensidad de descarga basta con multiplicar los miliamperios por el número de delante de la C.
Por ejemplo, si la batería tiene una capacidad de 6.000mAh y el fabricante
especifica que la referencia de descarga máxima es 25C, la descarga máxima a la que se puede someter esta batería es 150Ah (6.000 · 25 = 150.000mAh), es decir, el dron no podrá pedir a la batería más de 150 Ah de forma constante.
Si en la referencia de descarga de la batería el fabricante indica dos valores, el menor indica que puede descargar a esa intensidad de una manera prolongada, mientras que el mayor indica que puede descargar a esta intensidad por un tiempo limitado. El trabajar con intensidades superiores a las indicadas por el fabricante puede producir daños en la batería y hará que esta se vuelva inestable.
Otro aspecto a tener en cuenta es la carga de estas baterías, que son cargadas por energía eléctrica y utilizan un cargador específico, por lo tanto es aconsejable utilizar cargadores recomendados por el fabricante, además de no cargar las baterías por encima de su intensidad nominal. Las baterías de dos o más celdas constan de 2 cables, uno de ellos con un conector balanceador que se utiliza a la hora de cargar. Los cargadores de las baterías tienen unas entradas en las que se inserta el conector balanceador para que todos los elementos que forman las
baterías se carguen con la misma tensión e intensidad, si no se utiliza este elemento hay muchas posibilidades de que las baterías se estropeen.
3.2.1.1. Selección de la Batería.
La primera decisión de diseño si se quiere maximizar la autonomía del dron es la selección de la batería. Se trata de seleccionar una batería con la mayor densidad energética posible y que pueda suministrar la corriente eléctrica necesaria para que el cuadricoptero vuele según las condiciones de vuelo deseadas. Además, tiene que permitir cumplir las restricciones de masa y coste máximos.
¿Que conviene más, conectar las celdas en paralelo y aumentar la intensidad o conectarlas en serie y aumentar el voltaje? Si se conectan en paralelo, aumenta la capacidad energética de la batería y la intensidad total disponible. No pasa lo mismo con la intensidad necesaria para el vuelo, que aumenta en la medida que aumenta
la masa total del dron al añadirle la masa de una nueva celda de batería. Osea, que se aumenta significativamente la capacidad de la batería pero su consumición no aumenta de forma tan significativa, con lo que se obtiene un mayor tiempo de vuelo cuando aumenta el número de celdas en paralelo.
Paralelamente, si la masa total del dron aumenta es necesario conectar más celdas en serie y aumentar el voltaje para poder suministrar la potencia necesaria. Es por tanto una decisión de compromiso en la que debe primar escoger una batería con más celdas en paralelo para aumentar el tiempo de vuelo, pero con el mínimo número de celdas conectadas en serie para suministrar la mínima potencia
necesaria. En general, a mayor voltaje-intensidad y si se reduce al mínimo la masa de la estructura, mayor tiempo de vuelo y eficiencia energética se puede obtener.
Por otra parte, si estamos diseñando un dron de grandes dimensiones y alto valor de la autonomía de vuelo, la máxima intensidad requerida será menor, por lo que al usar Li-Po, que suministran altas intensidades instantáneas, el factor de descarga no será un parámetro importante.
La batería seleccionada para formar parte del prototipo final, ha sido la Multistar 4S 10Ah 10C Li-Po.
Capacidad mínima: 10000mAh
Configuración: 4S1P / 14,8 V / 4CELL Descarga constante: 10C
Descarga máxima (10 seg): 20C Peso del paquete: 804G
Tamaño del paquete: 160 x 65 x 36 mm
Carga del enchufe: JST-XH Enchufe de descarga: XT90
3.2.2. Motores.
El motor es la parte de la máquina capaz de hacer funcionar al sistema,
transformando energía eléctrica en energía mecánica, capaz de realizar una fuerza que produce el movimiento.
Básicamente hay 2 tipos de motores: motores con escobillas o sin escobillas. Los primeros utilizan las escobillas que contactan con el eje de rotación del motor y como consecuencia estas escobillas se desgastan, además de ser poco eficientes.
En contraposición, los motores sin escobillas no tienen conexión física entre las partes eléctricas en movimiento, siendo mucho más eficientes y eliminando en gran parte el mantenimiento.
Entre los motores sin escobillas existen dos tipos: los outrunner y los inrunner. Los outrunner son motores que están diseñados para trabajar a bajas revoluciones en aplicaciones de alto torque y los motores inrunner están diseñados para trabajar a altas revoluciones, en aplicaciones de par bajo. Los motores outrunner se
corresponden con bajos valores de KV y los motores inrunner con altos valores de KV.
El parámetro más característico de un motor eléctrico es KV (rpm/voltio): Cuanto más pequeño es el tamaño de un dron, menor es el diámetro de sus hélices y es necesario generar más RPM para obtener la potencia propulsiva necesaria; es necesario seleccionar un motor con alta KV. Cuanto más grande sea el tamaño del dron, es necesario seleccionar un motor con baja KV por el mismo motivo: se necesitan generar menos RPM para obtener la potencia propulsiva necesaria.
Además, se tiene que tener en cuenta que la batería tenga el voltaje necesario para suministrar las RPM necesarias.
RPM = KV · V [1.7]
Wm = T · rpm ·2π/60 [1.8]
Por otro lado, el parámetro que determina la elección final de un motor es su eficiencia, es decir, cuánta potencia eléctrica necesitamos para levantar un cierto peso. Seleccionando un motor determinado, el valor de su eficiencia en
empuje(gramos)/potencia recibida(wattios) viene dado en tablas proporcionadas por el fabricante (Tabla 04); en las tablas aparecen varios valores de la eficiencia para el mismo motor, en función de la masa a levantar, el voltaje de batería empleado y la hélice empleada.
En resumen, el motor seleccionado es el que tiene el valor de la eficiencia más alto, siempre supeditado a la elección anterior de la batería y a los 5 mandamientos de diseño. Además, el motor seleccionado tiene que tener la menor masa posible.
3.2.2.1. Selección de los motores.
La siguiente decisión de diseño es seleccionar el tipo de motor necesario. Se han seleccionado motores brushless outrunner (baja KV) ya que su principal virtud es que tiene mucha potencia en muy poco peso. Entre los de baja KV, se ha
seleccionado el de más eficiencia que estuviera dentro de los límites del presupuesto y masa máximos.
El motor seleccionado para formar parte del prototipo final ha sido el EMAX MT3506.
Diámetro: 41.5 mm Longitud: 24.2 mm Peso: 67 g
eje: 4 mm Kv: 650
Bateria: 3s - 5s
3.2.3. Hélices.
Las hélices son un conjunto de aletas helicoidales que al girar alrededor de un eje accionado por un motor, produce una fuerza de reacción que se utiliza para la propulsión del drone.
Normalmente a través del propio nombre del modelo de la hélice, podemos conocer sus dos parámetros principales, diámetro y paso: 5045 o 5×4.5. Estas medidas son en pulgadas y quiere decir que esa pala tendría 5″ de diámetro y 4.5″ de paso. El paso es la distancia vertical que avanza la pala en lo que recorre una vuelta
completa y aumentar su valor implica aumentar la capacidad propulsiva y también el consumo. En cuanto al diámetro, se usan hélices grandes para mover grandes drones con altas autonomías y velocidades no muy altas y se usan hélices
pequeñas para mover pequeños drones con bajas autonomías y velocidades altas.
Hay muchos tipos de materiales en los que se fabrican las hélices: madera, plástico ABS, mezcla ABS y fibra de vidrio, fibra de carbono, PC (policarbonato). El material más usado para aplicaciones de alta velocidad es el policarbonato, ya que las hélices son muy resistentes y difícil de romper. Las de fibra de carbono aunque en principio parezcan una de las mejores opciones, tienen demasiada rigidez y ante los golpes parten con bastante facilidad y pueden dañar los motores.
Si se escogen hélices con un tamaño muy grande a partir de 12”, hay que prevenir el uso del motor a altas revoluciones, ya que sinó se pueden alcanzar altas
temperaturas en la punta de las hélices, poniendo en peligro la integridad del dron.
Para seleccionar la mejor hélice, y para el caso de maximizar el tiempo de vuelo, se partirá de los datos del fabricante del motor y se seleccionará el conjunto
motor-hélice que proporcione el mayor 𝜂.
3.2.3.1. Selección de las hélices.
Partiendo de que hemos escogido un =2 y un motor con baja KV, se escogerá laα hélice que proporcione mayor 𝜂, que será la de mayor tamaño posible, sin que pueda llegar a sobrecalentarse. Entre escoger una hélice de policarbonato, que está pensada para drones pequeños, ágiles y propensos a darse golpes, o escoger
hélices de fibra de carbono, que son más ligeras y eficientes, se han escogido las de fibra de carbono.
Las hélices seleccionadas para formar parte del prototipo final han sido las T-Style CF 15x5,5.
Longitud: 15 pulgadas Paso: 5,5 pulgadas Peso: 20 g (cada uno) Diámetro del eje: 4 mm Hub Espesor: 3,0 mm Placa de cubierta centros de orificios: 12 mm
3.3.Sistema de Control, Navegación y Comunicaciones.
Los cuadricópteros tienen cuatro tipos de movimiento: guiñada, inclinación, cabeceo y altitud; estos movimientos están controlados por la variación o el ajuste de la propulsión en cada hélice. Por ejemplo, si queremos que el cuadricóptero se incline o cabecee, deberemos incrementar la propulsión de una de las hélices y al mismo tiempo reducir la propulsión de la hélice opuesta; si queremos que el dron avance hacia delante tendremos que suministrar más potencia a las hélices traseras que a las hélices delanteras. Es decir, el movimiento final depende de la actuación de cada motor por separado; dependiendo del conjunto de las actuaciones de cada motor el dron se moverá hacia una dirección u otra.
¿Hacia dónde se moverá el dron? Pues depende: si es capaz de navegar
autónomamente esquivando obstáculos irá a hacer la misión asignada, si lo maneja alguien por control remoto irá hacia donde el usuario quiera y si sigue un plan de navegación o ruta programada irá hacia donde diga el plan de navegación.
El sistema de control se encarga de coordinar la potencia que le llega a los motores, con el fin de que el dron se desplace o rote alrededor de uno de los tres ejes de referencia. Las cuatro hélices trabajan al mismo tiempo para crear la fuerza de empuje necesaria para llevar al dispositivo hacia donde quiera ir, dos giran en el sentido de las agujas del reloj y las otras dos en sentido contrario.
El sistema de control se compone básicamente de unos sensores o entradas que captan señales y las transforman en datos, una controladora que, partiendo de unas instrucciones predefinidas, procesa los datos y proporciona unas determinadas órdenes a las salidas o actuaciones. El siguiente diagrama muestra la configuración de sensores, controladora y actuadores del sistema de control del dron.
Gráfica 03 - Sistema de Control del dron
Fuente: Elaboración Propia.
Las tres primeras entradas (acelerómetro, giróscopo y altímetro) sirven para
localizar la posición, la inclinación, la actitud y la orientación del dron en el espacio.
El GPS y el magnetómetro sirven para conocer la posición, la actitud y la orientación en la tierra. La cámara sirve para captar imágenes del entorno y el gimbal es un soporte que la estabiliza cuando se somete a vibraciones. El radio control sirve para comunicarse, recibir información y controlar al dron. Y los ESC son los variadores de velocidad de los motores, que se encargan de suministrar a cada motor la corriente
adecuada. Además, se podrían incluir nuevos sensores y actuadores al sistema, con el fin de realizar distintas misiones.
A continuación, se desarrollarán uno a uno de los distintos componentes del sistema de control, por separado.
1. Controladora
Es el componente principal de la electrónica de control del dron. Se encarga de comparar y registrar todo lo que sucede en el multirrotor y en él se conectan gran parte de los sensores y componentes.
Se encarga de tomar las decisiones correctas para regular el funcionamiento de los actuadores, que hacen posible el vuelo. Este controlador debe ser capaz de captar y realizar tareas en el menor tiempo posible, además de incorporar un procesador de emergencia, para poder conseguir un aterrizaje seguro en caso de que el
controlador principal falle; también debe tener una buena tolerancia ante faltas de tensión en alguna entrada. Dependiendo de la calidad del controlador, éste puede funcionar de manera autónoma sin que un piloto lo controle.
2. Acelerómetro
El acelerómetro se encarga de medir aceleraciones, el más utilizado es el
acelerómetro piezoeléctrico por compresión. El funcionamiento de este acelerómetro se basa en la compresión de un retículo cristalino piezoeléctrico, produciendo éste a su vez una carga eléctrica proporcional a la fuerza aplicada.
El elemento piezoeléctrico se comprime mediante un muelle en el interior de una caja metálica, por lo que al producirse una vibración se produce sobre el
piezoeléctrico una fuerza variable, proporcional a la aceleración de la masa y que se puede registrar con el software instalado en la unidad receptora de señal.
Finalmente, se pueden obtener mediciones de desplazamientos o de velocidad.
Los acelerómetros electrónicos permiten medir la aceleración en una, dos o tres dimensiones, lo que permite medir la inclinación de un cuerpo, puesto que es posible determinar la componente de la aceleración provocada por la gravedad que actúa sobre el cuerpo. Además, es posible determinar la posición del cuerpo, puesto que como se conoce la aceleración es posible determinar su posición, si
previamente se conocen la velocidad y la posición inicial del dron.
3. Giróscopo
Este sensor consiste en una masa que gira velozmente alrededor de su eje de simetría, permitiendo mantener de forma constante su orientación respecto a un sistema de ejes de referencia. El dron, sometido a un movimiento de rotación causa un efecto giroscópico medible, por lo tanto proporciona en cada momento la información necesaria para estabilizar la aeronave.
4. Altímetro/Barómetro
El barómetro es el instrumento que mide la presión atmosférica. Un altímetro es un instrumento de medición que indica la diferencia de altitud entre el punto en el que se encuentra localizado y un punto de referencia, generalmente se utiliza como referencia la altura sobre el nivel del mar. Con la combinación de ambos
instrumentos se obtiene el altímetro barométrico, cuyo funcionamiento está basado en la relación entre presión y altitud.
El altímetro barométrico mide los cambios de volumen que experimenta un gas encerrado a una presión conocida en una capsula cerrada. La presión obtenida es
comparada con las diferentes medidas de altitud, pudiéndose obtener la altura a la que se encuentra la aeronave.
Existe otro tipo de altímetros, los altímetros radioeléctricos o de impulsos, su funcionamiento es similar al de un radar, midiendo la distancia entre dos vehículos aéreos y con respecto al suelo.
5. GPS
El GPS se encarga de transmitir información sobre la posición en el planeta a la controladora de vuelo. La característica principal que este sistema debe tener es la precisión, ya que es muy importante saber dónde está situado exactamente el dron con un margen de error minúsculo. Dicha precisión se obtiene en todo el planeta por una red de 24 satélites en órbita a 20.200km de altura, con trayectorias
sincronizadas para cubrir toda la superficie terrestre.
Cuando se desea determinar la posición del dron, el receptor localiza como mínimo cuatro satélites de la red, de los que recibe unas señales que están compuestas por la hora y la identificación de cada uno de ellos. Con estas señales, el aparato
sincroniza el reloj del GPS y calcula el tiempo que tardan en llegar las señales al equipo, con lo que se puede medir la distancia al satélite y, utilizando el método de trilateración inversa, se puede conocer en cada instante la posición exacta del dron con una pequeña tolerancia. Además de la posición, el GPS también es capaz de calcular la velocidad del aparato en cada instante, calculando la distancia recorrida en un tiempo establecido.
A partir de la altura, la posición y la velocidad y dependiendo del programa que tenga el controlador, se podrá automatizar el comportamiento del multirrotor para mantenerse estático en mismo punto, volar en una cierta dirección o velocidad relativa o desplazarse hacia unos puntos predefinidos previamente por el piloto.
6. Magnetómetro
El magnetómetro es un dispositivo que mide la fuerza y dirección de una señal magnética. El dispositivo usa el campo magnético de la tierra junto con toda la información de su inclinación para saber dónde está el norte.
En este tipo de aeronaves es conveniente montar el magnetómetro lo más alejado posible de la batería, cables de distribución y los controladores de velocidad
electrónicos, ya que se pueden causar interferencias debidas a la corriente continua que circula por los cables de distribución y que puede generar un pequeño campo magnético que cause interferencias en los resultados obtenidos.
Una manera de solucionar estas interferencias consiste en montar el dispositivo en una posición elevada o lo más alejado posible de cualquier elemento metálico o por el que circule corriente.
7. ESC
El ESC es un circuito que se encarga de generar una señal trifásica que alimenta el motor. Producen las variaciones de velocidad del motor y son controlados por la controladora para suministrar a los motores la potencia precisa para que el dron realice el movimiento deseado. Sus parámetros más significativos son la tensión de entrada máxima y la intensidad máxima.
8. RadioControl
Es el responsable de recibir la señal de radio enviada por el control remoto,
mediante el cual el usuario puede realizar el movimiento o solicitar la operación que desee y éste lo transforma en una onda esférica que es recibida por el radio
receptor del cuadricóptero, transformándola en datos que se envían al controlador de vuelo para que ejecute la correspondiente instrucción.
9. Cámara/FPV
Sistema de transmisión y recepción de video capturado por una o varias cámaras, en tiempo real. De esta manera el piloto o cualquier otro usuario pueden ver en tiempo real la imagen que están captando las cámaras instaladas en el dron.
10. Gimbal
Consiste en una dispositivos mecánicos cuya función es estabilizar la cámara. Las vibraciones a las que se ve sometida la cámara le impedirían tomar buenas
imágenes sin el gimbal.
11. Failsafe
El Failsafe es una función que tienen la mayoría de los sistemas de piloto automático y que sirve para aterrizar la aeronave con seguridad. Consta de una serie de acciones que se activan una vez que un determinado evento salta en el radio receptor.
Uno de los fallos más comunes es la perdida de señal de radio con la emisora, aunque también puede deberse a que la batería está por debajo del nivel crítico, entonces el dron iniciará una vuelta a casa autónoma, existiendo también la opción de que el aparato quede dando vueltas a la vez que reduce su altura hasta caer con la batería agotada. La vuelta a casa se hace a una altura previamente determinada
en la configuración del mismo, por lo que hay que tener cuidado a la hora de calcular la altura superior del mayor obstáculo que se puede encontrar el aparato durante el vuelo.
3.3.1.Selección de los componentes electrónicos en base a la especificación.
El dispositivo de la imagen es el autopiloto escogido, el Pixhawk 4, permite la navegación autónoma del dron además de llevar incorporado un software programable, para ajustarlo según la misión asignada. Es el centro del sistema de control del dron y contiene a la controladora y a varios sensores básicos como el acelerómetro, el giróscopo, altímetro, magnetómetro y GPS.
Además, tiene una serie de puertos que permiten la conexión de más sensores y actuadores.
El ESC seleccionado es una ESC KingKong de 12A, ya que se requería una corriente de 9A para satisfacer la misión. Se ha dejado un margen de seguridad del 33 %, bastante alto.
FrSky X8R 8/16CH es un transmisor y receptor telemétrico, es un dispositivo de comunicaciones dron-tierra.
2.4. Diseño de la Estructura.
Después de definir los distintos elementos que componen el sistema de control y el sistema energético-propulsivo, se procede a diseñar la estructura del cuadricóptero:
la estructura del dron cumple la finalidad de integrar todos los componentes y de resistir las cargas y los posibles impactos. Los parámetros que caracterizan a la estructura son la geometría, la masa y el valor de sus deformaciones en función de las cargas aplicadas (el material). Además del de diseño, se narrará también el proceso de fabricación y montaje, se va montando la estructura paso a paso, según se va narrando.
La estructura del dron consta de cuatro barras que soportan a los motores y que se unen en forma de X, formando un ángulo de 90º entre cada una de ellas, así como de dos placas planas (superior y inferior) que también tienen forma de X y que forman la pieza central; la unión entre ambos elementos se realizará mediante tornillos. Los motores van directamente atornillados a las barras sin que haya piezas intermedias entre ellos. Entre las dos placas planas irá alojado el cableado y debajo de la placa inferior se colocará la batería, que se sujetará mediante un velcro unido a la placa mediante un adhesivo. Se integrarán batería, motores, hélices y cableado en la estructura.
Para la colocación de los elementos electrónicos (los variadores, el autopiloto, el GPS y la antena) y debido a la falta de espacio en la pieza central para alojarlos, será necesario la fabricación de una pieza adicional que los incluya y que esté atornillada a la pieza central. Además, la pieza adicional tendrá que permitir que se pueda acceder y manipular los cables del autopiloto y al distanciar los distintos componentes electrónicos disminuirán las interferencias entre el GPS y el resto de dispositivos electrónicos. Los cables de los variadores de velocidad de las hélices se unirán con cinta aislante a las barras para estar bien sujetos.
Por último hay que pegar a la estructura el tren de aterrizaje, que consta de cuatro barras de aluminio, arqueadas para tener más rigidez, las cuales van unidas a la estructura mediante adhesivo epoxy. También consta de unas barras más
pequeñas, situadas en cada uno de los cuatro extremos de la X, para estabilizar el aterrizaje; cada barra pequeña está compuesta de una barra de aluminio y un amortiguador de goma. A pesar de emplear 8 barras, al ser éstas de aluminio no se incrementa demasiado la masa total del dron y su inclusión se justifica debido a que aportan más rigidez en el despegue y en el aterrizaje. Además, las barras
secundarias del centro, se posicionan de tal manera que formen un cierto ángulo de inclinación respecto a la vertical, hecho que aumenta aún más la estabilidad en el despegue y en el aterrizaje.
En cuanto al material y las dimensiones de las barras en X, se han modelizado como vigas de sección constante, empotradas en el extremo de unión con las placas planas, y con un voladizo en el otro en el otro. En cada uno de los 4
voladizos se sitúa una fuerza que representa la tracción de los motores, equivalente a dividir el peso total del dron entre los 4 brazos y multiplicar ese valor por 3, que es un coeficiente de seguridad. De esta forma, aplicando el método de la ecuación de la elástica y el cálculo de los esfuerzos normales en cada una de las secciones, se puede obtener el giro y la flecha a lo largo de la barra y el esfuerzo normal en la sección más cargada.
Gráfica 04 - Características del aluminio
Fuente: Elaboración Propia
Gráfica 05 - Características de la fibra de carbono
Fuente: Elaboración Propia
Se han realizado los cálculos para dos secciones distintas: una sección cuadrada de aluminio y una sección circular de fibra de carbono. En ambos casos el esfuerzo normal máximo se encontraba por debajo del límite elástico del material: los resultados son similares y al ser el aluminio más barato, más fácil de mecanizar y menos frágil es preferible, antes que la fibra de carbono. Además, seleccionar una sección cuadrada permite encajar más fácilmente la barra entre las placas centrales ya que es más fácil de atornillar. Las dimensiones de las barras vendrán
determinadas por el tamaño de la hélice; se obtienen ajustando la distancia entre las hélices para que estén cerca entre sí, pero sin poder chocar.
Para el dimensionado de la pieza central, se ha modelizado cada una de las dos placas planas como una viga de sección variable y fabricada mediante impresión 3D en material PLA. Utilizando la ecuación de la elástica y el cálculo de esfuerzos en cada sección se obtiene la variación de dicho esfuerzo a lo largo de la placa, que decrece continuamente debido al aumento del área de la sección.
Gráfica 06 - Esfuerzo a lo largo de la placa plana
Fuente: Elaboración Propia
Comparando el valor de dichos esfuerzos con el de resistencia a tracción del PLA, se comprueba que el material resistirá los esfuerzos.
4.Conclusión.
A pesar del reciente desarrollo de las nuevas tecnologías y la innovación, la tarea de maximizar la autonomía del dron se puede abordar desde metodologías clásicas de diseño, ya que al fin y al cabo diseñar un cuadricóptero con la máxima autonomía posible es la optimización de un sistema y procesos. Sin embargo, el análisis físico del sistema y su optimización no basta para satisfacer las necesidades del mercado:
nadie va a querer un dron con mucha autonomía si éste no sirve para nada más.
Pese a quien le pese lo hecho hecho está, así que habrá que innovar y así sucesivamente.
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https://www.botlink.com/blog/the-3-main-categories-of-drones-and-what-they-do Vision Processing Opportunities:
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Descubrir las aeronaves no tripuladas, Ángel A. Rodríguez Sevillano.