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HuborCopter

quadcopter

 

Sección dedicada al diseño, construcción y programación de los helicópteros de cuatro hélices (quadrotor o quadcopter).

 

 

Es muy importante adquirir unas nociones básicas de técnicas de vuelo para diseñar y controlar los quadcopter. Entender cómo vuela un quadcopter y las diferencias que existen con otro tipo de dispositivos de vuelo.

Existen cuatro fuerzas que actúan en todo momento sobre un dispositivo volador. Unas son favorables y las otras desfavorables. La tarea de pilotaje consiste esencialmente en controlarlas para mantener nuestro equipo en vuelo de forma segura y estable. Según cómo el aparato responda a estas fuerzas se provocará que suba, descienda, se mantenga a una altura constante o gire.

Estas cuatro fuerzas basicas son: sustentación (Lift), Peso (Weight), Tracción o empuje (Thrust) y Resistencia (Drag). El siguiente diagrama muestra cada una de estas cuatro fuerzas.

HuborCopter Fuerzas En Vuelo

Todo dispositivo se encuentra con la oposición de las dos fuerzas dibujadas en rojo frente a su intento de volar. El peso, la fuerza con que la masa de la tierra y del avión se atráen, lo mantiene pegado al suelo. Y la resistencia, la fuerza que surge por el rozamiento que sufre el avión contra el aire en movimiento que le rodea, lo mantiene en reposo. Para que el dispositivo vuele es necesario contrarestrar los efectos de estas dos fuerzas con otras dos de sentido contrario (las dibujadas en azúl). La sustentación debe superar el peso del avión para mantenerlo en el aire y la tracción o empuje debe superar la resistencia del aire para lograr que el avión avance.

Los cuatro vectores fuerza mencionados actúan sobre el centro de gravedad del aparato de forma que se suman o restan. El cuerpo se mueve en el vector resultante de todas ellas en la intensidad y dirección que este determina, de tal forma que, si el vector resultante fuera nulo, el equipo permanecerá estático.

Un quadcopter se diferencia de un avión en que no tiene alas propiamente dichas y, por lo tanto, no genera ninguna fuerza de sustentación por su diseño constructivo. El quadcopter tiene que "crear" sus propias alas. En el avión generamos sustentación a base de hacer que el aire impacte a bastante velocidad contra el borde de ataque del ala, en el caso del quadcopter lo que hacemos es mover las cuatro palas contra el aire para que se creen dos "alas giratorias" que generan la deseada sustentación.

Hubsan X4 Plus H107D

Así pues, el quadcopter depende completamente de la fuerza que generen los cuatro rotores que tiene al final de cada uno de sus brazos para compensar su peso y generar el movimiento de ascenso, descenso o mantenerse en alto. Nuestro quadcopter subirá o descenderá, haciendo girar a los cuatro rotores con la misma velocidad, y en función de la velocidad de giro ascenderá, descenderá o se mantendrá a nivel.

Dos de los motores giran en sentido de las agujas del reloj (CW) y los otros dos en sentido contrario a las agujas del reloj (CCW). Cuando mediante un motor nosotros hacemos girar un cuerpo (la hélice ó alas giratorias) se genera una fuerza idéntica en sentido contrario a la que gira el rotor. Por esa razón los helicópteros llevan un rotor de cola que anula esa fuerza y le permite mantenerse estable en su dirección. Si perdiese el rotor de cola, el helicóptero empezaría a girar en sentido contrario al rotor principal hasta estrellarse. Para anular este par motor que cada uno de las motores del quadcopter genera se ponen dos motores girando en sentido de las agujas del reloj y los otros dos girando en sentido contrario a las agujas del reloj. De esta manera se logra la estabilidad en la dirección.

El siguiente diagrama muestra el movimiento de cada uno de los motores y las flechas del mismo grosor indican que todos ellos giran a la misma velocidad.

altitud

Y una cosa importante a tener en cuenta, las hélices de los motores que giran en sentido de las agujas del reloj y las de los motores que giran en sentido contrario a las agujas del reloj son diferentes. Si fueran iguales unas empujarían el aire hacia abajo y las otras hacia arriba. Hay que tenerlo en cuenta si nos vemos obligados a sustituirlas en algún momento por que se hayan roto o deteriorado. Las helices de los motores que giran en sentido de las agujas del reloj (CW) se inclinan hacia la derecha y las helices de los motores que giran en sentido contrario a las agujas del reloj (CCW) se inclinan hacia la izquierda.

QuadCopter PlusConfig 400x319

Durante el vuelo una vez que ya nos hemos elevado del suelo, además de ascender y descender modificando la velocidad de giro de nuestros rotores, podemos girar con respecto a los tres ejes de rotación de nuestro dispositivo de vuelo. Los giros según los tres ejes posibles reciben el nombre de alabear (roll), cabecear (pitch) y guiñar (yaw). Cuando el giro se produce en el eje transversal o lateral se denomina cabeceo, cuando se produce en el eje longitudinal se llama alabeo y cuando lo hace sobre el eje vertical, se dice guiñado.

ejes

En las siguientes imágenes se muestran varias imágenes con los tres ejes y el nombre que recibe el giro según el eje sobre el que se produce. Es importante comprender bien estos tres movimientos porque son la base del gobierno de nuestro quadcopter.

PitchRollYaw

PitchRollYaw 4

En el caso de los aviones se utilizan los alerones (aileron) situados en las alas, los semitimones (elevator) situados en la cola y el timón de cola (rudder) para lograr estos movimientos.

roll yaw pitch 2

150px Aileron rollAileron pitchAileron yaw

Pero en el caso de un quadcopter no disponemos ni de alerones, ni de semitimones, ni de timón. Así que tenemos que lograr los movimientos (controlar la trayectoria de vuelo del quadcopter) gestionando la velocidad de cada uno de los motores de forma independiente. Cuando las velocidades de rotación de los cuatro motores son todas iguales y suficientemente rápidas, entonces el quadcopter se eleva. Si variamos las velocidades de rotación de uno o más de los motores del quadcopter logramos alterar la trayectoria de vuelo del aparato provocando el giro del dispositivo en cualquiera de los tres ejes de rotación posible.

Pero gobernar un quadcopter manualmente es necesario ir modificando continuamente la velocidad de rotación de cada uno de los cuatro motores de forma independiente. Una tarea prácticamente imposible para ningún piloto. Es fácil de entender el porqué los quadcopter tripulados permanecieron como un objetivo inalcanzable hasta el advenimiento de las técnicas automatizadas de control de vuelo. Afortunadamente, con el controlador de vuelo automátizado de nuestra lado, lograr los movimientos en los tres ejes y ascender o descender se puede llevar a cabo de forma sencilla con ayuda de los dos joysticks situados en el mando de control. Con uno de los joystick controlamos la altura y el guiñado. Y con el otro el cabeceo y el alabeo.

roll yaw pitch 3

Como ya vimos hace un momento, el mando de la altitud mantiene los cuatro motores con el mismo empuje y variando más o menos la velocidad de los cuatro rotores al mismo tiempo se logra hacer subir o descender el aparato.

Puesto que un quadcopter es simétrico respecto a los dos ejes (a diferencia de un avión que es claro dónde se encuentra la cabina y dónde la cola), cabecear y alabear son dos conceptos puramente arbitrarios.

quadcopter ejes

Por ese motivo, todos los quadcopter indican de alguna forma (con luces o marcas de colores diferentes) cuál es la parte delantera y cuál es la parte trasera.

quadcopter luces

Con el mando pitch hacemos cabecear el aparato modificando dos de los motores (que se encuentran enfrentados uno con el otro) con la misma diferencia de velocidad pero en sentidos opuestos (uno sube la velocidad y el otro la baja en la misma proporción). Los otros dos motores permanecen con velocidad de rotación constante. 

pitch

Con el mando roll hacemos alabear el aparato modificando los otros dos motores que se encuentran enfrentados con la misma diferencia de velocidad pero en sentidos opuestos (uno sube la velocidad y el otro la baja en la misma proporción). Los otros dos motores permanecen con velocidad de rotación.

roll

Por último, con el mando yaw hacemos guiñar el aparato subiendo la velocidad en el mismo sentido de giro de dos de los motores enfrentados mientras los otros dos se mantienen estables.

yaw

Por último, nos queda un concepto muy importante que mencionamos de pasada anteriormente. El denominado centro de gravedad (CG) de nuestro equipo de vuelo. El centro de gravedad es el punto imaginario dentro del quadcopter ubicado en el lugar donde si fuera colgado con un hilo por ese sitio se suspendería en una posición perfectamente estable. En el mundo de la aeronáutica real este punto determina si un avión es estable. Como es lógico, en el caso de un quadcopter se supone que ese punto está situado en todo el centro, porque de otra forma (si el punto estuviera desplazado hacia alguno de los lados) sería inestable y muy difícil de controlar.

CentroDeGravedad

Aunque parece una obviedad es muy importante tenerlo en cuenta cuando se realiza el diseño de un quadcopter. Normalmente los quadcopter incluyen varios accesorios (antena de transmisión de datos, batería, cámara de vídeo, controladora de vuelo, giroscopio, gps, etc) que deben estar perfectamente balanceados respecto al punto de gravedad. Si nos resulta difícil gobernar nuestro quadcopter, un punto importante de comprobación previa debería ser si el punto de gravedad está correctamente centrado. Si no lo estuviera, deberíamos proceder a su correcto ajuste mediante la utilización de pesos muertos.

 


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2014.

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