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HuborCopter

quadcopter

 

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

 

 

Puesto que los quadcopter no son tripulados, es evidente que la persona que los pilota debe hacerlo situada fuera de él. Para gobernarlos utilizamos un mando por radio.

rc airplane transmitter

Existen muchos modelos diferentes de mandos RC. Pero, a los efectos de un primer acercamiento a los conceptos de radio control, podemos admitir unas cuantas simplificaciones que nos ayudarán a entender su manejo. La primera cosa que tenemos que tener en cuenta es que los mandos RC han sido diseñados para gobernar aviones y no quadcopter. Pero eso no tiene que significar ningún problema para nosotros, porque el controlador de vuelo incluido en el quadcopter se encarga de traducir las órdenes de mando habituales en el mundo de los aviones a las señales adecuadas para fijar las velocidades y sentidos de rotación de cada uno de los cuatro motores disponibles para lograr el resultado deseado en el mundo de los quadcopter.

En nuestro caso vamos a estudiar el mando que viene con nuestro quadcopter H107D-X4. La referencia de este mando es H107D-A05.

mando rc hd107d a05

El mando RC siempre dispone de dos joystick que son los dos principales controles que usaremos para guiar el vuelo de nuestro quadcopter. El joystick de la izquierda controla la altitud (altitude) y el guiñado (yaw). Con el de la derecha controlamos el alabeo (roll) y el cabeceo (pitch) de nuestro quadcopter.

roll yaw pitch 3

Empujar hacia adelante el joystick izquierdo incrementa la velocidad de giro de los cuatro motores de la misma forma provocando que el quadcopter se eleve verticalmente. Tirando hacia atrás de este mismo joystick izquierdo reduce la velocidad de giro de los cuatro motores provocando que el quadcopter descienda verticalmente. 

Unos desplazamientos similares sobre el joystick derecho generará una acción de control del movimiento de nuestro quadcopter mucho más interesante y compleja. En principio, empujar el joystick derecho provoca el incremento del cabeceo (pitch) de nuestro quadcopter y provocar que este se desplace hacia adelante y tirar del joystick genera la disminución del cabeceo y provocar que se frene. En una avión normal, cambiar la posición del semitimón de cola (elevator) provoca el cabecero. Pero, como ya hemos dicho, en un quadcopter no existe el semitimón de cola. Así que el cabeceo se logra variando la velocidad de giro de los motores que se encuentran por delante del centro de gravedad. Al reducir la velocidad de estos dos motores, el quadcopter debería cabecear y avanzar hacia adelante.

Pero el proceso no es tan simple, porque avanzar no debe suponer una variación de la altura. La velocidad de giro de todos los motores debe variar para provocar el cabeceo pero mantener la altitud constante.

La siguiente ecuación nos ayudará a entender el funcionamiento. MP1 es la velocidad de giro del primer motor, MP2 la del segundo, MP3 la del tercero y MP4 la del cuarto. La altitud T se logra cuando los cuatro motores giran a la misma velocidad y es mayor cuanto mayor sea la velocidad de giro. Matemáticamente lo expresamos de la siguiente manera:

MP1 = MP2 = MP3 = MP4 = T

Si para lograr el cabeceo, incrementamos la velocidad de dos motores, para no modificar la altura tenemos que decrementar en la misma medida la velocidad de los dos restantes. Así que la controladora de vuelo debe calcular una compensación de la velocidad (offset) para que al aplicarla en sentido positivo sobre dos motores y en sentido negativo sobre los otros dos motores mantenga equilibrada la altura del aparato. Matemáticamente el cabeceo lo expresamos así:

MP1 = T - offset

MP2 = T - offset

MP3 = T + offset

MP4 = T + offset

Incrementar la elevación (altitude) actuando sobre el acelerador (throtle) al tiempo que se incrementa el cabeceo (pitch) incrementando el subtimón de cola (elevator) provocará que el quadcopter tenga un ascenso más convencional que la subida puramente en vertical más propia de los aviones de despegue vertical o los helicópteros.

Realizar un guiñado con el quadcopter sin modificar la altitud es una operación muy similar a la del cabeceo. En este caso tenemos que incrementar la velocidad de rotación de los motores CCW para lograr el guiñado, pero también reduciendo la velocidad de los motores CW para no variar la altitud. Matemáticamente expresamos el guiñado así:

MP1 = T + offset

MP2 = T - offset

MP3 = T + offset

MP4 = T - offset

Realizar el alabeo se logra de forma muy similar. En este caso tenemos que incrementar la velocidad de rotación de un motor CW y uno CCW y reduciendo la velocidad de rotación de los otros dos motores para no variar la altitud. Matemáticamente expresamos el alabeo así:

MP1 = T + offset

MP2 = T - offset

MP3 = T - offset

MP4 = T + offset

Las ecuaciones propuestas están muy simplificadas para entender el funcionamiento básico de los movimientos generados en el quadcopter mediante la variación de las velocidades de los diferentes motores. En la vida real el control del quadcopter no es tan simple y necesitamos también contar con la información de algún tipo de sensor que informe a la controladora de vuelo sobre la posición real de nuestro equipo para tomar las decisiones adecuadas. Por este motivo, normalmente las controladoras de vuelo llevan incorporado un chip que realiza las funciones de giroscopio y que pasa la información de la posición relativa respecto a los tres ejes a la controladora para ayudar a realizar los movimientos de forma mucho más suave. En la siguiente imagen se muestra unos algoritmos más completos como ejemplo. Pero para nuestro propósito en este momento es suficiente con la simplificación y resulta mucho más claro de entender.

giros ecuac matemat

Lo único importante a tener en cuenta en este momento, es que la controladora de vuelo obtiene mucha más información adicional para realizar complejos cálculos para generar el control de la velocidad y sentido de giro de cada uno de los cuatro motores para reflejar los movimientos en el quadcopter deseados por el usuario mediante la utilización del mando de radio control. Y que esta información se analiza de forma muy eficiente en tiempo real para ajustar las posibles interferencias que se producen.


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2014.

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