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Consideraciones de diseño a la construcción de un multicóptero RC para fotografía aérea

8 octubre, 2016 - ajustes, helicópteros
Consideraciones de diseño a la construcción de un multicóptero RC para fotografía aérea

Estas notas son la fase previa al proyecto de construcción de un multicóptero profesional para fotografía aérea. El objetivo ahora es realizar unas estimaciones  generales que nos permitan determinar el hardware necesario para montar un multicóptero o drone a medida con garantías de operatividad, capaz de transportar una cámara tipo reflex de tamaño medio.

Nuestro multicóptero estará compuesto de elementos constructivos ya existentes en el mercado. El objetivo es, básicamente, poder determinar los componentes adecuados (frame, motorización, hélices, controladora, etc.) del amplio abanico disponible realizando las modificaciones necesarias si fuera el caso.

Finalidad del multicóptero

Para hacer un diseño correcto debemos de tener en mente primero el uso final del aparato, ya que eso determina la elección de determinados elementos importantes. Existen básicamente dos tendencias:

Los multicópteros con más agilidad y capacidad acrobática, suelen tener menor capacidad de carga. Su chasis debe ser ligero y con perfil lo más aerodinámico posible. Normalmente montan motores de mayor número de kv y hélices más pequeñas que giran a más velocidad. Los motores tienen menos torque y responden mejor a los cambios de aceleración.

Los multicópteros con mejor estabilidad y capacidad de carga suelen tener menor agilidad y capacidad acrobática. Normalmente montan motores de menor número de kv y gran empuje así como hélices mayores que aportan una mayor estabilidad. Estos motores proporcionan mayor torque pero responden peor a cambios bruscos de aceleración.

En nuestro caso, la intención es disponer de un drone versátil, de tamaño reducido capaz de operar con una carga equivalente a la de una cámara tipo SLR y un objetivo gran angular medio. Está claro que nuestras opciones de diseño van por la segunda tendencia.

Número de rotores

Un multicóptero funciona con rotores inversos, normalmente dos a dos. Es decir, normalmente un número par de hélices giran en un sentido y el mismo número par gira en sentido contrario. A mayor número de rotores mayor capacidad de carga y mayor estabilidad. Pero al aumentar los rotores también aumenta el peso del modelo, aumentando el consumo eléctrico y disminuyendo la autonomía de vuelo.

Analizando los diversos drones comerciales en el mercado, atendiendo a su capacidad de carga máxima, podemos establecer tres niveles aproximados:

Capacidad de carga: 900g-1,2Kg
Baterías de tipo 3S.

Chásis tipo 650-800
Batería tipo 3S a 6S
Palas de hélice de 12» hasta 15»
Motores de 320Kv – 850 Kv
Capacidad de carga: 2-3Kg
Pesos aprox: 2-4 Kg sin batería

Peso aprox: 4kg o más
Capacidad de carga: 5-6kg o más.

A continuación se da un repaso a los diversos elementos constructivos de un drone munticóptero. Para finalizar, se expondrá una primera selección razonada de componentes.

Chásis (frame)

El frame de un multicóptero es el armazón o estructura que soporta todos los elementos. Existen muchos tipos, formas y materiales. El frame puede contener varios pisos para instalación de electrónica, puede disponer carcasa, distribución de carga, etc.

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En general debe ser rígido y pesar lo menos posible. Se utilizan materiales como el aluminio, fibra de vidrio, diferentes tipos de plásticos y fibra de carbono.

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Muchos de ellos, especialmente los de mayor tamaño, se pueden plegar para un mejor almacenamiento.

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En el mercado existen gran cantidad de tipos de frames para montarnos un drone a la medida de nuestras necesidades.

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En la actualidad la fibra de carbono es uno de mejores materiales existentes, posee una gran resistencia mecánica y un peso mínimo debido a su baja densidad.

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Hélices

Las hélices de cualquier multicótero funcionan siempre en pares en ambos sentidos de giro, dos a dos. Los datos fundamentales de la hélice son el diámetro y el paso. Normalmente las especificaciones del motor ya indican el tamaño aproximado de hélices recomendado.

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En cuanto al número de palas, las que se utilizan habitualmente son bipala y tripala. La tripala permite reducir el diámetro de las palas generando el mismo empuje ya que proporcionan mayor tracción al tener mayor superficie de fricción. Al mismo tiempo el equilibrio de la hélice mejora al aumentar el número de palas, aunque su equilibrado es más difícil. Por el contrario, las hélices de tres palas son menos eficientes que las de dos ya que generan mayor fricción.

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Las medidas de las hélices vienen dadas normalmente por dos números. El primero indica la longitud total (diámetro) y el segundo la medida el ángulo de torsión o «paso». Por ejemplo, una hélice 12 x 4.5 (o como también suele indicarse: 1245) (pulgadas)  tiene de largo 12 pulgadas y 4.5 pulgadas de paso. Este «paso» indicado como longitud y no como ángulo, es el espacio longitudinal que recorrería la hélice con una vuelta completa de la misma si el rendimiento fuese del 100%.

En cuanto al material en que están hechas las hélices, el carbono es sin duda uno de los mejores que se pueden utilizar hoy día, por los mismos motivos que en el frame.

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Motor (brussless)

Las especificaciones en los motores eléctricos incluyen varios parámetros que definen el comportamiento eléctrico y físico del mismo. En aeromodelismo, un parámetro importante es el llamado kv que define la velocidad rotacional por voltio. Es decir que si aplicamos una batería de 3S (11,1V) a un motor de 2400kv, tendríamos una velocidad de rotación máxima de 2400×11,1=26640 rpm. A mayor rpm, mayor velocidad pero también menor par (torque) T, por lo que siempre hay que encontrar un valor de compromiso. En general para aeronaves veloces y ligeras se utilizan valores de kv altos aunque tengan menos par, y para aeronaves más lentas, estables y pesadas se utilizan valores más bajos de kv y mayor par T.kde1806xf-2350_3

Además del valor KV, los motores brusless vienen definidos por un número de cuatro cifras. Las dos primeras cifras indican el tamaño interno del stator o diámetro del mismo en miímetros, y las dos siguientes la altura del stator.

Por ejemplo, un motor  2810 tiene un estator de 28mm de diámetro y 10 de alto.

Nota: Estas medidas están ya más o menos estandarizadas y nos dan una idea de la envergadura del motor. Pero algunos fabricantes, y sobre todos en motores más antiguos, lo que miden son el diámetro exterior del motor y su altura.

Los motores bruslless no tienen un sentido definido de rotación sino que depende de cómo conectamos las fases. No está demás recordar cómo se especifican los sentidos de rotación:

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CW sentido horario (clockwise)
CCW sentido antihorario (counterclockwise)

Cuando se habla de un motor brusslless CW o CCW, lo que se está indicando es el sentido de la rosca que se le ha dado a su eje. Esto es así para poder enroscar hélices CW o CCW y que el sentido de giro que actúa apriete la tuerca de la hélice y no la afloje cuando el motor gire.

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Los ESC o variadores

Los ESC (Electronic  Speed Control) son los componentes electrónicos que, alimentados por la batería, proporcionan las tensiones variables o señales eléctricas que necesitan los motores brussless para girar.

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El dato más importante del ESC es su corriente máxima de trabajo. A la hora de seleccionar un ESC siempre debemos fijarnos en las especificaciones del motor que vamos a conectarle, especialmente en la corriente máxima de trabajo. Siempre debemos seleccionar un ESC de un valor de amperios A como mínimo superior a la corriente máxima del motor al que vaya a alimentar.

Por ejemplo, un motor  Multistar Elite 2810-750kv desarrolla una potencia máxima de 320W con un consumo de 21.5A. Por lo tanto podríamos seleccionar un ESC de por ejemplo 30A con total tranquilidad.

Otro tema importante es el BEC (Battery Elimination Circuit). Un ESC puede incorporar BEC o no. El BEC es un circuito electrónico que permite conectar el receptor y la electrónica del modelo a la batería LiPo. Si el ESC no es BEC tendríamos que alimentar la electrónica con otra batería específica o utilizar un circuito BEC independiente fuera del ESC.

El que el ESC incorpore integrado el BEC en general es una ventaja para ahorrar peso al modelo y simplificar el cableado. Algunos fabricantes lo llaman UBEC, S-BEC, etc.

Controladora de vuelo

La controladora de vuelo es el componente electrónico que regula en cada momento la potencia de cada motor para que el drone haga lo que tiene que hacer. Para ello utiliza, además de un microprocesador, sensores de diversos tipos que le permiten tener información del medio para tomar decisiones de control sobre los actuadores pertinentes. Los sensores habituales que se utilizan son de los siguiente tipos:

Hay más sensores que se pueden utilizar:

Existen en el mercado varios tipos, tanto comerciales como de código abierto. A continuación se mencionan sólo algunos de ellos.

APM (ArduPilotMega)

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Basada en la controladora Arduino, la APM sin duda es la que ha abierto el sendero del autopiloto de código abierto. La última versión es la 2.8. Actualmente está siendo desplazada por otras controladoras como la Pixhawk.

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Se trata de una versión reducida del APM para ser utilizado en vehículos más pequeños.sku156504-04

Pixhawk

Posiblemente sea en la actualidad la más potente y versátil controladora de código abierto. La Pixhawk está diseñada y mantenida por la empresa 3D Robotics.

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Naza

Controladora comercial de dji. Existen varias versiones. Es una controladora robusta y de eficacia probada. Al ser un producto comercial su precio es algo superior a las demás.

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KK

Se trata de una controladora eficiente y sencilla de configurar. La simplicidad en su manejo ha sido una premisa en su diseño y es utilizada por muchos principiantes. Comercializada por  HobbyKing, es la única que dispone de un display para ayudar en su configuración.

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CC3D

La CC3D es una controladora económica, versátil y sencilla de configurar. Es muy utilizada en drones pequeños.

 

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El uso de estas controladoras ha impulsado la expansión de los drones en muchos ámbitos de la industria, permitiendo abarcar aplicaciones que antes eran impensables. Dando un paso más hacia adelante, está la combinación de la controladora de vuelo tradicional junto con algún microordenador de propósito general, como la Raspberry. Se abre aquí un mundo casi infinito de posibilidades de control sobre la aeronave que abrirán el camino para nuevas aplicaciones. Esta parece ser la tendencia actual en el desarrollo de la tecnología de los drones. A continuación se dan dos ejemplos.

Navio + Raspberry Pi

La Navio es una controladora de vuelo basada en Pixhawk diseñada para ser ensamblada a la Raspberry. Para la configuración de la Navio ya no hace falta un PC con el software Mission Planner, sino que la configuración se realiza íntegramente desde la Raspberrhy. Desde un punto de vista práctico es como si la conectividad de la Pixhawk se expandiera a través de los interfaces de la Raspberry: WIFI, Bluetooth, Ethernet…

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Raspberry Pi Zero + PXFmini

La PXFmini es una tarjeta autopiloto pequeña y económica diseñada para ser utilizadas con la serie Raspberry y desarrollada por la empresa española Erle Robotics.

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Sistema FPV

FPV (First Person View) ha venido a traer una nueva experiencia en el mundo del RC. En realidad es una técnica que existe ya desde hace bastantes años y se utilizaba principalmente en aviones. No existía GPS y el retorno a punto de lanzamiento se hacía por referencias visuales: arboledas, campos de cultivos, etc.

Las partes que componen el sistema de FPV son la cámara y el transmisor a bordo, el receptor y una pantalla o gafas de visualización en el lado del piloto.

Respecto a las cámaras, normalmente se utilizan cámaras específicas para FPV de tipo CCTV, pequeñas y de bajo peso y consumo. No es recomendable utilizar la cámara de grabación, como GoPro, etc. para hacer FPV, sino que la cámara onboard es más una cámara de pilotaje.

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Atendiendo a la longitud focal se usan tres tipos de cámaras:

La cámaras pueden ser «IR block», es decir, con bloqueo de infrarrojos. Éstas se ven mejor de día que de noche. Para vuelos nocturnos suelen funcionar mejor las que no tienen bloqueo de infrarrojos aunque lo más habitual es volar siempre de día.

En cuanto a la tecnología del sensor las hay de tipo CCD y CMOS. En general las CCD darán mejor resultado para este tipo de cámara.

Otra característica importante de las cámaras son los TVL (líneas de televisión) o resolución en líneas, como las TV antiguas. Tengamos en cuenta que en esencia son similares a las cámaras de vigilancia. A mayor número de TVL, mejor calidad. Además en Europa se utiliza el sistema de codificación PAL (NTSC en América).

En cuanto a las frecuencias de radio se han venido utilizando las bandas de 900Mhz, 1.3Ghz, 2.4Ghz y 5,8Ghz. Nunca se debe utilizar la misma banda para FPV que para la emisora con la que controlamos el vehículo RC, pues podrían interferirse. Lo mejor es utilizar una frecuencia para FPV mayor que para el mando, ya que en el caso de haber interferencias la frecuencia mayor sería la más perjudicada. Es preferible tener interferencias en la imagen que no en el control del vehículo. Como actualmente las emisoras RC son de 2.4Ghz, podemos decir que en FPV se han extendido equipos de 5.8Ghz casi exclusivamente.

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En el lado del receptor se pueden utilizar los llamados AVR para almacenar en una tarjeta de memoria el vídeo recibido. Algunas pantallas ya incluyen AVR e incluso el receptor incorporado.

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Telemetría

La telemetría consiste en recibir del lado del piloto información en tiempo real relativa a ciertos parámetros, voltaje batería, altitud, orientación espacial, etc. La telemetría ha venido siento útil en los helicópteros RC para el control de las revoluciones de motor.

Para la telemetría necesitamos sensores y un emisor en el lado del vehículo, un receptor y medio de visualización en el lado del piloto. En el mundo RC hace ya tiempo que algunas emisoras incorporaban telemetría integrada. Sólo hacía falta añadir un módulo específico en la aeronave.

Para telemetría se utilizan dos frecuencias: 433Mhz y 915Mhz. En España se utiliza 433Mhz. En cuanto a la potencia de emisión lo normal son 100mw con un alcance aproximado de 100-150 metros en abierto. Con una emisora de 500mw se pueden obtener alcances de 2.500 metros.

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Cuando se utiliza FPV lo normal es incorporar datos de telemetría en la propia imagen de vídeo recibida por el piloto. Esto se consigue mediante un módulo OSD que mezcla los datos aportados por la controladora con la imagen de vídeo de la cámara FPV.

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Gimbal

Para uso fotográfico o de filmación, el gimbal es el soporte o plataforma donde va colocada la cámara. El Gimbal es un elemento importante para la obtención de una imagen profesional y debe permitir mantener la cámara estabilizada independientemente de los movimientos del drone.

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El gimbal puede disponer de sensores propios, básicamente acelerómetros y brújula electrónica, así como de varios ejes de rotación, normalmente dos o tres.

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Diseño de nuestro drone

Hasta aquí las consideraciones generales sobre los distintos elementos constructivos de un drone. Ahora vamos a hacer una estimación de los elementos para nuestro drone multicoptero con fines fotográficos.

Elección del frame y número de rotores

Queremos transportar una cámara tipo SLR de tamaño medio con una lente gran angular. Pero puntualmente queremos también poder montar una reflex de mayor envergadura aunque se trate de vuelos más cortos, como la Nikon D800 con una lente 20 mm f2,8 por ejemplo, lo cual ronda un peso aproximado de unos 1200g (cuerpo de cámara+objetivo 20mm sin contar los 75 de batería pues alimentaremos desde las baterías externas).

Según las consideraciones expuestas, seleccionamos para nuestro proyecto un chasis hexacóptero tamaño 680. Los motivos son principalmente la capacidad de carga y estabilidad en vuelo.

El peso total de aparato en despegue (aeronave + carga útil) es determinante. Partiendo de un peso total estimado que hay que levantar en el aire, se trata de obtener el empuje hacia arriba necesario para contrarrestar el peso total y poder maniobrar con seguridad. Este empuje se estima que debe ser como mínimo del orden del doble del peso total. Es decir si el aparato+carga pesan 1,5Kg, para volar sin problemas deberíamos poder generar un empuje ascensional de 3Kg.

Este empuje total depende básicamente del número de motores, potencia de motores y del tipo y diámetro de las hélices. Es evidente que para generar una mayor empuje, necesitaremos baterías y motores más pesados, y que eso influye a su vez en el peso total.

Estimación del peso total

Para determinar la motorización y la elección de hélices, necesitamos conocer el peso total en despegue. Evidentemente el peso total exacto con carga no lo podemos saber ahora pues aún no tenemos seleccionados todos los elementos. Es necesario hacer una estimación inicial, sumando los pesos de los siguientes elementos constructivos, en el caso de que se utilicen todos. Al haber seleccionado como primer elemento un chasis 680, podemos realizar una primera selección de componentes acorde a las recomendaciones de ese chasis:

Chasis Quanum 680UC Pro Hexa-Copter Carbon  851 gr (con tren aterrizaje retráctil)
Motor Multistar Elite 2810-750kv Multi-Rotor  56 gr x 6 = 336 gr
 Variadores (BEC) 30A  35g x 6 = 210 gr
 Batería 4S 5200mAh 10-20C  433 gr
 Controlador Pixhawk 2.4.8  38 gr
 Receptor Specktrum R8000  14 gr
 GPS  Neo M8N GPS con Compass + soporte 50 gr
Hélices de 13×5.5 carbono 15 gr x 6 = 90 gr
Tornillería  –
Gimball  TBD
Carga útil: D800+24mm  1200 gr
 Total  2022 gr

Elección de la motorizacion y hélices

Teniendo un peso máximo en despegue o MTOW (Maximum Take-Off Weight) de algo más de 2000 gr, para poder volar con seguridad necesitaremos un empuje de como mínimo 4000 gr en total.  Como tenemos seis rotores, el empuje mínimo de cada uno de ellos tiene que ser como mínimo mayor de 2022 x 2 / 6 = 674 gr.

Es decir cada conjunto hélice-motor debe ser capaz de generar un empuje de 674 gr.

Ahora es el momento de irnos a la tabla Thrust del motor que hemos seleccionado previamente, en nuestro caso el Multistar Elite 2810-750kv.

Thrust Data:

Vol.     Prop.   Curr.   Pow.   Thrust
11.1V   11x4.5   8.60A   95.0W   625g 
11.1V   10x4.7   13.0A   144W    840g
11.1V   12x3.8   15.9A   176W    1000g 
11.1V   12x4.5   13.4A   148W    955g 
14.8V   10x4.5   14.0A   155W    1005 
14.8V   10x4.7   17.0A   188W    1130g 
14.8V   11x4.5   15.8A   175W    1160g 
14.8V   11x4.7   19.7A   218W    1270g

Este motor es para ser usado con baterías de 3S a 4S. Vemos que con una batería de 3S y una hélice de 12 x 4.5 se genera un empuje máximo de 995 gr. suficiente para mover el hexacóptero con holgura.

Estimación del consumo de batería

Ahora debemos preguntarnos ¿cuanto tiempo volará con estas condiciones? El calculo es en apariencia sencillo, si nuestra batería posee una capacidad de 5000 mAh y estoy consumiendo según la tabla anterior 13.4A el tiempo de descarga sería:

t = 5000 mAh / 13400 mA = 0,373 h * 60 = 22,38 minutos.

En realidad esto es sólo una mera orientación, por muchos motivos. Por un lado la capacidad de la batería se reduce mientras el rating de descarga se incrementa. Por otro lado las baterías LIPO nunca se deben descargar completamente pues quedarían dañadas. Además hemos supuesto condiciones ideales de vuelo, sin mas interacciones externas y también no hemos tenido en cuenta factores de eficiencia. Por último hemos supuesto que el motor siempre está a máximas rpm, lo cual evidentemente no es cierto.

En resumen, seleccionando diferentes tipos de motores, baterías y hélices, obtenemos diferentes capacidades de vuelo.

Elección del ESC

Habiendo seleccionado antes un motor Multistar Elite 2810-750kv, hemos visto que posee un consumo máximo de 21.5A. Así pues elegimos ESCs de 30A, en concreto los Turnigy Multistar 30 Amp BLHeli Multi-rotor Brushless ESC 2-6S V2.0.

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Elección de la controladora

Siendo la primera vez que nos enfrentamos a la elección de una controladora de vuelo, surgen muchas dudas y se requiere consultar mucha documentación, así como recabar experiencias de configuración y operación por parte de otros usuarios. Para nuestro particular, queremos utilizar una controladora de código abierto, bien dotada de sensores así como de posibilidades de conectividad. Nuestra controladora debe ser potente, segura  y versátil.

Nuestra elección es la Pixhawk 2.4.8.

GPS y magnetómetro externo

Utilizar un magnetómetro (brújula), también llamado compass, externo al que incorpora la Pixhawk es muy importante. Es un elemento que se ve muy influenciado por campos magnéticos cercanos, como los generados por la batería y los ESC. El magnetómetro usa el campo magnético de la tierra junto con la información de declinación (gracias al GPS) para saber dónde está el norte.

Siempre se debe montar el magnetómetro en una posición elevada, lo más alejado posible de cualquier objeto metálico o por el que circule corriente, especialmente las baterías y ESCs. Una buena solución es utilizar un GPS con brújula externa incluida, la cual se coloca en  un sopor te elevado.

Siguiendo este criterio, nuestra elección es un GPS  basado en el chip uBlox Neo M8N GPS.

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Se trata de un GPS con brújula. Otra cosa interesante es que Ublox posee un software de descarga gratuita, el u-center, que permite testear el GPS:

https://www.u-blox.com/en/product/u-center-windows

Otros elementos como los componentes del sistema FPV y gimbal quedarían para una posterior fase del proyecto. Así pues,  podemos dividir el proyecto en varias fases evolutivas:

  1. Diseño del drone: elección de componentes (este artículo).
  2. Construcción del drone.
  3. Configuración de la controladora.
  4. Primeras pruebas de vuelo.
  5. Montaje del sistema FPV.
  6. Pruebas de vuelo FPV.
  7. Instalación y configuración del gimbal y control de cámara.
  8. Pruebas de vuelo FPV con filmacion y fotografía real.