Banco de pruebas para multicópteros

Con motivo de poder hacer pruebas e ir depurando código he estoy usando este soporte que utilizo como simulador.

Permite al hexacóptero moverse en los 3 ejes, Pitch, Roll y Yaw evitando posibles acidentes y daños materiales.

Dimensionar.Cómo elegir los motores y Hélices para cuadricópter o multicóptero. Tutorial

Hay que tener en cuenta que hay tomar como un conjunto Motor + Hélice, ya que cada motor se comporta de manera diferente con diferentes tipos de hélices.

Para el dimensionamiento del conjunto se ha usado el programa “Drivecalculator 3.4” que es una herramienta para el análisis de motores Brushless para vehículos aéreos radiocontrol. Este programa contiene una base de datos actualizada con los motores, hélices, ESCs, baterías, estatores y engranajes de transmisión. Así podemos simular el comportamiento de los diferentes elementos.

Para el proceso de elección primero se ha elegido un catálogo de un distribuidor, en este caso Hobbyking un distribuidor de artículos de aeromodelismo y radio control bastante importante y conocido a nivel mundial con almacenes en Hong-Kong, China, Australia, Alemania y Estados Unidos.

De entre los motores disponibles por el distribuidor hemos comparado siete motores brushless de la marca Turnigy, entre un rango de precio alrededor de 20$ la unidad. Turnigy es una marca asociada a hobbyking, así conseguimos una alta relación calidad/precio. Estos motores son:

Modelo	Kv (rpm/V)	peso (g)	precio
Tower Pro 3015	1000	133	$          17.04
Turnigy 2217 16turn	1105	71	$          15.38
Turnigy 2217 20turn	860	71	$          14.04
Turnigy AerodriveXP SK 3548	900	171	$          24.85
Turnigy AerodriveXP SK 3530	1074	79	$          17.86
Turnigy 3632	1134	99	$          19.71
NTM prop drive Series 35-36A	851	112	$         18.83

      Los modelos de  hélices  utilizadas, son quizá las más económicas del mercado actual. Todas las hélices de bajo coste necesitan ser balanceadas, es decir, no son exactamente simétricas en masa y forma. Por lo que precisan de un proceso de calibración previo. Este proceso consiste en colocar la hélice en un eje e ir limando hasta que se quede en equilibrio.
Cómo utilizar el Programa DRIVE CALCULATOR
         Con la ayuda de este programa podemos conocer como se comportaría el conjunto de elementos batería + ESC + motor + caja de cambios + hélice.       El proceso de diseño consiste en fijar todos los elementos menos los motores. Acto seguido pulsar en (buscar motores) y saldrá una lista de los motores adecuados a esa configuración y de entre esta lista seleccionaremos los que aparecen en el catálogo del distribuidor.

Cuadricópteros

Intro:

          UAV (Unmanned Aerial Vehicle) como dicen sus siglas, es un vehículo aéreo no tripulado, ya sea totalmente autónomo, por control remoto, RPA (Remote Piloted Aircraft) o sistemas mixtos. Tradicionalmente se han usado con fines militares, pero  actualmente se están desarrollando muchos otros usos civiles. Particularmente el uso con fines fotográficos me produce más interés.

Producción e investigación global: (UAV) (wikipedia)

             The United States and Israel were initial pioneers in this technology, and U.S. manufacturers have a market share of over 60% in 2006, with U.S. market share due to increase by 5–10% through 2016. Israeli and European manufacturers form a second tier due to lower indigenous investments, and the governments of those nations have initiatives to acquire U.S. systems due to higher levels of capability. European market share represented just 4% of global revenue in 2006.

Multicóteros:

       Un multicóptero es basicamente un helicótero pero con varios ejes y motores independientes. Existen tricópteros, cuadricópteros, hexacopteros, octocópteros... Tienen buena estabilidad y capacidad de carga.  Las hélices giran en sentidos contraopuestos para evitar que  gire sobre su propio eje de forma continuada debido a la inercia de las hélices. El control se lleva a cabo con una placa electrónica central que varía la velocidad de giro de cada motor independientemente, así se consiguen todos los movimientos posibles.

Usos no militares: 

• Vigilancia aérea de grandes superficies mediante sistemas UAV low cost.
• Trasporte de bienes.
• Investigación científica: Sensado remoto, vehículos equipados con sensores de cualquier tipo: espectro electromagnético, sensores biológicos, químicos... 
• Búsqueda y rescate en catástrofes naturales.
• Otros fines comerciales como la fotografía y video aéreo. Como es el caso de Jeff Scholl, un americano que se dedica a la fotografia aérea profesionalmente. Su facebook. Tiene fotos y videos realmente impresionantes.

www.gravityshots.com

Algunos de los aparatos que usa Jeff Scholl para sus grabaciones son:

Alguno de sus videos:

        Para poder grabar con estabilidad necesitamos un estabilizador Nick and Roll compensation:

          Con dos servos y unos amortiguadores del tipo rubber dampeners, dampeners2 reduciremos las vibraciones procedentes de los motores.

            Desde la universidad de Pennsylvania, el  GRASP Lab està trabajando en movimientos avanzados para quadricópeteros autónomos, aqui muestro algunos de sus videos:

:

         En el siguiente video podemos ver un equipo de cuadricópteros cooperando para construir el marco de una pequeña estructura, un pequeño ejemplo del gran potencial que pueden llegar a tener estos ingeniosos aparatos en diversas tareas:

Ver Multicópteros

Presupuesto aproximado Cuadricóptero y hexacóptero

             Para hacernos una idea de cuánto puede costar un cuadricóptero básico voy a elaborar una lista de componentes inprescindibles: 

• Motores

• Hélices (Propellers)

• Variadores de velocidad (ESC)

• Electrónica 

• Recepctor y emisor de radio

• Chasis (Frame)

Motores: 

Variador de velocidad (ESC):

Se encargan de convertir la corriente continua de las baterías a una trifásica alterna, que es la que necesitan nuestros motores.

Emisor-receptor:

Recibe ordenes desde el control remoto.

Hélices:

Importante elegir las hélices y motores correctos. Se puede ver aquí los pasos a seguir para cómo dimensionarlos.

Quadricopter:

Los precios unitarios a continuación son precios medios de productos de gama media-baja. Aunque suficientes para empezar.

Elemento	Cantidad	Precio unitario	Precio Total
Motores	4	20$	80$
ESC	4	12$	48$
Hélices	4+4 Repuesto	3$	24$
Reciver y emisor	1	53$	53$
Baterias	2	25$	50$
Electrónica	1	250$	250$
chasis	1	¿? $	¿? $
TOTAL		TOTAL	500$

Hexacopter: Descarga aquí el Archivo excel.

Elemento	Cantidad	Precio unitario	Precio Total
Motores	6 +1	20$	140$
ESC	6	12$	72$
Hélices	6+6 Repuesto	3$	36$
Reciver y emisor	1	53$	53$
Baterias	2	25$	50$
Electrónica	1	250$	250$
chasis	1	¿? $	¿? $
TOTAL		TOTAL	601$

       Faltaría por añadir la electrónica y el chasis. Para la electrónica existe un proyecto Open Source con  mucha información en la su página web,DIYdrones, (versión en español) que está basado en Arduino. Consiste en una placa llamada ArduPilot (placa roja) y otra de sensores IMU shield (azul) que controlan todo tipo de aeronaves no tripuladas, ya sean helicopteros, multicopteros o aeroplanos. Está equipada con casi todos los sensores necesarios para controlar este tipo de aparatos.

      

         Es muy modulable y posee bastantes pines libres, de forma que puedes ir añadiéndole sensores u otros elementos como estabilizadores para cámaras, accionadores... Tiene conexión para el receptor de radio, es posible añadir telemetría, conexión USB para programar el micro 1280 y dispone de un relé para accionar periféricos.

El hardware incluido es:

• 3-axis gyros

• 3-axis accelerometers

• Barometric pressure sensor for altitude

• 10Hz GPS module

• Voltage sensors for battery status

• 16Mb of onboard datalogging memory. Missions are automatically datalogged and can be exported to KML

• Built-in hardware failsafe processor, can return-to-launch on radio loss.

• Include relay can trigger any device, can be controlled by mission scripts.

• (Optional) 3-axis magnetometer

• (Optional) Airspeed sensor

• (Optional) Current sensor

       El costo de este kit es de casi 250$, el de la imagen, aunque puedes disponer de uno más básico prescindiendo del GPS y magnetometer de 3 ejes, pero no bajaría de los 200$. 

Actualización: Ya está disponeble la versión 2.5 la cual es más compacta y consta de algunas mejoras respecto a sensores. El precio a bajado a 199$!!

       El chasis galería de imágenes orientativos de chasis, quedaría por definir el diseño en función de los materiales y herramientas para su construcción disponibles.

Aunque existen muchos chasis disponibles por la web bastante interesantes. Más fácil si no dispones de un taller con las herramientas necesarias.

Cámaras:

         El objetivo de las cámaras es doble, transmisión en tiempo real y grabar video en alta cálidad o tomar fotos panorámicas. Aunque para nuestro hexacopter en una primera fase de diseño no tendrá cámaras.

          La cámara para la transmisión puede ser de baja resolución y envía las imágenes a tierra para poder llevar a cabo un mejor pilotaje o acceder a zonas donde se pierda la visión directa. También es útil para hacerse una idea de lo que se está grabando aproximadamente con la otra cámara. Tiene un peso aproximado de 16 gramos. OSCS420.  Muchas cámaras tienen salida de video, por lo que no necesitamos doble cámara.

          Como elemento principal de grabación se usan cámaras de fotografía de alta calidad/precio, para obtener buena resolución y nitidez. Estas imágenes/vídeos se almacenan para luego ser descargados por el procedimiento habitual en tierra. Es muy importante tener un estabilizador para la cámara que amortigüe las vibraciones y giros bruscos, de lo contrario el resultado no sería  bueno.

         Existe un modelo llamado GoPro que está especialmente diseñada para grabaciones en primera persona (POV) en deportes extremos como motocross, montainbike, surf, Skateboard, snowboard ... Sólo tiene las prestaciones necesarias para grabar y tomar fotos, así se consigue un peso mínimo con una alta calidad. Además soporta golpes y reduce "un poco" las vibraciones. Su precio oscila sobre 200$ y un peso de 94 gramos. Aquí podemos encontrar una protección bastante útil para la lente, así evitamos usar la carcasa ahorrando casi 100g de peso.

              Para la transmisión del vídeo necesitaremos un emisor y receptor independiente de este tipo.

                 Su precio está en 100 dólares aproximadamente y puede alcanzar unos 2 o 3 kilómetros. Los pesos y medidas son:

TX = 80.8 gram

TX + antenna = 91.4 gram

Camera = 12.6 gram

Camera + wires = 19.0 gram

Camera-TX-wire = 60 cm

Lipo-TX-wire = 34 cm

Ver más en Multicópteros!!!