UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO PROYECTO DE INVESTIGACION Código del proyecto: Física III-B
I.
GENERALIDADES
1. TITULO 2. PERSONAL INVESTIGADOR INTEGRANTES: Farroñán García Junior Sánchez Crisanto Kevin Piscoya Carhuapoma David León Oblitas José Roque Ramos Cristian López Chung Antony Chujutalli Arrascue Antony CICLO: Tercero CURSO: Física III
3. TIPO DE INVESTIGACION a. DE ACUERDO AL FIN QUE PERSIGUE APLICADA b. DE ACUERDO AL DISEÑO DE INVESTIGACIÓN DESCRIPTIVA - EXPLICATIVA
4. ÁREA DE INVESTIGACIÓN INVESTIGACIÓN EXPERIMENTAL
5. LOCALIDAD- REGIÓN – PAÍS PAÍS DE EJECUCIÓN: LAMBAYEQUE- LAMBAYEQUE – PERÚ PERÚ
6. DURACION ESTIMADA DEL PROYECTO Semanas
7. FECHA DE INICIO. De setiembre de 2017
8. FECHA DE TÉRMINO. De diciembre de 2017
II.
ASP A SPEE CT CTOS OS D E L A I N F ORM OR M ACI AC I ON:
1. REALIDAD PROBLEMÁTICA. 1.1 Planteamiento del problema 1.1.1. A nivel mundial 1.2 Formulación del problema. 1.3 Justificaron e importancia del estudio. 1.4 Objetivos
2. MARCO TEÓRICO 2.1 Antecedentes del problema 2.2 Base teórica 2.2.1 Electricidad La electricidad en el entorno universitario Problemas de electricidad. 2.3 Hipótesis 2.4 Definición de términos
3. MARCO METEDEOLOGICO 3.1 Diseño del estudio.
METODOLOGÍA DE TRABAJO PARA DISEÑO DE UN DRONE
Diseñar es pensar antes de hacer, analizar, planificar, y ejecutar para responder a las necesidades de los usuarios. Es una disciplina integral que hace visible a la organización en el mercado, beneficiando de esta forma su rentabilidad y la imagen percibida por el público. El diseño integra el conocimiento sobre lo que quieren los clientes y lo que pueden producirse eficientemente Además genera una oferta coherente con los otros productos de la compañía, su imagen y su estrategia.
Metodología QFD
Identificación del cliente (Misión) Obtener la voz del cliente Extracciones de los requerimientos del cliente Clasificaciones de los requerimientos del cliente Priorizar las necesidades del cliente Estudio comparativo a productos de la competencia Plan de calidad
I dentificación del cliente (Misión)
El objetivo es la obtención de un producto final dentro del mercado, que estará dentro de la categoría de RPAS Micro: Drone cuadricoptero con fines recreativos para niños, respetando las normas de seguridad aplicables que conlleva para la correcta manipulación de este tipo de drones en infantiles, garantizando el producto dentro del mercado competitivo.
Objetivos:
Realizar un estudio sobre los requerimientos de este tipo de artefactos y trabajar con normas de seguridad y estándares comunes de operación (nomas mexicanas aplicables para juguetes y las normas de la DGAC aplicables). Realizar un diseño con los componentes básicos externos, así como los componentes internos para la correcta operación del drone.
Realizar un estudio de materiales y componentes necesarios para la fabricación del producto, así como el tiempo de fabricación. Detalles que requieran modificación con base en retroalimentación y pruebas de simulación y físicas en sus respectivos casos de análisis. Cálculos de rendimiento operacional, esfuerzos y tolerancias.
Obtener la voz del cliente:
Normas para este caso como el fin con fines recreativos para niños, el aborde será de la siguiente forma; Al igual que cualquier otro Drone operará bajo las normas establecidas por la DGAC, dentro de las cuales encontramos:
Volar a una altitud máxima de 122 metros.
Que el piloto no los pierda de vista o que se aleje a más de 457 metros de distancia horizontal de él (para este caso, el infante deberá ser supervisado por un adulto en todo momento).
Según el peso no debe exceder la velocidad estipulada.
Ahora dentro de los requerimientos como juguete para niños se comprenden las siguientes:
Etiquetas que presentan los juguetes. Obligatoriamente, tienen cumplir con la norma NOM-015-SCFI-1998, que significa que el producto cumple con las normas de seguridad; el nombre y la marca del producto; la razón social y la dirección del fabricante o importador; las instrucciones y advertencias de uso; y, en este caso de tratarse de juguetes eléctrico, se debe especificar su potencias máxima, la tensión de alimentación que precisan y su consumo energético. Consulta la etiqueta. Información sobre la edad para la cual está aconsejado el uso del juguete. Comprobación de calidad. Sin que haya peligro de desprendimiento de accesorios. Advertencias, juguetes voladores, que lleve una advertencia de que no debe ser utilizado cerca de las líneas eléctricas. Prestar atención a las instrucciones y advertencias de los cargadores de baterías. Algunos carecen de mecanismos para prevenir el recalentamiento, y las pilas
también pueden ser la causa de graves accidentes. (Revisar los mejores componentes) Enchufe de seguridad. Los juguetes que utilizan corriente eléctrica deben tener un enchufe de seguridad. Evita juguetes que tengan bordes afilados, cortantes o en punta, principalmente para los niños menores de ocho años. (en este caso se considerara un recubrimiento estructural para evitar el posible contacto entre hélice y el operador) Evita accidentes. Para los niños menores de seis años, evita juguetes que contengan piezas pequeñas. El juguete debe ser suficientemente grande para que no pueda ser tragado. Materiales irrompibles. Los juguetes para niños deben estar fabricados con materiales que no se rompan. Además deben evitarse aquellos que estén pintados o barnizados con recubrimientos de poca adherencia. Pilas y baterías. La tarea de cargar las baterías de un juguete debe ser siempre supervisada por un adulto. No permita que su hijo pequeño maneje pilas o adaptadores.
Restricciones geométricas
Con base en las especificaciones anteriores de drones con cualidades similares a la nuestras podremos tomar como referencia algunos datos y tener un rango de especificaciones (estimados en cuyo caso sea aplicable).
Nombre del modelo
Dron:
Peso
150 gr (apróx)
Frecuencia
2.4 GHz
canal
4
Resolución de la cámara
Video y foto HD 1280X720
Tarjeta de memoria
2GB (apróx)
Bateria
3.7v (apróx)
Tiempo de vuelo
7-8min (apróx)
Distancia radio control
60 m (apróx)
dimensiones
20cmx20cmx7cm
Calidad de construcción
Debido a normas y consideraciones de uso, los materiales a utilizar se enlistan de la siguiente forma: Fuselaje o Marco y recubrimiento de los motores.
Tendremos que seleccionar un marco, este necesita ser lo suficientemente fuerte como para soportar las fuerzas opuestas de los motores sin flexionar y hacer frente a los aterrizajes forzosos sin romperse. Al mismo tiempo, también debe ser lo suficientemente ligero para que sus motores pueden fácilmente levantarlo, y lo ideal sería tener un pequeño perfil aerodinámico para evitar ser demasiado afectado por el viento. Los marcos deben ser capaces de amortiguar las vibraciones y eventualmente contar con soportes para colocar una cámara u otro equipo La estructural principal se optaría por un material plástico. Por ejemplo la estructura principal y la carcasa de recubrimiento del motor será de plástico resistente, mientras que la estructura envolvente al área de la hélice será de un tipo de metal en forma tubular creando una especia de burbuja alrededor de cada hélice para aislar de manera principal el contacto directo con la hélice y poder tener un manejo adecuado del drone si temor a producir algún daño físico en el operador. Motor
Motores, Hélices y ESCs: Son los componentes fundamentales para mantener al multirotor en el aire. Los ESC (Electronic Speed Control) o Controladores de Velocidad Electrónicos regulan la potencia eléctrica para lograr controlar el giro de los motores con agilidad y eficiencia. Este giro está conectado a las hélices cuya rotación a alta velocidad genera la sustentación del multirotor. En cuanto a las hélices que son las encargadas del cambio en el empuje suficiente por cada par de motores girando en sentido contrario. Cada hélice viene determinada por dos cifras (50/30) donde el primer dígito representa la longitud de la misma y el segundo el pich o paso de hélice. A mayor longitud de hélice mayor empuje y también mayor consumo de corriente. Por lo que hay que usar las hélices adecuadas a nuestro modelo. Controlador de vuelo Controlador de Vuelo: Este componente es el cerebro de la máquina. Éste sensa y controla todo lo que sucede con el multirotor, y es a donde prácticamente todos los componentes van conectados. Dentro de los sensores encontramos:
Giróscopo
.- permite tener el drone nivelado.
Acelerómetro .- Mide variaciones de aceleración o velocidad.
Barómetro
.- Mide variaciones de altura.
Radio receptor Es el responsable de recibir la señal de radio enviada desde el Control Remoto, el cual ha interpretado el movimiento realizado por el usuario y lo ha transformado en onda radial. La señal de radio es recibida por el Radio Receptor del multirotor y transformada en datos que se envían al Controlador de Vuelo para que ejecute la instrucción, normalmente con cambios coordinados en la velocidad de los motores (cuando se trate de una instrucción de movimiento). Baterías y rendimiento Proporcionan la energía necesaria para hacer funcionar el equipo. Son componentes muy pesados por lo que es esencial que
sean capaces de tener una buena relación
peso/capacidad para maximizar la autonomía de vuelo del mutirotor. Las más utilizadas son las baterías Li-Po (polímero de litio) debido a su densidad de energía, su bajo peso y su alta tasa de descarga que es ideal para maniobras ágiles como las de un multirotor.
GPS y brújula Componentes que conectados al Controlador de Vuelo le permiten a éste conocer la ubicación, altitud y velocidad exactas del multirotor. A partir de esto, y dependiendo del programa que tenga el controlador, se podría automatizar el comportamiento del multirotor para mantenerse estático en un mismo punto, volar en cierta dirección o velocidad relativa o volar hacia puntos predefinidos Cámara y estabilizador En la estructura del multirotor se puede acoplar una cámara para aprovechar el vuelo y capturar fotos o videos desde el aire. Normalmente se utiliza un estabilizador o Gimbal para evitar que los movimientos propios del vuelo del multirotor afecten las tomas. Estos gimbal absorben la vibración de los motores y corrigen automáticamente la inclinación de la cámara para que siempre esté en el mismo ángulo respecto al suelo. Algunos gimbal también pueden ser conectados al Controlador de Vuelo y a través del control remoto el usuario puede cambiar el ángulo de inclinación de la cámara mientras el multirotor está en el aire Peso De acuerdo a la estructura, batería, hélice, componentes electrónicos el peso podría ser de 150 a 300 gr, esto debido a las consideraciones de diseño y los promedios de peso antes mencionados. Radio control El radio control será utilizado para maniobrar el drone en sus distintas actuaciones por tanto la aeronave deberá tener adecuadamente instalado el sistema Emisor-Receptor. Tipos de comunicaciones inalámbricas.
AM; FM; 2,4Ghz. Siendo la 2,4 Ghz la más frecuente en aeromodelismo porque termina con los problemas de interferencias.
Wifi; Bluetooth. Usado en Drones dotados de control mediante wifi o Bluetooth para Tablet o Smartphone.
Protección e impermeabilización de los componentes Las baterías y receptores deben obligatoriamente estar protegidos contra vibración, impacto y lluvia. La antena debe estar expuesta y no puede estar en contacto para ello debe ser aislada de materiales metálicos y compuestos de fibra de carbono. Por seguridad tomando el objetivo de este drone que es de entretenimiento y que será operado por niños es necesario tener todos los componentes ubicados en el centro de
marco y dentro de una sección cerrada, así evitar el contacto directo y poder producir un daño a la integridad física tanto de los sistemas como del operador, al igual que existen diversos tipos de recubrimientos para evitar el contacto con el agua y no producir alguna descarga eléctrica, por obvias razones esto no aplica directamente para los motores, aunque, como antes se mencionó se tomaran acciones preventivas para tales circunstancias.
E xtracción de los requerimientos del cliente Requerimientos del producto en físico
A. Que el precio sea accesible B. Tamaño C. Tiempo de carga D. Cámara E. Durabilidad F. Llamativo visualmente Requerimientos del producto en operación G. Maniobrabilidad H. Estabilidad I. Alcance J. Autonomía K. Percepción visual a distancia L. Poco ruidoso M. Seguridad
Clasificación de los requerimientos del cliente Desempeño funcional
Operatividad (Fácil manejo)
Tiempo de carga reducido
Calidad de las tomas de la cámara
Maniobrabilidad
Autonomía
Poco ruido
Seguridad
Que no sea peligroso el contacto con la hélice
Transportación del drone si temor a que se accione automáticamente
Tiempo
Que el tiempo de fabricación sea rápido
Que el tiempo de operatividad sea adecuado respecto al tiempo de carga de la batería.
Costo
Que el costo del producto sea accesible
Armado
Que el armado del drone sea rápido en caso de requerir algún accesorio no instalado previamente.
Fácil de identificar las partes que lo componen
Cálculos
Cálculos de análisis de comportamiento den vuelo (aerodinámica)
Cálculo estructural
Cálculo de los sistemas eléctrico (consumo de batería, volt y amperaje)
Planos
Diseño conceptual
Priorizar los requerimientos del cliente: Se organizan los requerimientos del cliente, identificando los obligatorios y los
dependientes de otras variantes así de esta forma se puede jerarquizar su cumplimiento. requerimientos
obligatorios
A. Que el precio
preferentes x
sea accesible B. Operatividad
Deseables
x
C. Tiempo de carga
x
D. Cámara
x
E. Durabilidad F. Llamativo visualmente
x x
G. Maniobrabilidad x H. Estabilidad
x
I. Alcance
x
J. Autonomía
x
K. Percepción
a
distancia
x
L. Poco ruidoso M. Seguridad
x x
E studio comparativo con productos de la competencia
Realizar una investigación de los productos existentes en el mercado, una valoración de costos-beneficios tanto para el consumidor como para el fabricante. Obtener los modelos más vendidos, realizar una comparativa de los alcances operativos del drone en mercado como el nuestro, revisar la satisfacción del cliente.
Plan de calidad Coste de las acciones preventivas
Coste de los controles de calidad. Coste de ejecución del entregable Consecuencias de un fallo de calidad Organización del equipo
Líder
Proyectista (conocimiento técnico)
Orientador
Secretario
Tesorero
Documentación
Información administrativa
Información de contabilidad
Información complementaria (libros, material,propuestas, componentes)
Información técnica.
DI SE ÑO (conceptualización) Fuselaje o Marco
Para un Drone ágil y acrobático, un cuadro ligero (alrededor de 350 gramos, o menos si es posible) con una diagonal de motor a motor de 400-500mm. Para este caso, debido a que el proyecto tiende a ser una versión pequeña de un modelo existente podemos tomar como referencia algunos puntos, tales como: Un marco cuadrado es una de las mejores alternativas debido a la estabilidad brindada, peso y resistencia, seguridad y de fácil manipulación.
Para la parte de los motores, la propuesta es diseñar una estructura tubular que recubra el radio de giro de cada hélice, en la siguiente imagen podemos apreciar una estructura similar:
Motor Para comenzar el proceso de selección básico, necesitamos calcular cuánto empuje será necesario para mantener la nave en el aire. La regla básica con multi-rotores es que sus motores deben ser capaces de producir dos veces el peso total de vuelo de la nave en el empuje. Este "margen de seguridad" se asegura de que sus motores serán capaces de responder rápidamente a sus entradas de control, o detener un descenso vertical rápido, incluso cuando el voltaje de la batería se reduce con el tiempo.
Para la hélice El problema principal es encontrar las hélices que están disponibles en ambos sentidos de giro, los QuadCopter tienen la mitad de los motores que giran en sentido de las agujas del reloj (CW), y la otra mitad que giran en sentido anti-horario (CCW), esto se hace para lograr un equilibrio estable del Drone.
Algunas veces su puede utilizar hélices de 3 palas en Drone multi-rotor. Las principales razones para esto pueden ser el aumento "de tracción", debido a la mayor superficie de las hojas, el equilibrio mejora porque las cuchillas están repartidas alrededor del marco a 120 grados en lugar de 180, y la longitud de la hoja reducida (con un empuje equivalente) permite el paso del Drone por áreas de acceso reducido. Controlador de vuelo Los ESC se clasifican principalmente para la cantidad de corriente que puede suministrar constantemente al motor. Algunos también pueden tener una calificación de "Burst Current" ,
pero esto debe ser ignorado por el momento. Para obtener el ESC correcto,
primero determina el consumo de corriente máximo de las especificaciones del motor elegido, añadir un margen de seguridad del 10%, y buscar los ESC clasificados a por lo menos esta cantidad de corriente. También tendrá que comprobar que su ESC elegido está clasificado para el número correcto de células de la batería (generalmente 3 células o 11.V) y asegurarse de que no es demasiado pesado.
Control de vuelo Mini
Baterías y rendimiento El método que utilizaremos para decidir qué batería a utilizar es relativamente simple, recordemos que la regla de oro para elegir los motores es tener el doble de empuje que el peso del Drone. Como la batería es el último componente que se escoge, podemos tener una buena idea del peso del Drone, restamos el empuje total de los 4 motores menos el peso del Drone (incluyendo cargas útiles adicionales), la diferencia debe alcanzar para las baterías de 3 cell. Recordando que 4 motores que funcionan al mismo tiempo pueden consumir una gran cantidad de corriente. Asegúrate de que la calificación de la batería C sea suficiente para soportar 4 x la corriente máxima del ESC elegido.
Peso De acuerdo a la estructura, batería, hélice, componentes electrónicos el peso podría ser de 150 a 300 gr, esto debido a las consideraciones de diseño y los promedios de peso antes mencionados. Tomando en cuenta el peso de cada componente se tiene un aproximado de 560g, tal peso se excede de nuestro peso idea, por lo tanto se requiere una reconsideración de algunos
componentes, de los cuales los más pesados se encuentra el accesorio de gimbal y cámara, batería. Radio control El radio control será utilizado para maniobrar el drone en sus distintas actuaciones por tanto la aeronave deberá tener adecuadamente instalado el sistema Emisor-Receptor. Tipos de comunicaciones inalámbricas.
AM; FM; 2,4Ghz. Siendo la 2,4 Ghz la más frecuente en aeromodelismo porque termina con los problemas de interferencias.
Wifi; Bluetooth. Usado en Drones dotados de control mediante wifi o Bluetooth para Tablet o Smartphone.
Protección e impermeabilización de los componentes Las baterías y receptores deben obligatoriamente estar protegidos contra vibración, impacto y lluvia. La antena debe estar expuesta y no puede estar en contacto para ello debe ser aislada de materiales metálicos y compuestos de fibra de carbono.
3.2 Población y muestra. 3.3 Materiales, técnicas e instrucciones de recolección de datos
MATERIALES HUMANOS: * Asesor * Colaboradores * Personal investigador * Alumnos
R ECURSOS MATERIALES: * Papel bond * Papel sábana * Plumones * Laminas *Fotocopias
TECNICAS E INSTRUMENTOS: * Técnicas Observación
* Instrumentos Encuenta
4. RESULTADOS 4.1 Explicación del problema 4.2 Conclusiones La tecnología de drones tiene un enorme potencial, pero se trata de una tecnología emergente especialmente incipiente y controvertida. Se espera que el seguro juegue un papel esencial en el marco de la gestión del riesgo, que será necesario desarrollar para que los sistemas puedan funcionar de forma segura y con la debida atención a los intereses de terceros. Este informe ha identificado tres áreas fundamentales que, muy posiblemente, influirán en la disponibilidad de soluciones aseguradoras: • La Regulación está en desarrollo, aunque de manera incoherente entre las diversas jurisdicciones internacionales. Es de esperar que un marco regulatorio sólido sea crucial para el aseguramiento de las operaciones con drones. Asimismo, el cumplimiento, las licencias, la armonización y la claridad en lo que respecta a la responsabilidad civil de terceros serán probablemente factores importantes a la hora de determinar la eficacia de cualquier régimen regulatorio. Se espera que la Prevención sea una cuestión fundamental de interés público. A medida que la tecnología madure, la competencia de los operadores será probablemente el factor determinante de la seguridad. Ya han comenzado a surgir programas de formación y de licencias, que se espera sean esenciales para el aseguramiento de las operaciones comerciales con drones. La integración de los drones en los concurridos espacios aéreos también requerirá posiblemente de nuevas mejoras en la •
tecnología de “detección y evasión”, que evite conflictos con otras
aeronaves. • El riesgo de la Segur idad
surge debido a la vulnerabilidad de los drones a ciberataques y a su potencial para violar la privacidad . La ciberseguridad podría convertirse en una cuestión de creciente importancia en el aseguramiento de drones. Las cuestiones sobre privacidad generan demanda de seguros de responsabilidad civil profesional. Pues bien, para gestionar adecuadamente este riesgo, será necesario, probablemente, realizar evaluaciones de impacto sobre la privacidad y cumplir estrictamente con la legislación vigente. A medida que se expanda el mercado de drones, cabe esperar que los fabricantes
se enfrenten a exposiciones al riesgo cada vez más complejas y de mayor valor. La protección de la propiedad intelectual y la gestión de la responsabilidad civil de producto también serán elementos a tener en cuenta en el ámbito de la cobertura aseguradora. Los drones tienen el potencial para mejorar un número significativo de actividades. Sin embargo, fabricantes, operadores y reguladores deben trabajar juntos, a nivel global, para garantizar el uso seguro y responsable de esta tecnología, al poner un precio a este riesgo, pretende apoyar y documentar dichas conversaciones. 4.3 Recomendaciones
Links: https://www.lloyds.com/~/media/files/news-and-insight/riskinsight/2015/los-drones-alzan-el-vuelo_resumen-ejecutivo.pdf?la=en Información general.
http://droneymas.es/partes-de-un-drone/ http://dronecenter.blogspot.mx/p/construye-tu-drone.html Componentes consultados
Marco (23cm de motor a motor)
http://es.aliexpress.com/item/Totem-Q380-380mm-FPV-4-Axis-Mini-QuadcopterFrame-Kit-for-CC3D-Flight-ControlBoard/32397824578.html?spm=2114.43010208.4.85.5RSiRG motor 2212 A2212 1000KV 13 T Brushless Outrunner http://es.aliexpress.com/item/free-shipping-New-A-2212-A2212-1000KV-13TBrushless-Outrunner-Motor-W-Mount-RC-AircraftKK/1365811630.html?spm=2114.43010708.4.8.h8b7jy
20A ESC 3A UBEC
http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/__15202__Hobby_King_20A_ESC_3A_U BEC.html
control de vuelo
http://www.dx.com/es/p/mini-cc3d-nano-atom-flight-controller-for-qav250-multicopter250-frame-kit-419183#.VwTr-_l97IU
Batería
http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/__8932__Turnigy_2200mAh_3S_20C_Li po_Pack.html
Mini 3D 3-Axis Brushless Gimbal
http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/__81329__FeiYu_Tech_Mini_3D_3_Axis _Brushless_Gimbal_for_Multi_Rotor_and_Aircraft.html
