Introduccion a Los Drones

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INTRODUCCIÓN A LOS DRONES

INTRODUCCIÓN A LOS DRONES| Pag. 01


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1. ¿Qué es un drone?. drone?. 2. Historia Historia de los los drones. drones. 2.1. Historia reciente. 2.2. Primera Guerra Mundial. 2.3. Periodo entre guerras europeas. 2.4. Segunda Guerra Mundial. 2.5. Guerra Fría. 2.6. Perdator 3. Clasificación Clasificación de de los drones. drones. 3.1. Clasificación de las aeronaves no tripuladas según la sustentación. 3.2. Clasificación de las aeronaves no tripuladas según la forma de control. 3.3. Clasificación de las aeronaves no tripuladas según altitud y alcance. 4. Drones Drones de ala fija. fija. 4.1. Partes de un drone de ala fija. 5. Drones Drones de ala rotatoria. Multirroto Multirrotores. res. 6. Component Componentes es de un multirrotor multirrotor.. 6.1. Frame. 6.2. Controladora. 6.3. Variadores. 6.4. Motores. 6.5. Hélices. 6.6. Sistema de radio. 6.7. Baterías.



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1. ¿Qué es un drone?. drone?. 2. Historia Historia de los los drones. drones. 2.1. Historia reciente. 2.2. Primera Guerra Mundial. 2.3. Periodo entre guerras europeas. 2.4. Segunda Guerra Mundial. 2.5. Guerra Fría. 2.6. Perdator 3. Clasificación Clasificación de de los drones. drones. 3.1. Clasificación de las aeronaves no tripuladas según la sustentación. 3.2. Clasificación de las aeronaves no tripuladas según la forma de control. 3.3. Clasificación de las aeronaves no tripuladas según altitud y alcance. 4. Drones Drones de ala fija. fija. 4.1. Partes de un drone de ala fija. 5. Drones Drones de ala rotatoria. Multirroto Multirrotores. res. 6. Component Componentes es de un multirrotor multirrotor.. 6.1. Frame. 6.2. Controladora. 6.3. Variadores. 6.4. Motores. 6.5. Hélices. 6.6. Sistema de radio. 6.7. Baterías.



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1. ¿QUÉ ¿QUÉ ES UN DRON DRONE? E? Un drone es un vehículo aéreo no tripulado (VANT por sus siglas en español). En la actualidad los drones tienen diferentes funciones que son fundamentales dentro de la sociedad, desde propuestas comerciales hasta el rescate de personas. Un drone viene a ser por tanto como el clásico avión de aeromodelismo pero mucho más sofisticado. Su diseño con cámaras, GPS y sensores de todo tipo, fue inicialmente desarrollado para ser usado en los círculos militares, como misiones espías y portando misiles de guerra para disparar contra blancos teledirigidos. En los últimos años, gracias a que los precios de fabricación descendieron, se amplió el uso de estos aviones y multirrotores y ahora podemos disponer de esta tecnología para otras funciones civiles como la investigación científica o el entretenimiento. Teniendo en cuenta que comprar o alquilar un drone es infinitamente inferior a un helicóptero y los costos de mantenimiento también muchísimo más bajos. Los drones se manejan mediante control remoto (tipo joystick) o a través de aplicaciones para smartphones o tablets. Las empresas que se dedican al desarrollo de este producto tienen como objetivo hacerlo cada vez más intuitivo y fácil de usar para todos los públicos. En poco tiempo se han implementado en nuestra sociedad como una herramienta fundamental para tareas tan diversas como: • • • • • • • • • •

Filmaciones audiovisuales y fotografías Topografía Situaciones de emergencia Control de incendios forestales Inspecciones industriales Vigilancia Agricultura Arqueología Manipulación de materiales nocivos Hobby

En este curso de introducción al mundo del drone aprenderemos los conceptos básicos sobre drones. La historia, los componentes, manejo, modelos y actualidad. INTRODUCCIÓN A LOS DRONES| Pag. 03


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2. HISTORIA HISTORIA DE LOS LOS DRONES DRONES.. La historia de las plataformas aéreas no tripuladas, como tantos avances tecnológicos, siempre ha estado ligado estrechamente al tema militar. De hecho es en época de conflictos cuando se alcanzan los mayores progresos en lo que a tecnología se refiere. En este capítulo repasaremos brevemente la transformación de esa tecnología de uso militar hacia uso civil.

2.1. HISTORIA RECIENTE Los datos más antiguos que tiene sobre el uso de plataformas aéreas no tripuladas UAV datan de 1849, cuando el día 22 de Agosto de ese año el ejército Austriaco uso en una batalla contra la ciudad de Venecia globos cargados con explosivos. Estos globos se lanzaron desde uno de los barcos Austriacos llamado Vulcano. Aunque alguno de estos globos funcionó, dependían mucho del viento y muchos de ellos se desviaron grandes distancias o incluso volaron de vuelta a los barcos de la armada austriaca. Los globos explotaban una vez estaban sobre la ciudad mediante un sistema con una batería galvánica con un hilo de cobre aislado. Los explosivos caían verticalmente tras desinflarse el globo y explosionaban. Aunque los globos no concuerdan con la definición actual que le damos a los Drones/UAV, el concepto si se ajusta al de "plataforma no tripulada que porta una carga útil", en este caso explosivos.



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2.2. PRIMERA GU UERRA MUNDIAL Las primeras aeronnaves no tripuladas fueron construidas duran nte y justamente después de la Primera Gueerra Mundial. El primero fue el "Aerial Tarrget" que data de 1916 (Blanco o diana aéreea) controlado mediante radiofrecuencia AM M baja para afinar la puntería de la artillería anti aérea.

AERONAVE AT 1917

omatic Airplane" Justo después, el 12 de Septiembre el " Hewitt-Sperry Auto conocido como la bomba volante realizó su primer vuelo de demostrac ción en el que ya se podía apreciar el conce epto de UAV. La intención inicial era usarlo o como "torpedos aéreos" y se considera un na versión temprana de los misiles de cruc cero actuales. El control se conseguía media ante giróscopos desarrollados por Elmen Spe erry de la S perry Gyroscope Company.

En 1917 realizó su primer vuelo de demostración el "Automatiic Airplane" ante altos cargos del ejército esstadounidense. El resultado fue la fabricació ón n del "Kettering Bug" con el concepto de torpedo volante. Aunque esta tecnología fue desarrollada con éxito la guerra término ante es de que pudiera fabricarse en serie y desple egarse.

En 1931, los británnicos desarrollaron el blanco radio controlado o Faire y Queen a re ey IIIF floatplane fabricando una pequeña partir del hidroavión Fair a partida de tres aviones de este tipo. En 1935 se construyeron multitud de otros tip pos de aeronaves como " Dianas aéreas". ". El " DH.82B Queen Bee", derivado del biplano de entrenamiento De Havillannd Tiger Moth. Se cree que, de alguna form ma, el nombre de "Queen Bee" (abeja reinna) se deformo hasta convertirse en el téérmino "Drone" (Zangano) para este tipo dee aeronaves, especialmente cuando eran radio o controladas.



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QUEEN BEE (1935)

2.3. PERIODO ENTTRE GUERRAS EUROPEAS Tras la Primera Guerra Mundial tres Standard E-1 (Aviión biplano) se convirtieron a drones. Ell Larynx fue uno de los primeros misiles cruceros que se crearon y que se montabaa sobre la estructura de un pequeño monoplaano que podía ser lanzado desde un buque de guerra y volado en automático. Se probó enntre 1927 y 1929 por la Royal Navy. El éxito de los avviones pilotados mediante radiocontrol llevo al desarrollo de aviones que hacían de blannco en Gran Bretaña y EEUU en 1930-1931. En 1931, los británnicos desarrollaron el blanco radio controlado o Fairey Queen a re ey IIIF floatplane fabricando una pequeña partir del hidroavión Fair a partida de tres aviones de este tipo. En 1935 se construyeron multitud de otros tip pos de aeronaves como " Dianas aéreas"". El " DH.82B Queen Bee", derivado del biplano de entrenamiento.



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2.4. SEGUNDA GU UERRA MUNDIAL El comienzo de laa segunda guerra mundial disparó el nego ocio de Reginald Denny. Su fábrica en el aeeropuerto de Van Nuys, situado en el área metropolitana de Los Ángeles, comenzó a prroducir miles de aviones contrarreloj. La Marina, que suumó también sus pedidos, los bautizó com mo TDD (Target Drone Deny 1).

Muchos lo recordarrían í por su labor actoral, pero en la industria de la guerra sería considerado el padre del primer avión no tripulado fabricado en massa. Esos ingenios que, con el reciente lanzam miento del Predator C Avenger, acaban de enntrar en su quinta generación.

2.5. GUERRA FRIA A En el periodo posteerior a la Segunda Guerra Mundial, los avionnes a radiocontrol continuaron desarrollándosse con el éxito del blanco aéreo OQ-2 con otrra serie de drones equipados con un motor d e pistones, lo que se pasó a llamar Basic Training Target (BTT). El primer drone dee este tipo convertido en avión de reconocim miento aéreo con equipo fotográfico fue unaa versión del MGM-33 reconvertido y renom mbrado MQM-57 Falconer.

MQM 36

Los militares Estaddounidenses adquirieron otros drones simillares en muchas características a los droness radios controlados. INTRODUCCIÓN A LOS DRONES| Pag. 07


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La compañía The Globe construyó una serie de blancos, comenzando con el moto propulsado “KDG Snipe” de 1946, que evolucionó al “KD2G” Y “KD5G” propulsado por pulsorreactor y los “KD3G” y KD4G“ motopropulsados. El uso de drones como señuelos trata al menos de 1950, el primer drone señuelo fue el McDonnell Douglas “ADM-20 Quail”, que era transportado por el bombardero Boeing B-52 Stratofortress para ayudarles a penetrar el espacio aéreo enemigo. Estos drones señuelos atraían el fuego antiaéreo de las baterías de tierra, para que no se dirigiera contra los bombarderos. En los últimos años de la década de 1950 los aviones de combates eran capaces de alcanzar el Mach 2, asique se tuvieron que desarrollar blancos más rápidos para seguir al paso. Northrop diseñó un blanco propulsado por turbina llamado AQM-35. Tenía forma de un dardo muy fino con estabilizadores en forma de cuñas achaparradas muy pronunciadas y un motor turbo jet GE J85 como el usado en el avión de combate Northrop F-5. Los norteamericanos desarrollaron otros modelos de reconocimiento mucho más especializados: el Ryan “Model 154”, EL Ryan y Boeing “Compass Copes”, y el Lockheed “D-21”, todos ellos proyectos con cierto grado de secretismo. Sin embargo, la idea que comenzaría a transformar el uso de estos dispositivos aéreos manejados a control remoto, la tendría en 1960 un ingeniero llamado Norman Sakamato, al que se le había ocurrido que los drones podrían llevar cámaras de fotos en el morro para realizar labores de reconocimiento y espionaje. Una idea que no había deslumbrado a los militares, hasta que el 27 de octubre 1962 un avión espía Lockheed U-2 fue derribado sobre Cuba por misiles antiaéreos soviéticos SA-2 durante la crisis que enfrentó a Kennedy con Nikita Jrushchov, empujando al mundo al acantilado de una guerra nuclear. Meses antes, las fuerzas Aéreas de los Estados Unidos habían dado un millón de dólares, dentro del marco del programa Big Safari, para que el Ryan Firebee fuese convertido en un avión no tripulado espía, que podía ser lanzado tanto desde tierra como desde las alas de un avión DC-130 Hercules, y que tenía la capacidad para recorrer 1.930 kilómetros a más de 55 mil pies de altura. Justo después del incidente que involucró a los destructores estadounidenses USS Maddox y Turner Joy, e incluso antes de la escalada de hostilidades por la resolución presidencial del “Golfo de Tonkin” y la guerra contra Vietnam del Norte, la USAF emitió una orden inmediata para desplegar las unidades de UAV en el Sureste Asiático en C-130 o C-133. Estos primeros drones serían los Ryan 147Bs (AQM-34s) transportados por los C-130 se recuperaban a través de un paracaídas cerca de Taiwán.



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Los drones de la USAF de la Strategic Air Command fueron desplegados en la República de Vietnam del Sur como el Escuadrón de Reconocimiento Estratégico 4025 perteneciente al Ala de Reconocimiento Estratégico 4080.

2.6. PREDATOR Si hay una imagen que nos viene a la mente al escuchar la palabra drone es sin duda el PREDATOR. El MQ-1 Predator es un vehículo aéreo no tripulado (UAV) desarrollado durante los años 90 por la Fuerza aérea estadounidense y calificado como un UAV de techo medio y largo alcance (MALE:medium-altitude, long-endurance). En enero de 1994 se le encarga a la empresa General Atomics Aeronautical Systems que desarrolle un sistema de tipo UAV durante dos años y medio. Ya en la primavera de 1995 el bautizado Predator fue sometido a sus primeras pruebas de vuelo con éxito, por lo que se decidió usarlos durante ese verano en los Balcanes. Curiosamente a este UAV es que no se le calificaba como tal, sino como un sistema completamente en desarrollo, a pesar de que estaba siendo usado en conflictos armados. Estaba clasificado dentro del ACTD (Advanced Concept Technology Demonstration) Estos primeros modelos tenían un coste de unos 3,2 millones de dólares. En 2002 la Fuerza aérea estadounidense ya había adquirido 60 aparatos para usarlos en Afganistán. Alrededor de 20 fueron perdidos en acción, aunque (según fuentes estadounidenses) solo unos pocos fueron derribados por soldados enemigos, el resto de UAVs se perdieron debido a las malas condiciones atmosféricas, especialmente debido al frío (nieve, hielo, granizo, ventiscas…).



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PREDATOR EN MISSIÓN

El Predator pasó dee ser en un principio un sistema de vigilanciia, a ser un UAV de ataque a tierra. Se le instalaron misiles Hellfire y sistemas de com mbate, aunque su vulnerabilidad sigue siendo o bastante alta. Con las nuevas verssiones y desarrollos, se ha mejorado su capaccidad de ataque y defensa, y su velocidad insstalándole un motor de tipo turbohélice.



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3. CLASIFICACIÓN DE LOS DRONES. En este capítulo, nos centraremos en aquellos sistemas de clasificación que utilizan preferentemente los distintos organismos encargados del control y de la supervisión del diseñó y operaciones de los RPAS. Los criterios de clasificación de los sistemas de aeronave no tripulados (UAS) son muy numerosos: 

Por el origen de la misión (civiles, militares).



Por el tipo de misión (filmación, fotogrametría, agricultura, salvamente, vigilancia, inspección, etcétera).



Por su masa (mini, micro, medianos, pequeños).



Por la forma de obtener sustentación (ala fija, ala rotatoria, híbridos).



Por su densidad respecto a la del aire (más o menos ligeros que el aire).



Por su forma de despegue (vertical o VTOL, desde pista, lanzados a mano, etcétera).



Por su tipo de propulsor (eléctrico, pistón, turbina).



Por su nivel de vuelo (baja, media, alta o muy alta cota).



Por la duración de sus misiones (corta, larga o media).



Por su forma de control (autónomo, pilotado a distancia, etcétera).



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3.1. CLASIFICA ACIÓN DE LAS AERONA AVES TRIPULADAS SEGÚ ÚN LA SUSTENTACIÓN

NO

En función del prrincipio físico que permite su sustentación n en el aire, las aeronaves (tripuladas o no)) se clasifican en:

Aero!"!o Las aeronaves máss ligeras que el aire gracias al gas que con ntienen y que se sustentan en el aire por ell principio de Arquímedes. Son los globos aerostáticos y los dirigibles.

AEROSTATO



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Aero#$%o Un aerodino es una aeronave más pesadas que el aire, que obtienen la sustentación gracias a lass fuerzas aerodinámicas que se generan en n sus superficies sustentadoras (alas y palas)). Tienen una alta capacidad de maniobra.

AERODINO

3.2. CLASIFICA ACIÓN DE LAS AERONA AVES TRIPULADAS SEGÚ ÚN LA FORMA DE CONTROL

NO

El Grupo de Estud dio sobre Sistemas de Aeronaves no Tripula adas de la OACI establece una clasificación n de estos sistemas de aeronaves en funció ón del papel que juega el piloto al mando.

Aero%"&e "'!(%o o)" Las aeronaves autó ónomas no requieren de la intervención de e un piloto para operar, ni siquiera remoto.

Son los globos ae erostáticos libres (no tripulados), como los s utilizados para realizar sondeos atmosféric cos, y los dirigibles y aerodinos de distintos tipos capaces de volar de manera completam mente automática o autónoma.

Las operaciones ciiviles con aerodinos de este tipo no está co ontemplada en la normativa legal vigente en España.



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Aero%"&e *$+o!"#" " #$!"%,$" Los sistemas de aeronave pilotados por control remoto (remotely piloted aircraft system, RPAS) Son aquellas aeronaves controladas a distancia por un piloto, mediante un sistema de enlace de radio. Hay disponibles sistemas que combinan las dos capacidades (control manual por un piloto remoto y capacidad de vuelo automático), cuya operación sí está permitida por la normativa actual, siempre y cuando el piloto al mando pueda retomar el control manual de la aeronave en cualquier momento. Estos sistemas se componen de un aeronave (RPA) y de una estación de control remota, comunicados mediante un enlace de datos para el comando del vehículo (sistema de comando y control, C2).

3.3. CLASIFICACIÓN DE LAS AERONAVES TRIPULADAS SEGÚN ALTITUD - ALCANCE

NO

Esta clasificación fue propuesta como un intento de estandarización por Peter van Blyenburgh, presidente de la organización UVS International y se basa en la autonomía (alcance) y altitud máxima operativa de las aeronaves. Esta clasificación recoge términos frecuentemente utilizados en su forma de acrónimo, en ámbitos especializados como MALE (medium altitude long endurance) o HALE (High altitude long endurance).



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4. DRONES DE ALA FIJA. Se asemejan a los aviones al tener la misma estructura y aerodinámica, de dimensiones más pequeñas y con motores de combustión o batería eléctrica. La batería dura hasta los 40 o 50 minutos y por ello son aptos para realizar tareas por ejemplo de vigilancia o de emergencias mientras que los multirrotores son versátiles para inspeccionar elementos en estático como palas eólica, catedrales, líneas eléctricas… y su batería dura entre 12 y 20 minutos. Los drones de ala fija militares son un caso aparte pues su autonomía ronda las 14 horas, alcanzan velocidades de 250 kilómetros por hora y tienen una envergadura de ocho metros.

4.1. PARTES DE UN DRONE DE ALA FIA F'e+"/e Es la parte principal de la estructura. Su función es la de acoger la carga, los controles, los accesorios, los pasajeros (no en el caso de los RPAS) y el resto del equipamiento. En el caso de los monomotores, que es lo más habitual entre los RPAS de pequeña masa, el fuselaje también alberga a la planta de potencia.

A+" o *+"%o Las alas son las superficies aerodinámicas que generan la sustentación necesaria para el vuelo, cuando se mueven rápidamente a través del aire. Su diseño varía mucho en función de los requerimientos de la aeronave (control, estabilidad, velocidad, peso, etcétera), con infinidad de variantes. Las alas también pueden alojar o servir de soporte para diversos elementos y sistemas del avión, como el tren de aterrizaje, los motores en aviones multimotor, las luces de navegación, cargas de pago, además de los tanques de combustible. Además, poseen superficies aerodinámicas móviles, utilizadas para maniobrar la aeronave. La forma de las alas es muy variable, influye sobre los costes de fabricación al complicar o simplificar el diseño, y está en función de las prestaciones y de la estabilidad requeridas. INTRODUCCIÓN A LOS DRONES| Pag. 15


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La forma en plantaa permite establecer una clasificación en funcción de la flecha, el ángulo que forman loss ejes longitudinales de las alas con el del fu f uselaje, y de su geometría. Los diseños con fl f lecha neutra (alas rectas) son apropiados para aviones que vuelan a baja velocidad y abaratan los costes de fabricación. Los diseños en fleecha pronunciada son más eficientes desde el el punto de vista aerodinámico y permiten mayores velocidades. Las alas pueden irr situadas encima (ala alta) o debajo (ala bajaa) del fuselaje, o encastradas a media alturaa (ala media).

Fu uerzas sobre el perfil de un ala

D$e#ro Al ángulo que forrman las alas respecto a un plano se conooce como ángulo diedro. Una configuraciónn con diedro positivo (puntas del ala apuntaando ligeramente hacia arriba) aporta estabiilidad en alabeo, mientras que un diedro neg gativo (puntas del ala apuntando ligeramentee hacia abajo) aumenta la maniobrabilidad de la aeronave, a costa de hacerlo menos coontrolable.

El perfil alar o perf fiil aerodinámico es la forma transversal del alla.

El grosor, la simettría, la geometría y la curvatura del perfil dee un ala influyen sobre su comportamiento aerodinámico (resistencia al avance y fuerzaa de sustentación que es capaz de generar).



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Fu uerzas sobre el perfil de un ala

Co+" o e)*e e%"/e El empenaje o seccción de cola de un avión es la parte trasera de su estructura o célula. Suele estar compuuesto por un cono de cola, que remata la paarte posterior del fuselaje, de superficies aerodinámicas fijas o estabilizadores (vertiical o deriva, y horizontal) y de otras supeerficies aerodinámicas móviles para el contro ol de la guiñada y la dirección del avión.

S'*er0$,$e #e ,o%!ro+ En la estructura dee las alas y en empenaje de un avión, se aññaden superficies aerodinámicas móviles, quue permiten el control del avión en vuelo. Mediante ellas es posible controlar la inclinación (cabece eoo), la dirección (guiñada) y la inclinación (alabeo) de la aeronave.

Ejes s sobre los que se mueve el avión



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S'*er0$,$e #e ,o%!ro+ *r$)"r$" Las superficies d e control primarias son las que permiteen n controlar los movimientos de la aeronavve en relación a sus tres ejes (alabeo, cabeceoo y guiñada).

El movimiento de inclinación respecto al eje longitudinal (alabbeo) se consigue accionando los alerones. E stas superficies móviles están situadas en loss extremos de las alas, en el borde de salidaa, y presentan movimientos opuestos en cadaa lado del avión, aumentando o disminuyen ndo la sustentación de cada mitad del ala, sseegún se orienten hacia abajo o hacia arriba,, respectivamente.

Al inclinar hacia u n lado u otro el avión, la resultante de las fuuerzas hacen que también gire sobre su ejee vertical en ese mismo sentido (guiñada), ppor lo que estos controles se usan para conntrolar el rumbo.

ón de dirección está situado en el extremo d el estabilizador El rudder o timó vertical, en la sección de cco ola.

Al cambiar de posicción, el avión gira sobre su eje vertical (guiñaada) en el mismo sentido del desplazamientoo del timón de dirección, permitiendo así variaar el rumbo.

Timón de dirección En el borde de sallida del estabilizador horizontal, situado noorrmalmente en el empenaje, se montan unas s uperficies móviles que conforman el timónn de profundidad, que permiten la rotación ddel avión sobre su eje transversal (cabeceeo o). Esto permite variar la inclinación del m morro del avión, facilitando los movimientto os de ascenso y descenso, y también comp pensar, del mismo modo, la pérdida de susstentación que se produce al accionar los alerrones durante los giros. INTRODUCCIÓN A LOS DRONES| Pag. 18


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Timón de profundidad

S'*er0$,$e #e ,o%!ro+ e,'%#"r$" En las aeronaves d e pequeño tamaño de ala fija, incluyendoo algunos RPAs ligeros, es posible encontrrar superficies de control adicionales, que ayyu udan a mantener un vuelo nivelado y aportaan seguridad adicional en determinadas fases ddel vuelo.

En la parte interior d e las alas, también en el borde de salida, se uubican los flaps. Su función es aumentar l a curvatura del ala para incrementar la suusstentación. Esto facilita el vuelo a bajas veellocidades y aporta seguridad durante las fasees de despegue y aterrizaje.

Flaps Por último, hay q ue citar a los trims o compensadores . Son superficies aerodinámicas encastradass en las que conforman los controles primariio os, que permiten compensar la tendencia coontinuada de la aeronave a girar en torno a algguno de sus ejes, por efecto de factores espoorrádicos.



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E+ !re% #e "!err$1"/e Este es uno de los elementos críticos para la seguridad de una aeronave. Su función es la de permitir los desplazamientos en tierra de la aeronave y la de disipar su energía cinética durante la fase de aterrizaje.

En muchos RPAS de ala fija es un elemento ausente. En estos casos, el aterrizaje se efectúa sobre la panza del avión (belly landing), que se diseña específicamente para resistir los impactos y la abrasión.

Cuando está presente, suelen ser fijos y constan de unos montantes en los que se instalan unas ruedas o patines.



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5. DRONES DE MULTIRROTOR RES.

ALA

ROT TATORIA.

UAV de ala rotatorria consiste en una única o muchas palas de rootor que giran en sentidos contrapuestos. Exxiste una amplia gama de configuraciones qqu ue van desde un rotor (helicóptero), 3 rootores (TRICOPTER), 4 rotores (Quadcoopter), 6 rotores (Hexacopter), 8 rotores (O Octocopter), así como configuraciones más innu usuales como 12 y 16 rotores. También co onfiguraciones de motores coaxiales como Y 6 consiste en un tricoptero con rotores geemelos en cada brazo, uno apuntando hacciia arriba y uno apuntando hacia abajo o X 8 con una configuración de Quadcopter. Caada configuración tiene sus propias ventajas y desventajas.

uadricóp!ero El control de vehí ícculos aéreos no tripulados de ala rotatoria se lleva a cabo gracias a la variación en ell empuje de los motores. Por ejemplo pitch hhaacia abajo de un Quadcopter se genera a paartir de los rotores traseros que producen mááss de empuje que los rotores de la parte dellaantera, esto permite que la parte trasera deell Quadcopter se eleve y produzca así una acctitud de “nariz hacia abajo”.

Para el movimiento o de guiñada se incrementa el movimientoo de los motores diagonales causando que ell multirrotor gire sobre el eje vertical. INTRODUCCIÓN A LOS DRONES| Pag. 21


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Ejemplo de variacción de empuje del motor trasero para qque el drone se mueva en hacia adelante.

Ejemplo de variaación de empuje de los motores diagonallees para que el drone rote sobre sí mismoo.

Los tricópteros sonn la única excepción. Al tener una configuraacción de motores impares (3 motores). Se reequiere de un servo para mover físicamente eel multirrotor en lugar de utilizar el par de loos rotores para permitir el control sobre su ejee vertical.

La mayor ventaja de los UAV de ala rotatoria es la capacidad para despegar y aterrizar verticalmente. Estto o permite al usuario operar en un área muchoo más reducida.



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También se pueden realizar maniobras mucho más ágiles que los de UAV de ala fija, por contra el tiempo de autonomía es mucho más reducido.

Los drones de ala rotatoria implican por lo general una mayor complejidad mecánica y electrónica por lo que los procesos de mantenimiento y reparación son más costosos y complicados.



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6. COMPONENT TES DE UN MULTIRROTO OR. Un multicóptero, como ya sabemos es un vehículo aéreo cuyoo movimiento es controlado mediante la aceeleración o deceleración de sus múltiples paarres motores, los cuales proporcionan sustenntación vertical.

En la actualidad exiisten numerosas y variadas configuraciones t anto en hardware como en software, detallareemos las partes más comunes de estas aeronaaves.

El funcionamiento de la electrónica de un multirrotor se puede rreesumir de forma básica mediante este esqueema:

Esquem ma básico electrónica multicoptero

Como vemos en e l esquema la controladora recibe la infoormación de los sensores (GPS, barométricco, brújula…) envía la orden a los variadoress y estos regulan la velocidad de los motoress para el vuelo del multirrotor.

Además de estos c omponentes electrónicos lo drones llevaan n los siguientes elementos básicos para podder volar:



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-

FRAME

-

CONTROLAD DORA

-

VARIADORESS

-

MOTORES

-

HÉLICES

-

SISTEMA DE R ADIO

-

BATERÍAS



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6.1. FRAME. Es el cuerpo y esstructura principal del drone. Debe dar cab bida a todos los componentes necesarios p ara su correcto funcionamiento. (Motoores, electrónica, baterías, etc.)

Los materiales utillizados para la construcción del chasis, estáán n estrechamente relacionados con las prestaaciones a las que se destine el drone en su connjunto (aluminio, fibra de carbono, fibra de v idrio, Kevlar, etc.)

#$asis de pl%s!ico

CLASIFICACIÓN SE EGÚN EL NÚMERO DE BRAZOS Un dron puede conntar con tres, cuatro, seis y, los más caros, o cho brazos. De este número dependerá l a estabilidad y la capacidad de movim miento de cada aparato. Los drones que existen en función de los brazos pueddeen denominarse tricóptero, cuadricóptero, hexacóptero u octocóptero.

Tipos de confi"uración de mul!icóp!eros



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E!r',!'r" !r$"% %'+"r Los multicópteros de estructura triangular, es decir tricópteross o hexacópteros coaxiales, son los que m ejor aguantan los vientos fuertes, además de ser los más maniobrables y acrobáticoos. Son ideales por lo tanto en lugares cco on meteorología adversa. Muy útiles para trabajos de control de incendios forestaless y revisión de aerogeneradores.

&u ul!iro!or $e'acop!ero coa'ial ()

E!r',!'r" *+"% %" Los octocópteros p lanos son los más estables y los que pueddeen soportar una carga de pago más pesada.

Se utilizan para caargar con cámaras de grabación audiovisuallees pesadas y en trabajos en los que se requiiera portar un sensor de gran masa.

&ul!irro!or oc!ocóp!ero INTRODUCCIÓN A LOS DRONES| Pag. 27


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Los multirotores co oaxiales son los que dan más seguridad aunquue también tienen un consumo algo mayoor, al perder algo de eficiencia por tenner dos motores contrapuestos en el mismo b razo.

&ul!irro!or coa'ial

Brazos plegables: Algunos drones tienen la capacidad de p oder plegar los brazos, lo cual es una graan ventaja durante el transporte ya que va aa ocupar mucho menos espacio. También existen otros que durante el vuelo replieegan el tren de aterrizaje para que la cáámara pueda grabar en el aire sin que een ncuentre ningún obstáculo.

CLASIFICACIÓN DE E FRAME SEGÚN TAMAÑO La definición de drone como concepto es muy amplia y eeq quivocadamente engloba muchas acepcionees, así comúnmente se le llama drones a un am mplio abanico de aparatos, desde pequeñoss juguetes de pocos centímetros hasta graandes aeronaves militares controladas remo otamente. Lo cierto es que laa clasificación correcta de los drones según ttaamaño se realiza de la siguiente manera:

-

Juguetes y minidrones: de menos de 1 kg Drones muyy pequeños: de menos de 4 kg Drones peqqueños: de menos de 25 kg INTRODUCCIÓN A LOS DRONES| Pag. 28


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CLASIFICACIÓN SEGÚN MATERIAL En el mercado encontramos chasis de multirrotores fabricados con materiales muy diversos, enumeramos algunos ejemplos y los más comunes:

Frame de fibra de Carbono: Por rigidez y ligereza en peso es el más utilizado en drones para uso civil.

Frame de Plástico ABS o PLA: Algo más pesados que la fibra de carbono, pero una buena decisión si queremos optar por algo más económico.

Frame de aluminio: Más baratos que los frame de fibra de carbono pero más pesados y transmiten más vibraciones

Frame de madera: Prácticamente no se usa para drones profesionales, solo para los fabricados de forma artesanal

6.2. CONTROLADORA. A bordo de la aeronave se encuentran los sistemas electrónicos necesarios para su guiado y control. Con el fin de realizar estas tareas, el piloto y el propio sistema en el caso de vuelos automáticos deben conocer en todo momento la actitud (ángulos de cabeceo, alabeo y guiñada) y la posición (latitud, longitud y altura) de la aeronave, su velocidad.

CONTROLADORA Se trata del “cerebro” de la aeronave, es la encargada de recibir la información de los sensores externos (GPS, Sensor barométrico, sensor óptico, giróscopos, brújula…) procesarla y enviar las órdenes correspondientes a cada motor para que el multirrotor vuele correctamente.

La controladora recibe la información de los siguientes sensores:

La unidad de medición inercial o IMU :



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(inertial measurement unit) Permite medir los giros, traslaciones y otras aceleraciones a las que se ve sometida el RPA, gracias a una combinación de acelerómetros, magnetómetros y giróscopos.

Receptor GPS: Un receptor GPS (global position system), que permite conocer sus coordenadas geográficas y la altura aproximada, así como la velocidad respecto al terreno.

Magnetómetro: Los magnetómetro son sensores que miden la el campo magnético al cual son sometidos. Si bien existen sensores que miden en uno o dos ejes, hoy en día son muy comunes los que miden en los tres ejes.

Son lo suficientemente sensibles como para medir el campo magnético de la tierra y por ellos son excelentes para obtener el ángulo que hemos rotado nuestro UAV respecto del Norte (Yaw angle).

Debido a que queremos usar el magnetómetro para medir el débil campo magnético de la tierra debemos tener en cuenta ciertos puntos importantes.

El magnetómetro es de 3 ejes, normalmente mediremos el campo magnético con los ejes X e Y.

El vector flujo magnético terrestre no es paralelo a la tierra, está levemente apuntando hacia abajo y el ángulo con respecto a la superficie terrestre depende de la latitud en donde nos encontremos. Por ello hay que calibrar la brújula de nuestro UAV siempre que se vuele en sitios separados por una distancia considerable, para corregir la declinación magnética. Importante a la hora de montar un multirrotor que el magnetómetro este lo más alejado posible de los variadores, ya que pueden producir interferencias en el mismo.

Otros: Además de los mencionados, existen otros sensores que aportan información adicional a nuestro multirrotor, mejorando por lo tanto las condiciones de vuelo, son por ejemplo los sensores ópticos (evitar obstáculos), barométricos (control de altura), Ultrasonido (ayuda al aterrizaje)… INTRODUCCIÓN A LOS DRONES| Pag. 30


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Mediante ell análisis combinado de todos los sensoress la controladora puede determinar valores como velocidad, altura, posición, punnto de despegue, etc…

CONTROLADORAS MÁ ÁS COMUNES En este apartado d escribiremos las controladoras más comunnes que podemos encontrar ahora mismo en e l mercado para nuestros multirrotores:

Co%!ro+"#or" D I3

En la actuaalidad son los líderes del mercado, actuallm mente podemos encontrar a la ven nta la controladora NAZA v2 (muticóptero os menores de 7 kilogramos) y la co ontroladora A2 (recomendada para multicóptteros mayores de 7Kg).

#on!roladoras D*I Naza &+ , A+



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Co%!ro+"#or" 4e ero UAV3

La controlad dora más avanzada de esta marca es la ZER RO UAV Gemini, una controladora cuya principal característica es la segurida ad, al llevar un sistema especial de controladoras redundantes.

Encontramo os por lo tanto una controladora principal y otra esclava con todos los sistemas duplicados minimizando en la medida de lo posible el fallo.

#on!roladora -ERO .A/ 0emini

Co%!ro+"#or" PI5 5HA673

Fabricada por la marca 3DR está basada en Arduino o. Al tratarse de código libre se convierte en la mejor opción de co ontroladora para desarrolladores.

#on!roladora 1I23A45



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6.3. VARIADORESS. Son los dispositivoss electrónicos que permiten controlar la veloocidad de giro del motor. Reciben la corrien nte eléctrica desde las dos terminales de la batería y la transforman en corriente trrif fásica "pseudoalterna", con la que alimentan n al motor.

Además, disponen d e un conjunto de componentes electrónicoss a dicionales para controlar la intensidad y laa tensión de la corriente eléctrica que se sumiinistra al motor y con ello, su intensidad.

Esquema de un variador

Los variadores gesttionan altas intensidades de corriente y duranntte su tarea, parte de esa energía se transform ma en calor por lo que es muy importante quee dispongan de la refrigeración adecuada, a fiin de prevenir daños en los componentes elecctrónicos.

6.4. MOTORES. Todos los multiccópteros profesionales modernos incorporaan motores sin escobillas (brushless).

Los motores brushlless tienen muchas ventajas. La principal es qqu ue no hay partes con fricción, excepto los ro odamientos, por lo que su desgaste con el usoo es mínimo.

PARTES DE UN MOTTOR BRUSHLESS Estos motores careecen de colector y escobillas o carbones. ¿¿Entonces como funcionan? Es simple, en vez de funcionar en DC funcionan en AC C, la mayoría se alimentan con una señal trrifásica, esta señal idealmente debería ser sinnu usoidal, pero en INTRODUCCIÓN A LOS DRONES| Pag. 33


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la práctica son pulsos, haaciendo que la señal sea un continua pulssaante o bien una continua con mucho com mponente de AC sin embargo se los clasificca como de DC porque al igual que los mottores comunes tienen imanes permanentes.

&o!or 6rus$less

Estos imanes son a traídos por la polaridad de un campo magnééttico generado en las bobinas, las cuales coomo decíamos reciben pulsos en un patróón n especifico. Si queremos que el motor gire mas rápido, simplemente hacemos ggirar el campo magnético secuencial a m ayor velocidad. O lo que sería lo mismoo a aumentar la frecuencia de los pulsos.

FUNCIONAMIENTO Si tenemos un mootor eléctrico común y le aumentamos laa tensión en los terminales del mismo, veeremos que aumenta la velocidad pero tam mb bién aumenta la corriente de consumo. En u n motor brushless la corriente y la velociddad son en cierto punto independientes. Es el circuito regulador de velocidad el quee se encarga de suministrar solo la corrientte necesaria para una determinada RPM. Si aalimentamos con mucha corriente, significa q ue estamos desperdiciando la capacidad dee la batería en esa corriente que no es aprovecchada, si en cambio, alimentamos con poca cco orriente, el pulso de EMF será mayor al pullso de alimentación y por lo tanto el motor eev ventualmente se detendrá.

VENTAJAS Y DESVE ENTAJAS

Ve%!"/" o

Mayor eficieencia (menos perdida por calor)

o

Mayor rend dimiento (mayor duración de las baterías para la misma potencia)

o

Menor peso o para la misma potencia INTRODUCCIÓN A LOS DRONES| Pag. 34


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o

Requieren menos mantenimiento al no tener escobillas

o

Relación velocidad/par motor es casi una constante

o

Mayor potencia para el mismo tamaño

o

Mejor disipación de calor

o

Rango de velocidad elevado al no tener limitación mecánica.

o

Menor ruido electrónico (menos interferencias en otros circuitos)

De&e%!"/" o

Mayor costo de construcción

o

El control es mediante un circuito caro y complejo

o

Siempre hace falta un control electrónico para que funcione (ESC's), que a veces duplica el costo

CARACTERÍSTICAS Los datos que debemos conocer a la hora de elegir un motor adecuado para nuestro modeló serán principalmente dos:

Revoluciones por voltio (Kv) este dato es importante porque dependiendo del voltaje de la batería que vayamos a emplear, el motor alcanzara unas revoluciones u otras. Esto depende de las vueltas que lleve cada diente del bobinado y la terminación que se realice en las fases, pero no vamos a profundizar en el bobinado de motores.

Voltaje y amperaje máximo admitido , cada motor, dependiendo del tamaño y bobinado que tenga, podrá soportar una cantidad máxima de corriente (V) e intensidad (A). A veces estará expresado en Watios, por lo que deberemos emplear la formula Potencia(W)=Voltaje(V)*Intensidad(A)

Otras veces el fabricante, para facilitarnos el trabajo, directamente nos especificará en una tabla que tamaños de hélice que podremos utilizar, según el voltaje de la batería que empleemos de bateria LiPo en nuestro multicopter o avión electrico. A veces también publican una tabla con los distintos consumos (A) y empuje (kilogramos) que tendremos con una determinada batería (V) y tamaño de hélice. A continuación podemos ver un ejemplo donde el fabricante aporta algunos datos sobre el motor, como son:

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Voltaje de funcionamiento INTRODUCCIÓN A LOS DRONES| Pag. 35


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Tamaño de hélice

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Porcentaje de la “palanca” o stick en la emisora

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Consumo en Amperios/hora

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Watios

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Empuje

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Revoluciones por minuto

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Eficiencia

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Temperatura



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6.5. H8LICES. Están fabricadas en diferentes tamaños y materiales como compuesto de nylon, fibra de carbono, etc.

Son las encargadas de generar el empuje hacia abajo, el cual es capaz de elevar, sustentar, y desplazar el mutirrotor, mediante la variación de empujes por cada par motores girando en sentido contrario.

Es importante asegurarse si hay repuestos originales o compatibles en el mercado de las hélices que vayamos a usar debido a que es común que se rompan por accidentes durante la vida del multirrotor.

CLASIFICACIÓN DE LAS HÉLICES Cuando adquirimos unas hélices comprobamos que estas tienen impresa una numeración, por ejemplo 9x4

El primer dígito hace referencia a la longitud de la hélice en pulgadas (9 ) y el segundo es el pitch o paso de la hélice. ″

Y que es el paso…? El paso de hélice es la distancia que recorre una hélice en una vuelta completa. Así que, en principio, una hélice de más paso y misma longitud puede ser que vaya más rápido que una hélice de longitud mayor pero mismo paso, aunque también hará que el motor consuma más amperios.

Para incrementar el tamaño de la hélice es necesario consultar las especificaciones de empuje de motores; si los variadores y baterías aguantan, y/o si el chasis soporta el nuevo tamaño de hélices.

El tamaño de la hélice de la hélice se mide de punta a punta (en caso de ser de tres o cuatro palas será el diámetro máximo, que es lo mismo que multiplicar por dos el tamaño de una pala hasta el eje).

Así pues, podemos ver gráficamente la definición de paso de una hélice.

Suponiendo que estuviera en un medio sólido, las pulgadas que avanzaría con cada giro completo. INTRODUCCIÓN A LOS DRONES| Pag. 37


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1aso de $7lice Para un mismo paaso, cuanto mayor sea el tamaño de la héliicce, más empuje obtendremos (y por consigu guiente mayor consumo).

Cuanto mayor sea e l paso de la hélice, mayor será la velocidad m áxima y menor el empuje (estático), pero t ambién aumentara el consumo del motor.

Como norma geneeral emplearemos motores de pocas revolucciiones por voltio (Kv), con hélices grandes y de poco paso para multicópteros de traccióón n (multicópteros para filmación aérea) y em mplearemos motores con altas revoluciones poorr voltio y hélices pequeñas con mucho paso ppara multicópteros más rápidos como los droon nes de carreras.

COLOCACIÓN DE LAS HÉLICES Parece un paso obbvio, pero acaba siendo un error muy comú ún en los pilotos noveles la correcta colocacción de las hélices.



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37lice

Si nos fijamos en laa figura de arriba, en la pala de la derecha, l a parte de abajo está más baja que la parte d e arriba y el centro es convexo (más cerca ddee la cámara). Por lo tanto, la hélice tiene una pequeña curvatura. Esto impide que esta hélice sea reversible.

Si la hélice, según n está colocada, girara en sentido antihorariio generaría una corriente clara de aire haciia abajo y debido a la tercera ley de Newton n se induciría una fuerza sobre la hélice haciaa arriba. Si la hélice girara en sentido horario generaría una corriente de a ire hacia arriba pero, en este caso mucho m ás difusa, el aire iría en otras direcciones taambién. Además, en ese sentido es mucho m más aerodinámica y por lo tanto ofrece menno os resistencia al giro, consumiendo menos p ero a su vez dando un rendimiento peor.

Si quisiéramos geneerar una corriente clara hacia arriba, tendríam mos que voltear la hélice 180º.



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6.6. SISTEMAS DE R ADIO. EUIPO DE RADIO CONTROL En el caso de RPAS S de menos de 25 kilos, lo habitual es que see disponga de un equipo transmisor para ell piloto, equipado con un conjunto de maan ndos a base de palancas, potenciómetros y botones, que transmiten las órdenes del pilooto a la aeronave a través de un enlace de raddio unidireccional.

Este sistema es crítiico, puesto que constituye la interfaz del pilooto para controlar la aeronave en modo de vuueelo manual o semiautomático. Cada uno de los maandos de este transmisor utiliza uno de los cannales disponibles en el enlace de radio, parraa enviar al receptor a bordo de la aeronavee las órdenes del piloto. Los sistemas de coontrol y navegación se encargan de accionarr los mecanismos necesarios para que el RPA A ejecute las acciones deseadas.

Estos transmisores utilizan distintos métodos de codificación d e la señal, para evitar interferencias y asegu gurar la integridad de la comunicación.



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6.9. :ATER;AS. Las baterías de polímero de litio o LiPo son un tipo de batería eléctrica recargable, que se caracterizan por su capacidad para almacenar una muy alta densidad de energía y por tener unos ratios de descarga muy altos, que permiten atender altas demandas instantáneas de intensidad. Como ventajas adicionales están su ligereza y la capacidad de poder fabricarse adaptadas a cualquier forma geométrica.

Estas características las hace especialmente útiles como fuente de energía para motores eléctricos en aplicaciones de RPAs.

Las baterías LiPo están formadas por una o varias células, conectadas en serie y en paralelo, para atender a las demandas de tensión (V) e intensidad (I) del sistema que van a alimentar. Por ejemplo, una configuración 6S2P indica una batería formada por dos conjuntos conectados en paralelo (2P), seis células colocadas en serie (6S).

Para evitar daños en el conjunto, cada célula necesita ser recargada en las mismas condiciones que el resto (todas deben terminar con la misma tensión entre polos). Para conseguirlo, las baterías construidas con varios elementos llevan incorporado un dispositivo balanceador.

Cada célula de una LiPo, tiene una tensión nominal de 3,7 voltios (V) y una tensión máxima de carga de 4,22 voltios. Su ventana de voltaje se sitúa entre los 3 y los 4,2 voltios.

En el caso de que sobrecarga, la célula puede explotar o incendiarse. Si se descarga por debajo de los 3 voltios, resultar dañada irremediablemente y será imposible volver a cargarla completamente, debiendo ser desechada.

Los parámetros a tener en cuenta para evaluar las prestaciones de una batería LiPo, además de los datos S y P ya vistos, son:

V (Voltaje): tensión nominal entre los polos de la batería. Depende del número de células conectadas en serie (para una batería 3S, 3 células x 3,7 V = 11,1 V de tensión nominal). mAh: capacidad de almacenamiento de la batería en miliamperios por hora. Se trata de los amperios que la batería es capaz de suministrar en una hora, si al cabo de ese período queda completamente descargada. C: tasa máxima de carga (C CHARGE) y descarga (C). Es un indicador de lo rápido que se puede cargar o descargar una batería, con seguridad. Se trata de un factor multiplicador de la capacidad, que nos indica la máxima intensidad que se puede suministrar o demandar a la batería de manera sostenida. Por ejemplo, una batería de 5.000 mAh, cuya tasa de descarga sea de 3C podrá suministrársele durante la carga una INTRODUCCIÓN A LOS DRONES| Pag. 41

Introduccion a Los Drones

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