Multirrótores

Son múltiples las tecnologías que se combinan en perfecta sincronía para dar lugar a unas máquinas voladoras singulares que hasta hace poco eran casi impensables y hoy, en cambio, gracias a plataformas como Arduino y a la colaboración desinteresada de desarrolladores de todo el mundo, están perfectamente al alcance de cualquier aficionado.

 

Los multirrotores son aeronaves similares a un helicóptero pero con varios motores con sus correspondientes hélices o propulsores. Existen diferentes configuraciones posibles con distinto número de motores y diferente disposición geométrica.

Multirrótores

Mini Quadricóptero

Con los variadores de velocidad integrados en la estructura de placa de fibra de vidrio de circuito impreso, alimentado por baterias 2S y gobernado por una controladora de vuelo Multiwii basada en atmel ATmega 328p es una buena opcion como primer contacto con el mundo de los multirrotores.

Controladora de vuelo

 

Un elemento fundamental que hace posible el vuelo estable es la placa controladora de vuelo o FCB (Flight Controller Board) que es un sistema electrònico gobernado por microcontrolador que lee información de una serie de sensores que proporcionan datos sobre la posición y movimiento actual de la nave. Este conjunto de sensores se suele denominar unidad de medición inercial o IMU (Inertial Measurement Unit) y suele incluir acelerómetro, giroscopo, magnetometro o brújula y altimetro. Con estas mediciones el software que introduzcamos en el microcontrolador deberá generar las señales adecuadas para controlar los diferentes motores que aportarán cada uno el empuje adecuado para mantener la horizontalidad de la aeronave.

La placa controladora de vuelo elegida es la multiwii 328p de Hobbyking, una opción muy asequible aunque ciertamente limitada. Sus espcificaciones son:

 

- Microcontrolador Atmel Atmega328p a 16 MHz.

- Giroscopio de 3 ejes ITG3205.

- Acelerómetro BMA180.

- Barómetro BMP085.

- Regulador de tensión de 3.3V.

- Convertidor FTDI USB-Serie (conector mini-USB).

- Dimensiones: 50x50mm, taladros de montaje: 45x45mm.

- Peso: 13.9g.

 

 

Dada la limitada memoria de programa del 328p el firmware, es decir, el código ejecutado por el microcontrolador no debe ser muy extenso y, por ello, la elección mas acertada es el software multiwii, originalmente desarrollado para utilizar los sensores inerciales de la famosa consola de Nintendo junto con un arduino basado en el 328p.

 

La comunicación entre el microcontrolador y los sensores se realiza mediante un bus I2C, bus síncrono a dos hilos (SDA, SCL) muy usado para estos casos, donde cada integrante posee una dirección especifica que lo identifica de forma única frente al host que es el microcontrolador. Los sensores utilizados se alimentan generalmente a 3.3V y el MCU (microcontrolador) así como el chip FTDI-USB trabajan a 5V, por ello la placa incorpora un regulador lineal de tensión a 3.3V así como un convertidor de nivel lógico bidireccional 3.3V-5V. Entre las salidas de la placa nos encontramos con este bus i2c a 3.3V así como las lineas de alimentación GND y +3.3V que podemos utilizar para conectar nuevos sensores o dispositivos de otro tipo a nuestro "ordenador de vuelo".

 

Tambien disponemos de los pines de un puerto serie o UART, que podemos emplear para conectar un GPS, un modulo Bluetooth, display LCD, telemetría via radioenlace, etc.

 

La Carga del firmware elegido, a veces manipulado en mayor o menor medida, se lleva a cabo mediante la conexión USB con un PC, siendo el firmware habitualmente un "scketch" o programa del entorno Arduino. Además la conexión USB permite mediante el uso de un programa de configuración o GUI (Graphic User Interface) monitorizar y configurar el funcionamiento de todo el hardware (mas adelante hablare del bucle de control PID, responsable de la estabilidad y maniobrabilidad del vehiculo).

 

 

 

 

Motores y Controladores electrónicos de velocidad (variadores)

 

 

Desde hace ya un tiempo los motores que más frecuentemente se emplean en aeromodelos son los del tipo "brushless", es decir "sin escobillas" que no tienen ningun contacto eléctrico entre rótor y estátor, lo que alarga su vida útil y les confiere gran fiabilidad. Realmente son motores síncronos trifásicos con rótor de imanes permanentes. Como su nombre indica el rotor es la parte que gira y, aunque tradicionalmente ha sido la parte interna (inrunners), actualmente es más habitual que sea la externa (outrunners).

 

Dejando de lado los detalles constructivos del motor, electricamente hablamos de motores trifásicos que deben ser alimentados por corriente alterna trifásica que pueda ser variada tanto en tensión como en frecuencia para así tener un control adecuado sobre el motor. Para ello lo habitual es el uso de inversores DC-AC basados en puentes de semiconductores de potencia, en este caso transistores MOSFET que con frecuencia se presentan en encapsulado "dual" formando lo que se conoce como "medio puente". Con tres medios puentes tenemos un inversor trifásico y solo queda pensar en como controlarlo.

 

El control del inversor se lleva a cabo, como no podría ser de otra manera, por medio de un microcontrolador, cuyo software lee una señal PWM de entrada que es proporcional a la velocidad deseada para el motor y genera, tambien mediante PWM (pero a mayor frecuencia), las tres señales que manejarán los semiconductores de potencia.

 

Lo típico es que el variador electrónico de velocidad o ESC (electronic speed controller) sea un dispositivo independiente aunque en este proyecto va integrado en la placa de circuito impreso que forma la propia estructura de la aeronave.

 

Quadricóptero FPV

 

Con estructura de fibra de carbono de 550 mm, motores de 250W y una controladora de vuelo multiwii pro basada en ATmega2560, capaz de utilizar el firmware APM entre otros.

 

Cuenta con camara y transmisor de audio/video a 5.8 GHz

OSD así como enlace de datos a 433 MHz

Drón de carreras FPV

 

 

En vista del auge que están teniendo ultimamente los cuadricopteros de clase 250 con FPV para vuelo acrobático de carreras he decidido construir uno, intentando minimizar costes utilizando, por ejemplo, la tecnología de impresión 3D, así como la reuilización de piezas de proyectos anteriores.

Estructura - Frame

 

 

He tratado de aproximarme en la medida de lo posible al diseño del modelo que vemos en la imagen. Se trata del drón de carreras Vortex-285 de InmersionRC. La estructura de este modelo está realizada en fibra de carbono, si bien utiliza algunas partes de plástico. Yo utilizare piezas impresas en plástico ABS excepto para los brazos que serán de tubo de fibra de carbono de 12mm (sobrante de proyectos anteriores).

 

Rebuscando en Thingiverse encontramos un clón de este modelo imprimible bajo el nombre Firefly, muy bien documentado con su propio sitio web con instrucciones de ensamblaje. No obstante, a mi me surge un primer problema: mis tubos de fibra de carbono son de 12mm y el diseño contempla tubos de 10mm, la solución más obvia sería escalar el modelo al 120% pero esto hace que la base no sea imprimible debido a su tamaño, por ello adopto el compromiso de imprimir las piezas a escala 1.13 y las abrazaderas de los tubos a 1.15 así como los laterales en vertical.

 

Además considero que las bases de los motores son innecesariamente complicadas como para obtener una impresión con robustez suficiente. Por ello he modificado un diseño ya existente añadiendo un pie, con un resultado que me convence mas.

 

Una de las ventajas que aporta este modelo es su capacidad de plegarse (gracias a unos clips o cliplocks de plastico que aseguran los tubos). De esta manera el transporte es mucho mas comodo.

 

Aunque la envergadura original (distancia entre los ejes de dos motores diagonalmente opuestos) es 285mm, debido al uso del escalado mi prototipo alcanza 330mm.

Propulsión - Estabilización

 

Voy a utilizar motores 2204 - 2300kv controlados por variadores opto de 18A de tamaño muy reducido y apos para baterías 2S-4S. Los modelos opto carecen de BEC por lo que usaré un BEC dual 5V/12V para alimentar los distintos elementos electrónicos.

 

Probare distintas combinaciones de alimentación (3S/4S) y tamaño de helices para experimentar distintos comportamientos. La idea es usar helices 5045 con 4S y 6045 con 3S.

 

Para el control de estabilización, en principio reutiizare la controladora multiwii 328p previamente usada, aunque sería interesante migrar a un sistema de 32bits como Naze32 con un coste relativamente bajo actualmente.

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