31 May

Wiki drone: elegir el frame correcto para el drone

Autoevaluación

Cuando vamos a construir un drone, lo primero que debemos hacer es una composición de lo que queremos, hay algunas preguntas básicas, como un test de autoevaluación necesario previo a cualquier desembolso. Este test debe ser más exhaustivo conforme más ambicioso es el proyecto, algunas de las preguntas que nos debemos hacer antes de construir nuestro drone son las siguientes:

  • Presupuesto: ¿de cuánto presupuesto dispongo para construir mi drone?
  • Tiempo: ¿dispongo del tiempo suficiente para lidiar tanto con el montaje del drone, como con los problemas que seguro surgirán durante el camino?
  • Utilidad: ¿para qué quiero usar mi drone?
  • Carga: en función de la utilidad, ¿cuál es la carga máxima en equipo que llevará?

Este tipo de preguntas, son básicas,  debemos plantearnos tantas como sean necesarias para definir el proyecto de construcción del drone, obviamente, con un kit-drone tenemos las preguntas básicas resueltas, ya que partimos de la base de que tendremos un drone suficientemente equipado como para llevar una gopro y un gimbal, o cualquier equipo inferior en peso a estos.

Vamos con lo primero (iremos definiendo componentes conforme las entradas el blog avancen), el chasis o frame de nuestro drone:

Elegir el chasis o frame para nuestro drone

El frame es una parte fundamental para nuestro drone, es la base de la que literamente, colgará todo.

El frame de un drone tiene cuatro partes fundamentales que debemos considerar:

  • Estructural
  • Tamaño
  • Portabilidad
  • Configuración

Vamos a describir la función de cada una:

Estructural:

El frame o chasis de un drone debe estar calculado para poder soportar una carga con la mínima deformación y transferencia de vibración posible. No es lo mismo pensar en un chasis para soportar 9kg como en el caso de nuestro hexacóptero profesional, a un chasis para soportar el peso de una batería, una gopro y un gimbal. Los materiales son distintos (carbono en el primer caso, y plástico y fibra de vidrio en el segundo) al igual que las estructuras que conforman los brazos.

Estructura flectando

Para casos donde tenemos que soportar mucha carga, las secciones tubulares de fibra de carbono son nuestras amigas, en el caso de nuestro hexacóptero profesional, son tubos de 25mm, mientras que en nuestro kit drone, son estructuras planas con refuerzos en patrón triangular.

Nunca veréis un “heavy lifter” que es como se llama a los drones que levantan mucho peso, con una estructura de brazo parecida a las de los F450 o F550, sino que siempre llevarán estructuras tubulares, bien sea redondas o cuadradas en sus brazos, precisamente para tratar con la torsión y la flexión de la mejor manera posible.

Drone heavy lifter con estructura tubular modificada

En resumidas cuentas, estructuralmente nos interesan brazos de sección tubular para drones que van a estar sometidos a mucha carga, y nos es indiferente mientras sean rígidos para drones más pequeños (pensad en los drones de carreras, que simplemente llevan plaquitas de carbono aligeradas con agujeros)

Tamaño:

La autonomía de un drone en vuelo está directamente relacionada con los KV de sus motores y con el tamaño de sus hélices. Una regla sencilla para buscar un drone que aguante mucho tiempo volando son hélices grandes y motores de muy bajos KV (de 400KV para abajo)

Drone de larga autonomía, se les caracteriza por brazos largos, hélices grandes y poca capacidad de carga

El problema que tiene esto es el dimensionamiento del drone, ya que para albergar hélices grandes, es necesario tener brazos grandes, para que no choquen entre sí.

Cuanto más grandes son los brazos de un drone, más esfuerzos a flexión tenemos, pensad en una regla de plástico, cuanto más larga es, menos nos costará flectarla, esto es algo que está directamente relacionado con la resistencia estructural que comentábamos anteriormente, y sin duda es algo a tener en cuenta.

Volviendo a la comparativa, en nuestro hexacóptero profesional, el diámetro total del chasis es de aproximadamente un metro, permitiendo albergar hélices de 17 pulgadas en cada uno de sus 6 brazos.

Podríamos tratar con una configuración de quad coaxial, pero estaríamos repartiendo más carga en 4 brazos en lugar de 6. Tendríamos más espacio para poner hélices mayores, pero la carga sería mayor por cada brazo, pudiendo acabar en un fallo estructural si el chasis no está bien elegido/diseñado.

Portabilidad

Uno de los factores que nos afectan cuando nos construimos o compramos un drone, es lo portable que este pueda llegar a ser, en resumen: si nos cabe en una mochila, en el maletero o si tenemos que comprar un remolque para llevar a la criaturita al campo de vuelo.

En el mercado existen muchos drones plegables, o sistemas de plegado para nuestro drone.

Drone plegable DJI MAVIC

Tanto DJI como Tarot parecen haberse entusiasmado últimamente con estos sistemas, podemos ver que los drones profesionales de ambas marcas cuentan un sistema de plegado rápido y resistente pero con una marcada limitación en peso por el mecanismo.

A la hora de diseñar nuestro chasis, o elegirlo, el sistema de plegado debe ser una de las claves de nuestra elección, asegurándonos de que este es lo suficientemente fiable para desempeñar bien el trabajo de mantener los brazos unidos al frame en vuelo.

Huid de sistemas de plegado de plástico que parecen demasiado bonitos para ser verdad ya que no es lo mismo el número de ciclos de desgaste que pueda presentar una unión de carbono y metal, con los ciclos de desgaste del plástico, que como todos sabemos, es muy inferior.

Configuración:

Existen numerosas formas de configurar nuestro drone, y no siempre los diseños más rompedores son los mejores

Dentro de la configuración, podemos establecer dos subgrupos, los coaxiales y los de un motor por eje

  • Coaxiales: son configuraciones donde un mismo brazo, alberga dos motores cuyos rotores giran en sentidos opuestos. A pesar de que permiten una mayor carga por brazo, la NASA comprobó que son menos eficientes que las configuraciones de un solo rotor
  • Un solo motor por eje: es la configuración clásica y simple, para tener la misma capacidad de carga que los coaxiales, debemos tener el doble de brazos (o casi, por la pérdida de eficiencia que comentábamos anteriormente)

Empecemos por los de un solo motor por brazo:

  • Tricopter
  • Quadcopter
  • Hexa, octo, etc etc

Tricopter:

Nos permite ahorrar en motores, pero añadimos complejidad mecánica, ya que es necesario un servo en el rotor de cola que nos permita hacer el movimiento de guiñada con nuestro drone.

Son menos estables, ya que los pares de los motores no están contrarrestados

Quadcopter:

Es la configuración más eficiente, los pares de los motores están contrarrestados y es estable. El único punto en contra es que permite menos capacidad de carga que sus hermanos mayores, si bien dará una mayor autonomía

Quadcopter

Hexacopter, Octo, etc etc

Permite poner tantos motores como nuestra controladora de vuelo nos permita, estamos sacrificando autonomía en virtud de aumentar la carga máxima que somos capaces de levantar con nuestro drone. Igualmente, relaja la carga por cada brazo, al tener más donde repartir. En función de la potencia de nuestro drone y de las capacidades de nuestra controladora, nos permitirá seguir el vuelo en condiciones de pérdida de un motor o fallo del mismo, lo cual lo convierte en una elección obligatoria si miramos por el lado de la seguridad.

Octocopter

Chasis coaxiales

Y6: se trata de una versión de hexacóptero coaxial, tenemos un número par de rotores, luego los pares se ven compensados. El principal beneficio que tenemos con este tipo de chasis es el ahorro de espacio que representa frente a un hexacóptero tradicional. La principal desventaja es que estamos sobrecargando a la estructura, portando el doble de peso en un mismo brazo respecto a la configuración de hexacóptero.

Hexacóptero coaxial

X8: un octocóptero coaxial, ocuparía el mismo espacio que un quadcóptero, pero nuevamente cargando la estructura

Octocopter coaxial

No se puede pasar de una configuración de un solo rotor por brazo a doble rotor (coaxial) sin antes pararnos a pensar en el punto estructural, ya que si calculamos mal, el error se puede pagar caro.

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