Diseño del Cuadrotor
El cuadricóptero, es una aeronave que se eleva y se desplaza por la acción cuatro rotores instalados al final de un marco en forma de cruz. El control se logra variando la velocidad angular de cada uno de los cuatro motores.
Introducción al Funcionamiento
Para controlar el QA3 es necesario generar cambios en la potencia entregada a cada motor. Para el siguiente análisis se asume que la plataforma esta volando estable con una potencia de motores PWMQ (en los cuatro motores).
Los cuadricópteros como todo vehículo volador tiene 3 grados de libertad angulares, estos son roll, pitch y yaw.
Movimiento de guiñada (yaw)
Se refiere al movimiento cuando el vehículo gira sobre su eje vertical. El cuadricóptero logra este movimiento aumentando (o disminuyendo) por igual la potencia de giro de los rotores 1 y 3 y disminuyendo (o aumentando) en igual magnitud los motores 2 y 4. Al disminuir esta potencia aumenta el par motor creando un giro contrario a las hélices que están rotando con mayor potencia. Las potencias de giro deben variar equilibradas para mantener el vehículo estacionario en el aire, es decir, la fuerza total constante.
Movimiento de inclinación (pitch)
Es el movimiento que permite el movimiento hacia adelante y atrás. El vehículo mantiene la potencia en el rotor 1 que es opuesto al sentido deseado, reduce al mínimo la del rotor 3 y deja los otros dos a potencia media, así la sustentación del rotor 1 hace que el vehículo se incline a favor del sentido deseado y se desplace.
Movimiento de bamboleo (roll)
Es cuando el vehículo se mueve a la izquierda o derecha. Usa el mismo principio que el de inclinación, pero lateralmente. La combinación de los tres movimientos mencionados son los que hacen maniobrar al cuadricóptero libremente.
Los movimientos de roll y pitch son giros en torno a los ejes horizontales del QA3. Una inclinación en cualquiera de estos ejes produce un movimiento lineal en el plano horizontal cuya velocidad depende del ángulo (esto se denomina ángulo de ataque) y la dirección depende de la orientación del QA3. Yaw es un giro respecto a la vertical y no produce movimiento lineal.
Por último, se puede controlar la altura del QA3, variando la potencia de los cuatro motores en igual medida. De esta forma la plataforma puede ascender o descender.
El control de los movimientos yaw, pitch y roll se realiza con el sistema de navegación. En secciones siguientes se encontrarán las expresiones matemáticas que permitan modelar el comportamiento del cuadricóptero en el espacio. Los modelos matemáticos desarrollados serán simulados para luego ser probados en la estructura real.
Estructura
La estructura del QA3 es de aluminio compuesta por dos tubos rectangulares (2mm de espesor, 60cm de largo) encastrados en sus centros, formando un ángulo de 90º. Sobre el centro se encuentra la placa madre montada sobre gomas de caucho para amortiguar las vibraciones producidas por los motores.
Cálculo del peso total
4 * motores de 52g + 4 controladores de 32g + 2 baterías de 160g + 4 hélices de 10g + estructura 200g + protección 100g = 1156g
Motores
Se utiliza motores brushless para aeromodelismo con control electrónico. A diferencia de un motor DC convencional, en un motor brushless la armadura no tiene movimiento y el imán permanente es el que gira sobre su eje. Estos motores son conocidos como outrunners. Para lograr esto es necesario generar tres señales con valor eficaz variable en forma cuasi-senoidal, como se muestra en el siguiente gráfico.
Un parámetro importante de éste tipo de motores es el
, constante que relaciona la velocidad en RPM del motor sin carga con el valor pico de tensión en las bobinas del motor. Los motores elegidos son los BL-2830-8 de la empresa RCTimer que tienen un
. Las características de estos motores son:
- Modelo: 2830-8
- Dimensiones: Ф28*30mm
- Dimensión del eje: Ф3.17*45mm
- Peso: 52g
- KV(rpm/V): 1300
- Potencia Máxima: 275W
- Batería: 2-4Li-Po
- Hélices recomendadas: 9x6/7x3
- Ri(M Ω): 0.075
- ESC(A): 30A
Controladores ESC
Los controladores de los motores (ESC, Electronic Speed Controller) permiten regular la potencia suministrada a cada motor. Se alimentan con una tensión formada con celdas NiMh o LiPo. En nuestro caso la tensión es 12v. La salida del ESC debe ser como la mostrada en la figura anterior.
Baterías LiPo
El QA3 posee 2 baterias Hyperion G3 CX - 3S 2100mAh (25C), las cuales le permiten una autonomía de vuelo de aproximadamente de 10 minutos.
Cálculo de la duración de las baterías:
4 Motores de 275W = 1100W Potencia total consumida, despreciando el resto de los componentes.
2 Baterías de 11.1 * 2100mAh = 46.62Wh
Este tiempo es a potencia máxima, como vemos el QA3 sin llevar carga reduce esta energía consumida a un 25%.
Características:
- Peso: 160g
- Dimensiones: 109 x 36 x 24 mm
- Tecnología Lipo
- Velocidad de carga de hasta 5C
Hélices
Las hélices en general tienen 2 parámetros que las caracterizan: el paso y el diámetro.
El paso se calcula como la distancia que recorrería la hélice en una vuelta si esta se moviese en un medio sólido (semejante a un tornillo). Las hélices definen el consumo de corriente de los motores, así como el empuje que se puede lograr. Las hélices utilizadas son las recomendadas por el motor, de la medida 9x6 pulgadas.
Protección
Para poder realizar pruebas seguras con el QA3 y evitar que el proyecto dure más que un solo vuelo, se decidió armar una estructura de telgopor, de manera que las hélices queden contenidas dentro del volumen formado. También se le añadió unos pies para proteger el conexionado de alimentación y que permite calibrar el "cero" fácilmente.
