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Ene 03

Construyendo un cuadricoptero I

Un cuadricoptero es una máquina voladora capaz de moverse únicamente por el empuje de sus cuatro motores. No tiene alas ni superficies de control, por lo que la estabilidad y la maniobrabilidad se consiguen utilizando un sistema de control que mide continuamente las aceleraciones, ángulos y velocidades angulares de la estructura y modifica de acuerdo a estas medidas la velocidad de giro de los motores.

Aunque hay varios proyectos de código abierto relacionados con el tema como por ejemplo multiwii, en esta serie de artículos vamos a empezar desde cero, diseñando y construyendo la estructura y el sistema de control.

En este capítulo diseñaremos el aparato y prepararemos la lista de materiales necesarios. 

[warning]Un aviso importante antes de seguir leyendo. Todo lo que viene a continuación forma parte de un proyecto personal, y no doy ninguna garantía de éxito para aquel que quiera reproducirlo. Si buscas construir un cuadricoptero casero sin complicarte la vida, hay soluciones mucho mejor probadas en internet.

Además de lo anterior existe un riesgo no despreciable de sufrir lesiones si no tenemos especial cuidado con todo lo que hacemos. Los motores empleados tienen más 300W de potencia cada uno y mueven una helice de 11 pulgadas a más de 9000 rpm, las baterías de litio pueden arder en caso de cortocircuito y la misma estructura nos puede caer en la cabeza si tenemos un fallo en vuelo. No me hago responsable de los daños que puedas sufrir o provocar a otras personas.[/warning]

ESTRUCTURA

Empecemos definiendo la estructura y los elementos que componen el cuadricoptero. Hay muchos diseños diferentes, pero yo me voy a decantar por una estructura de aluminio en cruz. Lo motores van colocados en los extremos de la cruz y la electrónica de control en el centro.

Usaré perfil de aluminio en U de 20mm de ancho y 10 de alto con 1,5 mm de grosor, se puede encontrar fácilmente en grandes almacenes de bricolaje. También podemos usar cuadradillo de 10x10mm pero el peso por metro es el mismo y tiene menos superficie disponible para fijar los motores.

He cortado una barra de 1 metro en tres trozos. Dos de ellos de 250 mm  y uno de 500 mm. Hay que tener cuidado de que los cortes queden perpendiculares y bien lisos al menos en uno de los extremos de los trozos de 250mm.

Ahora debemos formar una cruz con las tres barras que tenemos, asegurándonos con una escuadra y una regla de que queden perpendiculares y bien centradas.

Para fijar las tres barras he utilizado un trozo de pletina de aluminio. Taladramos y fijamos la pletina y las barras con remaches.


Para hacer las patas he utilizado cuatro trozos de varilla de aluminio de 4mm de diámetro doblada unos 30º y pegada a unos terminales para cable, que luego se atornillan a los perfiles de aluminio de la estructura.

Vamos a hacer un cálculo inicial del peso de la estructura de aluminio, que luego nos servirá para elegir los motores y la electrónica de potencia.

La densidad del aluminio es de 2698 kg/m³. La sección del perfil es de (20+2*8)*1.5 mm² lo que nos da unos 155 gramos por metro (que es lo que hemos usado). A esto hay que añadir el peso de las varillas de las patas, de sección 13,7 mm², que suman 37 gr. Contando los tornillos y remaches y el trocito de pletina de aluminio de la unión hablamos de unos 200 gr.

ELECTRÓNICA DE POTENCIA

Utilizamos una calculadora online para buscar una configuración optima de motores, variadores y baterías. Esta es la mejor calculadora que he encontrado: http://www.ecalc.ch/xcoptercalc_e.htm

La configuración que he elegido está formada por 4 motores outrunner N2836 de 880KV

Motor
N2836/09
Size
KV(rpm/v)
880
Power(W)
305
Wire Winds
9
Resistance(mO)
98
Idle Current(A)
0.6
Shaft diameter A(mm)
4
ESC(A)
20
Motor length B(mm)
36
Cells Ni-Cd/Ni-MH
6-12
Motor diameter C(mm)
28
Cells Li-Po
2-4
Basic length D(mm)
27
Prop
11×8.5/10×7/12×6
Total length E(mm)
51

 

Las hélices serán de 11×4.7 dos para giro a derechas y 2 a izquierdas (ya veremos la justificación), y los variadores de 30A.

Para aumentar al máximo la autonomía se montarán dos baterías LiPo 3S de 1800mAh y 40C cada una.

Reservando 300gr para electrónica, cables, tornillos y accesorios, la calculadora nos dice que el cuadricoptero empieza a volar con el mando de potencia al 42% y se puede añadir una carga útil máxima de más de 800gr, lo que nos da un margen bastante aceptable de seguridad.

ELECTRÓNICA DE CONTROL

Todos los elementos anteriores no sirven para nada si no desarrollamos un buen sistema de control que sea capaz de mantener en el aire el cuadricoptero de forma estable y que a la vez permita moverlo a voluntad remotamente con la emisora.

Casi todo lo que necesitamos aquí ya lo hemos ido desarrollando con anterioridad en otras entradas:

Ya que necesitamos toda la potencia de cálculo que podamos tener, usaremos un DSPIC 30F4012 como “cerebro”. La placa empleada es igual a la desarrollada en la entrada “Utilizar una SD como unidad de almacenamiento masivo para PIC. Primeros pasos“.

Para medir los “grados de libertad” del sistema usaremos el módulo 10DOF que ya hemos visto en otras entradas. Nos proporciona el valor de aceleración, velocidad y campo magnético en los tres ejes, así como la presión (que podemos convertir en altitud fácilmente).

La comunicación con “tierra” se hace con un receptor de aeromodelismo al que se le extraerá la señal ppm que porta la combinación de todos los canales en un solo hilo. Yo emplearé un receptor y una emisora de 35 Mhz, pero el resultado es el mismo con cualquier pareja de emisora/receptor, siempre que consigamos sacar la señal ppm de alguna parte.

Para obtener datos del cuadricoptero y supervisar el funcionamiento he añadido un módulo bluetooth HC-06

LISTA DE MATERIALES Y ESTIMACIÓN DEL COSTE

Resumiendo lo anterior aquí os dejo una lista de lo que necesitamos y lo que nos puede costar montar el aparato:

  • 1 metro de perfil de aluminio en U de 20x10x1.5 – 4 €
  • 1 metro de varilla de aluminio de diametro 4mm – 1,5 €
  • 4 motores brushless N2836 – 8€ x 4 = 32 €
  • 4 variadores de 30A – 7.5€ x 4 = 30 €
  • 1 Módulo 10DOF – 13 €
  • 1 Módulo HC-06 – 5 €
  • 1 DSPIC 30F4012 – 6€
  • Placa taladrada, tornillería, cables y conectores – 10 €

En total el coste es de 101.5 € sin contar emisora y el receptor, y la programadora para el PIC obviamente, que doy por supuesto que ya tenemos.

 

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10 comentarios

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  1. mikel

    Hola.
    Estoy haciéndome un cuadricoptero, me he decidido al final viendo la buena pinta que tienen algunos de los que ya lo habéis hecho.
    Mi duda es si has podido poner los 4 tornillos a los motores, o con solo 2 seria suficiente para que quedase bien sujeto.

    Un saludo.

    1. David

      Yo he hecho un prototipo con dos tornillos y tuercas autoblocantes (para que no se aflojen con las vibraciones) y aparentemente es suficiente, pero desde luego en un modelo definitivo pondría un soporte mejorado con los cuatro tornillos bien apretados. Piensa en lo que pasaría si se te afloja un tornillo (de los 2) a 5 metros del suelo.

  2. quike_gon

    Buenas.

    En primer lugar, enhorabuena por tu trabajo, es un tema muy interesante.
    Voy a comenzar un proyecto similar y quiero hacer una pequeña previsión del resultado. ¿Cuál es el tamaño final del aparato? ¿El “diámetro” final es 25 cm + 2 x 4.7 de las hélices? Es que no entiendo lo de que las hélices son de 11 x 4.7

    Muchas gracias y un saludo.

    1. David

      La medida de las hélices se suele dar en pulgadas. El primer número es el diámetro: 11″ = 279.4 mm, osea un radio de 139.7 mm. El segundo es el “paso”, cuanto más grande, más aire echa la hélice en cada vuelta, ya que está más inclinada.

      Un saludo.

  3. Manolo Iborra

    Hola, soy un estudiante de 2º de Bachillerato y me encantaría realizar tu proyecto para exponerlo en la semana de las ciencias de mi ciudad, a parte de que me apasiona la electrónica, leyendo tus consejos solo me crea una duda, y es la siguiente:
    ¿Cómo giran las hélices para mover el cuadricoptero de un lado a otro?
    Gracias

  4. Miguel

    Hola,

    Me parece muy útil la lista de componentes que has hecho, sobre todo para gente que está empezando como yo. En cualquier caso, tengo una pequeña duda:
    Yo voy a montar un cuadricoptero para controlarlo a través de un arduino. ¿Realmente es necesario en acelerómetro? ¿O crees que sería posible construir el aparato y controlarlo sin necesidad de este?

    Un saludo

    1. David

      El acelerómetro te da la medida absoluta de posición respecto a la vertical dada por el campo gravitatorio y la brújula te da la medida absoluta respecto al polo norte dada por el campo magnético. Entre los dos tienes completamente definida la orientación en estacionario y luego el giróscopo te da las variaciones en dinámico. Podrías partir de valores iguales a cero en el suelo y usar el giróscopo para estimar las variaciones respecto a este “0”, pero con el tiempo se te acumularán los errores y perderás el valor real de la horizontal. Se puede manejar un cuadricóptero sin las medidas absolutas, y usar sólo el giro para estabilizar el aparato, pero tendrás que corregir continuamente la posición horizontal con los mandos. Si también quitas el giro el cuadricóptero se volverá incontrolable.

  5. Alan Franco

    Hola, yo estoy haciendo un cuadricoptero basado en arduino unoy controlado por android, ya tengo toda la programación de control, pero no logro estabilizar el drone, estoy utilizando un sensor acelerometro Gy-61 de tres grados analógico, no se si tu puedas orientarme en ese sentido, puedo pasarte mi código sin problemas

  6. Vicente

    Hola David

    Me parece francamente interesante lo que estás publicando, tenía pensado hacer un cuadricóptero y me está viniendo muy bien tu experiencia.
    En la parte de aeromodelismo he comprado poco y al ver los precios que pones de motores y variadores veo que no he buscado con mucha habilidad.
    ¿Me puedes sugerir algún sitio donde comprar motores, variadores y hélices?

    Gracias y enhorabuena por el blog

  7. David

    Algunos sitios típicos son http://www.hobbyking.com/, http://www.bidproduct.com, http://www.himodel.com/, o directamente en ebay. Buscando con cuidado y con paciencia con los tiempos de los envíos se consiguen cosas interesantes. Eso si, te recomiendo pagar con paypal o algo similar que te de alguna garantía en la compra por si luego se queda algo por el camino poder reclamar el dinero.

    Un saludo

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