Los drones, también conocidos como {drones} o {drones funcionamiento}, han evolucionado a lo largo de los años y se han convertido en máquinas voladoras perfectas. ¿Por qué los drones están diseñados de la manera en que están hoy? ¿Por qué son tan eficientes al moverse rápidamente? En este artículo, aprenderemos sobre los aspectos mecánicos del diseño de los drones, junto con su controlador electrónico, sensores, algoritmos inteligentes e incluso tecnología satelital.
Un diseño de dron con una sola hélice
Comencemos con el diseño más simple, un dron con una sola hélice. Este diseño proporciona suficiente fuerza de elevación para mantener el dron en el aire, pero no hay forma de controlar el dron. Lo único que puede hacer es moverse verticalmente y descender. Además, el cuerpo de este dron rotará en dirección opuesta a la hélice debido a la tercera ley de Newton. Esto se debe a que la parte del motor que suministra el par necesario a la parte de la hélice también recibe un par igual en sentido contrario. Como el motor está fijo al cuerpo del dron, este par de reacción hará que el dron gire de manera indeseable.
¿Por qué no usar dos hélices? Esto es ciertamente una posibilidad, y una empresa llamada Zero Zero Robotics ha hecho un intento serio de desarrollar un dron de dos hélices. Cuantas menos hélices haya, menos energía consumirá el dron y más tiempo podrá permanecer en el aire. Sin embargo, el problema principal es que para manipular el dron y hacerlo volar a altas velocidades y tomar giros rápidos y bruscos se requiere un mayor grado de precisión y estabilidad en el control. Esperemos que con los avances en los algoritmos de control, los drones de dos hélices logren una buena estabilidad algún día.
Diseño de drones con cuatro hélices
Los drones con cuatro hélices, también conocidos como cuadricópteros, son los más comunes. Estos drones generalmente tienen una forma en H o en X. Veamos cómo hacen los cuadricópteros los movimientos al entender la interesante dinámica de fuerzas de estos drones.
Para lograr la sustentación, el operador solo tiene que asegurarse de que el peso del dron esté equilibrado exactamente con la fuerza de empuje producida por las hélices. Para lograr un movimiento hacia adelante, la velocidad de la hélice delantera se reduce mientras que las hélices traseras se aceleran. Esto provocará un movimiento de inclinación hacia adelante.
Supongamos que hemos equilibrado todos los valores de fuerza haciendo que las velocidades de las hélices sean las mismas. Ahora, supongamos que hemos equilibrado la componente vertical de las fuerzas resultantes de las hélices con el peso del dron. Aún así, habrá una fuerza horizontal desequilibrada que hará que el dron se mueva hacia adelante. De manera similar, se utiliza una técnica similar para lograr el movimiento de giro del dron. Simplemente se crea una fuerza de sustentación desequilibrada en los pares de hélices izquierdo y derecho.
El movimiento de guiñada de un cuadricóptero se logra de una manera única. En el caso de los cuadricópteros, un par de hélices en diagonal giran en sentido opuesto al par opuesto. Esta técnica cancela completamente el par de reacción del motor. Sin embargo, si deseas girar el dron, simplemente asegúrate de que estos pares de reacción no se cancelen reduciendo la velocidad del par diagonal.
El par de reacción es proporcional a la velocidad de la hélice. Eventualmente, se producirá un par de reacción neto y el dron podrá lograr el movimiento de guiñada. Obviamente, los cuadricópteros son los drones más estables con la capacidad de moverse a altas velocidades y tomar giros bruscos rápidamente. Ahora se utilizan en casi todas las industrias.
Los sensores y la electrónica del dron
Supongamos que un dron es golpeado por una ráfaga de viento repentina. El operador debe controlar y readaptar las velocidades y la dirección de rotación de cada hélice en menos de un segundo, de lo contrario, el dron podría estrellarse. Esta situación es difícil de controlar manualmente para una persona. Aquí es donde la parte más importante del dron viene al rescate: el controlador de vuelo.
El controlador de vuelo se puede considerar como un pequeño piloto inteligente que está dentro del dron y lo navega a través de cualquier situación difícil. Permite al operador utilizar controles simples, como arriba, adelante, girar, etc., lo que hace que la operación del dron sea tan simple como un videojuego.
Para lograr este resultado, el controlador de vuelo obviamente necesita una gran cantidad de señales de entrada de varios sensores. Bienvenido al interesante mundo de los sensores de los drones. Te sorprenderá saber que el tamaño de la mayoría de los sensores en un dron moderno es comparable al de una hormiga. Para fabricar sensores tan pequeños y súper precisos, se utiliza la tecnología MEMS (sistemas microelectromecánicos).
Los acelerómetros, los sensores de giroscopio y los magnetómetros son los sensores más importantes en esta categoría. Estos tres sensores se colocan juntos en la IMU (unidad de medición inercial), que es el rey de los sensores de los drones. Mide la aceleración y la rotación.
Para lograr la aceleración en las tres direcciones, se requiere un acelerómetro de tres ejes. Cuando también se incluyen giroscopios en la unidad junto con los valores de fuerza, podemos medir las rotaciones en diferentes planos. Un sensor de barómetro MEMS se utiliza para determinar la altitud del dron.
Ahora, el controlador de vuelo o el procesador debe hacer un uso adecuado de todas las señales que estos sensores recolectan para tomar decisiones correctas. Sin embargo, antes de entrar en la parte del procesador, ¿cómo podemos asegurarnos de que las señales que los sensores producen sean lo suficientemente precisas? El ruido, por ejemplo, puede afectar la precisión de un sensor. Algunas razones de ruido son defectos, interferencia por las vibraciones mecánicas de las hélices del dron e interferencia magnética.
Los drones modernos utilizan una técnica llamada fusión de sensores para superar este problema. Por ejemplo, un sensor GPS junto con la IMU puede proporcionar información básica sobre la altitud de este dron. Sin embargo, podemos hacer que esta medición sea súper precisa si también integramos la tecnología de radar. Esto es la fusión de sensores, diferentes sensores trabajando juntos para producir mediciones más precisas. Con estas señales precisas, podemos pasar a la toma de decisiones del dron, que incluye la lógica de control. La lógica de control es el algoritmo que reduce aún más el error y toma decisiones.
Uno de los algoritmos más importantes es el filtro de Kalman (KF). El algoritmo KF lee los datos pasados y presentes para conocer el estado del dron y utiliza su lógica para la navegación GPS de regreso a casa y otros casos similares, o en este caso, para estabilizar el dron después del efecto desastroso de los vientos. Eventualmente, el mismo algoritmo KF alimentado en el procesador, que tiene puertas lógicas y transistores, toma decisiones inteligentes para controlar las velocidades de los motores BLDC (motor de corriente continua sin escobillas). Sí, simplemente controlando las velocidades de los cuatro motores BLDC de manera inteligente, el dron cuadricóptero puede enfrentar cualquier entorno desafiante.
Actualmente, una empresa llamada DJI es una de las principales empresas en el mercado de drones de consumo. Utilizan algoritmos avanzados de control de vuelo, IMUs duales para obtener una mayor confiabilidad y sistemas de amortiguación de vibraciones para reducir los errores en la salida de los sensores. Los algoritmos sofisticados son una de las claves de su éxito. Por otro lado, en comparación con DJI, empresas como Parrot, Autel y Unique no tienen tanta presencia en el mercado de drones de consumo. Estos drones carecen de la refinación y la aptitud que se obtiene con los drones de DJI.
Ya vimos cómo el control inteligente de los motores BLDC mediante el algoritmo del filtro de Kalman garantiza un vuelo estable y feliz para el dron. La potencia requerida por estos motores BLDC, los circuitos electrónicos, las antenas y los sensores se suministran mediante una batería de ion de litio.
El dron recibe la señal de control del usuario utilizando la tecnología común de frecuencia de radio. El rango de comunicación del dron puede ser de uno a dos kilómetros para un dron de consumo. Ahora, una pregunta interesante: ¿qué sucede si el dron se aleja accidentalmente de este rango de comunicación? Para recuperar el dron perdido, los drones modernos utilizan la tecnología GPS y la tecnología de internet basada en torres. El operador ya ha establecido la ubicación de origen al comenzar el dron con la ayuda del GPS. De esta manera, el dron perdido puede regresar de manera segura a su ubicación de origen.
Esperamos que hayas disfrutado descifrando los sistemas de trabajo completos de los drones. Nos vemos en el próximo artículo. ¡Gracias!
