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Construye tu Drone Lego

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Si eres entusiasta de este hobby, como yo... indudablemente querrás construir tu propio Drone! igualmente considero que toda la emoción nace desde el diseño inicial con dibujos a mano, que normalmente hago en mis tiempos libres.
 
Para comenzar, voy a proponer la construcción de un drone de cuatro motores (Quadcopter) con componentes básicos para mantener el costo lo más bajo posible, la idea es dominar un poco la técnica de fabricación y vuelo antes de entrar en diseños más complejos y costosos.

 
El primer paso en la construcción de tu Drone QuadCopter es el decidir para que lo quieres. Algunas personas sólo quieren pasear, algunos quieren llevar cámaras u otras cargas útiles, o hacer acrobacias aéreas, incluso algo más complejo como un Drone teledirigido automatizado, es muy importante tener claro el objetivo, por ejemplo: un Drone acrobático no funciona bien para llevar carga útil pesada, y viceversa. Así que hay que tomar esta decisión antes que nada porque cada componente se esoge en base a ello, a continuación los componentes para un Drone QuadCopter básico:
 
 

Controlador central:
Es el "cerebro" de tu Drone, su costo va desde $30 hasta unos cientos de dólares. La función básica es el mantener el Drone en vuelo estable independientemente de la habilidad del piloto, como se trata de tu primer Drone, voy a recomendar el controlador KK 2.0, es relativamente económico, versátil y fácil de configurar gracias a su pantalla LCD con guías sencillas.
 

Fuselaje o Marco:
A continuación, tendremos que seleccionar un marco, este necesita ser lo suficientemente fuerte como para soportar las fuerzas opuestas de los motores sin flexionar y hacer frente a los aterrizajes forzosos sin romperse. Al mismo tiempo, también debe ser lo suficientemente ligero que sus motores pueden fácilmente levantarlo, y lo ideal sería tener un pequeño perfil aerodinámico para evitar ser demasiado afectado por el viento. Los marcos deben ser capaces de amortiguar las vibraciones y eventualmente contar con soportes para colocar una cámara u otro equipo.
 
Si usted quiere que su Drone sea ágil y acrobático, busque o construya un cuadro ligero (alrededor de 350 gramos, o menos si es posible) con una diagonal de motor a motor de 400-500mm. Los cuadros de carbono probablemente serán mejores.
 
Para aquellos que deseen llevar una pequeña cámara de video, la estabilidad y espacio para una carga útil es lo más importante, en este caso busque un buen marco fuerte con una diagonal de motor a motor de 450-700mm. Es posible que desee considerar diferentes configuraciones de forma, tales como H-quads o V-colas, con el fin de tener los motores fuera del alcance del video.
 

Motores:
La elección del motor adecuado es importante para un buen rendimiento en cualquier Drone, pero es especialmente crítico en un QuadCopter, donde su Drone está literalmente colgando en el aire, suspendido en virtud de los rotores. Con el gran número de motores disponibles, y la gama de diferentes tamaños, velocidades y especificaciones para cada motor, la elección de motores adecuados puede ser una tarea desalentadora.
 
Para comenzar el proceso de selección básico, necesitamos calcular cuánto empuje será necesario para mantener la nave en el aire. La regla básica con multi-rotores es que sus motores deben ser capaces de producir dos veces el peso total de vuelo de la nave en el empuje. Este "margen de seguridad" se asegura de que sus motores serán capaces de responder rápidamente a sus entradas de control, o detener un decesenso vertical rápido, incluso cuando el voltaje de la batería se reduce con el tiempo.
 
Por lo tanto, la ecuación es como sigue:
 
Empuje requerido por motor = (peso de la aeronave x 2) / 4 motores
 
Así que para una embarcación de 4 motores (QuadCopter), cada motor debe ser capaz de producir un medio de peso de la aeronave en el empuje.
 
No hay duda de que ya está viendo el problema con esta ecuación - que en realidad no sabe lo que su Drone pesará todavía! Afortunadamente podemos hacer algunas conjeturas para acercarnos a la realidad. A los efectos de la estimación, podemos suponer que cada motor y su hélice pesa 100 gramos - un total de 400 gramos por 4 motores.
Añadir el peso de la trama, que es probable que sea alrededor de 450-500 gramos. Añadir otros 300 gramos de la batería, y otros 100 gramos para 4 de “ESC” (controladores de velocidad, explicaremos luego) y sus cables y enchufes, el receptor de radio, tablero de control y cableado probablemente pesará otros 50 gramos o menos. Si usted está llevando una carga útil, como por ejemplo una cámara u otro equipo especial, que tendrá que añadir también.
 
Para el QuadCopter promedio, el peso de vuelo total es probable que sea alrededor de 1,3 kg. Usando la ecuación anterior, ahora sabemos que estamos en busca de un empuje total de 2,6 kg, o 650 g por cada motor. Ahora sabemos que estamos buscando para motores de hasta 1000 gramos de empuje, lo que puede generar al menos 650 gramos de empuje utilizando una batería de 3 celdas y un propulsor de 8 a 12 pulgadas de diámetro (ver más sobre esto más adelante).
 
Para las aeronaves de acrobacia aérea, usted debe buscar en los motores de alrededor 1000-1400kV y relativamente pequeñas hélices. Estos harán que su Drone sea más sensible y permitir saltos y otras maniobras acrobáticas, a expensas de ser un poco más difícil de controlar.
 
Para grandes multi-rotores o aeronaves que lleven cargas útiles, grandes hélices y motores de baja kv trabajan mejor. Estos tienen más impulso de rotación, y mantendrán más fácilmente la estabilidad de su Drone. Busque 700-900kv motores capaces de hacer el empuje que necesita.
 
Utiliza una batería de 3 celdas, para empezar, se puede cambiar a una de 4 celdas más adelante si es necesario.
 
Drones básicos comúnmente utilizan hélices tipo slow-fly 2 palas, 8.12 pulgadas de diámetro y con un paso de 4 a 6 pulgadas, sin embargo la selección de la hélice es muy importante y puede ser un poco complicado. Hablaremos de eso más tarde - sólo tiene que utilizar los tamaños anteriores como una guía para su primer Drone.
 
Ahora si estás listo para empezar a buscar motores!
La lista de especificaciones para cada motor que se encuentra en las tiendas en línea puede ser desalentador, pero trata de comprobar los siguientes elementos en cada motor: 
 
1. Peso - 100 gramos o menos
2. Voltaje - 3 celdas (11.1V) generalmente lo que estás buscando
3. Velocidad de Motor (kV) – de acuerdo a sus necesidades ( mientras mas lento, mas estable)
4. Datos Thrust – Capacidad de empuje de acuerdo a la fórmula expuesta anteriormente
5. Tamaño: Los motores mas comunes van desde 21 a 30mm
 

Controlador de velocidad:
Una vez que hayas elegido el motor, también es necesario seleccionar el controlador de velocidad o “ESC” (Electronic Speed Control), afortunadamente, esta tarea es mucho más simple que la selección del motor.
 
Los ESC se clasifican principalmente para la cantidad de corriente que puede suministrar constantemente al motor. Algunos también pueden tener una calificación de "Burst Current", pero esto debe ser ignorado por el momento. Para obtener el ESC correcto, primero determina el consumo de corriente máximo de las especificaciones del motor elegido, añadir un margen de seguridad del 10%, y buscar los ESC clasificados a por lo menos esta cantidad de corriente. También tendrá que comprobar que su ESC elegido está clasificado para el número correcto de células de la batería (generalmente 3 células o 11.V) y asegurarse de que no es demasiado pesado.
 
Casi cualquier ESC trabajará en su Drone, pero algunos funcionan mejor que otros. Algunos de los ESC de mayor calidad son de una "frecuencia de actualización" más rápida - el número de veces (por segundo) a la que se comprueban nuevas instrucciones de la tarjeta de control y ajustar la velocidad del motor en consecuencia. Un ritmo más rápido de actualización significa un mayor control, una respuesta más rápida a la entrada piloto y, en definitiva, una mayor estabilidad.
 
Considera que se necesitan 4 ESC idénticos para tu Drone. Es posible volar un quadcopter con 4 ESC diferentes, pero será más errático y mucho más difícil de controlar.
 
También puede considerar la posibilidad de comprar una tarjeta de programación para sus ESC. Esta herramienta pequeña, de bajo costo te permitirá de forma rápida y fácil reprogramar los ESC que se comporten de manera incorrecta. No es obligatorio - se puede programar manualmente los ESC - pero la tarjeta de programación hace las cosas más fáciles.
 
 
Hélices
Seleccionar las hélices es un trabajo bastante simple, en teoría. Las especificaciones para tu motor deben indicar más o menos el tamaño que necesita, para crear el empuje que estás buscando. Sin embargo, hay algunas complicaciones.
 
El problema principal es encontrar las hélices que están disponibles en ambos sentidos de giro, los QuadCopter tienen la mitad de los motores que giran en sentido de las agujas del reloj (CW), y la otra mitad que giran en sentido anti-horario (CCW), esto se hace para lograr un equilibrio estable del Drone.

 
Comienza con la hélice de tamaño recomendado en las especificaciones del motor, pero no dudes en experimentar con diferentes hélices, así notarás cómo afecta el rendimiento de tu Drone. Podrás encontrar que la vida de la batería se puede ampliar hasta en un 15% simplemente por la búsqueda de la perfecta combinación de diámetro y paso de una hélice.
 
Si decides experimentar, ten cuidado de quemar tus motores, batería y ESC, la temperatura de estos puede subir peligrosamente por sobrecargar de trabajo al usar hélices demasiado grandes.
 
Al comprar hélices, asegúrate de pedir por lo menos el doble de las hélices necesarias, son muy fáciles de romper cuando estás aprendiendo, afortunadamente son relativamente baratas cuando se compran en paquetes. Es muy frustrante no poder volar, simplemente por no tener una hélice de repuesto.
 
Cada uno de sus nuevos propulsores (hélices) tiene que ser equilibrado antes de que sean utilizados en tu Drone. Defectos leves en el proceso de fabricación pueden causar que una hoja de la hélice sea un poco más pesada que la otra, creando una vibración cuando la hélice está girando rápidamente. Para equilibrar, simplemente añade o elimina peso de modo que ambas cuchillas sean el mismo peso. Esta tarea sólo se tarda un minuto o dos con el equipo adecuado, y puede mejorar dramáticamente la estabilidad de su Drone al reducir las vibraciones que produce malestar en los sensores del controlador central. En este Blog explicaré como equilibrar una hélice.
 
También tenga en cuenta que algunas marcas de hélices multi-rotor más populares están disponibles en múltiples colores. La idea es que los 2 motores delanteros estén equipados con (por ejemplo) hélices rojas, y los motores traseros estén equipados con un color diferente. Esto ayuda al piloto a la orientación al saber qué camino está apuntando el Drone, y en qué dirección es "hacia adelante". Es posible que desee hacer esto; es muy eficaz, pero para esto, tienes que tener suficientes repuestos y a la vez de la dirección correcta (CW o CCW), además del color adecuado, asì que puede ser caro. Hay otras formas, tales como diferentes colores o marcas en los “brazos” del marco, o el uso de LEDs, que pueden lograr un resultado similar.
 
 
Por último, hay muchas personas que utilizan hélices de 3 palas en Drone multi-rotor. Las principales razones para esto pueden ser el aumento "de tracción", debido a la mayor superficie de las hojas, el equilibrio mejora porque las cuchillas están repartidas alrededor del marco a 120 grados en lugar de 180, y la longitud de la hoja reducida (con un empuje equivalente) permite el paso del Drone por áreas de acceso reducido. En teoría, las hélices de 3 palas crean más fricción y son menos eficientes que las de 2 palas, pero la diferencia es a menudo lo suficientemente pequeña como para ser notable. Se libre de probarlas y nos cuentas que tal te va!
 
Batería:
Al elegir una batería, las dos cosas principales que son de interés son la capacidad y peso. A primera vista, parece sencillo - una batería con mayor capacidad mantendrá su Drone en el aire por más tiempo. Sin embargo, las baterías con mayor capacidad son también más pesadas??, lo que significa que sus motores tienen que trabajar más duro para mantener el Drone en el aire. Siempre existe el riesgo de obtener capacidad de vuelo muy limitada por adquirir baterías demasiados pesadas.
 
El método que utilizaremos para decidir qué batería a utilizar es relativamente simple, recordemos que la regla de oro para elegir los motores es tener el doble de empuje que el peso del Drone. Como la batería es el último componente que se escoge, podemos tener una buena idea del peso del Drone, restamos el empuje total de los 4 motores menos el peso del Drone (incluyendo cargas útiles adicionales), la diferencia debe alcanzar para las baterías de 3 cell.
 
Ten en cuenta que 4 motores que funcionan al mismo tiempo pueden consumir una gran cantidad de corriente. Asegúrate de que la calificación de la batería C sea suficiente para soportar 4 x la corriente máxima del ESC elegido.
 
No hay manera de saber exactamente el tiempo de cada vuelo de tu Drone o la vida útil de la batería. El peso, las condiciones de vuelo, el tipo de motor, el tamaño de la hélice y el estilo de pilotaje de cada piloto, son todos factores importantes para determinar estas variables.
 
Como punto de partida para escoger la batería, me gustaría sugerir una batería 3S con una capacidad de alrededor de 2700-3000 mAh. Puede que tengas que ajustar estos valores para adaptarlo al peso y el empuje de tu Drone. Yo personalmente recomiendo el uso de baterías Turnigy NanoTech, porque tener una buena calificación C y tienen una excelente relación peso / capacidad. 
 
Otros componentes
Hay un par de otros artículos relacionados con la electricidad que son necesarios para un Drone QuadCopter:
 
Un tablero de distribución de energía se utiliza a menudo para hacer la conexión de 4 juegos de cables ESC juntos de una manera limpia y ordenada. Estos tableros son por lo general una placa de circuito sencillo con 2 pistas, una para cables positivo y uno para cables negativos. La placa de circuito en general, tiene un número de puntos de soldadura, o, a veces se enchufa, donde cada uno de los cables de alimentación de los ESC se pueden conectar. Se proporciona un único punto de conexión adicional para la batería.
 
Personalmente prefiero armar las conexiones con cable directo para evitar que algunos puntos de soldadura o incluso las pistas del tablero se aflojen, generando un disparo de amperaje pudiendo dañar los componentes.
 
Una alarma de batería baja es otra pieza vital del equipo para cualquier Drone. Este pequeño artículo monitorea el voltaje de la batería y hace sonar una alarma cuando cae por debajo de una cierta cantidad. Esto alerta al piloto de que un aterrizaje pronto será necesario para evitar una pérdida de potencia y el daño inevitable que causará.
 
También es necesario un cargador de baterías LiPo, para garantizar que estamos cargando la batería con las condiciones específicas para su tipo, protegiendo su calidad y vida útil.
 
Transmisor y receptor de radio
 
Tener un Drone no es muy divertido si no puedes controlarlo. Es necesario un transmisor con su receptor de al menos 4 canales, los canales adicionales pueden servir para controlar luces, servos de cámara u otros dispositivos que tu imaginación pueda crear. También son necesarios 4 conectores “macho-macho” para conectar el receptor al controlador principal.

Construye tu drone de LEGO!

La siguiente es una lista de todo lo que necesitas:

1 KIT de Controlador principal NAZA Lite
https://hobbyking.com/en_us/dji-naza-m-lite-multi-rotor-flight-controller-gps-combo.html

4 ESC de 30A
https://hobbyking.com/en_us/hobby-king-30a-esc-3a-ubec.html

1 Distribuidor de corriente
https://hobbyking.com/en_us/hobby-king-quadcopter-power-distribution-board.html

1 batería LiPo 3s (puedes experimentar con varios tipos)
https://hobbyking.com/en_us/turnigy-5000mah-3s-20c-lipo-pack.html

Cargador para la batería

4 prop 10" x 4,5 (puedes experimentar con varios tipos)
https://hobbyking.com/en_us/10x4-5-sf-props-2pc-cw-2pc-ccw-green.html

Transmisor y Receptor (puede ser cualquiera de 6Ch) compatible para multi-rotores
https://hobbyking.com/en_us/turnigy-9xr-pro-radio-transmitter-mode-2-without-module.html
https://hobbyking.com/en_us/turnigy-dsss-2-4ghz-transmitter-module-for-9xr-9xr-pro-jr-configuration.html

Sistema de video (FPV) opcional, yo uso el siguiente:
https://hobbyking.com/en_us/quanum-fpvplus-wide-angle-1080p-hd-fpv-camera-with-5-8ghz-transmitter.html
https://hobbyking.com/en_us/quanum-q-3d-brushless-3-axis-camera-gimbal-suitable-for-nova-scout-x4-phantom-qr-x350-etc.html
https://hobbyking.com/en_us/quanum-diy-fpv-goggle-set-with-monitor-kit.html
https://hobbyking.com/en_us/skyzone-fpv-5-8-ghz-40ch-rd40-diversity-receiver-with-a-v-and-power-cables.html

Diseño del cuadro con la herramienta LEGO Digital Designer
http://ldd.lego.com/en-us/download

 

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