Esos pequeños y económicos quadcopters (helicópteros quadrotor) son omnipresentes ahora. ¿Por qué no los tuvimos antes?
Lo que parece notablemente simple es en realidad una tecnología avanzada que no fue posible hasta que el gobierno federal de los Estados Unidos comenzó una competencia DARPA sobre la construcción de una máquina voladora que pudiera volar y flotar con menos de un pie de ancho. Los vehículos aéreos no tripulados típicos de la época eran aviones de ala fija de muchos pies de ancho. La electrónica y los sensores se estaban volviendo lo suficientemente miniaturizados como para colocarlos en un avión tan pequeño y aún lo suficientemente potentes como para hacer un trabajo útil, como controlar las velocidades del rotor de forma independiente y precisa. Esto es importante como pronto verás.
Sabemos que las aves e insectos mucho más pequeños que un pie de ancho pueden volar y flotar, por lo que sabíamos que era posible, pero construir una libélula mecánica es algo completamente diferente.
Reducir la escala de un helicóptero de tamaño completo tampoco funciona. Debido a que la elevación se calcula como el cuadrado del área, cuando se escala un helicóptero a menos de un pie de tamaño, los rotores más pequeños simplemente no proporcionan suficiente elevación para mantener la aeronave en el aire sin girar a velocidades ridículas.
Agregar más rotores principales agrega elevación, pero debe hacerlo en pares a menos que también desee incluir un rotor de cola. El rotor de cola contrarresta el par de rotación del rotor principal. Al usar pares de rotores principales, podemos girar uno en sentido horario y otro en sentido antihorario para evitar que la aeronave gire incontrolablemente en el aire.
Los rotores pueden estar uno al lado del otro, como los cuadricópteros que vemos, o uno encima del otro, llamados rotores coaxiales o rotores contrarrotativos, como este.
Hélices contrarrotativas , Michael Frey, CC SA 4.0
Los rotores múltiples nos dan algunas habilidades interesantes, siendo cuatro el número más bajo necesario para un diseño pequeño y controlable. A pesar de que existen grandes aviones de rotor múltiple desde principios de 1900, se los consideraba voluminosos, caros, difíciles de controlar, poco potentes y poco confiables, y fueron abandonados. Hoy nos ocupamos del control remoto o el vuelo automatizado, por lo que no tenemos que soportar el peso de un piloto, como resultado, el avión puede ser mucho más pequeño.
En su forma más simple, tenemos un pequeño avión de cuatro rotores con suficiente elevación para despegarlo. Dos rotores que van en sentido horario y dos en sentido antihorario: cada uno de los rotores que giran en la misma dirección están en esquinas opuestas. Para volar, los rotores deben girar lo suficientemente rápido como para empujar suficiente aire para contrarrestar el peso de la aeronave. Bastante básico, pero la precisión necesaria para hacer girar cuatro motores separados exactamente a la misma velocidad para lograr un vuelo nivelado es nueva. ¡Usar un motor más grande, con ejes de transmisión y engranajes de soporte, es demasiado pesado!
Imagen cortesía de The Drones Mag : tenga en cuenta que las flechas más gruesas indican un giro más rápido del rotor, las flechas más delgadas muestran rotores más lentos
Entonces, ¿cómo lo controlamos?
Si desea subir, aumente la velocidad de todos los rotores por igual. Si desea moverse hacia abajo, disminuya la velocidad del rotor. Fácil, ¿verdad?
Imagen cortesía de The Drones Mag : tenga en cuenta que las flechas más gruesas indican un giro del rotor más rápido, las flechas más delgadas muestran un giro del rotor más lento
Si desea inclinar y avanzar, retroceder o desplazarse hacia la izquierda o hacia la derecha, todo lo que tiene que hacer es aumentar la velocidad relativa de los dos rotores opuestos al lado hacia el que desea moverse (frente, atrás, izquierda, derecha). El quadcopter se inclinará y comenzará a moverse en esa dirección. Una vez que se mueva en la dirección deseada a la velocidad deseada, cambie todos los rotores a una velocidad uniforme. El quadcopter continuará moviéndose en esa dirección sin inclinarse más. Esto requiere la capacidad de hacer girar los rotores a velocidades variables y precisas de forma independiente. Aunque no es simple, con la electrónica moderna, no es demasiado difícil.
Imagen cortesía de The Drones Mag : tenga en cuenta que las flechas más gruesas indican un giro del rotor más rápido, las flechas más delgadas muestran un giro del rotor más lento
¿Pero rotación o guiñada? Eso es un poco complicado. No tenemos un rotor de cola vertical como los helicópteros, solo cuatro rotores horizontales principales. Entonces, ¿Cómo lo hacemos?
Bueno, ¿recuerdas lo que le sucede a un helicóptero sin rotor de cola? Gira sin control en la dirección opuesta del rotor principal. Podemos usar el par de los rotores giratorios en sentido horario para girar en un sentido, y el par de los rotores en sentido antihorario para girar en el otro lado. Pero, ¿cómo lo hacemos con un número igual de rotores girando en direcciones opuestas, todo mientras permanece nivelado y sin subir o caer?
El truco consiste en aumentar la velocidad de los dos rotores girando en la dirección opuesta a la que queremos girar, mientras disminuye la velocidad de los otros dos rotores. El par relativamente mayor de los dos rotores más rápidos girará el quadcopter en la dirección deseada, mientras que los rotores más lentos igualarán la elevación adicional de los rotores más rápidos para evitar que el avión suba.
Imagen cortesía de The Drones Mag : tenga en cuenta que las flechas más gruesas indican un giro del rotor más rápido, las flechas más delgadas muestran un giro del rotor más lento
Entonces, la razón por la que no construimos todo esto antes es-
- ¡No fue hace tanto tiempo que tuvimos que controlar manualmente las velocidades de cada rotor! Las computadoras, giroscopios, acelerómetros y dispositivos electrónicos relacionados se han miniaturizado, lo que junto con la reducción de costos, ha hecho posible la automatización del control.
- Solo recientemente las baterías han alcanzado la densidad de energía para permitir que una batería pequeña y liviana proporcione suficiente potencia para cuatro rotores de alta velocidad.
- Los motores sin escobillas con imanes de tierras raras permiten motores más pequeños, más ligeros y mucho más eficientes.
- Recientemente trabajamos en la mecánica del vuelo controlado por quadrotor.
- Las competiciones tecnológicas son impresionantes y conducen a estos saltos tecnológicos, pero solo recientemente han ganado popularidad nuevamente.
¡Ahora ve a volar un quadcopter!
