Robótica: ¿Qué tecnología o tecnologías fueron más importantes para habilitar los ‘quadcopters’ que son tan populares últimamente?

A los fines de esta pregunta, asumiremos que cuando dices “dron” te refieres a un helicóptero de rotor múltiple en miniatura de paso fijo. Tenga en cuenta que este no es un uso correcto de la palabra.

TL-DR: Culpe a la compañía telefónica.

Tres avances tecnológicos han hecho posible los helicópteros multirrotor: baterías de alta densidad de potencia, computadoras mejoradas y micro giroscopios y acelerómetros. Cuando todos esos avances tecnológicos entraron en la producción en masa y lograron una cierta masa crítica para servir a una industria extremadamente rentable, hizo que los helicópteros en miniatura de múltiples rotores no solo fueran “repentinamente” posibles, sino también accesibles para el mercado de consumo.

Los aviones que funcionan con baterías han existido durante mucho tiempo porque los aviones son volantes eficientes. Los helicópteros no son eficientes, por lo que una cosa que necesitábamos era baterías muy eficientes. Las baterías de iones de litio capaces de volar un helicóptero de un solo rotor, que es el tipo más eficiente, llegaron al mercado en los años 90, y en ese entonces había algunos helicópteros eléctricos RC exitosos basados ​​en esas baterías. Sin embargo, esto no fue suficiente para los rotores múltiples, y para eso, tuvimos que esperar la batería de polímero de litio. Estos entraron en uso popular en la comunidad de aviones modelo alrededor de 2005, y los muchachos de aviones modelo siempre están trabajando en cosas locas; era inevitable que alguien eventualmente resolviera el problema del helicóptero multirrotor con estas baterías mucho más potentes. Ahora al menos teníamos acceso a suficiente densidad de potencia (potencia por gramo) para hacerlo posible.

Sin embargo, eso no es suficiente. Resulta que un helicóptero multirrotor es una bestia malvada y complicada. Traté de construir una de las piezas de goma del avión de energía en los años 70, y simplemente no funcionó . Demonios, la Fuerza Aérea intentó muchas veces construir este concepto, y aunque resolvieron la mayoría de los problemas, la tecnología del día no pudo resolver el problema. Los helicópteros multirrotor proporcionan una solución obvia a algunos de los problemas de los helicópteros monorrotor, por lo que la raza humana ha estado investigando esta idea durante mucho tiempo. Hubo un éxito limitado con el diseño, pero en su mayor parte se abandonó debido a la inestabilidad y la incapacidad de control, así como a problemas de seguridad como la imposibilidad de rotar automáticamente, que francamente sigue siendo un problema, pero no se considera un gran problema. riesgo con aviones desechables no tripulados.

Resulta que un ser humano no es lo suficientemente rápido como para controlar una de estas locuras: ¡necesitábamos computadoras ! El problema de mantener estable un chopper multirrotor es matemáticamente bastante simple, pero simplemente no teníamos la potencia de cálculo por gramo para hacerlo, ¡hasta que lo necesitamos para enviarnos mensajes de texto mientras conducíamos! Ahora no hay problema, y ​​nuestras unidades de control de múltiples rotores son en realidad mucho más livianas de lo que realmente necesitaban ser, y eso nos permite agregar todo tipo de cosas locas como luces, cámara y acción: baterías más grandes y pilotos automáticos con GPS y armas, etc.

Sin embargo, además de las mejores baterías y computadoras, necesitábamos algo más, y esos son los micro sensores que proporcionan información a las computadoras para completar el ciclo de control. Teníamos esas cosas en los años 60, pero un giroscopio pesaba libras, ahora pesa miligramos, si eso es así. Estamos hablando de nanomáquinas frikkin, algunas cosas muy interesantes. Una vez más, la pequeña característica de su teléfono celular que sabe en qué dirección apunta, y la necesidad de la humanidad de eso, creó esta tecnología y la puso a disposición. Una vez que esos sensores entraron en producción en masa, ahora era posible crear el bucle de control del quad-copter y hacerlo lo suficientemente ligero como para que las nuevas baterías pudieran levantarlo.

Entonces, como dije antes, culpe a la compañía telefónica .

Wikipedia tiene un buen artículo, parece en su mayoría correcto: Quadcopter

Hay muchos buenos comentarios aquí. Habiendo construido helicópteros autónomos voladores a principios de la década de 1990, incluido un sistema autónomo alimentado por batería. Aquí está mi observación sobre la evolución de la tecnología desde entonces:

(1) el cambio del helicóptero al quad en sí fue genial porque los helicópteros son más difíciles de controlar. Los helicópteros son mecánicamente complejos utilizando una placa oscilante y un rotor de cola. Ambos pueden dañarse fácilmente en un aterrizaje forzoso o un choque. Debo mencionar que una nave con enormes cuchillas produce un choque espectacular y es muy costosa de reparar en términos de tiempo (aproximadamente 2 semanas por choque) y dinero. Esto es desalentador y enloquecedor. Por lo tanto, la miniaturización, hecha posible por el efecto combinado de los factores enumerados a continuación, realmente tuvo un efecto sinérgico y facilitó mucho la experimentación. Tenga en cuenta que para un quad, puede evitar accidentes simplemente suspendiendo el Quad del techo de un laboratorio y cortando la potencia cuando las cosas se vuelven sin control. No hay una manera fácil de construir una plataforma de prueba con un helicóptero. Nosotros tratamos. CMU tenía una plataforma compleja en ese momento, pero no fue fácil probar el vuelo en helicóptero.

(2) Es más fácil construir un sistema computacional mucho más liviano. Pero no creo que este sea un factor decisivo para la aparición de drones. Hace veinte años, una buena fuente de potencia de procesador sería un TI DSP. Los DSP en ese momento probablemente eran más que capaces de volar un dron hoy. Sin embargo, habrían estado hambrientos de energía y más voluminosos que los sistemas que tiene hoy. Usando TI DSP, creé un sistema de control para más de 20 motores, por ejemplo, con una frecuencia de muestreo de 1000 Hz. El tablero con memoria estática y eeproms era probablemente del tamaño de alguien con la mano abierta. Utilizando piezas de Motorola, mis colegas y yo pudimos crear controladores de vuelo y sistemas de visión para máquinas voladoras. La frecuencia de muestreo fue mucho más baja porque realmente solo necesita igualar la frecuencia de muestreo de un sistema de control RC (50 Hz). Pero si hubiéramos usado una parte DSP podríamos haber logrado fácilmente 1000 Hz. Soy positivo. La gran diferencia entre entonces y ahora es el tamaño. Por supuesto, los dispositivos también son mucho más eficientes, pero cuando vuelas con un dron más grande, la eficiencia del procesador no es tan importante. La parte de TI mencionada fue probablemente de 5 a 10 vatios aproximadamente.

(2) Los acelerómetros pequeños estaban disponibles en ese momento, pero los tratamos como oro (¡probablemente eran más caros que el oro!). Los primeros acelerómetros de mems eran muy caros y muy frágiles. No recuerdo haber visto ningún mems gyros en ese momento. En su lugar, utilizamos enormes giroscopios mecánicos que provenían de excedentes militares y baratos, pero que tenían una vida limitada. Por lo tanto, diría que definitivamente tener acelerómetros y giroscopios pequeños y de bajo costo es un factor muy importante.

(3) Mejores baterías y motores presumiblemente más eficientes. Las baterías simplemente no eran tan buenas como lo son hoy. Para el experimento de UCLA, cargamos el helicóptero con tantas baterías de NiCad que apenas se despegó del suelo, pero pudo volar durante unos 2 minutos más o menos de forma autónoma. Especulo que un factor que contribuyó fue la ineficiencia de los motores eléctricos cepillados utilizados. El motor (estado de la técnica en ese momento) era tan ineficiente que se calentó considerablemente y requirió un ventilador de enfriamiento especial durante el funcionamiento. El ventilador de enfriamiento era un viejo secador de pelo (un consejo que recibimos de CMU que también estaba construyendo helicópteros eléctricos en ese momento). Tenga en cuenta que un helicóptero es mucho más eficiente que un quadcopter. Si bien las personas sabían en ese momento que un diseño Quadrotor sería mucho más fácil de controlar y mucho más simple mecánicamente, dudo que un Quadrotor sin ataduras pudiera haberse construido con mucho tiempo de vuelo debido a la tecnología de la batería y la tecnología del motor.

Entonces, en resumen, creo que los factores más importantes en orden son: (1) baterías y motores más eficientes, (2) sensores baratos y buenos (3) mejor computación.

Embedded tomó el campo un largo camino; Algunos de los primeros UAV de pasatiempos, como es cierto con muchos proyectos que hoy en día comenzaron con el Arduino. De hecho, la base de código ArduPilot (un gran proyecto de código UAV de código abierto) dejó las primeras cuatro letras del repositorio como un retroceso a esa edad.

También ayuda que los motores sin escobillas y sus controladores sufrieron una caída masiva de los precios aproximadamente al mismo tiempo, probablemente debido a razones similares por las cuales los embebidos se volvieron baratos; Se pueden tener microprocesadores rápidos sin una gran lista de materiales.

Estas tecnologías son increíblemente importantes porque, históricamente, los drones y los multirrotores en particular pueden rastrear sus raíces hasta principios del siglo XX (ver el helicóptero de Bothezat). Sin embargo, nunca despegaron porque eran difíciles de controlar. Incluso hoy utilizamos una conjunción de un circuito PID de alta frecuencia de actualización, a menudo junto con un filtro Kalman solo para mantener estas máquinas en el aire. Esto no podría lograrse adecuadamente sin tecnología barata, y esto estaba disponible y el ecosistema solo maduró realmente en los últimos años.

Durante los últimos 10 años ha habido varios factores que han llevado al mercado de drones a expandirse al tamaño actual. Como Russ ha escrito a continuación, está cubierto muy bien los puntos tecnológicos.

Con respecto al crecimiento de este sector, la conciencia pública ha impulsado el mercado rápidamente a través de innumerables fuentes de medios. Hace una década, solo había dos grupos reales de personas que usaban drones: militares y aficionados. Tenga en cuenta que me refiero a todos los vehículos aéreos no tripulados, incluidas las alas fijas, los helicópteros y los rotores múltiples.

El ejército desplegó allí vehículos en el extranjero para sus aplicaciones deseadas y los UAV costaron millones de dólares cada uno, con sensores de vanguardia y computadoras de vuelo a bordo. Estos drones siempre han sido generalizados y el público ha sabido aproximadamente cuáles son sus capacidades.

Sin embargo, el nicho del que la mayoría de la gente no era consciente eran los aficionados / entusiastas, que juegan y piratean sus garajes, haciendo realidad sus últimas ideas. Los entusiastas (y yo) volaban aviones RC en los aviones RC de mediados de los 90 con cámaras de eliminación conectadas a la parte inferior para capturar fotos mientras volamos (teníamos un servo para disparar la cámara). La tecnología siempre ha avanzado pero gana una tracción significativa con la introducción de las redes digitales y sociales. Poder compartir tus últimas hazañas con tus amigos a través de Internet ciertamente aumentó la popularidad dramáticamente.

A medida que estos videos aumentaron su alcance, a través de Facebook y YouTube, cada vez más personas querían involucrarse. Varios investigadores comenzaron a investigar cómo podían estudiar la vida silvestre, los cultivos y las áreas urbanas con sus aviones RC a principios de los años noventa (00’s). Estos sistemas no eran baratos y eran torpes inicialmente, ya que todavía estaban muy temprano en el desarrollo. No obstante, sus aplicaciones captaron la atención de otros usuarios y se unieron a la comunidad comercial de usuarios de RC. Con el tiempo, las grandes compañías vieron una oportunidad y dedicaron mucho tiempo / dinero / investigación para reducir los costos y hacer que este producto sea viable para las masas.

En resumen, durante los últimos veinte años se lograron varios puntos de inflexión en la I + D de estos vehículos y se logró llegar a la masa crítica de usuarios para luego abrir sus capacidades a nuevas aplicaciones, un efecto dominó. Las compañías que ahora lideran la industria de drones solo comenzaron porque había un mercado lo suficientemente grande como para considerar la construcción de un producto.

Los factores importantes para hacer un quadcopter son tener componentes que sean muy ligeros y un sistema que sea muy fácil de controlar.

Estos son los tres habilitadores más importantes de los cuadricópteros:

  • Motores de corriente continua sin escobillas
  • Baterías de alta energía y densidad de potencia.
  • Microcontroladores baratos / populares

Los motores de CC sin escobillas son extremadamente eficientes, muy controlables con un controlador de velocidad electrónico (ESC) y tienen una relación potencia-peso increíblemente alta. Su baja inercia significa que la velocidad se puede ajustar lo suficientemente rápido como para proporcionar el control necesario para un quadcopter.

Las baterías de alta energía y densidad de potencia pueden proporcionar el jugo necesario para mantener los quadcopters volando en un paquete muy liviano.

Los microcontroladores baratos / populares como el Arduino han permitido a los aficionados que estaban construyendo otros proyectos comenzar a construir cuadricópteros, pero también permitieron la producción de sistemas de bajo costo con muchos de los sensores necesarios integrados para hacer que los cuadricópteros sean casi una mercancía.

El movimiento del fabricante, por supuesto, ha contribuido a hacer disponibles tamaños más pequeños de todos estos componentes y a reducir el costo debido a los enormes volúmenes de componentes vendidos.

El cuello de botella clave ha sido el cálculo rápido y en miniatura para leer los sensores y calcular los controles a 1000 veces por segundo. Los acelerómetros y giroscopios MEMS, así como las baterías de alta corriente, conducidas a la producción en masa por la industria de los teléfonos celulares, son igualmente importantes.

Supongo que te refieres a drones de bajo costo disponibles comercialmente para el público.

  1. La adaptación de pequeños motores sin escobillas controladores electrónicos de velocidad y baterías de polímero de litio por aficionados a los modelos de aviones durante los años noventa.
  2. El crecimiento de los aviones modelo preconstruidos (“Ready to Fly”) que abrieron el pasatiempo a un grupo demográfico completamente nuevo de personas que no tenían las habilidades o la paciencia para adquirir modelos voladores utilizando el método anterior común de construirlos a mano.
  3. Miniaturización adicional de circuitos integrados, microprocesadores y sistemas de control digital inalámbrico.
  4. Cámaras HD económicas y livianas que han aumentado el atractivo permitiendo que se establezcan economías de escala, reduciendo el costo.
  5. Lugares como Youtube que permiten una plataforma de exhibición para cada aspirante a fotógrafo aéreo.
  6. Ubicuidad en el suministro de baterías de polímero de litio debido a su uso (ahora enormemente extendido) en dispositivos como tabletas, teléfonos inteligentes y computadoras portátiles.
  7. Técnicas y capacidad de producción en masa sofisticadas y altamente adaptables en Asia constantemente buscando nuevos productos de consumo para comercializar.
  8. Una base de clientes potenciales creada con teclados y joysticks, lo que hace que los controles de drones sean casi intuitivos para un gran porcentaje de la población.

Comercialización y facilidad de uso. La tecnología es solo un subproducto. Tenemos teléfonos inteligentes, algo que no teníamos hace 10 años. ¿Qué podrías hacer con el teléfono inteligente? Controla un dron con características geniales. El dron se convirtió en un juguete. Pero dado que la tecnología permite cámaras más livianas y las cámaras pueden transmitir una transmisión en vivo directamente a su teléfono y lo mejor es todo lo que tiene que hacer es descargar una aplicación, bueno, ahí lo tiene, ¡se ha vuelto amigable para el consumidor! En aquel entonces, no podías hacer eso, y el equipo para permitir eso en primer lugar costaría miles. Ahora se puede comprar por debajo de los $ 100.

Depende de lo que desee hacer con su proyecto, ya sea que desee un quadcopter controlado a distancia o uno autónomo. Por lo general, necesitará:

También puede implementar tareas de visión por computadora o interacción humana usando la cámara. Las bibliotecas OpenCV le permiten analizar los marcos. Las bibliotecas OpenNI son útiles cuando se trata con información de profundidad proporcionada por un Kinect o Xition.

La disponibilidad de controladores de vuelo pequeños y baratos con giroscopios incorporados ha sido el motor del éxito de los drones multirotor.

Sería imposible volar uno sin estos milagros de ingeniería, y como están disponibles por $ 20 y menos, han facilitado aviones no tripulados cada vez más baratos.

http://www.robotshop.com/en/kk21

Para agregar a la gran respuesta de Boril, los teléfonos inteligentes aceleraron el desarrollo tecnológico;

  • miniaturizó todos los componentes para caber en los teléfonos
  • la producción en masa hizo caer sus precios
  • La tecnología se desarrolló con un “presupuesto” de energía (considere las PC hace 20 años; podían usar tanta energía eléctrica como quisieran; cuando las computadoras portátiles despegaron, el consumo de energía se convirtió en parte del diseño. Los teléfonos inteligentes aumentaron eso)
  • Las baterías de iones de litio, utilizadas en teléfonos y computadoras portátiles, son relativamente densas en energía pero ligeras
  • muchos drones son controlados por teléfonos inteligentes; en términos simples, sin teléfono inteligente: sin drone

Hay algunos:

  • Baterías de polímero de litio de alta densidad de energía
  • Los imanes fuertes y baratos de tierras raras hicieron posible motores BLDC pequeños y de alta potencia y motores CC sin núcleo.
  • Los MOSFET de alta eficiencia hicieron posible ESC pequeños y de alta potencia
  • Los sensores de aceleración y giroscopios MEMS hicieron la estabilización más fácil y económica
  • Fabricación barata de piezas de plástico sofisticadas.

Creo que los dos primeros son los más importantes. Todo lo demás estaba disponible antes también.

Por lo tanto, han sido POSIBLES durante un par de décadas, pero lo que los hizo económicos y prácticos se reduce a dos factores principales:

  1. El desarrollo de microprocesadores potentes, livianos y de bajo costo y sus acelerómetros y giroscopios MEMS asociados hicieron la creación de buenos controladores de vuelo de bajo costo.
  2. El desarrollo de baterías de polímero de litio que combinan almacenamiento de alta densidad de energía, con altas tasas de descarga. Esto hace posible tiempos de vuelo más largos y permite suficiente carga adicional para hacer cosas como llevar cámaras.

En resumen, el mayor avance en el mundo RC es la batería de polímero de litio. Esto se debe a las velocidades de descarga grandes y rápidas, y la capacidad de almacenamiento de una batería LiPo, ¡y puede hacerlo sin sufrir daños! Para alimentar 4 motores lo suficiente como para girar 4 accesorios para producir suficiente elevación para transportar esa fuente de energía, se requiere un voltaje relativamente alto y muchos amperios, además son bastante ligeros en comparación con las alternativas, lo que reduce los requisitos de potencia.

por no decir que no es posible con otra tecnología de batería, simplemente era demasiado ineficiente. LiPos hizo que los drones fueran convencionales y fáciles.

La siguiente tecnología más importante que hizo que los drones (drones de tipo flotante, es decir, helicópteros cuádruples y similares) sean lo que son hoy en día, en su estabilidad y facilidad de uso (los cuadricópteros son naturalmente muy inestables) es en realidad debido a la Nintendo Wii, los primeros quadcopters exitosos se hicieron usando las agallas de un controlador Nintendo Wii!

Peso ligero, alta capacidad, baterías de litio. Anteriormente, las baterías de plomo ácido tenían la capacidad, pero eran demasiado pesadas para volar. Las baterías de níquel cadmio eran lo suficientemente livianas, pero no tenían la capacidad de energía para mantener un dron en el aire por mucho tiempo. Las baterías de litio fueron una solución que buscaba un problema un poco más difícil que los teléfonos celulares que impulsaron su desarrollo, y llegaron los drones.

Tuve la suerte de sentarme frente al profesor Vijaykumar de UPenn cuando hablaba de esto con mi antiguo asesor. Una paráfrasis de sus palabras equivale a decir que hay razones:

a) La sobreinversión de los EE. UU. en tecnologías MEMS condujo a IMU 6DOF baratas y confiables. Esto fue fundamental para la primera ola de quadcoptors.

b) Ahora, la industria de la electrónica de consumo creció lo suficiente como para permitir el desarrollo de computadoras portátiles que pueden procesar video en tiempo real. Esto permite que las últimas versiones de quadrotors de Ascendding Tech vuelen utilizando algoritmos basados ​​en visión que se ejecutan en un dispositivo Samsung.

c) La industria de los vuelos de pasatiempo RC fue instrumental para mayores densidades de potencia en actuación y almacenamiento de energía.

La facilidad de uso. La persona promedio ahora puede volar un poderoso dron sin conocimiento previo de vuelo. Los nuevos drones despegarán con solo presionar el botón y se controlan con solo dos joysticks. Si comienza a perder la conexión o no se siente cómodo aterrizando, simplemente presione un botón de inicio y el dron regresará y aterrizará en la posición exacta desde donde despegó. Debido a la demanda, estos drones son relativamente baratos. Ya no tiene que modificar un sistema fpv, sino que una cámara incorporada es una opción estándar. Los drones flotan en un lugar y no requieren reflejos rápidos. Básicamente, cualquiera puede volar a cualquier parte gracias a los drones, los increíbles GPS y la tecnología de autoequilibrio.

Como dice Jack, estos componentes electrónicos particulares fueron clave. Sin embargo, para ampliar eso un poco. Las decenas de millones de teléfonos inteligentes que se fabrican, junto con consolas de juegos y controles, ayudaron a impulsar la reducción masiva de precios y las ganancias tecnológicas.

Aquí hay una breve introducción:
2012 y 2013: ¡el verdadero surgimiento de los drones!

¡Hay un enlace de artículo cerca del final a un artículo sobre Quartz que explica aún más sobre la revolución actual!

Muchas tecnologías desarrolladas para teléfonos inteligentes reducen el tamaño, el costo y el consumo de energía de los componentes utilizados en drones:
Cámaras – para ver el mundo
CPU: para procesar las imágenes de muchos sensores
Memoria de estado sólido: para guardar los programas
Acelerómetros – para “sentir” el movimiento
Receptores GPS: para saber dónde está
Baterías: para alimentarlo sin demasiado peso.
Transceptores inalámbricos: para control / informes

Todos estos han mostrado un desarrollo considerable en los últimos diez años. No para drones, sino para teléfonos inteligentes. Pero los drones se han beneficiado.

Los giroscopios / acelerómetros y microcontroladores baratos de 3 ejes eran primarios. Las baterías de LiPo (polímero de litio) también contribuyeron en gran medida.