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Dron de bricolaje: Lección 8. Aviones..

Contenidos

Introducción

El uso de pequeños drones para FPV y mapeo autónomo se está volviendo más popular, especialmente debido a la popularidad de los drones para volar en modo primera persona y la disponibilidad de detalles. Este artículo explora varias consideraciones sobre si una aeronave es adecuada para su uso como dron y, de ser así, cómo elegir el tipo correcto.

Multicóptero vs Avión

¿Qué ventajas puede ofrecer un avión sobre un multicóptero? Si bien un multicóptero es ideal para divertirse en FPV / vuelo autónomo, su carga útil y el tiempo de vuelo aún son limitados, ya que el rotor debe estar girando constantemente (y, por lo tanto, desperdiciando energía) para combatir la gravedad y mantener el dron en el aire. Los aviones, por otro lado, usan sus alas para crear sustentación. Entonces, ¿qué tipo es mejor? Aparte del relleno electrónico como transmisor, receptor, equipo FPV, controlador de vuelo, las siguientes características parecen ser las más relevantes para responder a la pregunta planteada:

Multicopter

  • Capaz de tomar apague y aterrice verticalmente, así como flote en su lugar.
  • No requieren mucho espacio para volar y son esencialmente "omnidireccionales", capaces de cambiar de dirección y velocidad muy rápidamente.
  • El empuje generado por las hélices es lo que mantiene el barco en el aire.
  • Menos intuitivo en vuelo, dado que la embarcación puede cambiar de orientación y volar en casi cualquier dirección, y los cardanes pueden fácilmente causar desorientación.
  • Los multicópteros "medianos" con diámetros de 400 a 600 mm son los más comunes y por lo general cuestan entre US $ 200 y US $ 1000 por una plataforma lista para volar (personalizada).
  • A pesar de que los multicópteros tienen significativamente menos partes móviles que los helicópteros, casi cualquier mal funcionamiento de un quadcopter conduce a un accidente.

Avión

  • Lanzado manualmente por pista o catapulta y generalmente aterriza sobre césped o pista relativamente plana...
  • Se requiere un gran espacio abierto para el vuelo ya que la maniobrabilidad de la aeronave es limitada (es decir, siempre es necesario avanzar).
  • Las alas crean sustentación.
  • Mayor capacidad de elevación.
  • Los modelos de espuma pueden ser indulgentes en caso de accidente y la mayoría pueden repararse / reacondicionarse.
  • Los modelos con una envergadura de 500 mm a 1,8 m son los más comunes para uso aficionado, y una instalación completa suele costar entre 200 y 1000 dólares estadounidenses.
  • En caso de falla del motor, aún es posible aterrizar sin dañar la aeronave.

VTOL (despegue y aterrizaje vertical)

  • Las estructuras incluyen alas y hélices (no hay muchos productos comerciales / de producción en este momento).
  • Los controles todavía son bastante difíciles de cambiar de vuelo vertical a horizontal.
  • Los diseños son muy diferentes a los de los cuadricópteros con alas o al uso / alargamiento de los brazos de soporte de los drones (vigas) para habilitar los perfiles de las alas.
  • No se discutirá más en este artículo.
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Consideraciones

  • Lugar de lanzamiento: daño o daño a un persona o propiedad, los UAV / drones tienen prohibido volar sobre edificios, en áreas densamente pobladas o en lugares concurridos. Idealmente, los aviones requieren grandes áreas abiertas, mientras que los multicópteros pueden operar en espacios más reducidos. Si no dispone de espacio abierto para volar, lo mejor es utilizar un multicóptero pequeño.
  • Aplicación: El multicóptero es más adecuado que nunca para la fotografía aérea / FPV. La cartografía y los vuelos de larga distancia se realizan mejor utilizando un avión.
  • Interés: Esto debería ser un factor a la hora de elegir si estás interesado en un tipo de dron más que en otro.
  • Presupuesto: Es probable que el multicóptero más común (500 mm) sea un poco más caro que un avión comparable (≈ 1,5 m de envergadura), pero no mucho más. ¿Qué tan preparado está para perder el dron debido a un choque repentino o pérdida de control que provoque una remoción incontrolada?
  • Tiempo de vuelo: Un quadcopter promedio, el tamaño promedio permanecerá en el aire durante 10-15 minutos (aunque algunos fabricantes pueden aumentar este tiempo a 30-40 minutos), mientras que el promedio Los aviones eléctricos de tamaño proporcionarán alrededor de 20 a 60 minutos por minuto en uso “normal” (es decir, no a toda velocidad), sin embargo, se deben considerar muchos factores diferentes en ambos casos.
  • Controlador de vuelo: No todos los controladores son capaces de volar todo tipo de aeronaves. Antes de elegir uno de los pocos, asegúrese de que el tipo de avión que le interesa sea compatible con el controlador de vuelo (si tenía la intención de utilizar uno). En este artículo no se discutirá cómo configurar un controlador de vuelo.

Tipos comunes de alas de UAV / drones

Hay muchas estructuras diferentes que se utilizan para construir drones, pero algunos diseños se usan con mucha más frecuencia que otros. A medida que más y más fabricantes comienzan a producir marcos aerodinámicos personalizados para uso independiente, están desapareciendo las piezas innecesarias, como el diseño de la cabina, que generalmente se encontraban en aviones RC en el pasado.

Delta Wing

El Flying Wing es, con mucho, el más simple (y posiblemente el más popular) diseño. Se puede fabricar un marco simple / rudimentario utilizando espuma de polipropileno expandido (EPP) de bajo costo y un perfil aerodinámico Kline-Fogleman básico (Kline-Fogleman o KFm). Tradicionalmente tienen solo dos superficies de control, lo que significa que todos los giros se realizan con rollos. La hélice suele estar en la parte trasera (lo que permite montar la cámara en la parte delantera), pero vuela de la misma manera con el motor en el centro o en la parte delantera, siempre que el centro de gravedad sea el correcto. Magnífica construcción por su sencillez y tiende a volar a altas velocidades.

Planeador / Planeador motorizado

Si desea permanecer en el aire el mayor tiempo posible (es decir, el tiempo de vuelo más largo), este el diseño es la mejor opción. Por lo general, tiene un ala media o alta, y la cola suele tener forma de T o V. Todos los marcos que se muestran aquí se pueden usar para un vuelo divertido (o más), sin embargo, si desea que el dron permanezca en el aire el mayor tiempo posible, debe considerar un avión con un ala grande, y aquí es donde están los planeadores. excelente. No están diseñados para ser los más rápidos (más bien los más lentos) y transportar la mayor carga útil (deben ser lo más ligeros posible), pero un buen diseño puede permanecer en el aire durante horas. Casi todos tienen una hélice instalada en la parte delantera, por lo que en los casos en que se requiere una cámara, generalmente se monta en la parte inferior / vientre del fuselaje.

"Skywalker"

interfieren, ubicado justo debajo. El ala suele ser trapezoidal o rectangular. Un diseño alternativo utiliza dos brazos para sostener la cola (uno a cada lado de la hélice, tipo " Twin Boom

Estándar

Los aviones RC convencionales todavía se convierten con frecuencia para su uso como drones, con diseños que van desde Mustangs (Sport) hasta Piper Cachorros (Entrenador). Casi todos tienen una hélice montada en la parte delantera (tirando o extractor). Las alas suelen tener un borde delantero / trasero recto (rectangular), pero para las lanzas de combate, el ala puede ser más trapezoidal. Estos diseños se utilizan con mayor frecuencia porque son los aviones RC más comunes y fácilmente disponibles. Desafortunadamente, los aviones no son adecuados para modificaciones e incluyen elementos estéticos que no son necesarios cuando se utilizan como UAV. Además, este no es el diseño más conveniente en términos de elegir un lugar despejado para instalar la cámara. La mayoría se basan en madera que no perdona los accidentes.

Personalizado

Hay varios diseños personalizados disponibles, uno de los cuales es "Drak" (delta casi invertido). Este diseño en particular tiene alas en una posición barrida casi hacia adelante y una hélice en la parte trasera. Las ventajas y desventajas varían de un modelo a otro, aunque su apariencia única a menudo atrae mucha atención.

Tamaño

Entonces, ¿qué tamaño debería tener tu avión? Un criterio que determina el futuro modo de transporte, al que a menudo se hace referencia incluso antes de su uso. Los aviones son (casi) siempre más grandes que los multicópteros, y dado que el espacio en el que planea volar puede no estar cerca de su casa o negocio, la mayoría de las veces, el transporte deberá realizarse en automóvil. Debido a esto, el tamaño del marco para este tipo de drones tiende a limitarse a 2 metros (envergadura), y en la mayoría de los casos las alas deben ser desmontables. Si el ala volante no puede tener alas desmontables, entonces la envergadura será inferior a 1,2 metros para que puedan colocarse fácilmente en el asiento trasero de un vehículo. Clásicamente, los aviones RC de tamaño estándar tienen una envergadura de 0,5 a 2 m, por lo que la disponibilidad de piezas para este tamaño (motor, ESC, batería, servos, etc.) es muy buena.

Duración del vuelo

La segunda pregunta que podría hacerse es cuánto tiempo debe permanecer el avión en el aire. Si planea controlar la aeronave de forma remota, vale la pena considerar que después de unos 20-30 minutos de pilotaje, la mayoría de las personas se cansan física / mentalmente y tratan de completar el vuelo. Para vuelos de larga duración, se recomienda considerar un planeador con una envergadura de al menos 2 metros (con una carga útil baja).

Aplicación

Y la tercera consideración, por supuesto, es la aplicación potencial. La lista de los más comunes: vuelo FPV, mapeo, así como vuelo completamente autónomo usando sensores. Para el vuelo autónomo, necesita un controlador de vuelo GPS y también es posible agregar sensores.

Tipos de kits

Diseñar una aeronave personalizada rara vez es una prioridad para aquellos que solo quieren despegar en primera persona o en vuelo autónomo. ya que esto suele requerir una investigación seria o un conocimiento adecuado de aerodinámica. Por esta razón, los marcos diseñados específicamente para FPV / UAV son cada vez más populares. Sin embargo, dada la gran popularidad de los aviones RC convencionales, muchos entusiastas todavía están recurriendo a los modelos RC existentes (no necesariamente modelos a escala) y adaptándolos para uso FPV / autónomo.

RTF (Listo para volar) : este kit incluye todo lo que necesita para utilizar el producto para el propósito previsto y, por regla general, incluye un marco completamente ensamblado (para una entrega más compacta, las alas se pueden desmontar) con relleno de trabajo preinstalado (motor, ESC, servos, flaps, etc.), así como un transmisor y receptor, batería y cargador. Por lo general, conecta el fuselaje al ala (o alas), carga, instala y conecta la batería y está listo para volar. Esta es la forma más rápida de salir al aire, pero al mismo tiempo, dichos kits no permiten actualizaciones posteriores.

BNF (Bind and Fly) - El dron se entrega casi completamente ensamblado (para una entrega más compacta, las alas se pueden desmontar). El kit no incluye receptor / transmisor. El montaje es muy rápido teniendo en cuenta que todas las piezas ya están montadas / ensambladas. Deberá conectar el receptor a los servos y al tren motriz, instalar la batería y verificar el CG (Centro de gravedad), y luego revisar la lista de verificación de lanzamiento previa al vuelo y realizar la calibración. Tenga en cuenta que puede ser necesario personalizar su equipo de control para este modelo de UAV. Esta es la segunda forma más rápida de volar.

PNF (Plug and Fly) : la aeronave está en su mayoría completamente ensamblada (para una entrega más compacta, las alas se pueden desmontar). El kit incluye ESC, hélices y servos. El kit no incluye transmisor, receptor, batería ni cargador. Deberá conectar el receptor a los servos y al tren motriz, seleccionar e instalar la batería (verifique el CG), y luego pasar por la lista de verificación del lanzamiento previo al vuelo, realizar la calibración. Tenga en cuenta que puede ser necesario personalizar su equipo de control para este modelo de UAV.

PNP (Plug and Play) - Igual que el kit PNF.

ARF (Casi listo para volar) - los productos en esta configuración generalmente incluyen un marco y algo de hardware. Se suministra parcialmente ensamblado con prácticamente todas las piezas / componentes del marco necesarios para ensamblar el marco. Es posible que se requiera cierta adherencia. El usuario debe elegir su propio transmisor, receptor, motor, ESC, hélice y servos, ya que no están incluidos.

KIT - En estos días, las aeronaves KIT incluyen planes de montaje, pero pasará mucho tiempo antes de que la aeronave sea digna de volar. Se recomienda tener algo de experiencia de vuelo antes de volar un avión KIT, ya que un accidente (generalmente en el primer vuelo) puede llevar a muchas horas de recuperación del UAV.

Bricolaje (Hágalo usted mismo / Construido desde cero) - que, hablando de aviones, generalmente significa un diseño completamente no estándar, que puede haber sido diseñado por El piloto. Por lo general, el diseñador debe seleccionar todos los componentes adecuados y, a menudo, el ensamblaje se realiza mediante prueba y error.

Construcción

Se utilizan muchos materiales diferentes para crear el marco, los guardabarros y la cola de los aviones / drones RC. Si bien las aeronaves tripuladas a menudo usan fibra de vidrio, aluminio e incluso fibra de carbono, los fabricantes de UAV aún no usan tales materiales en embarcaciones pequeñas. Los siguientes son los materiales más comunes que encontrará en la industria:

EPO (Poliolefina expandida) - Este tipo de espuma es liviana, más rígida y más fuerte que el poliestireno expandido (EPS). Al hacer moldes, te permite lograr una superficie bastante lisa. En caso de accidente, dicha espuma se comprime, y si la fuerza es excesiva, los puntos más débiles estarán sujetos a destrucción. Por regla general, las piezas de EPO permanecen intactas y, si el accidente no es grave, los elementos dañados se pueden pegar posteriormente.

EPP (polipropileno expandido) - Este tipo de espuma es flexible y elástica, y aunque ligeramente más pesada que la EPO, es prácticamente indestructible (para fines prácticos).

EPS (poliestireno expandido) - Este tipo de espuma se usa comúnmente como material de empaque para televisores, aparatos eléctricos, en la fabricación de cascos, dentro de cajas de hielo y para la construcción de carreteras y viviendas. El EPS contiene aproximadamente un 95-98% de aire.

Madera de balsa - En el pasado, la mayoría de los aviones RC utilizaban balsa como material de base. Es una madera increíblemente ligera, pero indicativamente resistente y fácil de trabajar, ideal para cuadros, guardabarros y empenajes. Se debe invertir un tiempo y un cuidado increíbles durante la construcción, e incluso los golpes más leves pueden causar daños graves al cuadro (los choques más severos resultan en una destrucción completa).

Plástico soplado - El proceso de moldeo por soplado de plástico implica una matriz cerrada en la que se sopla plástico semifundido y luego se enfría para mantener su forma. El resultado es una fuerte cáscara hueca. El plástico soplado se usa con mayor frecuencia para crear un fuselaje (a diferencia de las alas), después de la fabricación, el usuario debe hacer los recortes apropiados. Las estructuras / kit soplado también pueden incluir balsa precortada como refuerzo. El plástico soplado puede soportar impactos leves y tiene tendencia a abollarse en lugar de colapsarse.

Plástico al vacío - El proceso de formación al vacío implica calentar una lámina de plástico delgada hasta tal punto que se vuelve flexible pero no completamente derretida, y colocarla sobre la cubierta matriz; mientras permanece flexible, el aire entre la matriz y la hoja se elimina (es decir, se bombea), lo que hace que la hoja tome su forma. El plástico se enfría y se corta una forma tridimensional del material circundante. Hay muchos tipos diferentes de plásticos que pueden formarse al vacío y sus propiedades pueden variar. El policarbonato es un buen compromiso entre peso y resistencia al impacto.

Plástico corrugado - aunque pocas aeronaves lo usan para el fuselaje o las alas, a menudo se usa para endurecer puertas o donde se requieran superficies planas. El plástico corrugado parece cartón corrugado, solo hecho de plástico. Es muy resistente a choques y golpes, fácil de trabajar sin herramientas especiales y muy elegante (aerodinámica).

¿Qué material es mejor?

Entonces, ¿qué material debería elegir para el avión? La gran mayoría de la comunidad FPV usa espuma EPO porque:

  • Comparada con la balsa, toma exponencialmente menos tiempo de ensamblaje y por lo tanto se eleva más rápido en el aire.
  • Relativamente ligero en comparación con otros materiales y decentemente resistente*, pero se puede modificar / cortar fácilmente.
  • “Perdonador”, en el sentido de que es capaz de resistir accidentes y pequeños impactos, y también se puede volver a pegar muchas veces; y de nuevo en vuelo.
  • Buena calidad; Los modelos de espuma son bastante caros porque el diseñador necesita compensar el costo de la estructura, los prototipos y el molde, y el costo del marco suele ser proporcional a su tamaño.
  • No requiere herramientas especiales como una plancha laminada calentada.
  • La mayoría de los marcos completos incluyen los componentes básicos requeridos (los modelos de balsa a menudo requieren la compra adicional de laminado, la mayoría de los herrajes y más).

*Los modelos de espuma rara vez son lo suficientemente rígidos por sí mismos, y para soportar las cargas que actúan sobre las alas en vuelo, el estos últimos requieren un refuerzo adicional en forma de "largueros" (varillas largas y delgadas, generalmente hechas de fibra de vidrio o fibra de carbono) para aumentar la rigidez. Estos largueros, concebidos, deben pegarse en varios lugares estratégicos, tanto por encima como por debajo del ala (pegados en los canales precortados). El tamaño de los modelos de espuma, por regla general, limita solo la practicidad, por lo que es bastante raro ver modelos con una envergadura de más de 2 m.

Construir

  • Espuma: Es importante tener en cuenta que hasta ahora no se pueden usar todos los pegamentos para pegar la espuma, ya que algunos de los existentes pueden corroer y destruir el material. Los adhesivos más comunes que se utilizan para unir espuma EPO son Goop (nombre comercial) y Gorilla Glue (nombre comercial). El pegamento es transparente y tiene una consistencia espesa y una unión excelente. Gorilla Glue: requiere un poco de agua para activarse, la consistencia inicial es espesa. Después de la interacción con el agua, forma espuma hasta aproximadamente un 400% de su tamaño original y tiene un color amarillo. El pegamento Gorilla se puede cortar en lugares donde no es deseable, pero es necesario evitar que el pegamento se filtre en áreas donde no debería estar (por ejemplo, usando cinta adhesiva), y después de la aplicación, las partes fijadas deben estar estacionarias mientras el el pegamento se expande y se endurece. La espuma generalmente se corta con un cuchillo afilado, una pistola de soldar (en lugar de un soldador) o un alambre calentado. La sierra de mano tiende a romper la espuma y dejar una superficie muy rugosa. Los aviones de espuma suelen ser blancos, rara vez negros e incluso con menos frecuencia grises u otros colores. La personalización de la apariencia consiste en agregar colores o patrones que se pueden hacer con pintura especial, laminado o vinilo. Tenga en cuenta que no todas las pinturas son adecuadas para colorear la espuma, algunas pueden destruirla.
  • Balsa: El pegamento de cianoacrilato se usa con mayor frecuencia para unir madera de balsa, generalmente un líquido viscoso (casi como agua), proporciona una unión muy fuerte entre las superficies a unir. Una vez que el marco está listo, debe cubrirse con un laminado (lámina de plástico con adhesivo activado por calor en un lado) para crear una superficie aerodinámica. La película de laminación se calienta / aplica con la plancha de laminación, proporcionando una superficie firme / dura en la salida. El laminado solo es adecuado para pegar en madera de balsa; no se puede usar para crear formas 3D.
  • Compuestos: ​​Todavía es raro ver materiales compuestos utilizados para crear aviones pequeños (fibra de carbono). Estas piezas están basadas en resina epoxi (o un agente de unión especial) y son más difíciles de cortar a mano, más a menudo se requiere una fresadora CNC. La creación de formas 3D también es bastante compleja. Los aviones suelen utilizar materiales compuestos como refuerzo.

Energía

  • La planta de energía de la aeronave consta de un motor, hélice (hélice), ESC y batería... La elección de las piezas correctas para un cuadro no debe ser una "suposición" y es mejor ver si el fabricante del cuadro tiene alguna recomendación con respecto al motor, la hélice o el rango para una carga útil determinada.
  • En estos días, la mayoría de los entusiastas se inclinan por los motores eléctricos en lugar de los combustibles (como el queroseno) debido a su menor costo de propiedad y facilidad de uso. La energía solar rara vez se usa porque la energía que proporciona la energía solar, en comparación con el peso adicional de los paneles solares (que se usan para cargar baterías), todavía no es beneficiosa.
  • Seleccione una combinación de motor / hélice capaz de proporcionar el empuje requerido para su planeador con una carga particular. Varios fabricantes de planeadores ofrecen una serie de requisitos de empuje basados ​​en sus propios experimentos para dar una idea general del rango requerido.
  • La potencia insuficiente del avión puede provocar inestabilidad o un accidente. Una aeronave sobrecargada puede resultar completamente inestable en vuelo. Teniendo en cuenta que casi todas las tecnologías utilizadas para crear drones provienen de la industria del control de radio, existe una amplia información sobre cómo elegir el empuje y los servoaccionamientos adecuados para diversas aplicaciones.
  • Centro de masa: El centro de masa es el punto alrededor del cual se puede colocar el marco para que el peso sea el mismo en todos los lados. Relación centro de elevación / par. Este es el punto donde se agrega toda la sustentación generada por las alas y las superficies de control, generalmente en el punto más alto del perfil aerodinámico. Es deseable que el centro de masa corresponda al centro de la fuerza de elevación.

Lanzamiento / Aterrizaje

  • Lanzamiento / Aterrizaje en la pista: para usar el pista, el dron necesita ruedas, y la pista debe ser lo más plana y perfectamente pavimentada posible.
  • Gatillo manual: Hay dos métodos principales de activación manual: balanceo en la mano o balanceo por encima de la cabeza. El método de barrido es similar a lanzar un disco (o arrojar piedras al agua) donde el operador intenta acelerar el dron a la velocidad máxima usando velocidad angular. Alternativamente, existe un método aéreo en el que el operador lanza el avión hacia arriba (preferiblemente con un segundo operador / asistente).
  • Lanzamiento de catapulta: Para acelerar el dron lo más rápido posible, una catapulta utiliza uno de varios métodos diferentes: un cable elástico, un cabrestante o incluso aire comprimido. Las catapultas no son fáciles de transportar y requieren inversiones y diagnósticos adicionales.
  • Empuñadura: No es difícil atrapar un dron pequeño con la mano, siempre que la hélice no gire, pero de alguna manera el método requiere cierta habilidad.
  • Aterrizaje: El método de aterrizaje más comúnmente utilizado es un aterrizaje deslizante en una superficie decentemente nivelada como la hierba. Este método es relevante porque cada vez menos drones tienen tren de aterrizaje (y la pista no está disponible), lo que obliga al avión a aterrizar simplemente en cualquier avión posible. Por lo general, antes de volar, el piloto encuentra un lugar de aterrizaje adecuado. Idealmente, la aeronave debería tener placas protectoras reemplazables debido al desgaste progresivo.
  • “Captura” en red: Aunque este método de aterrizaje es el más utilizado por los militares para pequeños drones, usar una red para atrapar un dron es muy efectivo donde otros métodos de aterrizaje son difíciles. Dicho esto, configurar un sistema en red requiere mucho tiempo y otros tipos de plantación son preferibles para la mayoría de los entusiastas.
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