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Los drones multirrotor ahora son lo suficientemente comunes y avanzados como para que cualquiera pueda volarlos, pero la mayoría de las personas probablemente no entienden cómo se mantienen en el aire. Comprender la física básica del vuelo de drones puede convertirte en un mejor piloto de drones. ¡Es simple!
Cómo vuelan los helicópteros
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Comenzaremos con algo completamente diferente: helicópteros. Puede parecer un desvío extraño, pero saber un poco sobre cómo vuelan los helicópteros hará que comprender el vuelo de los drones sea mucho más fácil.
Un helicóptero típico tiene un rotor principal y un rotor de cola. Existen otros diseños, pero todos funcionan para aprovechar las mismas fuerzas. Esta es una explicación muy básica de cómo vuelan los helicópteros, pero apropiada para nuestro propósito cuando se trata de comprender el vuelo de drones.
El helicóptero tiene un rotor principal que genera empuje hacia abajo, levantando la aeronave en el aire. El problema es que a medida que el rotor gira en una dirección, ejerce una fuerza sobre el cuerpo del helicóptero (¡gracias, Newton!) y, por lo tanto, tanto el rotor como el cuerpo del helicóptero girarían, solo que en direcciones opuestas.
Obviamente, esta no es una gran manera de volar, razón por la cual los helicópteros tienen rotores de cola. Este rotor proporciona un empuje horizontal para contrarrestar el par del rotor principal.
Hay helicópteros sin cola con otros sistemas antipar, como el ruso Kamov Ka-52que utiliza dos rotores principales que giran en direcciones opuestas, lo que se conoce como disposición coaxial.
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Probablemente también esté familiarizado con el ejército de los EE. UU. Chinook CH-47que tiene dos rotores principales masivos que giran en sentido contrario que contrarrestan el par del otro mientras brindan una capacidad de elevación masiva.
¿Qué tiene esto que ver con tu cuadricóptero? ¡Todos!
Drones multirrotor y el problema del par
Si observamos el diseño básico del cuadricóptero, notará que los cuatro rotores están dispuestos en un patrón en X. Dos pilares giran en el sentido de las agujas del reloj y los otros dos giran en el sentido contrario a las agujas del reloj. Específicamente, los puntales delanteros giran en direcciones opuestas entre sí y lo mismo ocurre con los puntales traseros. Así, los puntales que están uno frente al otro giran en diagonal en la misma dirección.
El resultado final de este arreglo es que si todas las hélices giran a la misma velocidad, el dron debería estar perfectamente quieto con la nariz fija en su lugar.
Uso de par e impulso para maniobrar
Si no desea mantener el morro del dron fijo en una posición, puede utilizar este principio de cancelación de torsión para maniobrar. Si deliberadamente reduce la velocidad de algunos motores y acelera otros, el desequilibrio hará que toda la nave gire.
Del mismo modo, si aceleras los dos motores traseros, la parte trasera del dron se levantaría, inclinando toda la nave hacia adelante. Esto es cierto para un par de rotores, por lo que puedes inclinar la nave en cualquier dirección cardinal.
¡Hay problemas con este enfoque! Por ejemplo, si reduce la velocidad de un rotor, también reducirá su empuje y otro rotor tendrá que acelerar para compensar. De lo contrario, el empuje total disminuiría y el dron perdería altitud. Sin embargo, si aumenta el empuje de un rotor, hará que el dron se incline más, lo que provoca un movimiento no deseado.
La única razón por la que un cuadricóptero u otra nave multirotor puede volar es por la compleja solución de problemas en tiempo real realizada por el hardware que lo controla. En otras palabras, cuando le dices al dron que se mueva en una dirección específica en el espacio 3D, los sistemas de control de vuelo a bordo calculan exactamente qué tan rápido cada motor debe girar sus rotores para alcanzarlo.
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Desde el punto de vista del piloto, las entradas de control son las mismas que para cualquier aeronave. Primero, tenemos la guiñada, donde el dron gira alrededor de su eje vertical. En segundo lugar, está la inclinación, donde la nariz del dron se inclina hacia arriba o hacia abajo, lo que hace que vuele hacia adelante o hacia atrás. Por último, tenemos el rollo, donde el dron se mueve de lado a lado. Por supuesto, también tienes control sobre la cantidad de empuje, que cambia la altitud del dron.
Todos los movimientos del dron son una combinación de estos movimientos. Por ejemplo, volar en diagonal es una combinación de controles de cabeceo y alabeo. El controlador de vuelo a bordo hace todo el trabajo complicado de descubrir cómo traducir un comando, por ejemplo. Incline el morro hacia abajo a velocidades específicas del motor.
Rotores de paso colectivo vs. reparado
Hay un último aspecto importante de cómo vuelan los drones multirotor, y tiene que ver con los propios rotores. Casi todos los drones que puedes comprar hoy en día usan rotores de «paso fijo». Esto significa que el ángulo en el que la pala del rotor corta el aire nunca cambia.
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Volviendo a los helicópteros por un momento, el rotor principal suele tener un diseño de «paso colectivo». Aquí, un conjunto complejo de conexiones puede cambiar el ángulo de ataque de los rotores.
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Si el paso es cero (las palas del rotor son planas), no se genera empuje, sin importar qué tan rápido gire el rotor. A medida que aumenta el cabeceo positivo (empuje hacia abajo), el helicóptero comienza a elevarse. Lo que es más importante, los rotores se pueden mover a una posición de paso negativo. Aquí, el rotor se impulsa hacia arriba, por lo que la nave puede descender más rápido que la mera fuerza de la gravedad.
Paso negativo significa que, teóricamente, el helicóptero puede volar boca abajo pero la mayoría de los helicópteros a gran escala son demasiado grandes y pesados para hacer esto en la práctica. Los helicópteros a escala no tienen esta limitación. Esto condujo a la aparición del vuelo en helicóptero RC «3D» y actuaciones alucinantes de jinetes expertos.
Con un rotor de paso fijo, la única forma de aumentar el empuje es aumentar la velocidad del rotor, a diferencia de un helicóptero donde la velocidad del rotor puede permanecer constante a medida que varía el paso. Esto significa que el dron debe aumentar o disminuir constantemente la velocidad de sus rotores, no puede volar en ninguna actitud dentro del espacio 3D y no puede descender más rápido que en caída libre.
¿Por qué no tenemos drones colectivos? Ha habido intentos como Cuadricóptero Stingray 500 3D, pero la complejidad y el costo de un proyecto de este tipo lo limita a aplicaciones especializadas.
Fácil de volar, no fácil de volar
Drones multirrotor como el DJI Mini 2 ellos son maravillas de la ingenieria y la tecnologia informatica. Solo pueden volar debido a la convergencia de varias ciencias y tecnologías, todo para que pueda obtener algunos clips increíbles en sus vacaciones. Ahora, la próxima vez que lleve su dron a dar una vuelta, tendrá un nuevo respeto por lo que el pequeño puede hacer.
una maravilla tecnológica
Dron DJI Mini 2
Este dron liviano y compacto tiene una cámara sólida y un excelente precio.
