Cómo funciona un dron con explicacion de hélices y motores

Cómo vuela un cuadricóptero usando la dirección de la hélice y del motor
La comprensión de la dirección del motor de un avión teledirigido y de la hélice, junto con el diseño, nos muestran cómo funciona un cuadricóptero.

Hoy en día, los cuadrápteros son muy fáciles de volar en cualquier dirección. También pueden flotar en su lugar de manera muy suave. La ingeniería y el diseño son diferentes a los de un avión o helicóptero para volar.

En este artículo veremos cómo vuela un cuadricóptero, la dirección requerida del motor, la configuración, la configuración, la configuración, el diseño de la hélice junto con el empuje del motor del cuadricóptero y los cálculos requeridos.

También hay algunos videos excelentes y enlaces a artículos relevantes muy interesantes para leer más sobre cómo vuela un cuadricóptero.

Cómo funciona un dron

Entonces, ¿cómo es que un cuadricóptero flota o vuela en cualquier dirección, se levanta o desciende en un momento toca la palanca del mando a distancia? Los drones también pueden volar de forma autónoma a través del software de navegación de waypoints programado y volar en cualquier dirección de un punto a otro. Veamos la tecnología del cuadricóptero, que lo hace posible.

Es la dirección de la hélice junto con la rotación y velocidad del motor del dron, lo que hace posible su vuelo y maniobrabilidad.

El controlador de vuelo del cuadricóptero envía información a los motores a través de sus circuitos electrónicos de control de velocidad (ESC) sobre el empuje, las RPM (revoluciones por minuto) y la dirección. El controlador de vuelo también combinará datos IMU, Gyro y GPS antes de enviar señales a los motores de los cuadricópteros sobre el empuje y la velocidad del rotor.
Aunque la tecnología de los aviones teledirigidos y de los cuadricópteros de hoy en día es moderna, todavía utilizan los antiguos principios de vuelo, gravedad, acción y pares de reacción de los aviones.

En la fabricación de cuadricópteros, hélices y diseño de motores, las 4 fuerzas que afectan a todo el vuelo (peso, elevación, empuje y resistencia) son también consideraciones importantes.

Las matemáticas también se utilizan para calcular el empuje del motor del cuadricóptero, mientras que la aerodinámica de la aeronave se utiliza para el diseño de la hélice y el movimiento del aire por encima, por debajo y alrededor del cuadricóptero.

La importancia de cómo funciona y cómo vuela un dron

Con un poco de experiencia, volar un quadcóptero se convierte en algo automático. Usted mueve los palos en la Estación Terrestre del Controlador Remoto que envía el cuadricoptero en cualquier dirección que usted quiera que vuele. No necesitamos pensar en lo que hacen los motores o las hélices.

Suponiendo que tu cuadricóptero no volara correctamente. Tal vez esté tirando en una dirección o no esté flotando suavemente. Bueno, comprender cómo funciona un cuadráptero y cómo vuela le ayudará a localizar el problema con un motor o una hélice, especialmente si una inspección visual no muestra una falla.
Cuando entienda el diseño de la hélice del cuadricóptero y el empuje del motor, podrá hacer cambios en su cuadricóptero, como retirar la cámara e instalar otra carga útil, como un sensor de tiempo de vuelo o un sensor Lidar.

Volar con una carga útil diferente tendrá un efecto sobre el control, el vuelo y el equilibrio del avión no tripulado. Una carga útil diferente requerirá entonces un empuje diferente del motor del cuadráptico.

Si usted está construyendo sus propios cuadricópteros o diseñando cuadricópteros, entonces entender el diseño del motor y de la hélice es información esencial. Usted necesita la configuración correcta del motor del cuadricóptero, hélices a juego, circuitos electrónicos de control de velocidad junto con IMU y GPS junto con el cuerpo correcto.

Si quieres entender más sobre todos los otros componentes que componen nuestro drone normal, entonces lee este fantástico artículo sobre todos los tipos de tecnología de drone.

Ok, veamos ahora cómo vuela un dron y específicamente la hélice del cuadricóptero y la dirección y diseño del motor.

Explicación de la dirección del motor y de la hélice del cuadricóptero

Cómo vuela un dron?

Básicamente, el movimiento en el mando a distancia se pega, envía señales a la central de control de vuelo. Este controlador central de vuelo envía esta información a los Controladores Electrónicos de Velocidad (ESCs) de cada motor, que a su vez dirigen sus motores para aumentar o disminuir la velocidad.

Control Remoto de Movimiento con Palos → Controlador Central de Vuelo → Circuitos Electrónicos de Control de Velocidad (ESCs) → Motores y Hélices → Movimiento Quadcopter o Hover.

Controlador central de vuelo

Ahora el controlador central de vuelo también toma información de IMU, giroscopio, módulos GPS y sensores de detección de obstáculos si están en el cuadricoptero. Realiza cálculos de cálculo utilizando parámetros y algoritmos de vuelo programados y envía estos datos a los reguladores electrónicos de velocidad.
De hecho, la mayoría de los controladores de vuelo abarcan el IMU, GPS, Giroscopio y muchas más características para controlar el vuelo y la estabilidad del cuadricóptero. Muy a menudo, tienen IMUs duales para redundancia y otras características de seguridad, como Return-To-Home.

Un ejemplo de controlador central de vuelo sería el nuevo DJI N3 Flight Controller. Tiene tantas características y puede trabajar con una gran variedad de motores.

Circuitos electrónicos de control de velocidad (ESC)

Control electrónico de velocidad para la dirección del motor del cuadricicloCada motor de cuadriciclo tiene un circuito llamado Control electrónico de velocidad (ESC). Un controlador electrónico de velocidad es un circuito electrónico con el propósito de variar la velocidad de un motor eléctrico, su dirección y también el frenado.

Los Controladores Electrónicos de Velocidad son un componente esencial de los modernos cuadricópteros. Ofrecen alta potencia, alta frecuencia y alta resolución de CA trifásica a los motores. Al mismo tiempo, estos ESCs son realmente pequeños y compactos.

Los cuadricópteros y los drones dependen enteramente de la velocidad variable de los motores que accionan las hélices. Esta amplia variación y el empuje de RPM y el control de la velocidad del motor / hélice le da al cuadricóptero todo el control necesario para volar.
Para entender más sobre los Controladores Electrónicos de Velocidad, vea este magnífico video llamado “RC Basics – The ESC”.

Dirección de la hélice del motor del dron

Vertical Lift – Dirección de la hélice del motor del dron

Para que un cuadricóptero se eleve en el aire, se debe crear una fuerza que iguale o exceda la fuerza de la gravedad. Esta es la idea básica detrás de la elevación del avión, que se reduce a controlar la fuerza ascendente y descendente.

Ahora, los cuadricópteros utilizan el diseño del motor y la dirección de la hélice para la propulsión para controlar básicamente la fuerza de gravedad contra el cuadricóptero.

El giro de las palas de la hélice del cuadricóptero empuja el aire hacia abajo. Todas las fuerzas vienen en pares (Tercera Ley de Newtons), lo que significa que para cada fuerza de acción hay una fuerza de reacción igual (en tamaño) y opuesta (en dirección). Por lo tanto, a medida que el rotor empuja hacia abajo en el aire, el aire empuja hacia arriba en el rotor. Cuanto más rápido giren los rotores, mayor será la elevación y viceversa.

Ahora, un dron puede hacer tres cosas en el plano vertical: flotar, subir o bajar.

Flotar – Para volar, el empuje de la red de los cuatro rotores empuja el dron hacia arriba y debe ser exactamente igual a la fuerza gravitacional que lo empuja hacia abajo.
Ascenso de ascenso – Aumentando el empuje (velocidad) de los cuatro rotores del cuadricóptero para que la fuerza ascendente sea mayor que el peso y la fuerza de gravedad.

Descenso Vertical – El descenso requiere hacer exactamente lo contrario de la subida. Disminuya el empuje del rotor (velocidad) para que la fuerza neta sea hacia abajo.

Dirección de la hélice del cuadricóptero: guiñada, cabeceo y balanceo

Antes de ahondar en la configuración del motor y la hélice del quadcopter, vamos a explicar un poco sobre la terminología utilizada cuando vuela hacia delante, hacia atrás, de lado o girando mientras se desplaza por el aire. Estos son conocidos como Pitch, Roll y Yaw.

  • Yaw o Guiñada – Es la rotación o giro de la cabeza del cuadricóptero, ya sea a la derecha o a la izquierda. Es el movimiento básico para hacer girar el cuadricóptero. En la mayoría de los drones, se consigue utilizando el acelerador izquierdo, ya sea a la izquierda o a la derecha.
  • Pitch – Este es el movimiento del dron hacia adelante y hacia atrás. La inclinación hacia adelante se logra generalmente empujando la palanca del acelerador hacia adelante, lo que hace que el dron se incline y se mueva hacia adelante, lejos de usted. La inclinación hacia atrás se logra moviendo la palanca del acelerador hacia atrás.
  • Roll – La mayoría de la gente se confunde con Roll y Yaw. Roll está haciendo que el cuadricóptero vuele de lado, ya sea a la izquierda o a la derecha. El balanceo es controlado por el acelerador derecho, haciendo que vuele a la izquierda o a la derecha.

La mayoría de los aviones teledirigidos de alta tecnología, como el Yuneec Q500 4k quadcopter, te permiten volar de dos maneras diferentes. Puedes volar el dron como si fueras el piloto y estuvieras en el cuadricóptero. Usted usa los palos de control de manera diferente en el rollo, ya sea que el dron venga hacia usted o se aleje de usted.

Aquí tienes un video corto, que te muestra de forma muy sencilla qué son los movimientos de balanceo, cabeceo y guiñada.

Dirección del motor del dron para el Yaw

El guiñada es la desviación o rotación de la cabeza del cuadricóptero hacia la derecha o hacia la izquierda. En un avión teledirigido como el DJI Mavic Pro o el último Mavic 2 Pro, la acción de Yaw se controla con la palanca de control derecha del mando a distancia. Mover el palo hacia la izquierda o hacia la derecha hará que el cuadricóptero gire hacia la izquierda o hacia la derecha.
El movimiento en la estación terrena de control remoto envía señales al controlador de vuelo, que a su vez envía los datos de los circuitos ESC del cuadricóptero que controlan la configuración del motor y la velocidad a los motores.

Para ver cómo funciona esto realmente, eche un vistazo al diagrama de configuración de la hélice del cuadricóptero que se muestra a continuación. El diagrama es de un DJI Phantom 3 quadcopter, visto desde arriba con los rotores etiquetados del 1 al 4.


En este diagrama se puede ver la configuración del motor del cuadricóptero, con los motores de 2 / 4 girando en sentido contrario a las agujas del reloj (motores CCW) y los de 1 / 3 girando en sentido de las agujas del reloj (motores CW). Con los dos juegos de motores de cuadricópteros configurados para girar en direcciones opuestas, el momento angular total es cero.

El momento angular es el equivalente rotacional del momento lineal y se calcula multiplicando la velocidad angular por el momento de inercia. ¿Cuál es el momento de inercia? Es similar a la masa, excepto que trata de la rotación. El momento angular depende de la velocidad de giro de los rotores.

Conceptualmente, el momento de inercia puede considerarse como la representación de la resistencia del objeto al cambio en la velocidad angular.

Si no hay par en los motores de los cuadráticos, entonces el momento angular total debe permanecer constante, que es cero. Para entender el movimiento angular del cuadráptero anterior, piense en los 2 y 4 rotores azules en sentido contrario a las agujas del reloj que tienen un momento angular positivo y los motores verdes en sentido de las agujas del reloj que tienen un momento angular negativo. Asignaré a cada motor un valor de -4, +4, -4, +4, +4, que equivale a cero.

Para girar el dron hacia la derecha, entonces una disminución en la velocidad angular del motor 1 para tener un momento angular de -2 en lugar de -4. Si no pasara nada más, el momento angular total del cuadricóptero sería ahora de +2. Ahora, eso no puede pasar. El dron girará ahora en el sentido de las agujas del reloj para que el cuerpo del dron tenga un momento angular de -2.

Disminuir el giro del rotor 1 en efecto causó que el dron rote, pero también causa un problema. También disminuyó el empuje del motor 1. Ahora la fuerza ascendente de la red no es igual a la fuerza gravitacional y el cuadricóptero desciende.
También el empuje del motor del cuadricóptero no es el mismo, por lo que el cuadricóptero se desequilibra. El cuadricóptero se inclinará hacia abajo en la dirección del motor 1.

Para girar el drone sin crear los desequilibrios anteriores, luego una disminución en el giro de los motores 1 y 3 con un aumento en el giro de los rotores 2 y 4.

El momento angular de los rotores aún no llega a cero, por lo que el cuerpo del dron debe girar. Sin embargo, la fuerza total permanece igual a la fuerza gravitacional y el dron continúa flotando. Debido a que los rotores de empuje inferiores son diagonalmente opuestos entre sí, el dron puede permanecer equilibrado.

Dirección de la hélice del cuadricóptero para el Pitch (cabeceo) y Roll (balanceo)

Debido a que la mayoría de los cuadricópteros son simétricos (DJI Phantom 4, Ehang Ghost, Autel X-Star y Holy Stone HS 100 drone por ejemplo), no hay diferencia entre avanzar o retroceder. Lo mismo ocurre con el movimiento de lado a lado. Cómo volar hacia adelante también explica cómo volar hacia atrás o hacia los lados.

Para poder volar hacia adelante, se requiere un aumento en las revoluciones del motor del cuadricóptero (velocidad de rotación) de los rotores 3 y 4 (motores traseros) y una disminución en la velocidad de los rotores 1 y 2 (motores delanteros). La fuerza de empuje total permanecerá igual al peso, por lo que el dron permanecerá en el mismo nivel vertical.

Además, como uno de los rotores traseros gira en sentido contrario a las agujas del reloj y el otro en sentido de las agujas del reloj, el aumento de la rotación de esos motores seguirá produciendo un momento angular cero. Lo mismo ocurre con los rotores delanteros, por lo que el dron no gira.
Sin embargo, la mayor fuerza en la parte trasera del dron significa que se inclinará hacia adelante. Ahora un ligero aumento en el empuje para todos los rotores producirá una fuerza de empuje neta que tiene un componente para equilibrar el peso junto con un componente de movimiento hacia adelante.

Vídeos sobre cómo funciona el dron

Aquí tenéis un excelente vídeo que explica muy fácilmente cómo funciona y cómo vuela un dron.

El siguiente video discute la dirección del motor del cuadráptico.

Cómo funcionan los motores del Quadcopter

Arriba, discutimos cómo funcionan los motores y las hélices del dron. Aquí encontrará información adicional sobre los motores de cuatro cilindros, con los últimos diseños e innovaciones en tecnología de motores, junto con las mejores marcas.

Motores de dron sin escobillas

Casi todos los quadcopters lanzados en los últimos años y en el futuro están usando motores eléctricos sin escobillas. Los motores sin escobillas Quadcopter son más eficientes, más fiables y más silenciosos que los motores cepillados. El tipo de motor y su diseño es muy importante. Un motor más eficiente significa menos agotamiento de la batería y más tiempo de vuelo.

La estabilidad es muy importante para un cuadricóptero, por lo que los motores superiores producen muy poca vibración en el motor, lo que significa que el controlador de vuelo tiene menos trabajo que hacer para mantener el cuadricóptero estable.

Aquí hay 2 excelentes artículos que explican todo sobre los motores brushless y cómo elegir un motor quadcopter.

Dirección del motor en sentido horario (CW) y antihorario (CCW)

Un cuadricóptero debe tener 4 motores. Para tener un cuadricóptero equilibrado, la rotación de la hélice debe estar hacia el cuerpo principal del cuadricóptero. Para lograrlo, necesita la siguiente configuración del motor del cuadráptico:

  • Frontal izquierdo – Motor a derechas (CW).
  • Frontal derecho – Motor en sentido contrario a las agujas del reloj (CCW).
  • Atrás a la izquierda – Motor en sentido contrario a las agujas del reloj (CCW).
  • Atrás Derecha – Motor a la derecha (CW).

Nota: Asegúrese de que la colocación de las hélices en los motores sea la correcta. Desea colocar una hélice CCW en un motor CCW, etc.

Marcas de motores de drones

DJI Company – Motores, ESC Y Hélices

DJI es el mayor consumidor y fabricante profesional de multirotores en la actualidad. Suministran el 70% de los aviones no tripulados al mercado. También fabrican la excelente gama de balancines y cámaras Zenmuse.

En los últimos años han estado produciendo motores de cuádruple y multirotor de alta gama para sus propios aviones teledirigidos, pero también sistemas de propulsión que cualquiera puede comprar y utilizar para construir su propio vehículo aéreo no tripulado.
Los últimos motores multirotor de DJI son el E5000, E2000, Snail y E305.

Todos sus últimos motores o sistemas de propulsión contienen el motor de cuatro patas, puntales, circuitos electrónicos de control de velocidad y sistema de refrigeración. El motor DJI E5000 y la mayoría de sus otros motores están sellados para proteger contra la lluvia.

Ahora estamos viendo cómo se utilizan cuadricópteros en las granjas para inspeccionar la tierra, las cercas y los edificios, así como para controlar los cultivos. Los multirotores también se pueden utilizar para pulverizar cultivos con el DJI MG-1S quadcopter construido específicamente para este propósito. En la pulverización de los cultivos es imprescindible disponer de un motor sellado.

T- Motor Company – Motores, ESC y Hélices

También conocida como Tiger Motor fabrica sistemas avanzados de propulsión para UAVs. Se especializan en motores, ESCs y hélices. T-Motor produce motores cuadráticos de la más alta calidad que son ampliamente usados para fotografía aérea, aplicaciones industriales, agrícolas y comerciales.

Motores de T-Motor

La gama T-Motor de 32 motores es la siguiente;

  • Motores de potencia 4 U.
  • 4 U Motores de tipo eficiencia.
  • Motores tipo 4 P.
  • 8 Motores de tipo navegación.
  • 4 motores tipo FPV.
  • 4 motores anti-gravedad.
  • 4 Motores tipo Gimbal.

Controladores de velocidad electrónicos T-Motor

T-Motor tiene 17 tipos de circuitos ESC como sigue;

  • 4 Serie Alpha ESC.
  • Serie 4 Llamas ESC.
  • 3 Serie Aire ESC.
  • 4 Serie FPV ESC.
  • Serie 2 T ESC.

Los circuitos ESC son de alta especificación. Echemos un vistazo a las características del T-Motor Alpha 40A LV ESC.

El Alpha 40A LV es un ESC de bajo ruido, temperatura e interferencia y es muy rápido de responder.

Tecnología de Control Orientado al Campo (FOC) – El principio de FOC es controlar la salida del motor mediante el ajuste del flujo de corriente y el ángulo que controlan el campo magnético y el par del motor.

La serie T-Motor Alpha contiene características y protecciones inteligentes para el motor de la siguiente manera;

  • Protección contra cortocircuitos.
  • Protección de sobreintensidad.
  • Protección contra la pérdida del acelerador.
  • Protección de bloqueo del motor.
  • Protección de baja tensión.
  • Anti-corrosión.
  • Resistente al polvo e impermeable.
  • Nano revestimiento.
  • Carcasa ultraligera.
  • Enfriamiento eficiente.

Hélices T-Motor

La gama de hélices T-Motor es amplia, cubriendo FPV, Ultra Light, Pulido, Plegable en Plast y Fibra de Carbono, en una variedad de tamaños.

Calculadoras de empuje de motor de drones

Aquí hay un artículo que le muestra cómo calcular el empuje del motor del cuadráptico usando una fórmula matemática.

También hay un número de calculadoras de empuje de motor de cuatro patas en línea. Aquí están las 3 calculadoras de empuje y elevación de cuadricópteros más utilizadas;

Diseño de hélices de cuatro patas

Explicación del tamaño de la hélice

Las hélices de drones vienen en una gran variedad de materiales, dimensiones y precios de abajo a arriba de la gama. Generalmente, los puntales más baratos se fabrican con menos precisión y son más propensos a crear vibraciones.

Esto se aplica especialmente al extremo relativamente más grande del espectro de propulsión, con diferencias cada vez menos perceptibles para las embarcaciones más pequeñas. Si usted está volando un quadcopter con la intención de producir fotos aéreas o películas de alta calidad, entonces vale la pena gastar dinero en hélices de alta calidad. Además, utilice un Prop Balancer de calidad para comprobar las hélices de su cuadricóptero cada pocos vuelos.

Hay tres medidas simples a tener en cuenta al elegir las hélices si está diseñando o buscando mejorar su dron.

Longitud – La primera es la longitud (Diámetro), usualmente dada en pulgadas. La longitud de una hélice es el diámetro de un disco que la hélice hace cuando está girando.

Cuanto más alto sea el valor nominal de Kv de sus motores, más pequeños tendrán que ser sus puntales. Los puntales más pequeños permiten mayores velocidades, pero menor eficiencia. Una configuración de puntal más grande (con motores de Kv correspondientemente bajos) es más fácil de volar de forma constante. También utiliza menos corriente y levanta más peso.

La mejor manera de calibrar la gama correcta de motores y puntales es consultar las recomendaciones del fabricante si está construyendo un dron.

Paso de hélice – Esta segunda medición también es muy importante. Las dimensiones del puntal se indican en la forma 21 x 7.0 pulgadas (533 x 178 mm) que es el sistema de propulsión DJI E2000. El primer número se refiere a la longitud de la hélice como se indica arriba. El segundo es el paso, definido como la distancia a la que un puntal se movería hacia adelante a través de un sólido en una sola vuelta completa. Por ejemplo, esta hélice con un paso de 7,0 pulgadas se movería hacia adelante 7,0 pulgadas en una revolución.

Taladro – El último se conoce como medición de taladro, que es simplemente el tamaño del agujero en el centro del puntal. Esta debe estar adaptada al eje de los motores elegidos. Hay adaptadores disponibles para reducir el diámetro interior de un puntal. Alternativamente, algunos puntales, como los producidos por T-Motor, utilizan un sistema de montaje directo mediante el cual los tornillos fijan los puntales directamente a la cabeza del motor.

Autocierre – La mayoría de los cuadricopteros hoy en día utilizan puntales de autocierre. A estos se les llama “Self locking”, porque en un cuadricóptero, 2 motores giran en el sentido de las agujas del reloj y los otros 2 giran en el sentido contrario. Al utilizar roscas de hélice que son opuestas a la dirección de giro del motor, los puntales se bloquean automáticamente y no se aflojan al volar.

Hélices Quadcopter grandes o pequeñas

Cuanto mayor sea el paso, mayor será el empuje y la potencia necesaria del motor. Típicamente, los multirotores usan puntales con pasos en el rango de 3 a 5 pulgadas. Los pasos más bajos son más eficientes. Cuanto más grande sea el puntal (ya sea aumentando el diámetro, o el paso o ambos), más energía se necesita para girarlo. Sin embargo, una hélice más grande o una mayor longitud de paso aumentarán la velocidad de su aeronave, pero también utilizarán más potencia.

En general, un puntal de menor diámetro o paso puede girar más rápido (a mayores revoluciones), ya que el motor no necesita trabajar tan duro para girar, por lo que tira de menos corriente. Tienden a correr más suavemente y se sienten más sensibles a los palos. El cambio más rápido de RPM debido a la menor inercia ayuda a la estabilidad del cuadricóptero.

Hélices en sentido horario (CW) y antihorario (CCW)

El cuadricóptero se suministra con 4 hélices de diferente diseño, una en el sentido de las agujas del reloj y otra en el sentido contrario. Cuando usted está comprando o viendo hélices, leerá acerca de CW que significa hélices en el sentido de las agujas del reloj y CCW que significa hélices en el sentido contrario a las agujas del reloj.

Por lo tanto, las hélices CCW y CW son necesarias para generar empuje, así como para tener un movimiento de guiñada opuesto que se anula mutuamente en vuelo. Para leer más sobre las hélices de cuadricópteros, aquí hay un buen artículo titulado “Cómo elegir las hélices para un Mini Quad”.
La imagen de abajo es de la CW y CCW de los puntales del DJI Mavic Pro quadcopter. Ambos están marcados con “8330F” que es el puntal por defecto con el que viene el Mavic Pro. Sin embargo, en la hélice CW está marcada como “8330F CW”. Así que es bueno mirar de cerca a sus accesorios para averiguar si son de CW o CCW.

Material de la hélice del dron

El material de la hélice del cuadricóptero es generalmente plástico o el extremo superior con fibra de carbono. Sin embargo, también puede comprar hélices de madera que generalmente se ven en el sector de los modelos de aviones.

Cómo elegir la mejor hélice de dron

A continuación, un video fantástico que le ayudará a decidir cuál es la mejor hélice. Realmente hay mucho en lo que pensar.