Estabilización de giroscopios en drones, explicación de la IMU y los controladores de vuelo

Tecnología de Drone de Estabilización de Giroscopios de Tres y Seis Ejes
Para que un avión no tripulado vuele perfectamente, la tecnología de IMU, estabilización de giroscopios y controladores de vuelo es esencial. Los drones utilizan hoy en día tecnología de estabilización de giroscopios de tres y seis ejes para proporcionar información de navegación al controlador de vuelo, lo que hace que los drones sean más fáciles y seguros de pilotar.

La tecnología de estabilización de giroscopios es uno de los componentes más importantes, permitiendo que el dron vuele súper suave incluso en vientos fuertes y ráfagas. Esta suave capacidad de vuelo nos permite filmar fantásticas vistas aéreas de nuestro hermoso planeta.

Con una estabilización de vuelo excepcional, junto con la navegación por los puntos de ruta, permite a los drones producir mapas de fotogrametría 3D e imágenes lidar de alta calidad. Los últimos drones utilizan balancines integrados, que también incluyen una tecnología de estabilización de giroscopios incorporada que proporciona a la cámara o al sensor de a bordo un movimiento prácticamente libre de vibraciones. Esto nos permite capturar fotos y películas aéreas perfectas.

En este artículo, examinamos la estabilización de giroscopios, la función de los giroscopios en los drones, incluyendo las diferencias entre la estabilización de giroscopios de tres y seis ejes. Enumeramos los últimos aviones teledirigidos con los mejores modos y sistemas de vuelo autónomos estabilizados por giroscopios. También hay una serie de videos muy informativos a lo largo de este artículo.

Estabilización de giroscopios de Drone

La función principal de la tecnología de giroscopios es mejorar las capacidades de vuelo de los drones. El hardware, el software y los algoritmos del dron trabajan juntos para mejorar todos los aspectos del vuelo, incluyendo el vuelo perfectamente inmóvil o girando en ángulo pronunciado. Un avión teledirigido con cardán de seis ejes suministra información a la IMU y al controlador de vuelo para mejorar enormemente las capacidades de vuelo.

El giróscopo necesita trabajar casi instantáneamente a las fuerzas que se mueven contra el dron (gravedad, viento, etc.) para mantenerlo estabilizado. El giroscopio proporciona información esencial de navegación a los sistemas centrales de control de vuelo.

Tecnología de giroscopios dentro de la IMU

En la gran mayoría de los drones, el giroscopio se engloba o se integra dentro de la IMU (Unidad de Medición Inercial). El avión teledirigido IMU, junto con el posicionamiento por satélite (GPS y GLONASS) son también componentes del sistema de control de vuelo.

El Drone Esencial IMU

Una unidad de medida inercial funciona detectando la velocidad actual de aceleración utilizando uno o más acelerómetros. El IMU detecta cambios en los atributos de rotación como cabeceo, balanceo y guiñada usando uno o más giroscopios. Algunas IMU en drones incluyen un magnetómetro, principalmente para ayudar a la calibración contra la deriva de orientación.

Los procesadores a bordo calculan continuamente la posición actual de los drones. Primero, integra la aceleración detectada, junto con una estimación de la gravedad, para calcular la velocidad de la corriente. Luego integra la velocidad para calcular la posición actual.

Para volar en cualquier dirección, el controlador de vuelo recoge los datos IMU sobre la posición actual y envía nuevos datos a los reguladores de velocidad electrónicos del motor (ESC). Estos controladores electrónicos de velocidad señalan a los motores el nivel de empuje y la velocidad requerida para que el cuadricóptero vuele o sobrevuele.

Cómo despega y vuela un avión es una tecnología fascinante. En otro artículo titulado “How A Quadcopter Flies” (Cómo vuela un cuadricóptero) explicamos de forma sencilla y amena cómo un avión teledirigido puede despegar, volar en cualquier dirección y aterrizar ajustando la dirección de su motor y hélice. El artículo incluye algunos videos muy informativos.

Drone tiene muchas partes y puedes leer todo sobre las diferentes partes de drone aquí. Esto cubre todos los componentes físicos que se encuentran en la mayoría de los cuadricópteros.

IMU Dentro del Controlador de Vuelo

Controlador de vuelo DJI Naza con IMU y Estabilización de giroscopiosEl controlador de vuelo se compone de muchos componentes. Es el cerebro central del dron. Así, ahora podemos ver que el giroscopio es un componente de la IMU y la IMU es un componente esencial de un sistema de control de vuelo de aviones no tripulados.

Los controladores de vuelo no son sólo hardware. Incluye y es controlado por sofisticados programas de software y algoritmos matemáticos. Todos los componentes del controlador de vuelo deben funcionar perfectamente juntos para que el avión no tripulado pueda navegar y volar con la máxima estabilidad.

Aquí están algunas de las funciones del controlador de vuelo DJI A2 con el giroscopio y la IMU que proporcionan funciones esenciales;

  • Control inteligente de la orientación (IOC).
  • Modo de vuelo de puntos de interés (POI).
  • Señal a los ESCs del motor sobre empuje y dirección.
  • Función de tren de aterrizaje inteligente.
  • Regreso automático a casa.
  • Protección contra fallas de rotores múltiples.
  • Módulo IMU con amortiguador incorporado de alta sensibilidad.
  • Receptor de satélite de alta precisión.
  • Función de modo de giro y control de crucero acumulado.
  • Módulo Bluetooth incorporado y soporte para ajustes de parámetros móviles.

Giróscopos en el tiempo

El primer giroscopio fue inventado por John Serson en 1743 con varias máquinas giroscópicas en los años siguientes. Algunos de los primeros giroscopios mecánicos utilizaron dos pesados discos de latón girando a alta velocidad para detectar cambios en el guiñada. La anterior tecnología pesada y consumidora de energía ha sido reemplazada desde entonces por alternativas modernas no mecánicas que pueden hacer mucho más que la corrección de guiñada.

El pequeño tamaño y el bajo consumo de energía de los giroscopios modernos han hecho que la tecnología sea indispensable para la industria aeronáutica, de los dispositivos móviles y, por supuesto, de los aviones teledirigidos. Este primer video de 5 minutos explica con precisión lo que es un giroscopio.

Estabilización de giroscopios en drones

Para entender el papel de la estabilización de giroscopios, es importante darse cuenta de que cada dron está siendo sometido constantemente a una serie de fuerzas procedentes de diferentes direcciones. Estas fuerzas, como el viento, afectan el guiñada, el cabeceo y el balanceo del dron, haciendo que el dron sea muy difícil de controlar.

Los giroscopios integrados pueden detectar casi instantáneamente los cambios en la posición de un dron y compensarlo de tal manera, que básicamente no parece afectado, ya que reajusta su posición cientos de veces cada segundo o puede flotar tranquilamente en su lugar. Los giroscopios modernos se fabrican con componentes de entre 1 y 100 micrómetros de tamaño y a menudo incluyen sensores para ejes múltiples en un solo paquete.

Estabilización de giroscopios de tres ejes frente a seis ejes

Los giroscopios de tres ejes miden la velocidad de rotación, lo has adivinado, 3 ejes: balanceo, cabeceo y guiñada.

  • Roll: rotación alrededor del eje de adelante hacia atrás.
  • Paso: rotación alrededor del eje de lado a lado.
  • Giro: rotación alrededor del eje vertical.

Los giroscopios siguen dando lecturas distintas de cero mientras continúe la rotación. Sin embargo, cuando la rotación se detiene, el giróscopo se silencia, porque, en lo que a él respecta, todo es como debería ser.

Entonces, ¿cuáles son los 3 ejes adicionales medidos por un giroscopio de seis ejes? Ninguno. Sólo hay 3 ejes posibles que un giróscopo puede medir. En cambio, el término “giroscopio de seis ejes” se refiere en realidad a un sistema integrado que consiste en un giroscopio 3D (3 ejes) y un acelerómetro 3D. Muy raramente, el acelerómetro puede ser reemplazado por una brújula 3D.

Acelerómetro 3D

La función del acelerómetro 3D es medir la orientación de un avión teledirigido en relación con la superficie de la Tierra. Funciona detectando la aceleración de la gravedad utilizando la misma tecnología, que también está detrás de los giroscopios, MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems). Estas minúsculas estructuras electromecánicas pueden interactuar con la electrónica, lo que permite a los ingenieros construir cosas bastante sorprendentes en un espacio extremadamente pequeño.

Ahora, aquí está un gran video que muestra exactamente cómo funciona un acelerómetro. Para ello se utiliza un teléfono móvil, pero el principio es el mismo para los aviones no tripulados.

Ventajas de la estabilización de giroscopios de seis ejes

La combinación de giroscopio 3D y acelerómetro 3D permite que un giroscopio de seis ejes mida la cantidad de aceleración estática debida a la gravedad y también la cantidad de aceleración dinámica. Estas dos mediciones nos ayudan a determinar el ángulo en el que se inclina el dispositivo y a determinar la forma en que se está moviendo.

Como resultado, los drones con este tipo de giroscopio son mucho más estables y perdonadores, lo que es genial especialmente para los principiantes que están aprendiendo a volar. También responden más rápidamente a cualquier fuerza inesperada que afecte el movimiento del dron, como ráfagas de viento, evitando así potencialmente que el dron se estrelle.

Un giróscopo regular de tres ejes no ayuda mucho durante las curvas cerradas, en comparación con un giróscopo de seis ejes, lo que hace que las maniobras avanzadas sean más fáciles.

En total, la estabilización de giroscopios de seis ejes es muy útil para casi cualquier persona, desde principiantes hasta profesionales experimentados que quieran llevar su dron al límite máximo. Usando un dron para aplicaciones avanzadas como imágenes 3D, la estabilización de giroscopios de 6 ejes es esencial.

Ejemplo de acelerómetro y giroscopio

Abajo hay un excelente video que muestra cómo un dron usa el acelerómetro de 3 ejes, giroscopio, sensor de distancia ToF (Teraranger One) y una cámara para estabilizarse después de haber sido lanzado al aire.

El acelerómetro detecta que ha sido lanzado al aire y que está cayendo al suelo. El giróscopo estabilizará su orientación en una fracción de segundo. Luego, el sensor de distancia estabiliza el dron a una altura particular preprogramada desde el suelo. Entonces el dron se bloquea en su posición actual. Este es un video estupendo y bien explicado.

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Mejores Prácticas de Estabilidad en Vuelo

Ahora, usted puede tener la mejor tecnología de giroscopios de 6 ejes, pero si el hardware de su dron (hélices, motores, cojinetes, ejes, etc.) no están rectos, limpios o funcionando correctamente, entonces el dron seguirá volando erráticamente y posiblemente incluso chocará.

Siempre es una buena idea examinar las partes del dron antes y después de cada vuelo. Tener piezas de repuesto por si algo se agrieta o se dobla es una gran idea. Mantener limpio el avión no tripulado es otra buena práctica. Para comprobar si las hélices son rectas, entonces es genial tener un equilibrador de hélice. Si todos los componentes se ven bien y el dron está volando erráticamente, tráigalo de vuelta inmediatamente.

Si el avión no tripulado está volando erráticamente, entonces recalibre el IMU en una superficie plana. A veces la IMU necesita ser recalibrada más de una vez. El sitio web del fabricante del avión no tripulado también debe ser revisado para ver si hay una actualización del firmware que solucione cualquier problema en el controlador de vuelo. Si existe un problema adicional, es muy probable que el avión no tripulado tenga un fallo de hardware en la IMU o en el controlador de vuelo.

Últimos Drones con Mejor Estabilización de Vuelo

Hay algunos de los últimos drones con el mejor GPS integrado, estabilización de giroscopios, tecnología IMU y sistemas de vuelo autónomo. Estos también tienen gimbales estabilizados y cámaras de video de 4k. Estos aviones teledirigidos tienen características de seguridad como el bloqueo de la casa y el regreso a casa. Todos estos son drones fantásticos.

DJI Mavic 2 Pro y Mavic 2 Zoom – Los dos nuevos cuadricópteros lanzados en agosto de 2018 tienen lo último en navegación, control de vuelo y estabilización junto con las mejores cámaras. Son mejoras masivas con respecto al anterior Mavic Pro del año pasado.

El Mavic 2 Pro y el Mavic 2 Zoom están equipados con sistemas de visión delantera, trasera, descendente y lateral, incluyendo sistemas de detección infrarroja hacia arriba y hacia abajo.

Los componentes principales de los sistemas de visión delantera, trasera y descendente son seis sensores de cámara situados en la nariz, la parte trasera y la parte inferior del Mavic 2 Quadcopter. Los sistemas de visión lateral son 2 cámaras con una cámara a cada lado del Mavic 2 Quadcopter.

Los principales componentes de los sistemas de detección infrarroja ascendente y descendente son 2 módulos infrarrojos 3D situados en la parte superior e inferior del cuadricóptero Mavic 2.

Los Controladores de Vuelo, IMU junto con el Sistema de Visión y el Sistema de Detección de Infrarrojos ayudan a que el Mavic 2 vuele súper suave y preciso. Estos sistemas ayudan a que el Mavic 2 mantenga su posición actual y se mantenga en su lugar con gran precisión. El sistema Vision and Infrared Sensing también permite al Mavic 2 volar en interiores o en otras zonas donde no hay señal GPS disponible.

DJI Mavic Air – Este mini drone lanzado en enero de 2018, utiliza lo último en tecnología Gyro IMU. El Mavic Air se lanza desde el suelo o desde la mano, por lo que utiliza la tecnología del vídeo de arriba, pero es mucho más avanzado y estable. En áreas donde hay hierba larga o en la nieve, la opción de despegar de la mano es genial.

Al despegar de la mano, el Mavic Air se eleva suavemente y se mantiene perfectamente estable en una fracción de segundo. También puede volar el Mavic Air con gestos con las manos o con su teléfono móvil.

El Mavic Air también tiene reconocimiento facial. Utiliza sensores de visión y algoritmos para detectar y enfocar a las personas u objetos que se encuentran delante.

El Mavic Air también utiliza sensores de visión y sofisticados algoritmos de aprendizaje de la máquina de señales visuales para la detección de obstáculos y la evitación de colisiones. El Mavic Air puede volar alrededor de obstáculos y si el obstáculo es demasiado grande, entonces se desplaza por delante del obstáculo. Es una tecnología increíblemente avanzada y aquí hay un artículo fantástico sobre la detección de obstáculos y la evitación de colisiones en aviones no tripulados para un mayor conocimiento.

Ahora, el Mavic Air tiene un montón de modos de vuelo inteligente como Rocket, Dronie, Circle, Helix y Asteroid. Estos modos de vuelo inteligentes hacen que volar y filmar sea muy fácil. Si desea saber más sobre este avión teledirigido, lea nuestra reseña completa del DJI Mavic Air. Incluye todas las características, especificaciones, preguntas frecuentes, incluyendo algunos videos estupendos.

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Hay grandes ofertas disponibles y puedes verlas en nuestra página de paquetes DJI Mavic Air.

DJI Mavic Pro – Este avión teledirigido plegable vuela y flota perfectamente quieto. La tecnología se llama “FlightAutonomy” y está compuesta por 7 componentes que incluyen 5 cámaras (sensores de visión dual hacia delante y hacia abajo y la cámara principal), posicionamiento por satélite de doble banda (GPS y GLONASS), 2 telémetro ultrasónicos, sensores redundantes y un grupo de 24 potentes núcleos informáticos especializados.

Las cámaras de los lados izquierdo y derecho de la parte delantera del Mavic están fijadas mediante un soporte de aluminio para garantizar la alineación óptima de las lentes del sensor de visión.

Mientras el Mavic vuela, los sensores de visión dual hacia delante y hacia abajo miden la distancia entre sí y los obstáculos tomando fotos de las cuatro cámaras y usando la información para crear un mapa en 3D que le dice exactamente dónde están los obstáculos.

Los sensores de visión dual hacia adelante y hacia abajo requieren luz visible para funcionar, y con luz brillante pueden ver hasta 49 pies (15 metros) hacia el frente Este sistema de evitación de obstáculos se activa en cada Modo de Vuelo Inteligente, incluyendo todos los modos ActiveTrack, TapFly y Terrain Follow. También está disponible durante el retorno automático a casa, para que el Mavic pueda volver fácilmente sin tropezar con nada en su camino.

DJI Phantom 4 Pro – Sólo lanzado en noviembre de 2016, este cuatroscopio tiene modos de vuelo autónomos estabilizados con giroscopios, incluyendo evitación de colisiones y detección de visión. Los modos de vuelo estabilizados por giroscopio programable son Draw Waypoints, TapFly, ActiveTrack Follow Me, Terrain Follow, Gesture Mode, Sports mode y muchos más.

El avión teledirigido Phantom 4 tiene un cardán estabilizado integrado y puede capturar impresionantes imágenes de 4k y tomar fotos de 12 megapíxeles. Puedes seguir leyendo y ver algunos vídeos fantásticos que te muestran el Phantom 4 Pro aquí. El artículo incluye información y vídeos sobre sus modos de vuelo inteligentes y la tecnología para evitar colisiones.

Yuneec Typhoon H – El último multirotor de Yuneec que se exhibió en el CES 2016 tiene todo lo que se puede buscar en un dron. Dispone de modos de vuelo autónomos integrados y estabilizados con giroscopios como Orbit, Puntos de Interés, Journey, Curve Cable Cam, Follow Me / Watch me. Puede grabar vídeo en 4k y capturar imágenes fijas de 12 megapíxeles con su cardán integrado de 3 ejes estabilizado.

Beneficios de la estabilización de giroscopios de seis ejes

Hay áreas fuera de la fotografía y filmación aérea, que se benefician de las tecnologías de estabilización de giroscopios de seis ejes de drones.

Drone Acrobacia y Carreras

Mucha gente disfruta de los drones sólo por el puro placer de la acrobacia y las carreras. Volar en ángulos pronunciados y especialmente voltear un drone sin chocar es difícil sin la estabilización de un giróscopo de seis ejes.

Las carreras de drones son un deporte en crecimiento y dependen de sistemas de control de vuelo muy rápidos, ya que las pistas están llenas de obstáculos. Estos drones de carreras son rápidos y el video en vivo de vuelta al piloto debe ser transmitido con una latencia excepcionalmente baja. Puede leer más en este artículo sobre el vídeo en directo de FPV.

Mapeo 3D y fotogrametría

Este próximo video es de un proyecto en el que Pix4D, junto con el fabricante canadiense de drones Aeryon Labs Inc y la Universidad de Río de Janeiro, crearon el primer mapa en 3D de la estatua de Cristo Redentor en Río.

El clima y las condiciones cambiantes, con ráfagas de viento de hasta 50 km/h (30 mph), hicieron que este proyecto fuera particularmente difícil. Este proyecto no habría sido posible pilotar un avión teledirigido manualmente. Con ráfagas de viento, el dron se desviaba fácilmente unos pocos metros en una fracción de segundo antes de que el piloto pudiera reaccionar.

Pix4D es uno de los líderes del mercado en la creación de mapas y modelos 3D utilizando software de fotogrametría. Puede leer reseñas sobre otras empresas de software de mapeo en 3D aquí.

El sistema de control de vuelo del avión no tripulado con su estabilidad de giroscopio de 6 ejes junto con GPS, navegación por waypoints, hicieron posible este proyecto. Otros proyectos y sectores se están beneficiando de esta tecnología inventada hace cientos de años.

En este video final, aprendemos cómo funcionan el acelerómetro, giroscopio y magnetómetro de MEMS y cómo utilizarlos con la placa Arduino.