PILOTANDO DRONES Y ESTUDIANDO SU FÍSICA (1ºPMAR)

Introducción

Ya hace tiempo que teníamos en mente construir uno o varios drones básicos a partir de motores, acelerómetros, sensores de gravedad y algún controlador como arduino. El principal problema que hemos tenido hasta ahora es que por mucho que avancemos, el curso acaba, los alumnos se marchan, y debemos empezar de nuevo la tarea. 

Durante el presente curso hemos tenido algo parado este tema. Sin embargo, a final de curso, aprovechando estos días raros de la última semana en los que generalmente faltan muchos alumnos, hemos decidido impartir unas clases de física de vuelo de los drones, y de pilotado básico de los mismos.

Física y mecánica de rotación de hélices

Básicamente hemos de entender que para elevar un dron necesitamos unas hélices que generen una presión bajo el dron mayor que sobre el mismo. Esto generará un empuje hacia arriba que si supera al peso del aparato conseguirá una elevación.

Si disponemos de una sola hélice, el cuerpo del dron giraría en sentido contrario al de la hélice, necesitando algún sistema adicional para contrarrestar este movimiento. En un helicóptero existe una hélice en la cola que permite contrarrestrar de una forma sencilla esta situación. Nosotros sin embargo, usaremos una configuración "Quad-rotor X" en donde se disponen de 4 motores con 4 hélices, girando dos en cada sentido y contrarrestándose entre si los movimientos de rotación. No obstante existen otras muchas configuraciones, tal y como se muestra en la imagen siguiente.

Distintas tipos de dron en función de la configuración de motores y hélices

Distintos tipos de movimiento del dron

Durante las clases de "vuelo de drones" se les explicó a los alumnos los movimientos básicos del mismo, y cómo se conseguían en función del giro de las hélices. Estos movimientos son:

• Flotación. Todos los motores giran a la misma velocidad obteniendo un empuje hacia arriba similar al peso del dron. Es posible que algún motor deba modificar su velocidad en el proceso de calibrado ya que los motores no son perfectos, y las condiciones medioambientales pueden variar en cada momento.
  
• Ascenso vertical. Se consigue aumentando la velocidad de giro de los 4 motores de forma simultanea y en la misma proporción. (Figura G)
  
• Descenso vertical. Se consigue disminuyendo la velocidad de giro de los 4 motores de forma simultánea y en la misma proporción. (Figura H)
  
• Yaw o Guiñada (giro). Para girar en sentido horario, se debe aumentar la velocidad de los motores que rotan en sentido antihorario y compensar disminuyendo la velocidad de los que giran en sentido horario. Análogamente si deseamos una guiñada en el sentido contrario, debemos proceder de forma opuesta. (Figuras E y F)
  
• Pitch (desplazamiento hacia adelante o hacia atrás). Un desplazamiento hacia adelante se consigue disminuyendo la velocidad de rotación de los motores delanteros y compensando con un aumento en la velocidad de los traseros. Esto produce un cabeceo hacia adelante y por tanto un desplazamiento en esa dirección. Si el desplazamiento fuera hacia atrás, habría que actuar de forma opuesta. (Figuras A y B)
  
• Roll (desplazamiento lateral). Al igual que ocurre con el pitch, si queremos mover el dron a la izquierda, debemos disminuir la velocidad de giro de los dos motores izquierdos y compensar aumentando la velocidad de los motores derechos. Esto produce un alabeo hacia la izquierda (inclinación hacia la izquierda) y un desplazamiento en esa dirección. Si deseásemos por el contrario un desplazamiento a la derecha, actuaríamos de forma opuesta. (Figuras C y D)
  

 

Volando drones en la cancha

Después de la clase teórica de drones, pasamos a la clase práctica y divertida, donde algunos alumnos se atrevieron a volar drones, con algo de miedo por su parte, y con más miedo aún por parte del profesor. Hay que reconocer que no se produjeron demasiadas situaciones de riesgo (para la salud de los allí presentes), aunque sí que hubo alguna situación de riesgo para la salud del dron, sobre todo cuando nuestro alumno J.R.C. lo estrelló contra los árboles (fueron momentos de tensión extrema).  

Ciertamente el vuelo resulta un poco complicado si no se ha realizado nunca. Si estamos en un espacio relativamente pequeño y con obstáculos, hay que estar muy atento. Nunca realizar vuelos excesivamente rápidos o altos. Rectificar constantemente y siempre tener en mente el punto de referencia del dron, y no el nuestro. A veces uno puede desorientarse y dar una orden incorrecta al dron por un pequeño despiste.

 

 

Tomando fotos y videos con el dron

Si volar el dron puede resultar complicado, tomar fotos con el mismo puede resultar mucho más difícil. Imaginemos que vamos conduciendo un coche y queremos hacer una foto en ese momento. Es, además de difícil, peligroso. Pues bien, con el dron ocurre lo mismo. 

Nuestro dron cuenta con su propio mando de vuelo, que permite realizar todo tipo de desplazamiento y orientar la cámara. Sin embargo, las fotos se toman con el teléfono móvil, conectado al dron por wifi. Si el piloto controla la trayectoria, y además debe enfocar, y finalmente disparar la foto, o es un experto, o corre el riesgo de estrellar el dron en el proceso. Viendo la complejidad de estas maniobras e intentando minimizar el riesgo, optamos por que un profesor pilotara y otro distinto tomara las fotos. El problema es que el piloto controla la posición de la cámara, y por tanto enfoca a ciegas o de forma aproximada. Es por ello por lo que solo realizamos unas cuantas fotos, y un tanto "cutres". En cuanto al video, aún no lo hemos probado.

 

Alumnos de 1º PMAR

Profesores: 

   Pablo Díaz Márquez

   Óscar García Jiménez