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Capitulo IV. Comunicación del diseño

4.1 Ensamble y construcción del cuadricoptero

Esta es la última etapa del modelo de diseño a cinco pasos y representa la parte más

importante en la cual se conjunta todo lo que se ha trabajado anteriormente. La parte más

importante del proceso de diseño es la construcción misma del proyecto. Para ensamblar

correctamente la plataforma se necesita realizar un plan de ensamble para facilitar el trabajo

y si se desea desarmar posteriormente sea una tarea más sencilla.

Figura 4.1. Ensamble de la estructura (Explode state)

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4.2 Listado de partes

A continuación se muestra la estructura:

Componentes electrónicos:

Placa superior (1) Placa inferior (2) Eje principal (1)

Eje secundario (2) Patas (8) Soporte (8)

Batería (1) ESC 30 A(4) Motor (4)

Hélice (4) Placa de distribución (1) Adaptador motor (4)

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4.3 Plan de ensamble de la estructura

A continuación se muestra en imágenes el plan de ensamblaje:

Identificar y separar las distintas piezas con sus respectivos tornillos.

Colocar los tornillos en los soportes de lado del barreno hacia el lado con

rosca (para poder ajustar).

Insertar en el tubo principal a la altura donde se ensamblará con la placa principal y apretar el tornillo.

Atornillar hasta fijar completamente la barra. Es necesario apoyarse con

una superficie plana.

Colocar la placa superior , atornillar con una llave allen y colocar las

tuercas de seguridad.

Asegurar los tornillos para que queden completamente fijos.

1

6 5

4 3

2

42

Repetir el paso 3 con los ejes pequeños, asegurándose que estén

a la distancia correcta .

Colocar el coporte para unir la placa superior con el tubo y el soporte.

Para asegurar completamente los ejes pequeños a la base es necesario

utilizar rondanas y cilindros.

Repetir el paso 8 con el eje faltante y colocar el cilindro y la rondana para

fijar completamente.

Colocar la placa inferior en los tornillos de manera que esta sea perpendicular al eje mas largo.

Apretar la placa inferior con las respectivas tuercas.

9

8 7

10

12 11

43

Con este breve plan de ensamble es posible completar la estructura del cuadricoptero. El

siguiente paso es el ensamble de los componentes electrónicos, lo que representa una nueva

serie de pasos a seguir para la correcta colocación de los componentes.

Para ensamblar las patas al resto de la estructura es necesario unirlas con un

buje.

Posteriormente se coloca el soporte como se muestra en la imagen y se

coloca el tornillo (sin apretar todavía).

Se inserta el soporte en uno de los ejes y apoyándose con una superficie plana

para nivelarlo.

Se repite el paso 15 con los ejes restantes para completar el ensamble del

cuadricoptero.

14 13

16 15

44

4.4 Peso completo del cuadricoptero

Es necesario saber cuál es el peso de la estructura completa, para poder tener una idea de

cuánta corriente tiene que demandar el ESC para levantar la estructura, a continuación se

muestran una serie de tablas con el peso de cada pieza y componente electrónico del

cuadricoptero.

Parte de la estructura Peso (gr)

Placa superior 25.4

Placa inferior 16.6

Eje principal 26

Eje secundario (2) 12

Soporte motor (8) 6.6

Soporte estructura (8) 4

Adaptador motor (4) 5

Total 169.8 Tabla 4.1. Pesos de las partes de la estructura

Componente electrónico Peso (gr)

Batería 164.8

ESC (4) 4

Motor (4) 56.1

Hélice (4) 12.4

Placa distribución 2

Total 456.8 Tabla 4.2. Peso de los componentes electrónicos

Peso (gr)

Peso total del cuadricoptero 621.6 Tabla 4.3. Peso total del cuadricoptero

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4.5 Instalación electrónica

Colocar los componentes electrónicos es una tarea que debe realizarse con mucho cuidado

y tomando en cuenta las características tanto de los componentes, como de la estructura, ya

que no se pueden permitir ensambles que dejen fallas posteriores como son los cortos

circuitos que pueden dañar seriamente algunos de los componentes.

Antes de agregar los componentes electrónicos es necesario familiarizarse con la posición

que tendrán los componentes en la estructura.

4.5.1 Instalación Motores

Montar los motores brushless en los adaptadores que permiten su colocación en distintas

estructuras. Primero se utilizan tornillos allen cónicos para montar el motor y esconder la

cabeza de los tornillos en los avellanados de los adaptadores, se necesita atornillar con

mucho cuidado ya que un mínimo contacto entre el tornillo y el devanado interno del motor

puede provocar un corto en el motor.

Figura 4.2. Montaje de los adaptadores del motor.

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Colocar los adaptadores en los soportes de cada uno de los ejes utilizando tornillos planos

de menor radio y fijar completamente.

Figura 4.3. Fijación de los adaptadores con los ejes.

4.5.2 Instalación de los controladores de velocidad

Para conectar los controladores de velocidad se implementa una tarjeta de distribución

hecha de fibra de vidrio para minimizar el uso de cables y tener una conexión más

ordenada. Se designa un extremo de la placa positivo y el otro negativo para posteriormente

soldar cada uno de los cables de alimentación de los controladores en la placa.

Figura 4.4. Soldado de los controladores de velocidad.

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Con la estructura completamente ensamblada se coloca la placa de distribución en el centro

de la estructura utilizando cinta doble de uso industrial para fijar la placa completamente y

evitar el contacto entre esta y la placa superior de la estructura debido a que la fibra de

carbono es un material conductor y un mínimo contacto puede generar un corto circuito.

Gracias a la soldadura en los extremos de la tarjeta se evita crear tensión en la conexión de

los controladores con los motores.

Figura 4.5. Montaje de la placa de distribución

Los motores se conectan a los controladores de velocidad mediante una conexión trifásica.

Para conectar los cuatro motores a sus respectivos controladores es necesario tomar en

cuenta que cada motor debe de girar en sentido inverso a su motor adyacente para crear un

contra torque y poder estabilizar la estructura durante el vuelo. Para poder invertir el

sentido de giro del motor solamente es necesario invertir los dos últimos cables en la

conexión.

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Figura 4.6. Sentido de giro de los motores para generar un contra torque

4.5.3 Instalación de las Hélices

Las hélices utilizadas han sido previamente balanceadas durante su fabricación y están

listas para montarse. Se debe tener precaución con el montaje ya que para obtener un

correcto funcionamiento es necesario tomar en cuenta la inclinación de la hélice. Para que

una hélice genere empuje en conjunto con un motor, esta debe de empujar el aire hacia

abajo. Por esto las hélices vienen con dos orientaciones distintas.

Figura 4.7. Sentido de giro e inclinación de la hélice.

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La instalación de las hélices en los motores es relativamente fácil, solo hay que fijar con el

cono que tiene el motor. Es necesario fijarse en la colocación de la hélice ya que el

fabricante manda un par de hélices con una inclinación y un par de hélices con la

inclinación contraria con el fin de que estas giren en sentidos opuestos y puedan generar un

empuje.

Figura 4.8. Montaje de las hélices.

4.5.4 Instalación de la Batería

La batería se encargará de alimentar los controladores de cada motor y el controlador de

vuelo. La batería LiPo se coloca en la placa inferior de la estructura. Para conectar la

batería a la placa de distribución se utilizan conectores XT60 que aseguran una conexión

segura entre la batería y la placa de distribución.

50

Figura 4.9. Soldado de los conectores XT60 con los cables de alimentación.

Posteriormente se cortan los excedentes de los tornillos de la placa inferior para evitar

cualquier contacto con la batería que pueda ocasionar algún corto. La batería se coloca a lo

largo de la placa inferior con el uso de cinta de montaje de velcro.

Figura 4.10. Montaje de la batería en la placa inferior

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4.6 Resultados y Pruebas

Para poder llevar a cabo las pruebas al cuadricoptero es necesario llevar a cabo la

instalación electrónica correctamente. Uno de los objetivos del proyecto es el correcto

funcionamiento de los componentes electrónicos en conjunto y eso se puede comprobar

mediante las siguientes pruebas descritas.

4.6.1 Programación y calibración de los controladores de velocidad

Para poder realizar las primeras pruebas con el cuadricoptero completo es importante

conectar la batería con los controladores de motor. Esto resulta muy sencillo ya que la

conexión se realiza directo de la placa de distribución, designando los cables positivos

(rojos) y negativos (negros).

La calibración del controlador electrónico de velocidad corresponde a establecer las

velocidades máxima y mínima del motor en relación con la señal PWM generada por el

arduino. Como bien sabemos la señal PWM es una señal digital con valores de 5 V o 0 V

con una frecuencia especifica.

Figra 4.11 Señales de muestra PWM con distintos ciclos de trabajo

El controlador de motor cuenta con tres cables para la señal digital en la parte de en medio.

Un cable amarillo para la señal PWM, uno café para la tierra y un cable rojo en medio que

ofrece 3.3 V regulados.

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Figura 4.11. Cables del ESC para la señal digital

Fuente: disponible en: http://wiki.dji.com/en/index.php/ESC

Para obtener una señal PWM para controlar los motores se utilizó un Arduino. Realizando

una investigación en la librería de Arduino, se encontró que existe una librería para poder

controlar motores brushless, la librería servo. La base del funcionamiento de esta librería es

que el controlador de velocidad regula la velocidad del motor dependiendo del ancho de

pulso de la señal, es decir, el tiempo en que la señal este en ON.

La conexión del controlador debe ser la siguiente:

- Cable naranja: El cable de señal debe de ser conectado a un pin digital PWM de la

placa de Arduino (pines 3, 5, 6, 9, 10, 11, 13).

- Cable café: El cable de tierra debe de ser conectado al pin de tierra (gnd) de la placa

de Arduino.

- Cable rojo: Este cable de alimentación ofrece 3.3 V regulados que en este caso no se

utilizará y se dejará sin conexión.

Para comenzar a utilizar los motores es necesario realizar una calibración previa del

controlador de velocidad para que este pueda sintetizar el rango de la velocidad del motor.

Mediante varias pruebas se encontró que el rango de señal de funcionamiento del

controlador de velocidad es de 1200 a 1900 microsegundos. Esta señal es generada con la

función Writemicroseconds(). El procedimiento para terminar la calibración es simple,

mandar la señal máxima con una duración de 1900 µs al ESC por medio del Arduino hasta

que el motor haga un sonido de confirmación y después enviar la señal mínima con una

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duración de 1200 µs, inmediatamente el motor emitirá una serie de sonidos para confirmar

la calibración.

Esta es la conexión que se realiza para las primeras pruebas para controlar el motor

Brushless, se utiliza una placa de Arduino Leonardo que funciona a una frecuencia de 50

Hz, mientras que el ESC funciona en un rango de 30 a 450 Hz.

Figura 4.12. Esquema de conexiones para el ESC (modelo Fritzing)

Es necesario identificar los pines digitales que generen una señal PWM. En el Arduino

Leonardo estos pines tienen el siguiente símbolo ˜. Mientras que en el código del programa

es necesario destinar a un pin PWM la salida y conectarlo directamente. Este es el código

de la función writeMicroseconds() utilizado para controlar los motores.

54

#include <Servo.h>

Servo miservo;

void setup()

{

miservo.attach(9);

miservo.writeMicroseconds(1500);

}

void loop() {}

Código en Arduino para controlar un motor brushless.

Fuente: http://arduino.cc/en/Reference/ServoWriteMicroseconds

4.6.2 Prueba de empuje

Después de la calibración se realizan varias pruebas con los motores utilizando diferentes

valores de la función. Eso es cambiar la frecuencia de la señal PWM que se envía al ESC y

es cuando el motor demanda más o menos corriente dependiendo de la fracción de tiempo

en que la señal PWM este en ON.

El principal objetivo de estas pruebas es conocer cuánto empuje se puede tener en un

motor. Para esto, se utiliza una báscula digital y se atornilla el motor a un bloque de

madera para conocer el empuje que el motor genera a distintos valores de micro segundos.

Delay del servo (µs) Empuje (gr)

1100 0

1200 50

1300 106

1400 190

1500 245

1600 310

1700 370

1800 442

1900 530

2000 530 Tabla 4.4. Empuje del motor a diferentes grados.

55

Para apreciar mejor los valores obtenidos con las pruebas de empuje se ingresaron los datos

a una gráfica:

Figura 4.13. Gráfica de la prueba de empuje de cada motor

En la gráfica se puede observar con facilidad como a medida que se incrementa el ancho de

pulso en microsegundos va incrementando el empuje del motor. A medida de que este

empuje incrementa el motor demanda más y más corriente por medio del ESC. La

capacidad máxima del ESC es de 30 A, y esto se puede observar cuando se aumenta a más

de 1900 µs el valor del ángulo ya que el empuje no aumenta a partir de ese valor, por lo

que se llega a conclusión de que el motor está llegando a los 30 A.

El siguiente paso es aplicar la misma señal PWM a los cuatro motores para que estos

trabajen en sincronía. Debido a que no se está diseñando un sistema de control óptimo para

poder realizar vuelos controlados, no se necesita una señal PWM para cada motor. Por esto,

se conecta la señal PWM del Arduino a una línea de protoboard y la señal se manda a cada

0

100

200

300

400

500

600

1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000

Emp

uje

(gr

)

Delay del servo (µs)

Prueba de empuje

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ESC. La conexión de los cuatro motores, con la placa de distribución y el arduino se puede

apreciar en el siguiente modelo.

Figura 4.14. Modelo de la conexión de los cuatro motores con el Arduino (modelo Fritzing).

Al llevar este modelo al cuadricoptero físicamente se tiene que hacer cuidadosamente. Es

necesario utilizar cinta doble cara para fijar el Arduino a la placa de distribución y al mismo

tiempo aislarlos. Así mismo la placa de distribución se encuentra aislada del resto de la

estructura porque hay que recordar que la fibra de carbono es un material conductor.

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Figura 4.15. Montaje de la placa de Arduino sobre la placa de distribución.

Las conexiones se realizaron con cables jumper tipo macho para así evitar el uso excesivo

de cables largos que puedan generar problemas en el vuelo y en la portabilidad. Debido a

que el Arduino Leonardo cuenta con un regulador de voltaje que permite un voltaje de

entrada de 5 a 12 V, es posible alimentarlo con la misma batería que proporciona un voltaje

no mayor a los 11.1 V. Así que se soldaron dos cables desde la placa de distribución para

alimentar el Arduino y no depender así de un cable de alimentación.