Es algo que puede parecer mágico. Cuando vuelas un dron eres perfectamente consciente de que hay una enorme cantidad de física, cálculos, software e ingeniería que hacen que tu vuelo sea súper agradable. Sin embargo, para algunas personas el simple hecho de manejar el dron no es suficiente. Yo sé que soy una de las personas que necesita saber exactamente lo que está sucediendo en mi dron para ser un mejor piloto y entender cómo resolver los problemas si surgen. En este artículo voy a repasar todas las formas en las que un dron cambia de dirección, ya sea hacia arriba, hacia abajo, hacia la izquierda, hacia la derecha, hacia delante, hacia atrás, y hacia la izquierda y hacia la derecha.
Un dron cambia de dirección a través del cambio de velocidad de rotación de cada una de sus hélices. Mientras un dron está planeando, las hélices adyacentes giran en direcciones opuestas para mantener el dron estable. Cambiando la velocidad de cada uno de los motores podemos manipular el dron por el aire en las tres dimensiones.
Para el piloto del dron hay muy poca reflexión sobre lo que está sucediendo y simplemente puede mover los joysticks para controlar el dron. Sin embargo, el dron está haciendo mucho más trabajo porque necesita calcular su propia aceleración, impulso, altura y altitud, al tiempo que combate cualquier condición ambiental como las corrientes ascendentes y los vientos horizontales.
La física de mantener un dron en el aire es realmente muy complicada.
Tabla de contenidos
La física de mantener un dron en el aire
En el corazón del dron se encuentra el controlador de vuelo que envía a los motores información a través de una unidad de control de velocidad electrónica sobre la dirección en la que deben girar y también la velocidad. El controlador de vuelo también mirará los datos del GPS, la aceleración y la dirección a la que apunta el dron antes de enviar la información al motor para que se mantenga en un vuelo estacionario en una ubicación GPS fija.
Cada uno de los motores hace girar una hélice. Las hélices se utilizan para la propulsión y el control del movimiento del dron. Estas hélices son como las aletas de un ventilador que empuja el aire hacia el suelo. Cuando el aire es empujado hacia el suelo, el dron es capaz de aspirar el aire. Hay una baja presión que se crea en el borde de ataque y la parte superior de la hélice por lo que el dron literalmente se aspira a sí mismo en el aire.
Si quiere flotar el dron tiene que desplazar tanto aire como pesa. Desplazar más aire hará que el dron suba y si las hélices giran un poco más lento y desplazan menos aire el dron descenderá.
La dirección de las hélices del dron es muy importante ya que cada uno de los motores del dron tiene que girar en sentido contrario a los motores que tiene al lado. Esto anula cualquier momento angular y así el dron se mantiene en un lugar orientado en una dirección.
Dirección de las hélices del dron
Mi DJI Mavic air tiene cuatro motores y hélices. La forma en la que gira cada una de las hélices viene determinada por el motor. Y tienes que asegurarte de que las hélices están insertadas en los motores adecuados, de lo contrario el dron simplemente giraría sin control.
Es fácil averiguar en qué dirección debe girar el motor mirando el borde de ataque de la hélice mientras gira en la dirección del borde delantero de la hélice.
Para la mayoría de los drones la dirección de la hélice del dron para cada motor es la siguiente:
- Frente izquierda – motor en sentido de las agujas del reloj (CW)
- Frente derecha – motor en sentido contrario a las agujas del reloj (CCW)
- Detrás izquierda – motor en sentido contrario a las agujas del reloj (CCW)
- Detrás derecha – motor en sentido de las agujas del reloj (CW)
He anotado esto en la foto de mi DJI Mavic a continuación:
Todos los movimientos del dron se controlan haciendo girar las hélices de diferentes maneras. Para controlar los movimientos algunas hélices se ralentizan mientras que otras se aceleran. A veces esto ocurre en conjunto (como en el caso de subir o ascender) y otras veces ocurren en diferentes momentos en diferentes lados de la aeronave (como en el caso del movimiento hacia adelante y hacia atrás).
En el siguiente apartado voy a repasar todos los movimientos principales de un dron e ilustrar exactamente cómo se consigue cada uno de los movimientos principales.
Los principales movimientos de un dron
Volar un dron implica desde la perspectiva del piloto simplemente mover el joystick a través de su rango de movimiento. Esa simple acción del joystick se traduce en un movimiento bastante complicado del dron. El joystick izquierdo del dron es el responsable del ascenso, así como de la guiñada (girar en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario en un lugar fijo).
El joystick izquierdo
El joystick izquierdo del mando hace que el dron ascienda y descienda y también que gire en el sentido de las agujas del reloj y en sentido contrario. Esencialmente, son todas las acciones del dron en las que se mantiene en una ubicación GPS.
Subir / subir
Cuando se pulsa hacia arriba en el joystick izquierdo de un mando de dron todas las hélices del dron aumentan su velocidad o revoluciones por minuto. Las revoluciones por minuto aumentan lo que genera más empuje hacia arriba al desplazar más aire y forzarlo hacia el suelo.
Todas las hélices aumentan su velocidad de rotación.
Las hélices tienen que ser muy cuidadosas para acelerar exactamente a la misma velocidad, de lo contrario se creará otra dirección en su movimiento. Se necesita mucho para que un dron haga girar cada una de las hélices exactamente al número de revoluciones por minuto para ascender y no moverse de su ubicación GPS fija.
Bajar / descender
Para que un dron descienda en altura ocurre exactamente lo contrario que en el ascenso. Es decir, cada una de las hélices del dron disminuye el número de revoluciones por minuto. Esto esencialmente, permite que la gravedad sea una fuerza mayor que el empuje generado por las hélices.
Cuando un dron está descendiendo para detenerse necesita aumentar ligeramente el número de revoluciones por minuto para aumentar el empuje y así igualar la atracción de la gravedad hacia la tierra. En Toy Story se le dice a Buzz el año de la luz que no está volando, sino que está cayendo con estilo. Esto es exactamente lo que hacen los drones cuando descienden. Simplemente están permitiendo que la gravedad los atraiga hacia la tierra, lo cual es una forma elegante y controlada de caer.
Deslizamiento
La guiñada es cuando el dron gira en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario mientras permanece en una ubicación GPS. Es decir, que el dron no se mueve ni hacia delante ni hacia atrás. Este movimiento requiere un cálculo bastante complicado por parte del software del dron.
Cuando el dron gira en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario, necesita controlar las hélices que son diagonales entre sí. Si las hélices diagonales de la derecha giran más rápido generan una fuerza debido al aumento del momento angular que permite al dron girar hacia la izquierda. Si las hélices diagonales izquierdas giran más rápido generan el movimiento contrario.
Así, el movimiento del dron en sentido contrario a las agujas del reloj o en sentido contrario a las agujas del reloj es causado por las hélices diagonales opuestas que giran más rápido o más lento.
El joystick derecho
El joystick derecho del mando del dron es lo que he llamado en broma el joystick de la diversión. Esto se debe a que esto te permite hacer zoom a tu dron por todo el lugar. Lo bueno de un dron es que no sólo puede moverse hacia delante o hacia atrás, sino que también puedes moverte de lado a lado.
La orientación de las hélices alrededor del dron te permiten un rango completo de movimiento en el plano horizontal. Combinando diferentes combinaciones de joystick también eres capaz de guiñar y moverte al mismo tiempo. La combinación de diferentes movimientos se sigue haciendo por el control minucioso que tiene el software sobre las revoluciones por minuto que gira cada motor.
Todos los movimientos del joystick de la derecha crean un aumento o un pliegue profundo en la velocidad de rotación de las hélices que están al lado. En los apartados siguientes hablaremos de con qué se correlaciona cada uno de los movimientos.
Izquierda
Si el dron quiere moverse hacia la izquierda para corresponder con el movimiento del joystick hacia la izquierda, las hélices del lado derecho giran más rápido que las del lado izquierdo.
Esto hace que el lado izquierdo del dron baje ligeramente mientras que el lado derecho del dron se eleva ligeramente. El empuje general de los rotores sigue siendo el mismo, ya que eso permite que el dron se mantenga a una altitud fija, pero la ligera diferencia entre el lado izquierdo y el derecho de los rotores del dron hace que éste se desvíe hacia la izquierda.
Derecha
El movimiento del dron hacia la derecha moviendo el joystick hacia el lado derecho hace que las hélices del lado izquierdo aumenten en cuanto al número de revoluciones por minuto que gira el motor y que las hélices del lado derecho del dron se reduzcan ligeramente.
Al igual que en el caso del movimiento a la izquierda, esto hace que el lado derecho del dron se sumerja ligeramente mientras se eleva el borde izquierdo del dron. El empuje general de los motores sigue siendo el mismo, ya que esto permite al dron mantener una altitud fija.
Hacia adelante
Para mover un dron hacia adelante, el borde delantero del dron necesita sumergirse ligeramente mientras la parte trasera del dron se eleva.
Esto se consigue bajando las revoluciones por minuto de los motores de la parte delantera y subiendo los de la parte trasera. Esta diferencia en el giro de las hélices hace que el dron se mueva hacia delante.
Hacia atrás
Para mover el dron hacia atrás es necesario que el borde trasero del dron se baje ligeramente mientras que el borde delantero del dron se eleva ligeramente. Notarás que esto es exactamente lo contrario al movimiento hacia adelante.
Para cada uno de los movimientos del joystick derecho podrás observar hacia qué lado se inclina el dron para lograr el movimiento. A veces, sobre todo en entornos con mucho viento, y moviéndose muy rápido el dron no mantendrá muy bien su posición vertical.
Noto que cuando muevo mi dron hacia atrás muy rápidamente a una altura relativamente alta que el dron simplemente bajaría de altura. Así que los cálculos no son perfectos, pero se pueden afinar fácilmente proporcionando un ajuste manual mientras se vuela.
Un sencillo diagrama de todos los movimientos del dron
Aquí tienes un sencillo diagrama para cada uno de los movimientos del dron que demuestra cómo se mueve cada uno de los rotores al realizar cada uno de los movimientos comentados anteriormente. Es decir, hacia arriba, hacia abajo, en el sentido de las agujas del reloj, en sentido contrario, hacia delante, hacia atrás, hacia la izquierda y hacia la derecha.
En el diagrama anterior se destaca con un plus rojo las hélices que giran más rápido durante cada uno de los movimientos. El joystick izquierdo se muestra en el lado izquierdo mientras que los movimientos del joystick derecho se muestran en el lado derecho. Hay que tener en cuenta que si el dron mantiene una altura constante las otras hélices giran a un ritmo ligeramente reducido para no variar el empuje global que produce el dron.
Todas estas combinaciones son suficientes para mover el dron completamente por el espacio 3D.
Otras cosas que hace el dron.
Un dron también hace un montón de cálculos extravagantes para mantenerse en un patrón de vuelo estable. El dron se basa en toda una serie de sensores diferentes que trabajan juntos para alimentar la información a la placa del microcontrolador que luego es capaz de mantener el dron en una posición estable.
Algunos drones no son capaces de planear automáticamente o de mantener una altitud estable y eso se debe a que carecen de algunos de los componentes que se requieren para hacer esos cálculos.
La gama de sensores que hay en un dron incluye:
- GPS: obtiene las coordenadas del dron señalando su ubicación respecto a una serie de satélites que están en órbita geoestacionaria sobre la tierra.
- Barómetro: un barómetro detecta la presión y permite al dron calcular indirectamente su altura. Cuanto más alto sea el dron, menor será la presión atmosférica.
- Magnetómetro: detecta el campo magnético de la Tierra y es capaz de calcular la orientación del dron en relación con el campo magnético terrestre. Esto es esencialmente la brújula del dron. También es uno de los elementos que deben calibrarse con regularidad, sobre todo si se ha recorrido una distancia considerable para volar el dron.
- Acelerómetro: mide la aceleración del dron, pero se utiliza principalmente para conocer la dirección en la que la gravedad tira del dron.
- El giroscopio: un giroscopio proporciona la velocidad angular del dron y se utiliza para calcular su orientación en un entorno 3D.
La brújula es el sensor más importante del dron.
Estos sensores proporcionan constantemente información a la unidad de control que se utiliza para determinar la velocidad de rotación de las hélices. Los drones utilizan un controlador PID para averiguar cómo mover el dron a través de un espacio 3D.
Controladores PID
PID son las siglas de Proporcional, Integral, Derivativo y se pueden ajustar en una serie de software para drones. No se desanime por el nombre de estas ganancias son realmente sólo una forma elegante de decir lo siguiente:
- P mira el error actual – si el ajuste actual está lejos del punto de ajuste, el ajuste P presionará para mantenerlo cerca del punto de ajuste. Cuanto más lejos esté, más fuerte empujará.
- I es el conocimiento obtenido de los errores pasados – esto mira a los errores pasados (causados por fuerzas externas continuas) y los contrarrestará.
- D es una predicción de los errores futuros – como P comienza a empujar el valor cerca del punto de ajuste el valor D le impedirá sobrepasar masivamente.
El efecto de cada parámetro PID
Cuando empieces a jugar con los valores del PID de tu dron te darás cuenta de que cada valor afecta al dron de diferentes maneras. Echemos un vistazo a cada valor en un poco más de valor.
Ganancia P
El valor P (también conocido como valor de ganancia- es uno de los aspectos más importantes a la hora de regular el vuelo de un dron.
El valor determina el esfuerzo que debe hacer el dron para corregirse y conseguir la trayectoria de vuelo deseada (controlada por la transmisión del controlador). Puede ser tanto demasiado alto como demasiado bajo:
Demasiado alto y el dron oscilará. Esto es síntoma de una sobrecorrección agresiva por parte del dron y verá oscilaciones de alta frecuencia.
Demasiado bajo y el copter tendrá la sensación de que es lento en su respuesta e incluso puede oír que los motores se ponen en marcha lentamente.
Para encontrar un buen valor p debes aumentar gradualmente el valor P hasta que el dron comience a oscilar y luego establecer este valor al 50%.
Ganancia I
La ganancia I es el ajuste que determina la fuerza con la que el dron debe responder a las fuerzas externas – como mantener su posición en el viento o debido a un centro de masa fuera de lo normal ( muy fácilmente causado por la actualización de los componentes de su dron.
Demasiado alto y el dron se sentirá sin respuesta
Demasiado bajo y te encontrarás con que tienes que corregir manualmente el patrón de vuelo de tu dron.
Desea dejar el valor I lo más bajo posible sin tener que corregir el patrón de vuelo manualmente.
Ganancia D
La ganancia D es como un amortiguador para el valor P.
Si el valor D es demasiado bajo el dron no reaccionará con la suficiente rapidez.
Si el valor D es demasiado alto el dron oscilará con rápidas oscilaciones de pequeña amplitud. También puede disminuir la respuesta de los quads y hacer que el dron se sienta lento.
Aumente la ganancia D hasta que el dron comience a oscilar con pequeñas y rápidas oscilaciones. Reduzca hasta el 50% de este valor.
El controlador PID es el responsable de mantener tu dron agradable y estable. También proporciona cambios de dirección suaves y si usted está construyendo su propio dron es tan importante conseguir esta característica ajustada correctamente para que su dron sea un placer de volar y no haga nada en los extremos de los movimientos del joystick.
¿Se puede programar un dron?
Hay muchos drones que se pueden programar utilizando lo que llaman «waypoints». Los waypoints son esencialmente localizaciones GPS en el cielo que hacen que el dron vuele automáticamente a través de estos puntos específicos predefinidos que tienen una longitud y latitud y una altitud por la que el dron debe pasar.
Hay muchos waypoints y pases automáticos de drones que se pueden descargar online y cargarlos lateralmente en el software de vuelo de tu dron.
Los drones se programan bastante a menudo con fines de investigación y si quieres saber sobre los mejores drones programables echa un vistazo a mi artículo en profundidad sobre los mejores drones programables de investigación [guía completa] – haz clic aquí.
Resumen
Los drones vuelan y cambian de dirección a través de la modificación de las revoluciones por minuto en cada una de sus cuatro hélices y motores. Esto hace que cada uno de los cuatro motores genere una cantidad diferente de empuje y, por tanto, mueva el dron por el cielo o lo manipule en un lugar fijo como en el caso de la guiñada (utilizando el momento angular).
Lo bueno es que gran parte de este software y los cálculos están todos automatizados lo que significa que tu experiencia de vuelo no depende de que puedas entender cómo se crean cada uno de estos movimientos sino que es tan sencillo como mover un joystick y disfrutar del proceso de vuelo.
Al llegar al final de este artículo estás muy por delante de muchos de los pilotos de drones que no entienden cómo a un dron cambia de dirección. Ahora que sabes todo lo que hay que saber sobre cada uno de los movimientos podrás controlar mejor tu dron y anticiparte y solucionar cualquier problema que pueda surgir durante tu vuelo.