¿Quadricóptero, Quadrotor o Quadrocóptero?

Bajo el nombre de Quadricóptero, Quadrotor, Quadrocóptero y muchos otros derivados del mismo vocablo, se conoce a las aeronaves que se comportan como helicópteros, pero que su estructura está basada en cuatro motores que permiten su sustentación en el aire. Para las construcciones más populares de estos vehículos aéreos, muchos elementos se pueden obtener en el mercado y algunos otros, dado su elevado precio, o para darle a la construcción un toque personal que nos identifique, se pueden construir a gusto y voluntad de cada diseñador en particular. En este artículo te invitamos a ver algunos elementos imprescindibles que forman parte de un “Quad”, aprenderemos algunas características particulares y evaluaremos costos para saber si este será nuestro entretenimiento preferido de la temporada.

Nuestra nave, que de ahora en más llamaremos “Quad”, para ahorrarnos la discusión del nombre apropiado o correcto para algunos, utilizará elementos comprados, como mencionamos en el sumario y otros elementos que construiremos nosotros mismos por sencillas razones económicas. Iniciando el recorrido por la hélice impulsora, nos encontramos con una particularidad llamativa. Para un mismo estilo de motor encontramos dos tipos hélices; que a simple vista pueden parecer iguales, pero que en realidad no lo son y cumplen funciones muy definidas, diferentes y esenciales para el correcto funcionamiento del vehículo aéreo. Dos hélices deben ser “comunes” y las otras dos deben poseer (además de ser iguales: mismo fabricante, mismo modelo) las siglas SFP en algunos casos o simplemente la letra P (“pusher”) en otros, agregadas a su nomenclatura. Observa la imagen que acompañamos y podrás apreciar también, que poseen sus bordes de ataque y fuga invertidos respecto al otro tipo de hélice.

¿Porqué es necesario esto? La respuesta puede encontrarse en cualquier libro de física y una explicación básica se puede resumir del siguiente modo. La hélice de un motor en pleno movimiento genera un “momento” que tiende a hacer girar al conjunto (motor – hélice) si este no posee un sistema de estabilización de giro (sistema de fuerza que se oponga al mencionado giro). Para hacerlo más gráfico aún, basta con mencionar los conocidos “rotor de cola” que poseen los helicópteros convencionales y sencillos. Seguramente has visto muchas veces la imagen de un helicóptero girando sin control debido a la falla en este sistema estabilizador en su parte posterior. En un Quad, en lugar de un motor único, tenemos cuatro motores, por lo tanto, el problema estaría agravado y sería de difícil solución. Para resolver este inconveniente, haremos girar dos motores en un sentido y otros dos motores en sentido inverso. De este modo, al tener dos hélices con sus palas o álabes invertidos, respecto a las otras dos, obtendremos una situación de empuje de aire hacia abajo en los cuatro motores, con el agregado de una “cancelación mecánica” de los momentos generados gracias a que dos motores tendrán giros en un sentido y los otros dos en el inverso.

Por supuesto, este arreglo mecánico nunca es suficiente por más meticulosa y cuidada que sea la construcción del Quad. Siempre será necesaria una corrección en tiempo real valiéndonos de sensores inerciales ubicados en posiciones estratégicas de la estructura, destinados a controlar este fenómeno mecánico, informándole al sistema de control de velocidad de los motores cualquier anomalía de giro del Quad sobre su propio eje. Por supuesto, pequeños y sutiles cambios en las velocidades significarán movimientos de giro, mientras que variaciones mayores provocarán inclinaciones que permitirán iniciar rutinas de desplazamiento de un lugar a otro. La variación combinada y organizada de las velocidades de los motores permitirá, por lo tanto, obtener la mayor parte de los movimientos del Quad. Ascenso, descenso, giros, inclinación y traslación junto a cualquier combinación de los eventos mencionados. ¿Te parecía un elemento de poco cuidado la hélice de cada motor? Más adelante descubrirás que tiene más funciones “vitales” para un buen funcionamiento.

Ascenso, descenso, giros, inclinación y traslación junto a cualquier combinación de los eventos mencionados. ¿Te parecía un elemento de poco cuidado la hélice de cada motor?

Siguiendo con los elementos que debemos comprar, nos encontramos con los motores brushless trifásicos como el que te mostramos en la imagen. Ampliamente utilizados en aeromodelismo, encontraremos una variedad muy importante de modelos según las características eléctricas y mecánicas y como siempre, con precios acordes a sus prestaciones. Dentro del catálogo de posibilidades encontramos modelos que son capaces de tener un “empuje” de 300 gramos de peso hasta motores capaces de levantar más de 10Kg. Por lógica elemental, los tamaños, pesos, consumos energéticos (de los motores) y las dimensiones necesarias de las hélices deberán estar acordes al tipo de motor seleccionado. Es decir, el peso acumulado de las baterías, la estructura, los motores y todo el equipo de a bordo será un desafío a resolver para lograr que el Quad levante vuelo y sea una nave ágil en el aire. En nuestro caso, los motores son de hasta 1Kg de “empuje” y requieren de hélices (propeller) de entre 23 y 25cm. Las dimensiones se consideran en “largo” (Diámetro) X “inclinación” (Paso) (Grado de Torsión) del álabe o aspa. Este conjunto de medidas nos permiten saber el volumen de aire que desplaza la hélice; por lo tanto, nos permiten conocer las medidas de la hélice más  apropiada para nuestro motor en función de que pueda mover todo el aire que sea posible sin frenarse.

Las revoluciones por minuto de estos sistemas varían desde 40 mil R.P.M. hasta 240 mil R.P.M. de acuerdo a la cantidad de polos de posea el motor. Además, por los datos que te estamos enumerando hasta ahora, puedes notar que los consumos de energía de estos motores son decididamente “enormes” llegando a alcanzar picos instantáneos de corriente de hasta 40Amperes. Por supuesto, como todo sistema real (no ideal), la energía absorbida no se traduce, en este caso, en un 100% de movimiento, sino que una buena parte se disipa en forma de calor. Esto es un elemento de mucho riesgo para la integridad física del motor y aquí vuelve a entrar en escena y a cobrar importancia la hélice. Una hélice de un tamaño menor al aconsejado, no sólo ocasionará poco impulso vertical sino que además no proveerá la refrigeración suficiente al sistema motriz llegando, en el peor de los casos, a provocar daños permanentes en el motor. Por último, la característica que le brinda la conexión trifásica facilita la inversión de giro con sólo invertir la conexión de una fase (uno de los tres cables que alimenta el motor).

Un tercer elemento en la cadena motriz del Quad es lo que se conoce como “controlador electrónico de velocidad” (ESC, Electronic Speed Controller) o simplemente “variador”. Esta unidad sellada es capaz de administrar la energía enviada al motor a partir de la batería y posee un sistema de control que puede ser comparable al de un servomotor convencional en algunos aspectos. Posee varios cables de conexión al exterior: los tres que energizan el motor brushless trifásico, los dos cables de entrada de tensión desde la batería (estos cinco son de un diámetro destacado e imposibles de confundir) y por último la conexión hacia la señal de control de velocidad. El formato de la señal que se encarga de controlar la velocidad es variable en función de la velocidad que se quiera imprimir sobre el motor. Observando la imagen, podemos deducir que la frecuencia útil y comprobada de los impulsos alcanza hasta 400Hz. (ciclos por segundo) mientras que la mínima posible es de 50Hz. Por su parte, la velocidad estará regida por el ancho del impulso de control enviado. Variaciones entre 1 milisegundo y 2 milisegundos abarcan la totalidad de la excursión de la velocidad. Estos valores son algo críticos ya que con 1milisegundo el motor quizás no logre arrancar y comience a consumir corriente provocando un sobrecalentamiento innecesario. Por otro lado, un impulso de control superior a 2 milisegundos no logrará una mayor velocidad. El estricto control del ancho del impulso de control será el encargado de regular la velocidad entre 0 y 100% útil.

Finalmente, llegamos al último eslabón de esta cadena y nos detenemos a considerar las características de la batería. Construidas con celdas de 3,7Volts y alcanzando una tensión nominal de trabajo de 11,1Volts, las baterías de Litio-Polímero (LiPo) tienen una relación que las convierte en ideales para estas aplicaciones. La relación “peso/energía entregada”. Una batería estándar para la aplicación que estamos desarrollando puede tener una capacidad de corriente de 1300mAh y factor de pico de 25C. ¿Qué significa 25C? Que durante un lapso de tiempo (muy breve por cierto) puede entregar hasta 25 veces la corriente nominal. En el caso de la batería mencionada serían unos 32,5Amperes “necesarios” como para impulsar un motor brushless a máxima potencia y permitir un despegue o una arriesgada maniobra en medio de un vuelo acrobático. Si nos alejamos de este “detalle” operativo, la batería se comporta como cualquier otra con, por supuesto, un destacado desempeño. Como es de suponer, tantas virtudes exigen requisitos importantes que no pueden dejarse de lado. Por ejemplo, la batería no admite un descenso de tensión por debajo de un umbral determinado; es decir, luego de usarla, hay que recargarla de manera obligatoria para proteger la vida útil de la batería. Del mismo modo, cada celda que forma el conjunto no puede exceder una tensión de carga más allá de los 4,2Volts.

En la web se pueden encontrar muchos cargadores de este tipo de baterías que, como podemos interpretar, no son del mismo estilo a los utilizados para las baterías de Ni-Cd o Ni-Mh. Aquí cada celda se carga de manera individual y se controla durante todo el proceso de carga. En los mismos comercios donde se pueden adquirir las baterías, encontrarás una variedad importante de cargadores que pueden adecuarse a la necesidad de tu sistema energético.

Nos queda aún la mención especial de los sistemas encargados de controlar los variadores de velocidad dedicados a cada motor. Existen modelos comerciales que vienen preparados para controlar 4, 6 y hasta 8 motores, con todo tipo de sensores de movimiento, posición  y aceleración, altímetro y GPS para obtener un control total de la aeronave. Si contabilizamos los precios (que ahora veremos) de los materiales vistos hasta aquí, el valor de esta clase de controladoras no sería “tan” alto. Sucede que esta parte de control de vuelo es la que puede hacerse a medida de cada uno. No sólo que puede ser construida por uno mismo, sino que además, puede ser ampliada para controlar (además del vuelo) cosas tan insólitas como un termómetro, un sensor de presión atmosférica, de humedad, una cámara de transmisión de TV en tiempo real con iluminación para vuelos nocturnos. Por supuesto, también para controlar cosas tan necesarias como el enlace de radio con la consola de manejo que poseerá en sus manos el operador de vuelo.

Para finalizar este resumen inicial de los materiales que debes comenzar a comprar para armar junto a nosotros tu propio Quad, nos falta contarte los precios, que a pesar de estar en la web, podemos acercártelos todos juntos y en función de lo que nosotros hemos comprado. Más allá de ser caro o barato, la intención es informarte del valor aproximado que debes contar para emprender un desarrollo de esta naturaleza, al menos en los elementos que hoy te mostramos. Cada motor cuesta unos 25 Euros y debemos considerar al menos cuatro. Podríamos comprar uno de repuesto (de emergencia), pero contemos con cuatro en este gasto inicial. Un variador de velocidad (ESC) para 25Amperes ronda los 30 Euros y también necesitaremos cuatro. En el caso de las baterías, si decidimos utilizar una por cada motor debemos hablar de 25 Euros por batería, pero si en cambio deseamos usar 1 sola batería grande (5000mAh, 45C) (225 Amperes de pico instantáneo), debemos pasar a valores de 100 Euros, que en definitiva es lo mismo que 4 baterías chicas. Por su parte, las hélices de buena calidad podrían costar hasta 10 Euros cada una. (Las de muy buena calidad, claro).

Más allá de ser caro o barato, la intención es informarte del valor aproximado que debes contar para emprender un desarrollo de esta naturaleza.

Hasta aquí llevamos unos 360 Euros. Nos falta aún el sistema de control principal, el enlace de radiocontrol y todos los accesorios que se nos ocurra agregarle. El gasto más “impredecible”, por llamarlo de algún modo, sería el del equipo de radiocontrol. Los precios varían de acuerdo a las prestaciones del sistema, es decir, a la frecuencia de operación, a la cantidad de canales de transmisión, a la cantidad de canales de comandos , a la distancia de alcance del enlace (esto es muy importante) y por supuesto, a su calidad constructiva. Hay equipos desde los 100 a los 1000 Euros y más. Por último, el sistema de control principal para los cuatro variadores (ESC)  puede alcanzar los 200 Euros cerrando un gasto promedio y a grandes rasgos (sin contar gastos de envíos) de unos 1000 a 1200 Euros (si elegimos un radiocontrol de precio medio). Es decir, no estamos hablando de un entretenimiento económico, pero poco a poco, puedes comenzar a comprar partes y con el tiempo armar tu equipo final. Por supuesto, las baterías no se almacenan, se compran al final de todo. En la próxima entrega llega lo mejor, ponemos en marcha un motor, te mostramos como armar un controlador para los cuatro variadores del Quad y hablaremos un poco sobre los sensores inerciales que necesitaremos para nuestro desarrollo. ¿Te lo vas a perder?