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Los drones multirrotor son ahora comunes y lo suficientemente avanzados como para que cualquiera pueda volarlos, pero la mayoría de la gente probablemente no entienda cómo se mantienen en el aire. Comprender la física básica del vuelo con drones puede convertirlo en un mejor piloto de drones. ¡Es simple!
Cómo vuelan los helicópteros
Empezaremos con algo completamente diferente: helicópteros. Puede parecer un desvío extraño, pero saber un poco sobre cómo vuelan los helicópteros hará que la comprensión del vuelo de los drones sea mucho más fácil.
Un helicóptero típico tiene un rotor principal y un rotor de cola. Existen otros diseños, pero todos funcionan para controlar las mismas fuerzas. Esta es una explicación muy básica de cómo vuelan los helicópteros, pero apropiada para nuestro objetivo cuando se trata de entender el vuelo de los drones.
El helicóptero tiene un rotor principal que genera un empuje hacia abajo, elevando la nave en el aire. El problema es que cuando el rotor gira en una dirección, ejerce una fuerza sobre el cuerpo del helicóptero (¡gracias Newton!) Y, por lo tanto, tanto el rotor como el cuerpo del helicóptero girarían, justo en direcciones opuestas.
Obviamente, esta no es una buena manera de volar, razón por la cual los helicópteros tienen rotores de cola. Este rotor genera un empuje horizontal para contrarrestar el par del rotor principal.
Hay helicópteros sin cola con otros sistemas anti-torque, como el ruso Kamov Ka-52 , que utiliza dos rotores principales que giran en direcciones opuestas, lo que se conoce como disposición coaxial.
Probablemente también esté familiarizado con el Chinook CH-47 del Ejército de EE. UU. , Que tiene dos rotores principales contrarrotantes masivos que neutralizan el par de torsión del otro al mismo tiempo que brindan una capacidad de elevación masiva.
¿Qué tiene esto que ver con tu quadcopter? ¡Todo!
Drones multirrotor y el problema del par
Si miramos el diseño básico del cuadricóptero, notará que los cuatro rotores están dispuestos en un patrón X. Dos accesorios giran en el sentido de las agujas del reloj y los otros dos en el sentido contrario a las agujas del reloj. Específicamente, los apoyos delanteros giran en direcciones opuestas entre sí y lo mismo ocurre con los apoyos traseros. Como tal, los accesorios que están uno frente al otro giran en diagonal en la misma dirección.
El resultado final de esta disposición es que si todos los accesorios giran a la misma velocidad, el dron debe permanecer perfectamente quieto con la nariz fija en su lugar.
Uso de torque y empuje para maniobrar
Si no desea mantener la nariz del dron fija en una posición, puede utilizar este principio de cancelación de par para maniobrar. Si desacelerara deliberadamente algunos motores y acelerara otros, el desequilibrio haría que toda la nave girara.
Del mismo modo, si acelera los dos motores traseros, la parte trasera del dron se levantaría inclinando toda la nave hacia adelante. Esto es cierto para un par de rotores, por lo que puede inclinar la nave en cualquier dirección cardinal.
¡Hay problemas con este enfoque! Por ejemplo, si reduce la velocidad de un rotor, también reduce su empuje y otro rotor tiene que acelerar para compensarlo. De lo contrario, el empuje total disminuiría y el dron perdería altitud. Sin embargo, si aumenta el empuje de un rotor, hace que el dron se incline más, lo que provoca un movimiento no deseado.
La única razón por la que un quadcopter u otra nave multirotor puede volar es gracias a la compleja resolución de problemas en tiempo real realizada por el hardware que lo controla. En otras palabras, cuando le dice al dron que se mueva en una dirección particular en el espacio 3D, los sistemas de control de vuelo a bordo calculan exactamente a qué velocidad cada motor debe girar los rotores para lograrlo.
Desde la perspectiva del piloto, las entradas de control son las mismas que para cualquier avión. Primero, tenemos la guiñada, donde el dron gira alrededor de su eje vertical. En segundo lugar, tenemos el tono, donde la nariz del dron se inclina hacia arriba o hacia abajo, haciéndolo volar hacia adelante o hacia atrás. Finalmente, tenemos roll, donde el dron se mueve de lado a lado. Por supuesto, también tienes control sobre la cantidad de empuje, lo que cambia la altitud del dron.
Todos los movimientos del dron son una combinación de estos movimientos. Por ejemplo, volar en diagonal es una mezcla de cabeceo y balanceo en los controles. El controlador de vuelo a bordo hace todo el complicado trabajo de averiguar cómo traducir un comando a, por ejemplo. Incline el morro hacia abajo a velocidades específicas del motor.
Rotores de paso colectivo frente a fijo
Hay un último aspecto importante de cómo vuelan los drones multirotor, y tiene que ver con los rotores mismos. Casi todos los drones que puede comprar hoy en día utilizan rotores de «paso fijo». Esto significa que el ángulo en el que la pala del rotor corta el aire nunca cambia.
Volviendo a los helicópteros por un momento, el rotor principal es típicamente un diseño de «paso colectivo». Aquí, un conjunto complejo de vínculos puede alterar el ángulo en el que atacan los rotores.
Si el paso es cero (las palas del rotor son planas), no se genera empuje, sin importar qué tan rápido esté girando el rotor. A medida que aumenta el cabeceo positivo (empuje hacia abajo), el helicóptero comienza a elevarse. Lo más importante es que los rotores se pueden mover a una posición de paso negativa . Aquí, el rotor empuja hacia arriba, por lo que la nave puede descender más rápido que el simple tirón de la gravedad.
El tono negativo significa que, en teoría, el helicóptero puede volar boca abajo, pero la mayoría de los helicópteros a gran escala son demasiado grandes y pesados para hacer esto en la práctica. Los helicópteros a escala no tienen tal limitación. Esto ha llevado al auge del vuelo en helicóptero RC «3D» y las actuaciones alucinantes de los pilotos expertos .
Con un rotor de paso fijo, la única forma de aumentar el empuje es aumentar la velocidad del rotor, a diferencia de un helicóptero donde la velocidad del rotor puede permanecer constante mientras varía el paso. Esto significa que el dron tiene que acelerar o ralentizar constantemente sus rotores, no puede volar en ninguna actitud dentro del espacio 3D y no puede descender más rápido que la caída libre.
¿Por qué no tenemos drones de lanzamiento colectivo? Ha habido intentos como el Stingray 500 3D Quadcopter, pero la complejidad y el costo de dicho diseño lo limitan a aplicaciones especializadas.
Fácil de volar, no vuela fácilmente
Los drones multirrotor como el DJI Mini 2 son maravillas de la ingeniería y la tecnología informática . Solo pueden volar debido a la convergencia de varias ciencias y tecnologías, todo para que pueda obtener algunos clips increíbles de vacaciones. Ahora, la próxima vez que saque su dron a dar una vuelta, tendrá un nuevo respeto por lo que el pequeño puede hacer.
