Construyendo mi propio drone

Próximamente compraré un controlador llamado Ardupilot que agrega muchas más funciones para un vuelo autónomo, aunque existen muchas otras marcas y precios les recomiendo buscar información sobre ellas ya que es prácticamente un post aparte, pero esto es solo un guiño: NAZA de DJI, Pixhawk de 3DR y Ardupilot, para vuelo autónomo asistidos por GPS y otras tarjetas como KISS, CC3D o NAZE32 para drones de carrera o genéricos.

Un marco debe tener ciertas características sin importar el drone, debe ser: resistente, ligero y fácil de reparar.
Cuando ya se trata de un tipo de drone determinado debe ser de acuerdo al caso, un drone para FPV busca ser muy resistente, ligero y relativamente pequeño, preferiblemente fibra de carbono.
Llegan a tener entre 30 y 50 cm de diagonal de motor a motor y un peso de 100-200 gramos.

Para otros drones cambia mucho dependiendo del peso que se quiera levantar (cámara) y variantes como la cantidad de motores que se le montarán 4 quadcopter, 6 hexa, 8 octa y formas comúnmente X, (checar F450 y F550 de DJI) pero existen muchas configuraciones como: +, Y, T, H. así que es todo un libro de opciones, en mi caso como me basé de un frame un tanto peculiar que diseñaron en TBS.

El original utiliza el frame como distribuidora de energía, pero yo sacrifico eso por menos peso ya que compré un cuadro con la parte central de fibra de carbono, las patas son cierto estándar para drones basados en los F450 y F550.

Mi marco tiene un peso aprox. De 330 gr. Y con un costo de 17 dlrs suerte para mí que el precio regular es cerca de 35 dlrs.

Hay como todos los demás elementos una gama muy alta de opciones, pero queriendo hacer esto un poco más simple que otros posts nos podemos basar en las recomendaciones que se hacen para el tipo de drone que queremos.

Para saber un poco sobre estos motores y elegir uno depende a nuestras necesidades me gustaría explicar algunos puntos, estos motores son llamados brushless (sin escobillas) como los que tienen los discos duros de platos, el propósito de estos es girar rápidamente sin tener mucho torque así que es un punto a tomar en cuenta.
Cuánto pesa nuestro drone para identificar los motores que se utilizan ya que si ponemos hélices muy grandes o simplemente no adecuadas a ese motor podrá quemarse o no funcionar nada más, como mencioné existe cierto estándar o patrón para elegir motores que lo hace más sencillo.

Si queremos un drone para FPV que son muy rápidos y ligeros necesitamos motores que giren muy rápido y si queremos un drone más estable, y que vuele durante más tiempo necesitamos motores que giren lento. A esta característica se le llama KV que son las revoluciones por minuto por volt aplicado o rpm/v.

Si nosotros queremos un drone rápido y ágil necesitamos motores de muchos KV que pueden ir desde 2000KV a 2700KV cambia depende de gustos y las mismas recomendaciones del frame que compramos, para el caso contrario con drones grandes se necesitan pocos KV de 1500 a 500KV claro hay más variantes pero esos son rangos comunes, algo a tomar en cuenta es que a menos KV más estable y más duración de vuelo pero también más costo y consumo de corriente (requieren más Amperaje para proporcionar más torque).

Para mi drone utilizo la recomendación del cuadro que va de 1200 a 600 KV, yo utilizo de 920 KV y también el frame indica el tipo de motores que se refiere a la distancia entre tornillos para anclarlo al frame, es un dato un poco estándar también para evitar confusiones.

Existen motores con giro CW y CCW (clockwise / counter-clockwise) pero no en todos motores es importante porque tiene que ver con la tuerca si es normal o inversa con la que se ajusta la hélice y no salga volando. El funcionamiento del motor es el mismo en ambos casos, solo la tuerca cambia.

Su costo aproximado es 25 dólares por los 4 y un peso de 53 gr c/u.

Nota: los drones siempre sin excepción tienen que tener los mismos motores, marcas diferentes o hasta fabricantes diferentes alteran los KVs de cada motor y necesitan ser estrictamente iguales.

Estos elementos (uno por cada motor) son la etapa de potencia en el drone, la controladora envía pulsos que hacen girar los motores a distintas rpm pero por si misma no puede alimentar el gran consumo de los motores así que el ESC se encarga de interpretar los pulsos y hacer que los motores giren tomando la energía de la batería y no de la tarjeta, constan de un microcontrolador y transistores para switchear la energía.

Basándonos en los motores que hemos elegido con los ESC será fácil solo necesitamos ciertos puntos, como el amperaje que tienen que soportar, que tiene que ser por encima del máximo del motor, por ejemplo: un motor para FPV consumirá de manera no constante pero será poca corriente así que es común los ESC de 15 A
Subiendo el peso del drone sus motores consumirán más y pueden ir desde los 20 A hasta 60 A fácilmente, otro factor a tomar en cuenta pero igual lo determina el motor es el voltaje que trabajan comúnmente de 2 a 4 celdas se explicará más abajo.

Último punto importante es el BEC o battery eleminator circuit, en los mismos 3 cables que se envía tierra y señal también se recibe voltaje de 5 volts que como lo dice el nombre es un eliminador de la batería a 5 volts que sirve principalmente para alimentar la controladora, es algo para tomar en cuenta cuando la controladora lo especifica si no tiene otro lugar de alimentación pues necesita los 5v de los ESC.

De ahí en más hay otros detalles que se necesitan si se busca respuesta más rápida o protecciones para sobre voltaje, pero de manera común solo se eligen por esos factores, y como con los motores, los ESC deben ser iguales de lo contrario sus velocidades de respuesta no son iguales y traerá complicaciones.
Yo elegí un pack que venía con motores y ESC y me ahorraba mucho trabajo y son de 30 A con un peso de 28 gr cada uno, el precio por separado de los 4 ESC es aprox. 24 dlrs.

También un trabajo sencillo por la información del motor comúnmente proporcionado en la misma etiqueta, el tamaño de propelas, cuando hablamos otra vez de los drones de FPV suelen tener hélices pequeñas y entre más grande el drone más grandes las hélices. Hay dos números proporcionados en la medido y son estos: XX: YY, XX la longitud en pulgadas de la hélice y YY es el pitch o paso de la hélice. El paso de hélice es la distancia que recorre una hélice en una vuelta completa.

La opción óptima para una hélice es a prueba y error, aunque ya hay cierto estándar o recomendación para los motores, pero cambia dependiendo de gustos.
Si se exagera con las medidas de las hélices los motores no podrán soportar el torque que se requiere y se terminarán calentado y quemándose.

Algo sumamente importante es que por lo general vienen en pares como CW y CCW giro con sentido horario y anti horario esto es muy importante puesto que esto hace volar al drone, las propelas no tienen la misma forma simplemente invirtiéndolas, están construidas de manera diferente.

Hay que tener en cuenta que se tienen que comprar una cantidad de repuesto bastante considerable pues son delicadas y lo primero que se rompe cuando cae accidentalmente el drone o en el caso del FPV cuando chocas, es muy común así que es mejor tener muchos repuestos.

Para que logre volar el drone, cuando se habla de un cuadricóptero tiene que tener la siguiente configuración:

Cabe mencionar algo que causa muchas dudas por ejemplo en mi caso es el sentido del giro de las hélices es distinto del giro del motor, esto es lo que hace que la hélice no salga volando o se afloje la tuerca.
Ósea el giro de una hélice será CCW el motor será CW para cuando el motor gire la tuerca en vez de aflojarse se apriete más.
Las hélices deben de ser compatibles con el motor en las medidas, pero también en la tuerca o agujero que se acomode bien y no quede suelta es algo en que fijarse al comprar hélices.

Y último punto a tomar en cuenta es que las propelas deben estar balanceadas que es un proceso sencillo y dura pocos minutos, pero ayudan mucho para que el drone vuele con suavidad evitando vibraciones. Hay muchos vídeos en línea que explican como hacerlo.

Es el componente que alimenta todo el sistema, son varias las características para elegir una batería pero antes un poco de que es, estas son baterías LiPo o polímero de litio, estas baterías están compuestas por una cantidad determinada de pilas o como se le llama comúnmente “celdas” o “S” cada celda tiene un voltaje nominal de 3.7 volts, las baterías LiPo son sumamente delicadas puesto que una sobrecarga, una descarga grande o un golpe o perforación pueden llegar a que la batería quede inservible y no sólo eso pueden llegar a explotar e incendiarse.

Su descarga mínima es buena considerarla como 3.3 o 3.5 volts, cuando la batería llega a 3 v es difícil recuperarla y es probable que se dé como perdida esa celda y su voltaje máximo es 4.2 v superando este voltaje también puede llegar a resultar dañada la batería.

Teniendo en cuanta estas precauciones estas celdas en conjunto darán una batería de varias celdas sumando sus voltajes en serie 1S 3.7v, 2S 7.4v, 3S 11.1v, 4S 14.8v, etc.
Que depende de nuestro drone cual usaremos, los motores por lo general trabajan con 3 o 4 celdas, otro factor es su capacidad en Ampere/h y no es tan fácil suponer que a mayor capacidad en la batería más durará en vuelo nuestro drone, que tenga más capacidad hace que sea más pesada así que se tiene que llegar a un punto medio.

Otra característica que tienen estas baterías es su descarga de energía determinada por la letra “C”, esto es la diferencia entre las baterías de nuestros celulares y estas LiPos, cuando en un celular la descarga es de 50-200mAh, nuestra C determina nuestra descarga que es el amperaje de la batería por ese factor C (proporcionado por el fabricante), en un ejemplo: 4500 mAh o 4.5A /h x 45C = 202 A /h de descarga.

Entendiendo ya estas características podemos elegir la batería basándonos con la opinión del vendedor y cumpliendo nuestras necesidades si nuestros ESC tienen la capacidad de proporcionar 30A a nuestros motores nosotros tenemos que sobre pasar eso con nuestra batería por 4, 4 ESC’s 4 motores, 30A x 4 = 120 A y mi batería tiene una descarga de 202 A estamos en un rango muy seguro para utilizar esa batería. Yo utilizo una batería de 4S o 14.8v, 45C y 4500mAh.

Este es un elemento esencial si es que nosotros queremos controlar nuestro drone, hay una infinidad de controles o comúnmente llamados transmisores y ahí si depende del dinero que queramos invertir en este elemento, este aparato lo podemos utilizar en diferentes aparatos distintos drones, aviones o carros, solo teniendo varios receptores y solo un transmisor, así que hay que tratar de invertir en un buen control.

Para un transmisor común necesitamos 4 canales que son los necesarios para controlar el drone Pitch, Roll, Throttle y Yaw.



Pero en un drone por lo general controlaremos otras cosas switches, cámaras, luces o modos de vuelo así que es necesario mas canales en el transmisor, uno por cada acción extra que queramos, por eso es muy recomendable adquirir un control con mas de 4 canales, quizá 6 y si tienes mas dinero para poder comprar uno mejor es lo mejor.

Este es mi control de 6 canales y lo utilizo con una LiPo que me da la energía suficiente para varias horas de uso. Con un costo aprox. de 50 dlrs.

Estas tarjetas pueden ser muy básicas como la mía en la que su única función es distribuir la energía de la batería a los ESC’s, pero hay otras que contienen muchos elementos que yo tengo por separado: convertidores DC-DC y alarmas de bajo voltaje, pero esta simplemente cumple su propósito básico.

Como lo mencioné es muy importante conocer el voltaje de nuestra LiPo porque son muy delicadas así que necesitamos una alarma sonora para darnos cuenta rápido del bajo voltaje, es un elemento barato y muy útil.

Estos elementos se encargan de bajar el voltaje de la batería ya sea de 3 o 4 celdas a solo 5 o 12 volts regulados pueden ser simplemente reguladores o convertidores pero su propósito es ese tener un voltaje regulado para distintos elementos en el drone que no soportan los 11.1 o 14.8 v de nuestras baterías.

No podemos ir muy lejos con un drone si no sabemos a dónde vamos en vivo así que necesitamos una cámara con una lente un tanto amplio y una definición no muy grande para no tener mucho retraso, esto es especialmente importante con los drones de carrera ya que en una fracción de segundo de delay cambia si choca el drone o esquiva el obstáculo, con un drone para fotografía no es tan importante el delay pero hace que nuestra señal sea menos intermitente y para grabar en HD solo montamos la cámara en el drone pero sin poder ver en vivo lo que estamos grabando.

La cámara HD utilizada es una cámara deportiva Xiaomi Yi para el que no la conocia tiene las mismas dimensiones que una GoPro y con la misma calidad de imagen pero mucho menos costosa graba a 1080p y 60 FPS con un costo de 73 dlrs.

También se puede transmitir en vivo con esta cámara pero solo que con mucho delay.

O Tx y Rx, Al contrario del control estos elementos transmiten en la banda de 5.8GHz para no interferir con la señal del control, también hay mucha variedad de elementos, pero sólo cambian su tamaño y la potencia de transmisión, pero la mayoría funcionan de la misma manera con cerca de 32 canales.

El problema con estas antenas es algo muy simple su polarización debe ser lineal digamos que tienen que estar las antes paralelas para recibir una señal buena y constante lo que lo hace difícil con un drone que estamos haciendo giros y cambiando su polarización.

Las antenas de polarización circular omnidireccional

Comúnmente llamadas de trébol por la forma que tienen son muy útiles para nuestro propósito y mayormente usadas en FPV ya que al tener una irradiación de potencia en muchos ángulos es más difícil que la señal se pierda, existen dos variantes con polarización a la izquierda y a la derecha, es importante no mezclarlas.

Estas son las que utilizo yo, cambia las que vienen por default y estas no son muy costosas y dan muy buenos resultados:

Antena de polarización circular direccional

Estas antenas en palabras simples mejoran nuestro rango de vuelo poniéndolas siempre en el receptor, pero solo en un ángulo determinado, se pueden usar trackers para así mejorar el alcance y variar nuestro ángulo, pero se utilizan en casos especiales en que el vuelo tiene que ser de manera remota superando el kilómetro de distancia.

Antena plana direccional
Estas antenas se usan en el receptor y son de alta ganancia de alrededor de 14dbi mientras que de trébol por ejemplo son de 3 o 2 dbi’s, también mejoran nuestra recepción considerablemente.

En resumen y en relación por precio y resultados yo elegiría quedarme con antenas de trébol ya que es un buen rango y aceptable eficiencia ya queda ser un poco más experto buscando combinaciones de antenas, pero es una buena manera de comenzar.

Nota: es muy importante hacer que estas antenas deben de ser compatibles con nuestro equipo de transmisión de 5.8GHz ya que si ponemos alguna antena de 2.4GHz puede hacer fallar el equipo y obviamente no funcionar, y segundo punto estas antenas tienen diferentes tipos de conexión así que hay que ser cuidadosos de que sean compatibles antenas con los Rx y Tx.

Para poder visualizar en vivo lo que ve nuestro drone es necesario transmitirlo a una pantalla o unas gafas para FPV. Si alguna vez has visto a algún piloto con un drone comercial habrás notado que transmiten de su control a su IPad o Smartphone, pero es porque ellos utilizan conversión de señal analógica a digital, esto hace considerablemente más costosa la transmisión de video y con los pilotos de FPV es raro quien no use gafas comúnmente de la marca Fatshark, estas son muy buena alternativa pero son costosos así que la opción barata es utilizar un monitor analógico que recibe la señal directamente del receptor de 5.8GHz.

(Algunos modelos de pantallas y gafas llevan ya integrado un receptor de 5.8GHz)

Un cargador especial es esencial si queremos alargar la vida útil de las baterías y claro cargarlas de forma segura, estos cargadores son también llamados balanceadores ya que no cargan la batería en total si no que cargan cada celda al mismo tiempo para poder tener una carga balanceada y dar mejor eficiencia a la batería del caso contrario una batería podría estar cargada completamente de dos celdas y las otras dos estar solo a la mitad. Así que es mejor cargarlas de manera correcta ya que puede llegar a ser peligroso, es mejor invertir en un buen cargador-balanceador.

Hay que recordar que el cargador debe ser compatible para el numero de celdas que necesitamos cargar.

El GPS es un elemento importante en los drones que tienen la capacidad de volar de manera autónoma ya que es su manera de posicionarse, para los drones exclusivamente de carreras esto es algo innecesario puesto que no necesitan de volar de manera automática en ningún momento y solo aumentaríamos el peso del drone cuando en un fpv es esencial tener su peso al mínimo, las tarjetas previamente mencionadas como ardupilot o naza son especialmente diseñadas para trabajar con GPS mientras que tarjetas como KISS o CCD3 es casi nulo el soporte que dan, mi tarjeta naze32 es algo intermedio ya que el software que utiliza no es muy avanzado en este aspecto pero tiene funciones como regresar a casa o mantener posición por GPS que resultan ser útiles.

Este elemento sirve para estabilizar la imagen de nuestra cámara HD ya que compensa los movimientos del drone con movimientos de los motores brushless también, pero de bajas revoluciones. Este sistema se conforma de 3 elementos: motores, pueden ser 2 o 3 depende de los ejes que queramos estabilizar, un sensor giroscopio/acelerómetro para detectar los movimientos de la cámara con respecto al dron y una tarjeta controladora que procesa los datos del sensor y manda pulsos a los motores para compensar los movimientos.

En mi caso solo tengo estos 3 elementos, pero como mi dron es un poco singular con respecto a diseños comunes como F450 he decidido imprimir las partes en 3D que conforman el armazón del gimbal, estoy rehaciendo unos diseños para otros drones para que sea totalmente compatible con mi drone.

On Screen Display, este elemento nos proporciona información del drone en tiempo real a nuestra pantalla para tener monitoreo de por ejemplo el nivel de voltaje de nuestra batería, inclinaciones con respecto al horizonte etc. Como ejemplo:

Este elemento no es esencial, pero es bastante útil por ejemplo monitoreando el nivel de la batería cuando nuestra alarma sonora está demasiado lejos para ser escuchada.

Hay una variedad de conectores utilizados en el drone, pero cambian depende la potencia y propósito que lo utilicemos.

Yo utilizo al parecer de los más comunes: JR o comúnmente llamados conectores para servo, son utilizados por lo general de 3 en 3 para tierra, voltaje y señal, son utilizados en los ESC y la controladora, el Rx de del control 2.4GHz etc. Son comunes solo los hembra a hembra.

Otros conectores para media potencia son JST se conforman por un cable con tierra y voltaje, vienen en parejas como macho y hembra y su diseño impide que se conecten de manera equivocada, estos conectores sirven cuando solo requiere voltaje y tierra y es esencial que no se desconecten tan fácilmente.

Para gran potencia se necesita un conector XT60 o T yo utilizo XT60, pero ambos son muy comunes esos conectores también son para voltaje y tierra, pero manejan alta potencia y también tienen un diseño que impide que se conecten erróneamente, esta conexión se usa solo de la batería al tablero de distribución.

Por último, para interconectar los motores, los ESC y el tablero de distribución y no soldar cada componente uno con otro y hacer más fácil el desmontaje y reparación existen los conectores tipo bala (macho y hembra) que manejan también gran potencia existen distintos largos para que coincidan con la potencia que van a manejar, pero es común utilizar como estos de 3.5mm.

El costo total incluyendo elementos como la cámara xiaomi estimaría 400 dlrs. Que es incluyendo todo aseguro, que es poco considerando que la versión original de este drone ronda los 2,200 dlrs. Sin incluir en control que lo subiría a 2,500 dlrs. fácilmente.

El costo de un drone simple sin cámaras y solo lo esencial sería de aprox: 200 dólares.

Para terminar este post como dije antes me basé en un blog que pondré en las fuentes, pero más que eso esta es información de mi experiencia y vídeos en YouTube.

No puedo agregar videos como tal porque serían muchos, pero me gustaría recomendarles unos canales de YouTube qué, aunque están en ingles enseñan todo lo necesario de drones y un poco más desglosado que este post, pero en muchas horas de contenido, si están interesados en hacer su propio drone les recomiendo que se empapen del tema con esos canales y todos los derivados que encuentren es un hobby muy divertido e interesante.

El canal con más información que conozco muy bien explicado cualquier tema.
https://www.youtube.com/user/Painless360

Otro canal que enseña mucho sobre el hobby y no sólo drones muy recomendado.
https://www.youtube.com/user/flitetest

Puedo decirles que yo me divertí más construyéndolo que las pocas veces que lo volé
Y como dije antes, subiré después el post sobre su construcción y las primeras pruebas que le estuve haciendo.

En otros post que noté había mucha gente interesada en diseñar un controlador, esta no es una tarea fácil como un tutorial ya que son muchos conceptos nada sencillos de manejar la forma más sencilla es basándose del código y plataformas que haya hecho otra persona lo digo por experiencia porque en un proyecto intentamos hacer uno con un Arduino y te metes en muchos problemas de equilibrio y compatibilidad de hardware, recomiendo mucho intentarlo si es alguna clase de proyecto pero al ser una nave bastante peligrosa no me atrevería a volarlo lejos con un controlador hecho por mí mismo, es por eso que para hacer un drone se compra un controlador ya hecho que aparte de facilitar las cosas ya está probado para evitar la mayor cantidad de fallas posibles, anexaré un link a una página de YouTube con mucha información y todo lo necesario al respecto.
https://www.youtube.com/user/MacPuffdog

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