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PRÓLOGO
El origen del proyecto surge por la materia de fundamentos de la investigación, que está relacionado a nuestra carrera por ese motivo elegimos el proyecto de “ diseño de un motor que funciona con bio-etanol” por la cual se buscó temas sobre mecánica y electromecanica. El proyecto de un motor , cumplía bastante bien con nuestra necesidad. Dicho tema desbordamos en cuatro principales elementos a investigar, para darnos un amplio concepto del tema en general. Es obvio que para empezar con nuestra investigación debíamos tener las bases principales, por tal motivo la construcción y diseño de un motor era indispensable, donde aprendimos a fondo el funcionamiento de las piezas un motor, para poder diseñarlo, un motor eléctrico, y posteriormente el estudio de Energías para poder encontrar una manera de abastecer a dichos motor. Nuestro trabajo de investigación esta constituidor por los siguientes temas: 1.1 Diseño de drone 1.2 Construccion de drone 1.3 Su centro de energía 1.4 Su funcionamiento La hipótesis general nos menciona que A partir de la investigación del drone que se ha estado realizando en todo este tiempo. el drone deberá ser efectivo en el momento que empiece a volar, solo también si esto cuenta con todo los materiales adecuados para hacer que funcione perfectamente logrando su éxito y teniendo un éxito en la industria de la electromecánica, mecatronica y social y como buena herramienta para el uso de trabajos. Nos hemos basado en la metodología del libro “Diseño dela investigación social”, del autor Francisco Gómez Jara, adaptando cada paso a nuestra investigación.
Un factor en contra fue el tiempo, pues disponíamos de solo un par de meses en este trabajo. Pero el verdadero limitante fue el factor económico pues carecíamos de recursos suficientes para una elaboración completa. Este trabajo se expondrá de manera capitular, tal como nos menciona el libro diseño de la investigación social de cual nos hemos basado. Por ultimo quisiéramos agradecer a las personas que nos apoyaron con sus conocimientos y experiencias. Al ingeniero Julio Dehesa Valencia , que nos asesoró en cuestiones eléctricas y de robótica, y al profesor que imparte la materia de fundamentos de la investigación José Rogelio Bonilla Luna.
INTRODUCCION
velocidad máxima permitida, pero de momento nadie controla ese factor. Lo que comprueba que un motor con ese rendimiento puede sin duda cargar con un peso extra del generador eléctrico. El generador eléctrico es lo suficientemente potente para alimentar la batería, y cuenta con una ligereza que no afecta al rendimiento de motor eléctrico, permitiendo así velocidades optimas en el manejo. Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrica entre dos de sus puntos (llamados polos, terminales o bornes) transformando la energía mecánica en eléctrica. Este dispositivo nos permite convertir esa energía generada por que almacenara en la batería eléctrica. La batería de Litio almacena la suficiente energía para abastecer un motor eléctrico sin escobillas de 250 W. Los motores eléctricos de un drone son alimentados con una batería de 36 v.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
La presente investigación se ha dedicado a precisar la factibilidad de un drone autor recargable. Empezando en primera estancia por el conocimiento previo de un motor eléctrico (Brushless). Tomando en cuenta su potencia y el gasto energético que representaría, todo esto con el fin de poder adaptarle una batería eléctrica que pudiese alimentar sin problemas dicho motor. Esta batería a su vez podría ser cambiada o recargada cuando se agote. Los principales objetivos de investigación como son: la robótica y su mecanismo, drone, tipos de drones, construcción del drone, funcionamiento de un motor eléctrico, batería eléctrica recargable de litio. Han sido cubiertos. Y gracias a ellos hemos podido dar con las principales hipótesis para nuestro trabajo. “Es posible la construcción de un drone con mejoras de vuelo”; con unas baterías eléctricas de gran resistencia, que alimentará al motor eléctrico” Dicha hipótesis nos ha hecho incursionar a profundidad en los principales temas de investigación y hemos concluido que esta hipótesis es posible. Claro que todo dependería de ciertos factores, como son el peso del drone, el peso de sus motores y baterías y entre otros. Sin embargo, hablando de una manera muy general, un motor eléctrico pequeño de autos de control remoto puede fácilmente ser el motor de un drone pero ocupando 4 motores para así hacer elevar al drone. Y sus baterías de gran potencia para así sea duradero el vuelo. Esto haría al proyecto muy eficiente y rentable. APÉNDICES
Archivos privados, públicos y bibliotecas. Pudimos acceder a investigaciones similares de otros investigadores, pero estos estaban incompletos. La información en libros de biblioteca era precisa pero de manera aislada cada componente de nuestro proyecto. Redacción y presentación del informe documental Al investigar cada componente de manera aislada, nos complicó las cosas al redactar un informe completo. Veracidad de los datos obtenidos. Al existir poca información del proyecto, optamos por información poco confiable de internet que después debimos comprobar, cosa que nos retrasó en el proyecto.
- Elaboración y verificación de hipótesis El principal problema es la falta de conocimiento al elaborar la hipótesis, pues carecíamos de métodos de elaboración. Otra que sin duda fue de mayor impacto fue el desconocimiento de métodos para comprobar las hipótesis dadas.
- Cumplimiento en el tiempo programado. El factor tiempo fue y es un gran problema en nuestra investigación ya que el proyecto requería de un lapso más largo.
- Investigación Al carecer de toda información en la elaboración de una investigación, y empezar primero investigando como debe hacerse una investigación, nos ha hecho perder tiempo importante en el proyecto.
- Problemas financieros. Los problemas en los costos de elaboración del proyecto fue el gran limitante del mismo, pues al ser estudiantes sin recursos económicos propios, carecíamos totalmente de este recurso y tal algunas cosas del prototipo no las pudimos obtener.
- Problemas en la presentación del informe final La redacción del informe final, nos presentó el problema de palabras y uso inadecuado del vocabulario, pues bien siempre existió una manera distinta entre ambos investigadores de exponer y presentar los temas de investigación. FUENTES DE INFORMACION O CONSULTA A. F. Ordoñez Martin. Revista ABC_ES. ” robótica ”. Madrid, 2014
DISEÑO DEL DRONE
Funcionamiento y Movimiento de Quadcopter La característica principal del Quadcopter son la disposición simétrica y su rotación asimétrica dos a dos. Esto le permite equilibrarse aplicando rotaciones iguales en los 4 motores, y al mismo tiempo hace calcular los giros. Figura 3: Disposición del Quadcopter Los pares generados por 1,3 y 2, de figura 3 son contrarios y eso auto-estabiliza el Quadcopter siempre y cuando se apliquen empujes de mismo módulo en los 4 motores. De esta manera no se necesita la hélice lateral de un helicóptero, simplificando el cálculo y el diseño. En aeronáutica, las rotaciones que puede ejecutar un aparato según sus ejes se llaman Yaw, Roll y Pitch. En la siguiente figura se puede ver a qué ejes se refiere cada término. Figura 4: Rotaciones del Quadcopter Memoria Así pues las cuatro configuraciones de motores y sus movimientos asociados son: Control del Altitud La posición base es con los 4 motores aplicando el mismo empuje. Con la cantidad total de empuje podemos llegar a 3 movimientos: o Estabilizarse en el aire o Subir altura o Bajar altura Figura 5: Control de Altitud Control del Yaw Para ajustar el yaw se sube el empuje de dos motores opuestos mientras los otros dos se mantienen estables. Figura 6: Control del YAW Diseño y Construcción de un Quadcoptero Control del Roll El movimiento de roll se consigue modificando dos motores opuestos con la misma diferencia, pero en uno se sube y en otro se baja. Control del Roll Control del Pitch El movimiento de pitch se hace de la misma manera que el roll, pero tocando los otros dos motores. Figura 8: Control del Pitch Selección de Materiales Antes de empezar el diseño, hay que tener una idea de los materiales que vamos a poder usar y así poder diseñar siendo conscientes de las características de los materiales que disponemos. Así pues se ha hecho una búsqueda intensiva de materiales para poder construir el Quadcopter,
centrándose en los que nos proporcionará un alto ratio resistencia/peso. Los principales materiales que se han encontrado con este fin son: Aluminio: Es un metal no ferromagnético, y tiene unas propiedades mecánica que lo hacen muy útil en la ingeniería como una baja densidad (2, g/cm3 ) y una alta resistencia mecánica, según que aleación disponga el aluminio se puede llegar hasta los 690 MPa. Además es un material barato y se mecaniza con facilidad. En el mercado se pueden encontrar todo tipos de formas básicas como planchas, barras, varillas, etc. Por otro lado, es resistente a la corrosión, es buen conductor de la electricidad y el calor, aunque en este proyecto no se aprovechen esas propiedades. Figura 9: Barras de Aluminio Fibra de carbono Es una fibra constituida por finos filamentos de 5- 10 μmm de diámetro y compuesto principalmente por carbono. Cada filamento de carbono es la unión de miles de fibras de carbono. Tiene propiedades similares al acero, su resistencia longitudinal esta sobre los 1100 MPa, pero la transversal esta sobre los 50 MPa, y además tiene una baja densidad (1,6 g cm3 ). Pero su principal inconveniente es su elevado coste. Por otro lado, es una gran aislante térmico, conductor de la electricidad, resistente a los cambios de temperatura, y a agentes externos. Diseño y Construcción de un Quadcoptero Fibra de carbono Poliestireno Extrusionado Es una espuma rígida resultante de la extrusión del Poliestireno en presencia de un gas espumante. Su principal propiedad es su bajísima densidad de (0,033 g/cm3 ) pero una baja resistencia (250 KPa), también es un gran aislante térmico. Su principal uso, aparte del aislante, es como protector para choques utilizando un grosor elevado. Es capaz de absorber golpes otorgando muy poco peso. Figura 11: Plancha de Poliestireno Extrusionado Memoria PLA Es un plástico biodegradable derivado de recursos renovables como el almidón de maíz o la caña de azúcar. Sus principales propiedades son una densidad baja (1.25g/cm3) y su resistencia mecánica de 65 MPa. Sus principales uso es como filamento para impresoras 3D. Permite crear piezas altamente complejas usando un software de CAD como Solidworks. Aparte es buen aislante de calor y la electricidad. Pieza imprimida en PLA
tamaño de las hélices. Simplemente es la mitad del ancho, es decir 25 cm. Para dejar un margen para el grosor de la carcasa, se decide usar hélices de 8 pulgadas, 20 cm. El espacio para colocar el hardware es el espacio interior definido por los 4 círculos de 25cm de diámetro. Esbozo Una vez calculado el tamaño de las hélices, se adquirió los motores más baratos que usaran este tipo de hélice, tras consultar el fabricante, cada motor con esas hélices son capaces de levantar como máximo 550 gramos. Es decir el empuje máximo de Quadcopter sería 2200 gramos. Para hacerse una idea de del aspecto el Quadcopter, se modelo mediante un Software de CAD (SolidWorks) varias piezas del Quadcopter y se imprimirá en una impresora 3d para ver la consistencia del modelo y el peso resultante. Tras varias pruebas se vio que el peso se era demasiado. Diseño y Construcción de un Quadcoptero Prototipos de plástico Finalmente se optó por hacer una estructura de aluminio. La principal ventaja del aluminio es que proporciona un alto ratio resistencia/peso, usando el espesor adecuado se puede conseguir una estructura altamente resistente y muy ligera. La estructura final está compuesta por 4 barras de sección 11x7cm de espesor de 2 mm de 18 cm de largo. Las 4 barras están unidas a soporte central en forma de cruz. El soporte central está compuesto por unas platinas que conforman varios niveles para poder situar todo los componentes, un nivel para las baterías y otro para la placa electrónica y el Arduino. La platina superior es de aluminio y resto de platinas de fibra de carbono para intentar minimizar el peso. 5.5 Estructura Final 5.5.1 Chasis El chasis constituye la estructura donde se ubican el resto de componentes. Está compuesto por 3 pletinas, la superior es de aluminio que es quien se encarga de otorgar la resistencia, y el resto está formado por platinas de fibra de carbono para minimizar el peso y están unidas mediante varillas roscadas de métrica 2 mm. Memoria Figura 16: Chasis 5.5.2 Cruceta Está formado por 4 barras de aluminio rectangulares de perfil 11x7mm y de espesor 2 mm huecas por dentro, que es por donde se pasan los cables desde el extremo de las barras al chasis. Además tiene atornillado 4 varillas de aluminio con 1 tornillo de métrica 4 mm, las cuales actúan como tren de aterrizaje. Cada barra está unida al chasis mediante 2 tornillos de métrica 3. Barra de soporte de motor Diseño y Construcción de un Quadcoptero
Soporte de los motores Está formado por 2 pletinas de aluminio circulares pasadas entre la cruceta para reforzar que la sujeción del motor al soporte. Además también sirve de sujeción para el circuito que controla la velocidad de los motores, los ESC. Figura 18: Soporte de los motores 5.5.4 Carcasa La Carcasa es el elemento fundamental para poder aislar las hélices y protegerlas de posibles impactos, y así evitar que las personas cercanas puedan salir heridas. La elección del material de esta parte es crítico, ya que es una parte muy voluminosa y puede conllevar un peso muy elevado. Se fueron probando con diferentes materiales, debido a que la forma de la carcasa es compleja y es difícil determinar que material ofrecerá el mínimo peso con una resistencia aceptable. En total se probaron por orden temporal 3 materiales: Plástico PLA Dado que la carcasa es simétrica solo se tuvo que diseñar en SolidWorks 3 piezas: el soporte central y el exterior del círculo y el soporte interior. Piezas de la Carcasa Memoria Para conformar la carcasa en total se imprimieron 4 soportes centrales, 4 exteriores y el soporte interior. Figura 20: Piezas de la Carcasa en SolidWorks El peso final fue 750 g, un peso que era inaceptable, ya que representaba 34 % del empuje máximo. Fibra de vidrio En un intento de conseguir una carcasa más ligera, se probó a hacer una carcasa de fibra de vidrio usando de molde la carcasa de plástico. Debido a que la fibra de vidrio era muy barata. El proceso de construcción es a base de ir poniendo capas fibra de vidrio y resina, regulando espesor de estas capas se podría conseguir reducir el peso. Pero al poner la primera capa y dejar que se secará, ya pesaba 500 g y era muy débil la estructura. Así que se descartó esta opción. Diseño y Construcción de un Quadcoptero Carcasa de fibra de vidrio. Poliestireno Extrusionado. Finalmente, se decidió usar este material debido a que es muy ligero y que tiene una resistencia aceptable. Se partió de una plancha de 50x50x5 cm, y se pintó el esbozo de la carcasa encima de una cara. Y usando una taladradora sujeta a un soporte, se siguió las marcas del esbozo para hacer los agujeros. Plancha superior de la Carcasa de Poliestireno Memoria Usando otra plancha de 3cm de alto, se marcó el perfil interior de la carcasa y se cortó de la misma forma que la anterior carcasa.
ancho de agujero, el cual nos sirva de apoyo. Dejando la hélice en reposo, está debería quedar en posición horizontal y sin que nada las perturbe. En el caso en que la hélice se incline hacia un lado es indicativo de que la hélice esta descompensada. Para corregir esta desviación, hay varias formas o se añade peso en una pala o se quitar peso de la pala opuesta. La forma más recomendada es limar ligeramente la superficie de la pala que se inclinó hacia abajo. Se debe repetir este operación hasta conseguir que la hélice se mantenga complemente horizontal. Hélice normal, inversa y porta hélices de 3 mm
CAPITULO 2 CONSTRUCCION DEL DRONE
Bases de Diseño
A la hora de diseñar el hardware, las principales necesidades que hay que hacer frente para hacer volar el Quadcopter son las siguientes:
- Determinar qué tipo motor y que características son necesarias - Seleccionar el circuito que controlará los motores. – Determinar cuanta potencia y energía es necesaria. - Determinar qué tipo sensores nos hacen falta para determinar la orientación. – Seleccionar un microcontrolador que sea capaz de comunicarse con los otros y que tenga suficiente capacidad de cálculo para procesar toda la información. En los siguientes apartados se discute cada uno de los componentes del hardware y porqué han sido seleccionados Motores Selección de los motores La primera decisión a tomar es el tipo motor que nos hace falta, básicamente hay de 2 tipos: motores con escobillas o sin escobillas. Los primeros utilizan las escobillas para contactar con el eje de rotación del motor, como consecuencia estas escobillas se desgastan y es ineficiente. En contraposición, los motores sin escobillas (brushless) no tienen conexión física entre las partes eléctricas en movimiento. Así pues, son mucho más eficientes y elimina en gran parte el mantenimiento. Pero tiene un coste mucho más alto. Dentro de los motores sin escobillas existen dos tipos: los outrunner y los inrunner. Los outrunner son motores que están diseñados para trabajar a bajas revoluciones en aplicaciones de alto torque. La disposición de los imanes permanentes en este tipo motores están en la carcasa externa, mientras que el bobinado se encuentra fijo en la bancada. La zona móvil del motor es la propia carcasa. En cambio los motores inrunner están diseñados para trabajar a altas revoluciones, en aplicaciones de par bajo. En este tipo de motor es similar a un motor DC con escobillas, pero los imanes están fijados al rotor. En nuestro prototipo se han usado motores
comerciales que se pueden encontrar solo generan entre 2-3 A, pero una fuente de PC es relativamente barata y es capaz de dar más 15 A (Fuente de 500W), simplemente hay que puentear una conexión para usarlas sin el propio PC. Así que se optó por usar una fuente de PC. Como consecuencia se evita el uso de la batería. Ya que a medida que se usa, su voltaje disminuye y hace difícil garantizar las mismas condiciones para todos los ensayos. Además se le añadío un conector T-Dean a la Fuente PC para alimentar el Quadcopter. Diseño y Construcción de un Quadcoptero: Memoria Se puede observar que hay motores que hacen más empuje que otros. Una posible forma igualar todos los motores seria mediante software. Hacer que el 100% de empuje para el resto de los motores sea el empuje más pequeño de los cuatro motores. Pese a este ligero desequilibrio, el algoritmo de control ya se encarga de absorber esta pequeñas diferencias entre los motores, únicamente ajustándolo conseguiremos una respuesta más estable. 6.3 ESC (Electronic Speed Controller) El ESC es un circuito que se encarga de generar una señal trifásica que alimenta el motor. La velocidad de giro se varía mediante una señal suministrada por el PWM. El ESC seleccionado es una ESC EMAX de 25 A con fin de sobredimensionar con respecto a los 15 A que consume cada motor. Este ESC permite ajustar el rango de PWM a un minino 1ms a un máximo 2 ms, por defecto detecta el 0% de empuje a 1,2ms y el 100% de empuje a 2ms. Figura 32: ESC EMAX 25 A Además incorpora varios tipos de protecciones: - Protección de baja tensión: Ya sea para apagar el motor de inmediato o para bajar la potencia cuando la entrada tensión cae por debajo del umbral de protección programado el motor deja de proporcionar par. - La pérdida de la protección de señal: Se reduce la Potencia automáticamente al 20% o menos cuando se pierde la señal durante 1 segundo, y se reanudará cuando se detecta la señal de nuevo. - La protección del sobrecalentamiento: Cuando la temperatura aumenta hasta por encima de 110 grados Celsius, el potencia es reducida hasta un 35%. Diseño y Construcción de un Quadcoptero
Hardware auto-comprobación: El sistema comprobará por sí mismo cuando la batería está conectada. Cualquier fallo de hardware, provocará 20 sonidos cortos en forma de "Beep".
CAPITULO 3 SU CENTRO DE ENERGIA
