La electrónica de vuelo

La electrónica de vuelo para una aeronave no tripulada.

Si en anteriores páginas se hablaba de los componentes principales de un UAV, cabe hacer especial hincapié en el apartado de toda la electrónica que rige el funcionamiento de un drone.

Empecemos por la parte más importante, el corazón de todo UAV.

La controladora de vuelo.

En general suelen tener todas una estructura similar y unos componentes más o menos sofisticados, pero en general, cuentan con:

  • Acelerómetro para poder medir la propia “inercia” de los movimientos.
  • Giróscopo para poder medir la velocidad angular de los cambios de posición.
  • Magnetómetro utilizado como una brújula que permite saber en todo momento la dirección a la que apunta el drone.
  • Sensor barométrico empleado para conocer con una precisión asombrosa la altura real de vuelo.
  • GPS para poder conocer las coordenadas exactas en el espacio del drone (incluida la altura) y poder desplazarse de forma autónoma.
  • Un procesador lo suficientemente potente como para realizar las máximas lecturas y operaciones por segundo en base a todos los datos que recibe (que no son pocos)

Con la combinación de todos esos componentes electrónicos, se consigue tener suficiente información del medio para poder tomar las decisiones correctas sobre los actuadores que deberán hacer posible el vuelo.

En esta página vamos a analizar con detalle una de las controladoras de vuelo más populares y potentes que existen en el mercado a día de hoy (y repito, a día de hoy), la Pixhawk.

Pixhawk Controladora de Vuelo

 

Esta controladora posee un procesador de 32 bits ARM Cortex M4F capaz de realizar unas asombrosas 252MIPS a 168MHz. Adicionalmente, incorpora un coprocesador de emergencia redundante también de 32 bits. La alimentación se puede realizar desde el conector Power, desde el bus de entradas y salidas o desde el conector USB con un funcionamiento redundante. Se pueden tener todos conectados al mismo tiempo y conseguir mayor tolerancia ante faltas de tensión en alguna entrada.

En cuanto a los sensores, cuenta con:

  • Acelerómetro de seis ejes con 14 bits de resolución.
  • Giróscopo con 16 bits de resolución.
  • Barómetro con una precisión mayor a 50cm.

En cuanto a comunicaciones y puertos de entrada y salida tenemos:

  • 5 puertos serie (dos de ellos con control de flujo por hardware).
  • 2 Puertos CAN Bus
  • Puerto Spektrum DSM Satellite
  • S.BUS I/O
  • Entrada de radio tipo PPM
  • RSSI (mediante PWM o tensión)
  • 1 puerto I2C
  • 1 puerto SPI
  • Entradas analógicas
  • 8 salidas de motor (PWM)
  • 6 entradas/salidas auxiliares digitales
  • Puerto microUSB y microSD

 

Las conexiones en la controladora son las siguientes:

Imagen ilustrativa de pixhawk.org

Imagen ilustrativa de pixhawk.org

 

Como detalles importantes destacar lo siguiente:

  • El pinout de los puertos serie Telem1 y Telem2 es:  [+5v; Tx(3.3v) ; Rx(3.3v) ; CTS ; RTS ; GND]  (Contando que el cable DF13 tiene el color rojo en el pin1, es decir en +5v)
Los puertos serie trabajan al igual que el resto de la electrónica interna con señales de 3.3v, pero son compatibles con entrada de serie a 5v como la que emplea la radio de telemetría de 3DR, por lo que no hay que preocuparse de dejar frito el puerto al conectar un dispositivo a 5V. Eso sí, los puertos TX de la Pixhawk son siempre de 3.3V y el dispositivo que conectemos debe ser capaz de disparar los flancos a esa tensión.
  • El pinout del puerto GPS es: [ +5 ; Tx(3.3v) ; Rx(3.3v) ; CAN2TX ; CAN2RX ; GND ]
  • El pinout del puerto Serial 4/5 es: [+5 ; Tx4(3.3v) ; Rx4(3.3v) ; Tx5(3.3v) ; Rx5(3.3v) ; GND ] (usados para conectar por ejemplo un OSD)
  • El pinout del puerto I2C es:  [+5 ; SCL(3.3v) ; SDA(3.3v) ; GND ]

Sensores externos:

GPS

La unidad GPS es la encargada de transmitir información sobre la posición en el planeta a la controladora de vuelo. Dicha conexión se realiza mediante un protocolo de comunicación serie estandarizado conocido como NMEA. Basta con conectar correctamente la unidad de GPS a la controladora (teniendo en cuenta como siempre que los conectores Tx van a Rx y viceversa en ambos dispositivos).

Cualquier módulo GPS con salida tipo serial puede emplearse para el control del vuelo, pero los más habituales son dos modelos de la compañía uBlox. Concretamente los uBlox NEO-6M (más barato pero algo menos preciso) y el uBlox LEA-6T (más preciso pero bastante más caro).

Una unidad GPS NEO-6M quemada "made in home" por conectarla a 12 voltios por error.

Una unidad GPS NEO-6M quemada “made in home” por conectarla a 12 voltios por error.

Aquí os dejo un vídeo para configurar correctamente un GPS y dejarlo preparado para comunicarse con una controladora de vuelo.

Configurar módulo GPS

 

Magnetómetro

Magnetómetro HMC5883L

Magnetómetro HMC5883L

 

Emplear un segundo magnetómetro independiente del de la controladora de vuelo nos permite principalmente una ventaja: alejarnos todo lo posible de la batería, cables de distribución y ESCs causantes de las interferencias que pueden traernos más de un dolor de cabeza. Sin entrar en muchos detalles para explicarlo, la corriente contínua que circula por los cables de distribución en grandes cantidades ( hablamos de drenar de la batería en algunos multicópteros hasta 80 amperios) es tal que el campo magnético que genera puede causar graves problemas en el magnetómetro, que usa el campo magnético de la tierra junto con la información de declinación (gracias al GPS) para saber dónde está el norte.

¡Típico error de novato! intentar solventar el problema de interferencias en el “mag” (ver gráficos más abajo) usando papel de aluminio o cualquier otro “metal” a modo aislante de interferencias electromagnéticas. Un consejo, revisar bien los conocimientos sobre magnetismo y electromagnetismo. No es lo mismo corriente contínua o de muy baja frecuencia que corriente alterna. Sólo podríamos evitar la interferencia generada por nuestros cables mediante un Mu-metal (carísimo), a costa de perder también el magnetismo de la tierra, por lo que tampoco es una solución.

En el siguente gráfico se observa como con los cambios en el acelerador (línea verde) el valor de mag_field (en rojo) cambia más de un 30% de su valor original, lo cual puede causar problemas tan comunes como desviación en la orientación o el famoso “toilet bowl” o movimiento en espiral en modo Loiter

 

mag_field vs Acelerador/Corriente

mag_field vs Acelerador/Corriente

 

El mejor consejo que puedo dar, es montar el magnetómetro en una posición elevada, lo más alejado posible de cualquier objeto metálico o por el que circule corriente.

 

GPS-Mag

 

Batería

La batería es uno de los elementos electrónicos que más cuidadosamente se debe elegir. Principalmente se emplean baterías de LiPo y las tensiones que ofrecen junto con su capacidad y peso es la elección que cada cual debe hacer.

Distintas baterías de LiPo con capacidades de 5000mAh, 4000mAh, 2200mAh y 850mAh respectivamente

Distintas baterías de LiPo con capacidades de 5000mAh, 4000mAh, 2200mAh y 850mAh respectivamente

 

Batería: Tensión nominal ó “celdas”

Por norma general, para multirotores es conveniente decantarse por unas baterías de 3S, 4S, 5S ó 6S. La letra “S” indica las celdas en serie, sabiendo que cada celda tiene una tensión nominal de 3.7v obtenemos tensiones nominales de 11.1; 14.8; 18.5; 22.2 voltios respectivamente. Lo idóneo es emplear una batería con la mayor tensión posible para reducir la corriente necesaria y por tanto obtener una mayor eficiencia. El problema está en la electrónica de los controladores de motor y los propios motores, que son pocos los preparados para trabajar por encima de 4S y sus precios se disparan. Para multicópteros no profesionales, lo normal es trabajar en el rango de 3S o 4S donde la electrónica y motores tienen un precio razonables. En el caso de aviones, la norma general es trabajar con 3S o incluso 2S en algunos casos.

Batería: Capacidad ó “mAh”

Sencillamente, cuanta más capacidad más autonomia, ¿no?. Pues no. Resulta que en el caso de las aeronaves, el peso de la propia aeronave, la eficiencia de los motores y hélices, ESCs, y muchas otras variables hacen que la elección de la capacidad de la batería deba ser algo razonado. Me explico:

Supongamos que tenemos un quadcopter con una batería 3S 4000mAh que tiene una autonomía de 10 minutos de vuelo. Si añadimos otra batería igual en paralelo obtenemos un quadcopter con una batería total de 3s 2P 8000mAh ¿debería volar aproximadamente 20 minutos? Pues lo normal es que no pase de los 15 con suerte.

La explicación a este fenómeno está en el peso. Añadir más capacidad no siempre resulta productivo si se mantienen constantes el resto de características de la aeronave. A mayor peso, mayor consumo de energía y por tanto llega un momento en el que añadir más baterías (es el elemento más pesado de la aeronave) puede resultar contraproducente.

La mejor forma de encontrar el “punto dulce” donde capacidad y autonomía son óptimos lo he encontrado en este fantástico simulador, que siendo realistas, es sorprendente la capacidad y exactitud que tiene para obtener estimaciones de tiempo de vuelo: Simulador

ESC

Los motores que utilizan este tipo de aeronaves no son motores de corriente contínua “normales”. Como el sistema exacto de funcionamiento es bastante complejo de explicar en una línea, Google es vuestro amigo para aprender más de los motores brushless.

La cuestión es que necesitamos convertir la corriente contínua de la batería con una tensión “constante” a una fuente de tensión variable y de sentido reversible por cada polo del motor. Puede parecer algo complejo de entender, pero vuelvo a repetir, es cuestión de buscar información sobre cómo funcionan los motores de aeromodelismo (o brushless en general).

El dispositivo electrónico responsable de realizar dicha conversión es el llamado controlador de motor, controlador de velocidad de motor o simplemente ESC (de sus siglas en inglés Electronic Speed Controller) y tiene una apariencia similar a esta:

ESC

 

Las características que nos interesa conocer de un ESC es su amperaje máximo y su tensión de entrada máxima.

Para multirotores los amperajes normales van desde los 25 a los 40 amperios (en aeronaves de un tamaño normal).

Para aviones de ala fija son normales valores desde 10 hasta 100 amperios (es algo muy dependiente de lo grande que sea el avión o los motores que lleve).

En cuanto a la tensión máxima de entrada, los valores más habituales son ESCs que permiten baterías de 4S como máximo, disparándose algo el precio para los que soportan baterías de 5S y 6S. Pero recordemos que a mayor tensión de la batería, menor será el valor de amperios para mover la misma masa… “P=V*I”

Motores

Los encargados de transmitir la energía necesaria a las hélices para sustentar la aeronave.

Motor UAV Brushless

 

Las características más importantes de un motor brushless como estos son:

  • Tensión máxima de entrada: viene determinada por la batería y se suele indicar en voltios o en “S”
  • Velocidad o “Kv”: es la velocidad a la que consiguen girar dada una tensión. Se mide en 1000Rev/Voltio. Por lo tanto, un motor de 1000Kv girará a 2000RPM con una tensión de entrada de 2v.
  • Amperaje máximo: viene relacionado con la potencia máxima que desarrolla.

Como recomendación, volviendo al hilo de la recomendación de las baterías, lo interesante es conseguir un motor, en el caso de los multicópteros, con los menores Kv posibles acompañados con una batería de la mayor tensión posible. Con esto conseguimos grandes velocidades con poco amperaje, permitiendo así cables más finos y menos peso.

Encontrar la relación perfecta entre el peso de la aeronave, los motores, la batería y las hélices es todo un misterio y aquí juega un papel fundamental la capacidad (sobre todo económica) que tengamos para probar todas las combinaciones posibles.

Como ejemplo, para una misma aeronave (un quadcopter) con una batería de 3S, las dos combinaciones equivalentes con las que se consigue un vuelo estable son:

  • Motor de 1000Kv con hélices de 10×4.5″
  • Motor de 850Kv con hélices de 11×5″

En la página dedicada a la mecánica se explicará con más detalle la relación entre el tamaño de las hélices y los motores.

 

Carlos EscuraLa electrónica de vuelo