Un quadcopter o quadrotor [1] es un tipo de helicóptero con cuatro rotores . [2]
Aunque los helicópteros quadrotor y los convertiplanos se han volado experimentalmente durante mucho tiempo, la configuración siguió siendo una curiosidad hasta la llegada de los modernos UAV o drones. El pequeño tamaño y la baja inercia de los drones permiten el uso de un sistema de control de vuelo particularmente simple, que ha aumentado en gran medida la practicidad del pequeño quadrotor en esta aplicación.
Criterios de diseño
Cada rotor produce elevación y par alrededor de su centro de rotación, así como también arrastre opuesto a la dirección de vuelo del vehículo.
Los cuadricópteros generalmente tienen dos rotores que giran en el sentido de las agujas del reloj (CW) y dos en el sentido contrario a las agujas del reloj (CCW). El control de vuelo se proporciona mediante la variación independiente de la velocidad y, por lo tanto, la elevación y el par de cada rotor. El cabeceo y el balanceo se controlan variando el centro de empuje neto , con la guiñada controlada variando el par neto . [3]
A diferencia de los helicópteros convencionales, los cuadricópteros no suelen tener un control de paso cíclico, en el que el ángulo de las palas varía dinámicamente a medida que giran alrededor del cubo del rotor. En los primeros días del vuelo, los cuadricópteros (a los que entonces se les conocía como "cuadricópteros" o simplemente como "helicópteros") se consideraban una posible solución a algunos de los problemas persistentes en el vuelo vertical. Los problemas de control inducidos por el par (así como los problemas de eficiencia que se originan en el rotor de cola , que no genera una elevación útil) pueden eliminarse mediante la contrarrotación, y las palas relativamente cortas son mucho más fáciles de construir. Varios diseños tripulados aparecieron en las décadas de 1920 y 1930. Estos vehículos estuvieron entre los primeros vehículos exitosos de despegue y aterrizaje vertical (VTOL) más pesados que el aire . [4] Sin embargo, los primeros prototipos adolecían de un rendimiento deficiente, [4] y los últimos prototipos requerían demasiada carga de trabajo del piloto, debido a un escaso aumento de estabilidad [5] y una autoridad de control limitada.
Esfuerzo de torsión
Si los cuatro rotores giran a la misma velocidad angular , con dos girando en el sentido de las agujas del reloj y dos en el sentido contrario, el par neto alrededor del eje de guiñada es cero, lo que significa que no hay necesidad de un rotor de cola como en los helicópteros convencionales. La guiñada se induce al desajustar el equilibrio en los pares aerodinámicos (es decir, al compensar los comandos de empuje acumulados entre los pares de palas que giran en sentido contrario). [6] [7]
Esquema de pares de reacción en cada motor de un avión cuadricóptero, debido a rotores giratorios. Los rotores 1 y 3 giran en una dirección, mientras que los rotores 2 y 4 giran en la dirección opuesta, produciendo pares opuestos para el control.
Un quadrotor se desplaza o ajusta su altitud aplicando el mismo empuje a los cuatro rotores.
Un quadrotor ajusta su guiñada aplicando más empuje a los rotores que giran en una dirección.
Un quadrotor ajusta su cabeceo o balanceo aplicando más empuje a un rotor (o dos rotores adyacentes) y menos empuje al rotor diametralmente opuesto.
Estado del anillo de vórtice
Todos los cuadricópteros están sujetos a la aerodinámica normal del helicóptero, incluido el estado del anillo de vórtice . [ cita requerida ]
Estructura mecanica
Los principales componentes mecánicos son un fuselaje o bastidor, los cuatro rotores (ya sea de paso fijo o variable) y motores. Para obtener el mejor rendimiento y los algoritmos de control más simples, los motores y las hélices son equidistantes. [8]
Rotores coaxiales
Para permitir más potencia y estabilidad con un peso reducido, un quadcopter, como cualquier otro multirotor, puede emplear una configuración de rotor coaxial . En este caso, cada brazo tiene dos motores que funcionan en direcciones opuestas (uno hacia arriba y otro hacia abajo). [ cita requerida ]
Operaciones
Vuelo autónomo
La configuración del cuadricóptero es relativamente simple de programar para vuelo autónomo. Esto ha permitido experimentos con un comportamiento de enjambre complejo basado en la detección básica de los drones adyacentes. [ cita requerida ]
Resistencia
El tiempo de vuelo más largo alcanzado por un quadcopter a batería fue de 2 horas, 31 minutos y 30 segundos. El récord fue establecido por Ferdinand Kickinger de Alemania en 2016. [9] Al establecer el récord, Kickinger usó baterías de iones de litio de alta capacidad y baja tasa de descarga y despojó al fuselaje del peso no esencial para reducir el consumo de energía y extender la resistencia. . [10]
Se han utilizado fuentes de energía alternativas como las pilas de combustible de hidrógeno y los generadores híbridos de gas y electricidad para extender drásticamente la resistencia debido a la mayor densidad de energía tanto del hidrógeno como de la gasolina, respectivamente. [11]
Historia
Pioneros
El primer aerodino más pesado que el aire que despegó verticalmente fue un helicóptero de cuatro rotores diseñado por Louis Breguet . Fue probado solo en vuelo atado y a una altitud de unos pocos pies. En 1908 se informó que había volado "varias veces", aunque los detalles son escasos. [12]
Etienne Oehmichen experimentó con diseños de helicópteros en la década de 1920. Entre los diseños que probó, su helicóptero número 2 tenía cuatro rotores y ocho hélices, todos impulsados por un solo motor. El Oehmichen No.2 usó un marco de tubo de acero, con rotores de dos palas en los extremos de los cuatro brazos. El ángulo de estas palas se puede variar mediante alabeo. Cinco de las hélices, girando en el plano horizontal, estabilizaron la máquina lateralmente. Otra hélice se montó en la nariz para la dirección. El par restante de hélices funcionó como su propulsión hacia adelante. La aeronave exhibió un grado considerable de estabilidad y aumento en la precisión del control para su época, y realizó más de mil vuelos de prueba a mediados de la década de 1920. En 1923 pudo permanecer en el aire durante varios minutos seguidos, y el 14 de abril de 1924 estableció el primer récord de distancia FAI para helicópteros de 360 m (390 yardas). Demostró la capacidad de completar un curso circular [13] y más tarde, completó el primer vuelo de circuito cerrado de 1 kilómetro (0,62 millas) con un helicóptero.
El Dr. George de Bothezat e Ivan Jerome desarrollaron el helicóptero de Bothezat , con rotores de seis palas al final de una estructura en forma de X. Se utilizaron dos pequeñas hélices con paso variable para controlar el empuje y la guiñada. El vehículo utilizó control de paso colectivo. Construido por el Servicio Aéreo de EE. UU., Realizó su primer vuelo en octubre de 1922. A fines de 1923 se realizaron alrededor de 100 vuelos. Lo más alto que alcanzó fue de unos 5 m (16 pies 5 pulgadas). Aunque demostró factibilidad, no tenía potencia suficiente, no respondía, era mecánicamente complejo y susceptible a problemas de confiabilidad. La carga de trabajo del piloto fue demasiado alta durante el vuelo estacionario para intentar el movimiento lateral.
Era de la posguerra
El Convertawings Model A Quadrotor estaba destinado a ser el prototipo de una línea de helicópteros civiles y militares mucho más grandes. El diseño incluía dos motores que accionaban cuatro rotores a través de un sistema de correas en V. No se necesitó rotor de cola y el control se obtuvo variando el empuje entre los rotores. [14] Volado muchas veces desde 1956, este helicóptero demostró el diseño del cuadrotor y también fue el primer helicóptero de cuatro rotores en demostrar un vuelo hacia adelante exitoso. Sin embargo, debido a la falta de pedidos de versiones comerciales o militares, el proyecto se canceló. Convertawings propuso un Modelo E que tendría un peso máximo de 42,000 lb (19 t) con una carga útil de 10,900 lb (4.9 t) sobre 300 millas y hasta 173 mph (278 km / h). El rotor sin cojinetes Hanson Elastic Articulated (EA) surgió a partir del trabajo realizado a principios de la década de 1960 en Lockheed California por Thomas F. Hanson, quien había trabajado anteriormente en Convertawings en el diseño del rotor y el sistema de control del quadrotor. [15] [16]
El Curtiss-Wright VZ-7 de 1958 era un avión VTOL diseñado por Curtiss-Wright en competencia por el "jeep volador" del Comando de Transporte e Investigación del Ejército de los Estados Unidos. El VZ-7 se controló cambiando el empuje de cada uno de los cuatro rotores del ventilador con conductos.
El Piasecki PA-97 fue una propuesta para un gran avión híbrido en el que cuatro fuselajes de helicópteros se combinaron con un dirigible más ligero que el aire en la década de 1980.
Desarrollos actuales
El concepto Bell Boeing Quad TiltRotor lleva más allá el concepto de quadcopter fijo combinándolo con el concepto de rotor basculante para un transporte militar propuesto de tamaño C-130.
Airbus está desarrollando un quadcopter a batería para que actúe como un taxi aéreo urbano, al principio con un piloto, pero potencialmente autónomo en el futuro. [17]
Drones
En las últimas décadas, el diseño de cuadricópteros se ha vuelto popular para vehículos aéreos no tripulados o drones a pequeña escala . La necesidad de aviones con mayor maniobrabilidad y capacidad de vuelo estacionario ha llevado a un aumento en la investigación de cuadricópteros. El diseño de cuatro rotores permite que los cuadricópteros sean relativamente simples en diseño pero altamente confiables y maniobrables. Continúan las investigaciones para aumentar las habilidades de los cuadricópteros al hacer avances en la comunicación multiplataforma, la exploración del entorno y la maniobrabilidad. Si estas cualidades de desarrollo se pueden combinar, los cuadricópteros serían capaces de realizar misiones autónomas avanzadas que actualmente no son posibles con otros vehículos. [18]
Entre 2005 y 2010, los avances en electrónica permitieron la producción de controladores de vuelo ligeros y económicos, acelerómetros ( IMU ), sistemas de posicionamiento global y cámaras. Esto dio como resultado que la configuración del cuadricóptero se hiciera popular para los pequeños vehículos aéreos no tripulados . Con su pequeño tamaño y maniobrabilidad, estos cuadricópteros pueden volar tanto en interiores como en exteriores. [1] [19]
Para los drones pequeños, los cuadricópteros son más baratos y duraderos que los helicópteros convencionales debido a su simplicidad mecánica. [20] Sus hojas más pequeñas también son ventajosas porque poseen menos energía cinética, lo que reduce su capacidad de causar daño. Para los cuadricópteros de pequeña escala, esto hace que los vehículos sean más seguros para una interacción cercana. También es posible instalar cuadricópteros con protectores que encierran los rotores, lo que reduce aún más la posibilidad de daños. [2] Sin embargo, a medida que aumenta el tamaño, los cuadricópteros de hélice fija desarrollan desventajas con respecto a los helicópteros convencionales. Aumentar el tamaño de la hoja aumenta su impulso. Esto significa que los cambios en la velocidad de la hoja llevan más tiempo, lo que afecta negativamente al control. Los helicópteros no experimentan este problema ya que aumentar el tamaño del disco del rotor no afecta significativamente la capacidad de controlar el paso de las palas.
Debido a su facilidad de construcción y control, los cuadricópteros son populares como proyectos de modelos de aviones de aficionados . [21] [22]
Ver también
- Helicóptero de propulsión humana AeroVelo Atlas (2013)
- Diseño modular
Referencias
- ^ a b Hoffmann, GM; Rajnarayan, DG; Waslander, SL; Dostal, D .; Jang, JS; Tomlin, CJ (noviembre de 2004). "El banco de pruebas de Stanford de aeronaves autónomas para el control de agentes múltiples (STARMAC)". En las actas de la 23ª Conferencia sobre sistemas de aviónica digital . Salt Lake City, UT. págs. 12.E.4 / 1–10. doi : 10.1109 / DASC.2004.1390847 .
- ^ a b Hoffman, G .; Huang, H .; Waslander, SL; Tomlin, CJ (20 a 23 de agosto de 2007). "Dinámica y control de vuelo de helicópteros quadrotor: teoría y experimentación" (PDF) . En la Conferencia del Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica . Hilton Head, Carolina del Sur. Archivado desde el original (PDF) el 13 de agosto de 2010.
- ^ Stafford, Jesse (primavera de 2014). "Cómo funciona un cuadricóptero | Clay Allen" . Universidad de Alaska, Fairbanks . Consultado el 20 de enero de 2015 .
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- ^ Andrew Hobden. "Cuadricópteros: Yaw" . hoverbear.org . Consultado el 3 de abril de 2017 .
- ^ Uriah (13 de abril de 2010). "Helicóptero Wyvern Quadrotor" . Consultado el 29 de diciembre de 2014 .
- ^ Ferdinand Kickinger (2016-04-30), 151min30s FPV with Copter , consultado el 2018-08-26
- ^ Drones SPK. Cómo vuelan los cuadricópteros .
- ^ McNabb, Miriam (febrero de 2018). El fabricante estadounidense Harris Aerial lanza un nuevo dron eléctrico híbrido a gas . Dronelife
- ^ Young, Warren R. (1982). Los helicópteros . La epopeya del vuelo . Chicago: Libros de la vida en el tiempo. pag. 28 . ISBN 978-0-8094-3350-6.
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- ^ "1956 - 1564 - Archivo de vuelo" . flightglobal.com . Consultado el 13 de marzo de 2015 .
- ^ "Patente US3261407 - Sistema de rotor de helicóptero" . google.com . Consultado el 13 de marzo de 2015 .
- ^ Inan, Esin; Kiris, Ahmet (20 de enero de 2007). La Séptima Conferencia Internacional sobre Problemas de Vibraciones ICOVP 2005 . ISBN 9781402054013. Consultado el 13 de marzo de 2015 .
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- ^ "How-To: Quadrocopter basado en Arduino" . HACER . Archivado desde el original el 11 de diciembre de 2011 . Consultado el 29 de diciembre de 2014 .
- ^ "FrontPage - UAVP-NG - El multicóptero de próxima generación de código abierto" . Consultado el 29 de diciembre de 2014 .
enlaces externos
- Laboratorio UPenn GRASP
- Investigación de ETH Zurich sobre cuadrrotores
- Directrices de seguridad de operaciones de aeronaves modelo UAS de la FAA
- TED Raffaello D'Andrea: El asombroso poder atlético de los cuadricópteros