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Teoría y práctica

Vuelo estabilizado

Estabilizadores en modelos de ala fija

El mundo de los drones.-

Popularmente se conocen a los muticópteros con el nombre genérico de drones, un dron realmente es cualquier cosa que vuela sin un piloto a bordo.
En este mundo se han desarrollado y perfeccionado los estabilizadores de vuelo para radiocontrol, un estabilizador de vuelo es un dispositivo complejo compuesto por un microprocesador programado para , de una parte entender las señales que le proporciona un receptor de órdenes procedentes del piloto, de otra para interpretar las señales de los sensores de estabilización, y finalmente calcular las órdenes que debe suministrar a cada uno de los motores para mantener la plataforma en las condiciones de vuelo deseadas, en el caso de un modelo de ala fija , controlar los servos que lo maniobran.
Entre los sensores que portan estos dispositivos se encuentran principalmente los giróscopos, que llamamos estabilizadores de tres ejes, si incorporan además acelerómetros se dicen de seis ejes que son los más habituales.
Para realizar funciones adicionales se suelen equipar con magnetómetros, brújula para entendernos, barómetro, gps, sonar, transponder y un nunca acabar de posibilidades.

Una plaquita de tamaño estandard 30x30 mm.

Algunos términos que entender.-

Los modos.-
Hay una buena colección de términos que se manejan en este mundillo, comenzaremos por los resultados, los modos de vuelo, se puede volar manualmente como se ha hecho siempre, hasta ahora, con estabilización natural , el piloto no percibe ninguna reacción por parte del avión y lo controla normalmente pero... vuela mucho, mejor porque la cajita corrige automáticamente cualquier pequeña perturbación exterior y trata de mantener actitud y trayectoria sin cambios hasta que percibe la acción del piloto, con horizonte el modelo se nivela en el plano horizontal tan pronto como el piloto suelta las palancas de mando, bloqueado al relajar la acción de control el modelo permanece en la última posición y la mantiene si es físicamente posible hasta que el piloto accione de nuevo, este modo es el utilizado en pilotaje 3D, el modo ángulo consiste en no permitir pese a la acción de piloto que el modelo salga de los limites de actitud que se hayan programado, el modo ángulo es muy útil para pilotos sin experiencia que tienen tendencia a sobremandar el modelo y colocarlo en posturas de accidente inmediato, el modo rate limita la velocidad de maniobra del avión y evita evoluciones bruscas más alla de una velocidad angular programada.

Estos son los modos básicos, existen variantes híbridas y más avanzadas que permiten otras comodidades, en los programas de configuración de placas y cajitas os encontrareis con los nombres en inglés de estos modos y sus variantes.
Un modo muy popular sobre todo entre los prcticantes del vuelo en primera persona (FPV) es el RTH, vuelta a casa en castellano que permite al modelo volver de forma autónoma al punto de salida.
No siempre deseamos volar con e mismo modo, en algunos casos sería hasta peligroso, por ello dedicamos uno o varios canales de la radio a seleccionar varios modos diferentes para el momento de vuelo que estemos realizando.

Los PID .- Es el acrónimo de Proporcional, Integral y Derivative, la teoría de estabilización es muy compleja y aparte de sobrepasar el objetivo de este artículo, sobrepasan sobre todo los conocimientos del autor, si os puede ayudar, no obstante el saber que estas constantes se usan en el algoritmo de estabilización, de forma que el modelo responda correctamente a las pertubaciones, el valor debe de ser alto pero si se sobrepasa produce oscilaciones indeseables en el modelo.

Simplificando la cuestión, Proporcional es la respuesta a la perturbación presente, Integral es la respuesta a la perturbación pasada y Derivative es a respuesta a la perturbación futura.

Los programas de configuración permiten modificar estas constantes pero afortunadamente para nosotros proponen unos valores estándard para cada placa que nos facilitan enormemente las cosas, asimismo estas variables se pueden modificar en vuelo, ya sea mediante diferentes modos o mediante un canal de ganancia adicional que puede controlar estos valores, generalmente los tres a la vez.

Presentación comercial de los diferentes estabilizadores.- Estos dispositivos se presentan o bien en cajitas lista para su uso con algunos switches y potenciómetros de reglaje, o bien en cajita y con un terminal de pantalla si son mas sofisticados, pero lo más habitual procedente del mundo de los multicópteros son las plaquitas cuadradas de 30 mm de lado con o sin caja. Estas últimas se empiezan a cualificar por la potencia del procesador y vamos por las F4, se supone que la vieja y honorable multiwii seria una F1, la CC3D sería una F2, las F3 son las que tienen una frecuencia de proceso de 70MHz, y las F4 las de 170MHz.

El firmware.- Es el software, el programa, que controla el sistema, se carga en el microprocesador y se adapta a la instalación de sensores, entradas y salidas específicas de cada estabilizador, generalmente el fabricante de la plaquita nos ofrece un firmware precargado determinado.

Un estabilizador "de cajita" el Hobby Eagle

Los programas de configuración.- Con la excepción de algunas placas comerciales que se manejan con programas de configuración "propietarios" la mayoria de placas y programas son "open source" y son los que a nosotros realmente nos interesan. Entre los más conocidos están BetaFlight, CLeanflight, Inav, Libre Pilot, cada uno de ellos controla una familia de plaquitas determinada y ofrece firmwares compilados para cada una de ellas, generalmente más modernos que los precargados por razones obvias.

Prácticamente sin excepcion estos estabilizadores llevan un puerto USB del tipo teléfono para permitir su programación y configuración.

Receptores, configuraciones de control.- Los receptores han utilizado desde la época vintage la modulacion de pulsos posicionales, consiste básicamente en un señal en forma de tren de dientes rectangulares que corresponde cada uno a un canal, el receptor los separa y dirige cada uno a su servo correspondiente. Si cada uno de estos canales los conectamos cada uno con un cable en la placa estabilizadora tenemos lo que se llama una entrada PMW

Pero los receptores pueden suministrarnos la onda completa por un solo cable y a eso le llamamos una entrada PPM.
Existe una forma mucho más moderna de suministrar a información a la placa estabilizadora, que es el SBUS, la información llega a la tarjeta en forma de información digital, canal-valor, canal-valor....

Prácticamente todas las placas estabilizadoras son capaces de recibir las entradas de estas tres maneras y alguna variante más de estas.
Lógicamente son preferibles por simplicidad de instalación las conexiones de un solo hilo, y en casos de querer gran rendimiento la opción preferible es el SBUS.

PMW, traducido: modulación por ancho de pulso Este ancho de pulso es el que el receptor recibe de una forma u otra para cada canal y que suministra de cualquier forma a nuestra plaquita, tiene unos valores estandard que conviene recordar: máximo 2.000 microsegundos, minimo 1.000, neutro 1.500, no todas las radios respetan estos valores , conviene ajustarlos , sobre todo el neutro debe conseguirse ya sea con trim o subtrim lo más exacto posible

Canal de emisor, canal de receptor, canal de entrada, canal de salida.- No nos confundadmos decir canal es genérico y por ello impreciso y abocado a errores. El canal del emisor y el receptor suelen coincidir aunque no siempre.

El canal de entrada es el que se establece entre receptor y placa estabilizadora, suele llamarse por su función, roll=alerón, pitch=elevador, yaw=dirección (alabeo, cabeceo y guiñada en ortodoxo).
Cada canal de salida se conecta a cada servo o al regulador del motor eléctrico en su caso.

Un caso práctico REAL.- Tenemos un ala volante muy popular, la Zagi motorizada con con unos 200W que es una potencia bastante alta para este tamaño de 1200 mm. la hemos equipado con material muy asequible una tarjeta CC3d con caja y un receptor con salida PMW y PPM, estos materiales son muy asequibles, si los preferís mas costosos hay opciones, el programa de configuración sera LibrePilot.

Antes de instalar el estabilizador hay que asegurarse de que nuestro modelo vuele correctamente en condiciones normales, estabilizar algo que vuela mal puede llevar a resultados impredecibles y peligrosos.

Para configurar, se requiere el receptor conectado por su salida PPM conectado al canal de entrada 1 de la CC3D, por ello en la pantalla de harware elegimos la opción PPM+noOneShot (One shot es una opción especial en multicópteros)

Por razones prácticas conviene respetar las configuraciones por defecto, la placa debe colocarse en sentido de vuelo y horizontal, aunque se podria colocar en cualquier posición, los canales preconfigurados deben respetarse, todo ello nos ahorrará esfuerzos mentales a la hora de configurar el sistema.

Todos los programas de configuración tienen un Wizard , un asistente para preconfigurar el modelo que necesitemos.
Para alas volantes, el LibrePilot permite elegir libremente cada canal de salida pero es obligado definirlos aunque no se usen, es el caso de la dirección, si no se define no nos deja salvar la configuración, con nuestra configuración y ya que el receptor lo permite conectamos el motor al canal 1 del receptor, hacerlo a través de la placa no nos aporta ninguna ventaja y sí alguna molestia, así que lo conectamos directamente al receptor.

Acontinuación en los reglajes de amplitud y neutro de los canales de entrada, lo más importante fijar el neutro en 1.500 microsegundos. Fijamos también que canal va a controlar los modos de vuelo, en este caso con un interruptor de tres posiciones especificamos tres modos que serán Rattitude (Natural+horizonte), manual y Axis Lock (Bloqueadol)
Las posiciones del canal de modo se corresponden con un modo de vuelo, los modos se corresponden con un banco de variables y a su vez con una configuración de estabilidad concreta para cada eje, las posibilidades son mareantes, para un vuelo básico se puede siimplificar bastante como se ha hecho en este caso práctico. Aquí se ajustan los famosos PID.
Reglajes de los canales de salida hacia los servos, los valores normales son 1.000/1.500/2.000 microsegundos
Attitude es el horizonte virtual que queremos en nuestro modelo, generalmente volara con un cierto ángulo de ataque , en nuestro caso 5º , el estabilizador se podría colocar en cualquier posisión especificando aquí el ángulo de montaje.

Chequeo prevuelo.- En modo manual comprobamos que las superficies de control se mueven en la dirección correcta. En configuración de horizonte (Attitude en la CC3D) comprobamos que los giros aportan la correcion correcta, si se levanta un plano el alerón de ese lado debe subir , si se levanta el morro los dos alerones deben de bajar, si no fuese así es que no hemos colocado la placa en la posisión correcta o no hemos hecho correctamente el paso anterior.

Yo suelo lanzar la zagi en modo de bloqueado para asegurarme la trayectoria de lanzamiento y una vez en vuelo la paso a modo horizonte, es curioso como nos acostumbramos rápidamente a lo cómodo, el modelo puede alejarse pero asegurada la horizontalidad el riesgo de accidente se reduce enormemente.
Otra comodidad que aporta el estabiliador es que evita que el modelo se cuelgue excesivamente cuando va con el motor empujando ya que compensa el exceso de sustentación producida por la velocidad al picar automáticamente la zagi.

En la imagen de la configuración de los PID nosotros hemos subido los valores por defecto un 50% y los rates, la velocidad de respuesta en alabeo y profundidad del orden del 300% para asegurarnos que el ala va a evolucionar con toda su potencia de mando, que no es excesiva con los alerones que lleva de 40 mm. de cuerda.
Con la ganancia que hemos marcado el ala vibra algo en alta velocidad, habría que bajarla algo pero preferimos mantenerla ya que en a velocidad va perfecta, se podrían sofisticar los reglajes, pero nadie es perfecto
Las reacciones de un modelo estabilizado de esta manera pueden sorprendernos al principio pero, no os engañeis, es un avance, permite hacer todo lo que sabemos y aporta un confort nuevo al vuelo, tan es así que nosotros ya montamos en casi todos los proyectos nuevos algún tipo de estabilizador.

Otras opciones.- Las cajitas estabilizadoras.- Existen al menos una decena de estos estabilizadores con distintas prestaciones, los mas comunes y económicos son los de tres ejes, estos aportan estabilidad natural, se suelen ajustar con potenciómetros incorporados y algunos interruptores de configuración ya que pueden usarse en las distintas configuraciones habituales de nuestros modelos , doble alerón, cola en V y ala delta. Una de las más sofisticadas es la Hobby Eagle, su modelo alto de gama soporta estabilidad de seis ejes, y casi todos los modos conocidos, con una programación simplificada mediante una pantallita de campo, y una gui específica de ordenador naturalmente. Una de las más sencillas y económicas es la Orange RX3S, de tres ejes, no es la única pero para nosotros tiene un valor especial porque es una de las plataformas del proyecto Open Flight Stabilizer, aeromodelistas con los conocimientos y ganas suficientes han reprogramado esta tarjeta para hacerla espécifica para modelos de 3D, no vamos a abordar este tema pero si teneis interés y algunos conocimientos de electrónica lo podreis encontrar perfectamente documentado en GitHub. Nosotros usamos esta plataforma en nuestros modelos acrobáticos desde corchitos a gasolinas, para modelos grandes hasta digamos 50 c.c. es suficiente reforzar el bus de corriente, para modelos mayores será necesario conectar el estabilizador a una centralita.

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Publicado en: 2018-02-08 (3892 Lecturas)

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