Diseño y montaje de un avión de despegue vertical a radiocontrol

Mañas Barangé, Alejandro 2n A Erill, Josep Maria Colegio Instituto Menéndez y Pelayo Barcelona 2022 1

Abstract

Este trabajo se ha hecho con la idea de hacer un avión a radiocontrol de despegue vertical funcional. Para ello he investigado tanto los componentes de los aviones a radiocontrol, las bases de cómo vuelan los aviones, los diferentes sistemas de despegue vertical que ya existen y la manera de estabilizar el avión para que su manejo sea sencillo. Tras la investigación de los componentes necesarios hice una investigación de los componentes disponibles en el mercado dentro de un precio razonable y escogí aquellos que más encajaban para hacer el avión. Una vez los componentes llegaron los preparé para ensamblar junto al fuselaje que está creado por trozos de cartón pluma pegados entre sí y cortados con una forma determinada. Cuando ya se tiene todo listo para ensamblar se conectan los componentes al receptor y al Arduino, se calibran los estabilizadores y se hace una prueba para comprobar que todo esté bien conectado. Una vez la comprobación está acabada y todo está funcionando se procede a calibrar el PID para el vuelo vertical. Cuando el PID ya esté calibrado ya se puede comenzar a volar el avión.

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This work has been made with the idea of making a functional RC plane with V-tol capacities. For making this I have investigated the components that the RC uses, the bases of operation about the planes flying, the different V-tol planes that already exist and the ways to stabilize the plane to make the driving easier. After the investigation of the components that were necessary for the plane I made an investigation about the components able on the market inside a reasonable price and I choosed the best options to the plane. Once the components arrived I prepared them to be joined with the fuselage which was made from parts of foam board cutted with a specific form and stuck together. When all is ready to join I connected the different components to the RC receiver and to the Arduino and I made a test to confirm that all was working. Once the test is finished and all is working the next step is to calibrate the PID for the vertical fly. Finally when the PID is calibrated the plane can be flown. 3

Índice 1.-Introducción 1.1.-Justificación 1.2.-Objetivos 1.3.-Procedimiento 1.4.-Información general sobre los aviones de despegue vertical 1.5.-Ejemplos de aviones de despegue vertical

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2.-Los aviones y sus partes 2.1.-Alas 2.1.1.-Bernoulli 2.1.2.-Newton 2.1.3.-El problema de las teorías 2.2.-Superficies de control de un avión 2.2.1.-Elevador 2.2.2.-Alerones 2.2.3.-Timón 2.3.- Centro de gravedad

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3.-Elementos electrónicos 3.1.-Propulsión 3.1.1.-Motores 3.1.2.-ESC 3.2.-Batería 3.3.-Servomotores 3.4.-Emisora 3.5.-Receptor 3.6.-Controlador de vuelo mediante Arduino

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4.-Modelos ideados 4.1.-Modelo 1 4.2.-Modelo 2 4.3.-Modelo de internet

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5.-Componentes escogidos y sus características 5.1.-Motores y hélices 5.2.-Controlador de velocidad 5.3.-Batería 5.4.-Servomotores 5.5.-Receptor 5.6.-Emisora

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5.7.-Arduino y sensores

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6.-Programas de Arduino 6.1.-Programa propio 6.2.-Multiwii 6.3.-PID

42 42 44 44

7.-Montaje del avión

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8.-Presupuesto

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9.-Conclusión

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10.-Bibliografía

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11.- Anexos 11.1.-Código arduino 11.2.-Planos partes del avión 11.3.-Pines digitales Arduino. Bibliografía [25]

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1.-Introducción Este trabajo se basa en el diseño y la construcción de un avión teledirigido de despegue vertical.

1.1.-Justificación Este trabajo se centra principalmente en un parte práctica, ya que después de dedicar todo el tiempo que conlleva hacer un TR quería poder tener algo que utilizar, algo tangible, además de los conocimientos adquiridos. La elección de un avión teledirigido no fue al azar, yo ya estaba interesado en los aviones teledirigidos desde antes de empezar este trabajo, de hecho ya estaba inscrito en un club de vuelo. En concreto, pensé que el avión fuese de despegue vertical porque me apetecía hacer algo nuevo, probar a hacer un avión con el que no hubiese tenido contacto antes. Y, además, siempre me ha llamado la atención ver como despegan aviones desde casi cualquier sitio como si fuesen helicópteros para después de despegar como un helicóptero volver a comportarse como un avión.

1.2.-Objetivos El principal objetivo de este trabajo era aprender cómo diseñar un avión de despegue vertical que pudiese usar en el club de vuelo y posteriormente construir el avión para comprobar que el diseño sea correcto.

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1.3.-Procedimiento Para hacer este trabajo primero tuve que investigar un poco sobre los aviones de despegue vertical en general, también llamados VTOL por sus siglas en inglés de Vertical Take-Off and Landing, analizar los diferentes tipos de componentes que había disponibles y escoger los utilizados basándose en las posibilidades reales que yo tendría para usarlos. También fue necesario averiguar cómo se componen los aviones y qué elementos son necesarios para su control. A continuación fue preciso analizar los posibles sistemas de despegue vertical que existen para saber en cuál me basaría. Por último, también tuve que aprender programación con Arduino para poder programar un estabilizador y de esta forma facilitar el manejo del avión.

1.4.-Información general sobre los aviones de despegue vertical Los aviones de despegue vertical se empezaron a popularizar alrededor de los años 50 y 60 entre los diferentes ejércitos del mundo. En plena guerra fría se temía que el enemigo pudiese destruir las pistas de despegue y de este modo neutralizar la fuerza aérea enemiga. Para solventar esto había dos posibles soluciones, hacer aviones que necesitasen tan solo un tramo pequeño de pista para despegar y que así, aunque haya una parte de la pista destruida, puedan seguir despegando o, por otro lado, también se podía hacer un avión de despegue vertical capaz de despegar sin necesidad de pista de aterrizaje. Estos aviones también

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representan una ventaja para las fuerzas aéreas navales, ya que no necesitan portaaviones de gran envergadura para poder desplegar aviones. Pese a que se empezaron a popularizar y diseñar más seriamente en los años 50 y 60, también hay intentos anteriores de hacer lo mismo por los mismos motivos mencionados anteriormente, pero los proyectos de esas épocas no fueron muy fructíferos. Cabe aclarar que ni los helicópteros ni los cohetes son considerados vehículos VTOL, ya que pese a que despeguen y aterricen verticalmente, éste es su modo de vuelo normal, los aviones VTOL vuelan horizontalmente y el vuelo vertical se usa puntualmente tan solo para el despegue y el aterrizaje.

1.5.-Ejemplos de aviones de despegue vertical Los aviones de despegue vertical más conocidos son: El Harrier y Harrier II, un caza inglés de despegue vertical producido a mediados de los años 90.

Figura 1. Fotografía de un Harrier. Bibliografía [15]

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El V 22 Osprey, un avión estadounidense de transporte de tropas y suministros cuya producción comenzó en el año 2007.

Figura 2. Fotografía de un V 22 Osprey. Bibliografía [13]

EL F-35B, un caza estadounidense de última generación que empezó a producirse en el año 2015.

Figura 3. Fotografía de un F 35B. Bibliografía [14]

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Pese a que es menos conocido, también es digno de mención el caza Yak-141, un modelo soviético producido en los años 80 y 90 del que los estadounidenses se inspiraron para hacer el sistema de despegue vertical del F-35B.

Figura 4. Fotografía de un Yak-141. Bibliografía [12]

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2.-Los aviones y sus partes En los aviones normalmente hay muchas partes además de las alas y las superficies de control que que se comentarán en el apartado 2.2, pero en este caso como el avión será teledirigido, las partes dirigidas al alojamiento de personas como la cabina, por ejemplo, no son demasiado relevantes, únicamente hay un compartimento dentro del fuselaje donde se alojan los componentes electrónicos. Los flaps y slats, por ejemplo, no están explicados, ya que no van a ser usados.

2.1.-Alas Los aviones se sustentan gracias a sus alas, pese a que hay personas que piensan que los motores son los que sustentan a un avión, esto no es así. Aunque cuando el avión está despegando verticalmente la sustentación sí será generada por los motores, a la hora de hacer un vuelo normal, horizontal, los motores no son los responsables de la sustentación. Un avión se sustenta gracias a sus alas. El motivo por el que las alas generan sustentación es sujeto de debate, hay dos hipótesis, la primera se basa en la teoría de Bernoulli y la segunda utiliza las leyes de Newton. La aerodinámica de las alas también se ha de tener en cuenta a la hora de diseñarlas, ya que lo óptimo es que el aire pase por las alas de forma laminar y que no se convierta en un flujo turbulento, ya que eso generaría vórtices y remolinos de aire que le robarían energía al avión.

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Figura 5. Representación de las turbulencias. Bibliografía [6]

Las alas pueden ser rectas o tener forma de flecha. La forma de flecha favorece a los aviones que vuelan muy rápido a la hora de acercarse a velocidades supersónicas, pero a la hora de ir a bajas velocidades los extremos tienden a entrar en pérdida (disminución de la sustentación).

Figura 6. Representación de la zona de pérdida en un ala con forma de flecha. Bibliografía [6]

A la hora de despegar un avión siempre conviene inclinarlo un poco hacia arriba, y dependiendo de cuanto se incline respecto al suelo decimos que tiene ese ángulo de ataque. El ángulo de ataque nos interesa, puesto que genera más sustentación, pero tampoco puede ser demasiado pronunciado, ya que el flujo laminar del aire podría desprenderse del ala y entonces el avión podría entrar en pérdida. 12

El aire se queda adherido al ala gracias a su viscosidad y por eso recorre el ala del principio al final, pero si el ángulo de ataque es demasiado alto, la viscosidad del aire no es suficiente y deja de adherirse.

Figura 7. Representación de un avión entrando en pérdida por un ángulo de ataque muy elevado. Bibliografía [6]

2.1.1.-Bernoulli La hipótesis de la sustentación según el teorema Bernoulli se basa en el hecho de que a mayor velocidad se ejerce una menor presión. Se hace que el ala tenga una forma tal que el recorrido en la parte superior sea más largo que el recorrido en la parte inferior del ala. Teóricamente, cuando entra el aire por delante se dividen las moléculas y una parte pasa por arriba y la otra parte por abajo saliendo del ala a la vez. Por lo tanto, para salir a la vez las de arriba han de ir más rápido, produciendo una zona de presión más baja que en la parte inferior y generando así sustentación.

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Esta teoría hace aguas cuando vemos que hay aviones con alas completamente planas capaces de volar. Además, también hay aviones que pueden volar del revés y mantenerse en el aire sin perder altura durante el vuelo .

Figura 8. Ilustración explicativa de la aplicación del teorema de Bernoulli. Bibliografía [9]

2.1.2.-Newton Las personas partidarias de la teoría de Newton para explicar el vuelo de los aviones defienden que la sustentación se puede explicar con la tercera ley (acción reacción). Cuando el ala choca contra el aire lo desvía hacía abajo y genera una reacción hacia arriba. Con este planteamiento explicaría porque hay aviones capaces de volar boca abajo sin perder sustentación. Pese a que de esta forma pueda parecer que queda explicado cómo vuelan los aviones no lo está, ya que al fijarse más en profundidad se observó cómo incluso con alas planas, que no tienen la intención de aprovechar el efecto Bernoulli, se sigue generando una zona de bajas presiones en la parte superior del ala. Esto nos lleva de vuelta al planteamiento de la teoría de bernoulli. 14

Figura 9. Ilustración explicativa del modelo de Newton. Bibliografía [9]

2.1.3.-El problema de las teorías El problema viene debido a que estas teorías son anteriores a los primeros aviones, por lo que los científicos únicamente han adaptado estas teorías a los aviones, estas teorías no se hicieron con la intención de explicar los motivos de la sustentación de un avión. Pese a eso, lo más aceptado científicamente y lo que se explica en las universidades es una combinación de ambas teorías. Aunque hay incertidumbre dentro del porqué generan sustentación los aviones se siguen haciendo, esto es posible debido a que a la hora de diseñar un avión se hacen muchos experimentos en túneles de viento. También se utilizan las ecuaciones de Navier-Stokes, pero debido a la complejidad de estas tan solo se pueden hacer cálculos aproximados. Aunque se espera que en un futuro los superordenadores sean capaces de hacer cálculos precisos y poder prescindir de una gran parte de las pruebas que se deben hacer en los túneles de viento, ya que así también se podría ahorrar mucho dinero a la hora de diseñar aviones. 15

Figura 10. Fotografía de un prototipo en un túnel de viento. Bibliografía [9]

2.2.-Superficies de control de un avión

Figura 11. Ilustración indicativa de las superficies de control. Bibliografía [10]

Figura 12. Ilustración

representativa de los ejes de los aviones. Bibliografía [10]

Las superficies de control marcadas (Figura 11) se mueven hacia arriba o hacia abajo, con el objetivo de modificar su sustentación para generar un cambio de dirección en el avión. Cuando la superficie se mueve hacia abajo genera una 16

sustentación mayor y cuando movemos las superficies hacia arriba la sustentación disminuye o, incluso, se vuelve negativa.

Figura 13. Ejemplo de superficie de control modificando la sustentación que genera. Bibliografía [10]

Para modificar la altura de un avión se puede modificar la velocidad del avión para que la sustentación varíe o bien se puede inclinar el avión hacia arriba o hacia abajo para modificar su altura. Cuando se modifica la altura inclinando el avión la velocidad se modifica también, cuando gana altura pierde velocidad y cuando pierde altura gana velocidad, siempre y cuando se mantenga la misma potencia en los motores.

2.2.1.-Elevador Para modificar la inclinación del avión sobre el eje lateral (Figura 12) utilizaremos el elevador (Figura 11). Este movimiento es llamado cabeceo. Cuando queremos bajar inclinamos el morro hacia abajo moviendo el elevador hacia abajo, generando así una fuerza de sustentación mayor detrás del centro de gravedad y haciendo que la parte trasera se eleve. Si queremos subir inclinando el morro hacia arriba deberemos dirigir el elevador hacia arriba para generar menos sustentación detrás del centro de masas haciendo que la parte trasera caiga y el morro se eleve. 17

Figura

14.

Ilustración

de

un

avión

realizando

el

movimiento

de

cabeceo. Bibliografía [10]

2.2.2.-Alerones Para modificar la inclinación del avión sobre el eje longitudinal (Figura 12) se utilizan los alerones (Figura 11). Este movimiento se llama movimiento de alabeo y se usa a la hora de realizar giros en el aire. Cuando queremos que gire en sentido horario, el alerón situado a nuestra izquierda (mirando la Figura 15) se inclina hacia abajo para generar más sustentación en esa ala, mientras que el alerón derecho se inclina hacia arriba generando menos sustentación. Para girar en sentido antihorario el alerón de nuestra izquierda se inclinará hacia arriba disminuyendo su sustentación, y el de la derecha se

Figura 15. Ilustración de un avión realizando el movimiento de alabeo. Bibliografía [10]

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inclinará hacia abajo para generar más sustentación. Gracias a esa diferencia de sustentación se genera la rotación. Al realizar el diseño de un avión se ha de tener en cuenta el momento que generan las hélices al girar, aunque si hay un número par de hélices se ponen la mitad generando un momento hacia un sentido y la otra mitad generando un momento hacia el otro, anulado así sus momentos

2.2.3.-Timón Para hacer pequeñas modificaciones en la dirección del avión se utiliza el timón (Figura 11), este movimiento se realizará sobre el eje vertical (Figura 12). El nombre de este movimiento es guiñada. Si queremos modificar la dirección el elevador deberá ser inclinado hacia el mismo lado al que queremos dirigirnos para que genere una sustentación detrás del eje en dirección contraria y entonces el morro gire hacia la dirección deseada.

Figura 16. Ilustración de un avión realizando el movimiento de guiñada. Bibliografía [10]

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2.3.- Centro de gravedad Sobre el centro de gravedad simplemente es necesario hacer unas pequeñas aclaraciones. Estas son que ha de estar alineado con el eje longitudinal del avión y, a poder ser debe estar entre la mitad y a un tercio del ala mirando desde alante. Nunca es recomendable que esté por detrás del ala debido a que si el centro de gravedad se pone mas alante la distancia con el ala se alarga pero la distancia con el timón también por lo que por ley de la palanca el timon pese a ser mas pequeño seguirá generando una fuerza suficiente suficiente para compensar el cabeceo del avión. En cambio, si el centro de gravedad se coloca detrás del ala la distancia con el timón se reduce pero la distancia con el ala se agranda por lo que la capacidad del timón para corregir el cabeceo del avión se ve reducida

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3.-Elementos electrónicos Los elementos electrónicos son aquellos que forman parte del sistema eléctrico y lo modifican o se alimentan de él.

3.1.-Propulsión S3.1.1.-Motores Para generar propulsión se utilizarán motores eléctricos brushless (sin escobillas en inglés), ya que son los más fáciles de utilizar porque no requieren mantenimientos gracias a no tener escobillas que se desgasten, no necesitan ajustes mecánicos, tienen la misma potencia con menor tamaño y utilizan baterías. Resulta más fácil utilizar baterías que gasolina, a causa de que además de la gasolina en los motores de combustión de aeromodelismo se suele necesitar hacer una mezcla de aceite y gasolina, ya que se usan motores de 2 tiempos. Con todas estas ventajas respecto a los motores de combustión y gracias a no tener rozamiento el eje con las escobillas no necesitan mantenimiento y son más eficientes.

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Figura 17. Comparación entre motor con escobillas y sin ellas. Bibliografía [8]

Los motores brushless pueden tener el rotor (parte que gira) dentro y el estator (parte fija) fuera, aunque lo más común es que el estator esté dentro y el rotor esté fuera. Estos modelos de motores brushless son de los que voy a hablar. Los motores con rotor externo se componen por un cilindro exterior que tiene una serie de imanes que van alternando su polaridad (Figura 18). El estator se mantiene quieto y está compuesto por una serie de bobinas que generan campos magnéticos, estas irán alternando su polaridad gracias al controlador de velocidad electrónico, del que hablaremos más adelante. Para que el motor sea lo más eficiente posible, los imanes y las bobinas deben estar lo más cerca posible, pero sin tocarse entre ellos.

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Figura 18. Ilustración enseñando el cambio de polaridad de las bobinas de un motor brushless. Bibliografía [2]

Los motores brushless se clasifican por la cantidad de voltios que pueden soportar y por sus Kv. Los Kv son una constante que relaciona las revoluciones por minuto del motor por cada voltio que le entra en condiciones ideales, por ejemplo si tenemos un motor con 1500 Kv y que soporta hasta baterías de 4 celdas (14.8 voltios) podría girar a un máximo de 6000 revoluciones por minuto. Las hélices se clasifican por el número de palas, la longitud de estas y el ángulo de ataque que tienen. Las hélices para clasificarse utilizan cuatro números, los dos primeros indican la longitud de las hélices en pulgadas y los dos segundos indican el ángulo de ataque

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Figura 19. Imagen de una hélice tripala 5045. Bibliografía [1]

3.1.2.-ESC El ESC (electronic speed controller por sus siglas en inglés) es un componente imprescindible para controlar la velocidad de los motores y, por lo tanto, la velocidad que tendrá el avión. Esto lo hace cambiando la polaridad de las bobinas del motor brushless para que los imanes se vean atraídos por la bobina que tiene delante y se inclinen hacia ella. Otra función imprescindible es transformar el voltaje de la batería a 5 voltios para alimentar tanto el Arduino como el receptor. Para controlar la velocidad que tendrá el motor mediante el ESC se usan señales PWM(Pulse-width modulation, por sus siglas en inglés). Estas señales consisten en mandar un voltaje periodico. Cada vez que se envía un voltaje se le llama pulso y dependiendo del tiempo que dure cada pulso se estará dando una orden u otra. En el caso del radiocontrol estos pulsos duran entre 1 a 2 milisegundos, siendo 1 milisegundo el valor más bajo de velocidad (parado) y 2 milisegundos la velocidad más alta.

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Figura 20. Ilustración representativa de un pulso PWM. Bibliografía [24]

Los controladores de velocidad cuentan con una gran cantidad de cables, el utilizado en el avión cuenta con 8 concretamente.

Figura 21. Imagen de un ESC de 40 amperios. Bibliografía [22]

Los dos cables grandes rojo y negro situados a la izquierda son los que se conectan directamente a la batería, los otros 3 cables negros situados a la derecha van conectados directamente al motor, son tres cables para ir activando bobinas por grupos y hacer que el motor gire correctamente y por último los tres cables que salen hacia arriba son para alimentar al arduino y el receptor, el rojo como 5 voltios, el negro como tierra y para comunicarse mediante señales PWM el cable blanco.

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3.2.-Batería Hay diversos tipos de baterías dependiendo del material por el que se componen, pero el uso de baterías en el mundo radiocontrol se ha visto completamente inundado por las baterías Lipo (baterias recargable, sus siglas vienen de batería de iones de litio en inglés) porque en el mismo tamaño que tienen las baterías NiCd y NiHmm (otro tipo de baterías recargables utilizadas antes que las Lipo) puede almacenar el doble de energía pesando menos que las demás baterías. Estas baterías están compuestas por diferentes celdas, pequeñas unidades de almacenamiento que funcionan a 3.7 voltios, estas celdas se conectan en paralelo para sumar sus voltajes. En el mundo del radiocontrol no es extraño sustituir los voltios por el número de celdas equivaliendo cada celda a 3.7 voltios, por lo que una batería de 3s se referiría a que es de 11,1 voltios. Para saber el amperaje de descarga de se utiliza su tasa de descarga, indicada en y se multiplica por los amperios hora de esa batería. Por ejemplo si la batería es de 2000 miliamperios hora(2 amperios hora) y tiene 20 C su descarga de amperaje es de 40 amperios. El miliamperio hora es una unidad de energía que se mide por los amperios que puede sacar durante una hora antes de acabarse la energía que tiene, por lo que sí tiene 2000 miliamperios podría sacar 2 amperios durante una hora.

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Figura 22: Imagen de una batería de 3 celdas. Bibliografía [3]

3.3.-Servomotores Los servomotores para el aeromodelismo son componentes compuestos por un motor de corriente continua dentro de un compartimento de plástico. Este motor está conectado a unos engranajes que reducen su velocidad, pero aumentan su torque (fuerza de rotación, momento). Los servomotores tienen un eje de salida que generalmente puede girar 180 grados aunque hay modelos especiales que tienen capacidad para girar más grados o incluso de forma continua. Los servomotores tienen la capacidad de escoger el ángulo que tendrá el eje. Se clasifican según la carga que pueden levantar a 1 cm de su eje, por lo que un servomotor de 9 gramos, los más comunes, pueden levantar 9 gramos a 1 centímetro de su eje.

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Figura 23. Imagen de un servomotor. Bibliografía [11]

3.4.-Emisora La emisora es el elemento encargado de enviar las órdenes que se dan al avión. Hay varios tipos de emisoras con diferentes funciones, pero lo que todas las emisoras tienen en común son dos joysticks, palancas que se utilizan para controlar la velocidad y dirección del avión.

Figura 24. Imagen de una emisora radiocontrol. Bibliografía [5]

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Como se puede observar en la imagen los joysticks no son el único elemento que tienen las emisoras, también tienen switches y potenciómetros que se pueden utilizar para controlar funciones extras que se le quieran poner al avión o para seleccionar diferentes modos de vuelo que se quieran utilizar.

3.5.-Receptor El receptor es el elemento que se encarga de recibir y transmitir a los demás componentes las órdenes enviadas por la emisora. Las órdenes las puede comunicar directamente a los servomotores y controladores de velocidad con una señal PWM para cada uno o también pueden enviarse señales PPM que son lo mismo que una señal PWM pero no todos los pulsos son utilizados para gobernar el mismo componente. Si se quieres usar 6 canales se enviaran series de 6 pulsos seguidos, cada uno refiriéndose a uno de los 6 canales, estas señales PPM necesitan un solo cable por lo que son muy convenientes para ahorrar cables. Ahora bien si la intención es utilizar un solo cable es más conveniente utilizar comunicación por SBUS o por IBUS, otro tipo de comunicación a radiocontrol más rápida que la señal PPM. La desventaja de utilizar señales que van por un solo cable es que todo lo has de conectar al controlador de vuelo, por lo que se ha de programar todo desde allí que suele ser más complicado, por ese motivo en el avión se han utilizado señales PWM, para poder simplificar el código al máximo, ya que puedes conectar directamente el componente que se quiera conectar al receptor y este sacara la señal PWM correspondiente por el pin de ese canal. 29

Figura 25. Imagen de un receptor. Bibliografía [7]

3.6.-Controlador de vuelo mediante Arduino En el avión se utilizará un controlador de vuelo basado en Arduino y una placa que contiene un acelerómetro y un giroscopio para la estabilización del avión cuando esté volando verticalmente. Un Arduino es un microcontrolador, una placa que se puede programar y que se puede comunicar con elementos externos gracias a unos pines que generan y leen señales eléctricas. Para programar el Arduino debe conectarse al ordenador y descargar Arduino IDE, la plataforma donde se programa y se sube el código a la placa. El Arduino cuenta con una serie de pines que en este proyecto serán utilizados tanto para enviar como para recibir pulsos. Los pulsos pasarán por el arduino para, junto con la ayuda de un giroscopio y acelerómetro (modelo MPU 6050), encargarse de estabilizar el avión. De esto se hablará más específicamente en el apartado 6.

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Figura 26. Imagen de un Arduino Nano. Bibliografía [17]

Figura 27. Imagen de un MPU6050.

Bibliografía [18]

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4.-Modelos ideados Para hacer este avión se han tenido en consideración diversos diseños y finalmente se ha escogido uno en función de su viabilidad.

4.1.-Modelo 1 Para el primer modelo eran necesarias 5 turbinas eléctricas, repartidas entre todo el cuerpo, de las que se utilizarían 2 para propulsar el avión mientras estuviese volando de forma horizontal. Para volar verticalmente se usará la potencia de todas las turbinas. La forma del avión en este modelo sería semejante a un ala volante.

Figura 28 Ilustración del primer modelo de avión de despegue vertical. Creación propia.

Las turbinas están representadas con círculos, y el número que les pertenece es el más cercano que tengan arriba o abajo. Las turbinas 5 y 6 son las dos turbinas que se utilizaran tanto para volar verticalmente como horizontalmente.

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Vuelo vertical: Para moverse lateralmente hacia la derecha se aumenta la potencia de la turbina 2 y se disminuye la de la turbina 3 generando una inclinación hacia la derecha y generando un empuje hacia esta. Para generar un desplazamiento lateral hacia la izquierda le sumaremos potencia a la turbina 3 y le restamos potencia a la turbina 2 para inclinar el avión hacia la izquierda generando así empuje hacia allí. Para ir hacia delante se le suma potencia a las turbinas 5 y 6 mientras que se baja la potencia de la turbina 1. Generando así una inclinación hacia delante y generando un empuje frontal. Para ir hacia atrás se aumenta la potencia de la turbina 1 y se reduce la de las turbinas 5 y 6 para inclinar el avión hacia atrás y generar empuje hacia atrás. Girar sobre su propio eje: Si queremos girar sobre nuestro propio eje usaremos un servo colocado en la turbina 1. La inclina ligeramente hacia la derecha, si queremos girar hacia la izquierda y si queremos girar hacia la derecha inclinamos la turbina ligeramente hacia la izquierda.

Vuelo horizontal: A la hora de volar horizontalmente, el avión estará impulsado por las turbinas 5 y 6. Para controlar el avión se utilizarán las superficies de control (Figura 11). Los elevadores y alerones están situados en la parte posterior del ala, comparten la misma superficie, por lo que el ángulo de las superficies será la suma del ángulo que el elevador y el alerón de ese lado deberían formar. 33

4.2.-Modelo 2 En el modelo 2 el sistema de despegue vertical consiste en cuatro motores con una hélice cada uno para generar sustentación. Para manejar el avión mientras está volando verticalmente se utilizará el mismo método que en los drones de cuatro hélices.

Figura 29. Ilustración para explicar el vuelo vertical del modelo 2. Creación propia.

Las hélices giran en direcciones opuestas 2 a 2, siendo las diagonales las que giran en el mismo sentido.

Vuelo vertical: 34

Para desplazarse hacia delante se disminuye la velocidad con la que las hélices 1 y 2 giran y se aumenta la de las hélices 3 y 4. Inclinando así el avión hacia delante y generando un empuje hacia delante. Si queremos desplazarnos hacia atrás, se aumenta la velocidad de giro de las hélices 1 y 2 y disminuimos la de las hélices 3 y 4, inclinándose así el avión hacia atrás y generando un empuje hacia atrás. Para desplazarse lateralmente hacia la derecha se aumenta la velocidad de giro de las hélices 1 y 3 y se disminuye la de las hélices 2 y 4, inclinando el avión hacia la derecha y generando empuje hacia la derecha. Para desplazarnos hacia la izquierda aumentamos la velocidad de giro de las hélices 2 y 4 y disminuimos la de las hélices 1 y 3, inclinando el avión hacia la izquierda y generando empuje hacia la izquierda. Para girar el avión sobre sí mismo es un poco más complicado. Para realizar esto nos aprovecharemos del momento que se genera al hacer girar las hélices. Para hacer que gire en sentido horario se debería aumentar la velocidad de rotación de las hélices 1 y 4 y disminuir la de las hélices 2 y 3, y para girar en sentido antihorario se debería aumentar la velocidad de giro de las hélices 2 y 3 y disminuir la de las hélices 1 y 4.

Vuelo horizontal: Para volar horizontalmente, los motores rotaran dirigiendo su impulso hacia atrás. Para controlar el avión se utilizarán las superficies de control tal como salen en la imagen 1. 35

4.3.-Modelo de internet El modelo más común que se puede ver en internet es el que se ve en la imagen siguiente

Figura 30. Imagen de un dron V-tol. Bibliografía [19]

Este diseño cuenta con 5 motores estáticos, 4 colocados para el vuelo vertical que funcionan como si fuese un dron. El vuelo vertical sería idéntico al del modelo 2. Y para volar horizontalmente se desactivan los 4 motores que están mirando hacia arriba progresivamente mientras que se va ganando velocidad con el motor que apunta hacia atrás. Este modelo, pese a ser más sencillo de hacer, no se ha escogido porque ya es muy común y quería hacer una cosa relativamente innovadora.

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5.-Componentes escogidos y sus características 5.1.-Motores y hélices Los motores escogidos son 4 que pueden funcionar con baterías de 2, 3 y 4 celdas. Son los de la imagen siguiente.

Figura 31. Imagen de los motores utilizados en el avión. Bibliografía [23]

De estos 4 motores hay dos destinados a girar en sentido horario y dos destinados a girar en sentido antihorario, por lo que a la hora de comprarlos se ha de comprobar hacia qué lado se enrosca la tuerca. La tuerca debe enroscarse en sentido contrario al que gira el motor para evitar que se desenrosque poco a poco cuando está girando rápidamente. Su sentido de giro viene indicado por las letras CW para el sentido horario y CCW para el sentido antihorario. Estos motores se han escogido por la información que pone en su tabla de rendimiento.

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Figura 32. Tabla mostrando los datos de funcionamiento del motor seleccionado para el dron. Bibliografía [23]

Como se puede ver, en la tabla de rendimiento nos indican la hélice utilizada (que será la que dará más empuje porque todos los fabricantes quieren tener la mejor eficiencia en cuanto a empuje consumo) por lo que la hélice utilizada es una tripala 5045. El empuje que podremos obtener en condiciones ideales es de 2640 gramos para una batería de 3 celdas y de 3800 gramos para una batería de 4 celdas.

Figura 33. Imagen de las hélices utilizadas en el avión. Bibliografía [1]

5.2.-Controlador de velocidad Los controladores de velocidad utilizados en el avión son controladores de velocidad de 40 amperios, ya que los motores aceptan un máximo de 30 amperios se han escogido unos controladores capaces de aguantar un poco más por si acaso

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hay un pico de consumo que no se dañe el controlador, estos controladores también pueden funcionar con baterías de hasta 4 S(14.8 voltios).

Figura 34. Imagen de los ESC utilizados en el avión. Bibliografía [22]

5.3.-Batería La batería escogida es una batería de 3 celdas con 2200 miliamperios y con hasta 70 C. Lo que nos da 154 amperios de salida máxima cosa que es suficiente para poder utilizar los cuatro motores a máxima potencia. De todas maneras todos los componentes se han escogido pensando en que sean capaces de aguantar una batería de 4S por si al final el peso del avión es demasiado elevado y la batería de 3S no fuese lo suficientemente potente para hacer que se eleve. La elección de las baterías ha sido debido a que ya las tenía en casa para otros aviones a radiocontrol.

Figura 35. Imagen del modelo de batería utilizado en el avión. Bibliografía [3]

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5.4.-Servomotores Los servomotores escogidos son unos servomotores estándares de 9 gramos, ya que no van a necesitar hacer ninguna fuerza considerable. Pese a que los servomotores se encarguen girar los motores mientras se están haciendo fuerza, los servos no se verán forzados porque la fuerza está alineada con el eje del servo, por lo que no generan momento. La única preocupación respecto la potencia de los servos era que pudiesen ganar la resistencia que se generaría el motor al girar y actuar como giróscopo, pero después de hacer una prueba vi que la fuerza era suficiente.

5.5.-Receptor El receptor usado es un FrSky Sr8, este receptor se ha escogido, ya que pese a tener un Arduino como controladora de vuelo hay ciertos servos que no van conectados al Arduino sino que directamente conectados al receptor por lo que necesitan su señal PWM individual cosa que este receptor ofrece. La decisión de no conectar todos los servos a la controladora de vuelo se ha tomado para simplificar el código de esta. Además este receptor cuenta con un estabilizador interno diseñado para aviones, por lo que será usado para el modo de vuelo horizontal y cuenta con 8 canales.

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5.6.-Emisora La emisora seleccionada es una T-16 Jumper, un modelo con capacidad para 16 canales y para hacer combinaciones de palancas, joystick y potenciómetros desde el mismo mando. Esto facilitará la programación de código en el Arduino, ya que desde el mando es más sencilla. Este mando se ha seleccionado porque ya lo tenía desde antes de hacer este proyecto y era completamente compatible con los objetivos propuestos, por lo que no era necesario efectuar ningún cambio de emisora.

5.7.-Arduino y sensores El Arduino escogido es el Arduino nano, escogido porque es igual al Arduino Uno solo que en versión pequeña en beneficio a la ligereza del avión. Que sea igual al Arduino Uno es una ventaja debido a que este es el Arduino más popular y con más tutoriales para aprender sobre cómo programarlo. El módulo de giroscopio y acelerómetro es el módulo MPU 6050 seleccionado porque es el más popular del mercado y aprender a utilizarlo sería más fácil, además su tamaño también es considerablemente pequeño.

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6.-Programas de Arduino 6.1.-Programa propio Para cuando el avión está volando en modo vertical cuenta con un estabilizador creado a base de Arduino. Arduino es un lenguaje de programación que junto a unas placas llamadas microcontroladores permiten ejecutar pequeños programas, que en este caso usaremos para mantener el avión estable. Como microcontrolador el avión tiene un Arduino nano (la placa azul grande de la figura 26), el microcontrolador se conectara a un acelerómetro y giroscopio (modelo MPU6050, la placa azul oscuro situada a la derecha del Arduino nano, figura 27) que servirá para detectar tanto la inclinación como las aceleraciones que sufre el avión para así saber su inclinación y poder corregirla. El receptor estará conectado al Arduino para que reciba los datos que enviaremos desde el mando. Después verificará la inclinación y si hace falta alguna corrección modificará ligeramente la amplitud de los pulsos PWM y después sacará un pulso PWM personalizado para cada motor.

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Figura 36. Imagen que representa las conexiones que se han de realizar entre los diferentes componentes electrónicos Bibliografía [16]

Para estabilizar el avión en modo horizontal se realizará el mismo proceso, pero a diferencia que con el modo vertical todo ese proceso se realizará dentro del propio receptor, que ya tiene un estabilizador dentro, pero es solo para aviones, por eso para cuando esté en modo vertical se ha de estabilizar de forma externa. Las señales PWM serán modificadas para los servos y no para los motores. Cabe aclarar que pese a que el código se ha diseñado específicamente para este proyecto, por lo que este código no existía antes y se ha tenido que crear si que hay partes extraídas de internet utilizadas para el código. [Bibliografía 16]

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6.2.-Multiwii En caso de que el código que de diseño propio no funcionase se usaría este software de código abierto diseñado para drones que es capaz de estabilizar el avión en modo vertical, pero no es posible desactivarlo en modo horizontal por lo que cuando el avión está volando horizontalmente los motores pueden intentar estabilizar el avión, pero como estarán puestos apuntando hacia delante no lo lograran, es más pueden generar una cierta inestabilidad únicamente en el eje vertical.

Figura 37. Imagen de la interfaz de multiwii. Bibliografía [21]

6.3.-PID

La estabilización creada con Arduino se hará mediante un control PID, que significa control proporcional integral y derivativo. 44

La parte proporcional del control se encarga de que en caso de que la inclinación no sea la indicada crear una diferencia de empuje entre unos motores y otros, haciendo la diferencia más grande juntamente con el incremento de la diferencia del ángulo del avión respecto al ángulo querido. El problema de la parte proporcional es que se genera un movimiento oscilatorio que no es lo que se desea para el avión. Para solucionar eso está la parte integral, que se encarga de modificar el empuje de los motores para reducir la velocidad angular a 0, si combinamos el control proporcional con el control integral conseguimos que el avión se quede a un ángulo muy cercano al deseado, pero al estar tan cerca del ángulo deseado la parte proporcional del control no será lo suficientemente grande como para modificar la inclinación. Para solucionar eso se pone la parte integral, que se encarga de crear una diferencia de empuje como la de la parte proporcional, pero a diferencia de esta la parte integral va aumentando juntamente con el tiempo, por lo que si la parte proporcional y derivativa no es capaz de corregir el pequeño ángulo la parte integral sí que va a poder porque cuanto más tiempo pase más diferencia de fuerza irá produciendo. Con la suma de estas tres partes del control PID conseguiremos que el avión siempre se quede con la inclinación que deseemos, aunque haya viento o el centro de gravedad no esté completamente centrado.

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Figura 38. Ilustración de la gráfica del PID (la parte proporcional es la parte roja de la gráfica). Bibliografía [4]

Figura 39. Ilustración que muestra las fórmulas de las tres partes de un control PID. Bibliografía [20]

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Figura 40. Imagen para ayudar a entender el PID. Bibliografía [16]

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7.-Montaje del avión Para realizar el montaje del avión primero pase los planos del fuselaje y del ala al cartón pluma, después los corte y pegue entre ellos. Para hacer las partes que se encargan de la sujeción de los motores he decidido diseñarlas en 3D e imprimirlas en una impresora 3D. Los componentes electrónicos que no son ni servos ni motores están unidos a fuselaje mediante velcro. Los motores están atornillados a los soportes y los servos están pegados con pegamento.

Figura 41. Imagen del ala por debajo

Figura 42. Imagen del interior del avión

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Figura 43. Cortando el cartón pluma

Figura 44. Imagen de una parte del fuselaje cortado

Figura 44. Pasando los planos al cartón pluma Figura 45. Foto del avión montado pero sin la batería puesta.

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8.-Presupuesto Emisora

199,99 €

Batería

25,00 €

Arduino

19,99 €

MPU6050

9,99 €

Cartón pluma

40,00 €

Servos

21,98 €

Motores

49,99 €

ESC

55,96 €

Receptor

45,75 €

Precio Total

468,65 €

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9.-Conclusión Al comenzar este trabajo no pensaba encontrarme con demasiadas dificultades, pensaba que todo sería relativamente sencillo, pero no fue así, las dificultades empezaron a la hora de estabilizar el avión en modo vertical, por que tenía planeado coger un código de internet que fuese compatible con el proyecto que tenía en mente, pero no lo encontré. Al no encontrar el código en internet me vi forzado a diseñar uno, a causa de que los códigos disponibles para estabilizar el vuelo vertical tenían incompatibilidades a la hora de volar horizontalmente, porque la estabilización no permitía ser desactivada. Para crear el código tuve que informarme sobre todo el funcionamiento de Arduino y mirar muchos tutoriales para acostumbrarme a el uso de su entorno de desarrollo, por suerte había abundantes tutoriales en internet y aunque ninguno me explicaba como hacer lo que yo necesitaba específicamente si que fui capaz de adquirir los suficientes conocimientos como para aplicar pequeñas partes que necesitaba y salían dispersas en diferentes tipos de proyectos de Arduino para adaptarlas y crear finalmente un código que funcione considerablemente bien para tener en cuenta que no tenía nociones de programación antes de empezar este proyecto. Las dificultades no terminaron allí, ya que a la hora de hacer el diseño final del fuselaje y sobretodo de las piezas impresas en 3D la complicación era superior a lo que tenía previsto, pero, aunque cometiendo algunos errores por el camino, al final conseguí crear un conjunto de piezas que eran compatibles entre sí y que además tampoco eran demasiado pesadas.

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Tras superar estas dificultades el proyecto fue como me lo esperaba, el único gran cambio de planes fue cambiar las turbinas por las hélices, todo un acierto, ya que para hacer ese avión se hubiesen requerido muchos conocimientos que en ese entonces no tenía y algunos otros que sigo sin tener. Pese a que ya tenía nociones de una parte de la teoría de vuelo de los aviones y del funcionamiento de los componentes electrónicos gracias a este proyecto he conseguido aprender más en profundidad, cosa que no ha sido difícil ya que al indagar un poco este mundo se vuelve fascinante. En conclusión gracias a este proyecto he adquirido muchos conocimientos en diversos ámbitos, programación, diseño, componentes electrónicos y sobre como puedo plantear de mejor forma futuros proyectos.

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10.-Bibliografía [1] 12pcs 5045 hélices de 3 láminas 5 Pulgadas Tri Blade props para 2204 2205 2206-2306 motores sin escobillas FPV racing drone quadcopter (Transparente-Rojo, Negro, Azul-Transparente). Amazon.es: Juguetes y juegos. (n.d.). 2 noviembre 2022 https://www.amazon.es/2206-2306-escobillas-Quadcopter-Transparente-RojoAzul-Transparente/dp/B078K4ND63/ref=sr_1_1?__mk_es_ES=%C3%85M% C3%85%C5%BD%C3%95%C3%91&crid=1Z0J8VAVO725Y&keywords=helic es%2B5045&qid=1666979748&qu=eyJxc2MiOiIwLjAwIiwicXNhIjoiMC4wMCIs InFzcCI6IjAuMDAifQ%3D%3D&sprefix=helices%2B5045%2Caps%2C97&sr= 8-1

[2] Alberto Brunete, P. S. S. y R. H. (n.d.). Introducción a la automatización industrial. 2.2 Actuadores eléctricos. 2 noviembre 2022 http://www.albertobrunete.es/automatica/actuadoreselectricos.html

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[3] Batería Lipo 11.1V 3000mah - azul. MAGOM HRC. (n.d.). 2 noviembre 2022 https://magomhrc.com/es/baterias-y-cargadores/2081-bateria-lipo-111v-3000ma h.html

[4] C, S. (2020, November 21). ▷ Acción de Control Derivativo - control PID [octubre, 2022 ]. Control Automático Educación. 2 noviembre 2022 https://controlautomaticoeducacion.com/control-realimentado/accion-de-controlderivativo-control-pid/

[5] Emisora Graupner MZ-24 Pro 2.4ghz + receptor GR-18. Cucumber RC 100% Top Model Brands - Tienda dedicada al hobby modelista. (n.d.). 2 noviembre 2022 https://www.cucumber-rc.com/es/emisoras-rc-mandos/emisora-graupner-mz-24 -pro-24ghz-receptor-gr-18/

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[6] La Capa Límite del ala de un avión. ASOC. PASIÓN POR VOLAR. (2022, August 21). 2 noviembre 2022 https://www.pasionporvolar.com/la-capa-limite-del-ala-de-un-avion/

[7] Luis. (2017, October 30). Conectar una emisora radio control con Arduino. Luis Llamas. 2 noviembre 2022 https://www.luisllamas.es/conectar-emisora-radio-control-con-arduino/

[8] Martínez, M. A. (2021, December 22). ¿Qué son los motores sin escobillas y qué ventajas ofrecen?: RonixTools. Ronix Blog. 2 noviembre 2022 https://ronixtools.com/es/blog/what-are-brushless-motors-and-what-advantagesdo-they-offer/

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[9] Montero, L. M. (2020, June 24). ES 2020 y todavía no entendemos del todo por qué los aviones se mantienen en el aire. Xataka. 2 noviembre 2022 https://www.xataka.com/vehiculos/2020-todavia-no-entendemos-todo-que-avion es-se-mantienen-aire#:~:text=Dicha%20explicaci%C3%B3n%20a%C3%BAna %20el%20principio,cohesiona%20ambas%20teor%C3%ADas%3A%20el%20% C3%A1ngulo

[10] Redacción. (n.d.). Las superficies de control del avión. Las Superficies de Control del Avión - América Vuela. 2 noviembre 2022 https://www.vuela.com.mx/am/index.php/articulos-de-actualidad/13221-las-supe rficies-de-control-del-avi%C3%B3n.html

56

[11] SG90 9G Micro Servo Motor 6 piezas 90-180-360 Grados RC dirección gear 450 robot Helicóptero de Ala Fija Control de Aviones (360 grados). Amazon.es: Juguetes y juegos. (n.d.). 2 noviembre 2022 https://www.amazon.es/90-180-360-Direcci%C3%B3n-helic%C3%B3ptero-Cont rol-aviones/dp/B08TC6K98K

[12] Wikimedia Foundation. (2021, March 30). Yakovlev Yak-141. Wikipedia. 2 noviembre 2022 https://es.wikipedia.org/wiki/Yakovlev_Yak-141

[13] Wikimedia Foundation. (2022, October 23). Bell-Boeing V-22 Osprey. Wikipedia. 2 noviembre 2022 https://es.wikipedia.org/wiki/Bell-Boeing_V-22_Osprey

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[14] Wikimedia Foundation. (2022, October 25). Lockheed Martin F-35 Lightning II. Wikipedia. 2 noviembre 2022 https://es.wikipedia.org/wiki/Lockheed_Martin_F-35_Lightning_II

[15] Wikimedia Foundation. (2022, September 24). Harrier. Wikipedia. 2 noviembre 2022 https://es.wikipedia.org/wiki/Harrier

[16] “Arduino Drone v2.0.” Arduino Drone Brushless Flight Controller Tutorial, 2 noviembre 2022 https://electronoobs.com/eng_robotica_tut9.php.

58

[17] “A000005 - Placa De Evaluación, MCU, 8 Bits, Arduino Nano, AVR, ATMEGA328.” Farnell, 2 noviembre 2022 https://es.farnell.com/arduino/a000005/arduino-nano-placa-de-evaluaci/dp/1848 691.

[18] “GY-521 6DOF MPU-6050 Módulo Sensor De 3 Ejes ACELERÓMETRO Y Giróscopo.” La Tienda Del Tecnófilo, 2 noviembre 2022 https://www.tecnofilo.es/sensores/71-gy-521-6dof-mpu-6050-modulo-sensor-de3-ejes-acelerometro-y-giroscopo.html.

[19] jose1986zam. “Drones Vtol Que Son, Definición, Beneficios y Curso.” YouTube, YouTube, 24 Dec. 2019, 2 noviembre 2022 https://www.youtube.com/watch?v=0CpgcM4O-5I.

59

[20] “Controlador Pid.” Wikipedia, Wikimedia Foundation, 19 Oct. 2022, 2 noviembre 2022 https://es.wikipedia.org/wiki/Controlador_PID.

[21] “Multiwii GUI Parameter Configuration.” Wiki, 2 noviembre 2022 http://wiki.sunfounder.cc/index.php?title=MultiWii_GUI_Parameter_Configuratio n.

[22] “ESC 40A Con Bec.” Aviones Teledirigidos, 17 Sept. 2022, 2 noviembre 2022 https://avionesteledirigidos.com/producto/esc-40a-con-bec/.

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[23] “DRONEACC 4pcs DX2205 2300KV Brushless Motor 2CW 2CCW 2-4s Racing Edition Red for QAV210 X220 QAV250 FPV Racing Drone.” Amazon.es: Hogar y Cocina, 2 noviembre 2022 https://www.amazon.es/DroneAcc-DX2205-2300KV-Brushless-Racing/dp/B075 731ZJM/ref=sr_1_5?__mk_es_ES=%C3%85M%C3%85%C5%BD%C3%95%C 3%91&crid=3JD1L6QZ7ZH5P&keywords=motor%2Bdrone&qid=1667417345&q u=eyJxc2MiOiI0Ljk2IiwicXNhIjoiMy44NyIsInFzcCI6IjIuODEifQ%3D%3D&sprefix =motor%2Bdrone%2B%2Caps%2C115&sr=8-5.

[24] Wikimedia Foundation. (2022, October 31). Modulación por ancho de pulsos. Wikipedia. Retrieved November 3, 2022, from 2 noviembre 2022 https://es.wikipedia.org/wiki/Modulaci%C3%B3n_por_ancho_de_pulsos [25] Pines de E/S Digitales en Arduino. PROYECTOS DE TECNOLOGÍA. (n.d.). Retrieved November 3, 2022, from 2 noviembre 2022 https://elblogdelprofesordetecnologia.blogspot.com/2016/05/salidas-digitales-en -arduino.html

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11.- Anexos 11.1.-Código arduino

volatile bool visu = 1; // Visualizar variables por canal serie. En vuelo a 0!! volatile int visu_select = 0; // 0: mando RC, 1: giro, 2: acc, 3: ang, 4: esc volatile bool MODO_vuelo = 1; // 0: Modo acrobatico, 1: Modo estable (por defecto MODO_vuelo = 1) #define usCiclo 6000 // Ciclo de ejecucion del software en microsegundos #define pin_INT_Throttle 8 // Pin Throttle del mando RC #define pin_INT_Yaw 7 // Pin Yaw del mando RC #define pin_INT_Pitch 12 // Pin Pitch del mando RC #define pin_INT_Roll 9 // Pin Roll del mando RC #define pin_LED_rojo1 10 // Pin LED rojo 1 #define pin_LED_rojo2 13 // Pin LED rojo 2 #define pin_LED_azul 11 // Pin LED azul #define pin_LED_naranja A2 // Pin LED naranja // -------------------------------------------------------------------------------#include #include #include #include Servo esc1; // Nombramos los esc para identificarlos con la libreria Servo esc2; Servo esc3; Servo esc4; // AJUSTE DE PIDs // Modificar estos parámetros apara ajustar los PID

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volatile float Roll_ang_Kp = 0.5, Roll_ang_Ki = 0.05, Roll_ang_Kd = 10; volatile float Pitch_ang_Kp = 0.5, Pitch_ang_Ki = 0.05, Pitch_ang_Kd = 10; volatile float Pitch_W_Kp = 2, Pitch_W_Ki = 0.02, Pitch_W_Kd = 0; volatile float Roll_W_Kp = 2, Roll_W_Ki = 0.02, Roll_W_Kd = 0; volatile float Yaw_W_Kp = 1, Yaw_W_Ki = 0.05, Yaw_W_Kd = 0; volatile int PID_W_sat1 = 380; volatile int PID_W_sat2 = 380; volatile int PID_ang_sat1 = 130; volatile int PID_ang_sat2 = 130;

// Limitar parte integral PID velocidad // Limitar salida del PID velocidad // Limitar parte integral PID ángulo // Limitar salida del PID ángulo

volatile float PID_ang_Pitch_error, PID_ang_Pitch_P, PID_ang_Pitch_I, PID_ang_Pitch_D, PID_ang_Pitch_OUT; volatile float PID_ang_Roll_error, PID_ang_Roll_P, PID_ang_Roll_I, PID_ang_Roll_D, PID_ang_Roll_OUT; volatile float PID_ang_Yaw_error, PID_ang_Yaw_P, PID_ang_Yaw_I, PID_ang_Yaw_D, PID_ang_Yaw_OUT; volatile float PID_W_Pitch_error, PID_W_Pitch_P, PID_W_Pitch_I, PID_W_Pitch_D, PID_W_Pitch_OUT; volatile float PID_W_Roll_error, PID_W_Roll_P, PID_W_Roll_I, PID_W_Roll_D, PID_W_Roll_OUT; volatile float PID_W_Yaw_error, PID_W_Yaw_P, PID_W_Yaw_I, PID_W_Yaw_D, PID_W_Yaw_OUT; volatile float PID_W_Pitch_consigna, PID_W_Roll_consigna; // AJUSTE MANDO RC - THROTLLE volatile const int us_max_Throttle_adj = 1800; volatile const int us_min_Throttle_adj = 970; volatile const float us_max_Throttle_raw = 2064; // usCiclo + 50) Serial.print("Funciona mal"); // Comienzo de un nuevo ciclo while (micros() - loop_timer < usCiclo); // Registrar instante de comienzo del ciclo loop_timer = micros(); PWM(); // Generar señales PWM para los motores MPU6050_leer(); // Leer sensor MPU6050 MPU6050_procesar(); // Procesar datos del sensor MPU6050 if (MODO_vuelo == 1)PID_ang(); // Obtener salida de los PID de inclinación PID_w(); // Obtener salida de los PID de velocidad Modulador(); // Guardamos las lecturas del sensor MPU6050 para el siguiente ciclo (necesario para los PID) angulo_pitch_ant = angulo_pitch; angulo_roll_ant = angulo_roll; angulo_yaw_ant = angulo_yaw; gyro_X_ant = gyro_X; // Pitch gyro_Y_ant = gyro_Y; // Roll gyro_Z_ant = gyro_Z; // Yaw // Visualización de variables if (visu ==1) { Visualizaciones(); } }

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11.2.-Planos partes del avión

Plano del ala visto desde la parte superior, el rectángulo que sale es el alerón. Esta es una de las dos alas.

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Plano del fuselaje visto desde la parte superior.

Plano del fuselaje visto desde el lateral.

Plano del fuselaje visto desde la parte inferior.

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Plano del fuselaje visto desde la parte trasera.

Plano del fuselaje visto desde la parte delantera.

Para sujetar los motores he creado un soporte que está impreso en 3D y que tiene la capacidad de girar los motores 90 grados para cambiar entre los modos de vuelo vertical y horizontal. Las piezas cuentan con agujeros todos del mismo diámetro para unirlas entre ellas.

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Plano de uno de los brazos que se encarga de sujetar los motores, hay cuatro brazos igual que este, uno por motor. Esta plataforma tiene un grosor de 5 milímetros. La parte superior de la imagen irá acoplada a otra pieza que unirá todos los soportes de los motores.

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Pieza que se encarga de sujetar los 4 brazos que sujetan los motores. Tiene un grosor de 5 milímetros.

Para unir el motor a el brazo primero se le acoplara un servo al brazo y después se le pondrá un adaptador al servo para unir el motor con el servo.

Primera pieza para juntar el servo y el motor vista desde todos los lados

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Segunda parte de la pieza que une el motor con el servo vista desde todos los lados

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Pieza donde se colocará el servo para sujetarlo al brazo.

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11.3.-Pines digitales Arduino. Bibliografía [25] Pines de E/s digitales en Arduino Una de las funciones más interesantes (si no la más) de Arduino y en general de todos los autómatas es su capacidad de interacción con el mundo físico. Podemos, por ejemplo, realizar mediciones de tensión, obtener lecturas de gran variedad de sensores, encender dispositivos o controlar motores y actuadores. Esta interacción se lleva a cabo en gran parte mediante el uso de las entradas y salidas tanto digitales como analógicas.

¿Qué es una entrada digital?

Una señal digital es una variación de voltaje entre -Vcc a +Vcc sin pasar por los valores intermedios. Por lo tanto, una señal digital dispone solo de dos estados. Al valor inferior de tensión -Vcc le asociamos un valor lógico LOW o ‘0’, mientras que al valor superior +Vcc le asociamos HIGH o ‘1’ lógico.

En Arduino los valores de alimentación habituales son 0V y 5V. En este caso la tensión umbral será muy cercana a 2’5V. Por tanto si medimos una tensión con un valor intermedio entre 0 a 2’5V Arduino devolverá una lectura LOW, y si medimos un valor entre 2’5V y 5V, devolverá HIGH.

Nunca introducir una tensión fuera del rango 0V a 5V en una entrada digital o analógica o podemos dañar el pin correspondiente y dejarlo permanentemente inutilizado.

En Arduino, las entradas y salidas digitales se realizan en las mismas patillas, que se denominan pines de E/S digitales. Eso quiere decir que un mismo pin puede actuar bien como una entrada digital, o bien como una salida digital. por ello es necesario configurar previamente el pin para que funcione de una u otra manera.

Las principales funciones que utilizaremos para las configuración de los pines de E/S como entradas digitales en la placa Arduino son las siguientes:

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●

pinMode(n, INPUT). Esta función permite configurar cualquiera de los pines digitales como entradas (INPUT).

●

digitalRead((n_del_pin). Devuelve un valor digital (HIGH o LOW) leído desde el pin numero_de_pin. Ejemplo: Leer el estado de un pulsador.

●

punseIn(n-del_pin, valor_HL). Devuelve un número que es el tiempo en microsegundos que ha estado el n_de_pin al valor_HL.

¿Cómo configuramos las salidas digitales?

Si queremos conectar un led a la placa Arduino y que se encienda, es necesario configurar los pines E/S digitales como salidas digitales. La configuración de los pines digitales, así como la configuración de otros parámetros se realizan a través del IDE de Arduino.

Las principales funciones que utilizaremos para la configuración de los pines de E/S digitales en la placa Arduino son las siguientes:

●

pinMode(n, OUTPUT). Esta función permite configurar cualquiera de los pines digitales como salidas (OUTPUT).

●

digitalWrite((n, HIGH). Esta función pone el pin n a 5 V (nivel lógico "1"); es decir encendemos el led.

●

digitalWrite((n, LOW). Esta función pone el pin n a 0 V (nivel lógico "0"); es decir apagamos el led.

●

analogWrite(n_del_pin, valor). Pone en el pin n_del_pin una señal digital PWM, (valor comprendido entre 0 y 255). Solo algunos pines marcados en la placa soportan PWM.

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