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| Fotograma de "Teléfono Rojo Volamos hacia Moscú" |
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INTRODUCCIÓN
Recuerdo que de niño siempre me fascinó contemplar aquellos globos inflados con gas y que atados a un cordel, se mantenían flotando en el aire como por arte de magia. Muchas horas pasé jugando a colgarles un contrapeso hecho de dobleces de papel o con alguna moneda y que bien sujeto al final de la cuerda, trataba de mantener al globo en un estático equilibrio maravilloso.
En esta entrada pretendo recordar un poco de todo aquello, describiendo paso a paso mi bautismo del aire con un Dron, desde la compra inicial del material, pasando por el montaje y preparación, hasta el primer despegue...
En esta entrada pretendo recordar un poco de todo aquello, describiendo paso a paso mi bautismo del aire con un Dron, desde la compra inicial del material, pasando por el montaje y preparación, hasta el primer despegue...
Previamente he realizado un intenso sondeo por Google sobre Drones, para ir conociendo un poco más sobre el tema, qué materiales debo comprar, a qué cálculos técnicos me debo enfrentar, e intentando comparar precios para ajustarme al máximo en el presupuesto.
Es posible encontrar en el mercado soluciones ya montadas y listar para volar por un precio similar o incluso más bajo al coste que preveo gastar comprando pieza a pieza, pero no es ése el objetivo buscado. Espero sentir una mayor satisfacción (si al final vuela), si la "criatura" digamos que la he "parido" yo.
Básicamente un Cuadricóptero o Dron es una aeronave con cuatro motores situados en forma de equís o aspa respecto del cuerpo central del mismo, que es donde alojaremos la batería y la electrónica de control y que se sustenta en el aire por el empuje de esos mismos motores y se dirige, al modificar las revoluciones en cada uno de ellos.
La última moda está en dotarlos de una cámara de vídeo y realizar planos imposibles... pero ése es otro tema que más adelante ya veremos si llegamos a ello.
Listado de algunos conceptos relacionados para comprender y/o desarrollar:
Ángulos de Euler
A(ϕ,θ,ψ)=R(ϕ,θ,ψ)N(ϕ,θ)P(ϕ)
Cabeceo o Pitch (elevator)
Alabeo o Roll (aileron)
Guiñada o Yaw (rudder)
Aviónica
IMU (Unidad de Medición Inercial)
AHRS (Attitude and Heading Reference System) Sistemas de Referencia de Actitud y Rumbo
Giroscopio
Acelerómetro
Barómetro
Magnetómetro
Sensores de 3, 6, 9, 10, 11 DOF (Degrees Of Freedom)
Control PID (Proporcional, Integral y Derivativo)
Control PID (Proporcional, Integral y Derivativo)
Filtro de Kalman
ESC (Electronic Speed Control) o Variador o Regulador
Motores Brushless (Sin escobillas)
BEC (Battery Eliminator Circuit)
SimonK (Simon Kirby)
FPV (First Person View)
Baterias LiPo (1S, 2S, 3S, 4S, etc.)
etc.
...Iremos tratando de ir entendiendo todos ellos.
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EL APARATO
El tamaño en este caso si importa y mucho, sobre todo el peso. Tras mucho leer por la Red, me marco el objetivo de poner en el aire un aparato de alrededor de 1Kg. de peso como máximo y de unas determinadas características.
Para ello necesitaré un chasis ligero, unos motores de alrededor de 1.000Kv (1.000 vueltas por Voltio) que son los que recomiendan todas las Webs consultadas y con un consumo de 10 a 12A. máximos, también los reguladores para dicho consumo deben ser al menos de 20A para dar el suficiente margen de funcionamiento. Se les supone un empuje entre 300 y 600g. y por último una batería LiPo de 3S (3 elementos) que dará 11,1V. y capacidad de 2.000 a 3.000mAh., teniendo en cuenta que a mayor capacidad de la batería, mayor peso.
El talón de Aquiles de estos aparatos es su escasa autonomía, es decir que vuelan sólo unos pocos minutos con la misma batería. Existe una regla no escrita que dice que un multirrotor necesita 50w por cada libra (inglesa) de peso para poder desplazar su propio peso. Si una libra son 453 gramos, tenemos que para 1Kg necesitamos 110w.
Por ello, si queremos volar más tiempo forzosamente precisamos de una batería de mayor capacidad, pero éso conlleva mayor peso. Así pues, hay que buscar el equilibrio entre peso desplazado y autonomía.
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LAS COMPRAS
15-11-14
Primer paso dado.
Por ahora estoy a la espera de recibir lo comprado en una web china especializada: HobbyKing y que son los 4 motores, hélices y estructura del Dron.
...también los 4 variadores para los motores. Son los que transformarán la corriente continua de la batería en la trifásica que precisan los motores para funcionar.
Existen de diferentes amperios de potencia, pero por la poca diferencia de precio he elegido éstos de 30A. Espero que el pequeño incremento de peso respecto a los de 20A (de 18g. a 28g.) no sea un lastre (nunca mejor dicho). Y además pueden servir para otros proyectos en el futuro. Los de 20A. los veo un poco justos teniendo en cuenta los altos consumos de estos motores.
No debería tardar más de 2 o 3 semanas en llegar el pedido...
Por ahora van 90€ (incluidos portes).
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17-11-14
Aprovecho para comprar en Ebay una emisora de radio control de 4 canales a 2.4Ghz. de iniciación que viene con el receptor correspondiente y que me servirá para este proyecto y otros de futuro. De todas formas aún no tengo decidido cómo gobernaré al Dron, si con esta emisora o con otros sistemas alternativos (tablet, móvil, wireless, bluetooth, etc.).
Van otros 35€ más.
Dejo para lo último la compra de la batería y cargador, ya que leo que es quizás, el elemento más delicado.
Respecto a la electrónica de control del vuelo del Dron, en principio la intentaré montar con el microcontrolador ya conocido Arduino, será un proyecto DIY (Do It Yourself), aunque me reservo probar con otras soluciones ya montadas, cosa que haré sobre la marcha.
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24-11-14
Tras mucho de darle vueltas al tema, por fin ya me he decidido a comprar una batería y cargador, Como aún no me fío demasiado de las compras en China, la he comprado en una tienda online de Andalucía ya que me ha parecido buena su oferta.
Al final la capacidad de la batería será de 2.200 mAh. y 3S (11.1 v.) que es una opción intermedia entre lo recomendado por el Kit del cuadricóptero (de 1.800 a 3.000 mAh.). Su peso es de 165 g. y me parece bastante ligero, un poco a ojo calculo unos 8 o 10 minutos de autonomía. La realidad dirá si estoy en lo cierto.
Más adelante ya veré si compro alguna otra de mayor capacidad.
Sumamos 55€ entre la batería (19€), el cargador (30€) y los portes.
A esperar el resto...
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PRIMEROS ENVÍOS...
27-11-14
Tal y como era de esperar, el pedido del cargador y batería han llegado pronto por mensajería desde Andalucía.
Hay una sorpresa y es que el modelo de cargador solicitado no ha pasado la prueba de funcionamiento en la propia tienda y me han enviado otro de superiores características al mismo precio. Todo un detalle de buen servicio que dice mucho a favor de esta tienda, Todo Hobby. Tomo buena nota para el futuro.
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| Cargador y batería |
La batería viene cargada perfectamente, da unos 12v. que compruebo con el tester...
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| Medición del voltaje de la batería |
...y ya puestos aprovecho para pesarla, 171g. es casi lo anunciado. Vamos bien...
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| Peso de la batería |
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04-12-14
Por fin llegó la emisora de radio control desde Hong-Kong.
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| Emisora RC |
Es muy básica (solo 4 canales) y de aspecto sencillo, pero creo que servirá bien como modelo de inicio.
El receptor que trae es para 6 canales, pero me temo que 2 sobran entonces... realmente es pequeño, pesa 12g. y éso es muy bueno para no cargar demasiado el dron.
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| Receptor RC |
Mientras llega lo que falta, intentaré probar la emisora conectándola de alguna forma al Arduino
Ahora a esperar los reguladores (ESC) y el chasis con los motores del dron.
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MANOS A LA OBRA
MANOS A LA OBRA
08/12/14
Estoy impaciente, así que decido buscar cómo probar la emisora...
Encuentro un ejemplo en la Web Ardumania que me permite comprobar que la emisora china funciona perfectamente. Recomiendo su lectura ya que explica muy bien el funcionamiento de la comunicación emisora-receptor y las señales que manejan por cada canal.
Pero antes de nada quiero medir el consumo del receptor, aprovecho la alimentación de 5v del Arduino para conectarlo y me da unos 21mA. que es muy poco. Es importante saberlo ya que lo suministrará la única batería del dron.
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| Medición del consumo del receptor |
Ahora ya puedo introducir el código del programa para el Arduino...
Siguiendo el ejemplo leeré los valores del canal 3 (acelerador o throttle) en la entrada 7 de arduino y lo visualizaré en pantalla por el monitor serie...
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| IDE Arduino |
y al encender la emisora, ya empiezan a llegar los datos del canal 3...
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| Monitor serie |
coincide que tengo el acelerador abajo del todo y me dan valores de 1.800 microSeg. Al mover la palanca hacia arriba varia a 1.100 microSeg. Los valores son correctos ya que se supone un rango de funcionamiento entre 1 y 2 miliSeg. osea 1.000 y 2.000 microSeg.
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| Monitor serie |
Objetivo cumplido. La emisora y el receptor parecen funcionar perfectamente.
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LLEGA EL RESTO
11-12-14
Cumpliendo plazos, llegan el chasis, los motores y las hélices por un lado y los reguladores por otro.
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| Detalle del tamaño del motor y hélices |
Me sorprende un poco el gran tamaño de las hélices, aunque claro son 8 pulgadas... Observar que vienen en parejas con sentido contrario de giro, es decir sentido del reloj y contra reloj.
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| Detalle del conjunto Regulador - Motor |
El funcionamiento de los Reguladores (ESC), se puede configurar bien desde la propia Emisora o bien con esta pequeña tarjeta de programación. Se trata de cambian los "jumpers" de posición y darle alimentación. En la foto se aprecia los distintos parámetros así configurables.
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| Tarjeta de programación de los ESC |
Capítulo aparte merece, todo lo relacionado con la configuración del funcionamiento de los Reguladores.
Existe una forma de "tunearlos" para cambiar su respuesta a las ordenes que reciben, se trata en resumen de "reprogramarlos" con un software específico llamado SimonK, no olvidemos que llevan un chip microcontrolador que ejecuta un programa, con ello se consigue un funcionamiento más suave de los motores y otras características y mejoras que por defecto no traen de fábrica dichos Reguladores. Pero ésto lo dejamos para más adelante...
Vamos a ir pesando los distintos componentes para comprobar que estamos en gálibo.
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| Peso del chasis |
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| Peso Motores con hélices |
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| Peso reguladores |
Todo en orden y según el peso previsto. Abajo una primera presentación de los componentes colocados de forma provisional para ver por fin que aspecto tendrá.
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| Vista del conjunto presentado |
El peso de todo el conjunto de componentes recibidos hasta ahora incluida la batería es de 662 gramos. Todavía falta la electrónica de control pero éso serán unos pocos gramos más.
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| Peso total |
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Enero 2015
LA ELECTRÓNICA DE CONTROL DEL VUELO
Durante el periodo navideño, he profundizado un poco sobre el funcionamiento de lo que debe ser una Controladora de vuelo. Se trata básicamente de modificar el empuje de cada uno de los motores para compensar las desviaciones del aparato, debidas a la inestabilidad de él mismo o inducidas por agentes externos como puede ser el viento u otros.
La controladora debe medir a través de los sensores (giroscopio y acelerómetro principalmente) el movimiento y los ángulos del vuelo del dron, de una forma constante y rápida (control PID), para en décimas de segundo calcular las correcciones de los mismos y aplicárselas a los motores a través de los reguladores. De esta forma varían su empuje modificando su velocidad hasta alcanzar la estabilidad del aparato.
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| Controladora de vuelo |
Además de todo lo anterior, también debe obedecer al piloto y dirigir la nave en la dirección deseada, tanto en altura como en longitud, por lo que se complican aún más los algoritmos de cálculo.
Otros sistemas más sofisticados incluyen GPS y pueden seguir un plan de vuelo pre-establecido o control de la altitud mediante un altímetro-barométrico.
En caso de que deseemos montar nosotros mismos una controladora de vuelo, en las figuras inferiores podemos observar algunos de los sensores que este tipo de dispositivos pueden llevar. Con el sensor MPU-6050 (giroscopio y acelerómetro) y el BMP-180 (altímetro-barométrico) conectados a un microcontrolador del tipo Arduino, Raspberry, Pic, etc. y con el software apropiado que procese los datos generados por ellos, podríamos tener un sencillo sistema de control.
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| MPU-6050 |
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| BMP-180 |
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| Ejemplo de conexión vía bus I2C |
Con el conjunto de elementos anteriores de ejemplo, se podría decir que ya tenemos una IMU (Unidad de Medición Inercial) aparato que mide y da información de la velocidad, orientación y fuerzas gravitacionales o incluyendo además un GPS un sistema AHRS (Sistema de Referencia de Actitud y Rumbo). Que no dejan de ser modelos más simplificados de los sistemas reales y sofisticados utilizado en aviación.
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| Horizonte artificial |
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| Horizonte artificial |
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| Completo sistema AHRS |
En fin, existe un universo de posibilidades.
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Tras el parón navideño y viendo que es muy complejo para mi nivel matemático los cálculos y algoritmos a realizar, decido que la electrónica de control del vuelo la voy a comprar hecha.
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| Ejemplo de algoritmo de control |
Abandono por el momento el diseño propio del controlador de vuelo con Arduino y sensores como giroscopio, acelerómetro, magnetómetro... Quizás más adelante!
Existen muchas soluciones en el mercado del modelismo para elegir:
ArduPilot
OpenPilot
MultiWii
ArduCopter
Naze32
KK2.1
AeroQuad
etc.
Algunas son de hardware y software abiertos, otras son soluciones comerciales cerradas pero todas tienen en común que funcionan con uno o más microcontroladores y varios sensores, el precio puede oscilar desde unos 20€ hasta varios cientos en función de lo sofisticado del sistema.
Mi elección es el conocido KK2.1 de HobbyKing, ya que tiene un precio asequible (25€ aprox.) y es una solución más que probada.
Una vez comprado en China y tras esperar las 3 semanas reglamentarias, llega el pedido sin novedad.
Así que compruebo que todo funcione correctamente conectando el receptor de Radio Control al Controlador KK y éste al Arduino y leyendo por su puerto serie los datos recibidos canal a canal, al mover los mandos de la emisora. Todo perfecto!
EMPIEZA EL MONTAJE
Con todas las piezas ya recibidas sólo queda ponerse manos a la obra y a ensamblar el engendro. Con el envío del Controlador KK también me llegan unos protectores de hélices que he pedido para protegerlas de posibles daños en caso de mi impericia como piloto o algún otro imprevisto.
Horror!!!
Primer problema, no hay espacio suficiente para alojar la bateria donde tenía pensado, es muy estrecho y me harían falta unos 4 o 5 mm más de anchura.
Decido poner un suplemento realizado con madera.
...y el resultado es este
Seguimos con el montaje y cableado...
...y también hay que soldar los terminales de conexión de los reguladores al "pulpo" que reparte la energía de la batería.
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| Soldadura de los terminales |
...cubrimos las soldaduras entre los cables y en los terminales con tubo termorretráctil,
1er. motor "Ready".
No puedo dejar de probar el primer motor ya montado en el dron con su regulador incluido. Una vez montada la hélice, conecto el canal 3 (acelerador) del receptor de RC directamente al regulador (ESC) y ésto es lo que pasa...
De forma empírica, he medido el consumo de amperios del motor de varias formas.
- Con el motor sin hélice y a máximas revoluciones da 1A.
- Con hélice montada y sin el peso de la batería, arranca el vuelo al llegar a 1,5A. (video).
- Igual pero con el peso de la batería, arranca el vuelo al llegar a 3,5A.
Me aventuro a predecir que con los 4 motores y equipado al completo, este dron debe despegar con un consumo total de unos 14A. mínimo.
Llegados a este punto, ahora sí podemos precisar un poco mejor la autonomía de vuelo. Si tenemos una batería de 2.200mA Hora y el consumo mínimo para el despegue es de 14A (14.000mA), con una simple regla de tres inversa calculamos el tiempo de vuelo:
2.200 x 60 / 14.000 = 9,42 minutos
...pero no hay que dejar agotar la batería al máximo porque a las LiPo no les sienta nada bien y pueden "morirse" muy pronto. Todos los expertos recomiendan no pasar del 80% de la carga consumida, asi que será mejor tomar el 80% de 2200 mA que son 1760 mA.
1.760 x 60 / 14.000 = 7,54 minutos
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MONTAJE FINALIZADO
Febrero 2015
Tras algunos ratos más de bricolaje, por fin está montado o éso creo... Al final pesa 780g.
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| Todo preparado |
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05-03-2015
Hoy tiene que ser el día!!! Llegó la hora de la verdad...
La impaciencia me corroe y en un descampado relativamente cercano, me decido a VOLAR en una preciosa tarde de finales de invierno, a pesar del viento.
Asigno a mi hija la tarea de reportera gráfica del evento.
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| Últimos preparativos |
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| Motores en marcha |
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| Se eleva unos centímetros y vuela
...y con fuerte viento de Levante
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Me resulta difícil controlarlo ya que no tengo aún la habilidad suficiente y a pesar del viento, sigo intentando volar. Al final no le he puesto los protectores de las hélices y porrazo tras porrazo voy mellandolas.
LA IMPACIENCIA ES MALA CONSEJERA
(el desastre)
Informe inicial de daños:
- Una pata del chasis rota.
- Varios cables seccionados por las hélices.
- La batería desprendida y arañada.
- Tres hélices con muescas en sus palas.
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| Daños tras el accidente |
Una vez en casa y revisando en profundidad, observo que un regulador (ESC) no funciona. Por otro lado, ahora me entero que existe una forma de activar la estabilización automática (Auto Self-Level) en la controladora, y que facilita mucho el manejo del aparato.
También a posteriori descubro que antes del despegue, hay que calibrar los reguladores para que al acelerar todos actúen a la vez sincronizados, controlando los motores.
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CONCLUSIONES
En los deportes aéreos, la SEGURIDAD debe ser lo primero. He podido comprobar en primera persona que cualquier cabo suelto, improvisación o precipitación puede acabar mal muy fácilmente.
Hasta el más mínimo detalle es importante, los cables han resultado estar demasiado sueltos, la batería poco sujeta, los aterrizajes demasiado bruscos por mi impericia y sobre todo el viento, que parecía flojo y resultó ser definitivo.
En este caso, afortunadamente nada que no se pueda arreglar con otro pedido de repuestos a China para sustituir las piezas rotas.
Lección aprendida.
Ensayo-error, ensayo-error, ensayo-error...
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MANEJO BÁSICO
Voy a describir el manejo básico de un aparato como éste utilizando los propios mandos de la emisora. Quizás debía haber empezado por ahí.
Todas las emisoras distribuyen los dos Sticks principales en Modo-1 o Modo-2. En Europa usamos el Modo-2, que básicamente define que el acelerador y el timón de dirección se encuentran a la izquierda de la emisora. A la derecha tenemos alerones y profundidad. Naturalmente podemos tener emisoras de más de esos cuatro canales básicos y gobernar otras cosas.
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| Emisora de gama alta |
Siempre hay que encender la emisora antes de nada y poner el acelerador al mínimo. Después conectamos la batería al Dron e inmediatamente éste no avisa mediante unos pitidos que ya se encuentra listo en modo SAFETY (Seguridad), esperando que lo activemos en modo de vuelo aquí llamado ARMED (Armado).
La forma de Armar el Dron es poniendo el Stick izquierdo al mínimo y a la derecha del todo, hasta oir el pitido largo que indica que se ha Armado.
Para Desarmar el Dron haremos lo mismo pero poniendo el Stick izquierdo al mínimo y a la izquierda del todo, igualmente hasta oir el pitido largo que nos avisa que ya se encuentra en modo SAFETY.
La última cuestión básica trata de la activación del modo de auto-estabilización, que puede ser activado o bien mediante un canal adicional de la emisora específico para ello o mediante una combinación de posiciones de los Sticks.
En mi caso se activa con el Stick derecho a la derecha del todo y el Stick izquierdo abajo y a la derecha o izquierda a tope hasta oir el pitido de activación. Se desactiva repitiendo lo mismo pero con el Stick derecho a la izquierda del todo hasta oir también el pitido de aviso.
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LA SEGUNDA OPORTUNIDAD
03-04-2015
Tras las tres semanas de espera reglamentarias para recibir los repuestos, he vuelto a ensamblar el chasis con la pata nueva y con el nuevo regulador. También he ordenado un poco mejor los cables, aunque ya me empieza a parecer una misión imposible.
También he incluido una base flotante para fijar la centralita de control del vuelo. Su función es la de atenuar las vibraciones del aparato en los sensores, con el fin de que no interfieran en el buen funcionamiento de los mismos. Se trata de una primera base que se apoya en cuatro tacos de goma a modo de silentblock, sobre una segunda base fijada al chasis.
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| Detalle de la base flotante |
Ahora SI, en un solitario emplazamiento con cesped blandito para los aterrizajes, sin viento apreciable y conectando el modo de auto-estabilización, VUELO con cierta facilidad y puedo disfrutar del Dron durante un corto espacio de tiempo. Lo siento pero hoy no hay vídeos.
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| Casi todo perfecto |
Experimento con diferentes parámetros del control del vuelo ya que oscila un poco. Creo que es la llamada Ganancia-P. de la configuración del control PID.
Seguiremos investigando, ésto no ha hecho más que empezar...
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| Volando! |
Seguiremos investigando, ésto no ha hecho más que empezar...
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| Cambiando parámetros de vuelo |
Muy importante es elegir un lugar no poblado y sin gente cerca para evitar molestar a nadie.
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| Obligatorio sin gente cerca |
...continuará.
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Verano 2015
Tras varios meses de parón, llegan la vacaciones de verano y aprovecho para retomar los vuelos y ver si progreso con el pilotaje. Tengo un campo libre cerca de la residencia estival y decido que es perfecto para volver a volar ya que tiene la hierba muy alta y blandita para los aterrizajes.
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| Campo de vuelo |
Aquí hay un vídeo de un vuelo:
He descubierto que muy pronto por la mañana (antes de las 10h.) hay una calma chicha de viento total, es cuando mejor vuelo, ya que por poco que sople me desestabiliza fácilmente.
A partir de las 11h. ya sopla un ligero viento que hace más difícil dominar el vuelo y en una ocasión me provocó un accidentado aterrizaje, con el resultado de la rotura de la antena del receptor de radio control.
Con unas herramientas improvisadas me hago un soporte de taller y procedo a soldar de nuevo la antena al receptor.
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| Soporte improvisado |
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| Antena ya soldada |
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| Detalle del receptor reparado |
Otro vídeo de vuelo:
En resumen y después de dos semanas de vuelos matutinos casi a diario, puedo sentirme satisfecho de lo conseguido, he podido por fin disfrutar de unos momentos estupendos todo y éso teniendo en cuenta lo "casero" del aparato y sobre todo el "ingeniero"...
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