Diseño y fabricación de un UAV multirrotor de uso profesional

Autores:

• Jesús Miguel Laliena (jelalien@unirioja.es)
• Javier Rico Azagra (javier.rico@unirioja.es)
• Silvano Nájera Canal (silvano.najera@unirioja.es)
• Montserrat Gil Martínez (montse.gil@unirioja.es)

Partiendo de un chasis prefabricado, así como de una serie de componentes ya adquiridos (motores, hélices, reguladores de velocidad…), se plantea la construcción de un hexacóptero de gran envergadura capaz de portar una carga útil de hasta 9 kilos. Como principal requisito, se fija un tiempo de vuelo en hover superior a los 30 minutos. Esto exige estudiar todas las posibles alternativas Li-Ion, tecnología de baterías recargables que predomina en este sector. Con anterioridad a estos cálculos, se realizan varios ensayos para identificar los parámetros que caracterizan a los rotores según el nivel de batería con que son alimentados. Estos resultados permiten estimar de forma fiable el tiempo de vuelo propiciado por cada tipo de batería. Como novedad, se decide incluir en el estudio los modelos Li-Ion INR, de gran fama y asequibilidad en los últimos años. Frente a las tradicionales baterías Li-Ion LiPo, las INR despuntan en prácticamente todos los campos (menor precio, mayores tiempos de vuelo, mayor vida útil y seguridad). Además, su formato estándar 18650 permite albergarlas en el interior del chasis del UAV, previo rediseño del mismo.

Bajo estas premisas, el presente trabajo propone un sistema modular de baterías Li-Ion INR que se toma como punto de partida para el diseño y mecanizado del chasis del UAV. Se aprovecha la ocasión para dotarlo de una mayor robustez, ergonomía, funcionalidad y maniobrabilidad.

Se plantean varias distribuciones de baterías, optándose finalmente por la que facilita la extracción de cada módulo para su carga o reemplazo. Esta tarea se simplifica por medio del diseño de carcasas que los alojan e interconectan a una placa electrónica central de distribución de potencia, lográndose así que el fallo de uno de los módulos de baterías no afecte a ningún motor en particular.

De cara a la fabricación del chasis, se estudian cuatro tipos de planchas de 2 milímetros de espesor, dos de ellas puras (fibra de carbono y fibra de vidrio) y otras dos de tipo sándwich (fibra de carbono-kevlar, y fibra de carbono-vidrio). La plancha pura de fibra de carbono es la finalmente seleccionada debido a sus excelentes propiedades mecánicas y precio. Para su fresado se utiliza el complemento SolidCAM de la plataforma SolidWorks y la fresadora High-Z S-1000T.

Por otro lado, el diseño de las carcasas presenta dos compartimentos, uno reservado para el módulo de baterías y otro para la electrónica encargada de informar de su estado de carga (SOC, State Of Charge) y de salud (SOH, State Of Health) durante el vuelo y el reposo. El despiece de la carcasa procura evitar un uso excesivo de material de soporte durante su impresión, cuidar las calidades superficiales y aportar la máxima resistencia a la rotura.

El ensamble final del UAV demuestra cumplir con los requisitos iniciales: se comprueba que las inercias y la posición del centro de gravedad son las idóneas para su futuro control. Conocido el peso definitivo del UAV, se realizan ensayos de descarga sobre las baterías INR seleccionadas que validan experimentalmente la obtención de un tiempo de vuelo en hover superior a los 30 minutos.

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