En el mundo de los drones, los UAV y las aeronaves eVTOL, tener una configuración optimizada de motor y hélice no sólo permite que su aeronave vuele, sino que tenga un rendimiento óptimo.
Los datos de los fabricantes pueden darte una idea de qué motores y hélices funcionarán en tu diseño, pero las pruebas no están estandarizadas, por lo que es imposible comparar piezas de distintos fabricantes.
He aquí algunas formas en que un soporte de empuje puede ayudarle a mejorar el rendimiento del dron:
- Aumentar el tiempo de vuelo - Obtener diagnósticos
- Aumentar la carga útil - Mejorar la seguridad
- Aumentar la autonomía - Obtener la certificación
- Comprobar los niveles de ruido - Mejorar el diseño de la estructura
- Reducir las vibraciones - Asegurar la calidad
- Aumentar la fiabilidad - Estudiar la respuesta del acelerador
- Prevenir la formación de hielo en vuelo - Aprender de la replicación de vuelos
- Mantenimiento preventivo - Evite sobrecalentamientos y averías
Dron fumigando el campo de un agricultor
A lo largo del proceso de pruebas, los estudiantes pudieron determinar que unos componentes eléctricos más ligeros rendirían igual de bien y encontraron un motor más eficiente que el que utilizaban hasta entonces. El resultado fue que aumentaron el tiempo de vuelo de su helicóptero de 3 a 7 minutos sin comprometer el ruido ni la carga útil (y se les ocurrió una idea para una gran empresa aeroespacial). Este ejemplo demuestra que se puede mejorar el tiempo de vuelo mediante modificaciones básicas del diseño centradas en el aumento de la eficiencia.
Más información: Cómo aumentar el tiempo de vuelo de su dron
Los drones para aficionados suelen tener una carga útil de hasta 2 kg, mientras que los drones de la categoría de "carga pesada" pueden transportar cientos de kilogramos de carga. Sean cuales sean sus requisitos de carga útil, probar varias configuraciones de motor/hélice puede garantizarle la mejor relación calidad-precio. SkyDrive, una empresa aeroespacial con sede en Tokio, utiliza este tipo de pruebas para optimizar la geometría, el tamaño y los componentes de sus drones. Recientemente, han conseguido construir un dron de carga pesada capaz de volar 15 minutos con una carga útil de 30 kg. Su producto final, "CargoDrone", contiene 4 rotores coaxiales para un total de 8 hélices y motores.
Sky Drive Cargo Drone
La mejora de las antenas y los extensores de alcance ha aumentado enormemente nuestra capacidad para volar UAV en territorios inexplorados. El factor limitante ya no es la distancia a la que podemos comunicarnos con el dron, sino el tiempo que el vehículo puede permanecer en el aire con una sola carga. Probar el sistema de propulsión de un dron puede ayudar a ampliar su autonomía al maximizar la eficiencia del tren de potencia, lo que contribuye a un mayor tiempo en el aire. Esto es especialmente importante cuando se realizan misiones en terrenos inaccesibles o sobre el agua.
Si un dron no puede reunir la potencia necesaria para el viaje de vuelta, podría perderse por completo. Los proyectos ambiciosos de videografía y los vuelos de reconocimiento requieren una garantía de que el vehículo y las imágenes recogidas no se perderán. Con esta garantía, se pueden recoger imágenes fantásticas con confianza, como este impresionante recorrido por el Matterhorn en los Alpes suizos. Probar y optimizar su sistema de propulsión puede hacer posibles estos vuelos con la ventaja añadida de saber exactamente qué esperar de su UAV.
Mientras muchos esperan con impaciencia el futuro de los drones y las aeronaves eVTOL, una de las mayores preocupaciones sociales sigue siendo el aumento de los niveles de ruido y su impacto en nuestro medio ambiente. Con la posibilidad de que los drones vuelen por encima de nuestras cabezas entregando paquetes, inspeccionando edificios y llevando a la gente al trabajo, se trata de una preocupación justa y válida. Para muchas aplicaciones de drones, la cantidad de sonido producido será un factor importante a la hora de decidir si se utilizan o no. Esto es cierto no sólo para las aplicaciones cotidianas, sino especialmente para las operaciones de vigilancia y reconocimiento que exigen silencio. Probar el sistema de propulsión de su dron le permite anticipar los niveles de ruido producidos y resolver cualquier problema antes de que realice su primer vuelo. En última instancia, este conocimiento puede dar lugar a una solución de UAV más eficaz y competitiva.
Un ejemplo inspirador de esta tecnología es la vigilancia de la vida salvaje y los esfuerzos de conservación.
El programa "SnotBot" de Ocean Alliance utiliza drones de consumo modificados para recoger muestras orgánicas de ballenas con el fin de conocer mejor la salud de la población. Los drones utilizados en estas expediciones son excepcionalmente silenciosos para no molestar ni asustar a las ballenas, un requisito primordial para la sostenibilidad de sus investigaciones. Los motores y las hélices producen la mayor parte del ruido en un UAV, por lo que probar y comparar motores y hélices es tu mejor apuesta para concebir la versión más silenciosa de tu diseño.
Todas las cadenas cinemáticas generan cierto grado de vibración, pero una reverberación excesiva puede dañar los componentes y, por lo general, es indicativa de falta de eficacia. Realizar una prueba de vibración de su sistema de propulsión es una excelente manera de equilibrar su propulsor, detectar ineficiencias y racionalizar su diseño. Al hacerlo, probablemente notará que las piezas duran más y obtendrá más rendimiento de una sola carga de batería.
Reducir las vibraciones es especialmente importante en el mundo de la videografía con drones, donde las vibraciones pueden provocar vídeos movidos o borrosos, síntomas del efecto gelatina. Los estabilizadores y la edición de postproducción pueden mejorar la calidad de los vídeos, pero reducir la cantidad de vibraciones puede ahorrar tiempo y dinero. Conseguir estos vuelos y vídeos más suaves puede lograrse fácilmente con un poco de pruebas.
Existe un gran incentivo para aumentar la fiabilidad en la industria de los drones, ya que la tasa de fallos de los drones es aproximadamente dos órdenes de magnitud superior a la observada en la aviación comercial. Para que los UAV asuman funciones que actualmente ocupan las aeronaves tripuladas, su fiabilidad, o tiempo medio entre fallos (MTBF), debe aumentar. Probar su sistema de propulsión puede ayudar a prevenir y predecir fallos, ya que los datos pueden proporcionar información sobre el estado de sus componentes.
Realizar una evaluación de Fiabilidad, Disponibilidad, Mantenibilidad y Seguridad (RAMS), por ejemplo, es una excelente forma de demostrar la fiabilidad de nuestro dron, ya que se trata de una prueba reconocida en el sector que los consumidores reconocen y en la que confían. Una vez que se ha optimizado un sistema, los datos de las pruebas de fiabilidad pueden ser un recurso útil de referencia o incluso publicarse como parte de una estrategia de marketing.
Las pruebas de motores y hélices pueden ayudar a comprender cómo afectan los factores ambientales a su dron, como el riesgo y el impacto de la formación de hielo en vuelo. La formación de hielo en vuelo o "hielo atmosférico" puede ser un obstáculo importante para las operaciones con drones, ya que la acumulación de hielo modifica las propiedades aerodinámicas de la aeronave. La acumulación de hielo aumenta el peso y la resistencia, lo que provoca una pérdida de sustentación e inhibe la capacidad de vuelo del dron. Los experimentos del NRC en el túnel de viento también demostraron cómo la temperatura y el tipo de hélice influyen en la acumulación de hielo, y que el par motor aumenta linealmente con el tiempo de exposición a condiciones de formación de hielo. La resistencia al frío es clave para los drones que operan en climas fríos, a gran altitud y en condiciones meteorológicas adversas.
Saber cómo responde un dron a las bajas temperaturas puede ayudar a diseñarlo en consecuencia y a determinar si sus operaciones requieren una inversión adicional en productos descongelantes. UBIQ Aerospace, líder mundial en tecnología de deshielo, estudia los patrones y efectos de la acumulación de hielo en los UAV probando la aerodinámica de las hélices en experimentos en túneles de viento. Sus pruebas les han permitido perfeccionar su tecnología D-ICE, que mitiga la acumulación de hielo en los UAV de ala fija. Para cualquier operación con drones en climas fríos, las pruebas con hélices pueden ser una fuente de información inestimable para anticipar el rendimiento.
Más información: Qué condiciones provocan la formación de hielo en los drones
Gráfico de hielo D-ICE
Una de las mejores formas de ahorrar tiempo y dinero en el mantenimiento de drones, y en el mantenimiento de cualquier vehículo, es reparar el desgaste antes de que se convierta en un problema. Es infinitamente mejor invertir en piezas de repuesto que tener que sustituir un dron entero debido a un fallo fatal.
Comprobar los motores y las hélices es una parte importante de este protocolo, ya que los daños no siempre son evidentes. Una erosión menor provocada por el agua o los residuos puede afectar a la eficiencia del motor, limitando así el rendimiento del dron. Las hélices también pueden desequilibrarse con el tiempo y sufrir mayores vibraciones, desgastando todo el sistema de propulsión. Realizar pruebas en el sistema de propulsión como parte de su programa de mantenimiento preventivo puede ayudar a detectar estas ineficiencias, lo que se traduce en una mejora del rendimiento del dron y un gran ahorro de tiempo y dinero.
Además de en la fase de diseño, los datos del motor y la hélice pueden ser útiles durante toda la vida útil de su vehículo. Registrar diagnósticos a intervalos programados, cada 50 horas de vuelo, por ejemplo, puede ayudar a controlar el rendimiento de un dron a lo largo del tiempo. Estas pruebas son útiles para detectar el desgaste y la pérdida de eficiencia.
Las pruebas de diagnóstico de motores y hélices también pueden proporcionar información sobre por qué un UAV no ha estado rindiendo de forma óptima, o avisar de que puede no alcanzar el rendimiento esperado debido a daños imprevistos. Los drones que funcionan en entornos con mucha humedad, altas temperaturas o polvo y suciedad pueden desgastarse antes de lo esperado y sorprenderle con tiempos de vuelo más cortos de lo previsto o un rendimiento del acelerador máximo inferior al esperado. Las pruebas de diagnóstico del sistema de propulsión pueden detectar estos puntos débiles antes de que se produzca un fallo, evitando situaciones incómodas o potencialmente peligrosas.
La seguridad es quizá la principal preocupación de inversores y reguladores en el sector de los drones y los vehículos eléctricos. Sin ciertas garantías, no se permitirá que los vehículos aéreos entren en el mercado y cumplan su propósito. Conseguir un diseño más seguro puede lograrse de forma relativamente indolora probando los componentes del sistema, especialmente los motores y las hélices que completan miles de revoluciones por minuto.
Un mejor conocimiento de estos elementos puede ayudar a prevenir el sobrecalentamiento, los fallos del motor, la pérdida de potencia y otros, evitando así accidentes y lesiones. A medida que nuestros cielos se pueblan cada vez más de vehículos aéreos, los ciudadanos deben sentirse seguros de que funcionarán según lo prescrito, sin suponer una amenaza para las actividades humanas. Las pruebas de seguridad pueden aumentar significativamente la credibilidad de los vehículos individuales y de la industria en su conjunto, garantizando el rendimiento y promoviendo la tranquilidad de los inversores, los funcionarios gubernamentales y el público por igual.
Para muchas operaciones comunes con drones se requiere un permiso especial en forma de exención o dispensa de una autoridad reguladora. En EE.UU., por ejemplo, se requiere una exención para cualquier operación no incluida en la Parte 107 de la normativa sobre pequeños UAS de la FAA. La lista de operaciones que requieren una exención incluye volar de noche, más allá de la línea de visión visual (BVLOS), sobre personas, a más de 400 pies sobre el nivel del suelo (AGL) o a más de 100 millas por hora. Naturalmente, esta lista se solapa con las actividades de muchos aficionados y operadores comerciales de drones.
La obtención de una exención depende en gran medida de la capacidad del solicitante para convencer a la FAA de que su operación es segura, y la realización de pruebas exhaustivas del sistema de propulsión de un UAV es una parte importante de la evaluación de un vehículo seguro. La realización y demostración de la replicabilidad de las pruebas de propulsión puede apoyar en gran medida una solicitud de exención, al tiempo que proporciona al diseñador información valiosa. Aunque las normativas varían en todo el mundo, muchos diseñadores encontrarán que los datos de propulsión son útiles u obligatorios para las certificaciones de drones en todo el mundo.
Drone de ala fija de la Universidad Concordia
Mejorar la eficiencia de un dron es un proceso circular que comienza con ciertas suposiciones. Estas suposiciones pueden incluir el peso total del dron y el peso de los componentes individuales, así como su uso previsto. Una vez hechas estas suposiciones iniciales, las pruebas de propulsión pueden ayudar a determinar si su diseño cumplirá los requisitos para el fin propuesto. Para los drones de carreras, puede determinar si su diseño cumplirá los requisitos de velocidad o, para un dron de reparto, si alcanzará los mínimos de tiempo de vuelo.
Lo mejor es que si tu diseño inicial no satisface tus necesidades, puedes cambiar los motores y las hélices para encontrar una configuración ideal. Una vez que hayas encontrado la configuración ideal del tren de potencia, también puedes probar nuevas baterías o modificar el chasis. Las hipótesis iniciales guían el proceso de optimización, pero una vez que hayas completado una ronda de revisión, podrás tomar decisiones informadas sobre otras modificaciones de tu diseño.
Más información: Cálculos y suposiciones para el diseño de drones
Las pruebas de propulsión pueden reforzar y legitimar la garantía de calidad ofrecida a inversores y clientes potenciales. Respaldar un argumento de marketing con datos rigurosos sobre el rendimiento es una forma excelente de fomentar la confianza en su producto y dar a su equipo de ventas una ventaja competitiva. Además de las ventas, las pruebas de sus motores y hélices pueden proporcionar información valiosa para las hojas de datos y permitir a los diseñadores respirar tranquilos sabiendo que los vehículos funcionarán como se anuncia.
Las pruebas de propulsión también le permitirán estandarizar aún más los productos, garantizando que cada unidad funcione igual. Esto se traduce en menos tiempo dedicado a las solicitudes de asistencia al cliente, ya que el nivel adicional de seguridad garantizará un menor número de productos defectuosos que salen de las instalaciones. Tanto si su empresa es grande como pequeña, probar motores y hélices es una forma excelente de legitimar su garantía de calidad y asegurar la coherencia entre los productos.
A menudo es necesario conocer la rapidez con la que un sistema de propulsión puede reaccionar a un cambio en la entrada de control. Los datos de estas pruebas proporcionan información sobre la rapidez con la que el UAV puede reaccionar a perturbaciones como las ráfagas de viento. Una forma típica de probar físicamente la reactividad de un sistema de propulsión es someterlo a una señal de control de barrido de frecuencia. Un barrido de frecuencia es una señal sinusoidal cuya frecuencia se varía constantemente para cubrir todo el espectro de frecuencias que se desea probar. Con los datos recogidos, el diseñador del UAV puede determinar la rapidez con la que el sistema de propulsión puede reaccionar a cambios bruscos en el acelerador.
Otro método para conocer el tiempo de reacción de un sistema de propulsión es someterlo a una entrada escalonada. Mientras se registran los datos a alta velocidad, se aplica un cambio brusco en el acelerador. Al cabo de un tiempo, el propulsor se estabiliza a una nueva velocidad de rotación. El tiempo que tarda en estabilizarse la velocidad se conoce como tiempo de estabilización. Por último, una prueba de derivada integral proporcional (PID) puede medir la consistencia de su sistema de propulsión durante un período prolongado de tiempo ordenando un empuje constante y específico. Estas pruebas pueden realizarse utilizando un dinamómetro con suficientes capacidades de scripting, lo que permite una comprensión completa de la respuesta del acelerador de un UAV.
Las pruebas de propulsión pueden contribuir a una replicación de vuelos más sencilla y eficiente para aplicaciones como la agricultura, la topografía y la investigación, entre otras. La capacidad de grabar vuelos utilizando equipos de pruebas de propulsión permite a los diseñadores planificar y guardar una ruta automáticamente, y reproducir los datos del acelerador más tarde. Sin salir siquiera del laboratorio, los diseñadores pueden optimizar su plan de vuelo basándose en los datos recogidos sobre el rendimiento del motor y la hélice. Las aplicaciones agrícolas de la tecnología autónoma de los UAV suelen basarse en el principio de la eficiencia, minimizando los costes de mano de obra y de insumos, con la ventaja añadida de proteger la salud humana.
El dron agrícola de Airboard Agro es un buen ejemplo, ya que fumiga cultivos siguiendo rutas preprogramadas en terrenos difíciles, realizando el laborioso y repetitivo trabajo que antes realizaban los humanos. Para aprovechar realmente los beneficios de esta tecnología, los drones deben optimizarse para la tarea específica que van a realizar, teniendo en cuenta la velocidad, el empuje y la estabilidad necesarios. Las pruebas de propulsión son un gran recurso para mejorar estas réplicas de vuelo y garantizar que los UAV alcancen su máxima eficiencia en misiones autónomas.
Drone agrícola sobre un campo de algodón
Una de las causas más comunes de fallo de los drones es el sobrecalentamiento del motor que conduce a su fallo. La temperatura máxima y los valores nominales de voltaje a menudo se proporcionan con los motores eléctricos, pero puede no estar claro cuando su motor se está acercando a estos límites. Además, a pesar de que la refrigeración del motor depende de la corriente, los valores nominales de corriente no son estándar en la industria. Una forma de comprobar los límites de un motor es medir su temperatura a distintos intervalos de velocidad mediante sondas térmicas, una estrategia útil para evitar averías.
En la Universidad Estatal de Kent (Ohio), el laboratorio del Dr. Blake Stringer está realizando este tipo de pruebas térmicas con motores eléctricos para investigar sus propiedades térmicas y estudiar la gestión de los motores eVTOL de los SUAS en condiciones de alta potencia. Este vídeo producido en su laboratorio muestra las desafortunadas consecuencias del desbocamiento térmico, que provoca el sobrecalentamiento y la destrucción del motor. Estos estudios son cada vez más importantes a medida que las operaciones con drones se alargan y se adentran en climas más duros y calurosos. Probar los motores en una fase temprana del proceso de diseño puede evitar el sobrecalentamiento y, en última instancia, ahorrar el coste de sustituirlos.
Más información: Cómo automatizar las pruebas de propulsión de tu dron
Conclusión
Esperamos que este artículo haya demostrado la multitud de beneficios que conlleva probar el sistema de propulsión de tu dron. Ofrecemos varias herramientas que pueden realizar estas funciones de prueba y ayudarle a llevar su diseño al siguiente nivel:
Serie 1585 - mide hasta 5 kgf de empuje / 2 Nm de torsión
Flight Stand 15 - mide hasta 15 kgf de empuje / 8 Nm de par motor
Flight Stand 50 - mide hasta 50 kgf de empuje / 30 Nm de par motor
Flight Stand 150 - mide hasta 150 kgf de empuje / 150 Nm de par de torsión
Flight Stand 500 - mide hasta 500 kgf de empuje / 1500 Nm de par motor
Windshapers - túneles de viento al aire libre para pruebas de vuelo libre
Nuestros bancos de pruebas miden el empuje, el par, las RPM, la corriente, el voltaje, la potencia mecánica, la potencia eléctrica, la eficiencia del motor, la eficiencia de la hélice y la eficiencia global.
#dron #ensayodron #testdron #tytorobotics #sidilab #bancoensayos #empujedron #uav #rendimientodorn #pruebasdevuelo
Los datos de los fabricantes pueden darte una idea de qué motores y hélices funcionarán en tu diseño, pero las pruebas no están estandarizadas, por lo que es imposible comparar piezas de distintos fabricantes.
He aquí algunas formas en que un soporte de empuje puede ayudarle a mejorar el rendimiento del dron:
- Aumentar el tiempo de vuelo - Obtener diagnósticos
- Aumentar la carga útil - Mejorar la seguridad
- Aumentar la autonomía - Obtener la certificación
- Comprobar los niveles de ruido - Mejorar el diseño de la estructura
- Reducir las vibraciones - Asegurar la calidad
- Aumentar la fiabilidad - Estudiar la respuesta del acelerador
- Prevenir la formación de hielo en vuelo - Aprender de la replicación de vuelos
- Mantenimiento preventivo - Evite sobrecalentamientos y averías
Dron fumigando el campo de un agricultor
Aumente su tiempo de vuelo
Una razón importante para probar sus motores y hélices es aumentar el tiempo de vuelo de su dron. Aumentar el tiempo de vuelo de su vehículo le permitirá grabar vídeos más largos, recopilar más datos, mantener contacto visual con un objetivo y volar más lejos con una sola carga. Pruebas y modificaciones sencillas pueden añadir minutos preciosos a su tiempo de vuelo, dándole una ventaja competitiva sobre sus competidores. Un buen ejemplo es el de dos estudiantes de máster en ingeniería mecánica de la Universidad de Ottawa, que consiguieron duplicar con creces el tiempo de vuelo de su dron helicóptero de reconocimiento probando varias combinaciones de motor y hélice.A lo largo del proceso de pruebas, los estudiantes pudieron determinar que unos componentes eléctricos más ligeros rendirían igual de bien y encontraron un motor más eficiente que el que utilizaban hasta entonces. El resultado fue que aumentaron el tiempo de vuelo de su helicóptero de 3 a 7 minutos sin comprometer el ruido ni la carga útil (y se les ocurrió una idea para una gran empresa aeroespacial). Este ejemplo demuestra que se puede mejorar el tiempo de vuelo mediante modificaciones básicas del diseño centradas en el aumento de la eficiencia.
Más información: Cómo aumentar el tiempo de vuelo de su dron
Aumente la carga útil
Muchas de las nuevas aplicaciones de los drones exigen que los vehículos transporten todo tipo de cargas más largas y más lejos que nunca. Satisfacer las demandas de capacidad de carga útil a menudo requiere probar varios motores y hélices, pero la inversión inicial casi siempre se amortiza gracias a la mejora del funcionamiento de su UAV. Maximizar la capacidad de carga útil de un dron es importante para sectores como el diseño de eVTOL, el transporte y la entrega, la videografía, el transporte de carga, el transporte de personas y otros.Los drones para aficionados suelen tener una carga útil de hasta 2 kg, mientras que los drones de la categoría de "carga pesada" pueden transportar cientos de kilogramos de carga. Sean cuales sean sus requisitos de carga útil, probar varias configuraciones de motor/hélice puede garantizarle la mejor relación calidad-precio. SkyDrive, una empresa aeroespacial con sede en Tokio, utiliza este tipo de pruebas para optimizar la geometría, el tamaño y los componentes de sus drones. Recientemente, han conseguido construir un dron de carga pesada capaz de volar 15 minutos con una carga útil de 30 kg. Su producto final, "CargoDrone", contiene 4 rotores coaxiales para un total de 8 hélices y motores.
Sky Drive Cargo Drone
Aumente su alcance
La mejora de las antenas y los extensores de alcance ha aumentado enormemente nuestra capacidad para volar UAV en territorios inexplorados. El factor limitante ya no es la distancia a la que podemos comunicarnos con el dron, sino el tiempo que el vehículo puede permanecer en el aire con una sola carga. Probar el sistema de propulsión de un dron puede ayudar a ampliar su autonomía al maximizar la eficiencia del tren de potencia, lo que contribuye a un mayor tiempo en el aire. Esto es especialmente importante cuando se realizan misiones en terrenos inaccesibles o sobre el agua.
Si un dron no puede reunir la potencia necesaria para el viaje de vuelta, podría perderse por completo. Los proyectos ambiciosos de videografía y los vuelos de reconocimiento requieren una garantía de que el vehículo y las imágenes recogidas no se perderán. Con esta garantía, se pueden recoger imágenes fantásticas con confianza, como este impresionante recorrido por el Matterhorn en los Alpes suizos. Probar y optimizar su sistema de propulsión puede hacer posibles estos vuelos con la ventaja añadida de saber exactamente qué esperar de su UAV.
Compruebe sus niveles de ruido
Mientras muchos esperan con impaciencia el futuro de los drones y las aeronaves eVTOL, una de las mayores preocupaciones sociales sigue siendo el aumento de los niveles de ruido y su impacto en nuestro medio ambiente. Con la posibilidad de que los drones vuelen por encima de nuestras cabezas entregando paquetes, inspeccionando edificios y llevando a la gente al trabajo, se trata de una preocupación justa y válida. Para muchas aplicaciones de drones, la cantidad de sonido producido será un factor importante a la hora de decidir si se utilizan o no. Esto es cierto no sólo para las aplicaciones cotidianas, sino especialmente para las operaciones de vigilancia y reconocimiento que exigen silencio. Probar el sistema de propulsión de su dron le permite anticipar los niveles de ruido producidos y resolver cualquier problema antes de que realice su primer vuelo. En última instancia, este conocimiento puede dar lugar a una solución de UAV más eficaz y competitiva.
Un ejemplo inspirador de esta tecnología es la vigilancia de la vida salvaje y los esfuerzos de conservación.
El programa "SnotBot" de Ocean Alliance utiliza drones de consumo modificados para recoger muestras orgánicas de ballenas con el fin de conocer mejor la salud de la población. Los drones utilizados en estas expediciones son excepcionalmente silenciosos para no molestar ni asustar a las ballenas, un requisito primordial para la sostenibilidad de sus investigaciones. Los motores y las hélices producen la mayor parte del ruido en un UAV, por lo que probar y comparar motores y hélices es tu mejor apuesta para concebir la versión más silenciosa de tu diseño.
Reducir las vibraciones
Todas las cadenas cinemáticas generan cierto grado de vibración, pero una reverberación excesiva puede dañar los componentes y, por lo general, es indicativa de falta de eficacia. Realizar una prueba de vibración de su sistema de propulsión es una excelente manera de equilibrar su propulsor, detectar ineficiencias y racionalizar su diseño. Al hacerlo, probablemente notará que las piezas duran más y obtendrá más rendimiento de una sola carga de batería.
Reducir las vibraciones es especialmente importante en el mundo de la videografía con drones, donde las vibraciones pueden provocar vídeos movidos o borrosos, síntomas del efecto gelatina. Los estabilizadores y la edición de postproducción pueden mejorar la calidad de los vídeos, pero reducir la cantidad de vibraciones puede ahorrar tiempo y dinero. Conseguir estos vuelos y vídeos más suaves puede lograrse fácilmente con un poco de pruebas.
Aumentar la fiabilidad
Existe un gran incentivo para aumentar la fiabilidad en la industria de los drones, ya que la tasa de fallos de los drones es aproximadamente dos órdenes de magnitud superior a la observada en la aviación comercial. Para que los UAV asuman funciones que actualmente ocupan las aeronaves tripuladas, su fiabilidad, o tiempo medio entre fallos (MTBF), debe aumentar. Probar su sistema de propulsión puede ayudar a prevenir y predecir fallos, ya que los datos pueden proporcionar información sobre el estado de sus componentes.
Realizar una evaluación de Fiabilidad, Disponibilidad, Mantenibilidad y Seguridad (RAMS), por ejemplo, es una excelente forma de demostrar la fiabilidad de nuestro dron, ya que se trata de una prueba reconocida en el sector que los consumidores reconocen y en la que confían. Una vez que se ha optimizado un sistema, los datos de las pruebas de fiabilidad pueden ser un recurso útil de referencia o incluso publicarse como parte de una estrategia de marketing.
Prevenir el hielo en vuelo
Las pruebas de motores y hélices pueden ayudar a comprender cómo afectan los factores ambientales a su dron, como el riesgo y el impacto de la formación de hielo en vuelo. La formación de hielo en vuelo o "hielo atmosférico" puede ser un obstáculo importante para las operaciones con drones, ya que la acumulación de hielo modifica las propiedades aerodinámicas de la aeronave. La acumulación de hielo aumenta el peso y la resistencia, lo que provoca una pérdida de sustentación e inhibe la capacidad de vuelo del dron. Los experimentos del NRC en el túnel de viento también demostraron cómo la temperatura y el tipo de hélice influyen en la acumulación de hielo, y que el par motor aumenta linealmente con el tiempo de exposición a condiciones de formación de hielo. La resistencia al frío es clave para los drones que operan en climas fríos, a gran altitud y en condiciones meteorológicas adversas.
Saber cómo responde un dron a las bajas temperaturas puede ayudar a diseñarlo en consecuencia y a determinar si sus operaciones requieren una inversión adicional en productos descongelantes. UBIQ Aerospace, líder mundial en tecnología de deshielo, estudia los patrones y efectos de la acumulación de hielo en los UAV probando la aerodinámica de las hélices en experimentos en túneles de viento. Sus pruebas les han permitido perfeccionar su tecnología D-ICE, que mitiga la acumulación de hielo en los UAV de ala fija. Para cualquier operación con drones en climas fríos, las pruebas con hélices pueden ser una fuente de información inestimable para anticipar el rendimiento.
Más información: Qué condiciones provocan la formación de hielo en los drones
Gráfico de hielo D-ICE
Mantenimiento preventivo
Una de las mejores formas de ahorrar tiempo y dinero en el mantenimiento de drones, y en el mantenimiento de cualquier vehículo, es reparar el desgaste antes de que se convierta en un problema. Es infinitamente mejor invertir en piezas de repuesto que tener que sustituir un dron entero debido a un fallo fatal.
Comprobar los motores y las hélices es una parte importante de este protocolo, ya que los daños no siempre son evidentes. Una erosión menor provocada por el agua o los residuos puede afectar a la eficiencia del motor, limitando así el rendimiento del dron. Las hélices también pueden desequilibrarse con el tiempo y sufrir mayores vibraciones, desgastando todo el sistema de propulsión. Realizar pruebas en el sistema de propulsión como parte de su programa de mantenimiento preventivo puede ayudar a detectar estas ineficiencias, lo que se traduce en una mejora del rendimiento del dron y un gran ahorro de tiempo y dinero.
Realizar diagnósticos
Además de en la fase de diseño, los datos del motor y la hélice pueden ser útiles durante toda la vida útil de su vehículo. Registrar diagnósticos a intervalos programados, cada 50 horas de vuelo, por ejemplo, puede ayudar a controlar el rendimiento de un dron a lo largo del tiempo. Estas pruebas son útiles para detectar el desgaste y la pérdida de eficiencia.
Las pruebas de diagnóstico de motores y hélices también pueden proporcionar información sobre por qué un UAV no ha estado rindiendo de forma óptima, o avisar de que puede no alcanzar el rendimiento esperado debido a daños imprevistos. Los drones que funcionan en entornos con mucha humedad, altas temperaturas o polvo y suciedad pueden desgastarse antes de lo esperado y sorprenderle con tiempos de vuelo más cortos de lo previsto o un rendimiento del acelerador máximo inferior al esperado. Las pruebas de diagnóstico del sistema de propulsión pueden detectar estos puntos débiles antes de que se produzca un fallo, evitando situaciones incómodas o potencialmente peligrosas.
Mejorar la seguridad
La seguridad es quizá la principal preocupación de inversores y reguladores en el sector de los drones y los vehículos eléctricos. Sin ciertas garantías, no se permitirá que los vehículos aéreos entren en el mercado y cumplan su propósito. Conseguir un diseño más seguro puede lograrse de forma relativamente indolora probando los componentes del sistema, especialmente los motores y las hélices que completan miles de revoluciones por minuto.
Un mejor conocimiento de estos elementos puede ayudar a prevenir el sobrecalentamiento, los fallos del motor, la pérdida de potencia y otros, evitando así accidentes y lesiones. A medida que nuestros cielos se pueblan cada vez más de vehículos aéreos, los ciudadanos deben sentirse seguros de que funcionarán según lo prescrito, sin suponer una amenaza para las actividades humanas. Las pruebas de seguridad pueden aumentar significativamente la credibilidad de los vehículos individuales y de la industria en su conjunto, garantizando el rendimiento y promoviendo la tranquilidad de los inversores, los funcionarios gubernamentales y el público por igual.
Obtener certificaciones
Para muchas operaciones comunes con drones se requiere un permiso especial en forma de exención o dispensa de una autoridad reguladora. En EE.UU., por ejemplo, se requiere una exención para cualquier operación no incluida en la Parte 107 de la normativa sobre pequeños UAS de la FAA. La lista de operaciones que requieren una exención incluye volar de noche, más allá de la línea de visión visual (BVLOS), sobre personas, a más de 400 pies sobre el nivel del suelo (AGL) o a más de 100 millas por hora. Naturalmente, esta lista se solapa con las actividades de muchos aficionados y operadores comerciales de drones.
La obtención de una exención depende en gran medida de la capacidad del solicitante para convencer a la FAA de que su operación es segura, y la realización de pruebas exhaustivas del sistema de propulsión de un UAV es una parte importante de la evaluación de un vehículo seguro. La realización y demostración de la replicabilidad de las pruebas de propulsión puede apoyar en gran medida una solicitud de exención, al tiempo que proporciona al diseñador información valiosa. Aunque las normativas varían en todo el mundo, muchos diseñadores encontrarán que los datos de propulsión son útiles u obligatorios para las certificaciones de drones en todo el mundo.
Drone de ala fija de la Universidad Concordia
Mejorar el diseño de la estructura
Mejorar la eficiencia de un dron es un proceso circular que comienza con ciertas suposiciones. Estas suposiciones pueden incluir el peso total del dron y el peso de los componentes individuales, así como su uso previsto. Una vez hechas estas suposiciones iniciales, las pruebas de propulsión pueden ayudar a determinar si su diseño cumplirá los requisitos para el fin propuesto. Para los drones de carreras, puede determinar si su diseño cumplirá los requisitos de velocidad o, para un dron de reparto, si alcanzará los mínimos de tiempo de vuelo.
Lo mejor es que si tu diseño inicial no satisface tus necesidades, puedes cambiar los motores y las hélices para encontrar una configuración ideal. Una vez que hayas encontrado la configuración ideal del tren de potencia, también puedes probar nuevas baterías o modificar el chasis. Las hipótesis iniciales guían el proceso de optimización, pero una vez que hayas completado una ronda de revisión, podrás tomar decisiones informadas sobre otras modificaciones de tu diseño.
Más información: Cálculos y suposiciones para el diseño de drones
Garantía de calidad
Las pruebas de propulsión pueden reforzar y legitimar la garantía de calidad ofrecida a inversores y clientes potenciales. Respaldar un argumento de marketing con datos rigurosos sobre el rendimiento es una forma excelente de fomentar la confianza en su producto y dar a su equipo de ventas una ventaja competitiva. Además de las ventas, las pruebas de sus motores y hélices pueden proporcionar información valiosa para las hojas de datos y permitir a los diseñadores respirar tranquilos sabiendo que los vehículos funcionarán como se anuncia.
Las pruebas de propulsión también le permitirán estandarizar aún más los productos, garantizando que cada unidad funcione igual. Esto se traduce en menos tiempo dedicado a las solicitudes de asistencia al cliente, ya que el nivel adicional de seguridad garantizará un menor número de productos defectuosos que salen de las instalaciones. Tanto si su empresa es grande como pequeña, probar motores y hélices es una forma excelente de legitimar su garantía de calidad y asegurar la coherencia entre los productos.
Estudiar la respuesta de empuje
A menudo es necesario conocer la rapidez con la que un sistema de propulsión puede reaccionar a un cambio en la entrada de control. Los datos de estas pruebas proporcionan información sobre la rapidez con la que el UAV puede reaccionar a perturbaciones como las ráfagas de viento. Una forma típica de probar físicamente la reactividad de un sistema de propulsión es someterlo a una señal de control de barrido de frecuencia. Un barrido de frecuencia es una señal sinusoidal cuya frecuencia se varía constantemente para cubrir todo el espectro de frecuencias que se desea probar. Con los datos recogidos, el diseñador del UAV puede determinar la rapidez con la que el sistema de propulsión puede reaccionar a cambios bruscos en el acelerador.
Otro método para conocer el tiempo de reacción de un sistema de propulsión es someterlo a una entrada escalonada. Mientras se registran los datos a alta velocidad, se aplica un cambio brusco en el acelerador. Al cabo de un tiempo, el propulsor se estabiliza a una nueva velocidad de rotación. El tiempo que tarda en estabilizarse la velocidad se conoce como tiempo de estabilización. Por último, una prueba de derivada integral proporcional (PID) puede medir la consistencia de su sistema de propulsión durante un período prolongado de tiempo ordenando un empuje constante y específico. Estas pruebas pueden realizarse utilizando un dinamómetro con suficientes capacidades de scripting, lo que permite una comprensión completa de la respuesta del acelerador de un UAV.
Aprender de la repetición de vuelos
Las pruebas de propulsión pueden contribuir a una replicación de vuelos más sencilla y eficiente para aplicaciones como la agricultura, la topografía y la investigación, entre otras. La capacidad de grabar vuelos utilizando equipos de pruebas de propulsión permite a los diseñadores planificar y guardar una ruta automáticamente, y reproducir los datos del acelerador más tarde. Sin salir siquiera del laboratorio, los diseñadores pueden optimizar su plan de vuelo basándose en los datos recogidos sobre el rendimiento del motor y la hélice. Las aplicaciones agrícolas de la tecnología autónoma de los UAV suelen basarse en el principio de la eficiencia, minimizando los costes de mano de obra y de insumos, con la ventaja añadida de proteger la salud humana.
El dron agrícola de Airboard Agro es un buen ejemplo, ya que fumiga cultivos siguiendo rutas preprogramadas en terrenos difíciles, realizando el laborioso y repetitivo trabajo que antes realizaban los humanos. Para aprovechar realmente los beneficios de esta tecnología, los drones deben optimizarse para la tarea específica que van a realizar, teniendo en cuenta la velocidad, el empuje y la estabilidad necesarios. Las pruebas de propulsión son un gran recurso para mejorar estas réplicas de vuelo y garantizar que los UAV alcancen su máxima eficiencia en misiones autónomas.
Drone agrícola sobre un campo de algodón
Prevenir el sobrecalentamiento y los fallos térmicos
Una de las causas más comunes de fallo de los drones es el sobrecalentamiento del motor que conduce a su fallo. La temperatura máxima y los valores nominales de voltaje a menudo se proporcionan con los motores eléctricos, pero puede no estar claro cuando su motor se está acercando a estos límites. Además, a pesar de que la refrigeración del motor depende de la corriente, los valores nominales de corriente no son estándar en la industria. Una forma de comprobar los límites de un motor es medir su temperatura a distintos intervalos de velocidad mediante sondas térmicas, una estrategia útil para evitar averías.
En la Universidad Estatal de Kent (Ohio), el laboratorio del Dr. Blake Stringer está realizando este tipo de pruebas térmicas con motores eléctricos para investigar sus propiedades térmicas y estudiar la gestión de los motores eVTOL de los SUAS en condiciones de alta potencia. Este vídeo producido en su laboratorio muestra las desafortunadas consecuencias del desbocamiento térmico, que provoca el sobrecalentamiento y la destrucción del motor. Estos estudios son cada vez más importantes a medida que las operaciones con drones se alargan y se adentran en climas más duros y calurosos. Probar los motores en una fase temprana del proceso de diseño puede evitar el sobrecalentamiento y, en última instancia, ahorrar el coste de sustituirlos.
Más información: Cómo automatizar las pruebas de propulsión de tu dron
Conclusión
Esperamos que este artículo haya demostrado la multitud de beneficios que conlleva probar el sistema de propulsión de tu dron. Ofrecemos varias herramientas que pueden realizar estas funciones de prueba y ayudarle a llevar su diseño al siguiente nivel:
Serie 1585 - mide hasta 5 kgf de empuje / 2 Nm de torsión
Flight Stand 15 - mide hasta 15 kgf de empuje / 8 Nm de par motor
Flight Stand 50 - mide hasta 50 kgf de empuje / 30 Nm de par motor
Flight Stand 150 - mide hasta 150 kgf de empuje / 150 Nm de par de torsión
Flight Stand 500 - mide hasta 500 kgf de empuje / 1500 Nm de par motor
Windshapers - túneles de viento al aire libre para pruebas de vuelo libre
Nuestros bancos de pruebas miden el empuje, el par, las RPM, la corriente, el voltaje, la potencia mecánica, la potencia eléctrica, la eficiencia del motor, la eficiencia de la hélice y la eficiencia global.
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