Tutorial - Introducción al principio de vuelo en Quadcopters

Los llamados "Quadcopters" o "Quadrotors" son conceptos antiguos sobre aparatos voladores que tienen un nuevo auge estos años. Como referencia podemos tomar los avances que se realizan en este campo de estudio y el desarrollo de esta máquina con la siguiente presentación de TEDx. 

Estos quadcopters tienen en la actualidad varias aplicaciones tales como:

# Misiones de búsqueda y rescate.
# Inspección de edificios después de desastres.
# Inspección de techos.
# Marketing y ventas.
# Inspección de techos.
# Agricultura de precisión.
# Sembrado remoto.
# Mapeo de edificaciones.
# Planificación de fábricas.
# Arquitectura.
# Transporte.

Mecánicamente un Quadcopter es una máquina simple, al contar simplemente de dos elementos principales:

# Rotor.
# Estructura o frame.

Por otro lado, todo sistema de vuelo cuenta con tres ejes principales que controlan el funcionamiento del vuelo, dichos ejes son:

# Yaw.
# Pitch.
# Roll.

Estos ejes permiten la maniobrar en diferentes direcciones, moverse hacia adelante, atrás, derecha, izquierda o girar en su propio eje.

Además, se tiene que tomar en cuenta una variable más que es el "Empuje" que permite elevar al Quadcopter. El Quadcopter debe ser capaz de levantar tanto la masa del aparato como vencer la fuerza que ejerce la gravedad.

Otro principio que afecta este tipo de aeronaves, es la orientación de la rotación de los rotores y el torque que generan. Primeramente, todos los torques que generan los rotores debe sumar a 0; esto nos lleva a comprender, que si nuestra aeronave tuviera los rotores rotando a la misma dirección, induciría a una rotación en un solo sentido en el eje "Yaw" como se muestra en la figura.

Entonces, debemos tener dos motores opuestamente montados con el mismo sentido de rotación, por lo que siempre tendremos pares de motores los cuales deben tener sentidos de rotación opuestos y para generar el impulso necesario para poder hacerlo volar, deben ser las velocidades angulares iguales.

Basándonos en el mismo principio, para girar en el sentido "Anti - horario" debemos guardar el sentido de giro ya preestablecido y desde ahora sólo debemos cambiar las velocidades angulares.

Para ello, un par de motores deben girar a la misma velocidad angular y el otro par debe realizar lo mismo pero a una velocidad menor que el otro par. Este principio se muestra en la figura.

En caso del giro "Horario", debemos aplicar el mismo principio descrito anteriormente pero de manera opuesta.

Para poder mover la misma aeronave hacia "Adelante", usaremos su eje "Pitch". Para ello, mantenemos dos rotores girando a la misma velocidad angular, mientras que el otro par, debe tener un rotor girando a mayor velocidad que el par anterior y el otro girando a una velocidad angular menor al par anterior. 

NOTA: Siempre debemos tomar en cuenta, que el eje de giro siempre es el que cuenta con los motores girando a la misma velocidad.

En caso de movernos hacia "Atrás", usaremos el principio anterior pero usando los motores contrarios.

Para el movimiento hacia la "Izquierda", usaremos el principio aplicado para el movimiento hacia "Adelante" y "Atrás". Sólo debemos tomar en cuenta que los motores que giran a la misma velocidad angular debe ser la correspondiente al eje en el cual queremos rotar la aeronave. Esto se muestra en la siguiente figura:

En caso de movernos a la "Derecha", sólo debemos aplicar el principio anterior pero con los motores opuestos.

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