UAV (Unmanned Aerial Vehicle) is a vehicle which is unmanned, it could be completely autonomous, or remote controled, RPA (remote Piloted Aircraft) or mix systems. Traditionally UAV has been employed for military goals, but actually many civil aplications are being developing. Specially I am interested in aerial phography.
Design and development considerations: (UAV) (wikipedia)
The United States and Israel were initial pioneers in this technology, and U.S. manufacturers have a market share of over 60% in 2006, with U.S. market share due to increase by 5–10% through 2016. Israeli and European manufacturers form a second tier due to lower indigenous investments, and the governments of those nations have initiatives to acquire U.S. systems due to higher levels of capability. European market share represented just 4% of global revenue in 2006.
Multicoters:
A multicopter mainly is a helicopter with several axis and independent motors. The are Tripcopter, quadcopter, hexacopter octocopter... They have good stability and large payload capacity. The propellers spin in diferent directions. This avoid that the aircraft rotate itself over a vertical axis. The control is implemented by an electronic board which cahnges the speed of each motor. In this way you can get all the movements.
Civil purpose:
Civil purpose:
- Aerial security fo large surfaces.
- Transport of goods.
- Science research: remote sensing.
- Search and rescue in natural catastrophe.
- Other comercial golas like aerial video and photography. Jeff Scholl is an american guy who work up in this theme. In his facebook profile he has lots of nice vids and photos.Usos no militares:
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| www.gravityshots.com |
Some of Jeff Scholl's multicopter are:
Some of him videos:
A Nick and Roll compensation needed if we don't want a dizzy film:
With two servos and some damperners we can reduce the vibrations. This vibrations come from the motors and props. rubber dampeners, dampeners2.
From Pennsylcania university, GRASP Lab is developing aggressive maneuvers for autonomous cuadricopter. Here you can see some of their works.
:
In the following video you can see a group of cuadricopters working together to build a small structure. You can see the potential of these small aircrafts with this example.
Approximate budget:
Knowing how cost build a cuadricopter or hexacopter is so important. Here you can find a list with the basic components:
- Motors
- Propellers
- Electronic Speed Controller (ESC)
- Electronic control board.
- Radio receiver and emisor
- Frame
Motores:
Electronic speed controller (ESC):
Emisor-receiver:
Receiver
Propellers
Part
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Quantity
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Unit price
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Total price
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Motors
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4
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20$
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80$
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ESC
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4
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12$
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48$
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Propellers
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4+4 replacement
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3$
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24$
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Reciever & emisor
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1
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53$
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53$
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Battery
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2
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25$
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50$
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TOTAL
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TOTAL
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250$
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Hexacopter: Download here the excel file.
Elemento
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Cantidad
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Precio unitario
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Precio Total
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Motores
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6 +1
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20$
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140$
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ESC
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6
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12$
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72$
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Hélices
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6+6 Repuesto
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3$
|
36$
|
Reciver y emisor
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1
|
53$
|
53$
|
Baterias
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2
|
25$
|
50$
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Electrónica
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1
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250$
|
250$
|
chasis
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1
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¿? $
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¿? $
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TOTAL
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TOTAL
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601$
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The frame and the electronic board haven't been added. The electronics board that I have choosen is ArduPilot, based on a Open Source project DIYdrones. it is a board similar Arduino board. This electronics board can manage any UAV (Unmanned Aerial Vehicle) aircraft like multicopter, airplane or glider. Almost all necessary sensors are already built-in.
This board is very modular and it has free pins, so you can add other king of sensors or elements like camera stabilizer... Also you can connect a radio receiver, telemetry and an USB connection for programing. It has too one small relay to activate some load.
Es muy modulable y posee bastantes pines libres, de forma que puedes ir añadiéndole sensores u otros elementos como estabilizadores para cámaras... Tiene conexión para el receptor de radio, es posible añadir telemetría, conexión USB para programar el micro 1280 y dispone de un relé para accionar periféricos.
The features are:
- 3-axis gyros
- 3-axis accelerometers
- Barometric pressure sensor for altitude
- 10Hz GPS module
- Voltage sensors for battery status
- 16Mb of onboard datalogging memory. Missions are automatically datalogged and can be exported to KML
- Built-in hardware failsafe processor, can return-to-launch on radio loss.
- Include relay can trigger any device, can be controlled by mission scripts.
- (Optional) 3-axis magnetometer
- (Optional) Airspeed sensor
- (Optional) Current sensor
The kit costs around $250, and the soldered board for $299. Also is necessary a 3 axis magnetometer if you want point to a specific direction.
Many designs are valid for the frame (images). Also many kind of materials can be used and some constuction process. The best wat is a CNC machine.
Cameras:
El objetivo es que el aparato cuente con dos cámaras, una de transmisión en tiempo real y otra para grabar video en alta cálidad o tomar fotos panorámicas. Aunque al principio no tendrá cámaras en una primera fase.La cámara para la transmisión es de baja resolución y envía las imágenes a tierra para poder llevar a cabo un mejor pilotaje o acceder a zonas donde se pierda la visión directa. También es útil para hacerse una idea de lo que se está grabando aproximadamente con la otra cámara. Tiene un peso aproximado de 16 gramos. OSCS420.
Como elemento principal de grabación se usan cámaras de fotografía de alta calidad/precio, para obtener buena resolución y nitidez. Estas imágenes/vídeos se almacenan para luego ser descargados por el procedimiento habitual. Es muy importante tener un estabilizador para la cámara que amortigüe las vibraciones y giros bruscos, de lo contrario el resultado no sería bueno.
Existe un modelo llamado GoPro que está especialmente diseñada para grabaciones en primera persona en deportes extremos como motocross, montainbike, surf, Skateboard, snowboard ... Sólo tiene las prestaciones necesarias para grabar y tomar fotos, así se consigue un peso mínimo con una alta calidad. Además soporta golpes y reduce "un poco" las vibraciones. Su precio oscila sobre 200$ y un peso de 94 gramos.
Fotografía aérea comercial
La grabación de vídeos y fotografía aérea no es nada nuevo, pero si ha crecido exponencialmente en los últimos años con el desarrollo y accesibilidad de los aviones/multicópteros radio controlados. Son múltiples las posibilidades y los usos de la fotografía y vídeo aéreo.
Usos:Obras civiles y seguimiento de obras
Industrial
Residencial e inmobiliario
Construcción
Urbanismo y turismo
Arqueológicos y patrimonial
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Ver aquí ejemplos de trabajos de fotografía aérea.
Hay muchos métodos como aviones, helicópteros, globos, cometas, cohetes, dirigibles, paracaídas.. los más usados comercialmente quizá sean los Zeppelin o dirigibles, ya que se consigue mucha estabilidad y son muy seguros ante posibles accidentes. Después encontramos los helicópteros o multicópteros, donde el principal problema sea la estabilidad frente a vibraciones y movimientos bruscos en vídeos y la seguridad en cuanto a accidentes.
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| Zeppelin |
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| hexacopter |
Como ventaja con el multicóptero podemos crear más movimiento, para crear sensación de ir montado e ir explorando el medio. Aquí se puede ver un ejemplo:
Estos efectos sería muy difícil crearlos con un Zeppelin, y es difícil que con un helicóptero no tenga movimientos bruscos , pero con un buen estabilizador y trabajado se puede conseguir.
Objeto del proyecto:
Diseñar y construir un multicóptero con capacidad de grabación de imágenes y vídeo. La parte de diseño engloba:
- Diseño de la estructura a base de piezas de fibra de carbono o aluminio fabricadas mediante un corte CNC para reducir peso.
- Diseño de el estabilizador de 2 ejes (Nick&Roll) que soporte cualquier cámara estándar, que disponga de un disparador remoto y transmisor de vídeo a largas distancias.
- Diseño y dimensionamiento de motores y ESC, para que puedan llevar el equipo fotográfico.
- Control y programación de la placa base para conseguir estabilidad y seguridad de vuelo.
- Control remoto y control autónomo en caso de fallo.
Elección del multicopter:
Según el uso que le queramos dar elegiremos el número de motores. En este caso la finalidad es la fotografía/vídeo aérea con cierta calidad. Las propiedades que queremos conseguir son:
- Simplicidad y bajo peso en la estructura.
- Capacidad de transportar una cámara de fotos reflex.
- Fácilmente transportable y manejable.
- Autonomía de unos 10 min..
Tricópter: Barato y fácil de construir, menos estable, partes móviles en la estructura (cola móvil por un servo), bajo empuje y menos tiempo de vuelo (porque los motores tienen que girar más rápido para mantenerlo en el aire).
Cuadricópter: Más simple mecánicamente que el tricópter. Posee 1/3 más de empuje pesando casi lo mismo y suelen ser más estables ya que no tienen partes móviles en la cola movidas por un servo. Tienen más tiempo en vuelo debido a que pueden llevar baterías más grandes y a que los motores trabajan a menos revoluciones. Todavía no contamos con redundancia: Si un motor falla... cae.
Hexacópter: Todo lo bueno que tienen los cuadricópter pero con más potencia y más capacidad de carga. Posee algo de redundancia: Si pierde un motor todavía puede aterrizar, (perdemos el control del ángulo 'yaw'). Como desventaja son más caros y más grandes.
Octocopter: Todo lo bueno que tienen los hexacópter más redundancia: Si pierde un motor todavía vuela bien. Se usa para asegurar cuando se ponen equipos fotográficos de alto precio. Son más caros que los hexacopter. Requieren mucha energía para volar.
Descartamos la opción de cuadricópter (quadricopter, quad... ) pora conseguir más capacidad de carga. Sobre la opción de elegir un hexacópter (hexacopter, hexa...) o octocóptero (octocopter, octo... ):
Ventajas de un mayor número de Motores:
- Mayor capacidad de carga
- No es necesario unos motores tan potentes o unas hélices tan grandes para la misma capacidad de carga.
- Redundancia. Muy importante, en caso de rotura de una hélice, choque...
6 motores es poco fiable, aunque, probablemente, sobreviviría a una parada de un motor, hay que irse a 8 motores para tener ambas cualidades: Capacidad de carga y Redundancia.
A mayor número de motores necesitaremos unas hélices más pequeñas, que dan una respuesta más rápida, resultando más estable. Por eso para conseguir estabilidad los motores/hélices han de poder cambiar de velocidad lo más rápidamente posible.
Quizá con 6 motores sea más eficiente (Usa menos Watios pare levantar un un Kg.,≈ 5 o 10%) que 8, entre capacidad de carga y peso. Elegiremos 8 sólo si queremos más carga o por la redundancia ya que es mucho más caro (1/3 más caro, motores, ESCs y hélices).
Las configuraciones coaxiales tienen como principal ventaja la redundancia. Podemos usar Y6 o X8, aunque son menos eficientes debido a que el aire que llega a la segunda hélice está turbulento.
La configuración en X o en +.
Conclusión: si el objetivo es la fotografía tienes que irte a Hexa/octo, si el uso va a ser el pilotar una aeronave o las acrobacias lo más indicado es un cuadricóptero ligero.
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