Diseño, construcción y control de un prototipo de cuadricóptero no tripulado para transporte de cargas ligeras

Abstract

En el presente trabajo se presenta el diseño y construcción de un prototipo de cuadricóptero no tripulado capaz de trasladar una carga de 200 gramos por el aire a lo largo de una trayectoria comandada de forma remota por un operador. El cuadricóptero se diseñó aplicando la metodología establecida por la norma VDI2206, la cual involucró el diseño e integración de los subsistemas de propulsión, distribución de potencia, control de vuelo, comunicaciones y estructural que conforman a la aeronave, a partir de requerimientos de diseño obtenidos por medio de un análisis de parámetros de desempeño de cuadricópteros comerciales. Algunas de las tareas de diseño específico que se llevaron a cabo fueron el diseño mecánico de la armazón aerodinámica, el diseño electrónico de los circuitos impresos del controlador de vuelo y el control remoto, el modelamiento de la dinámica del sistema y la programación del algoritmo de control de vuelo en un microcontrolador, implementando una arquitectura de control multivariable compuesta por controladores PID en cascada. Se aplicaron cálculos de ingeniería, modelamiento matemático, simulaciones y caracterización experimental de sistemas. El cuadricóptero diseñado se construyó con mano de obra y materiales disponibles a nivel local, se calibró en un banco de pruebas y se probó en vuelo libre, siendo capaz de mantener un vuelo estable y responder a los comandos del control remoto. Se determinó de forma práctica que el cuadricóptero tiene una razón empuje/peso de 1.964 y 2.357 con y sin carga, respectivamente, y tiempos de vuelo de 12:40 minutos 6:40 minutos con y sin carga, respectivamente. La metodología desarrollada en el presente trabajo se puede generalizada al diseño de cuadricópteros de carga de cualquier tamaño, y su diseño modular lo vuelve fácil de replicar y reparar.