Diseño y construcción de un pequeño vehículo no tripulado mediante impresión 3D FDM

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID ESCUELA DE INGENIERIAS INDUSTRIALES Grado en Ingeniería en Diseño Industrial y Desarrollo de Producto Diseño y construcción de un pequeño vehículo no tripulado mediante impresión 3D FDM Autor: Pérez García, Pablo Tutores: Pedro Sanz Angulo Jesús Galindo Melero Valladolid, en julio de 2023. RESUMEN El objetivo de este proyecto es la fabricación de un vehículo volador no tripulado de bajo coste totalmente funcional. En este proyecto se diseñará la estructura general del dron mediante el uso de software de diseño asistido por ordenador. Una vez diseñados, estos componentes serán construidos por fabricación aditiva mediante impresión 3D FDM (Fused Deposition Modeling). Se ha elegido este método de fabricación por la accesibilidad del material con el que se realizan las impresiones y sus características mecánicas (resistencia, ligereza, rigidez). Además, en caso de rotura de algún componente, es fácilmente reemplazable por otra pieza igual de las mismas características y dimensiones. Por último, mediante este proceso de impresión se reducen los tiempos de fabricación y los costes. Los componentes electrónicos necesarios para llevar a cabo este proyecto han sido adquiridos a proveedores externos y se han instalado correctamente en el dron. La configuración de estos componentes se ha realizado mediante el software Betaflight. Palabras clave: Dron, impresión 3D, diseño, bajo coste, FabLab ABSTRACT The main goal of this project is the manufacture of a fully functional low cost unmanned flying vehicle. The general structure of the drone will be designed by using computer aided design software. Once designed, these components will be built by additive manufacturing using FDM (Fused Deposition Modeling) 3D printing. FDM 3D printing manufacturing method has been chosen due to the accessibility of the material with which the prints are made and its mechanical characteristics (resistance, lightness, rigidity). In addition, in case of breakage of any component, it is easily replaceable by another piece with the same characteristics and dimensions. Finally, through this printing process, manufacturing times and costs are reduced. The electronic components necessary to carry out this project will be purchased from external suppliers and will be correctly installed on the drone. Betaflight, an external software, will be used to configure these electronic components. Key words: Drone, 3D printing, design, low cost, FabLab i | P á g i n a ÍNDICE INTRODUCCIÓN ................................................................................................................... 1 Antecedentes ......................................................................................................................... 1 Motivación ............................................................................................................................. 2 Objetivo y alcance .................................................................................................................. 3 Estructura de la memoria ....................................................................................................... 4 CAPÍTULO I. MARCO TEÓRICO .............................................................................................. 5 I.1 ¿Qué es un dron? .............................................................................................................. 5 I.1.1Funcionamiento de un dron ............................................................................................................... 6 I.1.2 Tipos de drones ................................................................................................................................. 8 I.2 Productos existentes en el mercado ............................................................................... 13 I.3 Impresión 3D ................................................................................................................... 15 I.3.1 Nacimiento de la impresión 3D ....................................................................................................... 15 I.3.2 Tipos de impresoras 3D .................................................................................................................. 16 I.4 FabLab UValladolid .......................................................................................................... 19 CAPÍTULO II. DISEÑO Y DESARROLLO................................................................................ 23 II.1 Diseño de los componentes estructurales ..................................................................... 23 II.2 Estudio y cálculo de tensiones .......................................................................................................... 28 II.1.2 Proceso de impresión 3D ............................................................................................................... 31 II.1.2 Materiales utilizados en el proceso de impresión .......................................................................... 35 II.2 Componentes electrónicos del dron .............................................................................. 38 CAPÍTULO III. MONTAJE, SOLDADURA Y CONFIGURACIÓN DEL DRON............................... 47 III.1 Montaje y soldadura del dron ....................................................................................... 47 III.2 Configuración y programación del dron........................................................................ 51 III.3 Consejos y recomendaciones ........................................................................................ 57 CAPÍTULO IV. ESTUDIO ECONÓMICO ................................................................................. 61 IV.1 Introducción .................................................................................................................. 61 IV.2 Profesionales partícipes ................................................................................................ 61 ii | P á g i n a IV.3 Definición de las fases ................................................................................................... 62 IV.4 Análisis económico........................................................................................................ 63 IV.4.1 Horas efectivas y tasas horarias del personal .............................................................................. 63 IV.4.2 Amortizaciones del equipo informático ........................................................................................ 64 IV.4.3 Coste del material consumible ..................................................................................................... 64 IV.4.4 Costes indirectos ........................................................................................................................... 65 IV.5 Tiempos asociados a cada fase del proyecto ................................................................ 65 IV.6 Costes asignados a cada fase del proyecto ................................................................... 66 IV.6.1 Planificación inicial ....................................................................................................................... 66 IV.6.2 Recogida de información e ideas .................................................................................................. 67 IV.6.3 Desarrollo del proyecto ................................................................................................................ 67 IV.6.4 Elaboración de la documentación ................................................................................................ 68 IV.7 Resultados finales ......................................................................................................... 68 CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS ................................................................................. 71 Conclusiones ........................................................................................................................ 71 Líneas futuras ....................................................................................................................... 73 BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS ......................................................................................... 75 ANEXOS ............................................................................................................................. 79 iii | P á g i n a TABLA DE ILUSTRACIONES Ilustración 1 . Avión bomba GB-1 Glide. .................................................................................... 5 Ilustración 2 . Gráfico de velocidad y presión ............................................................................ 6 Ilustración 3 . Fuerza de sustentación y resistencia. ................................................................. 7 Ilustración 4 . Funcionamiento de un helicóptero. .................................................................... 8 Ilustración 5 . Dron de ala fija. ................................................................................................... 9 Ilustración 6 . Dron de ala rotatoria. .......................................................................................... 9 Ilustración 7 . Tricóptero YI Erida. ............................................................................................ 10 Ilustración 8 . Cuadricóptero LH-X43. ...................................................................................... 10 Ilustración 9 . Hexacóptero de pulverización agrícola. ........................................................... 11 Ilustración 10 . Octocóptero D30L-8. ....................................................................................... 11 Ilustración 11 . Cuadricóptero coaxial. ..................................................................................... 11 Ilustración 12 . Hélices de policarbonato de cinco palas. ........................................................ 12 Ilustración 13 . Dron especializado en topografía aérea. ......................................................... 13 Ilustración 14 . Distintos proyectos extraídos de Thingiverse ................................................. 14 Ilustración 15 . Distintos proyectos extraídos de Cults3D ....................................................... 15 Ilustración 16 . Primera impresora 3D. .................................................................................... 15 Ilustración 17 . Impresión 3D FDM. .......................................................................................... 17 Ilustración 18 . Impresión 3D SLS. ............................................................................................ 18 Ilustración 19 . Impresión 3D SLA. ........................................................................................... 19 Ilustración 20 . Mapa de FabLabs repartidos por el mundo .................................................... 20 Ilustración 21 . FabLab UVa ...................................................................................................... 21 Ilustración 22 . Primera versión del frame en CATIA ............................................................... 24 Ilustración 23 . Primera versión del frame impresa en 3D ....................................................... 24 Ilustración 24 . Segunda versión del frame en CATIA .............................................................. 25 Ilustración 25 . Segunda versión del frame impresa en 3D ...................................................... 25 Ilustración 26 . Placa auxiliar inferior en CATIA ....................................................................... 26 Ilustración 27 . Placa auxiliar inferior impresa en 3D ............................................................... 26 Ilustración 28 . Placa auxiliar superior en CATIA ...................................................................... 26 Ilustración 29 . Placa auxiliar superior impresa en 3D ............................................................. 26 Ilustración 30 . Versión final del frame en CATIA ..................................................................... 26 Ilustración 31 . Versión final del frame impresa en 3D ............................................................ 27 Ilustración 32 . Protección de aterrizaje en CATIA ................................................................... 27 Ilustración 33 . Protección de aterrizaje impresa en 3D .......................................................... 27 Ilustración 34 . Condiciones iniciales del estudio de tensiones en Inventor............................ 28 Ilustración 35 . Resultado del estudio de la tensión de Von Mises en Inventor ...................... 29 Ilustración 36 . Detalle de la zona crítica ................................................................................. 29 Ilustración 37 . Resultado del estudio de desplazamiento en Inventor ................................... 30 Ilustración 38 . Tabla de convergencia del desplazamiento .................................................... 30 Ilustración 39 . Tabla de convergencia de la tensión de Von Mises......................................... 30 Ilustración 40 . Coeficientes de seguridad ............................................................................... 31 Ilustración 41 . Impresora Ultimaker S3 ................................................................................... 32 Ilustración 42 . Vista en detalle del proceso de impresión del frame ...................................... 34 Ilustración 43 . Vista de frente de la impresora Ultimaker S3 en funcionamiento .................. 34 iv | P á g i n a Ilustración 44 . Interfaz del programa Ultimaker Cura............................................................. 34 Ilustración 45 . Detalle de la sección del frame del dron en Ultimaker Cura ........................... 35 Ilustración 46 . Detalle de la sección de la placa auxiliar inferior en Ultimaker Cura .............. 35 Ilustración 47 . Bobinas de PLA de colores. .............................................................................. 36 Ilustración 48 . Sello sostenible del PLA. .................................................................................. 36 Ilustración 49 . Ficha técnica del TPU. ...................................................................................... 37 Ilustración 50 . TPU utilizado en calzado .................................................................................. 38 Ilustración 51. TPU utilizado en el mundo del motor .............................................................. 38 Ilustración 52 . Rueda impresa en TPU. ................................................................................... 38 Ilustración 53 . Motores sin escobillas RacestarsBR2205 ........................................................ 39 Ilustración 54 . Hélices de policarbonato de 5 pulgadas .......................................................... 40 Ilustración 55 . Controlador de vuelo MAMBASYS F405 MK2 ................................................. 41 Ilustración 56 . ESC MAMBASYS F405 MK2 .............................................................................. 41 Ilustración 57 . Cámara Caddx Ant FPV .................................................................................... 42 Ilustración 58 . Transmisor de vídeo VTX EWRF 5,8GHz .......................................................... 42 Ilustración 59 . Receptor de vídeo Eachine ROT G02 ............................................................... 43 Ilustración 60 . Batería LiPo de 4 celdas ................................................................................... 43 Ilustración 61 . Receptor FrSky R-XSR ...................................................................................... 44 Ilustración 62 . Taranis Q X7 ..................................................................................................... 44 Ilustración 63 . Protección para aterrizaje fija al frame ........................................................... 47 Ilustración 64 . Placa de ESC y motores instalados en el frame del dron ................................ 48 Ilustración 65 . Controlador de vuelo instalado en el frame .................................................... 48 Ilustración 66 . Soporte de cámara en CATIA ........................................................................... 49 Ilustración 67 . Soporte de cámara instalado en el frame ....................................................... 49 Ilustración 68 . Dron ensamblado ............................................................................................ 50 Ilustración 69 . Vistas del dron completo ................................................................................. 50 Ilustración 70 . Logo del software Betaflight ........................................................................... 51 Ilustración 71 . Menú inicial en Betaflight ............................................................................... 51 Ilustración 72 . Pestaña "Ajustes" en Betaflight ....................................................................... 52 Ilustración 73 . Pestaña "Puertos" en Betaflight ...................................................................... 52 Ilustración 74 . Pestaña "Configuración" en Betaflight ............................................................ 53 Ilustración 75 . Pestaña "Energía y Batería" en Betaflight ....................................................... 53 Ilustración 76 . Pestaña "Receptor" en Betaflight .................................................................... 54 Ilustración 77 . Pestaña "Modos" en Betaflight ....................................................................... 54 Ilustración 78 . Pestaña "Motores" en Betaflight..................................................................... 55 Ilustración 79 . Pestaña "OSD" en Betaflight ........................................................................... 56 Ilustración 80 . Pestaña "Transmisor de vídeo" en Betaflight .................................................. 56 Ilustración 81 . Captura de pantalla de la cámara del dron en pleno vuelo ............................ 57 Ilustración 82 . Captura de pantalla del simulador FPV Freerider Recharged ......................... 59 Ilustración 83 . Vista en primera persona en el simulador FPV Freerider Recharge ................ 59 Ilustración 84 . Representación de tiempos de cada fase sobre el total del TFG .................... 69 Ilustración 85 . Representación de los costes de cada fase sobre el total del TFG .................. 69 Ilustración 86 . Representación de los diferentes tipos de costes sobre el total del TFG ....... 70 v | P á g i n a Capítulo I 6 | P á g i n a El control a distancia por radio emitía una serie de órdenes que eran recibidas por un sistema a bordo en el dron, ejecutando así las órdenes correspondientes de altura, velocidad y dirección. Debido al interés militar que generó este dispositivo, estos dispositivos fueron evolucionando hasta lo que conocemos hoy en día como dron. Debido a la aparición de nuevos materiales más resistentes y ligeros, y a la mejora de las baterías eléctricas, se llevó la producción de los drones al ámbito comercial. Los drones de última generación poseen sistemas de regreso del dron en caso de perder la señal de control, así como automatismos de aterrizajes y despegues inteligentes. También permiten programar su vuelo o prepararlos para preparar una tarea coordinada con otros drones (Álamo, 2020). I.1.1Funcionamiento de un dron Para explicar el funcionamiento de un dron es conveniente conocer previamente el funcionamiento de los aviones y los helicópteros. Como bien se explica en (INTA, 2021), cuando un ala de un avión se mueve por el aire, aparece el empuje, una fuerza que tira hacia arriba del ala. Las diferencias de presión que se producen debido a las variaciones de velocidad del aire sufridas a lo largo de los diferentes puntos de la superficie del ala son la razón de la existencia de esta fuerza ascendente. La forma del ala, así como la inclinación que utiliza el avión para enfrentar las corrientes de aire, son los factores fundamentales de estas variaciones de velocidad. El gráfico de velocidad de la Ilustración 2 muestra cómo se desplaza el aire en las diferentes zonas cercanas al ala. Cuando esta ala avanza, se obliga al aire desplazado por la zona superior a moverse mucho más rápido que el aire que transcurre por la zona inferior, que se frena. Al ocurrir este movimiento, el ala produce una corriente de aire hacia abajo, ya que cambia la dirección de avance del aire. Ilustración 2 . Gráfico de velocidad y presión Recuperado de (INTA, 2021) Marco teórico 7 | P á g i n a Las variaciones de velocidad del aire van acompañadas de cambios en la presión. En la zona superior, donde se acelera el aire, aparece una reducción de presión. Por otro lado, en la zona inferior delantera del ala, donde se frena el aire, ocurre un aumento de presión. Cuando el ala avanza, hace que la presión en la base del ala supere a la presión en la parte superior, lo que origina la fuerza de sustentación y la resistencia de arrastre. Para que el ala quede suspendida en el aire, lo que tiene que suceder es que la fuerza de sustentación pueda equilibrarse con la fuerza de gravedad. Esto ocurre cuando aparece una diferencia de presión entre las dos caras del ala lo suficientemente grande. Este fenómeno se observa claramente en la Ilustración 3. Ilustración 3 . Fuerza de sustentación y resistencia. Recuperado de (INTA, 2021) El principio de acción y reacción de Newton también nos permite explicar este fenómeno. Si el aire ejerce una fuerza ascendente sobre el ala, entonces el ala reacciona ejerciendo una fuerza contraria sobre el aire. Esta fuerza provoca que el paso del ala a través del aire genere una corriente de aire descendente, compensando así el impulso ascendente proporcionado al ala. El funcionamiento del helicóptero también utiliza las características del perfil alar para el despegue y el vuelo, pero si permaneciesen las alas fijas solo podría ascender y descender. Para conseguir que el helicóptero vuele hacia delante, hacia atrás, lateralmente, o realizar un giro, el helicóptero posee un complejo rotor que consigue que las hélices cambien de dirección de forma independiente (Ilustración 4), cambiando así el ángulo de ataque del perfil alar de las hélices, y provocando un cambio en la distribución de fuerzas que permite que el helicóptero se desplace a la dirección deseada (IMFES, 2023; Lesics Española 2018). Capítulo I 8 | P á g i n a Ilustración 4 . Funcionamiento de un helicóptero. Recuperado de (IMFES, 2023) El dron combina ambos conceptos. Al tener más de un eje, si variamos la velocidad de alguno de ellos conseguimos cambiar la distribución de fuerzas, lo que permite al dron conseguir el movimiento horizontal. Estas variaciones de velocidades se transmiten a través de un mando radiocontrol, que emite las órdenes, que son recibidas por un receptor de radio conectado al controlador de vuelo. El controlador de vuelo interpreta las órdenes recibidas y realiza los cambios pertinentes en las velocidades de los motores. Es importante destacar que para realizar vuelos con drones hay que cumplir unos requisitos legales y unas regulaciones que varían según la región y el país donde se realicen los vuelos. Cumplir con estas normativas es esencial para operar con estos drones de forma legal y con la máxima seguridad. I.1.2 Tipos de drones En la actualidad hay muchos tipos de drones diferentes. Como primer paso, vamos a clasificar los tipos de drones según su forma o estructura. Esto nos lleva a dos grandes distinciones: drones de ala fija y drones de ala rotatoria. Los drones de ala fija son aquellos se favorecen de la aerodinámica para elevarse y mantener el vuelo (Ilustración 5). Su composición es muy similar a la de los aviones, debido a que son las alas las que generan la fuerza de sustentación en el aire. Este tipo de drones tienen que ser lanzados de forma manual (Adeva, 2022a) Marco teórico 9 | P á g i n a Ilustración 5 . Dron de ala fija. Recuperado de (Adeva, 2022a) Por otro lado, los drones de ala rotatoria o multirrotores son los drones más comunes en el mercado actualmente debido a su versatilidad. Estos drones consiguen sustentarse en el aire por medio del movimiento de las hélices propulsadas por los motores ubicadas en cada uno de los brazos del dron (Ilustración 6). La estabilidad de este tipo de drones es una de sus características principales, lo que les convierte en candidatos perfectos para tareas de seguridad y vigilancia, grabaciones aéreas, espectáculos de luces, etc. (Adeva, 2022b) Ilustración 6 . Dron de ala rotatoria. Recuperado de (Valero, 2023) Dentro del grupo de drones de ala rotatoria podemos subdividir los distintos tipos de drones según el número de motores o brazos que los conforman. A continuación, se explican las características de cada uno de los tipos (UMILES Group, 2022): Capítulo I 10 | P á g i n a Tricópteros: este tipo de dron posee tres brazos y tres motores (Ilustración 7). Cada brazo delantero tiene un motor que gira en sentido opuesto para generar la potencia. Por otro lado, el motor trasero cumple la función de servomotor, ofreciendo estabilidad a la hora de realizar el vuelo. Ilustración 7 . Tricóptero YI Erida. Recuperado de https://www.muycomputer.com Cuadricópteros: el tipo de dron más común en el mercado (Ilustración 8). Cuenta con cuatro brazos en el que se posiciona un motor en cada uno. Ofrecen gran estabilidad debido a su configuración equidistante. Ilustración 8 . Cuadricóptero LH-X43. Recuperado de https://modelexpertrc.com Hexacópteros: drones que cuentan con seis motores y seis brazos (Ilustración 9). Son los más utilizados de forma profesional, logrando tomas aéreas de gran calidad debido a su excelente estabilidad. También ofrecen un mayor nivel de seguridad en caso de avería Marco teórico 11 | P á g i n a Ilustración 9 . Hexacóptero de pulverización agrícola. Recuperado de https://amazon.com Octocópteros: este tipo de drones cuentan con ocho motores y ocho brazos (Ilustración 10). La estabilización de estos drones es aún mayor que la que ofrecen los hexacópteros. Sin embargo, debido a su mayor tamaño y peso, son difíciles de controlar en espacios reducidos. Ilustración 10 . Octocóptero D30L-8. Recuperado de https://amazon.com Coaxiales: estos drones tienen dos motores por cada brazo (Ilustración 11). Este rasgo característico les permite obtener una mayor potencia, por lo que se elevan a gran altura con mucha facilidad y pueden transportar objetos. También son altamente utilizados en ámbitos profesionales. Ilustración 11 . Cuadricóptero coaxial. Recuperado de https://www.hispadrones.com/ Otro tipo de categorización de los drones es la que podemos realizar según el tamaño de las hélices (véase Tabla 1): Capítulo I 12 | P á g i n a Tabla 1 . Clasificación de las hélices por el número de pulgadas En la Ilustración 12 tenemos un ejemplo de hélices estándar de cinco pulgadas para drones. Ilustración 12 . Hélices de policarbonato de cinco palas. Recuperado de https://banggood.com Tamaño de las hélices Descripción de 2 pulgadas Son drones bastante pequeños e idóneos para el uso en interiores. Algunos pueden alcanzar grandes velocidades. de 3-4 pulgadas Este tipo de drones son los más pequeños que se deben de volar en exteriores. Son una excelente opción para espacios reducidos. de 5 pulgadas El tipo de dron más común y utilizado por los pilotos de drones de carreras y vuelo libre. Son los más versátiles debido a la gran cantidad de potencia que pueden aportar conservando una maniobrabilidad increíble, además de ser capaces de transportar cámaras de alta definición sin comprometer demasiado las características de vuelo. Aproximadamente el 90% de los drones en el mercado pertenecen a esta categoría. de 6 pulgadas Estos drones poseen un mayor rango de vuelo, especialmente dedicados a aquellos pilotos que desean una mayor velocidad en vez de realizar trucos rápidos. de 7 pulgadas o más Los drones de este tipo son lo suficientemente grandes como para llevar una cámara de alta definición con un sistema de estabilización, lo que los convierte en los candidatos perfectos para realizar vídeos y tomas fotográficas de gran calidad. También poseen otro tipo de características como un posicionamiento GPS y un sistema de “vuelta a casa” automático. Marco teórico 13 | P á g i n a I.2 Productos existentes en el mercado En el siguiente apartado se analizará los drones existentes y se hará un estudio sobre las necesidades que cubre cada uno. En el mercado existen empresas especializadas en la creación, desarrollo y venta de drones. La gran mayoría de las empresas comercializan drones de FPV y grabación de vídeo. Hay un abanico inmenso de precios para estos drones, dependiendo de sus características, su calidad, sus accesorios, etc. Una de las labores principales en las que se utilizan drones es en la fotografía y grabación de vídeo profesional. Estos dispositivos son unas herramientas potentes y versátiles en este campo. Este tipo de drones están equipados con avanzada tecnología y con cámaras de la más alta calidad, permitiendo explotar la creatividad de los usuarios capturando tomas aéreas profesionales para sus proyectos. Cuentan con sistemas de estabilización y de posicionamiento; además, su prolongado tiempo de vuelo permite la grabación de tomas de larga duración (UMILES Group, 2023). Otra de las funciones que poseen los drones comercializados hoy en día es cumplir con labores de vigilancia y salvamento, emergencias y rescate. Este tipo de drones están altamente cualificados para la búsqueda y rescate de personas en territorios hostiles. Con este tipo de alternativas, el tiempo de las intervenciones de rescate se reduce considerablemente, se puede geolocalizar a las víctimas y los costes se reducen drásticamente (DJI, 2023a). También existen drones capaces de analizar y estudiar el territorio para obtener datos sobre el terreno con el objetivo de realizar tareas de topografía y cartografía e incluso modelado de ciudades. Estos drones (Ilustración 13) son capaces de crear modelos precisos en 2D y 3D, otorgando así una valiosa información geográfica de la zona y permitiendo a los equipos de trabajo visualizar los resultados obtenidos (DJI, 2023b). Ilustración 13 . Dron especializado en topografía aérea. Recuperado de (DJI, 2023b) Capítulo I 14 | P á g i n a Esos drones sobrevuelan la zona mientras recogen todos los datos e información necesarios. Crean los modelos pertinentes a partir de la información recogida. Estos modelos son compatibles con otros programas de software SIG (Sistemas de Información Geográfica), lo que permite visualizar rápidamente los resultados obtenidos y realizar los cambios y ajustes pertinentes al equipo de trabajo. Otra de las clasificaciones importantes son los drones de carreras. Estos drones llevan instalados un complejo sistema de visión en primera persona (FPV, First Person View) para su pilotaje. Este tipo de drones son los más rápidos del mercado y también promedian el menor tamaño de todas las categorías de drones, entre los 15 y 25 centímetros. Son muy potentes pero su vuelo es de corta duración debido a la potencia de sus baterías. El piloto de este tipo de drones obtiene el total control del vuelo del dron, ya que estos drones están destinados a la acrobacia y no poseen sistemas de estabilización de inclinación (Ocón, 2022). Si bien existe una gran cantidad de drones ya montados en el mercado, es cierto que su precio es bastante elevado, lo que impide a la mayoría de los usuarios la posibilidad de obtener uno. Es por eso por lo que los drones también se pueden pedir por piezas. De este modo, el coste total del dron es mucho menor a cambio de tener que ensamblar un dron uno mismo. Esto último, sin embargo, es un aliciente para la gran comunidad de pilotos de drones existente en el mundo, donde encuentran un buen reto y un bonito pasatiempo montando, soldando y programando su propio dron. Estos pilotos ponen su conocimiento a disposición de toda la comunidad, comparten consejos y trucos, e incluso diseños y características del montaje de drones. Estos diseños de drones son compartidos en bancos de archivos, tales como www.cults3d.com o www.thingiverse.com, donde se pueden descargar e imprimir de forma totalmente gratuita. La variedad de archivos es inmensa, y se puede encontrar desde frames para drones de todos los tamaños, hasta hélices, soportes de cámara, trenes de aterrizaje, etc. (Ilustraciones 14 y 15). Ilustración 14 . Distintos proyectos extraídos de Thingiverse Marco teórico 15 | P á g i n a Ilustración 15 . Distintos proyectos extraídos de Cults3D De esta manera, el usuario puede buscar el archivo idóneo para satisfacer las necesidades de su proyecto e imprimirlo de una manera rápida. Del mismo modo, en caso de que estas piezas sufrieran algún tipo de daño y necesiten ser reemplazadas, se pueden volver a imprimir de la misma manera. La única pega de este tipo de sitios web es que solo es útil si el usuario tiene en su posesión una impresora 3D. Además, también habría que adquirir el resto de los componentes del dron mediante algún proveedor, y la programación del dron corre a cargo del mismo usuario. I.3 Impresión 3D La impresión 3D es un grupo de tecnologías de fabricación basado en el diseño y creación de objetos tridimensionales mediante una superposición de sucesivas capas de un determinado material a partir de un modelo digital generado por software. La impresora 3D deposita el material de forma óptima para conseguir el resultado esperado. I.3.1 Nacimiento de la impresión 3D Aunque el concepto de impresión 3D nos pueda parecer relativamente moderno, lo cierto es que en el año 1976 se habían desarrollado los primeros materiales y equipos de construcción para la impresión 3D. Años más tarde, en 1981, Hideo Kodama inventó métodos de fabricación de figuras tridimensionales generados por fotoendurecimiento de un polímero. En la Ilustración 16 se puede observar la primera impresora 3D del mundo (Plataforma Arte & Medios, 2022). Ilustración 16 . Primera impresora 3D. Recuperado de https://hipertextual.com/2019/04/primera-impresora-3d 23 | P á g i n a CAPÍTULO II. DISEÑO Y DESARROLLO Para la realización de este proyecto hemos seguido ciertas pautas para mantener el orden y la eficacia a lo largo del proyecto. Como punto de partida, se realizó la búsqueda del tema del trabajo de fin de grado junto con los tutores. Se tenían claros los objetivos a conseguir con este proyecto, que era realizar un prototipo de dron accesible y asequible aplicando técnicas de impresión 3D. Tras definir las primeras pautas del proyecto, lo siguiente fue la búsqueda de información. Se tenían ciertas nociones sobre impresión 3D debido a las prácticas curriculares que cursó anteriormente y que han sido muy útiles y necesarias para llevar a cabo este trabajo. Los esfuerzos se centraron en buscar información sobre drones, ya que nunca había trabajado con ellos, y apenas sabía cuál era su funcionamiento y sus características principales. Para ello, se realizó una búsqueda exhaustiva de todo tipo de información relacionada con los drones y su entorno, desde tipos de drones y componentes de un dron, hasta el estudio de la física de un dron y su funcionamiento. II.1 Diseño de los componentes estructurales Vamos a describir el proceso de diseño e impresión, desde los primeros bocetos y diseños hasta el resultado final. Capítulo II 24 | P á g i n a En primer lugar, se realizó un primer boceto del diseño del frame del dron con el objetivo de visualizar correctamente el tamaño final del dron, la posición aproximada de los componentes y la resistencia del frame. Con el boceto en mente, plasmamos esa idea en el software Catia para realizar el modelo 3D del primer frame. El resultado de este diseño se ve en la Ilustración 22. Esta primera aproximación es un diseño muy simple de frame en forma de X simétrica. Ilustración 22 . Primera versión del frame en CATIA Una vez finalizado el modelo 3D, transferimos el archivo al software Ultimaker Cura para crear el archivo GCode que nos servirá para realizar la impresión 3D del frame. Se realizó una primera impresión de prueba y se analizó la pieza resultante. Este primer frame era más grande que el tamaño deseado, los brazos eran excesivamente anchos, la parte central del frame tenía un tamaño mayor de lo esperado, y los orificios para los tornillos de los motores eran muy grandes, aparte de que estaban descentrados y su posición no era simétrica. El resultado de la impresión lo podemos observar en la Ilustración 23. Ilustración 23 . Primera versión del frame impresa en 3D Diseño y desarrollo 25 | P á g i n a Tras la revisión de este primer frame, se centraron los esfuerzos en corregir todos los errores que habían surgido. Se realizó una nueva versión del frame, en la que se reducía el tamaño general y el de la zona central, se ajustó el ancho de los brazos del frame y se corrigió tanto la posición como el tamaño de los orificios de los tornillos de los motores (Ilustración 24). Ilustración 24 . Segunda versión del frame en CATIA Tras la revisión de este nuevo modelo de frame (Ilustración 25), se llegó a la conclusión de que el tamaño era el que se buscaba a la hora de realizar el dron. Ilustración 25 . Segunda versión del frame impresa en 3D Sin embargo, para mayor comodidad a la hora de la instalación se diseñaron unas placas auxiliares para el frame que permitían colocar la cámara FPV y el transmisor de vídeo en una posición idónea. Estas placas auxiliares están compuestas por dos trapecios y un cuadrilátero, y poseen unos orificios que permiten fijar los componentes electrónicos, así como unirse con el frame. La placa inferior posee una pequeña muesca en la que va encajado el soporte para la cámara FPV (Ilustraciones 26 y 27), mientras que la superior solo necesita cuatro orificios (Ilustraciones 28 y 29). Capítulo II 26 | P á g i n a Ilustración 27 . Placa auxiliar inferior impresa en 3D Ilustración 28 . Placa auxiliar superior en CATIA Ilustración 29 . Placa auxiliar superior impresa en 3D Una vez impresas estas placas, las colocamos por encima del frame y vimos que el tamaño y la posición en la que quedaban era la ideal, aunque nos dimos cuenta de que el frame necesitaba los cuatro orificios que tenía la placa auxiliar para poder unir una pieza con otra, por lo que se modificó el modelo 3D del frame para realizar estos agujeros. Se añadieron otros cuatro orificios que permitían una mejor fijación del controlador de vuelo al frame (Ilustración 30). Ilustración 30 . Versión final del frame en CATIA Ilustración 26 . Placa auxiliar inferior en CATIA Diseño y desarrollo 27 | P á g i n a Se imprimió este diseño final y se comprobó que los tamaños y las distancias de los orificios cumplían con los requisitos necesarios. Una vez acabado el diseño del frame (Ilustración 31) y de las placas auxiliares, se procedió a diseñar unas piezas para minimizar los daños a la hora del aterrizaje del dron y para facilitar dicha operación. Ilustración 31 . Versión final del frame impresa en 3D Cada una de estas piezas protecciones de aterrizaje (Ilustración 32) va atornillada en la parte inferior del extremo de cada brazo y poseen su misma forma. Se observa el resultado final en la Ilustración 33. Ilustración 32 . Protección de aterrizaje en CATIA Ilustración 33 . Protección de aterrizaje impresa en 3D Capítulo II 28 | P á g i n a II.2 Estudio y cálculo de tensiones Comprobar la resistencia y viabilidad de los diseños generados es un elemento clave para determinar si pueden llevar a cabo o no la tarea de soportar las tensiones a las que están sometidos. Para llevar a cabo este cálculo se encuentran a disposición del usuario varios softwares dedicados a esta tarea. El software elegido finalmente es Autodesk Inventor Professional 2024, un software CAD en 3D que ofrece herramientas profesionales para la simulación de productos, la elaboración de documentación y el diseño mecánico. La elección de este programa se debe también a haberse utilizado anteriormente durante los estudios del Grado. Se utilizará las geometrías generadas en CATIA ya que Inventor permite importar los archivos directamente desde CATIA. Las condiciones iniciales en este cálculo de tensiones son las siguientes. Se supone para este estudio un análisis estático en condiciones de equilibrio. Se colocan cuatro restricciones fijas en los orificios del frame donde van los tornillos que unen los diferentes componentes estructurales del dron. También se aplica una carga hacia abajo de 10 N representando el peso de los componentes electrónicos del dron, y cuatro cargas de 2,5 N repartidas en los extremos de cada brazo representando la fuerza de empuje que ejercen los motores al funcionar. En la Ilustración 34 podemos observar un esquema de las fuerzas que se ejercen en el modelo del frame. Ilustración 34 . Condiciones iniciales del estudio de tensiones en Inventor Los datos elegidos, aunque no son los reales, nos facilitan el estudio y nos permite observar el comportamiento de la estructura de un modo aproximado que se asemeja bastante a lo que ocurre en la realidad. Una vez establecidas las condiciones de contorno iniciales, se comienza con la simulación. Tras realizar los cálculos pertinentes, Inventor arroja los siguientes resultados: Diseño y desarrollo 29 | P á g i n a En primer lugar, estudiaremos la tensión de Von Mises. Este dato es uno de los más importantes en los estudios de componentes estructurales. Como su propio nombre indica, es una tensión, y su valor se calcula a partir de las tensiones principales (en las direcciones x, y, z) en un punto del sólido deformable. El dato obtenido nos sirve para compararlo con el límite elástico del PLA y comprobar que nuestro componente estructural no se va a romper. Los datos los vemos reflejados en la Ilustración 35. Ilustración 35 . Resultado del estudio de la tensión de Von Mises en Inventor Como se puede observar, las partes que están sometidas a mayor esfuerzo son las zonas de los brazos más cercanas a la parte central del frame del dron. La tensión de Von Mises en esos puntos ronda entre los 4 y 5 MPa. Si observamos bien, la zona más crítica (Ilustración 36) es la más próxima al orificio del frame donde van los tornillos, con una tensión de Von Mises de 14,05 MPa tal y como muestra la Ilustración 35. Como el límite elástico del PLA es de 60 MPa, se concluye que la pieza resiste y cumple los requisitos de resistencia mecánica exigidos para este proyecto. Ilustración 36 . Detalle de la zona crítica Capítulo II 30 | P á g i n a Otro cálculo por analizar es el desplazamiento sufrido por la pieza debido a las fuerzas. En este análisis, observamos cuánto se desplaza la pieza desde su posición inicial. Se observa en la Ilustración 37 que las zonas que más se elevan son los extremos de cada brazo del frame. Esto es debido a que son las zonas donde la fuerza de empuje es aplicada, y a que la zona central del frame tiende a descender debido al peso de los componentes electrónicos. Ilustración 37 . Resultado del estudio de desplazamiento en Inventor Como se puede observar, el desplazamiento máximo es de 3mm en la zona más exterior del extremo del brazo del frame. Teniendo en cuenta que el grosor del propio frame es de 4mm, el desplazamiento entra dentro de lo aceptable para el proyecto. Además, este desplazamiento se daría en un caso extremo, lo que añade un plus a la fidelidad y aceptación a los resultados obtenidos. Para una comprobación final, podemos fijarnos en la convergencia de los resultados. Lo ideal para admitir como definitivo el resultado sería obtener una tasa de convergencia entre 0 y 4%. Como podemos observar en las Ilustraciones 38 y 39, la tasa de convergencia para el desplazamiento es de 0,454%, mientras que para la tensión de Von Mises es de 1,218%. Con estos resultados, podemos afirmar que los valores son bastante fiables. Ilustración 38 . Tabla de convergencia del desplazamiento Ilustración 39 . Tabla de convergencia de la tensión de Von Mises Diseño y desarrollo 31 | P á g i n a Tras este estudio, podemos concluir que el frame del dron cumple perfectamente con las necesidades de resistencia mecánica para llevar a cabo la tarea de este proyecto. Además, en el estudio se ha observado que existe un coeficiente de seguridad lo suficientemente grande como para asegurar que la pieza cumple con su propósito, aunque las fuerzas a las que esté sometido el componente sean más grandes. En el punto más crítico, el coeficiente de seguridad es de 5,39, mientras que en las zonas más propensas a la rotura es de 13,91, como podemos observar en la Ilustración 40. Ilustración 40 . Coeficientes de seguridad Aunque en este estudio se haya determinado que la pieza es válida, cabe recalcar que en futuros diseños sería recomendable buscar una forma de reforzar estos componentes estructurales. Una solución para reforzar las zonas propensas a la deformación plástica es agregar uno o varios nervios cerca de la zona crítica, consiguiendo así que el componente estructural obtenga una mayor resistencia en estas zonas. II.1.2 Proceso de impresión 3D Como se ha comentado en anteriores ocasiones en este proyecto, el método de fabricación empleado para la construcción de los componentes estructurales del dron es la impresión 3D FDM. La impresora utilizada para llevar a cabo este proyecto es la impresora Ultimaker S3 (Ilustración 41), una impresora FDM de alta precisión. Se ha elegido, entre las disponibles en el FabLab de la Universidad de Valladolid, porque se tiene bastante experiencia en su uso y se conoce los parámetros óptimos de impresión para cada tipo de componente. Capítulo II 38 | P á g i n a Su dureza puede depender de la mezcla de los polímeros. La temperatura a la que se puede extraer el TPU es de entre 220ºC y 250ºC. La cama de impresión no necesita estar caliente. El filamento de TPU requiere una transferencia de energía mucho mayor que otros filamentos, pero en comparación con otros materiales no presenta problemas de deformación que se puedan experimentar a través de un choque térmico. También es un material bastante difícil de imprimir en comparación con otros filamentos. Se observa todos los parámetros de impresión y propiedades mecánicas en la Ilustración 39 (Tractus3D, 2023). Hay una gran cantidad de industrias que utilizan la impresión en 3D con TPU debido a las ventajas que les ofrece, como la industria de los artículos y calzados deportivos (Ilustración 50), la industria aeroespacial y la industria automóvil (Ilustración 51). Ilustración 50 . TPU utilizado en calzado Ilustración 51. TPU utilizado en el mundo del motor La elección de este material principalmente se debe a sus propiedades mecánicas. Su flexibilidad y resistencia, como observamos en la Ilustración 52, son ideales para la construcción de las protecciones de aterrizaje de nuestro dron. II.2 Componentes electrónicos del dron Una vez impresas todas las piezas, se procedió a hacer una lista que contenía los componentes necesarios para realizar un dron funcional que el alumno no podía diseñar y que había que adquirir por proveedores externos. Esta tarea era de suma importancia, ya que los componentes tenían que ser compatibles entre ellos. Ilustración 52 . Rueda impresa en TPU. Recuperado de https://tractus3d.com/es/materials/tpu/ Diseño y desarrollo 39 | P á g i n a Con la lista hecha, se realizó el pedido de los componentes, que se realizó con suficiente antelación para poder llevar a cabo el proyecto dentro de un tiempo razonable, aunque varios factores externos retrasaron bastante la llegada de los componentes. Primero, la crisis de los semiconductores que sacude al mundo entero afectó a los plazos de entrega debido a la escasez de componentes electrónicos. Segundo, a la fecha de realización del pedido, que coincidió en plena campaña navideña, incidiendo negativamente en los tiempos de envío. Durante el periodo en el que los componentes estaban de camino a ser entregados, la memoria del proyecto se fue estructurando y rellenando con la información pertinente. Tras más de un mes de espera, los componentes electrónicos llegaron a su destino. Se comprobó que no faltara ningún componente del pedido y se revisó que todos estuvieran en condiciones óptimas. Estos componentes no tienen especial relevancia en el proyecto, por lo que no se entrará en detalle en cada uno de los componentes, sin embargo, si realizaremos una pequeña descripción de cada uno en la que explicaremos sus características y sus funciones. Los motores sin escobillas son unos tipos de motores utilizados por los drones para mover sus hélices (Ilustración 53). La ventaja principal respecto a los motores eléctricos con escobillas es que producen menos desgaste a la hora de funcionar (Prometec, 2022a). Ilustración 53 . Motores sin escobillas RacestarsBR2205 Recuperado de www.banggood.com Estos motores poseen una numeración, que corresponde a sus características esenciales y que definen sus capacidades y comportamiento. Las cuatro primeras cifras que aparecen en los motores se leen de dos en dos. Estas cifras corresponden a la altura del motor y su longitud. Las siguientes cuatro cifras son los KV, la característica física por la cual se define la calidad de un motor. Este valor depende de varios factores, tales como la potencia de los imanes de los motores, el número de espiras, la forma y geometría del motor, o incluso el diámetro del hilo de cobre. Capítulo II 40 | P á g i n a Este valor se refiere al número de revoluciones por minuto que entregará el motor al ser aplicado 1 voltio de tensión para su funcionamiento. Dicho valor es un valor teórico, que dista bastante del valor real obtenido cuando el motor está funcionando con una hélice. El KV es un dato importante a la hora de elegir el tipo de motor. Sin embargo, el rendimiento del motor dependerá en gran medida del peso del dron, los controladores electrónicos de velocidad (ESC, Electronic Speed Controllers) instalados, el tipo de hélices utilizados y su tamaño, la medida de la batería, etc. El motor genera potencia, un concepto diferente al empuje. El tipo de hélice utilizado es un factor determinante en el empuje. Existen unas dimensiones de hélices recomendadas para acompañar cada motor. Si elevamos el voltaje, estamos consiguiendo más potencia y las hélices generan más empuje, a costa de aumentar mucho el consumo eléctrico. Los motores utilizados para este proyecto son motores sin escobillas con un KV alto. El hilo de cobre es más grueso y el número de espiras es menor, por lo que estos motores ofrecen una mayor reacción y consumo. Estas características son idóneas para nuestro dron, ya que es un aparato que necesita mucha velocidad y poco par. Las hélices de un dron (Ilustración 54) son un elemento importante. Las hélices generan empuje cuando giran. Cuanto más rápido giran, más empuje generan. Las hélices más grandes producen mayor potencia, pero aumentan el consumo eléctrico (Prometec, 2022b). Ilustración 54 . Hélices de policarbonato de 5 pulgadas Recuperado de www.banggood.com Las hélices más populares son las hélices de 2 o 3 palas. Añadiendo una pala más, se añade más superficie, por lo que obtenemos mayor empuje a costa de un mayor consumo de corriente. Diseño y desarrollo 41 | P á g i n a Dos de las hélices giran en sentido antihorario y las otras dos en sentido horario. El material de las hélices puede ser muy variado, desde madera a fibra de carbono. El material más común es el policarbonato, ya que es muy duradero y barato. Para un dron de 220mm de distancia entre ejes y motores de 2300KV, las hélices tienen que ser de 5’’. El controlador de vuelo es el cerebro del dron (Ilustración 55). Contiene un procesador que interpreta las señales recibidas por el receptor de radio y emite las señales adecuadas a los controladores electrónicos de velocidad de los motores para que el dron vuele cómo y dónde nosotros le digamos a través de las órdenes que enviamos desde nuestra emisora de radio (Prometec, 2022c). Ilustración 55 . Controlador de vuelo MAMBASYS F405 MK2 Recuperado de www.banggood.com También es el centro neurálgico que contiene o donde se conectan todos los sensores, como giroscopios, acelerómetros, GPS, barómetros, sónar, etc, y todos los periféricos de salida que puede llevar el dron, como las salidas de telemetría, luces LED, buzzers, etc. Los controladores electrónicos de velocidad, también llamados ESC (Ilustración 56) son unos dispositivos que reciben la señal del acelerador del controlador de vuelo y transmiten a los motores la velocidad óptima proporcionando la señal de corriente adecuada, lo que provoca que estos aceleren o frenen según las órdenes recibidas. En el caso de nuestro dron, se ha instalado una única placa que posee los cuatro ESC, uno para cada motor, lo que permita una instalación más sencilla. (Prometec, 2022d). Ilustración 56 . ESC MAMBASYS F405 MK2 Recuperado de www.banggood.com Capítulo II 42 | P á g i n a En el dron también va instalado una pequeña cámara de vídeo que transmite a tiempo real lo que graba por la lente (Ilustración 57). El vídeo que recoge la cámara se envía al transmisor de vídeo, que se encarga de enviar la señal de video a un receptor compatible para ver la imagen. Ilustración 57 . Cámara Caddx Ant FPV Recuperado de www.banggood.com Para poder ver la imagen de la cámara, necesitamos un videotransmisor (Ilustración 58). Es un sistema que envía la señal de vídeo de la cámara instalada en el dron a un receptor VRX autónomo o unas gafas FPV, de modo que la imagen captada por la cámara pueda ser mostrada en un monitor o en las gafas. (Prometec, 2022e) Ilustración 58 . Transmisor de vídeo VTX EWRF 5,8GHz Recuperado de www.banggood.com Los VTX pueden utilizar distintas frecuencias, pero la más frecuente es 5,8 GHz, debido a que el tamaño de las antenas es menor y es legal utilizarla en muchos países. Este sistema de 5,8 GHz es tecnología analógica antigua, por lo que la imagen recogida no será de una calidad en alta definición. El sistema VTX se elige porque es una alternativa barata, fácil de encontrar, compacta y con muy baja latencia en comparación a un sistema con una cámara de muy buena calidad. Diseño y desarrollo 43 | P á g i n a Para poder recibir la señal emitida por el transmisor de vídeo, necesitamos un receptor de vídeo. Este pequeño dispositivo (Ilustración 59) nos permite recibir la señal de vídeo emitida por el transmisor de vídeo VTX mediante dos antenas de radio. Este dispositivo se puede conectar por cable USB tanto al ordenador como a un móvil, lo que nos permite observar en tiempo real el vídeo capturado por la cámara FPV. Ilustración 59 . Receptor de vídeo Eachine ROT G02 Recuperado de www.banggood.com Todos estos componentes, para que funcionen, necesitan ser alimentados de corriente. Para ello se instala una batería de litio y polímero (LiPo), que es un tipo de batería recargable que nace como una alternativa al uso de combustibles para realizar vuelos (Ilustración 60). Estas baterías pueden ofrecer una muy alta tasa de descarga y almacenar gran cantidad de energía. Una de las características de las baterías LiPo es que disponen de un voltaje por celda mayor que otros tipos de baterías (Prometec, 2022f). Ilustración 60 . Batería LiPo de 4 celdas Recuperado de www.banggood.com El número S que encontramos en la batería indica el número de celdas que posee. Una celda una pequeña batería que, junto con más celdas, compone una batería completa, algo bastante parecido a una sub-batería. La capacidad de la batería viene indicada en mAh. A mayor mAh, mayor capacidad de carga. Capítulo II 44 | P á g i n a El número C de la batería indica la tasa de descarga. Una batería LiPo de 1C nos indica que la tasa máxima de descarga a la que puede llegar corresponde a su capacidad. Un número distinto de 1 significa que la tasa de descarga la multiplicamos por un valor, logrando así reducir el tiempo de descarga de la batería proporcionalmente. El resultado de tener baterías con valores altos en C es tener más velocidad en el dron a cambio de reducir el tiempo total de vuelo. La tasa de carga se indica también en C. La velocidad máxima de carga de la batería viene indicada por su rango de C. Todas las órdenes que reciba el dron tienen que pasar por un receptor de radio. Es una placa electrónica que lleva conectada en su extremo una antena. Esta antena nos sirve para conectarnos con nuestro emisor al dron (Ilustración 61). Ilustración 61 . Receptor FrSky R-XSR Recuperado de www.banggood.com Para enviar todas estas órdenes a nuestro dron, necesitamos una emisora de radiocontrol. Este dispositivo permite controlar el dron por medio de ondas de radio (Ilustración 62). La señal emitida por este dispositivo es recibida por un receptor de radio situado en el dron y el cual está conectado al controlador de vuelo (Prometec, 2022g). Ilustración 62 . Taranis Q X7 Recuperado de www.banggood.com El número de canales de nuestro radiotransmisor indica cuántas acciones individuales podemos controlar en el dron. El alabeo, el cabeceo y la guiñada; exige un canal cada uno. También necesitaremos un canal para el acelerador. Lo recomendable sería utilizar mínimo 5 o 6 canales. Diseño y desarrollo 45 | P á g i n a Los canales auxiliares son los canales adicionales en el radiotransmisor. Estos suelen estar presentes en el mando como potenciómetros, botones o interruptores. También pueden ser utilizados para activar ciertas funciones en el dron o cambiar los modos de vuelo. Una de las frecuencias más populares en radiocontrol es 2.4GHz. Es una de las frecuencias más modernas y la frecuencia más popular para pequeños aparatos de radiocontrol 47 | P á g i n a CAPÍTULO III. MONTAJE, SOLDADURA Y CONFIGURACIÓN DEL DRON En este último capítulo se abordará paso por paso el montaje completo del dron, desde las uniones más sencillas, hasta las soldaduras más precisas y complicadas de cada pin. Posteriormente, se abordará la configuración y puesta a punto final de nuestro dron paso por paso. También se darán algunos consejos y recomendaciones a seguir para cualquier persona que quiera realizar este proyecto. III.1 Montaje y soldadura del dron Una vez impresos todos los elementos estructurales del dron, se comenzó con el montaje y la soldadura. En este caso se empezó fijando cada uno de los motores a su brazo correspondiente junto con la protección para el aterrizaje (Ilustración 63). Ilustración 63 . Protección para aterrizaje fija al frame Capítulo III 54 | P á g i n a En la pestaña Receptor (Ilustración 76) podemos modificar los parámetros y el nivel de respuesta que obtenemos al mover las palancas del mando radiocontrol y pulsar sus botones, así como observar en tiempo real cómo estos van variando según vamos accionando el mando radiocontrol. Ilustración 76 . Pestaña "Receptor" en Betaflight En esta pestaña, modificaremos el modo del receptor a serie, y el proveedor del receptor serie a SBUS, ya que es el protocolo que utiliza nuestro receptor FrSky R-XSR para recibir la señal. Para que todo funcione correctamente, tenemos que asegurarnos que el mapa de canales es el correcto; en nuestro caso, utilizamos el mapa de canales RTEA1234. La pestaña de Modos (Ilustración 77) nos permite crear diferentes perfiles de configuración en el dron. Podemos hacer diferentes modos de vuelo y estados del dron, pudiendo hacer que estos cambien fácilmente a través de las palancas del mando radiocontrol. Se han creado tres modos diferentes, según la posición de las palancas. Ilustración 77 . Pestaña "Modos" en Betaflight Montaje, soldadura y configuración del dron 55 | P á g i n a La primera configuración es una configuración en la que los motores del dron permanecen apagados pase lo que pase. Esta configuración nos permite no dañar más el dron una vez esté en el suelo, y como método de seguridad. Este modo se activa con la palanca hacia arriba. La segunda configuración es una configuración de vuelo estabilizado, está enfocado a principiantes. Su característica principal en este modo es que el dron está armado, es decir, los motores están en funcionamiento y reaccionan a las órdenes recibidas por la emisora. Esta configuración también activa el modo de vuelo ANGLE del dron. Este modo de vuelo es el más fácil para novatos. Hace que el dron se estabilice automáticamente y limite su inclinación, sin embargo, hay otros inconvenientes como no poder realizar acrobacias y alguna aceleración de más en alguno de los motores. La tercera configuración es una configuración de vuelo acrobático. En esta configuración el dron está armado y tiene el modo de vuelo ACRO activado. En este modo de vuelo no tenemos ningún tipo de ayuda, ni autoestabilización ni límite en la inclinación; sin embargo, el piloto obtiene el control total del dron. Esto permite realizar complejas acrobacias que no se podrían realizar de otra manera. También hemos activado el beeper en esta configuración, lo que activa los pitidos del dron y nos permite localizar el dron en caso de pérdida o aterrizaje forzoso. La pestaña de Motores (Ilustración 78) nos permite observar el funcionamiento de cada uno de los motores, tanto por separado como en conjunto. Podemos observar el sentido de giro de cada uno de ellos, así como las revoluciones que alcanzan. Ilustración 78 . Pestaña "Motores" en Betaflight También podemos cambiar el protocolo de comunicación de los ESC con los motores. En nuestro caso, utilizaremos el protocolo DSHOT600 y activaremos la opción de no girar los motores al armar para obtener un plus de seguridad. Capítulo III 56 | P á g i n a En esta pestaña también podemos establecer la disposición de los motores, en nuestro caso optaremos por la configuración QUAD X. La siguiente pestaña es la de OSD (Ilustración 79), en la que podemos configurar a nuestro gusto todo lo que graba la cámara del dron a tiempo real. En pantalla podremos colocar elementos que nos ayuden a la hora del vuelo del dron, como por ejemplo el nombre de la aeronave, el porcentaje de batería restante, el voltaje de cada celda, el modo de vuelo en el que estamos, la altura a la que está nuestro dron, etc. Ilustración 79 . Pestaña "OSD" en Betaflight La última pestaña de configuración para dar por finalizado la puesta a punto del dron, es la pestaña de Transmisor de vídeo (Ilustración 80). En esta pestaña encontraremos todos los parámetros modificables para configurar correctamente nuestro transmisor de vídeo VTX. Ilustración 80 . Pestaña "Transmisor de vídeo" en Betaflight Montaje, soldadura y configuración del dron 57 | P á g i n a Para ello, hemos seleccionado la banda RACEBAND en el canal 3, con una potencia de 25. La tabla VTX es una matriz con valores predeterminados por el fabricante que nos indica el número de bandas de nuestro transmisor y el número de canales por banda, así como los niveles de potencia y las frecuencias que utiliza el transmisor en cada banda para cada protocolo. Como nosotros estamos utilizando el protocolo RACEBAND en el canal 3, la frecuencia a utilizar es 5732. Con todos estos ajustes, nuestro dron está listo para realizar su primer vuelo. Si todo está correctamente conectado, deberíamos poder observar en nuestro monitor el vídeo de la cámara con todos los parámetros que hemos introducido en Betaflight. En la Ilustración 81 se puede ver una captura de pantalla del vídeo de la cámara en pleno vuelo. Ilustración 81 . Captura de pantalla de la cámara del dron en pleno vuelo III.3 Consejos y recomendaciones Una vez concluido la construcción y el diseño del dron, en este apartado dedicaremos unos párrafos a informar sobre una serie de consejos y recomendaciones a seguir para las personas que quieran realizar un proyecto similar. Capítulo III 58 | P á g i n a En primer lugar, si no se ha tenido nunca contacto con el mundo de los drones y el aeromodelismo, sería muy recomendable adquirir ciertos conocimientos básicos sobre éstos, ya que se va a encontrar numerosos tecnicismos y conceptos difíciles de entender para novatos. Existe una gran cantidad de contenido gratuito, foros, vídeos, etc., de donde se puede resolver cualquier duda que se tenga, aprender curiosidades, manejo del software Betaflight, etc. Otro consejo es tener la lista de componentes preparada y pedirlos con antelación, ya que los periodos de entrega pueden retrasarse bastante. También es recomendable ensamblar y montar el dron cuando se dispone de la totalidad de los componentes. Montar piezas a medias da una falsa sensación de “avance y ahorro de tiempo”, pero en realidad no se trabaja de manera eficiente de esa manera. Como tercera recomendación, antes de empezar la impresión de los componentes estructurales, sería óptimo realizar unas pequeñas mediciones en los diseños para comprobar que los componentes electrónicos pueden ir colocados correctamente en su posición y que hay espacio suficiente para colocarlos todos. Esto nos ahorra tiempo de trabajo, ya que, si imprimimos el frame y al colocar los componentes no nos entran en nuestro chasis, tendremos que rediseñarlo y volverlo a imprimir. Por último, si el precio del material a imprimir no es una característica determinante en nuestro proyecto, se podría sustituir el PLA por PETG o Tough PLA. Estos materiales poseen unas características mecánicas mejores. También se podrían reducir los tiempos de impresión si modificamos ciertos parámetros, como el patrón de relleno o la densidad del relleno. También recomiendo fervientemente antes de realizar nuestro primer vuelo, ensayar en algún simulador de vuelo. En este tipo de simuladores se adquieren las habilidades básicas para pilotar el dron y sirven para poder practicar el vuelo sin tener que dañar nuestro dron en el proceso de aprendizaje del pilotaje. Tras una exhaustiva búsqueda, uno de los mejores simuladores de FPV que he encontrado ha sido FPV Freerider Recharged. En las Ilustraciones 82 y 83 se observan unas capturas de pantalla del simulador anteriormente nombrado, donde se puede apreciar el gran parecido a la realidad. Montaje, soldadura y configuración del dron 59 | P á g i n a Ilustración 82 . Captura de pantalla del simulador FPV Freerider Recharged Ilustración 83 . Vista en primera persona en el simulador FPV Freerider Recharge 61 | P á g i n a CAPÍTULO IV. ESTUDIO ECONÓMICO IV.1 Introducción Un último trámite por realizar cuando se lleva a cabo un proyecto es obtener información válida sobre la viabilidad económica del mismo con un cálculo del coste final. El objetivo de este estudio económico es evaluar aproximadamente los costes involucrados en la realización de este trabajo de fin de grado. Para ello, desglosaremos en cada una de las diferentes etapas la elaboración del trabajo, desde sus ideas iniciales hasta su conclusión y presentación. Para la valoración, se tendrán en cuenta las horas necesarias que dedicará cada profesional de una supuesta empresa encargada de la elaboración de este trabajo y los recursos utilizados para llevar a cabo cada una de las etapas de su desarrollo. IV.2 Profesionales partícipes Para elaborar un proyecto de estas características es necesario la intervención de una serie de personas, con sus cargos y roles definidos. En primer lugar, Capítulo IV 62 | P á g i n a encontramos al Director de proyecto. Esta persona es el máximo responsable del proyecto, y el encargado de proporcionar las ideas, guiar al equipo de trabajo, aconsejar y coordinar gracias a su experiencia. El Director de proyecto será el último responsable de la validación final del mismo. A continuación, encontramos al Ingeniero Industrial. Para desempeñar su rol, es el responsable del diseño, confección y labores de documentación del proyecto. Gracias a sus conocimientos de logística y organización, el Ingeniero Industrial lleva a cabo el trabajo necesario para satisfacer los objetivos finales en los plazos correctos. Realiza también la búsqueda, redacción, estructuración y corrección de los documentos necesarios para la realización del proyecto. Tiene contacto directo con el Director de proyecto, comunicando a su superior el progreso realizado. También es necesaria una persona que domine las labores burocráticas. En este caso se contará con el Auxiliar Administrativo. Este trabajador se encarga de gestionar todos los documentos de la empresa, ya sean contratos, alquileres, permisos, compras, licencias, etc. IV.3 Definición de las fases La elaboración de este Trabajo de Fin de Grado ha sido estructurada en una serie de etapas. Se empieza con unas ideas y una primera planificación del proyecto a partir de los conceptos iniciales. En esta primera etapa se pone en marcha la metodología de trabajo del proyecto, se definen las tareas y procesos que hay que realizar, los recursos que se van a emplear, etc. La siguiente etapa da lugar a establecer el contexto del proyecto y a dar un enfoque al mismo. Se buscan datos, información, referencias en fuentes contrastados para llevar a cabo esta tarea. La tercera etapa se corresponde con la parte principal del proyecto, el diseño, construcción y montaje del dron utilizando los conceptos e ideas previamente adquiridos. Para ello, se diseña un frame de manera óptima a partir de la observación de las diferentes alternativas en el mercado, se imprimen todas las piezas en 3D, se realiza el montaje de los componentes electrónicos y se programa correctamente cada uno de ellos. A lo largo de este proceso, es posible implementar nuevas ideas, experimentar diferentes casuísticas, utilizar el método de ensayo y error, etc. Como última fase, todo el desarrollo del Trabajo de Fin de Grado se documenta en una memoria que se entrega al cliente. Estudio económico 63 | P á g i n a IV.4 Análisis económico En el siguiente apartado abordaremos el cálculo del coste económico del presente Trabajo de Fin de Grado, a partir de todos los recursos que se necesitan para llevarlo a cabo. En este cálculo, los gastos que se tienen en cuenta están asociados a diferentes apartados: coste del personal, recursos consumibles, amortizaciones de la maquinaria empleada, y los servicios indirectos del proyecto. Cada uno de estos gastos será analizado por separado para saber la relevancia de cada uno sobre el coste final del estudio. IV.4.1 Horas efectivas y tasas horarias del personal En este apartado se especifican los costes por hora y semanales de cada uno de los profesionales implicados en la elaboración del proyecto, para valorar los costes asociados al personal. Como punto de partida se establece una cantidad de horas efectivas por trabajador para realizar un proyecto de este tipo, a lo largo de un periodo del mes de mayo de 2023, calculando también el número de semanas efectivas (Tabla 2). Tabla 2 . Cálculo de las horas/días/semanas hábiles en el período CONCEPTO VALOR Día inicio período 01/05/2023 Día fin de período 31/05/2023 Período (días) 31 Sábados y Domingos 8 Días festivos (Valladolid 2023) 1 Días de vacaciones 1 Días de baja médica 1 Días cursos formativos 1 TOTAL DÍAS HÁBILES 19 TOTAL HORAS EFECTIVAS 152 TOTAL SEMANAS HÁBILES 3,8 Los empleados que forman parte del proyecto son los nombrados anteriormente en el apartado IV.2 Profesionales partícipes. Utilizando como punto de partida los sueldos estándar asociados a cada trabajador en un período de un mes y de las horas efectivas de trabajo, se calculan las tasas de cada empleado por hora y por semana (Tabla 3). Tabla 3 . Cálculo de los costes de los empleados por semana y hora Concepto Director Proyecto Ing. Industrial Auxiliar Admin. Salario mensual (€) 3325 1993 1524 Seguridad Social (35%) 1163,75 697,55 533,4 Coste Total (€) 4488,75 2690,55 2057,4 Coste (€/Hora) 29,53 17,7 13,53 Coste (€/Semana) 1181,2 708 541,2 Capítulo IV 70 | P á g i n a El análisis del anterior gráfico indica que el reparto de los costes del TFG en función de cada fase va muy en concordancia con las horas de dedicación, con aproximadamente un 30% para la Planificación Final y Recogida de Información e Ideas, y aproximadamente un 70% para el Desarrollo del Proyecto y Elaboración de la Documentación. A mayores, en la Ilustración 86 se observa la distribución del coste total entre los diferentes gastos del apartado Análisis Económico. Ilustración 86 . Representación de los diferentes tipos de costes sobre el total del TFG Para averiguar el coste final de llevar a cabo este Trabajo de Fin de Grado, se aplica al coste total anteriormente mencionado un porcentaje de beneficio del 30% para la empresa y un 21% de impuestos sobre el valor añadido (IVA). Teniendo en cuenta estos porcentajes (Tabla 14) el coste final del TFG es de 7755,35€. Tabla 14 . Coste total del proyecto COSTE TOTAL BRUTO 5135,99€ Beneficio 30% 1540,8€ I.V.A. 21% 1078,56€ COSTE TOTAL DEL PROYECTO 7755,35€ 27,02% 25,85% 7,90% 11,07% 10,53% 17,62% Coste por Categoría de Gasto (%€) Director Proyecto Ingeniero Industrial Auxiliar Administrativo Material Consumible Amortización Equipo Informático Costes Indirectos Servicios 71 | P á g i n a CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS Conclusiones La principal conclusión de este TFG es que se ha logrado el objetivo principal del proyecto, que consistía en diseñar, desarrollar y construir un dron utilizando los recursos disponibles en el FabLab. He podido materializar una idea de nuevo producto, siguiendo todos los pasos de un proceso productivo y de diseño hasta lograr su producción física y su aplicación final, resolviendo por el camino los distintos problemas que han surgido. Se han experimentado los contratiempos e imprevistos que surgen en este tipo de proyectos y se han conseguido superar de una forma práctica tras indagar en el por qué y el cómo han surgido estos problemas; logrando así un desarrollo personal e intelectual a través de la realización de este trabajo de fin de grado. El estudio de los modelos estructurales ha sido fundamental para permitirnos maximizar las características mecánicas de nuestras piezas dentro de sus limitaciones, a la vez que minimizamos los costes y tiempos de producción. Los componentes estructurales impresos en 3D, aunque son susceptibles a impactos o daños con el tiempo, son fácilmente replicables y reemplazables. Además, permite a cualquier persona con impresora 3D imprimir las piezas, e Conclusiones y líneas futuras 72 | P á g i n a incluso modificarlas según sus preferencias, a escala global gracias a los archivos .stl y .gcode. Este proyecto cuenta con varias ventajas. Algunas de ellas son su bajo coste, su capacidad de replicar las piezas, y la fácil personalización de este dependiendo de las necesidades de cada uno. Por otro lado, existen unas desventajas claras. La duración del vuelo no es muy extensa, la calidad del vídeo analógico no es la mejor del mercado, las piezas se rompen fácilmente con impactos muy bruscos, y en caso de accidente, hay que desmontar todos los componentes electrónicos y volverlos a montar. Si el impacto ha sido considerable, a lo mejor se tiene que volver a soldar las uniones eléctricas. En relación con la técnica de impresión 3D, es un método de fabricación con varios años de desarrollo, pero su auge se debe a la fácil accesibilidad y el abaratamiento de los costes productivos. Es un método increíble de prototipado para el sector de la ingeniería, y está siendo cada vez más usado en diferentes sectores, como en el sector de la salud, joyería, etc. Esta técnica nos permite obtener modelos físicos en poco tiempo, que sirven para obtener gran cantidad de información sobre su forma, características mecánicas, tamaño y funcionalidad. El resultado de utilizar este método de producción para este proyecto es altamente satisfactorio, ya que se ha conseguido realizar un producto final funcional con las características deseadas desde un principio a costes reducidos y de una manera sencilla. Este Trabajo de Fin de Grado me ha supuesto un gran desafío, ya que el mundo del aeromodelismo y los drones era totalmente nuevo para mí. Ver el progreso conseguido a través de los diferentes conocimientos adquiridos ha sido muy satisfactorio, desde los primeros bocetos de diseño, pasando por las primeras soldaduras de los componentes, el montaje final del dron, y finalizando con la inmensa alegría de lograr el primer vuelo del dron con éxito. Los estudios del Grado han jugado un papel fundamental en lograr el resultado final. Gracias a la cantidad de trabajos y entregas que he realizado a lo largo de estos años, he podido desarrollar un método de trabajo eficaz y seguir un proceso de diseño claro y conciso que me permite llegar al objetivo. Gracias a estos estudios también he tenido facilidad en utilizar todos los programas necesarios para llevar a cabo este proyecto, ya que los he utilizado durante los diferentes cursos del Grado. Este trabajo también me ha ayudado a desarrollar mis competencias blandas. He podido mejorar mi creatividad, obtener una mejor capacidad de análisis y de búsqueda de información. También he mejorado en la resolución de los problemas y en la exploración de alternativas. Conclusiones y líneas futuras 73 | P á g i n a Trabajar solo también ha sido un reto muy grande y a la vez algo muy satisfactorio. Después de todo el esfuerzo puesto en lograr el objetivo, ver que la idea inicial se ha convertido en una realidad es una sensación indescriptible. Líneas futuras En este tipo de trabajos siempre existe la posibilidad de encontrar alternativas nuevas. Por ejemplo, el diseño del dron podría haberse obtenido mediante diseño generativo. Este tipo de diseño exprime al máximo las capacidades de las inteligencias artificiales para lograr desarrollos de diseños de alto rendimiento, lo que permite obtener soluciones eficaces a los problemas más complejos, como la optimización de rendimiento, el peso, costes… Las hélices del dron podrían imprimirse también en 3D SLA. Esta opción no se ha contemplado en este trabajo debido a su complejidad y a sus altos costes de fabricación. El precio de la resina es bastante alto, y las capacidades mecánicas de la resina son bastante mediocres comparadas con las del policarbonato en cuestión de impactos. Por otro lado, la elección de hélices con tres aspas nos ofrece una muy buena maniobrabilidad y una gran potencia de vuelo. Si estos factores no son importantes para nosotros, se podría haber optado por unas hélices de tipo toroidal. Estas hélices son más estéticas y silenciosas que las de tres aspas. Otra línea futura de este proyecto es la utilización de este dron para fines industriales. El controlador de vuelo tiene varios terminales de transmisión en los que soldar diferentes sensores. En este proyecto se ha elegido una cámara FPV debido a su sencillez y facilidad a la hora de la instalación y de la comprobación de que todo funciona correctamente, obteniendo un resultado muy visual; pero a estos terminales de transmisión y recepción se podían haber soldado un sensor de temperatura, un sensor de presión atmosférica, un anemómetro o un módulo de medición de calidad del aire. También se puede plantear la futura idea de alimentar el dron con algún tipo de energía renovable, como algún panel solar que suministre corriente a todos los componentes electrónicos del dron. La inclusión de la inteligencia artificial para el control del dron no se descarta en el futuro. Poder lograr un dron autónomo que realiza la tarea a desear él solo sería una alternativa fantástica. Esta inteligencia artificial podría desde optimizar el pilotaje del dron para consumir la menos cantidad de energía posible hasta trazar rutas de vuelo preprogramadas. Este tipo de drones abre una gran cantidad de posibilidades, desde drones para agricultura y Conclusiones y líneas futuras 74 | P á g i n a fitosanitarios, como drones de vigilancia, e incluso drones para shows luminosos. 75 | P á g i n a BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS Abax3DTech. (24 de febrero de 2022). La historia de la impresora 3D: los orígenes de las primeras máquinas. Recuperado el 28 de marzo de 2023, de Abax3DTech: https://abax3dtech.com/2020/07/24/historia-de-la-impresora-3d/ Adeva, R. (10 de febrero de 2022a). Drones de ala fija: qué son, para qué sirven y qué modelo comprar. Recuperado el 27 de marzo de 2023, de Topes de Gama: https://topesdegama.com/listas/gadgets/drones-ala-fija Adeva, R. (5 de marzo de 2022b). Drones de ala rotatoria, características y precios. Recuperado el 27 de marzo de 2023, de Topes de Gama: https://topesdegama.com/listas/gadgets/drones-ala-rotatoria Adeva, R. (9 de marzo de 2023). Todo lo que debes saber sobre la impresión 3D y sus utilidades. 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