Controlador de Eyección de Paracaídas con Arduino para Drones (Parte 1)

Logo del proyecto CEPAD

Controlador de Eyección de Paracaídas con Arduino para Drones (Parte 1)

Con este artículo iniciamos un proyecto en el cual nos proponemos diseñar un elemento decisivo en cuestiones de seguridad en el diseño de sistemas de paracaídas para funcionar con drones. Nos referimos a un módulo electrónico que denominaremos controlador de eyección de paracaídas para drones.

Introducción al proyecto CEPAD

Hemos bautizado este proyecto con el nombre de CEPAD (Controlador de Eyección de Paracaídas con Arduino para Drones).

El proyecto que iniciamos con este artículo, nos ayudará a tener más conocimiento sobre la problemática en el uso de un elemento de seguridad como son los paracaídas para drones.

Ya hemos introducido en este blog el tema de los paracaídas para drones en  Adquisición y uso de paracaídas para drones.  En este momento no podemos saber hasta donde llegaremos con este pequeño proyecto, pero quizás nos permita introducir alguna mejora en estos sistemas a fin de lograr un uso más seguro de estos elementos.

Iremos explicando de la forma más didáctica posible las diferentes materias, con el fin de que las personas con buena disposición a aprender y que tengan un nivel de conocimientos técnicos de tipo medio, además de aptitudes para el bricolaje o para la electrónica, puedan tener éxito en el diseño de su propio controlador para el lanzamiento del paracaídas de su dron, con las funcionalidades que consideren oportunas.

Créditos y autoría

El autor de este proyecto CEPAD es Antonio Castro Snurmacher que decide compartir la información de este proyecto bajo los términos de la licencia (CC-BY-SA).

Reconocimiento-Compartir Igual (CC BY-SAEsta licencia permite a otros re-mezclar, modificar y desarrollar sobre la base de la obra publicada incluso para propósitos comerciales, siempre que se atribuyan el crédito y que se licencien sus nuevas obras bajo idénticos términos. Las atribuciones mencionadas deben hacerse mediante referencias (links) al lugar original de la publicación del proyecto CEPAD.

Algunas consideraciones mecánicas en los sistema de paracaídas para drones.

Vamos a comentar algunas consideraciones al margen del controlador electrónico que pretendemos diseñar. Como aproximación inicial de nuestro diseño y a falta de más pruebas, así como de de las oportunas indicaciones de la normativa (actualmente pendiente de concretar especificaciones) intentaremos definir algunos parámetros interesantes a considerar.

Altura mínima

Todos los paracaídas invierten un tiempo en abrirse. Ese tiempo se traduce en un recorrido en caída libre, por tanto, el paracaídas que compremos debería garantizar un funcionamiento seguro a partir de una altura mínima.

Nosotros vamos a contemplar de momento el diseño de un sistema de paracaídas apto para su uso en un rango aproximado de alturas superiores a los 25 metros y sin viento. Quizás esa altura mínima pueda rebajarse, pero es bueno trabajar con un amplio margen de seguridad por si el paracaídas que compramos, algún día, por los motivos que sean, tardara un poco más de lo normal en abrirse del todo. Debemos controlar estos tiempos y plegar el paracaídas de la misma forma pero también debemos establecer los parámetros con un margen suficiente de seguridad.

Violencia de la apertura del paracaídas

Para evitar dañar el paracaídas, romper las cuerdas, dañar el lugar de amarre del paracaídas al dron o incluso el propio dron, recomendamos introducir un elemento de amortiguación tipo cordón elástico.

Cuando un dron en caída libre abre el paracaídas, reducirá de forma muy brusca su velocidad hasta alcanzar una velocidad constante de descenso que se mantendrá hasta que toque el suelo. Esta velocidad se alcanza cuando el peso sea igual a la fuerza de rozamiento del paracaídas, que irá disminuyendo a su vez al disminuir la velocidad de caída. Cuando ambas fuerzas (peso y rozamiento) se anulen, la aceleración sera cero (velocidad constante).

Hemos podido observar que, en algunos modelos, para mejorar la estabilidad durante el descenso, se puede realizar un agujero en el ápice del paracaídas. El área del agujero debe ser aproximadamente del 1% al 10% del área total de la superficie plana del paracaídas. Lo interesante es que si se estrecha el agujero usando un aro elástico hasta su tamaño ideal en régimen de caída a velocidad constante, estaremos permitiendo su dilatación durante el primer instante de la apertura total cuando la velocidad aún es muy alta. De esa forma se consigue que escape más aire para amortiguar el golpe de una frenada brusca en el momento de la abertura total del paracaídas. En este proyecto (CEPAD) no vamos a proponer la construcción de un paracaídas, ya que solo trataremos del diseño del controlador de eyección del mismo. Aun así, lo mencionamos porque estos temas son especialmente importantes cuando pretendemos usar paracaídas en drones pesados.

Como curiosidad, en la reentrada en la atmósfera de naves espaciales el problema es la enorme velocidad a la que entran. Para manejar estas velocidades, se recurre a la apertura en secuencia de diferentes sistemas de paracaídas. Estos serán cada vez más grandes e irán frenando cada vez más la nave hasta alcanzar una velocidad de descenso segura para aguantar el impacto contra la superficie. Resulta muy interesante ver este vídeo de la NASA haciendo pruebas. NASA Completes Successful Orion Parachute Test

Una velocidad de descenso bastante segura para que un dron llegue a la superficie podría estar comprendida entre los 3,35 m/s y los 4,26 m/s, pero como ahora no existe normativa al respecto, algunos fabricantes están ofreciendo paracaídas que podrían no cumplir la normativa cuando se definan estas especificaciones.

AnemómetroNosotros vamos a adoptar como velocidad segura de descenso entre 12 y 15,3 km/hora. Usaremos este valor para generar la señal de eyección del paracaídas, pero será un valor parametrizable en nuestro controlador que se podrá ajustar. Una velocidad de descenso demasiado lenta también podría causar problemas, sobretodo si el paracaídas abre a gran altura y además hace algo de viento, porque este podría enviar nuestro dron a una gran distancia en su caída y salir fuera de la zona de seguridad.

Si por ejemplo el paracaídas se abre a 120 metros y el viento sopla uniformemente a una velocidad de 15,3 km/hora y la velocidad de descenso es igualmente de 15,3 km/hora, nuestro dron se desplazaría a una distancia de 120 metros en su caída. Recordemos que un anemómetro para medir la velocidad del viento, que podéis ver en la imagen,  es un elemento muy necesario para cualquier piloto de drones.

Elementos estructurales de un sistema de paracaídas para drones

En el mercado se venden por separado algunos de los elementos necesarios.

Los elementos de un dispositivo de limitación de energía de impacto para drones basado en paracaídas son a grandes rasgos los siguientes:

Paracaídas de tela y cordajes

Todos sabemos lo que es un paracaídas. Los hemos visto frenando la caída de un paracaidista, o de un paquete lanzado desde el aire, o frenando en aterrizaje de una aeronave, etc. El paracaídas redondo es el más conocido. Tanto la tela como los cordajes suelen ser de nylon. La presencia opcional de un agujero en el ápice proporciona estabilidad aerodinámica al paracaídas.

Contenedor del paracaídas

El paracaídas para frenar la caída de un dron debe de estar plegado y alojado en un recinto que evite su liberación antes de tiempo. Llegado el momento el paracaídas debe liberarse y desplegarse lo antes posible. Ya hemos hablado del ParaZero 3DR Solo SafeAir Drone Parachute Recovery System Este es un vídeo diferente de este sistema que nos ha causado muy buenas sensaciones. El contenedor que usa sirve para dotar al paracaídas de un sistema de eyección que permite desplegar en el acto el paracaídas y así ganar bastante tiempo en la apertura del paracaídas.

Controlador electrónico de eyección del paracaídas

Se trata generalmente de un pequeño controlador independiente del controlador de vuelo del dron, que decide el momento en que el paracaídas ha de ser lanzado y quizás algunas acciones más, tales como parada de los motores, o señalización acústica y luminosa. No se necesita una sistema controlador potente para ello. Nosotros optaremos por usar un controlador Arduino de gama baja.

Un controlador autónomo es el elemento ideal para activar el servomotor que desenganche el retén del eyector del paracaídas, mediante el envío de una señal Servo PWM, pero hay otras formas de hacerlo. Un servomotor puede ser controlado directamente por el piloto conectándolo a una de las salidas de la unidad receptora de radio control, siempre que tengamos de disponibilidad de un canal extra para eso.

Esto es posible porque las señales utilizadas en radiocontrol son igualmente del tipo Servo PWM. Sin duda esta última solución parece una solución muy simple, ya que bastaría con accionar el paracaídas manualmente por control remoto en el momento deseado, pero este sistema no parece muy seguro, porque exige al piloto reaccionar con mucha rapidez. Cualquier retraso se convierte en una caída de bastantes metros ganando velocidad y comprometiendo el resultado de frenado a tiempo de paracaídas.

Lo ideal sería un sistema totalmente autónomo y automático capaz de detectar la situación de peligro con gran rapidez para evitar que el dron empiece a caer acelerando peligrosamente en su caída. No hay necesidad de considerar ambos sistemas, automático y manual, como necesariamente excluyentes, pero otra cosa es conseguir un diseño mixto que aporte ventajas en forma de más seguridad. Nosotros vamos apostar por un controlador totalmente autónomo y automático.

Llegados a este punto tendríamos que hablar del controlador Arduino que nosotros usaremos en este proyecto CEPAD, pero este es un tema tan amplio que merece su propio post y lo dejaremos para un próximo artículo.

En este momento baste decir que cuando hablamos de Arduino debemos de ser conscientes de que estamos ante un estallido de la robótica ‘casera’. Arduino se está usando para enseñar robótica a los niños a edades sorprendentemente tempranas. Los límites de Arduino están en la imaginación de los usuarios.

Arduino no se limita a aplicaciones lúdicas o didácticas. Es así como empezó, pero ha ido mucho más lejos y actualmente ofrece ofrece una diversidad de placas más o menos potentes y especializadas. Algunas están especialmente diseñadas para aplicaciones industriales. No olvidemos que la controladora de vuelo APM usa el chip del Arduino Mega 2560.

Profundizaremos más sobre Arduino en el siguiente post ya que este controlador será la base de nuestro proyecto CEPAD.

Mecanismo actuador de liberación del paracaídas (servo)

Micro_ServoGeneralmente se basa en un pequeño servomotor. En nuestro caso, este, al ser accionado por el controlador de eyección, moverá un pasador de retención para liberar un muelle que hace de mecanismo de expulsión del paracaídas. Hay varios sistemas que utilizan este tipo de mecanismos. Son prácticos y seguros. Los Servos son actuadores muy utilizados en radiocontrol. En su versión más popular son capaces de mover una pieza mecánica hasta situarla en una posición girada entre 0º y 180º dependiendo de una señal Servo PWM. Esta transmite la información mediante un pulso de trabajo entre 1 ms y 2 ms con una periodicidad de 20 ms (Esto genera una señal de 50 Hz con pulsos de anchura variable entre 1 y 2ms).

Estos son los Servos tradicionales analógicos que siguen siendo muy populares. Existen otro tipo de servos más modernos que son los servos digitales, bastante más caros y con un consumo de energía algo mayor. Ambos son compatibles con la señal Servo PWM (el ancho de un pulso es una medida analógica, de ahí su nombre). Los servos digitales se diferencian en la forma de procesar internamente la señal. Sobre los servos profundizaremos más adelante con la propuesta de algún montaje.

¿Por dónde empezar un diseño de un controlador de eyección de paracaídas para drones?

Sin duda habrá que tener en mente los componentes disponibles que podremos usar para construirlo, pero una parte importante del diseño de un controlador será el software. La inteligencia de un controlador de este tipo exigirá que tengamos unas mínimas nociones de física básica para poder conocer los cálculos necesarios. A priori no sabremos exactamente cuáles vamos a necesitar, pero sí cuáles podrían ser útiles. El tipo de preguntas que deberemos ser capaces de responder podrían ser las siguientes:

  • ¿Cuál es la velocidad adquirida tras un determinado tiempo de caída libre de un dron?
  • ¿Qué distancia recorre un dron que cae sin paracaídas tras un determinado tiempo de caída?
  • ¿Qué distancia recorre un dron que cae con un paracaídas tras un determinado tiempo de caída?
  • ¿Cual será la velocidad de un dron en caída libre tras caer desde una cierta altura?
  • ¿Con qué fuerza impacta un dron contra el suelo al caer a una velocidad determinada?
  • ¿Cuál es la máxima velocidad de caída de nuestro dron que deberemos considerar como límite máximo por resultar peligrosa?
  • ¿Cuál será el tiempo transcurrido al caer un dron en caída libre desde cierta altura ?
  • ¿Cómo podemos estimar la violencia de un impacto de un objeto sobre un cuerpo humano?
  • ¿Cómo determinar una altura mínima para que nuestro paracaídas tenga tiempo de abrirse?

Para intentar responder a todos esos interrogantes empezaremos comentando de forma muy resumida los aspectos teóricos de la física, aplicables a cuerpos en caída libre y a los paracaídas.

Un poco de física sobre los paracaídas.

Caída libre antes de abrirse el paracaídas

Para velocidades pequeñas y sin el paracaídas abierto consideramos despreciable la fuerza de rozamiento y asumimos un movimiento uniformemente acelerado. Usaremos el sistema internacional de unidades de medida. Así pues, asumiremos siempre como unidades físicas básicas para nuestros cálculos las siguientesː

  • Para distancia= metro (m)
  • Para masa= kilogramo (kg)
  • Para tiempo= segundo (s)

Recuerda las unidades en las que estamos trabajando. Por ejemplo: Para pasar la velocidad obtenida con las fórmulas siguientes en m/s a velocidad en km/h habrá que multiplicar por 3,6.

Las fórmulas aplicables a la caída libre serían:

  • F=m*g
  • a=-g
  • v=-g*t (velocidad adquirida tras un tiempo de caída t)
  • x=-(g*t²)/2 (distancia recorrida tras un tiempo de caída t)
  • v=sqrt(2*g*x) (velocidad adquirida tras caer desde una altura X)
  • t=sqrt(2*x/g) (tiempo transcurrido al caer desde cierta altura)

Donde:

  • F = Peso .
  • a = Aceleración
  • v = Velocidad
  • x = Espacio recorrido
  • m = Masa (kg) .
  • g = Aceleración de la gravedad = 9.8 m*s²
  • sqrt() = Raíz cuadrada

Ya dijimos que en nuestras primeras pruebas con paracaídas atamos un lastre al extremo de la cuerda del paracaídas plegado y lo dejamos caer desde una altura de 6,5 metros.

En esa primera ocasión no dio tiempo a un completo despliegue del paracaídas pese a que este era un paracaídas pequeño. Se ve que necesitaba algo más de altura para poder desplegarse totalmente o que no estaba plegado en la forma idónea.

Aplicando algunas de las fórmulas anteriores podemos calcular el tiempo de caída:

t=sqrt(2*x/g)=sqrt(2*6.5/9.8)= 1.15 s

Es decir, tardó en llegar al suelo poco más de un segundo y la velocidad sería:

v=sqrt(2*g*x)=sqrt(2*9.8*6.5)=11.28 m/s   (= 40.63 km/h )

Esta velocidad de caída es sin duda excesiva aunque no conocemos cuál sería el límite legal permitido porque aún no se ha establecido.

Gravedad del impacto de un objeto sobre la cabeza de una persona

La gravedad de un impacto en la cabeza, que es el punto más vulnerable del cuerpo humano, se mide con un índice llamado HIC (Head Injury Criterion). Véase Background on ATB and HIC. Este relaciona la probabilidad de sufrir daños como resultado de un impacto en la cabeza. El HIC depende tanto de la máxima aceleración que resulta del impacto como del tiempo de aplicación sobre la cabeza de dicha aceleración. En los dummies (muñecos para tests de impacto) se miden estas magnitudes gracias a los acelerómetros colocados en la cabeza del dummy. Estos acelerómetros son el mismo tipo de sensores que se usan en los drones para dotarles de estabilidad.

Lógicamente no es lo mismo recibir el pelotazo de una pelota de ping pong a 200 km/h que un botellazo a esa velocidad, y tampoco es lo mismo recibir el impacto de la carrocería de un coche a 15 km/h que el impacto de un balón de playa a esa velocidad. En todos los casos la forma de medir el HIC es usando un dummy con sensores.

Estadísticamente se ha logrado determinar que con un HIC de 1000, existe un 18% de probabilidad de lesión cerebral grave, un 55% de lesión de consideración y un 90% de lesión moderada en un adulto medio. Para más información véase  Criterio de lesión encefálica

La física del descenso con paracaídas.

Fuerzas en un paracaidas para drones

Cuando se despliega el paracaídas se produce una desaceleración hasta alcanzar una velocidad de caída constante, ya que su valor es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad.

Ojo! En realidad, cuando hablamos de valor de una fuerza, no debemos olvidar que estamos hablando de vectores, y la dirección de de la gravedad y la dirección de la fuerza de rozamiento son opuestas, cosa que se indica en la fórmula con el signo negativo.

Todo ello hay que tenerlo muy en cuenta porque si el paracaídas se abriera cuando el dron ha adquirido una gran velocidad, la fuerza de rozamiento sería muy grande y podría provocar la rotura del dron o del propio paracaídas.

Por ello, la apertura del paracaídas debe ocurrir siempre antes de que la velocidad adquiera un valor excesivo. Podemos calcular ese valor con la siguiente fórmula.

Fr = m*a = -m*g+k*v²

Donde:

  • Fr = Fuerza de rozamiento en el momento de abrirse el paracaídas.
  • a = Aceleración en ese mismo momento.
  • v = Velocidad cuando se abre el paracaídas.
  • k = Constante de proporcionalidad del paracaídas.

A su vez el valor de k podría obtenerse de la siguiente forma.

K = ( ρ*A*Cd ) / 2

Donde:

  • ρ = Es la densidad del aire. Aunque la densidad del aire disminuye con la altura, se puede usar su valor al nivel del mar que es de 1,22 kg/m
  • A = Es el área frontal del paracaídas en m²
  • Cd = Es el coeficiente de arrastre que depende de la forma del paracaídas.

En la siguiente lista, se proporcionan los coeficientes de arrastre Cd para varios tipos de objetos:

  • Para un disco circular plano 1,2
  • Para un paracaídas hemiesférico 0,8
  • Para un paracaídas semielipsoidal 0,75
  • Para una esfera 0,4

No te preocupes si todo esto te agobia, dispones de una calculadora on-line para velocidades de descenso de paracaídas bastante fácil de usar.

Para finalizar

En efecto, nos hemos alargado mucho en esta primera parte, y solo hemos esbozado el contexto de temas en los cuales este proyecto se va a desarrollar.

Este no es el primer tutorial de este tipo que publico y sé por experiencia que una de las partes más valiosas de estos contenidos las contribuyen generosamente los usuarios con sus valiosos comentarios.

Alguien se ofreció a hacerme una lectura crítica de este artículo y con incredulidad me inquirió lo siguiente: ¿No se va a usar un acelerómetro como sensor? ¿No sería mejor usar un acelerómetro que un sensor barométrico?

La pregunta tiene su miga y aunque yo tengo clara la respuesta, podría haber varias respuestas válidas a esa pregunta. Como no queda espacio para aclararla, invito a los lectores a que intenten responderla antes de yo lo haga en un próximo artículo.

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Antonio Castro Snurmacher
Colaborador.