Diseñando un dron que vuela "regular"

MakeSpace Madrid, 2026-11-21

Alex Fernández "pinchito"

Softwarista

IA negacionista

Quítamelo de la vista

Vuestro anfitrión hoy

Índice

• Motivación
• Impresión 3D
• Electrónica
• Software
• Aeronáutica y aviónica
• Planes y side projects

Motivación

Avis Æterna

• Proyecto de dron dirigible
• Relleno de hidrógeno
• Homenaje al gran Leonardo Torres-Quevedo
• Avis minima: prototipo pequeño
• Avis LXXX: vuelta al mundo en <80 días

Fuentes:

• Avis Æterna
• Aves Æternæ
• Avis Minima
• Flying Around the World in under 80 Days

Leonardo Torres-Quevedo

• El maker más grande que ha dado España
• Dirigibles rellenos de hidrógeno
• Cero accidentes fatales
• Museo Torres-Quevedo en la Complutense

Fuente: Fundación Enaire

Gaviotas

Fuente: Public Domain Pictures

Impresión 3D

Inicios gondoleros

Dron (quadcóptero)

quad-v0

quad-v2

Guardas de dron

guardas

base

full equip

Tolerancia: 0.1 mm

Electrónica

Motores

motor sin escobillas (brushless)

motor con escobillas (brushed)

• Va con DC
• Barato
• Poco duradero

• Va con trifásica
• Más caro
• Más fiable
• Requiere controlador (ESC)

Corriente trifásica

Batería LiPo

• Alta descarga (95C)
• Una celda (1S)
• Novedad: 4.35V
• Max: 4.2V
• Nominal: 3.7V
• Min: 3.6V
• Muerta: 3.3V

Fuente: Adafruit

Controlador (ESC, Electronic Speed Control)

• Requisitos durillos
• Corriente mínima 2A
• Componentes caros
• ESC XR-4A: 4A
• Precio unitario: ~10€

Bus de conexiones

• Conecta todos los componentes
• Para la versión gondolera
• Pelo de payaso

Placa v0

• Usa la placa como soporte
• ESCs independientes
• Diseño through-hole
• Soldadura a mano
• Arduino Nano Sense (con IMU)
• Conversor de voltaje a 3.3V independiente
• Diseño de placa: MrX

Controlador propio ESC

• Pavel Pavlonen: µESC, 2A
• SiliconLabs EFM8 Busy Bee (8-bits)
• pablogs: µESC pinchito edition, 3A+
• MOSFETs duales de baja resistencia interna

Pavel Pavlonen: µESC, 2A

Fuente: Pavel Pavlonen

Fuente: github.com/pablogs9/uesc-pinchito

Potencia eléctrica

P = I × V

Estimada: P = I × V = 4 × 3A × 3.7V = 44W

Batería de 500 mAh = 1.85 Wh

1.85 Wh @ 44W => 2.5 minutos

Placa v1

• Controladores (ESC) integrados
• MOSFETs de alto rendimiento
• Color negro molón
• ESP32 (independiente, CodeCell)
• Diseño SMT
• Soldadura por cama caliente
• Conectores de programación (GDC)
• Interruptor lógico
• Créditos: pablogs, MrX, pinchito

Placa v2

• Color verde (rutas visibles)
• Re-enrutado
• Ordenadito y simétrico
• Componentes más pequeños
• LEDs por motor
• Soldadura por JLCPCB
• Siluetas para conectores
• Medición de batería (feedback)

Placa v2: frente

• Plano de potencia (+4V)
• Pistas de potencia (1.5A)
• Patillas de programación de los ESC
• MOSFETs de baja resistencia interna
• LEDs de control
• Zócalo para el CodeCell
• Condensadores de filtro y desacoplo

Placa v2: trasera

• Plano de masa (GND)
• Área libre para el WiFi de ESP32
• Vías mínimas de JLCPCB
• Márgenes mínimos de JLCPCB
• Ranuras para las bridas de la batería

Software

Firmware de controlador (ESC)

• Controlador comercial: 4A ESC
• Controlador en foro random: µESC
• Controlador propio: µESC pinchito edition
• Controlador integrado
• CPU: SiliconLabs EFM8 Busy Bee 8-bit Microcontrollers
• Firmware BLHeli_s (8 bits)

Instalando y actualizando firmware en el ESC

• Firmware BLHeli_s (8 bits)
• Sólo desde Windows
• Requiere un Arduino Uno
• Conectar a los pines de programación (GDC)
• Infinitos intentos hasta que funciona

Fuente: Pavel Pavlonen

Fuente: Pedro147

Controlando los microcontroladores

• BLHeli / BLHeli_S
• Inicialización bizarra
• Pitos a través del motor
• Control con señal PWM
• OneShot125: 4 kHz
• Dshot
• 32 bit: BLHeli32 -> AM32

Fuente: Wikipedia

Fuente: quadmeup

Sensores

Fuente: https://www.youtube.com/watch?v=HuixJSIgcig

• IMU de 9 ejes:
  • 3 acelerómetros
  • 3 giróscopos
  • 3 magnetómetros
• barómetro
• ¿GPS?

Sensores: filtros

Fuente: Carbon Aeronautics

• Mediciones ruidosas
• Filtro Kalman
• Se combina con otras mediciones

Simulador

• Motores
• Giros (momentos de inercia)
• Respuesta imprecisa
• Viento
• Resistencia del aire
• PIDs

Fuente: https://pinchito.es/physics-simulation/quadcopter/index.html

PID

• La cruz de mi existencia
• Proporcional, integral, diferencial
• ¿De aceleración a posición?

Simulador múltiple

Fuente: https://www.youtube.com/watch?v=y0KNhSejkOI

Aeronáutica

Coste unitario v0

Peso v0

Coste unitario v1

Coste unitario v2

Peso v2

Aeronáutica

pitch θ

roll φ

yaw ψ

Fuente: https://en.wikipedia.org/wiki/Aircraft_principal_axes

Aeronáutica en drones

- pitch θ

+ roll φ

± yaw ψ

elevación

Peso

Aviónica

Empujes

Peso

± yaw ψ

± pitch θ

± roll φ

M(θ) = I(θ) × dω(θ)/dt
M(φ) = I(φ) × dω(φ)/dt
M(ψ) = I(ψ) × dω(ψ)/dt
a(h) = m × dv(h)/dt

ω(θ) = dθ/dt
ω(φ) = dφ/dt
ω(ψ) = dψ/dt
v(h) = dh/dt

elevación

4 incógnitas

4 ecuaciones

Fuente: Carbon Aeronautics

Fuerza mecánica

Equilibrio (hover): Fₚ = mₚ × g = T

  Fₚ: fuerza por peso del dron
  mₚ: masa del dron
  T: empuje, fuerza por empuje del aire
  vₐ: velocidad del aire

T = mₐ / t × vₐ

  mₐ: masa del aire
  mₐ / t: flujo de aire

mₐ / t = k₁ × vₐ
T = k₁ × vₐ²

Empuje T

Peso

aire

Velocidad de rotación

Velocidad de rotación: vᵣ = kV × V

  kV: rpm por voltio (especificación)
  V: voltaje

vᵣ = 14000 kV × 2V = 28000 rpm
n = 28000 rpm / 60 = 470 rps
vₐ = k₂ × n

  n: revoluciones por segundo
  vₐ: velocidad del aire
  k₂: constante random

Potencia mecánica

Energía: E = ½ mₐ × vₐ²

  mₐ: masa de aire
  vₐ: velocidad del aire

P = E / t = ½ mₐ × vₐ² / t = ½ mₐ / t × vₐ²

  P: potencia
  mₐ / t: flujo de aire

mₐ / t = k₁ × vₐ
P = ½ k₁ × vₐ³
vₐ = k₂ × n => P ∝ n³

Empuje

Peso

Más velocidad → más potencia necesitamos

Empuje (Thrust)

T = Cₜ × ρ × n² × D⁴

  T: thrust (empuje)
  Cₜ: thrust coefficient ≅ 0.3
  ρ: densidad del aire
  n: revoluciones por segundo
  D: diámetro

T ≅ 0.3 × 1.225 × 470² × 0.04⁴ ≅ 0.21 N

Tₜ = 4 x T ≅ 4 x 0.21 N / 9.8 m/s² ≅ 85 g

Empuje

Peso

Fuente: Cox & Dantsker: Performance Testing of Small Multi-Rotor UAV Propellers​
Fuente: Gemfan 1608

Potencia mecánica

P = Cₚ × ρ × n³ × D⁵

  P: potencia
  Cₚ: power coefficient ≅ 0.3
  ρ: densidad del aire
  n: revoluciones por segundo
  D: diámetro

P ≅ 0.3 × 1.225 × 470³ × 0.04⁵ ≅ 3.9 W

Pₜ = 4 x P ≅ 4 x 3.9 W ≅ 15.6 W

  Pₜ: potencia total.

Empuje

Peso

Fuente: Cox & Dantsker: Performance Testing of Small Multi-Rotor UAV Propellers​
Fuente: Gemfan 1608

Número Mach

vₜ = π × n × D

  vₜ: velocidad de la punta
  n: revoluciones por segundo
  D: diámetro

vₜ = π × 470 rps × 0.040 m
   = 59 m/s

Número Mach Mₜ = π × n × D / vₛ

  Mₜ:  (Mach number)
  

Mₜ = 59 / 343 = 0.17

Fuente: Cox & Dantsker: Performance Testing of Small Multi-Rotor UAV Propellers​

Motores 28000 kV

vᵣ = 28000 kV × 2V = 56000 rpm
n = 56000 rpm / 60 = 930 rps
Tₜ = 4 × 0.3 × 1.225 × 930² × 0.04⁴ ≅ 330 g
Pₜ ≅ 4 × 0.3 × 1.225 × 930³ × 0.04⁵ ≅ 120 W
Mₜ = π × 933 × 0.04 / 343 = 0.34

  n: revoluciones por segundo

  Mₜ: número Mach (Mach number)

D = 28 mm:

Tₜ ≅ 80 g
Pₜ ≅ 20 W

Necesitamos una hélice más pequeña

Planes y Side Projects

Quad tester

Avis telemetry

Placa v3

• Prescindir de CodeCell

• Integrar ESP32 + IMU de 9 ejes

• Integrar conector USBC

• ¿Prescindir de microcontroladores?

• ¿Usando ESP32 para hacer de 4 ESPs?

Fuente: Small Dual FOC ESC

Avis Nano

• 65 mm => 45 mm

• Todo integrado

• Hélices abajo

• Batería arriba

• Sin JST

• Menos peso

• Más inestable

Conseguir que vuele

• Un sueño imposible

• Lo dejamos para otro día

Fuente: PxHere

¡Gracias!

https://slides.com/alexfernandez/disenando-un-dron-que-vuela-regular/

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