fpv compute thrust to weight

fPV Calcule el empuje al peso

FPV Compute Thrust to Weight: Un análisis exhaustivo del cálculo y la utilización de la relación empuje-peso para drones FPV

Introducción
En el mundo de los drones con vista en primera persona (FPV), el rendimiento de vuelo es una preocupación clave tanto para los entusiastas como para los pilotos profesionales. Entre los numerosos parámetros que determinan las características de vuelo y el manejo, la relación empuje-peso (TWR) destaca como una métrica crucial. La TWR expresa claramente la relación entre el empuje total generado por el sistema de propulsión del dron y el propio peso del dron. Un TWR más alto sugiere mayor capacidad de ascenso, mayor agilidad y mejor maniobrabilidad, mientras que un TWR más bajo limita el rendimiento de la aeronave.

Este artículo se centra en el concepto de TWR en Drones FPVComenzaremos explicando qué es el TWR, cómo calcularlo y por qué es importante. Luego, analizaremos los factores que influyen en el TWR, como motor actuación, hélice Selección y configuración de la batería. Se utilizarán ejemplos reales para ilustrar cómo usar los datos de empuje y el peso total para calcular el TWR. Finalmente, exploraremos cómo interpretar los resultados del TWR y cómo utilizarlos para guiar las decisiones de diseño, garantizando que los pilotos puedan lograr el rendimiento y las características de vuelo deseados.

I. Comprensión del concepto básico y la importancia de TWR

  1. Definición de la relación empuje-peso (TWR)
    La relación empuje-peso es la relación entre el empuje total que una aeronave (o dron) puede generar y su propio peso. Al ser la relación de dos fuerzas, es adimensional (sin unidades). La fórmula básica es:
TWR=Total Empuje (NORTE)Peso (NORTE)\texto{TWR} = \frac{\text{Total Thrust (N)}}{\text{Weight (N)}}

Aquí, tanto el empuje como el peso se miden en las mismas unidades, idealmente Newtons (N). Para obtener un TWR significativo, asegúrese de que el peso y el empuje se conviertan a unidades consistentes. Por ejemplo, si mide el peso en gramos, debe convertirlo a Newtons antes de dividirlo por el empuje en Newtons.

  1. Importancia del TWR para los drones FPV
    En el caso de los drones FPV, el TWR afecta directamente la respuesta del dron a las órdenes del piloto y su capacidad de ascenso vertical, aceleración y manejo. Las directrices suelen ser las siguientes:
  • TWR > 1: El dron puede despegar y flotar fácilmente; también puede realizar maniobras más dinámicas.
  • TWR ≈ 1: El dron puede simplemente flotar con aceleración alta, con maniobrabilidad limitada y respuesta lenta.
  • TWR < 1: El dron no puede producir suficiente empuje para superar la gravedad; no puede despegar.

Para drones de carreras, quads de estilo libre y construcciones de alto rendimiento, un TWR alto (e.g., 5:1, 10:1 o incluso superior) permite una aceleración rápida, un control ágil y acrobacias aéreas complejas. En cambio, los drones con cámara o las plataformas de fotografía aérea suelen requerir una TWR más modesta —la suficiente para mantener un vuelo estacionario estable y transportar su carga útil—, aunque cierta redundancia de empuje sigue siendo beneficiosa para la seguridad y la resistencia al viento.

II.Cómo calcular la relación empuje-peso

  1. Preparación de datos y conversión de unidades
    Para calcular TWR, necesitas:
  • El peso total del dron, incluido el marco, los motores, los ESC, el controlador de vuelo, el transmisor de video, la cámara, la batería y cualquier carga útil adicional.
  • El empuje generado por cada motor en una configuración determinada (tipo de hélice, voltaje de la batería, etc.), que a menudo se encuentra en las tablas de empuje del motor o en los datos del fabricante.
  • Unidades consistentes, preferiblemente Newtons, tanto para peso como para empuje. A modo de guía: 1 kg ≈ 9,8 N, 1 g ≈ 0,0098 N.

  1. La fórmula y un ejemplo sencillo
    Supongamos que un cuadricóptero pesa 1000 g (aproximadamente 9,8 N) y cada motor puede generar 500 g de empuje (aproximadamente 4,9 N) a plena potencia. Cuatro motores generan un empuje total de 4 × 4,9 N = 19,6 N. Por lo tanto, TWR = 19,6 N/9,8 N = 2. Esta TWR de 2:1 significa que el dron puede despegar, ascender y realizar maniobras moderadas con facilidad.

  2. Conexión del motor, la hélice y el voltaje al TWR
    En la práctica, cambiar los modelos de motor, los tamaños de hélice o batería Voltaje (e.g., 4S vs. 6S) altera el empuje máximo. Por ejemplo, un motor de alto kV con una batería 6S podría acelerar el giro de las hélices, generando más empuje y, por lo tanto, aumentando el TWR. Por el contrario, cargas útiles más pesadas o los motores de menor rendimiento reducirán el TWR.

III. Factores clave que afectan la relación empuje-peso

  1. Rendimiento del motor (Kv, rango de potencia y eficiencia)
    La potencia nominal del motor (Kv, rpm por voltio), su capacidad de potencia y las curvas de eficiencia influyen en el empuje. Un motor con un Kv alto y el mismo voltaje puede alcanzar mayores RPM, lo que permite que las hélices pequeñas de paso alto generen mayor empuje. Sin embargo, un Kv más alto suele implicar un mayor consumo de corriente, mayor calor y menor tiempo de vuelo. Equilibrar el Kv y la eficiencia es clave.

  2. Tamaño y geometría de la hélice
    El diámetro, el paso y el diseño de las palas de la hélice influyen significativamente en el empuje y el consumo de energía. Las hélices de mayor diámetro a bajas RPM pueden generar un empuje considerable con mayor eficiencia, ideal para vuelos estables con cargas más pesadas. Las hélices más pequeñas y de paso más alto destacan por su alta velocidad y agilidad de control, lo que las hace populares para drones de carreras. Recuerde que las pruebas de empuje estático difieren de las condiciones reales de vuelo: el empuje real en vuelo puede ser entre un 20 % y un 30 % menor debido a los cambios en la eficiencia de la hélice en el aire en movimiento.

  3. Capacidad de la batería y tasa de descarga
    El voltaje de la batería (número de celdas, e.g., 4S a 14,8 V o 6S a 22,2 V) establece las RPM máximas del motor. La capacidad de la batería (mAh) y la capacidad de descarga (valor C) determinan su capacidad para suministrar la corriente necesaria a máxima aceleración. Un voltaje más alto suele permitir mayores RPM y, por lo tanto, mayor empuje, lo que podría mejorar la TWR. Sin embargo, es necesario asegurarse de que el ESC y demás componentes electrónicos puedan manejar este mayor voltaje. Las baterías de mayor capacidad aumentan el peso, lo que afecta la TWR, por lo que es necesario encontrar un equilibrio.

  4. Reducción general del peso y optimización estructural
    Reducir el peso del dron es una forma efectiva de aumentar la TWR. Un chasis más ligero, menos componentes adicionales y una batería con mayor densidad energética mejorarán la relación. La reducción de peso garantiza que el empuje disponible se traduzca en un vuelo más ágil y una mayor maniobrabilidad, ya que se desperdicia menos empuje compensando el peso innecesario.

IV. Un ejemplo práctico: De los datos a la decisión
Consideremos un quad FPV de 5 pulgadas que se desea usar para una combinación de estilo libre y carreras ligeras. Supongamos que el peso total (AUW) es de aproximadamente 1000 g (9,8 N).

  1. Parámetros iniciales
  • Peso: 1000 g ≈ 9,8 N
  • Elección del motor: Elijamos un motor 2207. Algunos datos de prueba podrían mostrar que, con un voltaje de 6S y una hélice de 5 pulgadas, cada motor puede generar alrededor de 1600 g de empuje (aproximadamente 15,7 N).*
    (*Esta es solo una figura de ejemplo; los datos de prueba reales variarán).

Si cada motor puede producir ~15,7 N, cuatro motores suman un total de ~62,8 N. TWR = 62,8 N/9,8 N ≈ 6,4:1. Con una TWR superior a 6:1, este dron ofrece una aceleración potente y una maniobrabilidad excelente, lo que lo hace ideal para carreras de estilo libre o moderadas.

  1. Rangos TWR recomendados para diferentes estilos de vuelo
  • Fotografía aérea/Vuelo estable: ~2:1 TWR o ligeramente superior está bien, brindando suficiente empuje para sustentación y estabilidad básicas.
  • Estilo libre: ~5:1 a 10:1 ofrece un gran equilibrio entre agilidad y control.
  • Carreras: No es raro que una relación superior a 10:1 garantice una capacidad de respuesta extrema, aunque a costa de un manejo más duro y un agotamiento más rápido de la batería.
  1. Direcciones de optimización
    Si la TWR calculada es inferior a 2:1, el dron tendrá dificultades para mantener el vuelo estacionario sin una aceleración alta. Para mejorar la TWR, considere lo siguiente:
  • Utilizando motores con mayor Kv o motores con mayor empuje.
  • Cambio de baterías 4S a 6S para aumentar las RPM y el empuje.
  • Reducir el peso total eligiendo componentes más ligeros.
  • Seleccionar hélices más eficientes y de mayor empuje.

Si su TWR es extremadamente alto (e.g., >10:1), tendrás un rendimiento explosivo, pero podrías encontrarte demasiado sensible o difícil de volar con suavidad. Para suavizarlo:

  • Opte por motores con Kv ligeramente más bajo o hélices que produzcan menos empuje máximo.
  • Utilice hélices optimizadas para la eficiencia en lugar de empuje puro.
  • Aumente ligeramente la carga útil del dron (e.g., agregue una cámara o un pequeño accesorio) para un manejo más controlado.

V. Consideración de otros factores además del TWR
Si bien el TWR es una métrica esencial, es solo una pieza del rompecabezas. Los diseñadores y pilotos también deben considerar lo siguiente:

  1. Tiempo de vuelo y eficiencia
    Una TWR más alta suele implicar un mayor consumo de potencia a máxima potencia, lo que descarga la batería más rápido. Los pilotos que valoran el tiempo de vuelo podrían preferir un motor con menor Kv y hélices más eficientes, logrando así un equilibrio que proporcione una TWR decente con una autonomía razonable.

  2. Requisitos actuales y correspondencia de ESC
    Mejorar la TWR puede implicar elegir motores y hélices con alto consumo de corriente. Asegúrese de que sus ESC puedan soportar picos de corriente. La potencia nominal del ESC, tanto continua como en ráfagas, debe superar el consumo máximo de corriente del motor a máxima aceleración. Elegir un ESC demasiado pequeño puede provocar daños o fallos.

  3. Compensaciones entre voltaje y capacidad de la batería
    Cambiar de 4S a 6S suele aumentar la TWR, pero requiere electrónica compatible con voltajes más altos. Además, una batería más grande podría aumentar el peso, reduciendo así la TWR. Una buena estrategia es encontrar el punto óptimo donde la batería proporcione suficiente potencia sin añadir demasiada masa.

  4. Características de la hélice y estilo de vuelo
    Los pilotos de competición suelen usar hélices con mayor paso para mayor velocidad y empuje, mientras que los pilotos de estilo libre prefieren hélices más ágiles con un empuje y una eficiencia equilibrados. Los valores estáticos de empuje son orientativos, pero el rendimiento en vuelo real depende en gran medida del comportamiento de las hélices en aire en movimiento. Los resultados de las pruebas y las opiniones de la comunidad son invaluables.

VI. Uso de datos de empuje del motor BLDC
Muchos entusiastas del FPV se preguntan cómo obtener los datos de empuje de los motores BLDC.Los fabricantes y revisores externos suelen proporcionar tablas de empuje que muestran el empuje y el consumo de corriente con diferentes ajustes de aceleración, tamaños de hélice y voltajes. Estas tablas de empuje le ayudan a predecir su TWR antes de comprar piezas.

Por ejemplo, si la hoja de datos de un motor indica su empuje a máxima potencia con una configuración de hélice y voltaje determinada, puede multiplicar esa cifra por el número de motores y luego dividirla por el peso total del dron para estimar la TWR prevista. Si la TWR prevista no cumple sus objetivos, puede explorar configuraciones alternativas de motores, hélices o baterías.

VII. Caso práctico: Comparación de los motores 2207 y 2306
Comparemos dos tamaños de motor comunes para drones FPV de 5 pulgadas: 2207 y 2306.

  1. 2207 Motors
  • A menudo capaz de alcanzar un empuje máximo elevado (e.g., más de 1000 g por motor) en una configuración de 5 pulgadas, logrando fácilmente un TWR superior a 5:1.
  • Conocida como una opción popular de estilo libre, que proporciona una buena combinación de potencia y eficiencia.
  • Adecuado para pilotos que desean drones sensibles y potentes que puedan realizar acrobacias y carreras moderadas.
  1. 2306 Motores
  • Podría producir un empuje máximo ligeramente menor (por ejemplo, alrededor de 850 g por motor en condiciones similares), lo que generaría un TWR ligeramente menor.
  • Potencialmente más eficiente en rangos de aceleración media, lo que extiende el tiempo de vuelo.
  • Bueno para pilotos que valoran vuelos más suaves y de mayor duración por sobre la potencia bruta.

Desde una perspectiva TWR, los motores 2207 ofrecen más empuje bruto para una aceleración explosiva, mientras que los motores 2306 se destacan en un crucero más eficiente a media aceleración, lo que potencialmente hace que el dron sea más fácil de controlar sin problemas y prolonga el tiempo de vuelo.

VIII. TWR y sensación de control de vuelo
El TWR también interactúa con el ajuste del controlador de vuelo (ajuste PID). Una configuración de TWR alta responde bruscamente incluso a pequeños cambios de aceleración, lo que puede provocar que el dron se sienta nervioso. Los pilotos podrían necesitar ajustar las ganancias PID o las curvas de aceleración (exposición) para controlar la sensibilidad. Por el contrario, una configuración de TWR baja se siente más dócil, aunque puede carecer de la agilidad que buscan los pilotos avanzados. El proceso de ajuste del controlador de vuelo consiste en encontrar el equilibrio adecuado para que el dron se sienta controlado y predecible.

IX. Factores ambientales que afectan a los TWR en el mundo real
El TWR teórico se calcula en condiciones estáticas, pero factores del mundo real pueden modificar el empuje efectivo del dron:

  • Viento: Los vientos fuertes exigen mayor empuje para mantener la posición y la altitud, reduciendo el excedente de empuje disponible para maniobras.
  • Densidad del aire: a gran altitud o en condiciones cálidas y húmedas, la densidad del aire disminuye, lo que reduce la eficiencia de la hélice y, por tanto, el empuje efectivo.

Al volar en condiciones difíciles, una TWR más alta proporciona un margen de seguridad. Si prevé vientos fuertes o una menor eficiencia de la hélice, considere una TWR ligeramente mayor en su diseño para garantizar un rendimiento fiable.

X. De la teoría a la práctica: el ciclo de diseño-prueba-vuelo
En la construcción práctica de drones FPV, calcular el TWR es solo el primer paso. Los pilotos experimentados suelen seguir este proceso iterativo:

  1. Cálculo teórico:
    Comience por estimar el TWR, predecir el tiempo de vuelo y verificar los requisitos actuales.

  2. Selección y montaje de componentes:
    Elige motores, hélices, ESC y baterías que se ajusten a tus objetivos de TWR. Construye el prototipo del dron.

  3. Pruebas de banco y ajustes:
    Realice pruebas de empuje en tierra para verificar que las mediciones reales coincidan con las predicciones. Ajuste si es necesario.

  4. Vuelo inicial y ajuste del PID:
    Realice un vuelo de prueba en una zona segura. Evalúe si la agilidad del dron se ajusta a sus expectativas. ¿Demasiado nervioso? Considere un ajuste PID más suave o hélices más suaves. ¿Demasiado lento? Pruebe con hélices de paso más alto o más ligeras.

  5. Optimización final:
    Basándote en tus experiencias de vuelo, perfecciona tu configuración hasta lograr un equilibrio entre rendimiento, capacidad de control y eficiencia que se adapte a tu estilo, ya sea carrera, estilo libre o cinemática estable.

Conclusión
La relación empuje-peso es una métrica vital en el diseño y la optimización de drones FPV. No es un simple número, sino una síntesis de la capacidad del motor, las características de la hélice, el peso de la aeronave y la configuración de la batería. Dominar el cálculo de la TWR y comprender cómo influir en ella puede ayudar a los constructores y pilotos de drones a tomar decisiones informadas, mejorando así el rendimiento de vuelo y la sensación de control.

Desde pilotos de alto rendimiento que buscan una aceleración increíble hasta fotógrafos aéreos que buscan un vuelo estable y constante, el uso de los datos TWR permite a los pilotos construir drones a medida que satisfagan sus necesidades específicas. Con la información y los ejemplos de este artículo, los entusiastas del FPV pueden usar con confianza los cálculos TWR para lograr experiencias de vuelo más gratificantes, eficientes y dinámicas.

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