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UAV Navigation en profundidad: Teoría de los Amortiguadores

Las vibraciones son una parte importante del sistema, ya que pueden afectar el rendimiento de todo su conjunto. Una comprensión correcta de las frecuencias de vibración, su análisis y la integración adecuada del piloto automático pueden evitar saturaciones del sensor debido a vibraciones elevadas que terminen afectando a la seguridad del vuelo y la eficiencia básica del control.

La correcta instalación del sistema de control de vuelo permitirá una operación más segura y eficiente. Este es uno de los principales puntos a los que nuestro Servicio de Integración presta más atención. El cliente puede capitalizar de esta forma los años de experiencia de UAV Navigation en este servicio, así como el soporte en línea que les ofrecemos.

Las vibraciones se pueden mitigar mediante hardware usando amortiguadores creados con materiales y geometrías que ayudan a reducir las fuerzas inducidas por el motor y la dinámica de vuelo; y mediante software, con algoritmos donde diferentes filtros aíslan las frecuencias negativas para el sistema.

El sistema se puede simplificar a un modelo en el que la masa rígida final es la masa del piloto automático más la masa de la placa de montaje o la masa de toda la caja electrónica, que también se conoce como "masa del sistema":

 

Desde una perspectiva física, el amortiguador puede modelarse como un resorte y un amortiguador. El resorte genera una fuerza proporcional a la compresión en la dirección opuesta y el amortiguador genera una fuerza proporcional a la velocidad de compresión en la dirección opuesta.

En caso de perturbación, el sistema reaccionará de acuerdo con la relación de frecuencia denominada "Frecuencia natural", que es la frecuencia a la que el sistema (masa más resorte) tiende a oscilar en ausencia de cualquier fuerza motriz o amortiguadora.

 

Frecuencia natural:
n = (1/2π)√(K/M) [Hz]

M:  Masa de la masa del sistema [Kg]

K: Tasa de resorte [N/m]. Mide la rigidez del amortiguador

Relación de frecuencia: f/fn

f: frecuencia de excitación

f: frecuencia natural

Relación de amplitud: amplitud de oscilación del sistema / amplitud de excitación oscilatoria

transmissibility shock absorbers

 

Según el gráfico, los amortiguadores pueden amplificar la vibración o amortiguarla. Depende de la relación de frecuencia (f / fn). Cuando la frecuencia de excitación es √2 veces la frecuencia natural, el sistema no amplificará ni amortiguará la amplitud de excitación. La relación de amortiguación (ζ) determina la forma de la relación de amplitud. Esto está relacionado con las propiedades del amortiguador. Una alta relación de amortiguación reduce el pico de resonancia y también reduce el efecto de amortiguación a altas frecuencias. De esta manera, se producen buenas características de amortiguación si la relación de frecuencia es mayor o aproximadamente a 3.

Como ya hemos mencionado, la frecuencia natural del sistema depende de la masa y la rigidez del resorte. El siguiente gráfico se ha creado teniendo en cuenta el uso de 4 amortiguadores. La K corresponde a la tasa de elasticidad de cada uno de los amortiguadores y la masa corresponde a la masa total a amortiguar entre los 4 amortiguadores.

 

total mass to demper shock absorber uav

 

En general, es positivo reducir la frecuencia natural del sistema disminuyendo la rigidez de los amortiguadores o aumentando la masa.

En algunos casos, algunas oscilaciones de baja frecuencia no se pueden amortiguar. Si eso sucede, conviene aumentar la relación de amortiguación para que exista un compromiso entre no amplificar demasiado las frecuencias bajas y disminuir las frecuencias altas.

UAV Navigation es consciente de la importancia de la fase de integración por lo que ha invertido mucho tiempo en reducir el impacto de las vibraciones no solo estudiando amortiguadores sino también desarrollando lógicas robustas que garantizan un buen desempeño y asegura la seguridad del vuelo.

Asimismo, nuestro piloto automático ha pasado la MIL-SDT-810, un estándar de certificación que asegura la capacidad del sistema para sobrevivir a golpes y vibraciones intensas y garantiza comportamientos correctos durante la operación.

De esta forma, nuestros ingenieros han realizado simulaciones con el objetivo de identificar las características más adecuadas en un sistema de aislamiento y con el principal objetivo de ayudar a nuestros clientes a la hora de seleccionar los amortiguadores más adecuados.

This study is available to our clients under request.

 

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About

UAV Navigation is a privately-owned company that has specialized in the design of flight control solutions for Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) since 2004. It is used by a variety of Tier 1 aerospace manufacturers in a wide range of UAV - also known as Remotely Piloted Aircraft Systems (RPAS) or 'drones'. These include high-performance tactical unmanned planes, aerial targets, mini-UAVs and helicopters.