Двигатель и пропеллеры | Квадрокоптеры

Update: В связи с большим интересом именно к этой части, статья от двигателях расширена и дополнена информацией о таких параметрах двигателя как KV и размеры XXYY.

Как правильно подобрать раму и двигатель (мотор) квадрокоптера — читайте тут

И так, двигатель, или по-другому — мотор.

Как видно из картинки ниже, двигатели могут быть самых разных размеров и иметь разный внешний вид и цвет. Хотя есть и общая черта, которая их объединяет — цилиндрическая форма.

motors

Когда мы говорим о двигателях для летающих моделей, мы, как правило, имеем в виду бесколлекторные (бесщёточные) моторы. Эти моторы очень похожи на обычные. У них тоже есть магниты и обмотки, но нет щеток, для передачи тока к от контактов двигателя к обмоткам. Именно поэтому, они и называются бесщеточными (brushless). Можно считать эти моторы трехфазными. Напряжение подается на обмотки не непрерывно, как у обычных моторов для постоянного тока, а с определенной частотой. Это и заставляет движущуюся часть мотора вращаться. При чем, такие моторы могут вращаться намного быстрее обычных, и при этом еще и не терять энергию на щетках.

Какие характеристики важны при выборе двигателя? По мимо размера, формы, цвета и т.д. следует обратить внимание на две важнейшие характеристики бесколлекторных моторов:

потребляемый ток (измеряется в амперах А)
Kv-rating

C первой характеристикой должно быть понятно. Чем выше мощность мотора, тем выше потребляемый ток, при одинаковом напряжении питания. Чем больше ток, тем больше подъемную силу создает двигатель. Ток зависит от оборотов двигателя и нагрузки на него, создаваемой пропеллером.

Kv-rating показывает сколько оборотов своей оси будет совершать двигатель за одну минуту (RPM) при определенном напряжении. Формула вот такая: RPM=Kv*U

Как использовать эти параметры при выборе двигателя? Во-первых, максимальный потребляемый ток говорит нам о том, какой контроллер скорости выбрать (об этом позже). Kv-rating — это аналог лошадиных сил в автомобиле. Мало кто понимает что это такое, но все знают, что 100 лс — это мало, а 600 — это круто. Вот так и тут 🙂

Остановимся подробнее на этом параметре — KV. Сравнение с лошадиными силами хоть и правильное, но не совсем понятное при выборе двигателя под вашу модель. Представьте спортивную машину мощностью 600 лс. Сможет ли она поехать 300 км/час? Думаю да. А сможет ли она сделать тоже самое, если к ней привязать 1т груза? Нет. И даже не сдвинется с места. Не потому, что мощности мало, а потому, что колеса будут пробуксовывать. Что нам нужно для перетягивания 1т груза? Трактор. У трактора может быть меньшая мощность, и маленькая скорость, но большие колеса и крутящий момент позволят потянуть наш груз. И так, мы видим, что одна и та же энергия нужна и для быстрого вращения маленьких колес, и для медленного вращения больших колес. В случае с квадрокоптерами, двигатель с большим KV идеально подходит для маленьких быстро вращающихся пропеллеров (гоночные квадрокоптеры), а двигатели с маленьким KV — для больших дронов с большими пропеллерами.

Типичный двигатель гоночного квадрокоптера имеет KV 2100-2500, тогда как для тяжелых аппаратов, способных поднять несколько килограмм своего веса и столько же груза — 200-900 KV. У гоночных моделей пропеллеры обычно 5-6 дюймов, у больших аппаратов, предназначенных для длительных полетов и фотосъемки — 15-17 дюймов. Представляете, какие нагрузки будут на двигатель, пропеллер и все остальное, если пропеллер размером 15 дюймов раскрутить до нормальных оборотов маленького пропеллера? KV рейтинг двигателя очень важная характеристика при выборе, хотя это и не единственный важный параметр.

Важным параметром при выборе мотора для конкретного аппарата является его подъемная сила (Trust). Измерить подъемную силу можно в разных единицах, хотя правильной является Ньютон, но удобной Килограмм. И так, подъемная сила в 500 грамм означает, что 4 двигателя способны будут поднять 2 кг веса, включая самих себя. При этом, нужен запас мощности. Итого, имеем формулу Сила/1 Мотор = ( Вес Коптера x 2 ) / 4. Для коптера весом 1 кг нужны двигатели с минимум 500 грамм подъемной силы. Все просто.

Еще одной характеристикой двигателя является его эффективность. Не будем останавливаться подробно, но отметим, что двигатель с эффективностью 70% тратит 70% энергии на полет, и 30% на обогрев вселенной, как говорил мой учитель физики. Эффективность двигателя зависит не только от самого устройства, а еще и от других элементов: пропеллера, батареи, контроллера скорости, веса и т.д.

Кроме всего этого, двигатели еще имеют физические параметры, которые отображаются в их размерах. Это высота двигателя, диаметр и количество катушек обмотки. Например, Turnigy Multistar 5130-350 — это двигатель с диаметром статора 51 мм, высотой 30мм и KV 350. Это большой двигатель для больших моделей. А вот этот — Scorpion M-2205-2350KV небольшой, но очень хороший двигатель для гоночных квадрокоптеров. Он 22 мм в диаметре и 5 мм в высоту. Имеет KV рейтинг 2350.

Сам по себе двигатель не может создавать подъемную силу — нужен пропеллер. Пропеллер — это своего рода преобразователь энергии вращения вала двигателя в подъемную силу.

Двигатель и пропеллеры | Квадрокоптеры

Важнейшими характеристиками пропеллера являются его размер и угол наклона лопастей (Pitch). Размер обычно указывается в дюймах, и тут все понятно. Pitch тоже указывается в дюймах, и означает, на сколько поднялся бы пропеллер за один оборот вокруг своей оси с данным наклоном лопасти, если бы он двигался в плотном веществе.

Меньший пропеллер с меньшим наклоном лопастей меньше сопротивляется воздуху, и соответственно, меньше нагружает двигатель, не давая ему использовать всю свою мощность. Соответственно, очень большой пропеллер будет сильнее нагружать двигатель и приведет к его перегрузке. Таким образом, надо подбирать пропеллеры так, чтобы попадать в допустимые границы рабочих параметров двигателя и создавать достаточную подъемную силу. Стандартным пропеллером для среднего квадрокоптера обычно является пропеллер с характеристиками 8-11/4.5-4.7 Рассчитать параметры пропеллера (и не только) поможет, например, вот этот сайт.

Кроме того, не забудьте, что пропеллеры бывают двух типов вращения: по часовой стрелке и против. Необходимо это для того, что половина двигателей квадрокоптера вращается в одну сторону, а другая половина — в обратную.

Скоро мы рассмотрим несколько двигателей, с точки зрения влияния их характеристик на параметры квадрокоптера и научимся выбирать двигатель под наши задачи.

Очень хорошая статья о выборе двигателя и пропеллеров на английском языке вот тут.

Но основная рекомендация, все же, пробовать, изучать, экспериментировать!

PS. Продолжение статьи о подборе компонентов: Как правильно подобрать раму и двигатель (мотор) квадрокоптера

Какой мотор нужен для гоночного и съемочного беспилотника?

Выбираете двигатель для квадрокоптера гоночного типа? Обратите внимание на бесколлекторные моторы. Такому беспилотнику важна скорость, высокая тяга, чтобы мгновенно набирать обороты и разгоняться. К примеру, двигатель с маркировкой KV 2300–2600 (обороты в минуту на вольт) разгонит коптер до 100 км/час.

Для съемочного квадрокоптера, которому нужна меньшая скорость также подойдут бесколлекторные моторы, но показатель KV может составлять 930–1000. За счет малых оборотов двигатели являются экономными, к тому же, на такие коптеры ставятся большие пропеллеры. Также для съемки можно выбрать дроны с коллекторными моторами, которые по стоимости обойдутся значительно ниже.

Сколько стоит квадрокоптер с бесколлекторным и коллекторным мотором? Первый вариант с более надежным бесколлеторным мотором обойдется от 10 тыс. рублей, с коллекторным мотором – от 2 тыс. рублей.

Квадрокоптер с бесколлекторным двигателем

Бесколлекторным мотором оснащаются более дорогие модели дронов. Чаще всего устанавливаются на профессиональных или гоночных квадрокоптерах. Они отличаются высокой тягой, оборотами и мощностью. При этом достаточно компактны и долговечны.

Мотор бесколлекторного типа делится на две части – колокол (верхняя движущаяся часть, накрепко закрепленная на роторе) и основание. Внутри колокола размещаются неодимовые магниты.

Бесколлекторный двигатель для коптера обладает следующими преимуществами:

разгон и замедление квадрокоптера происходит быстро (все это обуславливается наличием больших оборотов двигателя квадрокоптера);
длительный срок службы;
защита от влияния факторов окружающей среды.

Но есть и недостатки у такого вида моторов. Стоят они дорого, а ремонт проводить достаточно сложно.

Коллекторные двигатели для дронов: особенности

Коллекторные моторы в основном используются для дешевых моделей дронов, которые предназначены для новичков. Конструкции с таким двигателем не могут развивать большие обороты и иметь высокую мощность, а значит, имеют маленькую грузоподъемность. При этом они громоздкие, часто выходят из строя, поскольку детали внутри мотора изнашиваются за непродолжительное время.

Коллекторный двигатель для квадрокоптера состоит из неподвижного корпуса, внутри которого содержатся магниты (плюс и минус). В движение мотор приводится ротором с обмоткой при помощи щеток, которые подают электричество. Именно наличие щеток и снижает срок эксплуатации мотора, поскольку они создают трение и со временем стираются.

Преимущества коллекторного мотора:

небольшой размер и вес;
низкая цена;
легко проводить ремонт или замену.

Но в таком типе моторов для коптеров есть и минусы. Двигатель обладает низким КПД, часто перегревается и быстро изнашивается.

Коротко о новинке от dji

Коротко об rtk

Real Time Kinematic (RTK)

, или “

кинематика в режиме реального времени

”, или по-русски КРВ, – можно по-разному называть данную систему. В целом же она отвечает за получение информации с воздуха. Иными словами, это улучшенная система повышения точности данных, полученных через Глобальную навигационную спутниковую систему (

GNSS

) – GPS, ГЛОНАСС, GALILEO или COMPASS. Работа RTK осуществляется в режиме онлайн.

Система постоянно передает на пульт управления пилота такие данные как широту, долготу и высоту полета, внешние климатические факторы и сообщает об объектах, которые могут нанести урон вашему устройству.

Кроме того, технология позволяют использовать функции автоматического следования по заданному курсу, а также выполнять различные маневры, включая длительное зависание на месте. Что важно, работа RTK осуществляется в режиме онлайн и данные с земли передаются с точностью до сантиметра.

Точность RTK позиционирования (при активном RTK у M300):

1 см 1 ppm (по горизонтали)1,5 см 1 ppm (по вертикали).

Критерии выбора

Выбирая двигатель для квадрокоптера, стоит руководствоваться в первую очередь его предназначением. Нужно определить, зачем он приобретается, то есть для какой цели. Также важно обратить внимание на такие факторы:

Общий вес и тяга. Для достижения хороших характеристик двигатель должен поднимать вес вдвое больше себя.
Размер рамы и пропеллера. От этих показателей зависит, сколько моторов потребуется поставить в конструкцию.
Маркировка. V говорит о высокой точности сборки (с таким показателем обычно идут гоночные квадрокоптеры), X – неплохое качество коптеров, подходящее для среднего класса, A – бюджетный вариант, который также может неплохо работать.

Общая информация о dji matrice 300 rtk

Применение

Особенности двигателей для квадрокоптеров

Двигатели для дронов в зависимости от размера могут потреблять значительные токи. Но при этом вес аккумулятора должен быть как можно меньше. Поэтому одно из главных требований к аккумулятору – это высокая токоотдача. Но не все зависит от этого элемента. Важно правильно подобрать мотор, от которого зависит, насколько высоко, точно и как долго будет летать беспилотник.

Дешевыми коллекторными моторами оснащаются дроны, стоимостью до 150 долларов. Они обладают небольшой надежностью, но при желании их можно заменить. Беспилотники с таким двигателем не развивают высокую скорость, к тому же, с их помощью невозможно поднять дополнительный груз.

Полезная нагрузка

Matrice 300 RTK

способен вместить в себя сразу пять полезных по функциональности и применению нагрузок. Из них:

Zenmuse H20, H20T, XT S, XT2 и Z30

. Из них

H20H20T

— гибридные камеры с тепловизором, разработанные специально для промышленного

M300 RTKПервая камера единой сетки Zenmuse H20 оснащена тремя датчиками съемки: основной 20-мегапиксельный модуль с 23-кратным гибридным оптическим зумом и поддержкой 4К/30р, широкоугольным модулем с углом обзора 82,9° — 1/2,3″ 12-Мп для оценки обстановки, и лазерным дальномером, охватывающим расстояния от 3 метров до 1200 метров.Вторая, более продвинутая модель Zenmuse H20T обладают четырьмя датчиками съемки. Это три указанных выше, как H20, плюс четвертый – радиометрическая термальная камера с разрешением 640 × 512 пикселей для тепловой съёмки. Угол обзора у этого модуля – 40,6°, частота в 30 кадров/с и температурная чувствительность: ≤ 50 мК при f/1,0 (NEDT).

Обе камеры оснащены множеством интеллектуальных режимов для более качественного выполнения промышленных работ. Например,

Smart Pin & Track

для проведения воздушной разведки. Сюда входит функция

PinPoint

, которая позволяет отмечать нужный объект в кадре и передавать точные сведения на пульт о его местонахождении; и

Smart Track

для автоматического обнаружения и слежения за движущимся объектом.

Кроме того, AI-Spot Check позволит собирать данные каждый раз из одного и того же места и в одно и то же время, в зависимости от настройки режима. Интересующий объект можно всегда изменить, указав данные в настройках. А с Waypoints 2.0 можно выстраивать 65 535 путевых точек, поддерживая при этом ряд иных последовательных действий.

Максимальный вес полезной нагрузки на M300 RTK — 2,7 кг. Максимальная взлетная масса — 9 кг. В дополнение стоит сказать, что разработчик обеспечил беспилотник поддержкой полезной нагрузки сторонних разработчиков.

Предотвращение столкновений

Matrice 300 RTK

максимально защищен от аварий и столкновений. В нем одновременно работают шесть пар визуальных сенсоров для изучения обстановки во всех направлениях в режиме реального времени. Диапазон работы нижнего и верхнего сенсора, которые соответственно направлены вверх и вниз — 0,6 – 30 метров. Остальные четыре смотрят по сторонам, а также вперед и назад. Их рабочий диапазон от 0,7 до 40 метров.

Еще есть шесть инфракрасных сенсоров ToF. Они помогают определять расстояние до объекта путем измерения времени прохождения ИК сигнала. А еще инфракрасные датчики обеспечивают определение расстояний в в условиях плохой освещенности. Их рабочий диапазон 0,1 – 8 метров, а угол обзора 30°.

Вспомогательное освещение

Вспомогательные огни установлены сверху и снизу дрона имеют 5-метровое эффективное расстояние. Они могут автоматически включаться в условиях недостаточного освещения для функционирования системы визуальных сенсоров.

Два пульта управления Dual Remote Controller

Точнее будет сказать режим двойного управления Matrice 300 RTK. Таким образом управлять полетом могут два оператора одновременно. И в случае потери связи между одним пультом и беспилотником, функция переходит в автоматическом режиме второму пилоту.

Технология DJI AirSense

Позволяет оператору быть в курсе внешней ситуации в небе. Извещает об изменении погодных условий (температура воздуха, скорость ветра), а также о наличии опасных объектов для беспилотника: самолеты, вертолеты и другие дроны в радиусе 20 километров. Информация включает в себя точное местоположение объекта, скорость перемещения, курс и высоту. В случае риска столкновения, система дополнительно извещает об этом пилота через приложение.

Экстренная посадка

M300 RTK может совершить аварийную посадку с одним отказавшим мотором. Основные элементы управления дроном, такие как восходящие, нисходящие и горизонтальные движения останутся доступны пилоту. Конечно дрон и полезная нагрузка могут быть повреждены во время экстренной посадки, но пилот может приземлиться где-нибудь подальше от людей или зданий, чтобы сохранить их в безопасности.

Разновидности беспилотников

Такое понятие как «беспилотники» является довольно обширным. Под этим термином подразумевают не только квадрокоптеры, но еще и некоторые модели самолетов и вертолетов на радиоуправлении. Это понятие можно еще заменить словом «мультикоптеры» к которым относятся все устройства, оснащенные как минимум тремя винтами.

Виды беспилотников:

Трикоптеры. Это летающие конструкции, где на подвижной платформе находятся три несущих пропеллера. Поворачивать дрон можно, меняя угол платформы. Этот вариант достаточно сложный для новичков в управлении, но отличается быстротой и маневренностью.

Квадрокоптеры. Наиболее распространенный вид дронов, который состоит из 4 движков и такого же количества пропеллеров. Они легки в управлении и могут поднимать разные грузы, если оснащены навесным дополнением. Это наиболее оптимальный вариант для новичков. Но чтобы получить летательный аппарат с хорошими характеристиками, важно обратить на то, сколько стоит квадрокоптер. Цены варьируются от 2 до 70 тыс. руб. в зависимости от двигателей, качества сборки, а также наличия дополнительных функций.

Гексакоптеры. В конструкции содержится 6 моторов и 6 пропеллеров. Это оптимальный вариант для фото- и видеосъемки, поскольку конструкция сохраняет стабильность в воздухе даже при ветреной погоде. К тому же данный вид оснащен увеличенной грузоподъемностью.

Октокоптеры. Данный вид, оснащенный сразу 8 винтами, встречается достаточно редко. Вариант относится больше к профессиональным моделям. Отличается конструкция надежностью, способностью поднимать большие грузы и может работать вне зависимости от погодных условий.

Степень защиты корпуса — ip45

Ingress Protection Rating

(в переводе с английского языка — степень защиты от проникновения) позволяет без труда работать в неблагоприятных погодных условиях. В случае

M300 RTK

речь идет о защите

IP45

. Это полная защита от дождя, снега и пыли с рабочим температурным диапазоном от -20°C до 50°C.

Ниже смотрите наглядное обозначение каждой цифры, где первая отвечает за уровень защиты от проникновения посторонних предметов:

А вторая — защита от проникновения воды:

Управление полетом

Два инерциальных измерительных блока (IMU)

Matrice 300 RTK оснащен двумя инерциальными измерительными блоками (IMU). Они широко применяются в авиации, в том числе в БПЛА. Основной задачей служит определение ускорений и угловых положений дрона.

В случае неисправности блока IMU беспилотник не взлетит, а в воздухе это грозит серьезной аварией. Разработчики M300 RTK позаботились об этом вопросе и применили технологию резервирования блока. Иными словами, в случае отказа основного блока в течение 0.

Два барометра

Барометр определяет относительную высоту на основе атмосферного давления. Дублирование барометра M300 RTK позволяет беспилотнику переключаться нарезервный барометр в случае отказа основного.

Два компаса

Компас, или магнитометр, дает информацию о курсе полета для БПЛА. Matrice 300 RTK оснащен двумя таковыми, и в данном случае они являются взаимозаменяемыми. Одновременная их работа повышает качество работы, а в случае выхода из строя одного из устройств, второе берет на себя полную функцию контроля полета.

В случае отказа обоих компасов, навигационная RTK система берет на себя функции компаса, определяя стороны света по взаимному положению навигационных антенн.

Два аккумулятора

Matrice 300 RTK оснащен двумя батареями емкостью 274 Вт·ч каждый. По сути, они также являются дублирующими. Если один из аккумуляторов выходит из строя, второй будет способен обеспечить питание для безопасной посадки.

Установка

При установке моторов на квадрокоптер важно, чтобы они вращались в разную сторону. К примеру, два мотора – по часовой стрелке, а два – против. При этом располагаются они друг напротив друга. Если же все винты будут вращаться в одну сторону, коптер просто закрутится и летать не сможет.

Как будет себя вести дрон в воздухе, зависит от различной скорости вращения двигателей. Чтобы беспилотник имел правильное и сбалансированное движение, вращение винтов должно быть направлено вдоль корпуса. Поток воздуха снизу создаст разницу между атмосферным давлением и его показателем под крылом.

Если воздушные винты вращаются, но дрон не взлетает, стоит проверить маркировку на лучах и винтах. Они должны совпадать. При покупке мотора к нему прилагается инструкция с подробным описанием, как установить тот или иной вид двигателя на определенные модели квадрокоптеров.

Установка полезной нагрузки

Одновременно на

Matrice 300 RTK

можно установить три камеры или иного оборудования сторонних производителей. Единственное требование, общий вес не должен превышать 2,7 кг. Имеется вариация установки:

Один подвес снизу

Два подвеса снизу

Один подвес внизу и один вверху

Два подвеса внизу и один вверху

Характеристики моторов для коптеров

Выбирая двигатель для квадрокоптера, стоит обратить внимание на его характеристики. А именно:

потребляемая мощность (Вт) – чем выше ее показатель, тем чаще нужно будет заряжать аккумулятор, а значит дрон летать долго не будет;
вес – обычно, чем больше вес мотора, тем выше его мощность, но здесь нужно учитывать и массу самого беспилотника, поскольку он должен быть способен поднять определенный вес;
КПД – понятие, которое зависит от многих составляющих (батареи, пропеллера, контроллера и проводов), для бесколлеторных моторов показатель энергоэффективности должен составлять 90 %, для двигателей коллекторного типа – 70 %;
температура нагрева в рабочем состоянии – напрямую зависит от предыдущего показателя, чем больше нагревается, тем больше энергии расходуется впустую;
балансировка и вибрация – дешевые модели, оснащенные наименее мощным мотором, подвержены повышенной вибрации, что может сказаться на работе дрона (в этом случае он быстрее изнашивается);
подъемная сила – вес, который может поднять двигатель.

Широкоугольная fpv-камера

Встроенная широкоугольная камера FPV с углом обзора 145° и возможностью вести прямую трансляцию в формате 960р на расстоянии до 15 километров. В основном используется в качестве получения информации о полете, техническом состоянии

M300 RTK

и внешнюю обстановку.

Смотрите про коптеры: Обзор: курсовая FPV камера Runcam Eagle 2 Pro | RCDetails Blog

Двигатель и пропеллеры | Квадрокоптеры

Dji smart controller enterprise