Пропеллеры для квадрокоптера: как выбрать, расчитать и установить

Пропеллеры для квадрокоптера: как выбрать, расчитать и установить Роботы

Мотор

От того какие моторы вы будете использовать в своей сборке, будет зависеть, какую максимальную нагрузку сможет поднять дрон, а также сколько времени он сможет находиться в полёте. Силовая установка должна обязательно состоять из моторов одной марки и модели, такой подход обеспечит ей сбалансированную работу.

Brushed vs brushless

В коллекторных (Brushed) моторах ротор с обмоткой вращается внутри статора на котором магниты зафиксированы жёстко. В бесколлекторных (Brushless) моторах всё на оборот; обмотка крепится жёстко к внутренней части статора, а магниты установлены на валу и вращаются. В большинстве случаев вы будете рассматривать только бесколлекторные моторы (БК) постоянного тока. Моторы такого типа широко используются в индустрии радиолюбителей при сборке различных продуктов, начиная от вертолётов и самолётов и заканчивая системами привода в автомобилях и катерах.

Пропеллеры для квадрокоптера: как выбрать, расчитать и установить

Бесколлекторные моторы типа «Pancake» имеют больший диаметр, они более плоские и как правило имеют высокий крутящий момент и более низкое значение KV (детали ниже). В БПЛА небольших размеров (обычно размером с ладонь) чаще всего используют маленькие коллекторные моторы из-за более низкой цены и простого двухпроводного контроллера. Несмотря на то, что бесколлекторные моторы могут быть разных размеров и иметь разные характеристики, выбор меньшего размера совсем не означает, что будет дешевле.

Inrunner vs outrunner

Существует несколько типов бесколлекторных моторов постоянного тока:

  • Inrunner – внутренний ротор. Обмотка зафиксирована на статоре, магниты установлены на валу ротора, который вращается (как правило используются на радиоуправляемых лодках, вертолётах и автомобилях из-за высокого KV).
  • Outrunner – наружный ротор. Магниты зафиксированы на статоре, который вращается вокруг неподвижной обмотки. Нижняя часть мотора зафиксирована. (как правило, у моторов такого типа больше крутящего момента).
  • Hybrid Outrunner – технически это «Outrunner», но реализованный в корпусе «Inrunner». Такой подход позволил объединить в одном типе крутящий момент «Outrunner» и отсутствие внешних вращающихся элементов как у моторов типа «Inrunner».

Kv

Рейтинг KV – макс. число оборотов, которое может развить мотор без потери в мощности при заданном напряжении. Для большинства многороторных БЛА актуально низкое значение KV (например, от 500 до 1000), поскольку это способствует обеспечению стабильности. В то время как для акробатического полёта будет актуальным значение KV между 1000 и 1500, в тандеме с несущими винтами (пропеллерами) меньшего диаметра. Допустим, значение KV для конкретного мотора составляет 650 об/вольт, то при напряжении в 11.1В мотор будет вращаться со скоростью: 11.1 × 650 = 7215 об/мин, а если вы будете использовать мотор при более низком напряжении (скажем, 7.4В), то частота вращения составит: 7.4 × 650 = 4810 об/мин. При этом важно отметить, что использование низкого напряжения, как правило означает, что потребление тока будет выше (Мощность = Ток × Напряжение).

Тяга

Некоторые производители бесколлекторных моторов могут указывать в спецификации информацию о максимально возможной тяге (Thrust) создаваемой мотором в купе с рекомендуемым несущим винтом. Единицей измерения тяги, как правило, являются килограмм (Кг/Kg), фунт (Lbs) или Ньютон (N). Например, если вы строите квадрокоптер и вам известно, значение тяги отдельно взятого мотора = до 0.5кг в купе с 11-дюймовым несущим винтом, то на выходе четыре таких мотора смогут поднять на максимальной тяге: 0.5кг × 4 = 2кг. Соответственно, если общий вес вашего квадрокоптера составляет чуть менее 2кг, то c такой силовой установкой он будет взлетать только на максимальных оборотах (макс. тяге). В данном случае будет актуальным, либо выбрать более мощную связку «мотор несущий винт», которые позволят обеспечить большую тягу, либо уменьшить общую массу беспилотника. При макс. тяге силовой установки = 2кг, вес дрона должен составлять не более половины этого значения (1кг, включая вес самих моторов). Аналогичный расчёт можно сделать для любой конфигурации. Предположим, что вес гексакоптера (включая раму, моторы, электронику, аксессуары и т.д.) составляет — 2.5кг. Значит каждый двигатель для такой сборки должен обеспечивать (2.5кг ÷ 6 моторов) × 2 = 0.83кг тяги (или более). Теперь вы знаете как рассчитать оптимальную тягу моторов исходя из общего веса, но прежде чем принимать решение, предлагаем ознакомиться с разделами ниже.

Дополнительные соображения

  • Разъёмы: у коллекторных моторов постоянного тока доступно два разъёма « » и «-». Смена проводов местами меняет направление вращения мотора.
  • Разъёмы: бесколлекторные моторы постоянного тока имеют три разъёма. Чтобы узнать как их подключить, а также как изменить направление вращения, обратитесь к разделу «ESC» ниже.
  • Обмотки: обмотки влияют на KV моторов. Если вам необходимо наиболее низкое значение KV, но при этом в приоритете крутящий момент, будет лучшим обратить своё внимание на бесколлекторные моторы постоянного тока типа «Pancake».
  • Монтаж: у большинства производителей есть общая схема монтажа для БК моторов постоянного тока, которая позволяет компаниям, производящим рамы не прибегать к изготовлению так называемых адаптеров. Шаблон как правило метрический, с двумя отверстиями разнесёнными на 16мм друг от друга, и ещё двумя отверстиями, разнесёнными на 19мм (под углом 90° к первому).
  • Резьба: монтажная резьба, используемая для крепления бесколлекторного мотора к раме, может варьироваться. Обычные метрические размеры винтов М1, М2 и М3, имперские размеры могут быть 2-56 и 4-40.

Несущие винты (Пропеллеры)

Несущие винты (пропеллеры, сокр. пропы) для многороторных БЛА берут своё начало от винтов радиоуправляемых самолётов. Многие спросят: почему бы не использовать лопасти вертолёта? Несмотря на то, что это уже было сделано, представьте себе размеры гексакоптера с лопастями от вертолёта. Также стоит отметить, что вертолётная система требует изменения шага лопастей, а это существенно усложняет конструкцию.

Вы также можете спросить, почему бы не использовать турбореактивный двигатель, турбовентиляторный двигатель, турбовинтовой двигатель и т.д? Безусловно они невероятно хороши для обеспечения большой тяги, но при этом требуют большое количество энергии.

Смотрите про коптеры:  Квадрокоптер большой грузоподъемности

Лопасти и диаметр

Несущие винты большинства мультироторных БЛА имеют две, либо три лопасти. Наибольшее применение получили винты с двумя лопастями. Не думайте, что добавление большего количества лопастей автоматически приведёт к увеличению тяги; каждая лопасть работает в потоке, возмущенном предыдущей лопастью, снижая КПД пропеллера. Несущий винт малого диаметра имеет меньшую инерцию и следовательно его легче ускорять и замедлять, что актуально при акробатическом полёте.

Пропеллеры для квадрокоптера: как выбрать, расчитать и установить

Пропеллеры для квадрокоптера: как выбрать, расчитать и установить

Шаг/угол атаки/эффективность/тяга

Тяга, создаваемая несущим винтом, зависит от плотности воздуха, числа оборотов винта, его диаметра, формы и площади лопастей, а также от его шага. Эффективность винта связана с углом атаки, который определяется как шаг лопасти минус угол спирали (угол между результирующей относительной скоростью и направлением вращения лопасти). Сама эффективность — это отношение выходной мощности к входной. Большинство хорошо спроектированных винтов имеют КПД более 80%. На угол атаки влияет относительная скорость, поэтому пропеллер будет иметь разную эффективность при разных скоростях мотора. На эффективность также сильно влияет передний край лопасти несущего винта, и очень важно, чтобы он был максимально гладким. Несмотря на то, что конструкция с переменным шагом была бы наилучшей, дополнительная сложность, необходимая по сравнению с присущей многороторной простотой, означает, что пропеллер с переменным шагом почти никогда не используется.

Пропеллеры для квадрокоптера: как выбрать, расчитать и установить

Пропеллеры для квадрокоптера: как выбрать, расчитать и установить

Вращение

Несущие винты рассчитаны на вращение по часовой стрелке (CW), либо против часовой стрелки (CCW). На направление вращения указывает наклон лопасти (смотреть на пропеллер с торца). Если правая кромка лопасти выше — CCW, если левая кромка — CW. Если конструкция вашего беспилотника подразумевает перевёрнутое расположение моторов (как в случае с конфигурациями Vtail, Y6, X8) обязательно измените направление вращения несущих винтов, чтобы тяга была направлена вниз. Лицевая сторона несущего винта всегда должна быть обращена к небу. Документация которая идёт с контроллером полёта как правило содержит информацию о направлении вращения каждого винта, для каждой поддерживаемой контроллером многомоторной конфигурации.

Пропеллеры для квадрокоптера: как выбрать, расчитать и установить

Материалы исполнения

Материал(ы), используемые для изготовления несущих винтов (пропеллеров), могут оказывать умеренное влияние на лётные характеристики, но безопасность должна быть главным приоритетом, особенно, если вы новичок и не опытны.

  • Пластмасса (ABS/Нейлон и т.д.) — является самым популярным выбором, когда речь заходит о многомоторных БЛА. Во многом это связано с низкой стоимостью, достойными лётными характеристиками и показательной долговечностью. Как правило в случае краша, по крайней мере, один пропеллер оказывается сломанным, и пока вы осваиваете дрон и учитесь летать, у вас всегда будет много сломанных пропов. Жёсткость и ударопрочность пластикового винта может быть улучшена посредством усиления углеродным волокном (карбон), такой подход макс. результативен и не так дорог по сравнению с винтом полноценно исполненным и карбона.

Пропеллеры для квадрокоптера: как выбрать, расчитать и установить

  • Фиброармированный полимер (углеродное волокно, нейлон усиленный карбоном и т.д.) — является «передовой» технологией во многих отношениях. Детали из углеродного волокна всё ещё не очень просты в изготовлении, и поэтому вы платите за них больше, чем за обычный пластиковый винт с аналогичными параметрами. Пропеллер изготовленный из углеродного волокна сложнее сломать или согнуть, и, следовательно, при краше, он нанесёт больший ущерб всему, с чем соприкоснётся. Одновременно с этим, карбоновые винты, как правило, хорошо сделаны, более жёсткие (обеспечивают минимальные потери в эффективности), редко требуют балансировки и имеют более лёгкий вес по сравнению с любыми другими материалами исполнения. Такие винты рекомендуется рассматривать только после того, как уровень пилотирования пользователя станет комфортным.

Пропеллеры для квадрокоптера: как выбрать, расчитать и установить

  • Дерево — редко используемый материал для производства несущих винтов многороторных БЛА, поскольку для их изготовления требуется механическая обработка, которая в последствии делает деревянные пропеллеры дороже пластиковых. При этом дерево вполне прочное и никогда не гнётся. Отметим, что деревянные пропеллеры всё ещё применяют на радиоуправляемых самолётах.

Пропеллеры для квадрокоптера: как выбрать, расчитать и установить

Складные

Складные пропы имеют центральную часть, которая соединяется с двумя поворотными лопастями. Когда центр (который соединен с выходным валом мотора) вращается, центробежные силы действуют на лопасти, выталкивая их наружу и по существу делая пропеллер «жёстким», с тем же эффектом, что и классический не складываемый винт. Из-за низкого спроса и большого количества требуемых деталей, складные пропеллеры встречаются реже. Основное преимущество складных пропов это компактность, а в сочетании со складной рамой, транспортировочные размеры дрона могут быть значительно меньше полётных. Сопутствующим преимуществом складного механизма является отсутствие необходимости, при краше, менять винт целиком, достаточно будет заменить только повреждённую лопасть.

Пропеллеры для квадрокоптера: как выбрать, расчитать и установить

Установка

Как и БЛА, несущие винты могут имеют широкий диапазон размеров. Таким образом, в этой отрасли существует целый ряд «стандартных» диаметров вала двигателя. В связи с чем несущие винты часто поставляются с небольшим набором переходных колец (выглядят как шайбы с отверстиями разного диаметра в центре), которые устанавливают в центральное посадочное отверстие пропа, в случае если диаметр отверстия несущего винта оказался больше диаметра вала используемого мотора. Так как не все разработчики комплектуют пропы набором таких переходных колец, рекомендуется заблаговременно сверять диаметр отверстия приобретаемых пропов с диаметров вала вашего мотора.

Фиксироваться винт на моторе может исходя из того, какой из способов крепления поддерживает ваш мотор. Если вал мотора не подразумевает никаких вариантов крепежа (резьб. соединение, различные приспособления для крепления и т.д.), в таком случае применяются специальные адаптеры, такие как пропсейверы и цанговые зажимы.

Бесколлекторные моторы с наружным ротором (типа «Outrunner») как правило, в верхней его части, имеют несколько резьбовых отверстий рассчитанных под установку различных адаптеров и креплений. Не менее популярным вариантом крепления пропеллера на валу БК мотора является самозатягивающая гайка. Вал такого мотора на конце имеет резьбу, направление которой противоположно направлению вращения ротора. Такой подход исключает самопроизвольное откручивание фиксирующей гайки, обеспечивая безопасную и надежную эксплуатацию дрона.

Защита несущих винтов

Защита несущих винтов – призвана исключить прямой контакт силовой установки БЛА с встречным объектом, сохранив тем самым её целостность и работоспособность, а также не допустить получение травм о быстро вращающиеся пропеллеры в результате столкновения с людьми и животными. Защита пропеллеров крепится к основной раме. В зависимости от варианта исполнения может как частично перекрывать рабочую зону силовой установки, так и полностью (кольцевая защита). Защита винтов чаще всего применяется на небольших (игрушечных) БЛА. Применение в сборке элементов защиты несёт и ряд компромиссов, среди которых:

  • Может вызывать избыточную вибрацию.
  • Как правило выдерживает не сильные удары.
  • Может понизить тягу, если под пропеллером размещено слишком много крепёжных опор.
Смотрите про коптеры:  Пропеллеры для квадрокоптера: виды, использование и как выбрать - Все о квадрокоптерах | PROFPV.RU

Пропеллеры для квадрокоптера: как выбрать, расчитать и установить

Балансировка

Неудовлетворительная балансировка имеет место быть у большинства недорогих пропеллеров. Чтобы в этом убедиться, далеко ходить не надо, достаточно вставить в центральное посадочное отверстие винта карандаш (как правило при дисбалансе одна сторона будет тяжелее другой). В связи с чем настоятельно рекомендуется проводить балансировку своих пропов, перед тем как устанавливать их на моторы. Несбалансированный пропеллер будет вызывать избыточные вибрации, которые в свою очередь отрицательно влияют на работу полётного контролера (проявляется в некорректном поведении дрона в полёте), не говоря уже об увеличении шумности, повышенном износе элементов силовой установки и ухудшении качества съёмки подвешенной камеры.

Пропеллеры для квадрокоптера: как выбрать, расчитать и установить

Пропеллер может быть уравновешен разными способами, но если вы строите беспилотник с нуля, то в арсенале инструментов обязательно должен быть недорогой балансир пропеллеров, позволяющий легко и просто определять дисбаланс веса в винте. Для выравнивания веса, вы можете либо отшлифовать наиболее тяжёлую часть пропа (равномерно шлифуется центральная часть лопасти, и не в коем случае не отрезайте часть пропеллера), также можно балансировать путём наклеивания отрезка скотча (тонкий) на более лёгкую лопасть (добавляете отрезки равномерно до тех пор пока не будет достигнут баланс). Обратите внимание, что чем дальше от центра вы делаете балансировочную модернизацию (шлифование или добавление ленты) пропеллера, тем больше будет эффект, основанный на принципе крутящего момента.

ESC

ESC (англ. Electronic Speed Controller; рус. электронный контроллер скорости) — позволяет полётному контроллеру управлять скоростью и направлением вращения мотора. При правильном напряжении, ESC должен выдерживать макс. ток, который может потреблять мотор, а также ограничивать ток проходящий через фазу при коммутации. Большинство ESC, применяемых в беспилотном хобби, позволяют мотору вращаться только в одном направлении, однако с правильной прошивкой они могут работать в обоих направлениях.

Пропеллеры для квадрокоптера: как выбрать, расчитать и установить

Подключение

Изначально ESC может сбивать с толку, потому что для его подключения доступно несколько проводов/контактов/коннекторов, доступных с двух сторон (ESC может приходить как с уже припаянными коннекторами, так и без).

  • Подача питания: два толстых провода (обычно чёрный и красный) предназначены для подачи питания от распределительной платы/жгута проводов к которым питание приходит непосредственно от основной аккумуляторной батареи дрона.
  • 3 коннектора: С противоположной стороны контроллера доступны три коннектора предназначенные для соединения с тремя пулевидными коннекторами (как правило идут в комплекте с моторами) на бесколлекторном моторе. Применение коннекторов при подключении ESC позволяет при необходимости (в случае сбоя) осуществить быструю смену контроллера без использования паяльника. Бывает, что пулевидные коннекторы идущие с мотором не соответствуют коннекторам на регуляторе, в таком случае просто замените на подходящие. Какой из трёх «плюс», а какой «минус»? Ориентир простой, приходящий плюсовой провод от батареи, переходит в плюсовой на ESC, аналогично и с минусом.
  • 3-контактный R/C servo разъём с тонкими проводами: посредством которых осуществляется обработка сигнала поступающего от приёмника, из которых один провод является сигнальным (передача сигнала газа к ESC или вход), второй «минус» (или земля), и плюсовой провод (не задействуется, если отсутствует встроенный BEC; при встроенном BEC является выходом 5В питания, который в последствии можно использовать для питания бортовой электроники).

Bec

Во времена зарождения авиамоделизма в качестве силовой установки использовался двигатель внутреннего сгорания, а питание бортовой электроники осуществлялось от небольшой батареи. С приходом электрической тяги и регуляторов (ESC), в последние, стали включать так называемую цепь устранения батареи — BEC (на англ. Battery Eliminator Circuit; или преобразователь бортового питания; как правило, обеспечивает дополнительный источник тока напряжением 5В при силе тока 1А, либо выше). Иными словами это преобразователь напряжения используемой в сборке LiPo в напряжение для питания бортовой электроники беспилотника.

При сборке мультиротора необходимо подключить все ESC к контроллеру полёта, но потребуется только один BEC, иначе могут возникнуть проблемы при подаче питания на одни и те же линии. Поскольку обычно нет способа отключить BEC на ESC, лучше всего удалить красный провод ( ) и обмотать его изолентой для всех ESC, кроме одного. Также важно оставить чёрный провод (земля) для общего заземления.

Прошивка

Не все существующие на рынке ESC одинаково хороши для применения в мультироторных сборках. Важно понимать, что до появления многомоторных БЛА, бесколлекторные моторы использовались в первую очередь в качестве силовой установки радиоуправляемых автомобилей, самолётов и вертолётов. Большинство из них не требуют быстрого времени отклика или обновления. ESC с встроенным программным обеспечением SimonK или BLHeli способны очень быстро реагировать на входящие изменения, что в целом предопределяет разницу между стабильным полётом или крашем.

Распределение питания

Поскольку каждый ESC питается от основной батареи, основной разъем АКБ должен быть как-то разделен на четыре ESC. Для этого используется плата распределения питания или жгут распределения питания. Эта плата (или кабель) разделяет положительные и отрицательные клеммы основного аккумулятора на четыре. Важно отметить, что типы разъёмов, используемых на аккумуляторе, ESC и распределительной плате, могут не совпадать, поэтому лучше по возможности выбирать «стандартный» разъём (например, Deans), который используется повсеместно. Многие недорогие платы могут требовать пайки, в данном случае пользователь решает сам какой конкретный разъём ему использовать в сборке. Самый простой распределитель питания может включать в себя два входных клеммных блока, либо пайку всех положительных соединений вместе, а затем всех отрицательных соединений вместе …

Смотрите про коптеры:  Somnox – робот-подушка для улучшения сна

Аккумулятор

Химия

Батареи, используемые в беспилотных летательных аппаратах, в настоящее время исключительно литий-полимерный (LiPo), причем состав некоторых из них бывает достаточно экзотичным — литий-марганцевые или другие варианты лития. Свинцовая кислота просто не подходит, а NiMh/NiCd все еще слишком тяжелы для своей ёмкости и часто не могут обеспечить требуемые высокие скорости разряда. LiPo предлагает высокую производительность и скорость разряда при небольшом весе. Недостатками являются их сравнительно высокая стоимость и постоянные проблемы с безопасностью (пожароопасны).

Напряжение

На практике вам потребуется только один аккумулятор для вашего БПЛА. Напряжение этой батареи должно соответствовать выбранным вами БК моторам. Почти все АКБ, используемые в наши дни, основаны на литии и содержат несколько элементов (банок) по 3.7В каждая, где 3.7В = 1S (т.е однобаночная АКБ; 2S – двух баночная и т.д.). Поэтому батарея с маркировкой 4S, вероятно, будет иметь номинальное значение: 4 × 3.7В = 14.8В. Также количество банок поможет вам определить, какое зарядное устройство необходимо использовать. Отметим, что однобаночная батарея большой ёмкости физически может выглядеть как многобаночная батарея низкой ёмкости.

Ёмкость

Ёмкость аккумуляторной батареи измеряется в ампер-часах (Ач). Аккумуляторы небольших размеров могут иметь ёмкость от 0.1Ач (100 мАч), ёмкость АКБ для беспилотных летательных аппаратов среднего размера может варьироваться от 2-3Ач (2000 мАч — 3000 мАч). Чем выше ёмкость, тем дольше время полёта, и соответственно тяжелей АКБ. Время полёта обычного БПЛА может находится в интервале 10-20 минут, что может показаться недолгим, но вы должны понимать, что беспилотник в процессе полёта постоянно борется с гравитацией, и в отличие от самолёта, он не имеет поверхностей (крыльев) обеспечивающих помощь в виде оптимальной подъёмной силы.

Скорость разряда

Скорость разряда от литиевой батареи измеряется в «C», где 1C — ёмкость батареи (обычно в ампер-часах, если вы не рассматриваете дрон размером с ладонь). Скорость разряда большинства LiPo батарей составляет не менее 5C (в пять раз больше ёмкости), но, так как большинство моторов, используемых в мультироторных БЛА, потребляют большой ток, батарея должна иметь возможность разряжаться при невероятно высоком значении тока, который, как правило, составляет порядка 30А или более.

Безопасность

LiPo АКБ не совсем безопасны, так как они содержат газообразный водород под давлением и имеют тенденцию гореть и/или взрываться, когда что-то не так. Таким образом, если у вас есть какие-либо сомнения относительно работоспособности аккумулятора, не в коем случае, не подключайте его к беспилотнику или даже к зарядному устройству — считайте его «списанным» и утилизируйте его надлежащим образом. Контрольные признаки того, что с аккумулятором что-то не так это вмятины или вздутие (т.е. утечка газа). При зарядке LiPo батареи лучше всего использовать безопасные LiPo ящики (Battery safe box). Хранение батареи также лучше осуществляться в этих ящиках. В случае краша, первое, что вам нужно сделать, это отключить и проверить аккумулятор. Батарея исполненная в боксе может увеличить вес, но при этом реально поможет защитить АКБ при краше. Некоторые производители продают аккумуляторы с жестким чехлом и без него.

Пропеллеры для квадрокоптера: как выбрать, расчитать и установить

Зарядка

Большинство LiPo аккумуляторов имеют два разъема: один предназначен для использования в качестве основных «разрядных» проводов, способных выдерживать большой ток, а другой, обычно меньшего размера и короче, является разъёмом для зарядки (как правило белый JST разъём), в котором один контакт соответствует заземлению, а остальные, количеству банок АКБ. Его вы подключаете к зарядному устройству, посредством которого осуществляется зарядка (и балансировка) каждой банки батареи. Зарядное устройство обязательно должно сообщать, когда зарядка завершена, и, учитывать проблемы безопасности связанные с литий-полимерными батареями. После окончания процесса зарядки, лучше всего сразу отсоединять аккумулятор от зарядного устройства.

Пропеллеры для квадрокоптера: как выбрать, расчитать и установить

Монтаж

Аккумуляторная батарея является самым тяжелым элементом беспилотника, поэтому её следует устанавливать в центральной мёртвой точке, чтобы обеспечить одинаковую нагрузку на моторы. Аккумуляторная батарея не подразумевает какого-либо специального монтажа (особенно саморезы, которые могут повредить LiPo и вызвать возгорание), поэтому некоторые используемые сегодня методы монтажа включают в себя ремни на липучке, резиновые, пластиковые отсеки и другие. Самым распространённым вариантом монтажа АКБ является подвешивание батареи под рамой с помощью ремня с липучкой.

Бортовой компьютер и сенсоры

Выбор полетных контроллеров для коптеров очень велик — начиная от простого и дешевого KapteinKUK и нескольких open source проектов под Arduino-совместимые контроллеры до дорогого коммерческого DJI Wookong. Если ты настоящий хакер, то закрытые контроллеры тебя не должны сильно интересовать, в то время как открытые проекты, да еще и основанные на популярной ардуинке, привлекут многих программистов. О возможностях любого полетного контроллера можно судить по используемым в нем датчикам:

• гироскоп позволяет удерживать коптер под определенным углом и стоит во всех контроллерах; • акселерометр помогает определить положение коптера относительно земли и выравнивает его параллельно горизонту (комфортный полет); • барометр дает возможность удерживать аппарат на определенной высоте.

На показания этого датчика очень сильно влияют потоки воздуха от пропеллеров, поэтому стоит прятать его под кусок поролона или губки; • компас и GPS вместе добавляют такие функции, как удержание курса, удержание позиции, возврат на точку старта и выполнение маршрутных заданий (автономный полет).

К установке компаса стоит подойти внимательно, так как на его показания сильно влияют расположенные рядом металлические объекты или силовые провода, из-за чего «мозги» не смогут определить верное направление движения; • сонар или УЗ-дальномер используется для более точного удержания высоты и автономной посадки; • оптический сенсор от мышки используется для удержания позиции на малых высотах; • датчики тока определяют оставшийся заряд аккумулятора и могут активировать функции возврата на точку старта или приземление.

Сейчас существует три основных открытых проекта: MultiWii, ArduCopter и его портированная версия MegaPirateNG. MultiWii самый простой из них, для запуска требует Arduino с процессором 328p, 32u4 или 1280/2560 и хотя бы одним датчиком-гироскопом. ArduCopter — проект, напичканный всевозможным функционалом от простого висения до выполнения сложных маршрутных заданий, но требует особого железа, основанного на двух чипах ATmega.

MegaPirateNG — это клон ArduCopter, который способен запускаться на обычной ардуине с чипом 2560 и минимальным набором датчиков из гироскопа, акселерометра, барометра и компаса. Поддерживает все те же возможности, что и оригинал, но всегда догоняет в развитии.

Продвинутый девяти- канальный пульт
Продвинутый девяти-
канальный пульт

С железом для открытых проектов аналогичная ситуация, как и с рамами для коптера, то есть ты можешь купить готовый контроллер или собрать его самостоятельно с нуля или на основе Arduino. Перед покупкой стоит всегда обращать внимание на используемые в плате датчики, так как развитие технологий не стоит на месте, а старье китайцам как-то надо распродать, к тому же не все сенсоры могут поддерживаться открытыми прошивками.

Наконец, стоит упомянуть еще один компьютер — PX4, отличающийся от клонов Arduino тем, что у него есть UNIX-подобная операционная система реального времени, с шеллом, процессами и всеми делами. Но надо предупредить, что PX4 — платформа новая и довольно сырая. Сразу после сборки не полетит.

Настройка полетных параметров, как и программы настройки, очень индивидуальна для каждого проекта, а теория по ней могла бы занять еще одну статью, поэтому вкратце: почти все прошивки для мультикоптеров основаны на PID-регуляторе, и основной параметр, требующий вмешательства, — пропорциональная составляющая, обозначаемая как P или rateP.

Безопасность

Все новички, думая о безопасности, вспоминают AR.Drone и его защиту винтов. Это хороший вариант, и он работает, но только на мелких и легких аппаратах, а когда вес твоего коптера начинает приближаться к двум килограммам или давно перевалил за эту цифру, то спасти может только прочная железная конструкция, которая будет весить очень много и, как ты понимаешь, сильно уменьшит грузоподъемность и автономность полета. Поэтому лучше сперва тренироваться подальше от людей и имущества, которое можно повредить, а уже по мере улучшения навыков защита станет и не нужна. Но даже если ты пилот со стажем, то не забывай о технике безопасности и продумывай возможные негативные последствия твоего полета при нештатных ситуациях, особенно при полетах в людных местах. Не стоит забывать, что сбой контроллера или канала связи может привести к тому, что аппарат улетит от тебя далеко, и тогда для поиска может пригодиться GPS-трекер, установленный заранее на коптер, или же простая, но очень громкая пищалка, по звуку которой ты сможешь определить его местоположение. Настрой и заранее проверь функцию fail safe твоего полетного контроллера, которая поможет приземлиться или вернуть коптер на точку старта при потере сигнала с пульта.

Конфигурация пропеллеров

Пропеллеры бывают:

  • 2-лопастные;
  • 3-лопастные;
  • 4-лопастные;
  • 5-лопастные.
2-лопастной пропеллер
2-лопастной пропеллер

Конфигурация пропеллера это то, сколько лопастей у пропеллера. Самым эффективным будет однолопастной пропеллер, но его физически нельзя использовать из-за дисбаланса.

Увеличение числа лопастей компенсирует размер пропеллера, особенно в микросборках, ведь если на маленький дрон на раме 100 мм поставить 2-лопастные пропеллеры, он вряд ли будет адекватно летать и это приведет к большим оборотам двигателей и их перегреву. Именно поэтому в микросборках всегда 4-лопастные пропеллеры, а в дронах чуть больше — 3-лопастные.

Из-за сложной физики и аэродинамики увеличение количества лопастей не так эффективно, как увеличение размера. Винт с удвоенным количеством лопастей не будет работать так же хорошо, как винт с удвоенным размером, но он обеспечивает большую тягу за счет большей мощности.

Увеличение количества лопастей приведет к увеличению тяги и сцепления в воздухе за счет отзывчивости и увеличения потребляемой энергии. Если проектируется дрон, на котором вы будете совершать много постоянных и резких изменений направления в полете, то нужны пропеллеры с увеличенным количеством лопастей.

Меньшее количество лопастей предпочтительнее, если требуется более быстрый отклик двигателя, а тяга не так важна. Серьезные гонщики с современными сверхлегкими гоночными рамами довольно часто используют 2-лопастные пропеллеры, потому что рама настолько легкая, что требуемая тяга намного меньше, и, следовательно, может быть реализован более быстрый отклик легких и менее «тянущих» пропеллеров.

В наиболее распространенной категории 5 дюймовых пропеллеров принято считать, что пропеллеры с тремя лопастями обеспечивают наилучший баланс эффективности, тяги и сцепления.

Есть один момент, который многие упускают из вида — это долговечность. Во время полетов, особенно если пилот начинающий, будет очень много аварий и падений, поэтому пропеллеры станут расходным материалом. Но если использовать 2-лопастные пропеллеры, то ломаться они будут меньше.

Моторы и пропеллеры

Из-за вращения моторов в разные стороны приходится использовать разнонаправленные пропеллеры: прямого вращения (против часовой) и обратного вращения (по часовой). Обычно используются двухлопастные пропеллеры, их легче балансировать и найти магазинах, в то время как трехлопастные дадут больше тяги при меньшем диаметре винта, но доставят много головной боли при балансировке.

Плохой (дешевый и неотбалансированный) пропеллер может развалиться в полете или вызвать сильные вибрации, которые передадутся на датчики полетного контроллера. Это приведет к серьезным проблемам со стабилизацией и вызовет сильное смазывание и «желе» на видео, если ты снимаешь что-то с коптера или летаешь с видом от первого лица.

Регулятор скорости,  он же ESC
Регулятор скорости,
он же ESC

У любого пропеллера есть два основных параметра: диаметр и шаг. Их обозначают по-разному: 10 × 4.5, 10 × 45 или просто 1045. Это означает, что диаметр пропеллера 10 дюймов, а его шаг 4,5 дюйма. Чем длиннее пропеллер и больше шаг, тем большую тягу он сможет создавать, но при этом повысится нагрузка на мотор и увеличится потребление тока, в результате он может сильно перегреться и электроника выйдет из строя.

Поэтому винты подбираются под мотор. Ну или мотор под винты, тут как посмотреть. Обычно на сайтах продавцов моторов можно встретить информацию о рекомендуемых пропеллерах и аккумуляторах для выбранного мотора, а также тесты создаваемой тяги и эффективности.

Также чем больше винт, тем больше его инерция. Если нужна маневренность, лучше выбрать винты с большим шагом или трехлопастные. Они при том же размере создают тягу в 1,2–1,5 раза больше. Понятно, что винты и скорость их вращения нужно подбирать так, чтобы они смогли создать тягу большую, чем вес аппарата.

А вот и моторчик  на 850 kV
А вот и моторчик на 850 kV

И наконец, бесколлекторные моторы. У моторов есть ключевой параметр — kV. Это количество оборотов в минуту, которые сделает мотор, на поданный вольт напряжения. Это не мощность мотора, это его, скажем так, «передаточное число». Чем меньше kV, тем меньше оборотов, но выше крутящий момент.

Чем больше kV при той же мощности, тем больше оборотов и ниже момент. При выборе мотора ориентируются на то, что в штатном режиме он будет работать при мощности 50% от максимальной. Не стоит думать, что чем kV больше — тем лучше, для коптеров с типичной 3S-батареей рекомендуемое число находится в диапазоне от 700 до 1000 kV.

Теория полета

В теории полета (аэродинамике) принято выделять три угла (или три оси вращения), которые задают ориентацию и направление вектора движения летательного аппарата. Проще говоря, летательный аппарат куда-то «смотрит» и куда-то двигается. Причем двигаться он может не туда, куда «смотрит».

Три эти угла принято называть крен, тангаж и рыскание. Крен — это поворот аппарата вокруг его продольной оси (оси, которая проходит от носа до хвоста). Тангаж — это поворот вокруг его поперечной оси (клюет носом, задирает хвост). Рыскание — поворот вокруг вертикальной оси, больше всего похожий на поворот в «наземном» понимании.

schema
Основные маневры (слева направо): движение по прямой, крен/тангаж и рыскание

В классической схеме вертолета основной винт при помощи автомата перекоса лопастей управляет креном и тангажем. Так как основной винт обладает ненулевым сопротивлением воздуха, у вертолета возникает вращающий момент, направленный в сторону, противоположную вращению винта, и, чтобы его скомпенсировать, у вертолета есть хвостовой винт.

Изменяя производительность хвостового винта (оборотами или шагом), классический вертолет управляет своим рысканием. В нашем же случае все сложнее. У нас есть четыре винта, два из них вращаются по часовой стрелке, два — против часовой. В большинстве конфигураций используются винты с неизменяемым шагом и управлять можно только их оборотами.

Если мы увеличим обороты одного винта, вращающегося по часовой стрелке, и уменьшим обороты другого винта, вращающегося по часовой стрелке, то мы сохраним общий момент вращения и рыскание по-прежнему будет нулевым, но крен или тангаж (в зависимости от того, где мы сделаем ему «нос») изменятся.

А если мы увеличим обороты на обоих винтах, вращающихся по часовой стрелке, а на винтах, вращающихся против часовой стрелки, уменьшим (чтобы сохранить общую подъемную силу), то возникнет вращающий момент, который изменит угол рыскания. Понятное дело, что все это будем делать не мы сами, а бортовой компьютер, который будет принимать сигнал с ручек управления, добавлять поправки с акселерометра и гироскопа и крутить винтами, как ему надо.

Для того чтобы спроектировать коптер, необходимо найти баланс между весом, временем полета, мощностью двигателей и другими характеристиками. Все это зависит от конкретных задач. Все хотят, чтобы коптер летал выше, быстрее и дольше, но в среднем время полета составляет от 10 до 20 минут в зависимости от емкости аккумулятора и общего полетного веса.

Стоит запомнить, что все характеристики связаны между собой и, к примеру, увеличение емкости аккумулятора приведет к увеличению веса и, как следствие, к уменьшению времени полета. Чтобы узнать, сколько примерно твоя конструкция будет висеть в воздухе и сможет ли вообще оторваться от земли, существует хороший онлайн-калькулятор ecalc.ch.

Но прежде чем вбивать в него данные, нужно сформулировать требования к будущему аппарату. Будешь ли ты устанавливать на аппарат камеру или другую технику? Насколько быстрым должен быть аппарат? Как далеко тебе нужно летать? Давай посмотрим на характеристики различных компонентов.

PX4 — бортовой ком- пьютер с полноценной UNIX-системой
PX4 — бортовой компьютер с полноценной UNIX-системой
Оцените статью
Добавить комментарий

Adblock
detector