Создание корпуса дрона: идеи и примеры

1: строим раму

Независимо от габаритов или назначения каждый дрон должен иметь раму, каркас, несущую основу. Сборка готовых рам не должна вызывать сложностей ввиду того, что они снабжаются подробными инструкциями и всем необходимым крепежом.

А чтобы собрать раму самому, придется проявить конструкторские способности. Самостоятельно изготовленная рама квадрокоптера из металла, пластика, металлопластика или дерева должна быть достаточно прочной. К примеру, толщина деревянных частей каркаса, изготовленного своими руками, должна быть не менее 30 мм. Сборка своего квадрокоптера на недостаточно прочной раме – пустые усилия, потому что он будет часто ломаться.

В любом случае на выходе должно получиться заданное количество лучей одинаковой длины, которые несут на себе моторы и крепятся к центральной несущей пластине. На ней же установлены посадочные опоры или «ноги». В некоторых вариантах компоновки ноги «растут» из-под двигателей. Все зависит от особенностей, продиктованных чертежом квадрокоптера и его рамы.

Двигатели, их контроллеры и пропеллеры играют ключевую роль в скорости, маневренности и других характеристиках полета. Поэтому следует выбирать продукцию брендов, тесно работающих в сфере квадрокоптеростроения, а не кого-нибудь, кто оказался в этом сегменте рынка случайно.

Да, движение происходит за счет разницы в скорости их вращения, но она должна быть строго контролируемой. Разношерстная компания двигателей нарушала бы баланс. Крепятся винтами на наружные концы «лучей».

После двигателей на плоскости их опор размещаются контроллеры оборотов и фиксируются стяжками. Соединение контроллеров с двигателями, также как с распределительной платой, осуществляется путем прямой пайки и коннекторов. При желании и бюджетных возможностях можно использовать контроллер 4-в-1, но тогда немного изменится схема компоновки квадрокоптера. В итоге получится почти готовый коптер, которому не хватает только полетного контроллера.

Полетный контроллер, как правило, монтируется в верхней части каркаса аппарата, над распределительной платой и отсеком для батареи. Компоновку допустимо изменять, но стоит помнить, что чем ниже центр тяжести, тем устойчивей аппарат.

Для минимизации влияния вибраций на работу полетного контроллера, его монтажная площадка часто крепится на резиновые проставки или используются более хитрые системы гашения вибраций. На этапе проектирования это хорошая возможность блеснуть инженерной смекалкой, не нанеся непоправимого вреда всей конструкции.

И только размещать на корпусе, подключение допустимо только после первичной калибровки полетного контроллера.

Различные производители выпускают разные контроллеры, пульты управление и другие компоненты. Поэтому их калибровка – сложный и вариативный процесс, достойный отдельного рассмотрения.

Собранное устройство должно быть полностью откалибровано, а на пульте следует установить управление. Только после этого можно будет подыматься в воздух, не опасаясь потерять плод своих трудов. Однако точное описание процесса калибровки зависит от типа используемого контроллера и аппаратуры, поэтому следует уточнять необходимые шаги, исходя из этих данных.

Только потратив 200-300 долларов на компоненты, несколько дней на сборку, настройку и калибровку, можно наконец отправляться в полет на собственноручно построенном квадрокоптере. Нельзя не отметить, что за те же деньги доступны вполне функциональные серийные модели. Но дело ведь не в этом.

Приведенная выше инструкция достаточно поверхностна, но она дает очертания того, с чем придется столкнуться, чтобы квадрокоптер собрать. Постепенные уточнения помогут накопить хорошую теоретическую базу для последующего развития.

Подводя итоги, нужно отметить, что самостоятельно построенные дроны уступают в характеристиках моделям заводского производства, особенно если первые – дело рук начинающего конструктора.

Вот только дело в том, что самодельный квадрокоптер и не стремится конкурировать с титанами рынка. Это выбор для тех, кто любит погружаться в интересующую тему, конструировать или совершенствовать конструкции.

Базовые узлы и компоненты

Чтобы построенный аппарат был способен подниматься в воздух хотя бы в теории, а сборка квадрокоптера своими руками доставляла удовольствие, необходимо приобрести ряд соответствующих компонентов:

  1. Полетный контроллер – «голова» будущего БПЛА, в которой установлены все базово необходимые датчики, а также программное обеспечение для обработки их показаний, а заодно и команд, приходящих с пульта управления, контроля скорости вращения каждого двигателя. Это самый дорогой компонент, который придется покупать, чтобы собрать квадрокоптер.
  2. Раму продвинутые моделисты делают самостоятельно из тщательно выбираемых материалов (алюминий, пластик, дерево, карбонат или их комбинации). При недостатке опыта или инженерных познаний, если проекту больше подходит готовая рама или нет ни желания, ни времени проектировать квадрокоптер и его части самому, то на помощь придут готовые рамы, производимые в широком спектре размеров.
  3. Двигатели лучше выбрать бесколлекторные – они несколько дороже, но гораздо надежнее коллекторных. Для полетов необходимо вращение со значительной скоростью, поэтому отсутствие коллектора положительно сказывает на сроке эксплуатации. Приобретается не менее 4 (или 8, если нужен октокоптер), если бюджет позволяет, то с 1-2 запасными.
  4. Контроллеры двигателей это платы, регулирующие скорость вращения каждого двигателя и питающие его, будут смонтированы на «лучах» корпуса. Их количество соответствует количеству двигателей.
  5. Пропеллеры или движители следует выбирать с особым вниманием, ведь размер должны подходить к габаритам будущей рамы, независимо от того, что она самостоятельно построена или куплена.
  6. Плата распределения питания предназначена для разводки питания с аккумулятора на контроллеры оборотов двигателей. Как правило, каждый покупной корпус снабжается небольшой платой, куда можно припаять вводы со всех котроллеров, а затем аккуратно их запитать. При желании можно заказать более продвинутый вариант основной платы питания если ваша схема квадрокоптера предполагает особенности компоновки.
  7. Покупка аккумуляторов – один из самых непростых моментов подбора запчастей. Тип подходящего элемента питания полностью зависит от целевого назначения создаваемой модели. Для быстрых моделей лучше брать небольшие батареи с высокими показателями KV (количество оборотов в минуту × Вольт), а для тихоходных аппаратов для съемок в приоритете соотношение емкости и веса, ведь перегружать конструкцию нельзя в любом случае. Полезное дополнение – монитор заряда батареи. Не обойдется и без специального балансирующего зарядного устройства для выбранного типа аккумуляторов (литий-ионные или литий-полимерные).
  8. Пульт управления с модулем ресивера, который подключается к полетному контроллеру, чтобы аппаратом можно было управлять. От типа пульта управления зависит комфорт управления и некоторые другие доступные функции.
  9. Дополнительные опции выбираются в зависимости от назначения будущего аппарата. Так, на дроны для съемки часто крепят стабилизаторы камер, а гоночные невозможны без комплекса FPV (first person view, вид от первого лица).

Недостаток последнего несложно устранить в процессе сборки, благо, «высший пилотаж» владения паяльной станцией не нужен. И лучше использовать паяльники с тонким жалом.

Чертежей квадрокоптеров в полном смысле этого слова не существует, да они и не нужны. Сборка из модулей исключает подобную потребность. С расходными материалами все немного сложней. Чтобы собрать квадрокоптер своими руками понадобятся:

  1. Фиксатор резьбы, чтобы ни один из винтов не выкрутился от полетных вибраций.
  2. Термоусадочная изоляция на каждое место пайки.
  3. Полимерные затяжки-хомуты для фиксации элементов на корпусе.
  4. Гидроизолирующий состав для печатных плат.
  5. Коннекторы типа «банан» для двигателей.

Ничто не помешает внести необходимые правки и доработки в конструкцию в процессе сборки или летных испытаний. Может для поставленных целей лучше собрать октокоптер своими руками. При наличии внимательности и осторожности даже самые технически неграмотные любители аппаратов смогут построить летающего дрона.

Бортовая электроника

Основной компонент, который мы разрабатывали самостоятельно, — плата стабилизации. Изначально она была основана на платформе Arduino Uno, потом заменили на более мощную Due, что позволило увеличить частоту ПИД-регуляторов с 40Гц до 66.(6)Гц.

Пропеллеры коптера приводятся в движение компактными бесколлекторными двигателями в связке со стандартными контроллерами оборотов — ESC. Мы используем ESC с изменённой прошивкой.

Для питания всей системы используется литий-полимерный аккумулятор (3S). Из соображений безопасности мы решили сделать систему мониторинга напряжения на аккумуляторе. В штатном режиме использования аккумуляторов система ведёт себя достаточно стабильно. Однако на начальных этапах работы мы наблюдали эффекты, вызванные неоптимальным использованием батарей:

  • Вздувшиеся аккумуляторы. Причина в перезаряде и длительном хранении разряженных аккумуляторов. Производители рекомендуют не разряжать силовые аккумуляторы ниже значения 3,3В на каждую банку батареи, что в нашем случае даёт минимальное допустимое напряжение в 9,9В.
  • Выключение моторов при низком напряжении. Это особенность реакции большинства прошивок ESC на низкое напряжение, которая может привести к серьёзной аварии — в первый момент выключается только один мотор, остальные продолжают работать.

Для наших целей ESC было решено перепрограммировать. Благодаря использованию прошивки tgy (от SimonK) мы добились уменьшения задержки системы на пути от центрального контроллера до двигателей. В результате компоненты ПИД и угловая скорость стали более синусоидальными, а поведение всей системы приблизилось к поведению математической модели.

Для измерения динамических параметров используются следующие датчики:

  • 6-осевой акселерометр-гироскоп InvenSense MPU-6050
  • 3-осевой компас Honeywell HMC5883L

Габаритные размеры дронов

Средняя масса квадрокоптера колеблется от одного до четырех килограмм. При этом они могут транспортировать груз до нескольких килограмм – профессиональные камеры или небольшие посылки.

Встречаются крошечные модели, которые легко помещаются на ладони. Их длина не превышает 20 сантиметров и производство таких квадрокоптеров существенно дешевле, чем изготовление крупногабаритных аппаратов. Они удобны для домашнего использования и превращаются в безопасную игрушку для детей.

Смотрите про коптеры:  Квадрокоптер Syma X25Pro — Отзывы

Моделирование и визуализация прибора от KLONA помогут вам оценить его функциональность еще до запуска производства.

Квадрокоптер Cheerson CX-10 размером всего со спичечный коробок, но при этом он сохранил все функции стандартных квадрокоптеров. Он уверенно держится в воздухе и легко выполняет сложные трюки. Несмотря на совсем крошечный размер, квадрокоптер способен поднять с собой небольшую экшн-камеру.

https://www.youtube.com/watch?v=5UV25lRslOY

Квадрокоптеры средних размеров от 20 до 50 сантиметров уже могут поднять профессиональную камеру для качественной аэросъемки. Кроме того, умелый тюнинг квадрокоптера способен значительно повысить его характеристики – снизить вес за счет смены аккумулятора, усиление сигнала, увеличение дальности полета и пр.

Услуга 3D печати квадрокоптеров и их деталей от компании KLONA помогает пользователям усовершенствовать недорогие беспилотные аппараты до уровня профессиональных устройств.

Длина крупногабаритных квадрокоптеров превышает 50 сантиметров, и они отличаются особой прочностью. Они способны удерживать равновесие в любых неблагоприятных условиях, выдерживают падения и лобовые столкновения. Такие квадрокоптеры используются для доставки грузов на дальние расстояния, для съемок отдаленных объектов (например, извержение вулкана).

Обычно они имеют мощную батарею, что увеличивает время полета, а также радиус их радиосигнала составляет несколько километров. Совершать полеты с такими квадрокоптерами в помещении не рекомендуется, так как это может быть небезопасно для людей. Поэтому их применяют только на улице.

Квадрокоптер SteadiDrone Q4D-X имеет грузоподъемность около 8 килограмм, а время его полета составляет 60 минут.

Грабли

В случае с корректировкой мощностей моторов необходимо не допускать слишком низких и слишком высоких мощностей, при которых стабилизация работает неверно.

С одной стороны, существует минимальная мощность, которую уменьшить нельзя, или моторы просто остановятся. С другой, уменьшение мощности может быть необходимо для правильной работы алгоритма. Если мощность (throttle) уменьшить слишком сильно, ПИД может «зашкаливать» в нижнюю сторону. Чтобы решить эту проблему, мы ограничиваем доступные пилоту мощности.

Создание корпуса дрона: идеи и примеры
Другая опасность — влияние побочных вибраций от моторов на Создание корпуса дрона: идеи и примерыСоздание корпуса дрона: идеи и примеры

Детали и цены

Самое важное и минимальное что потребуется для сборки с нуля (первым в списке идет то, что использовал я, затем то что используют многие другие):

Сам квадрокоптер
Моторы: 4 штуки
лучше брать на 1 больше, пригодится
hacker Style Brushless Outrunner 20-22L 924kv$12.88
hexTronik DT700 Brushless Outrunner 700kv$10.95
2213N 800Kv Brushless Motor$7.36
Пропеллеры: минимум 2 стандартных и 2 обратного вращения
в начале попыток и испытаний это будет главных расходный материал, поэтому берите сразу много, заодно часть из них будет бракованное и не пригодное для использования
10X6 Propellers (5шт)
10X6R Propellers (5шт)
$2.40
$3.04
APC 10×4.7 counter rotating propellers set$8.50
Регуляторы скорости: 4 штуки
покупать надо как и моторы с запасом, может быть брак или случайно сгорит и потом месяц ждать новый
HobbyKing 30A BlueSeries Brushless Speed Controller
они же Mystery 30A BlueSeries
$10.47
$13.96
TURNIGY Plush 25amp Speed Controller$11.81
Источник питания
с увеличением емкости растет и вес, а значит моторы будет больше потреблять, поэтому нет особого смысла брать супер емкий аккумулятор, лучше взять 2-3 мелких и менять их
Turnigy 2200mAh 3S 30C Lipo$13.79
ZIPPY Flightmax 2800mAh 3S1P 30C$17.76
Рама
стараемся делать максимально легкой и прочной
4 алюминиевые трубки или профиль 10х10 и кусок фанеркиразобрать алюминиевый штатив
HobbyKing Quadcopter Frame V1$14.99
Мозги и датчики
Программируемый микроконтроллерSeeeduino Mega$43.00
Arduino Mega$64.90
Датчики
рекомендую сразу брать AllInOne или FFIMU платку, так как остальные датчики очень сильно пригодятся потом
гироскоп ITG3205
акселерометр BMA020
WMP$7.98
BMA020 230руб
All In One (гироскоп ITG3200, акселерометр BMA180, барометр BMP085, магнитометр HMC5883L)$99.80
FreeFlight IMU 1.22L€84.00
Аппаратура управления и зарядное устройство
Аппаратура управления
минимум 4 канала
Hobby King 2.4Ghz 4Ch Tx & Rx V2 (Mode 2)$22.99
Turnigy 9X 9Ch (Mode 2)$53.79
Аккумулятор к аппаратуреMystery 11.1V 2200mAh$12.72
AA 600mAH Ni-MH Battery Set (8pc)$1.99
Зарядное устройствоiMAX B6 2.5″ LCD RC Lipo Battery Balance Charger$36.50
Turnigy Accucel-6 50W 6A Balancer/Charger$22.99
Другое
так же потребуются проводочки, болтики, винтики, стяжки, дрель, паяльник с паяльными принадлежностями и более-менее прямые руки
ИТОГО примерно от 220$

Дополнительные соображения

  • Подвес — чаще всего используется для стабилизации камеры (FPV/Аэросъёмка). Как правило устанавливается под рамой в соответствии с центром тяжести БПЛА. Может крепиться напрямую к раме, либо посредством направляющих. Для стабилизации изображения рекомендуется использовать двух, либо трёх осевые подвесы. Требует увеличения длинны посадочных опор.

Создание корпуса дрона: идеи и примеры

  • Полезная нагрузка (транспортировочная) — в любительской сфере является чем-то вроде роскоши, так как любой дополнительный вес не только сокращает время полёта, но и приводит к отказу в использовании дополнительных элементов, которые могли бы добавить беспилотнику ключевых функций. При проектировании следует понимать, что транспортировочный кейс должен быть максимально лёгким и в тоже время прочным, а также сам груз должен жёстко крепиться, исключая любое перемещение в полёте.

Создание корпуса дрона: идеи и примеры

  • Посадочные опоры — несмотря на то, что некоторые БПЛА приземляются непосредственно на раму (как правило исключаются для снижения веса), применение в конструкции посадочных опор обеспечит зазор между нижней частью БПЛА и неровной поверхностью, а также в случае жёсткой посадки принимают удар на себя, увеличивая шансы на спасение таких важных элементов дрона как камера, подвес, АКБ и рама.

Создание корпуса дрона: идеи и примеры

  • Монтаж — несмотря на то, что проектировать и изготавливать беспилотник значительно проще, чем обычный вертолёт, расположение каждого элемента следует продумать в самом начале процесса проектирования.

Общие рекомендации по монтажу:

  1. При создании рамы с нуля, важно, обеспечить точное расположение четырёх монтажных отверстий посредством которых осуществляется крепёж моторов к раме.
  2. Большинство моторов для рам размером от 400 — 600мм имеют одинаковую схему монтажных отверстий, что позволяет использовать раму от одного производителя, а моторы от другого.
  3. Расположение всех дополнительных компонентов в идеале должно быть симметрично относительно одной оси, что в последствии поможет облегчить поиск и регулировку центра масс беспилотника.
  4. В идеале контроллер полёта должен быть расположен в центре круга (и как таковой в центре масс) соединяющего все моторы.
  5. Контроллер полёта обычно крепится к раме при помощи стоек, резиновых демпферов или двухстороннего скотча.
  6. Многие производители используют одинаковое расположение монтажных отверстий для контроллера полёта (например, квадрат 35мм либо 45мм), но как токового «промышленного стандарта» не существует.
  7. АКБ достаточно тяжелая, и если центр масс вашей сборки немного сдвинулся, вы можете отрегулировать его переместив слегка батарею.
  8. Убедитесь, что крепление АКБ немного «играет», но в тоже время обеспечивает надёжную фиксацию батареи.
  9. Ремни с липучей основой часто используются для фиксации АКБ, тем не менее не будет лишним добавить двухсторонний скотч между батареей и рамой.

Создание корпуса дрона: идеи и примеры

Камера

Ух, вот это самая жесть. Камера не всегда нужна, но если она нужна, то нужно внимательно подойти к её выбору. В качестве записывающей камеры стоит использовать экшн камеры- GoPro или её Китайские аналоги (они не сильно уступают в качестве видео, если даже не превосходят «фирму»). Нужно ориентироваться на вес, и на угол обзора. С весом всё понятно, а вот про угол расскажу.

Хочется, чтобы камера снимала красоты мира, но не снимала лучи коптера. Если ты промахнулся и это произошло, то придётся выбрать из двух плохих вариантов.

Опустить камеру так, чтоб она не задевала пропеллеры. Опускать, скорее всего, придётся сильно, и это вызовет массу проблем с взлётом и посадкой, а также с маневренностью, из-за смещённого центра тяжести.

Вынести камеру вперёд. Тоже беда. Снова сместится центр тяжести (в этом случае можно попытаться уравновесить при помощи АКБ). Ещё сильнее утяжелит конструкцию, ибо придётся придумывать очень мощный фиксатор. Иначе никакими бюджетными виброгасителями делу не поможешь, и эффект желе обеспечен.

Можно попробовать использовать ориентировочную формулу L= 2 * tg (A /2) х D, где:

  • L — Область обзора камеры на расстоянии D
  • Α — Угол обзора камеры
  • D – расстояние до объекта (в нашем случае, до пропеллеров)

Ты получишь диаметр круга, но так как камера снимает прямоугольное изображение, то этот диаметр будет диагональю. Там уж можно примерно прикинуть- задевает, или нет.

Компоненты выбираем, руководствуясь необходимым результатом. Не нужно брать самое лучшее, если в этом нет необходимости. Возможности своей сборки ты можешь приблизительно рассчитать при помощи калькулятора.

Материалы исполнения бпла/конструкция

Ниже приведены наиболее распространенные материалы исполнения используемые для изготовления рам мультироторных дронов, соответственно список не полный. В идеале рама должна быть жёсткой с минимально возможной передачей вибрации.

Поролон (Пена) — как единственный материал для изготовления рам БЛА используется редко, и, как правило, в комбинации с жёстким каркасом или усиленной конструкцией. Также может применяется в стратегических целях; в качестве защиты несущих винтов (пропеллеров), шасси, не редко выступает в качестве демпфера. Поролон может быть разных типов от мягкого до относительно жёсткого.

Смотрите про коптеры:  Купить квадрокоптер с камерой - низкая цена

Создание корпуса дрона: идеи и примеры

Дерево — если в приоритете дешевизна конструкции, то дерево — это отличный вариант, который значительно сократит время сборки и изготовления запасных частей. Древесина достаточно тверда и является проверенным временем материалом. Важно чтобы при изготовлении рамы использовалась идеально прямая древесина (без изгибов и деформации).

Создание корпуса дрона: идеи и примеры

Пластик — для большинства пользователей доступен только в виде пластиковых листов. Имеет тенденцию к изгибу и как таковой не идеален. Отлично подходит для изготовления защитного каркаса или шасси. Если вы рассматриваете возможность 3D печати, следует учитывать временной интервал изготовления (возможно проще купить комплект дооснащения UAV frame kit). 3D печать деталей отлично себя зарекомендовала при создании небольших квадрокоптеров.

Создание корпуса дрона: идеи и примеры

Алюминий — доходит до потребителя в различных формах и размерах. Вы можете использовать листовой алюминий для исполнения корпуса, либо экструдированный алюминий для реализации лучей дрона. Алюминий не такой лёгкий, по сравнению с углеродным волокном или G10, зато цена и долговечность выступают главными преимуществами материала. Вместо разрушения или трещин, алюминий имеет склонность к изгибу. Для работы с материалом требуется только пила и дрель.

Создание корпуса дрона: идеи и примеры

G10 (разновидность стекловолокна) — не смотря на то, что внешний вид и основные свойства практически идентичны с карбоном (углеродным волокном), является менее дорогим материалом. В основном доступен в листовом формате и используется для реализации верхних и нижних пластин рамы. Также в отличии от углеродного волокна, G10 не блокирует радиочастотные волны.

Создание корпуса дрона: идеи и примеры

PCB (Печатная плата – пластина из диэлектрика) — по сути аналог стекловолокна, но в отличии от последнего всегда плоские. Иногда используется в качестве верхних и нижних пластин рамы, с целью уменьшения количества используемых деталей (например, плата распределения питания часто встроена в нижнюю панель). Рамы нано/мини квадрокоптеров могут быть исполнены из одной печатной платы включающей в себя всю электронную начинку.

Создание корпуса дрона: идеи и примеры

Углеродное волокно — самый востребованный материал из-за лёгкого веса и высокой прочности. Процесс изготовления по прежнему исключительно ручной. Как правило серийно производятся простые формы, такие как плоские листы, трубчатые комплектующие; исполнение сложных трехмерных форм осуществляется на заказ.

Создание корпуса дрона: идеи и примеры

Матчасть

Определим невязку — разницу между требуемым и реальным значением некоторой величины:

Создание корпуса дрона: идеи и примеры

 — требуемое значение величины (угол с джойстика),

Создание корпуса дрона: идеи и примеры

 — текущее значение величины (угол с датчика).

Зададим момент сил для угла Создание корпуса дрона: идеи и примеры

где

Создание корпуса дрона: идеи и примеры

 — пропорциональная,

Создание корпуса дрона: идеи и примеры

 — интегральная,

Создание корпуса дрона: идеи и примеры

 — дифференциальная составляющие.


Знак минус говорит о том, что при положительных

Создание корпуса дрона: идеи и примеры

воздействие направлено против отклонения.

В чём смысл этой формулы? Напишем уравнение динамики, положив Создание корпуса дрона: идеи и примерыСоздание корпуса дрона: идеи и примеры

 — момент инерции.

Для простоты уберём интегральную составляющую (Создание корпуса дрона: идеи и примерыСоздание корпуса дрона: идеи и примерыСоздание корпуса дрона: идеи и примеры

где

Т. е. чем больше пропорциональная составляющая, тем более «резкой» будет реакция на воздействие (больше амплитуда). Чем больше дифференциальная составляющая, тем быстрее будет происходить затухание (больше декремент).

Из модели затухающих колебаний получаем выражение для коэффициента затухания:

Из возможных решений уравнения нам подходит режим, близкий к критическому (граница апериодичности,

Создание корпуса дрона: идеи и примеры

) — нет отрицательного «перелёта» графика, переходный процесс короткий. Как видно, критический режим задается всего одним соотношением на коэффициенты ПИД-регулятора.

Интегральная составляющая устраняет статическую ошибку. Пусть невязка Создание корпуса дрона: идеи и примерыСоздание корпуса дрона: идеи и примерыСоздание корпуса дрона: идеи и примеры

Более подробный анализ уравнения ПИД-регулятора можно найти в других статьях: раз, два.

Методические рекомендации

Шаг 1: Посмотрите, какие материалы и инструменты для их обработки имеются в вашем распоряжении.

  • Если арсенала ваших возможностей не хватает для реализации кастомной рамы или вы просто хотите получить профессиональную раму, подумайте о приобретении UAV frame kit.
  • Даже если рама исполнена с использованием необходимого инструмента и из основных материалов, она всё равно может иметь структурно слабые места вызывающие излишнюю вибрацию, либо смещение. Процесс изготовления требует острое зрение и опыт.
  • Изготавливая раму самостоятельно, продумайте крепёж всех необходимых элементов дрона; моторы, электроника и т.д.

Шаг 2: Перечислите все дополнительные (вспомогательные) части, которые вы планируете включить в сборку.

  • Это могут быть одно-, двух-, либо трех осевой подвес для камеры, парашют, бортовой мини компьютер, полезная нагрузка, дальнобойная электроника (как правило утяжеляет и увеличивает сборку), плавучие средства и т.д.
  • Полученный список дополнительных/вспомогательных частей позволит получить представление о размерах беспилотника и рассчитать общую массу.

Шаг 3: Поразмышляйте о предполагаемых размерах рамы.

  • Большая рама — необязательно большой потенциал дрона, и не факт, что рама меньших размеров сделает сборку дешевле.
  • Дрон построенный на раме размером от 400 — 600мм рекомендуется для начинающих.

Шаг 4: Спроектируйте, соберите и протестируйте раму.

  • Если вы приобрели комплект дооснащения (UAV frame kit), то вам не о чем беспокоится касательно прочности, жёсткости и сборки.
  • Если вы решили спроектировать и изготовить раму с нуля, важно будет проверить её прочность, вес, и убедится, сможет ли конструкция противостоять вибрации (минимальным изгибом).
  • Подумайте об использовании специализированного программного обеспечения для моделирования (многие из них бесплатны, например, Google Sketchup), чтобы спроектировать раму и убедиться в правильности выбранных размеров.

Теперь у вас есть рама и вы можете переходить к следующему уроку.

Первая авария

Слишком большая дифференциальная составляющая на практике приводит к автоколебаниям, чего не должно быть в теории. Почему? Уберём все составляющие, кроме дифференциальной, и решим уравнение:

Создание корпуса дрона: идеи и примерыСоздание корпуса дрона: идеи и примеры

т. е. величина

Создание корпуса дрона: идеи и примеры

превращается в линейную комбинацию

Создание корпуса дрона: идеи и примеры

и её производной. То же самое происходит с моментом сил, который также является гармонической функцией в этом примере. При определенных

Создание корпуса дрона: идеи и примеры

коэффициенты линейной комбинации могут быть такими, что возникнут незатухающие автоколебания.

Создание корпуса дрона: идеи и примеры
Также результат работы составляющих ПИД приходится ограничивать по модулю. Иначе значение Создание корпуса дрона: идеи и примеры

Компромиссом является установка не слишком маленьких коэффициентов в совокупности с введением ограничения сверху на все три составляющие: пропорциональную, интегральную и дифференциальную.

Стоит сказать, что реальная коррекция в почти горизонтальном положении — около 1–2 попугаев процентов мощности моторов (полётная мощность около 60%).

Создание корпуса дрона: идеи и примеры
Рассмотрим решение уравнения второго порядка (1), которое в одном из случаев является затухающей синусоидой.

На практике действительно получается что-то похожее (пример справа). Для демонстрации коэффициенты специально ухудшены для увеличения времени затухания. Оригинальную прошивку ESC пришлось заменить, т. к. она вносила существенную задержку, из-за которой математическая модель плохо описывала реальную систему.

Создание корпуса дрона: идеи и примеры
Поскольку Создание корпуса дрона: идеи и примеры

Сборка и настройка железа

Предположим что всё что выше у вас уже есть и можно приступать к сверлению, паянию и скручиванию.

Раму делаем кто во что горазд, главное чтобы расстояние от центра до концов лучей было одинаково, пропеллеры при вращении не задевали друг друга и центральную часть (фанерку), так как на ней будут мозги, датчики и возможно камера. Датчики лучше устанавливать на толстый скотч, силикон или резину, для уменьшения вибрации.

У меня получилось примерно вот так (аккумулятор крепится с другой стороны, на фото старый вариант мозгов коптера с прошивкой

, с которой мне так и не повезло):

Создание корпуса дрона: идеи и примеры

не очень красиво, но летает


А теперь внимание косяки, о которые можно споткнутся по незнанию и нужная информация:

  • Приемник надо спарить с передатчиком — написано в инструкции
  • Регуляторы скорости (ESC) нужно калибровать! Для этого соединяем вместе все 4 ESC: землю (черный) и сигнальный провод(белый или желтый) и оставляем ОДИН провод питания (красный), после чего вставляем это в третий канал приемника, а так же соединяем провода питания и подсоединяем к регуляторам моторы. После этого на включенном передатчике ставим ручку газа (третий канал) в максимальное положение (вверх) и подключаем к регуляторам скорости источник питания, моторы весело пропищат, после чего опускаем ручку газа вниз и моторы снова пищат — ура, мы откалибровали регули
  • Часто регуляторы скорости нужно еще и запрограммировать, об этом читайте инструкцию к своим регуляторам, основной момент — увеличить скорость реакции, повысив частоту и выставив режим моментальной реакции, а не постепенного набора оборотов. Это можно сделать как слушая бесконечные пищания, так и с помощью специальных карточек для программирования.
  • Чтобы моторы вращались в другую сторону нужно поменять любые два провода местами
  • Ставьте пропеллеры в последнюю очередь — они очень хорошо режут руки
  • Моторы, как и пропеллеры часто требуют балансировки, для уменьшения вибрации, для этого возьмите обычные стяжки для кабелей и нацепив 1-2 на мотор вращайте и включайте, пока не почувствуете минимальную вибрацию. Более подробно, а так же с видео лучше почитать на специализированном форуме

ПродолжениеPS: надеюсь люди в RC теме простят меня за неточности и поправят где надо.

Сенсоры/ориентация

Компас/Compass — магнитный компас может обеспечить навигацию по сторонам света (север/юг/восток/запад).

Инерциальный измерительный блок/IMU (Inertial Measurement Unit) — объединяет в себе сразу два сенсора акселерометр и гироскоп.

Акселерометр/Accelerometer — измеряет линейное ускорение по 1-3 осям. Обычно измеряются в «g/же». Акселерометр может обеспечить ориентацию вашего дрона относительно земли.

Гироскоп/Gyroscope — гироскоп измеряет угловое ускорение по 1-3 осям. Единицы измерения, обычно, в градусах в секунду в квадрате.

Смотрите про коптеры:  Микровертолеты и FPV: Eachine VR D2 Pro - обновленная версия шлема

Магнитометр/Magenetometer — иногда используется в недорогой робототехнике для определения направления компаса.

Барометр/Высотомер/Давление (Barometer/Altimeter/Pressure) — используется для обеспечения обратной связи относительно занимаемой высоты БПЛА. Он измеряет давление, а, так как давление изменяется с высотой, то беспилотник может «знать/определять» занимаемую высоту.

Трубка Пито/Pitot Tube — устройство, которое измеряет скорость воздуха.

Регистратор полёта/Flight Recorder — записывает значения датчиков БПЛА. Эта функция иногда может быть интегрирована в контроллер полёта.

GPS/Система глобального позиционирования — спутники, вращаясь вокруг планеты, посылают сигналы, которые принимаются GPS антенной и отправляются для обработки GPS приёмником с целью предоставления географических координат.

Антенна/Antenna — это то, что фактически принимает или отправляет сигнал на и от БПЛА (сам сигнал генерируется блоком передатчика). Они бывают разных типов, а также разделяются на направленные (сильные в одном направлении) и всенаправленные.

Крен/Roll — поворот воздушного судна вокруг его продольной оси.

Тангаж/Pitch — угловое движение БПЛА относительно горизонтальной плоскости, или другими словами, вращение воздушного судна относительно оси от крыла до крыла.

Рыскание/Yaw — угловые движения воздушного судна относительно вертикальной оси.

Силовая установка

Тяга/Thrust — это сила, которую может обеспечить конкретный мотор и пропеллер (при определенном напряжении). Обычно измеряется в килограммах (кг/kg) или фунтах (Фунтах/Pounds/Lbs).

BEC — (Battery Eliminator Circuit/Преобразователь бортового питания) встроен в ESC (регулятор напряжения), который может обеспечить регулируемое 5В напряжение постоянного тока для любой электроники, которая в этом нуждается.

ESC (Electronic Speed Controller/Электронный регулятор скорости) — устройство, которое подключается к аккумулятору, мотору и контроллеру полёта и контролирует скорость вращения мотора.

Мотор/Motor — то, что применяется для вращения пропеллеров; в небольших беспилотных летательных аппаратах чаще всего используется коллекторный (Brushed) мотор, тогда как для более крупных беспилотных летательных аппаратов – бесколлекторный (Brushless).

Лопасти/Blades (лопасти пропеллера) — аэродинамическая поверхность создающая подъёмную силу. Как правило пропеллер имеет от двух до четырёх лопастей, которые могут быть как фиксированными, так и складными.

Пропеллер/Propeller (Несущий винт/сокр. Проп) — пропеллеры обеспечивают тягу и больше похожи на те, что используются в самолётах.

Адаптер пропеллера/Prop Adapter — устройство, используемое для сопряжения пропеллера с мотором.

Пропсейвер/Prop Saver — тип втулки, которая устанавливается на верхней части используемого мотора и заменяет адаптер пропеллера/Prop Adapter. В случае аварии часть пропсейвера идёт в расход, чтобы сохранить целостность пропеллера.

PCB (Printed Circuit Board/Печатная плата) — стеклопластиковая пластина, на которой припаяно множество компонентов. Многие электронные продукты имеют печатную плату.

LiPo (Lithium Polymer/Литий-Полимерный) — является наиболее распространенной батареей, используемой в дронах и беспилотных летательных аппаратах из-за её малого веса (относительно ёмкости хранения), а также высокой скорости разряда тока. Помимо LiPo на рынке доступны и другие типы литиевых батарей (LiFe, LiMn, LiOn и т.д.).

Распределение питания/Power Distribution — чтобы питать различное множество устройств, используемых в БПЛА, ресурсы батареи должны быть распределены, и именно здесь в игру вступает распределение питания (плата или кабель). Задействует одну положительную и отрицательную клеммы батареи и предоставляет множество различных клемм/точек подключения, от которых другие устройства (работающие на том же напряжении) могут получать питание.

Сервопривод/Servo — тип привода, который при правильном сигнале может перемещаться в определенное угловое положение.

Типы рам бпла

Трикоптер

Создание корпуса дрона: идеи и примеры

Квадрокоптер

Создание корпуса дрона: идеи и примеры

Гексакоптер

  • Описание: «Гексакоптер» имеет шесть лучей, каждый из которых соединен с мотором. Передней частью гексакоптера принято считать сторону стыка двух лучей, но также передом может считаться и продольный луч.
  • Преимущества: При необходимости, конструкция гексакоптера позволяет легко добавить два дополнительных луча и мотора, что позволит увеличить суммарную тягу, в следствии чего дрон сможет поднять больше полезной нагрузки. В случае отказа одного из моторов, допускается вероятность, что дрон сможет осуществить мягкую посадку, а не разбиться. Модульная конструкция рамы. Почти все полётные контроллеры поддерживают эту конфигурацию.
  • Недостатки: Громоздкая и дорогостоящая конструкция. Дополнительные двигатели и детали увеличивают вес коптера, соответственно чтобы получить туже продолжительность полёта, что и у квадрокоптера, необходимо устанавливать более ёмкие АКБ.

Создание корпуса дрона: идеи и примеры

Y6

  • Описание: Конструкция Y6 представляет собой тип гексакоптера у которого в основе не шесть лучей, а три, каждый из которых соединён с парой соосно установленных моторов (итого 6 моторов). При этом стоит обратить внимание, что нижние пропеллеры проецируют тягу вниз.
  • Преимущества: Меньшее количество компонентов по сравнению с гексакоптером. Поднимает больше полезной нагрузки по сравнению квадрокоптером. При использовании винтов с встречным вращением исключается гироскопический эффект, как у Y3. В случае отказа одного из моторов, допускается вероятность, что дрон сможет осуществить мягкую посадку, а не разбиться.
  • Недостатки: Более дорогой по сравнению с квадрокоптером из-за использования дополнительных деталей, равноценных по стоимости деталям гексакоптера. Дополнительные моторы и детали увеличивают вес коптера, а значит, чтобы получить то же время полёта, что и у квадрокоптера, необходимо будет использовать АКБ большей ёмкости. Как показывает практика, тяга полученная на Y6, немного ниже чем у обычного гексакоптера, вероятно, потому, что нижний винт влияет на тягу верхнего винта. Не все полётные контроллеры поддерживают такую конфигурацию.

Создание корпуса дрона: идеи и примеры

Октокоптер

  • Описание: У октокоптера восемь лучей, каждый из которых соединен с мотором. Передней частью гексакоптера принято считать сторону стыка двух лучей.
  • Преимущества: Больше моторов = больше тяги, и соответственно повышенная избыточность, позволяющая дрону уверенно перемещаться с тяжёлыми и дорогостоящими DSLR камерами.
  • Недостатки: Больше моторов = более высокая цена и большой АКБ. Ввиду своей дороговизны актуален только для профессиональной сферы.

Создание корпуса дрона: идеи и примеры

X8

  • Описание: Конструкция X8 по-прежнему является октокоптером, только не с восемью, а с четырьмя лучами, каждый из которых соединён с парой соосно установленных моторов (итого 8 моторов).
  • Преимущества: Больше двигателей = больше тяги, и соответственно повышенная избыточность. Больше шансов мягко посадить дрон в случае отказа мотора.
  • Недостатки: Больше моторов = более высокая цена и большой АКБ. Ввиду своей дороговизны актуален только для профессиональной сферы деятельности.

Создание корпуса дрона: идеи и примеры

Размер бпла

Беспилотники бывают разных размеров, от «Нано», которые меньше ладони, до крупногабаритных, которые можно перевозить только в кузове грузовика. Для большинства пользователей, которые только начинают познавать беспилотное хобби, оптимальный диапазон размеров, предлагающих наибольшую универсальность и ценность, находится в пределах от 350мм до 700мм. Размером рамы является диаметр наибольшего круга пересекающего каждый из моторов. Запчасти для БПЛА таких размеров имеют широкий спектр цен и самый большой выбор доступных продуктов.

Создание корпуса дрона: идеи и примеры

Управление

База (Base)/Земля (Ground)/Станция управления (Control Station) — вместо (или в дополнение) к ручной аппаратуре управления (передатчику) используется станция (обычно в корпусе или на штативе) для размещения/интеграции необходимых компонентов, используемых для управления БПЛА. Может включать передатчик, антенну(ы), видеоприёмник, монитор, аккумулятор, компьютер и другие устройства.

Привязка/Binding — термин «привязка» относится к настройке портативного передатчика, чтобы он мог связываться с приёмником; если передатчик комплектуется с приёмником, эту настройку должны сделать на заводе.

Канал/Channel — количество каналов в передатчике относится к числу отдельных сигналов, которые он может передавать.

Контроллер полёта/Flight Controller — это то, что считается «мозгом» беспилотного летательного аппарата, который обрабатывает все поступающие данные, расчёты и сигналы. Ядром контроллера полёта часто является программируемый «микроконтроллер». Контроллер полёта может иметь несколько датчиков на борту, включая акселерометр, гироскоп, барометр, компас, GPS и т.д. Если контроллер полёта имеет возможность управлять самолётом самостоятельно (например, для полёта по заданным GPS координатам), его можно считать «автопилотом».

Соединительные жгуты/Harness — как правило это относится к «жгуту проводов», в который входят провода соединяющие приёмник с контроллером полёта (и иногда с другими устройствами).

ВЧ/ОВЧ/УВЧ (HF/VHF/UHF) — название частот, где ВЧ (HF) — высокие (High Frequency); ОВЧ (VHF) — очень высокие (Very High Frequency) и УВЧ (UHF) — ультра высокие (Ultra High Frequency). Измеряются в герцах (Гц/Hz).

Приёмник/Receiver — это то, что участвует в процессе обработки дистанционно полученной информации.

Sketch/Code — программа, которая загружается на контроллер полёта беспилотника (аналогично мыслительному процессу).

Передатчик/Радио (Transmitter/Radio) — это то, что генерирует управляющий сигнал(ы) и дистанционно передаёт приёмнику.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector