робимо квадрокоптер

Одним із моїх хобі є авіамоделізм. Для себе я вибрав будувати квадрокоптер, так як ця модель літального апарату поєднала в собі програмно-апаратну складову і не зовсім традиційну модель літального  апарату, яку відносять до класу мультироторних, або гелікоптерів.
У цій статті я вирішив освітлити деякі питання, які виникали в мене і виникають у новачків, бажаючих побудувати подібний апарат. На написання мене підштовхнуло те що цю інформацію не так той легко знайти. Не буду сперечатись її багато, але вона вся розкидана по різних форумах (forum.modelka.com.uaforum.rcdesign.ru ) і щоб зібрати інформацію воєдино, потрібно потратити чимало часу читаючи форуми.
Отже почнімо із того про що, здається треба думати в останню чергу, це апаратура радіо-управління. Купивши її першою, вже можна починати тренуватись літати на авіасимуляторі. На сленговій мові її називають “Аппа”, або “Апаратура”. Від вашого вибору апаратури залежать багато факторів, про які згодом можна пошкодувати, або навпаки бути в захваті.
Отже за якими параметрами потрібно підбирати “Аппу”:

  • Кількість каналів управління
  • Радіус дії радіо-передавача, діапазон частот
  • Якість збірки і ціна деталей, які затратили на збірку

Є ще ціла гора параметрів, але про це можна дізнатись згодом більше заглибившись в тему.

Почнімо по порядку.

Кількість каналів управління – для мультироторних систем це поняття кількості таке “чим більше, тим краще”.  Для мінімального набору елементарних команд управління, вистачає апаратури із шістьма каналами. Я рекомендую взяти із вісьмома. На решту каналів можна повісити вмикання\вимикання різних режимів польотного контролера.

Радіус дії радіо-передавача, діапазон частот – тут все залежить від того, як далеко ви збираєтесь відлітати, специфіка самої моделі. Це напряму залежить від того в якому діапазоні частот буде діяти передавач апаратури. Зараз поширена частота системи радіо-передачі це 2,4 ГГц, менше мороки із антенами, більша завадостійкість, має міжнародну сертифікацію на яку не потрібно ліцензії до 100мВт. Цієї потужності хватає десь на 1-3км. польоту на відкритій місцевості. Можна звичайно використовувати і передавачі з більшою потужністю, але тоді вся відповідальність лягає на ваші плечі, якщо до вас завітає Укрчастотнагляд. Також є системи із нижчими частотами, там радіус дії може бути більшим, але й зростає потужність самого передавача.

Якість збірки і ціна деталей, які затратили на збірку – це напевне саме суперечливе питання, скільки тратити грошей на апаратуру. Як показує досвід, чим дорожча, тим краща. Надійність тут теж багато вирішує. Не можна допустити, щоб пульт керування відмовив під час польоту, навіть на секунду. Про це потім можна пожаліти, якщо модель впаде десь по серед поля, або вріжеться на повній швидкості в людину…

Для себе я купив і для початківців рекомендую апаратуру Turnigi 9X. Це бюджетний, але дуже вдалий варіант, із можливістю подальшого апгрейду, як апаратної частини, так і заміни прошивки із заводської на якусь альтернативну. Вона укомплектована всім необхідним для швидкого старту. Ну хіба що там немає батарейок.

  • Купити можна на hobbyking.com
  • Альтернативні прошивки er9x, більш продвинута open-tx

Turnigy 9X

Вибираємо схематику мультиротора:

Multirotors-Layouts

Як видно із цього малюнка, вибрати можна досить багато варіантів, при тому що тут показані ще не всі схеми побудови.
Кожна із цих форм несе за собою певний функціонал моделі і стиль її поведінки в повітрі. Щоб правильно вибрати форму, потрібно знати для яких цілей ви будуєте свій апарат. На скору руку я накидав декілька типів призначень мультироторного літального апарату:

  • Акро – акробатичні трюки і викрутаси в повітрі
  • FPV – First Person View (Польоти від першої особи по камері)
  • Аеро фото-відео зйомка важкою дзеркальною камерою

Ці три призначення і будуть визначати кінцеву форму нашого мультироторного літального апарату

Функціональна діаграма:

 

Схематична діаграма мультироторного апарату

Візьмемо за основу схему “Квадрокоптер” – мультироторний літальний апарату із чотирма двигунами.  На діаграмі ми бачимо:

  • Плата управління
  • ESC – контролери
  • Мотори+Гвинти
  • Батарея
  • Радіо-приймач

Плата управління.

Виконує роль польотного контролера. Містить на собі сукупність різних електронних датчиків і сенсорів, які допомагають їй орієнтуватись в просторі, тримати горизонт, визначати висоту, кутове прискорення і навіть магнітне поле землі. Всі ці данні збираються, обробляються центральним процесором і за допомогою математичних алгоритмів обчислюється індивідуальна швидкість обертів кожного двигуна мультироторного апарату, а в нашому випадку квадрокоптера.

Принцип управління мультиротором лежить в основі “Теорії Автоматичного Управління” (ТАУ). За моїми даними, літаючу систему на основі ТАУ, було сконструйовано в Німеччині десь в середині двотисячних років. Систему довго вдосконалювали, але все ж вона залишалась не стабільною, складною в повторенні і дорогою. Доки на це не звернули увагу авіамоделісти, ентузіасти  які побачили в цьому перспективне майбутнє. Виникло відразу декілька Open Sourse проектів, які підтримуються ентузіастами досі.

Плати управління, на сленговій мові “Мозги”- стали масово і в великих кількостях виробляти в Китаї. Сама проста плата управління може досягати вартості в декілька доларів, а продвинуті системи із багатим функціоналом можуть коштувати декілька тисяч доларів.

плати управління мультироторними системами

На фото представлені тільки декілька варіантів “Мозгів”, які не за дорого можна купити в любому інтернет-магазині.  Ці плати заточені під свій Open Sourse проект, в якого є плюси і мінуси, але в кожного із них є по декілька тисяч фанатів-ентузіастів, які ними користуються і підтримують.

Ось декілька із них:

Ці три проекти найбільш відомі і мають саму більшу кількість користувачів. Звісно є ще проекти, про які я навіть і не чув.
Можу добавити тільки одне і саме головне: “Чим дешевше коштує плата, тим більше треба мати досвіду пілотування”. В дешевих “Мозгах” стоять дешеві сенсори, а так необхідні новачку і взагалі відсутні, так що рекомендую не економте на платі управління.
Для себе я взяв Crius AIO Pro Board, можна сміло сказати ціна\якість! Підтримує проекти MultiWii і MegaPirateNG. Особисто я літаю на MultiWii.

ESC – контролери.

ESC (electronic speed control) – це контролери безколекторного двигуна, який перетворює вхідний Постійний струм від батареї, на Змінний струм із зсувом фаз, який втікає на обмотки двигуна із збереженням синхронізації. Тобто на виході ми маємо трифазний змінний струм. Щоб заставити двигун крутитись в одну, або іншу сторону варто просто перекинути два дроти, на виході, місцями.

Основне що ми маємо знати:

  • Сила струму і напруга на яку розрахований ESC-контролер
  • Наявність вбудованого  BEC – модуля (Battery Eliminator Circuit)

Як визначити на яку силу струму нам потрібен контролер, а дуже просто, цю інформацію потрібно шукати в документації до безколекторного двигуна. Там написано який максимальний струм споживає двигун. Від цього ми будемо відштовхуватись в підборі ESC-контролерів.

Наприклад, ми знаємо що в нашому квадрокоптері використовуються безколекторні двигуни із максимальною потужністю 210 Ватт, рекомендована батарея 3S 11.1 Вольт. Далі проста математика 210 Ватт / 11,1 Вольт =18,92 Ампер – споживає наш двигун на максимальній тязі. Але не спішіть робити висновки, є ще таке поняття як Пікове навантаження, при якому двигун на короткий час споживає в декілька разів більший струм, чим його заявлена максимальна потужність! Тому ESC-контролер нам потрібен буде підбирати із запасом в півтора-два рази потужнішим, ніж максимальний струм споживання двигуна.

Ще одна немаловажна річ, шукати потрібно контролери які заточені під мультироторні системи. Контролери які, наприклад були створені для моделей літаків, нам не підійдуть. Поясню чому, все діло в їхній прошивці, в ній стоять багато обмежень і фільтрів, які роблять сам контролер повільним в обробці сигналу від плати управління. Що в свою чергу буде створювати непотрібні нам “осциляції” і в результаті падіння апарата.
Рекомендую шукати контролери в цьому списку,  або цьому якщо вдасться купити контролери вже прошитими цією прошивкою це супер, якщо ні, після покупки перешити. Інструкці 1, інструкція 2 по перешивці різних контролерів. Ця інформація має зекономити чимало часу при налаштуванні апарату.

Наявність вбудованого  BEC-модуля – це модуль в ESC-контролері, який видає по кабелю керування струм для живлення плати “Мозгів”, або ще чогось. В кабелі керування переважно три дроти Білий – Лінія сигналу, Червоний – +5В, Чорний – Земля. 

Що стосовно розведення силових ліній від батареї до контролерів двигунів, тут рекомендують силові кабелі, які входять в контролер, робити якнайкоротшими, а ось вихідні кабелі можуть мати довжину набагато довшу. Це пов’язано із створенням вхідних силових ліній чималого магнітного поля, яке буде згубно впливати на електроніку і сенсори плати управління “Мозгів”.

Мотори

В авіамоделізмі зараз і починаючи з двотисячних років широко використовуються безколекторні три-фазні двигуни. Ставлять їх не тільки на авіамоделі, а і на решту різних модельних забавок. Рік за роком ці двигуни ставали все досконаліші і почали витісняти собою добре зарекомендовані бензинові і ефірні двигуни.

Китай зараз є майже основним постачальником таких двигунів для модельного ринку. Виготовляється ціла купа двигунів різного призначення і розмірів. Але є і свої мінуси, які допускають самі ж виробники даних моторів. Балансування і дешеві підшипники, які згодом тріскають і мотор стає несправним. Практично неможливо підібрати чотири однакових мотори, щоб в них не було якогось дефекту. Що стосується балансування, яке значно продовжує строк служби мотору, то цим ентузіасти займаються самим першим ділом після покупки. Ось коротеньке відео стосовно цього:

Параметри двигунів:
Отже що можна прочитати на двигунах

MT2830-1000KV

Головну роль відіграють цифри:
2830 – 28-довжина, 30 – діаметр

1000KV – обороти на вольт, тобто на один вольт припадає 1000 оборотів в хвилину.

 

 

 

 

Гвинти

Бувають карбонові, або вугле-пластикові, нейлонові, пластмасові, це декілька видів які нам підходять. По спадній від самих дорогих, до самих дешевих. Від вибору гвинтів буде залежати стабільність вашого літального апарату, його маневреність і надійність. Так само як і двигуни, гвинти виготовляють здебільшого в Китаї, тому однакові гвинти знайти теж рідкість. Як правило, їх також потрібно балансувати. Дуже рідко буває коли обидві половинки лопастей гвинта мають однакову вагу. Дуже важливо, щоб гвинт був збалансований! Це навіть важливіше ніж балансування двигуна. Такий дефект може спричинити чималі проблеми при налаштуванні апарату, якщо він взагалі полетить. А в подальшому і вихід з ладу двигуна. Для визначення дефективної сторони гвинта використовують нехитрий пристрій “Балансир”, я вже про нього писав у своєму блозі.
Відео процесу:

Параметри гвинтів:

Основним параметром є його діаметр і крок, збільшення цих параметрів приведе до більшого споживання енергії моторами. Крок – визначає дистанцію, яка долається за час одного обороту гвинта.  Більший крок гвинта припускає меншу швидкість його обертання, але збільшує швидкість літального апарату що, на жаль, підвищує витрати енергії. Менший крок гвинтів призведе до створення більшого крутного моменту і зниження споживаної двигунами потужності. 

Якщо ви плануєте використовувати ваш апарат для аеробатики (Акро), необхідно пропелери з великим крутним моментом. Вони забезпечать більшу швидкість і менше навантаження на джерело енергії. Крім того, пропелери з меншим кроком збільшують стабільність польоту.

Гвинт з великим кроком переміщує більший об’єм повітря, що може викликати турбулентність і привести до вібрації. Якщо це відбувається, просто виберіть гвинти з меншим кроком. Це позначається і маркується наступним чином:

“10×4.5″ Counter Rotating Propellers Green (CW+CCW)”

“10х4,5” 10 – довжина однієї лопасті в сантиметрах відносно центру, 4,5 – це крок із яким лопасть повернена відносно потоку повітря.
“CW+CCW” CW – Clockwise (за годинниковою стрілкою), CCW – Counter Clockwise(проти годинникової стрілки)

Наприклад для квадрокоптера потрібно чотири несучі гвинти, два із напрямом  CW – Clockwise (за годинниковою стрілкою) і два CCW – Counter Clockwise(проти годинникової стрілки).

Мотори+Гвинти.

Підібрати правильно Гвинто-моторну пару не так вже й просто. Деякі ентузіасти-моделісти займаються цим питанням індивідуально, адже від підбору цієї пари буде залежати час польоту і маневреність апарату. В цьому питанні нам вирішили допомогти самі продавці комплектуючих. До кожного мотору, який ви вибираєте, потрібно шукати таблицю розрахунків потужностей споживання двигуна із певним гвинтом. Виглядає вона наступним чином:

Таблиця розрахована при максимальній швидкості обертів двигуна, тобто в таблиці розрахована максимальна тяга із певним пропеллером. Трохи поясню що тут розписано.
Бачимо що двигун працює від батареї 11,1Воль, при максимальній кількості обертів в хвилину (RPM) 11200, все це із гвинтом 9х5,0. Він споживає 105,5 Ватт, сила струму 9,5 Ампер, при цьому його максимальна тяга становить 680 грамів.
Маючи цю таблицю ми можемо порахувати “польотну вагу” нашого квадрокоптера. 
Далі знову проста математика 4*680= 2720 грамів може максимум бути “польотна вага” нашого апарату. Але при такому навантаженні, двигуни довго не протягнуть, перегріються і неодимові магніти в середині них втратять свої властивості. Тому цю вагу ділимо на два і отримуємо 1360 грамів. Решту тяги потрібно передбачити для набору висоти, підрулювань і маневрів. Детальніше про підбір пари можна почитати на форумі.

Віброізоляція, вібророзв’язка і демпферування

Це взагалі ціла тема, яка заслуговує окремої статті. Зараз про це багато писати не буду. Залишу лінк теми на форумі для самостійного вивчення.

Отже, вище я вже писав на рахунок балансування і вібрацій, частково зачепивши цю тему. Повторюсь, що в мультироторному літальному апараті всі рухомі частини мають бути збалансовані і на свому місці. Адже вібрація яка буде створюватись, зменшує термін служби вашого літального апарату.

Так само вібрація негативно впливає при налаштуванні літального контролера, заважаючи підібрати вірні значення при його настройці. Це потрібно врахувати і встановити плату керування на віброізоляційну поверхню, яка погасить частину вібрації.
Кріплення моторів до рами, тут теж можна придумати якусь хитрість із вібророзв’язкою, зменшивши вібрацію від кожного двигуна індивідуально.
Розкажу про невеликий хак щодо кріплення моторів. Вони прикручуються звичайними болтами, але як їх сильно не затягуючи, завжди є ймовірність що вони від відрацій розкрутяться. Це може призвести до падіння апарату. Щоб такого не ставалось, ентузіасти використовують спеціальну рідину (Locktide) , якою змазують кінець болта. Вона застигає і не дає йому відкручуватись. Такої я знайти не зміг, тому використовую звичайний лак для нігтів, обмазуючи акуратно ним навколо шляпки болта.
Батарея

В мультироторних літальних апаратах використовуються Літій-полімерні батареї  Lithium Polymer batteries (LiPO). Вони мають малу вагу і допустимі габарити, щоб не перенавантажувати літальний апарат. В свою чергу вони вимагають певного піклування і догляду за собою. Як не складно здогадатись люба батарея, це маленький хімічний завод, в нашому випадку, основним хімічним компонентом є Літій. Батарея перетворює, за допомогою хімічних процесів, які протікають в середині неї, хімічну енергію в електричну, яку ми і використовуємо як пальне для нашого літального апарату. Звісно з часом, батарея старіє і хімічні реакції в середині неї починають протікати повільніше, як наслідок батарея втрачає ємність, довше заряджається.
 Які ж параметри потрібно знати, щоб підібрати батарею для свого літального апарату. Тут напевне потрібно почати із самого маркування батарей.

Наша батарея складається із декількох сегментів, з’єднаних між собою послідовно, або паралельно. Ці сегменти на сленговій мові називають “Банка”.  Кожна така “банка” в літій-полімерній батареї, має напругу 3,7 Вольт і позначається як “1S”. Це означає “одна банка підключена послідовно”- звісно ви скажете що це за нісенітниці написані, нікуди вона не підключена. Насправді це частина маркування, для легшого розуміння типу батареї. Може бути “2S”, дві банки з’єднанні послідовно і їх напруга 7,4Вольт. Або таке “2S2P” – це означає дві банки послідовно і дві паралельно, їхня напруга так само становить 7,4 Вольт, але сила струму збільшена в два рази, ну і так ділі.

Не менш важливим параметром служить таке значення як “Ємність розряду” (Capacity). На батарейках воно позначається буквою “C“. Цей параметр визначає яку максимальну силу струму може віддати батарейка при постійному навантаженні, або при короткочасному піковому навантаженні. Для того, щоб взнати яку максимальну напругу може віддати батарея, цей параметр “C” потрібно помножити на кількість Ампер-годин які позначені на батарейці, на її фактичну ємність.

Приведу приклад:

LiPo 3S 2600 mAh 35C – це означає: 3S – батарея складається із трьох банок, її напруга становить 11,1 Вольт. Вона має ємність 2600 Ампер-годин і ємність розряду 35C. Отже 2600mAh * 35C = 91 000 mA, або 91 Ампер. Цей параметр буде основним в підборі батареї для літального апарату, в нашому випадку квадрокоптера.

А тепер ще раз заглянемо в табличку чуть вище, яку я приводив у розділі про підбір гвинто-моторної пари і вернемося до нашого прикладу із того ж розділу. Ми бачимо що струм споживання одного мотора становить 9,5 Ампер, множимо на чотири і маємо максимальну споживану напругу наших двигунів  38 Ампер.

Дуже важливо знати техніку безпеки із Літій-полімерними батареями:

  • Такі батареї не можна доводити до повного розряду! Повна розрядка приводить до неминучого пошкодження батареї і виходу її із ладу. Критична межа розрядки 2,7-2,9 Вольт на банку.
  • Їх не можна заряджати надміру! Це також приводить до виходу батареї із ладу, мало того до здуття і вибуху із утворенням великої кількості їдкого диму! Червона межа зарядки 4,2 Вольт на банку
  • Такі батарейки не мають захисту від перерозряду, або короткого замикання! Тому будьте обережні коли силові дроти батареї оголені і є небезпека короткого замикання.
  • Їх не можна деформувати, або протикати!
  • Заряджати тільки зарядним пристроєм призначеним для літієвих батарей.

Зарядні пристрої:

Підбір хорошого зарядного пристрою може зекономити вам чимало коштів і збільшити термін служби батарейки. На ринку зараз можна вибрати чимало різноманітних зарядок, але для наших цілей не всі вони підходять.
Потрібно шукати зарядні пристрої які заточені спеціально для модельних батарейок із великим набором налаштувань і контролем зарядки, розрядки, а також балансування батареї.
Особисто для себе я вибрав зарядний пристрій фірми Turnigi, такий як зображений на фото. Від підходить не тільки для літієвих батарей. Це зарядне є універсальне і підійде для батарейок будь-якого типу.

Програмні налаштування дозволяють заряджати, розряджати, переводити батарейку в режим збереження, а також найважливіший режим “балансування” – він дозволяє підзаряджати кожну банку батареї окремо, довівши всі банки до однієї напруги. Цей режим дозволяє використовувати батарейку максимально довго. Також він показує яка із банок батарейки постаріла, або пошкоджена.

Для балансування використовується спеціальний роз’єм на батарейці. Це зібраний в один різнокольоровий шлейф, який під’єднується в роз’єм балансування в зарядному пристрої.

Також в цей роз’єм можна під’єднати так звану “пищалку”, або сигналізацію. На літальному апараті, при розрядці батарейки до певного рівня, вона буде подавати голосне пищання. Його чути на декілька сотень метрів. Ця сигналізація рятує батарею від критичного перерозряду і виходу з ладу.

Рама

Тепер зосталось підібрати на що чіпляти всю електроніку із двигунами. Тут в нас є два варіанта можна купити, або зробити раму самому. На рахунок останнього варіанту варто добре підзамислитись, у виборі форми і довжини направляючих на котрих будуть триматись двигуни.

Для початківця рекомендую вибирати покупні рами. Їх легше збирати і вони вже конструктивно продумані.

 

В статті використовувалась інформація із таких джерел:

http://uav3-d.info

http://forum.rcdesign.ru

http://www.rctimer.com

http://www.ecalc.ch/

Comments:

Написати відповідь

<a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong> 

вимагається