Расчет тяги квадрокоптера. Пропеллеры для квадрокоптера — основные параметры и как подобрать

Базовые принципы полетов любой техники описывает аэродинамика и квадрокоптеры не являются исключением. Три оси вращения абсолютно однозначно задают ориентацию квадрокоптера в пространстве и направление его полета. Причем направление движения никак не зависит от расположения самого квадрокоптера в воздухе.

Любой летательный аппарат имеет курсовое смещение, что касается даже сверхзвуковых самолетов. А, как известно, настоящие вертолеты вообще без проблем могут летать боком.

Три перечисленных выше оси или угла принято правильно называть тангажом, креном и рысканьем. Разберем их более подробно.

Под тангажом понимают поворот аппарат вокруг продольной оси, рысканием – вокруг вертикальной оси, а креном – продольной оси.

Любой квадрокоптер, как и другой летательный аппарат совершает во время полета строго определенный список маневров. Это движение, тангаж/крен и рыскание – именно они и определяют параметры полета квадрокоптера.

Если брать в рассмотрение вертолет, то его главный винт имеет влияние на тангаж и крен, а хвостовой компенсирует вращающий момент и от того, с какой скоростью он вращается и в каком положении находится, зависит рыскание.

В случае квадрокоптера все обстоит иначе. Здесь имеются целых четыре винта, два из которых вращаются по часовой стрелке, а два других в противоположном направлении.

Для большинства квадрокоптеров устанавливают двигатели с неизменным шагом и управление ими заключается в повышении или понижении числа оборотов.

Соответственно если все из винтов квадрокоптера имеют одинаковую скорость вращения, то все параметры будут скомпенсированы. При увеличении скорости вращения одного из винтов квадрокоптера баланс нарушается. При этом, если скорость винта с обратным направлением вращения будет пропорционально уменьшена, то рыскание сохранение нулевого рыскания, но изменится тангаж или крен.

Если же увеличивать обороты одновременно на обоих винтах, которые вращаются в одном направлении и уменьшить на других, ту угол рыскания будет изменен.

Управление двигателями квадрокоптера, а, следовательно, и скоростью вращения его винтов, осуществляется с пульта дистанционного управления, сигнал с которых поступает на бортовой компьютер квадрокоптера и к ним добавляются необходимые коррекции от гироскопа, акселерометра и так далее.

При проектировании и создании квадрокоптера следует выполнить все необходимые расчеты с целью нахождения оптимального баланса между массой аппарата, мощностью установленных на него двигателей и целого ряда других факторов.

В квадрокоптере каждый их параметров и характеристик тесно связан друг с другом. Так, например, если вы захотите увеличить полетное время, то нужно будет установить аккумулятор большей емкости, а, следовательно, станет больше и масса, что повлечет увеличение расхода энергии.

Расчет квадрокоптера требует хорошей инженерной подготовки. Если вы хорошо знаете и понимаете каждый из параметров квадрокоптера, то можете попробовать выполнить расчет на онлайн калькуляторе, на сайте ecalc.ch .

Также можно скачать уже готовые расчеты из сети Интернет, и уже базируясь на их данных создать макет собственного квадрокоптера.

Грузоподъемность квадрокоптера – одна из самых востребованных характеристик наряду со временем полета. Действительно, если представить, что мог бы поднимать достаточно большой вес и лететь при этом долго и далеко, то цены бы этому чуду техники не было. Прежде всего, это открыло бы путь к полноценной доставке товаров, а также помощи в экстренных ситуациях и . На сегодняшний день в мире разные компании делают первые робкие попытки внедрить квадрокоптеры в различные сферы жизни людей, связанные с подъёмом грузов. Иногда такие инициативы проходят. Так, например, на пляжах Франции уже дежурит несколько квадрокоптеров, способных в кратчайший срок доставить утопающему специальный надувной буй. Или, к примеру, такие знаменитые компании, как интернет-магазин Amazon и служба доставки DHL вовсю разрабатывают и тестируют доставку грузов с помощью дронов.

Конечно, развитие дроностроения шагает семимильными шагами, но на данный момент действительно грузоподъёмный квадрокоптер - это в основном привелегия тех, кто может позволить себе потратить довольно внушительную сумму. Причём с запросом на квадрокоптер, способный поднять 10 и более кг., заказчика скорее всего отправят искать энтузиастов, собирающих дроны вручную под конкретный запрос и конкретные характеристики.

Нам часто задают вопрос, сколько может поднять квадрокоптер? Отвечаем: в среднем до 5 кг, хотя все, конечно же, зависит от модели. Причем стоит учитывать, что указанный вес в основном предназначен для крепления съемочного оборудования – стабилизирующего подвеса и камеры.

Нельзя забывать и о том, что если вы приобретаете не специальный квадрокоптер для перевозки грузов, а обычный, стандартный дрон, пусть даже достаточно большого размера – использовать его в качестве полноценного летательного грузового средства без доработок не получится:

Во-первых, придется продумывать самодельное крепление.
Во-вторых, коптер может просто не поднять такой груз в воздух.
В-третьих, даже если он поднимет, время разряда аккумулятора значительно увеличится, а управляемость снизится из-за неправильной нагрузки и несбалансированной винто-моторной группы.

Да, настоящий грузоподъемный квадрокоптер - Конечно, если только вы не хотите отправить, например, пирожок из одной комнаты в другую – тогда проблем нет:)

Квадрокоптер, грузоподъемность которого позволит поднимать до 10 кг – в настоящее время возможен, но это скорее будет индивидуальная разработка под конкретные параметры. Если квадрокоптер требуется для с/х нужд, то можно обратить внимание на . По заявлению производителя, он способен поднимать до 10 л жидкости и имеет специальное опрыскивательное устройство для орошения полей. Это готовое решение, но с узкой направленностью. Хотя, конечно, можно предположить, что на этом DJI не остановятся и вскоре представят универсальный квадрокоптер большой грузоподъемности, готовый и не требующий никаких дополнительных приспособлений.

Больше повезло тем, кто профессионально занимается кино- и фотосъёмкой: для таких запросов те же DJI постоянно совершенствуют специальные съёмочные квадрокоптеры, способные нести на борту профессиональные кинокамеры. Речь идёт, в частности, о квадрокоптере DJI Inspire 2. Он выпускается даже в нескольких комплектациях. Например, или (без камеры). Этот внушительный по своим габаритам дрон умеет не только таскать тяжеленные камеры (чуть больше 500 гр), но даже обогревать свои аккумуляторы для работы в минусовую температуру!

Для тех, у кого нет ни с/х, ни операторского интереса для подъёма достаточного веса квадрокоптером, советуем рассмотреть различные варианты так называемых полётных платформ. Для подъёма тяжёлого съёмочного оборудования они также могут подойти, но вся их прелесть состоит в том, что упрощённая конструкция позволит крепить различные грузы, не только камеры. Самый выдающийся на данный момент вариант такой платформы - это . Мало того, что эта модель имеет отличный показатель по времени и дальности полёта (до 40 минут и до 5 км. без загрузки), она способна к тому же поднимать до 6 кг. дополнительного веса!

Более скромная по грузоподъёмности, но и более приятная по цене платформа - это : способна поднимать чуть больше килограмма. Время полёта у неё тоже достаточно внушительное - до 40 минут без нагрузки. А вот дальность полёта будект поскромнее - до 2 километров. Но всё-таки как вариант эта модель тоже хороша, ведь мало какой квадрокоптер "из коробки" способен взять даже такой, казалось бы, небольшой вес.

Неплохим вариантом для подъёма небольших грузов (до 1,5 кг.) может стать рама . Правда, дальность и время полёта у неё уже ощутимо меньше, чем у предыдущего варианта, но и цена значитально выгоднее. К тому же, для многих убирающиеся шасси могут стать дополнительной приятной "фишкой".

На этом список мало-мальски грузоподъёмных квадрокоптеров, доступных для широких масс, пока заканчивается. Можно немного продолжить его моделями, справляющимися с дополнительными грузами около 200-300 гр. - ; до 100-150 гр. - , ; но при этом нельзя забывать, что чем меньше и легче дрон, тем сложнее ему справиться с максимальным дополнительным весом. Конечно, даже среднего размера квадрокоптеры с мощными смогут поднять в воздух грузы в 500-1000 гр., но с практической точки зрения это бесполезно, т.к. дрон становится сложноуправляемым, а продержаться в полёте с такой нагрузкой он сможет от силы 2-3 минуты.

Первые шаги в использовании радиоуправляемых дронов уже сделаны, правда, не все они были, к сожалению, удачными. Так, всем известна нашумевшая история о пиццерии из Сыктывкара, где была предпринята попытка доставки пиццы по воздуху. Напомним, что предприниматель был оштрафован на 50 000 рублей за «грузоперевозку без лицензии». Также в интернете есть ролик о SkyCafe, в котором еда буквально прилетает к вам на стол. Другой пример: известная медицинская организация Инвитро также опробовала грузоподъемный квадрокоптер и организовала доставку биоматериалов в Кабардино-Балкарии.

Однако похоже на то, что пока что это в основном частные случаи, потому как явного прорыва в такой характеристике как грузоподъемность коптера пока нет. Связано это с отсутствием на сегодняшний день мощных аккумуляторов, которые бы при небольшом собственном весе и объеме могли выдавать достаточное количество энергии для работы пропеллеров и тяжелой нагрузки. Так что квадрокоптер грузоподъемность 5 кг – реально, а вот квадрокоптер грузоподъемность 100 кг – пока только проект:) Тем не менее время доставки товаров коптерами - всё ближе и ближе.

Полезные советы по выбору винтомоторной группы.

Вы даже не представляете, (если не посещали авиамодельный кружок), сколько математических и аэродинамических расчетов необходимо провести конструкторам при проектировании винтомоторного группы летательного аппарата.

В то же время, вы уже знакомы на практике , с трудностью подбора правильной комбинации «мотор — несущий винт» для получения наилучших летных характеристик .

К моему и вашему счастью, знание это, к государственным секретам вовсе не относится (по крайней мере при строительстве МАЛЕНЬКИХ квадрокоптеров ), и многие энтузиасты дуют щеки распространяют свой опыт через Интернет и печатные издания.

В качестве раздела пособия по созданию собственного квадрокоптера ( , и , и даже тут и тут , автор решил поделится с новичками информацией о том, как выбрать товар в магазине элементы винтомоторной группы для квадрокоптера. Впрочем, по его уверениям, данный скилл также будет полезен создателям подобных типов летательных аппаратов с иным числом несущих винтов.

Выбор двигателя

При выборе двигателя, всегда полезно в первую очередь изучить его характеристики , которые написаны на этикете предоставляются продавцом и производителем. Автор рекомендует перед покупкой обязательно изучать все характеристики понравившегося вам товара. В качестве примера, он приводит ссылку на сайт Hobbyking.com, а точнее, на предлагаемый на нем для продажи бесщеточный двигатель для моделей.

Давайте рассмотрим приведенные характеристики:

Вес – 10 граммов

Максимальный ток потребления – 5.5 Ампер

Сопротивление – 0 mH

Максимальное напряжение – 7 Вольт

Мощность (в Ваттах) – 210 Ватт (Это не ошибка! Указано на сайте продавца!)

Диаметр вала – 2 мм

Длина – 22 мм

Диаметр – 18

Общая длина – 30 мм

Спецификация изделия:

Вес: 10 граммов (c учетом крепления и проводов)

Потребление без нагрузки: 0.4 Ампера

Тяга: 130 Грамм при 5000 об./мин

Скорость вращения без нагрузки: 15000 об./мин. при 7.4 Вольт

Пиковое потребление: 5.5 Ампер

Диаметр вала: 2 мм

Диаметр двигателя: 18 мм

Длина: 30 мм (с учетом длины вала и размеров крепления)

При выборе двигателя, вы в первую очередь должны определится с полетным весом вашего квадрокоптера, а также тягой , необходимой ему для отрыва от земли.

Главное условие – тяга должна быть вдвое большей, чем максимальные полетный вес конструкции.

Недостаточная тяга двигателей приведет к плохой управляемости либо памятнику квадрокоптеру неспособности аппарата взлететь. В то же время, слишком большая тяга приведет к излишне резкой реакции квадрокоптера на приборы управления и летной нестабильности.

Необходимую тягу можно прикинуть по следующей формуле: Необходимая тяга = (Полная масса конструкции* 2)/4.

Приведем пример. Если ваш квадрокоптер имеет полетную массу (или взлетную – при использовании ДВС или постройке бомбардировщика) около 1 килограмма, то произведя калькуляции по приведенному выше соотношению, мы получим необходимую тягу в 2 килограмма. Это значит, что каждый двигатель должен иметь тягу около 500 граммов. Конечно, при расчете должен учитываться полный вес конструкции , в частности, массы двигателей и пропеллеров. Если же вы мечтаете о аэрофотосъемке или видеосъемке, не забудьте прибавить массу камеры и ее источников питания.

Несмотря на то, что выбор полетного веса зависит от вас, лучше все же сделать его минимальным. Максимальное снижение полетного веса является одним из важнейших принципов авиастроение , так как любая дополнительная масса снижает маневренность, полетное время и полезную нагрузку.

Особенности выбора несущих винтов

Как вы помните, квадрокоптер держится в воздухе при помощи двух пар несущих винтов, которые вращаются в противоположных направлениях. Основными характеристиками несущих винтов являются шаг и диаметр, увеличение которых приводит к повышенному потреблению энергии двигателями квадрокоптера.

Кроме того, шаг определяет дистанцию , которая преодолевается за время одного оборота винта . Кратко говоря, больший шаг винта предполагает меньшую скорость его вращения, но увеличивает скорость летательного аппарата что, увы, повышает расход энергии.

Соотношение диаметра и шага винта должно быть сбалансированным. Меньший шаг винтов приведет к созданию большего крутящего момента и снижению потребляемой двигателями мощности. Если вы планируете использовать ваш квадрокоптер для аэробатики , вам просто необходимы пропеллеры с большим крутящим моментом. Они которые обеспечат большую скорость и меньшую нагрузку на источник энергии. Кроме того, пропеллеры с меньшим шагом увеличивают стабильность полета.

Пропеллер с большим шагом перемещает больший объем воздуха , что может вызвать турбулентность и привести к вибрации . Если это происходит, просто выберите несущие винты с меньшим шагом.

Что касается диаметра несущего винта, то его эффективность напрямую связана с площадью контакта с воздухом. Таким образом, даже небольшое увеличение диаметра пропеллера приводит к увеличению его эффективности. В качестве примера можно привести большую скорость плаванья пловцов с крупными кистями и ступнями, которые, однако, затрачивают при этом больше сил.

Вращение пропеллера с меньшим диаметром легче ускорить или остановить (сказывается инерция ). Пропеллер с меньшим диаметром также предполагает меньшее потребление энергии двигателями. Именно из-за этого, при построении шести- или восьмикоптеров в основном используются несущие винты с пропеллерами, меньшими по диаметру чем в квадрокоптерах сравнимых размеров.

Для крупных квадрокоптеров с большой грузоподъемностью рекомендовано использовать большие по диаметру несущие винты и двигателя с повышенным крутящим моментом для улучшения стабильности полета.

Мотор и пропеллер: муки выбора

Наблюдения и исследования. Займитесь просмотром роликов на YouTube . В результате, вы не только истечете слюной по чужим квадрокоптерам ознакомитесь с конструкциями, но и подсмотрите, какие моторы и несущие винты используют ваши коллеги по хобби . Важно использовать в своей работе чужой опыт , поскольку за него уже заплачено посторонними.
Вникание в физику процесса и эксперименты . Если вы задрот имеете математический склад ума и лишние деньги, не смогли найти информации о винтомоторного группе, действительно необходимой в вашей работе, вы можете открыть исследовательскую программу с разными комбинациями мотор-пропеллер. Однако помните, что исследования окупаются не сразу, так что будьте готовы к трате времени и денежным вливаниям.

В конце — концов, созданы и выложены в Интернет

Несмотря на то что квадрокоптеры крайне модная тема, выбирать компоненты для сборки своего аппарата по-прежнему не так просто. Выбор деталей для конкретного проекта - это мучительный поиск оптимального сочетания веса, мощности и функ-циональности. Поэтому прежде, чем окунуться в мир бесчисленных интернет-магазинов и безымянных китайских производителей, давай проделаем подготовительную работу.

Что такое квадрокоптер и для чего это надо

Мультироторы, они же мультикоптеры или просто коптеры, - это беспилотные летательные аппараты, предназначенные для развлечения, съемки фото и видео с воздуха или отработки автоматизированных систем.

Коптеры обычно различают по числу используемых моторов - начиная от бикоптера с двумя моторами (как GunShip из фильма «Аватар») и заканчивая октакоптером с восемью. На самом деле число моторов ограничено только твоей фантазией, бюджетом и возможностями полетного контроллера. Классическим вариантом является квадрокоптер с четырьмя моторами, расположенными на перекрещивающихся лучах. Такую конфигурацию еще в 1920 году попытался соорудить француз Этьен Омишен (Étienne Oehmichen), и в 1922 году у него это даже получилось. По сути, это самый простой и дешевый вариант сделать летательный аппарат, способный без особых проблем поднимать в воздух небольшие камеры вроде GoPro. Но если ты собираешься взлетать с серьезной фото- и видеотехникой, то стоит выбирать коптер с большим числом моторов - это не только увеличит грузоподъемность, но и добавит надежности, если в полете выйдет из строя один или несколько моторов.

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». Даже самолеты в полете имеют какую-то составляющую «сноса», которая уводит их от курсового направления. А вертолеты вообще могут летать боком.

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.

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 они все будут вращаться с одинаковой скоростью, то они скомпенсируют друг друга: рыскание, крен и тангаж будут нулевыми.

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 компьютер с полноценной UNIX-системой

Рама

Основной момент, который нужно решить при выборе рамы, - будешь ли ты использовать готовую раму или же делать ее сам. С готовой рамой все проще, да и заказывать в любом случае придется множество деталей. При этом, учитывая цены в китайских магазинах, самодельный вариант может оказаться дороже. С другой стороны, собственную раму в случае аварии будет проще починить. Ну и, естественно, своими руками можно сделать любую, даже самую сумасшедшую конструкцию. Рассмотрим поподробнее самосборный вариант.

Сделать раму можно из любых подручных материалов (дерево, алюминий, пластик и так далее). Можно подойти чуть серьезнее и выпилить ее на ЧПУ-станке из плетеного карбона, причем можно усложнить задачу и сделать складную конструкцию.

Самый простой вариант для любителей DIY - пойти в OBI, «Леруа Мерлен» или на строительный рынок и купить квадратную алюминиевую трубу 12 × 12, а также алюминиевый лист толщиной в 1,5 мм. Для того чтобы сделать раму из таких материалов типа «четыре палки и крепеж», достаточно дрели или ножовки по металлу. Но нужно быть готовым к тому, что такая конструкция прослужит недолго. Все-таки все эти профили делают из очень мягкого материала (АД31/АД33), при полетах он будет легко гнуться.

Oehmichen № 2, пилотируемый квадрокоптер французского инженере Этьена Омишена, запущенный в 1922 году

В качестве образца для твоей рамы можно взять упрощенную заводскую раму или же найти в интернете готовый чертеж. Более сложные материалы (например, углепластик) можно заменить на алюминий - если и получится тяжелее, то ненамного. В любом случае стоит обращать внимание на длину и симметричность лучей. Длина лучей выбирается исходя из диаметра используемых пропеллеров, так, чтобы после их установки расстояние между окружностями вращающихся винтов было не менее 1–2 см, и уж тем более эти окружности не должны пересекаться. Моторы, устанавливаемые на лучах, должны быть равноудалены от центра рамы, где будет располагаться «мозг», и (в большинстве случаев) находиться на одном расстоянии друг от друга, образуя равносторонний многоугольник.

При проектировании стоит учесть, что центр рамы должен совпадать с центром тяжести, поэтому установить аккумулятор сзади между лучами - плохая идея, если он не будет скомпенсирован грузом спереди, например камерой. Продумай, на что будет приземляться твой аппарат, для новичков можно посоветовать приспособить что-то мягкое на «пузе» или концах лучей, например плотный поролон или теннисные мячики. А также защити аккумулятор на случай неудачного приземления, например установи его между пластинами рамы или расположи под высокими посадочными лыжами.

info

Полет от первого лица (FPV) очень захватывает, особенно если пользоваться видео-очками и HeadTracker’ом, который будет повторять движения головы на подвесе FPV-камеры, создавая ощущение, что находишься в кабине пилота.

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

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. Существуют и пропеллеры с изменяемым шагом, что в теории повысит маневренность, но в реальности добавит сложную механику, имеющую свойство изнашиваться и ломаться с последующим дорогостоящим ремонтом.

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.

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.

info

Более прочный материал - дюраль (Д16Т). Практически не гнется, достаточно пружинистый, и его применяют в авиации. Профили из него в ОБИ не продаются, но можно поймать на Митинском рынке на третьем этаже, на рынке ТВЦ «Строй» тоже были.

Питание и контроллеры питания

Капитан подсказывает: чем больше мощность мотора, тем больше батарейка ему нужна. Большая батарейка - это не только емкость (читай, время полета), но и максимальный ток, которая она отдает. Но чем больше батарейка, тем больше и ее вес, что вынуждает скорректировать наши прикидки относительно винтов и моторов. На сегодняшний день все используют литий-полимерные батарейки (LiPo). Они легкие, емкие, с высоким током разрядки. Единственный минус - при отрицательных температурах работают плохо, но если их держать в кармане и подключать непосредственно перед полетом, то во время разряда они сами слегка разогреваются и не успевают замерзнуть. LiPo-элементы вырабатывают напряжение 3,7 В.

При выборе батареи стоит обращать внимание на три ее параметра: емкость, измеряемую в миллиампер-часах, максимальный ток разряда в емкостях аккумулятора (С) и число ячеек (S). Первые два параметра связаны между собой, и при их перемножении ты узнаешь, сколько тока сможет отдавать этот аккумулятор продолжительное время. Например, твои моторы потребляют 10 А каждый и их четыре штуки, а батарея имеет параметры 2200 мА · ч 30/40C, таким образом, коптеру требуется 4 10 A = 40 A, а батарея может выдавать 2,2 A 30 = 66 A или 2,2 А 40 = 88 А в течение 5–10 секунд, что явно будет достаточно для питания аппарата. Также эти коэффициенты напрямую влияют на вес аккумулятора. Внимание! Если тока будет не хватать, то в лучшем случае батарея надуется и выйдет из строя, а в худшем загорится или взорвется; это же может произойти при коротком замыкании, повреждении или неправильных условиях хранения и зарядки, поэтому используй специализированные зарядные устройства, аккумуляторы храни в специальных негорючих пакетах и летай с «пищалкой», которая предупредит о разрядке. Число ячеек (S) указывает на количество LiPo-элементов в батарее, каждый элемент выдает 3,7 В, и, например, 3S-аккумулятор будет отдавать примерно 11,1 В. Стоит обращать внимание на этот параметр, так как от него зависят скорость оборотов моторов и тип используемых регуляторов.

Элементы батареи объединяют последовательно или параллельно. При последовательном включении увеличивается напряжение, при параллельном - емкость. Схему подключения элементов в батарее можно понять по ее маркировке. Например, 3S1P (или просто 3S) - это три последовательно подключенных элемента. Напряжение такой батареи будет 11,1 В. 4S2P - это восемь элементов, две группы, подключенных параллельно по четыре последовательных элемента.

Однако моторы подключаются к батарее не напрямую, а через так называемые регуляторы скорости. Регуляторы скорости (они же «регули» или ESC) управляют скоростью вращения моторов, заставляя твой коптер балансировать на месте или лететь в нужном направлении. Большинство регуляторов имеют встроенный стабилизатор тока на 5 В, от которого можно питать электронику (в частности, «мозг»), можно использовать отдельный стабилизатор тока (UBEC). Выбираются контроллеры скорости исходя из потребления мотором тока, а также возможности перепрошивки. Обычные регули довольно медлительны в плане отклика на поступающий сигнал и имеют множество лишних настроек для коптеростроительства, поэтому их перепрошивают кастомными прошивками SimonK или BLHeli. Китайцы и тут подсуетились, и часто можно встретить регуляторы скорости с уже обновленной прошивкой. Не забывай, что такие регули не следят за состоянием аккумулятора и могут разрядить его ниже 3,0 В на банку, что приведет к его порче. Но в то же время на обычных ESC стоит переключить тип используемого аккумулятора с LiPo на NiMH или отключить уменьшение оборотов при разрядке источника питания (согласно инструкции), чтобы под конец полета внезапно не отключился мотор и твой беспилотник не упал.

Моторы подключаются к регулятору скорости тремя проводами, последовательность не имеет значения, но если поменять любые два из трех проводов местами, то мотор будет вращаться в обратном направлении, что очень важно для коптеров.

Два силовых провода, идущих от регулятора, надо подключить к батарейке. НЕ ПЕРЕПУТАЙ ПОЛЯРНОСТЬ! Вообще, для удобства регуляторы подключают не к самой батарейке, а к так называемому Power Distribution Module - модулю распределения энергии. Это, в общем-то, просто плата, на которой припаяны силовые провода регуляторов, распаяны разветвления для них и припаян силовой кабель, идущий к батарее. Конечно, батарею не надо припаивать, а надо соединить через разъем. Ты же не хочешь перепаивать батарею каждый раз, как она сядет.

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

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. Если при взлете твой коптер дергается из стороны в сторону, то это значение надо уменьшать, если же вяло реагирует на внешние воздействия, то наоборот - повышать, остальные нюансы ты сможешь найти в инструкциях и на сайтах разработчиков.

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.

Управление

Немного про радиоаппаратуру. Сейчас практически все передатчики для летающих моделей работают на частоте 2,4 ГГц. Они достаточно дальнобойные, и этот частотный диапазон не так зашумлен, как, например, 900 МГц. Для полета вообще-то достаточно четырех каналов: газ, рыскание, тангаж, крен. Ну а восьми каналов точно хватит и на что-нибудь еще.

info

Для полетов с камерой обзаведись подвесом, который будет удерживать камеру параллельно горизонту при маневрах, а также поможет управлять наклоном камеры. Большинство контроллеров имеют выходы для стабилизации подвесов с сервоприводом, а также выход для переключателя управления кнопкой спуска камеры.

Комплект обычно состоит из самого пульта и приемника. На приемнике находятся ручки управления и дополнительные кнопки. Обычно выбирают аппаратуру Mode2, когда левый стик управляет газом и поворотом, а правый - наклонами коптера. Все ручки, кроме газа, подпружинены и возвращаются в начальное положение при отпускании. Также стоит обращать внимание на количество каналов. Для беспилотника потребуется четыре канала управления и один канал для переключения режимов полета, кроме того, могут потребоваться дополнительные каналы для управления камерой, для настройки или для особых режимов полетного контроллера. При выборе пульта стоит также учитывать возможность смены радиомодуля, чтобы в будущем его можно было легко обновить.

При создании коптера одним из важнейших параметров является время автономного полёта. Если вы хотите, что бы ваш коптер летал как можно дольше, моторы и их несущие винты должны работать в оптимальном режиме с максимальным КПД. Для решения данной задачи нами был спроектирован специальный измерительный стенд, речь о котором и пойдет в данной статье.

Мы занимаемся созданием бесколлекторных моторов и недавно у нас был заказ на мотор для квадрокоптера с тягой не менее 2 Кг на каждый винт. До этого мы не делали моторы под воздушный винт и нам был необходим метод измерения и стенд для мотора с винтом.

Прежде чем начать выбирать оптимальный мотор и винт под него, сперва нужно разобраться какие потери возникают в моторах.

Основными источниками потерь в бесколлекторных моторах являются железо статора и его обмотка.

Потери на железе возникают из-за его перемагничивания. Данные потери условно можно считать пропорциональными оборотам мотора и они задают минимальную потребляемую энергию мотора. Так, например, если вы возьмете большой и мощный мотор для маленького коптера с маленьким винтом, то ничего хорошего у вас не получится. Мотор просто будет вращаться вхолостую с нулевым КПД и греть железо в статоре.

Потери в медной проволоке наоборот не зависят от оборотов, а зависят от тока/потребляемой мощности. Данные потери ограничивают максимальную мощность, которую способен выдать мотор не перегревшись.

Вторым важным элементом при выборе мотора является винт. Малые винты обладают более низкими показателями эффективности г/Вт(1 грамм подъёмной силы/1 Ватт потребляемой мощности), но маленькие винты более динамичны и позволяют быстро набрать скорость на гоночных коптерах. Для достижения максимального времени полёта винт должен соответствовать максимально эффективному режиму работы мотора.

Однако если мы захотим подобрать оптимальные комплектующие для своего коптера, то мы столкнемся с большой проблемой при их выборе. Производители дают минимальный набор характеристик для своего товара. По винтам вообще невозможно найти какой либо информации кроме их размера.

Функционал стенда

На данный момент несколько производителей уже представили на рынок свои стенды. Однако их возможности не сильно превосходит функционал кухонных весов. И данные стенды не способны дать всех характеристик при работе мотора.

Нам же от стенда были необходимы следующие параметры: потребляемая мощность, обороты мотора, тяга винта, момент создаваемый винтом, КПД мотора, эффективность мотора, винта.

Исходя из этих параметров мы спроектировали конструкцию стенда и снабдили его всеми необходимыми датчиками.

Для измерения силы тяги и момента были выбраны хорошо распространённые сейчас датчики с тензосопротивлением. Они обладают хорошей жесткостью и высокой точностью измерения и очень удачно подходят по своей конструкции.

Для измерения остальных параметров были выбраны стандартные для этого датчики: полупроводниковое термосопротивление для температуры, акселерометр для замера вибраций, датчик тока на эффекте холла для измерения тока и делитель для напряжения…

Сердцем нашего стенда является микроконтроллер ATMega328 на плате Arduino Nano. Он собирает показания с датчиков, обрабатывает их и выводит на экран. Данный микроконтроллер оптимально подходит для данной задачи. Он обладает минимальной ценой, не привередлив к питанию, стабилен и имеет достаточное количество интерфейсов для данной задачи.

В результате нашей работы был получен стенд со следующими параметрами:

Питание через BEC модулю контроллера 5-9В, либо через micro USB
Измерение тяги до 5Кг с точностью +-5г
Измерение момента до 3Кг/см с точностью +-5г/см
Измерение напряжения до 30В с точность +-0.2В
Измерение тока до 30А с точностью +-0.1А
Измерение КПД с точностью +-2.5%
Возможность измерения оборотов винта в диапазоне 1000-15000RPM
Возможность измерения относительных вибраций.(Можно использовать этот параметр для балансировки мотора с винтом путём уменьшения параметра вибраций)
Измерение температуры мотора (*на данный момент не полностью реализовано в стенде, нами использовался отдельно подключенный датчик)
Возможность управления педалью “газа” прямо с пульта

Тестирование

Мы испытали наш стенд на распространенном китайском моторе 2212 и на нашем моторе.

Пример испытания на видео

Китайский мотор во всём диапазоне не смог выдать КПД выше 50%, а его эффективность составила около 4-5г/Ватт. Наш же смог показать КПД выше 70%, при этом он работал на минимуме своей мощности(тест был в пике до 500Вт, теоретический максимум 1500Вт), т.к. размер тестируемого винта маловат для него и с большем винтом КПД только возрастёт. Эффективность же у нас получилась 9г/Ватт. Так что даже с учетом гораздо большего веса мотора, даже небольшой коптер с нашим мотором смог бы летать дольше.)

Экономный вариант

Стенд описанный в данной статье является достаточно сложным и предназначен для точной проработки силовых агрегатов дрона. Для случая, когда охото сэкономить и узнать просто тягу мотора, нами был сделан простой, дешевый адаптер способный выполнить данную функцию.

Данный адаптер крепится одним концом к мотору, вторым к бутылке с водой. Бутылка устанавливается на весы. Далее мотор запускается и тяга измеряется по показаниям весов.

Крепление на адаптере сделано универсальным и подходит практически под все распространенные моторы. На втором конце адаптера находится резьба для накручивания на 5ти литровую бутылку.

Статьи по теме