Дрон с нуля: Часть 3. Силовая установка.

Содержание

• Дрон с нуля: Часть 1. Терминология
• Дрон с нуля: Часть 2. Рамы
• Дрон с нуля: Часть 3. Силовая установка
• Дрон с нуля. Часть 4. Полётный контроллер
• Дрон с нуля. Часть 5. Сборка

Введение

В прошлой статье мы выбирали раму. Теперь когда выбор сделан и рама собрана, приступим к следующему этапу, выбору подходящей силовой установки.

Подавляющее большинство беспилотников – электрические, поэтому мы займемся создание именно электрической тяги с помощью бесколлекторных моторов постоянного тока. Такая силовая установка будет в себя включать: двигатели, винты, аккумулятор и ESC.

1. Двигатель

От того какие моторы вы будете использовать в своей сборке, будет зависеть макс. Нагрузка дрона и его время полета. Собирая силовую установку, учтите, что движки должны быть одного производителя и марки, для ровной и бесперебойной работы.

Brushed (щеточные) или Brushless (бесщёточные)

Brushed (щеточные) – коллекторные двигатели, с принципом работы: обмотанный ротор движется внутри внутри статора, где магниты жестко закреплены.

Brushless (бесщёточные) – тут принцип работы обратный Brushed, обмотка жестко закреплена внутри статора, а магниты вращаются и располагаются на валу.

Именно бесколлекторные моторы чаще всего используют в беспилотниках.

Движки типа «Панкейк» отличаются большим диаметром и плоской формой, высоким крутящим моментом и низким значением KV (детали ниже).

В беспилотниках маленького размера традиционно используют небольшие коллекторные моторы (низкая цена и простой двухпроводной коллектор). Но помните, что бесколекторные моторы могут совершенно разного размера и маленький не всегда означает дешевый.

Внутренний ротор vs Наружный ротор

Бывает несколько разновидностей бесколлекторных движков постоянного тока:

• Внутренний ротор. Характеризуются высоким KV. Обмотка находится на статоре, магниты на самом вращающемся валу.
• Наружный ротор. Магниты находятся на статоре, вращающемся вокруг зафиксированной обмотке. Магниты зафиксированы на статоре, который вращается вокруг неподвижной обмотки. Движки такого типа характеризуются большим крутящим моментом.
• Гибридный ротор – представляет собой микс, технические качества соответствуют Наружному ротору, а дизайн Внешнему ротору. Благодаря такому ходу, удалось совместить лучшие качества, крутящий момент и мешающие внешние элементы.

KV

Рейтинг KV – это максимально возможное кол-во оборотов двигателя, без потери мощности при заданном напряжении. Низкое значение KV обеспечивает стабильность. Высокое значение обеспечит вам возможность делать акробатические финты в полете.

Пример: KV двигателя 700 об/вольт, напряжение 11.1, ваш двигатель будет вращаться со скоростью:11.1 × 650 = 7770 об/мин, если напряжение будет ниже (допустим, 7.4В), то частота вращения: 7.4 × 700 = 5180 об/мин.

Тяга

Зачастую производители в спецификациях к движкам, пишу максимальное значение тяги, такого значения можно добиться, если поставить именно рекомендуемые ими несущие винты. Тяга измеряется в Кг (килограммах)/Фунтах/Ньютонах.

Пример: в конструированном вами квадрике, один движок равен 0,5 кг., несущий винт 11 дюймов. Соответственно на выходе с 4мя такими движками мы получим такое значение тяги 0.5кг × 4 = 2кг. Исходя из этих данных, при условиях что ваш квадрик весит меньше 2х килограмм, ваш квадрик совершит взлет на макс. тяге. Поэтому будет уместно использовать более мощный микс движок + несущие винты, чтобы добиться максимального значения тяги или для уменьшения веса беспилотника.

Исходя из этой информации, действует правило, чтобы получить максимальную тягу сил. Установки 2 кг, квадрик должен весит половину от этого значения (1 килограмм)

По такой формуле вы сможете просчитать любую конфигурацию. Допустим ваш гексакоптер (с рамой, движками, электроникой, и пр.) весит 2,6 кг. В таком расчёте, каждый движок должен обеспечить (2.6кг ÷ 6 моторов) × 2 = 0.86 кг тяги

Пользуясь этими не хитрыми расчетами, зная вес, вы сможете рассчитать оптимальную тягу движков.

Доп. информация

• Разъёмы: у коллекторных моторов 2 разъема «+Плюс» и «-Минус». При смене проводов в разъемах изменится направление вращения двигателей.
• Разъёмы: в бесколлекторных движках – 3 разъема. (руководство подключения вы найдете в 3м разделе данной статьи «ESC»)
• Обмотка: обмотка непоследственно влияет на KV движков. Если ваша задача добиться низкого значения KV, обратите свой взгляд на бесколлекторный двигатель типа «Панкейк»
• Установка: большинство изготовителей пользуются общей схемой установки бесколлекторных моторов, благодаря этому компании, которые выпускают рамы не нуждаются в дополнительных деталях таких, как «переходник»
• Резьба: резьба при креплении бесколлекторного мотора к раме может быть разной. Метрические размеры — М1/М2/ М3, имперские размеры 2-56/ 4-40.

2. Несущие винты

Несущие винты (пропеллеры, сокр. пропы) для многороторных БЛА берут своё начало от винтов радиоуправляемых вертолетов. Многие спросят: почему бы не использовать точно такие же для дронов? Во-первых, это уже было сделано, но представьте себе какими будут размеры гексакоптера с такими лопастями. Плюс система лопастей вертолета потребует изменить шаг лопастей, а это очень усложнит конструкцию.

Лопасти и диаметр

Традиционно винты мультироторных беспилотников с 2-3 лопастями. Но более популярны винты с 2 лопастями. Помните, большее кол-во лопастей не увеличит тягу. Каждая отдельная лопасть работает в потоке пред. лопасти из-за чего коэффициент полезного действия снижается. У несущего винта с меньшим диаметром, инерция меньше, это значит, что его легче ускорить и остановить, это будет актуальным при выполнении акробатических полетов.

Шаг. Эффективность. Тяга

От плотности воздуха/числа оборотов винта/шага/диаметра винта/площади лопастей зависит тяга. Угол атаки напрямую влияет на эффективность работы винта, его определяют по след. формуле: шаг лопости – угол спирали. Эффективность – это связь между выходной и входной мощностью.

Если винты хорошо спроектированы, ваш коэффициент полезного действия будет больше 80% Угол атаки зависит от относительной скорости, посему при разных скоростях двигателей, эффективность пропеллеров будет меняться.

Так же на эффективность влияют края лопастей и несущих винтов, они должны быть максимально гладкими.

Конечно конструкция с переменным шагом была бы идеальной, но это создает дополнительную сложность, поэтому они практически никогда не используются.

Вращение

Несущие винту вращаются как по часовой, так и против часовой стрелки. Сторону вращения определяет наклон лопасти.

Если правая сторона лопасти выше, вращение будет против часовой стрелки. Если левая выше, вращение будет по часовой стрелки.

В случае, если у вашего дрона движки располагаются в перевернутом виде, необходимо сменить направление несущих винтов, тяга будет направлена вниз.

«Лицо» винта всегда должно смотреть в небо. Сопутствующая контроллер полета поможет вам определить направление каждого винта.

Материалы для несущих винтов

Материал из которых сделаны несущие винты, немного влияют на летные качества, но помните, что на первом месте должна быть именно безопасность (основная функция винтов).

• Пластик — самый популярный материал, он отличается низкой ценой, отличными летными хар-ми и долговечностью. Вы можете усилить винты карбоновой пленкой, это обеспечит большую устойчивость к ударам и будет дешевле, чем винт из карбона.

• Полимеры — винты из углеродного волокна подойдут пилотам с опытом. Стоимость выше, за счет сложности изготовления. Такие винты сложнее повредить, но учтите, что при падении будет ущерб всему с чем он соприкоснется. Винты из карбона, отлично исполнены, более выносливые за счет жесткости, практически не нуждаются в балансировке и очень легкие. Но еще раз, смотри в сторону винтов из этих материалов исключительно, если у вас есть опыт.

• Древесина – очень редко используют дерево для создания несущих винтов, на изготовление таких винтов уходит больше времени, сложнее в обработке, в итоге они выйдут дороже пластиковых. Но дерево очень плотное и не гнётся.

Складывающиеся пропеллеры

Складные представляют из себя пропеллер, у которого центральная часть соединяется с поворотными лопастями. При вращении, центробежная сила выталкивает их наружу, это делает пропеллер жестким (ничем не отличается от не складного пропеллера). Стоимость таких винтов гораздо больше, это связано с маленьким спросом и большим кол-вом требуемых деталей. Главное преимущество складывающихся винтов – компактность, а если ваша рама тоже складная, размеры дрона для транспортировки будет намного меньше полетных. Еще один плюс такого типа винтов – при краше вам не нужно менять весь винт, достаточно будет сменить сломавшуюся лопасть.

Установка

У несущих винтов много размеров. Ввиду этого двигатели имеют много разных диаметров вала. Как правило, производители добавляют в стандартный набор, переходники, но не всегда они могут быть в комплекте, поэтому покупая пропеллеры сравнивайте диаметр их отверстий с отверстиями мотора

Крепятся винти к мотору разными способами, все зависит от того, какой способ крепления поддерживает ваш движок. Если в вашем движке нет никаких вариантов для крепежей, используйте спец. адаптеры (пропсейверы, зажимы)

• Пропсейвер – это втулка с вкрученными по бокам винтами. Монтируется на вал движка и закрепляется винтами, сверху одевается пропеллер (фиксируется резиновым кольцом).
• Зажимы – намного надежней пропсейверов. Цанговый зажим – это конусообразная втулка с цангой (резьбовое соединение), зажимной втулкой, шайбой и кок-гайкой. Последовательности установки: одеть цангу на вал мотора – зажимная втулка – несущий винт (пропеллер) с шайбой – кок-гайка.

Бесколлекторные моторы с наружным ротором, зачастую имеют отверстия с резьбой, для возможности установить разные адаптеры и крепежи. Еще один популярным креплением можно считать самостягивающуюся гайку. В таком движке на конце вала резьба (направлена в противоположную сторону от направления вращения). Таким образом самооткручивание невозможно, это обеспечивает безопасность и надёжность использования дрона.

Защита несущих винтов

Защита винтов создана для того, чтобы обезопасить беспилотник от встречных объектов, тем самым минимизировать последствия от краша. Крепится защита к раме и покрывает частично или полностью рабочую зону установки. Чаще используется на маленьких беспилотниках.

Элементы защиты могут:

• Вызвать лишнюю вибрацию
• Не выдерживают сильные удары
• Может привести к снижению тяги (если слишком много крепежных опор)

Балансировка

Плохая балансировка часто встречается у недорогих винтов. Проверить это легко, вставьте в посадочное отверстие карандаш, если существует дисбаланс, одна сторона будет тяжелей. Поэтому перед установкой проверяйте балансировку Если ваш винт не отбалансирован, появится вибрация (она плохо влияет на работу контроллера полета), увеличится шум, более быстрый износ силовой установки, ухудшение качества съемки.

Сделать балансировку можно несколькими способами, но если вы строите беспилотник самостоятельно, лучше приобретите спец. инструмент – балансир пропеллеров. Чтобы уравновесить баланс вы можете провести шлифовку тяжелой части пропеллера/наклеить кусочек скотча (на более легкую лопасть). Учтите, очень важно делать все «процедуры» как можно дальше от центра пропеллера (из-за принципа крутящего момента)

3. ESC/ Электронный контроллер скорости

ЭКС — даст возможность контроллеру управлять скоростью и направлением вращения движка. Если напряжение правильное, ЭКС выдержит максимальный ток, который может потребить двигатель и ограничить проходящий через фазу ток (при коммутации).

ЭКС, которые используют в беспилотной сфере, дает возможность движку оборачиваться только в одном направлении (но при правильной прошивке он сможет работать в обе стороны)

Подключение ЭКС

ЭКС может поставляться с уже припаянными коннекторами и без. В нем несколько проводов, контактов и коннекторов (с двух сторон), это все может слегка сбить с толку.

• Питание: Для подачи питания есть 2 провода (толстый диаметр, традиционно красного и черного цвета). Эти провода обеспечивают подачу питания от распредплаты/жгута проводов к которым питание приходит от аккумулятора.
• Коннекторы: на контроллере есть 3 коннектора, они нужны для соединения с 3-мя пулевидными коннекторами на бесколлекторном движке. Применяя коннекторы вы сможете, впоследствии, легко сменить контроллеры (без паяльника). Случается, что пулевидный коннектор не подходит, просто подберите подходящий. Сориентироваться какой из 3х проводов «+» а какой «-» просто, приходящий от аккумулятора плюсовой провод, переходит в плюсовой ЭСК, так же с минусом.
• 3-контактный серво-разъём с тонкими проводами: благодаря ему обеспечивается обработка сигнала от приемника. Один провод- сигнальный, второй – «-» (Минус), третий — «+» (Плюс)

Прошивка

Не все ESC подходят для сборки дрона. Нужно помнить, что перед тем, как бесколлекторные движки начали использовать в дроностроении их применяли в автомобилях/самолетах/вертолетах на радиоуправлении. Многие из них не нуждаются в быстром времени отклика и обновления.

ESC в которые встроено ПО могут очень быстро реагировать на изменения, что и определяет разницу между стабильным полетом и крашем.

Питание ESC

ESC берет питание от основного аккумулятора, разъемы аккумулятора нужно разделить на 4, для этого используют распределительную плату или жгут распред. питания.

Таким способом вы разделите полож. и отриц. клеммы от основной батареи на 4. Типы разъемов на батарее, ESC и распред. плате, могут отличаться, поэтому выбирайте стандартные разъемы. Есть платы, которые потребуют от вас дополнительной пайки, тут вы сами решаете для себя, какие разъемы использовать.

4. Аккумуляторная батарея

Тип

В беспилотниках исключительно используют литий-полимерные аккумуляторы, они могут отличаться составом – литий-марганец и прочие вариации. Они обеспечивают высокую производительность и скорость зарядки, плюс небольшой вес. Единственные минусы, это цена и безопасность (пожароопасны)

Напряжение

Для дрона нужен одна батарея, с напряжением в соответствии с бесколлекторными движками, которые вы выберете. Практически все батареи включают традиционно несколько банок на литии по 3.7В каждая банка. Выходит, что 3.7В = 1S (однобаночная), 2S – 2х баночная и так далее.

Это значит, что если на вашей батарее маркировка 3S, то 3х 3.7В = 11.1В В соответствии с кол-м банок можно определиться с типом зарядного устройства. Заметим, что батарея с одной банкой повышенной емкости, может быть таких же габаритов, как и многобаночная с меньшей емкостью.

Ёмкость

Емкость батареи измеряют в ампер/часах. Маленькие батареи могут быть емкостью 0.1Ач Дроны среднего размера часто используют батареи средних размеров 2-3Ач Чем больше емкость аккумулятора, тем дольше ваш дрон будет в полете, но и вес беспилотника увеличится. Среднее время полета 10-20 мин., как-то не много, но вы должны понимать, что беспилотник во время полета все время подвержен нагрузкам (борется с гравитацией).

Зарядка

Обычно у аккумуляторов есть 2 разъема: первый нужен для основных проводов заряда, они могут выдержать большой ток, второй (размер меньше) предназначен непосредственно для зарядного устройства. На зарядке в обязательном порядке должен быть индикатор, который сообщит, когда ваш аккумулятор закончит зарядку, ввиду повышенной опасности данных батарей.

Когда ваша батарея зарядится, лучше сразу отсоединить ее.

Установка

Батарея будет самой тяжелой частью вашего дрона. Поэтом крепите ее в «мертвой» точке, для того, чтобы нагрузка распределялась равномерно.

Монтировать батареи нельзя крепежами типа – саморезы. В Дронах используют ремни, спец. отсеки и пр. Самый популярный способ, это подвешивание аккумулятора под рамой с помощью ремней липучек.