Drone DIY: Lição 8. Aviões..

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Introdução

O uso de pequenos drones para FPV e mapeamento autônomo está se tornando mais popular, especialmente devido à popularidade dos drones para voar em modo de primeira pessoa e a disponibilidade de detalhes. Este artigo explora várias considerações sobre se uma aeronave é adequada para uso como drone e, em caso afirmativo, como escolher o tipo certo.

Multicóptero vs Avião

Quais vantagens um avião pode oferecer sobre um multicóptero? Embora o multicóptero seja ótimo para diversão FPV / vôo autônomo, sua carga útil e tempo de vôo ainda são limitados, já que os rotores devem girar constantemente (e, portanto, consumir energia) para combater a gravidade e manter o drone no ar. Os aviões, por outro lado, usam suas asas para criar sustentação. Então, qual tipo é melhor? Além do recheio eletrônico, como transmissor, receptor, equipamento FPV, controlador de vôo, as seguintes características parecem ser as mais relevantes para responder à pergunta feita:

Multicopter

  • Capaz de tomar off e pousar verticalmente, bem como pairar no lugar.
  • Eles não requerem muito espaço para voar e são essencialmente "omnidirecionais", capazes de mudar de direção e velocidade muito rapidamente.
  • O empuxo gerado pelas hélices é o que mantém o barco no ar.
  • Menos intuitivo em vôo, visto que a embarcação pode mudar de orientação e voar em quase qualquer direção, e os cardan podem facilmente causar desorientação.
  • Os multicópteros “médios” com diâmetros de 400 a 600 mm são os mais comuns e normalmente custam entre US $ 200 e US $ 1000 para uma plataforma pronta para voar (personalizada).
  • Apesar do fato de que os multicópteros têm significativamente menos peças móveis do que os helicópteros, quase todo mau funcionamento de um quadricóptero leva a um acidente.

Avião

  • Lançado manualmente pela pista ou catapulta e geralmente pousa em grama relativamente plana ou pista...
  • Um grande espaço aberto é necessário para o vôo, pois a capacidade de manobra da aeronave é limitada (ou seja, é sempre necessário avançar).
  • As asas criam sustentação.
  • Maior capacidade de elevação.
  • Os modelos de espuma podem ser indulgentes em caso de acidente e a maioria pode ser reconstruída / recondicionada.
  • Modelos com envergadura de 500 mm a 1,8 m são os mais comuns para uso em hobby, e uma instalação completa normalmente custa entre US $ 200 e US $ 1000.
  • Em caso de falha do motor, ainda é possível pousar sem danificar a aeronave.

VTOL (decolagem e pouso vertical)

  • As estruturas incluem asas e hélices (não há muitos produtos comerciais / de produção no momento).
  • Os controles ainda são bastante difíceis de mudar do vôo vertical para o horizontal.
  • Os projetos são muito diferentes dos quadricópteros com asas ou do uso / alongamento dos braços de suporte dos drones (vigas) para habilitar os perfis das asas.
  • Não será discutido mais neste artigo.
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Considerações

  • Local de lançamento: danos ou danos a um pessoa ou propriedade, os UAVs / drones estão proibidos de sobrevoar edifícios, em áreas densamente povoadas ou em locais lotados. Idealmente, os aviões requerem grandes áreas abertas, enquanto os multicópteros podem operar em espaços mais confinados. Se você não tiver espaço aberto para voar, é melhor usar um pequeno multicóptero.
  • Aplicação: O multicóptero é mais adequado para fotografia aérea / FPV do que nunca. O melhor é fazer mapas e voos de longa distância em um avião.
  • Interesse: Este deve ser um fator ao escolher se você está interessado em um tipo de drone mais do que em outro.
  • Orçamento: O multicóptero mais comum (500 mm) é provavelmente um pouco mais caro do que uma aeronave comparável (≈ 1,5 m de envergadura), mas não muito. Você está preparado para perder o drone devido a uma falha repentina ou perda de controle, causando uma remoção descontrolada?
  • Tempo de voo: Um quadricóptero médio, tamanho médio, permanecerá no ar por 10-15 minutos (embora alguns fabricantes possam aumentar este tempo para 30-40 minutos), enquanto a média aeronaves elétricas de tamanho fornecerão cerca de 20-60 minutos por minuto em uso “normal” (ou seja, sem aceleração total), no entanto, muitos fatores diferentes precisam ser considerados em ambos os casos.
  • Controlador de voo: Nem todos os controladores são capazes de voar todos os tipos de aeronaves. Antes de escolher um dos poucos, certifique-se de que o tipo de aeronave em que você está interessado é compatível com o controlador de vôo (se você pretendia usar um). Como configurar um controlador de vôo não será discutido neste artigo.

Tipos comuns de asa de UAV / drones

Existem muitas estruturas diferentes usadas para construir drones, mas alguns projetos são usados ​​com muito mais frequência do que outros. À medida que mais e mais fabricantes começam a produzir quadros aerodinâmicos personalizados para uso autônomo, peças desnecessárias, como o layout da cabine, por exemplo, que normalmente eram encontradas em aeronaves RC no passado, estão desaparecendo.

Delta Wing

A asa voadora é de longe a mais simples (e possivelmente a mais popular) Projeto. Uma estrutura simples / rudimentar pode ser fabricada usando espuma de polipropileno expandida (EPP) barata e um aerofólio básico Kline-Fogleman (Kline-Fogleman ou KFm). Eles tradicionalmente têm apenas duas superfícies de controle, o que significa que todas as voltas são feitas com rolos. A hélice geralmente fica atrás (permitindo que a câmera seja montada na frente), mas ela voa da mesma forma com o motor no centro ou na frente, desde que o centro de gravidade esteja correto. Excelente construção por sua simplicidade e tende a voar em altas velocidades.

Planador / Planador motorizado

Se você quiser ficar no ar o maior tempo possível (ou seja, o tempo de vôo mais longo), este o design é a melhor escolha. Geralmente tem uma asa média ou alta, e a cauda é freqüentemente em forma de T ou V. Todos os quadros mostrados aqui podem ser usados ​​para um vôo divertido (ou mais), no entanto, se você quiser que o drone permaneça no ar o maior tempo possível, é necessário considerar um avião com uma asa grande, e é aqui que os planadores estão excelente. Eles não foram projetados para serem os mais rápidos (em vez disso, os mais lentos) e transportar a maior carga útil (devem ser o mais leves possível), mas um bom projeto pode permanecer no ar por horas. Quase todos têm uma hélice instalada na frente, portanto, nos casos em que uma câmera é necessária, ela geralmente é montada na parte inferior / barriga da fuselagem.

"Skywalker"

interfere, localizado logo abaixo. A asa geralmente é trapezoidal ou retangular. Um projeto alternativo usa duas lanças para apoiar a cauda (uma em cada lado da hélice, tipo " Twin Boom

Padrão

Aviões RC convencionais ainda são frequentemente convertidos para uso como drones, com designs que variam de Mustangs (Sport) a Piper Cubs (Treinador). Quase todos têm uma hélice montada na frente (de tração ou extrator). As asas geralmente têm uma borda de ataque / fuga reta (retangular), mas para aeronaves de caça a asa pode ser mais trapezoidal. Esses projetos são mais comumente usados ​​porque são as aeronaves RC mais comuns e prontamente disponíveis. Infelizmente, as aeronaves não são adequadas para modificação e incluem elementos estéticos que não são necessários quando usados ​​como um UAV. Além disso, este não é o design mais conveniente em termos de escolha de um local desobstruído para a instalação da câmera. A maioria é feita de madeira que não perdoa acidentes.

Personalizado

Existem vários designs personalizados disponíveis, um dos quais é "Drak" (delta quase invertido). Este projeto particular tem asas em uma posição quase virada para a frente e uma hélice na parte traseira. As vantagens e desvantagens variam de modelo para modelo, embora sua aparência exclusiva muitas vezes atraia muita atenção.

Tamanho

Então, quão grande deve ser o seu avião? Um critério que determina o futuro modo de transporte, que muitas vezes é referido antes mesmo do uso. Os aviões são (quase) sempre maiores que os multicópteros e, como o espaço que você planeja voar pode não ser perto de sua casa ou empresa, na maioria das vezes, o transporte precisará ser feito de carro. Por causa disso, o tamanho do quadro para este tipo de drones tende a ser limitado a 2 metros (envergadura), e na maioria dos casos as asas devem ser destacáveis. Se a asa voadora não puder ter asas destacáveis, a envergadura será menor que 1,2 metros, de modo que podem ser facilmente colocadas no banco traseiro de um veículo. Classicamente, aviões RC de tamanho padrão têm envergadura de 0,5 - 2 m, portanto, a disponibilidade de peças para este tamanho (motor, ESC, bateria, servos, etc.) é muito boa.

Duração do vôo

A segunda pergunta que você pode se fazer é quanto tempo o avião deve permanecer no ar. Se você planeja controlar a aeronave remotamente, vale a pena considerar que após cerca de 20-30 minutos de pilotagem, a maioria das pessoas fica cansada física / mentalmente e tenta completar o vôo. Para voos de longa duração, é recomendável considerar um planador com envergadura de pelo menos 2 metros (com baixa carga útil).

Aplicação

E a terceira consideração, é claro, é a aplicação potencial. A lista dos mais comuns: vôo FPV, mapeamento, bem como vôo totalmente autônomo usando sensores. Para vôo autônomo, é necessário um controlador de vôo GPS, e também é possível adicionar sensores.

Tipos de kits

Projetar uma aeronave customizada raramente é uma prioridade para aqueles que desejam apenas decolar em primeira pessoa ou vôo autônomo. já que isso geralmente requer pesquisa séria ou conhecimento adequado de aerodinâmica. Por esse motivo, os quadros projetados especificamente para FPV / UAVs estão se tornando cada vez mais populares. No entanto, dada a ampla popularidade das aeronaves RC convencionais, muitos entusiastas ainda estão se voltando para os modelos RC existentes (não necessariamente modelos em escala) e adaptando-os para uso autônomo / FPV.

RTF (Ready to Fly) - este kit inclui tudo o que você precisa para usar o produto para o fim a que se destina e, via de regra, inclui uma estrutura totalmente montada (para uma entrega mais compacta, as asas podem ser desmontadas) com enchimento de trabalho pré-instalado (motor, ESC, servos, flaps, etc.), bem como um transmissor e receptor, bateria e carregador. Normalmente, você conecta a fuselagem à asa (ou asas), carrega, instala e conecta a bateria e está pronto para voar. Esta é a maneira mais rápida de entrar no ar, mas ao mesmo tempo esses kits não permitem atualizações subsequentes.

BNF (Bind and Fly) - O drone é entregue quase completamente montado (para entrega mais compacta, as asas podem ser desmontadas). O kit não inclui um receptor / transmissor. A montagem é muito rápida considerando que todas as peças já estão montadas / montadas. Você precisará conectar o receptor aos servos e ao trem de força, instalar a bateria e verificar o CG (Centro de Gravidade) e, em seguida, passar pela lista de verificação de lançamento pré-voo, realizar a calibração. Observe que pode ser necessário personalizar seu equipamento de controle para este modelo de UAV. Esta é a segunda maneira mais rápida de voar.

PNF (Plug and Fly) - a aeronave está quase totalmente montada (para uma entrega mais compacta, as asas podem ser desmontadas). O kit inclui ESCs, hélices e servos. O kit não inclui transmissor, receptor, bateria ou carregador. Você precisará conectar o receptor aos servos e ao trem de força, selecionar e instalar a bateria (verifique o CG) e, em seguida, passar pela lista de verificação de lançamento pré-voo e realizar a calibração. Observe que pode ser necessário personalizar seu equipamento de controle para este modelo de UAV.

PNP (Plug and Play) - Igual ao kit PNF.

ARF (Quase pronto para voar) - produtos nesta configuração geralmente incluem um quadro e algum hardware. Fornecido parcialmente montado com praticamente todas as peças / componentes da estrutura necessários para montar a estrutura. Pode ser necessária alguma adesão. O usuário precisa escolher seu próprio transmissor, receptor, motor, ESC, hélice e servos, pois eles não estão incluídos.

KIT - Hoje em dia as aeronaves KIT incluem planos de montagem, mas vai demorar muito até que a aeronave seja digna de voar. É recomendável ter alguma experiência de vôo antes de voar uma aeronave KIT, já que um acidente (geralmente no primeiro vôo) pode levar a muitas horas de recuperação do UAV.

DIY (Do It Yourself / Construído a partir do zero) - o que, falando de aeronave, geralmente significa um design completamente fora do padrão, que pode ter sido projetado por o piloto. Normalmente, o projetista precisa selecionar todos os componentes apropriados e, muitas vezes, a montagem é feita por tentativa e erro.

Construção

Existem muitos materiais diferentes usados ​​para criar a estrutura, pára-lamas e cauda de aeronaves RC / drones. Embora as aeronaves tripuladas geralmente usem fibra de vidro, alumínio e até mesmo fibra de carbono, os fabricantes de UAV ainda não usam esses materiais em pequenas embarcações. A seguir estão os materiais mais comuns que você encontrará na indústria:

EPO (Poliolefin expandido) - Este tipo de espuma é leve, mais rígido e mais forte do que o poliestireno expandido (EPS) Ao fazer moldes, permite obter uma superfície bastante lisa. Em caso de acidente, essa espuma comprime e, se a força for excessiva, os pontos mais fracos serão destruídos. Via de regra, as peças feitas de EPO permanecem intactas e, se o acidente não for grave, os elementos danificados podem ser colados posteriormente.

EPP (PoliPropileno Expandido) - Este tipo de espuma é flexível e elástica e, embora ligeiramente mais pesada que a EPO, é praticamente indestrutível (para fins práticos).

EPS (Poliestireno Expandido) - Este tipo de espuma é comumente usado como material de embalagem para televisores, aparelhos elétricos, na fabricação de capacetes, dentro de caixas de gelo e para construção de estradas e casas. EPS contém cerca de 95-98% de ar.

Balsa Wood - No passado, a maioria das aeronaves RC usavam balsa como seu material de base. É uma madeira incrivelmente leve, mas indicativamente resistente e fácil de trabalhar, ideal para quadros, pára-lamas e empenagem. Cuidado e tempo incríveis devem ser investidos durante a construção, e mesmo os golpes mais leves podem causar sérios danos ao quadro (colisões mais graves resultam em destruição completa).

Plástico soprado - O processo de moldagem por sopro de plástico envolve uma matriz fechada na qual o plástico semifundido é soprado e, em seguida, resfriado para manter sua forma. O resultado é uma forte concha oca. O plástico soprado é mais frequentemente usado para criar uma fuselagem (ao contrário de asas), após a fabricação, o usuário deve fazer os recortes apropriados. As estruturas / kit soprados também podem incluir balsa pré-cortada como reforço. O plástico estourado pode resistir a impactos leves e tem tendência a amassar em vez de desmoronar.

Plástico a Vácuo - O processo de formação a vácuo envolve o aquecimento de uma fina folha de plástico a tal ponto que ela se torna flexível, mas não completamente derretida, e colocando-a sobre o matriz; embora permaneça flexível, o ar entre a matriz e a folha é removido (ou seja, bombeado para fora), o que faz com que a folha tome sua forma. O plástico esfria e uma forma tridimensional é cortada do material ao redor. Existem muitos tipos diferentes de plásticos que podem ser formados a vácuo e suas propriedades podem variar. O policarbonato é um bom compromisso entre peso e resistência ao impacto.

Plástico Corrugado - embora poucas aeronaves o utilizem para a fuselagem ou asas, ele é freqüentemente usado para enrijecer portas ou sempre que superfícies planas sejam necessárias. O plástico corrugado se parece com o papelão ondulado, apenas feito de plástico. É muito resistente a choques e choques, fácil de trabalhar sem ferramentas especiais e muito elegante (aerodinâmica).

Qual material é melhor?

Então, que material você deve escolher para o avião? A grande maioria da comunidade FPV usa espuma EPO porque:

  • Em comparação com balsa, ela leva menos tempo de montagem exponencialmente e, portanto, sobe mais rápido no ar.
  • Relativamente leve em comparação com outros materiais e decentemente resistente*, mas pode ser facilmente modificado / cortado.
  • “Indulgente”, no sentido de que é capaz de resistir a acidentes e pequenos impactos, podendo também ser re-colado várias vezes; e novamente em vôo.
  • Boa qualidade; Os modelos de espuma são bastante caros porque o projetista precisa compensar o custo da estrutura, protótipos e molde, e o custo da moldura geralmente é proporcional ao seu tamanho.
  • Não requer ferramentas especiais, como um ferro laminado aquecido.
  • A maioria das armações completas inclui os componentes básicos necessários (os modelos de balsa geralmente exigem a compra adicional de laminado, a maioria das ferragens e muito mais).

*Modelos de espuma raramente são rígidos o suficiente por si próprios e, para suportar as cargas que atuam nas asas em vôo, o os últimos requerem reforço adicional na forma de "longarinas" (hastes longas e finas, geralmente feitas de fibra de vidro ou fibra de carbono) para aumentar a rigidez. Essas longarinas, concebidas, devem ser coladas em vários locais estratégicos, tanto acima quanto abaixo da asa (coladas nos canais pré-cortados). O tamanho dos modelos de espuma, via de regra, limita apenas a praticidade, por isso é muito raro ver modelos com envergadura superior a 2m.

Build

  • Espuma: É importante observar que nem toda cola pode ser usada para colar a espuma, pois algumas das existentes podem corroer e destruir o material. Os adesivos mais comuns usados ​​para colar espuma de EPO são Goop (nome da marca) e Gorilla Glue (nome da marca). Goop é transparente e possui consistência espessa e excelente aderência. Gorilla Glue - requer um pouco de água para ativar, a consistência original é espessa. Após a interação com a água, ele espuma até cerca de 400% do seu tamanho original e apresenta uma cor amarela. A cola Gorilla pode ser cortada em locais indesejáveis, mas é necessário evitar que a cola vaze para áreas onde não deveria (por exemplo, usar fita adesiva), e após a aplicação, as partes fixadas devem ficar paradas enquanto o a cola se expande e endurece. A espuma geralmente é cortada com uma faca afiada, uma pistola de solda (em oposição a um ferro de solda) ou um fio aquecido. A serra manual tende a quebrar a espuma e deixar uma superfície muito áspera. Os planos de espuma costumam ser brancos, raramente pretos e, menos ainda, cinza ou outras cores. A personalização da aparência consiste em adicionar cores ou padrões que podem ser feitos usando tinta especial, laminado ou vinil. Observe que nem todas as tintas são adequadas para colorir a espuma, algumas podem destruí-la.
  • Balsa: A cola de cianoacrilato é mais frequentemente usada para colar madeira de balsa - geralmente um líquido viscoso (quase como água), fornece uma ligação muito forte entre as superfícies a serem coladas. Uma vez que a moldura está pronta, ela precisa ser coberta com um laminado (folha de plástico com adesivo ativado por calor em um dos lados) para criar uma superfície aerodinâmica. O filme de laminação é aquecido / aplicado com o ferro de laminação, proporcionando uma superfície firme / dura na saída. O laminado só é adequado para colar madeira balsa - não pode ser usado para criar formas 3D.
  • Compósitos: ​​Ainda é raro ver materiais compósitos usados ​​para criar pequenas aeronaves (fibra de carbono). Essas peças são baseadas em resina epóxi (ou um agente de ligação especial) e são mais difíceis de cortar à mão, mais frequentemente uma fresadora CNC é necessária. A criação de formas 3D também é bastante complexa. Os aviões normalmente usam compostos para reforço.

Potência

  • A usina de aeronaves consiste em um motor, hélice (hélice), ESC e bateria... Escolher as peças certas para um quadro não deve ser um "palpite" e é melhor ver se o fabricante do quadro tem alguma recomendação em relação ao motor, hélice ou alcance para uma determinada carga útil.
  • Hoje em dia, a maioria dos entusiastas está se inclinando para motores elétricos ao invés de combustíveis (como querosene) por causa de seu menor custo de propriedade e facilidade de uso. A energia solar raramente é usada porque a energia que a energia solar fornece, em comparação com o peso adicionado dos painéis solares (que são usados ​​para carregar baterias), ainda não é benéfica.
  • Selecione uma combinação de motor / hélice capaz de fornecer o empuxo necessário para seu planador em uma carga específica. Vários fabricantes de planadores oferecem uma série de requisitos de empuxo baseados em seus próprios experimentos para dar uma idéia geral do alcance necessário.
  • A potência insuficiente do avião pode levar à instabilidade ou acidente. Uma aeronave sobrecarregada pode ser completamente instável em vôo. Considerando que quase todas as tecnologias usadas para criar drones vêm da indústria de controle de rádio, há ampla informação sobre como escolher o impulso e servo drives corretos para várias aplicações.
  • Centro de massa: O centro de massa é o ponto em torno do qual a estrutura pode ser colocada de forma que o peso seja o mesmo em todos os lados. Relação Centro de Elevação / Torque. Este é o ponto onde toda a sustentação gerada pelas asas e superfícies de controle é adicionada, geralmente no ponto mais alto do aerofólio. É desejável que o centro de massa corresponda ao centro da força de levantamento.

Lançamento / pouso

  • Lançamento / pouso na pista: para usar o pista, o drone precisa de rodas, e a pista deve ser o mais plana e perfeitamente pavimentada possível.
  • Gatilho manual: Existem dois métodos principais de disparo manual: balanço na mão ou balanço acima da cabeça. O método de varredura é semelhante a lançar um disco (ou atirar pedras na água), onde o operador tenta acelerar o drone até a velocidade máxima usando a velocidade angular. Alternativamente, existe um método aéreo em que o operador lança o avião para cima (de preferência com um segundo operador / assistente).
  • Lançamento da catapulta: Para acelerar o drone o mais rápido possível, uma catapulta usa um dos vários métodos diferentes: um cabo elástico, um guincho ou até mesmo ar comprimido. As catapultas não são fáceis de transportar e requerem investimentos e diagnósticos adicionais.
  • Empunhadura: Não é difícil pegar um pequeno drone com a mão, desde que a hélice não gire, mas de alguma forma o método requer alguma habilidade.
  • Pouso: O método de pouso mais comumente usado é um pouso de derrapagem em uma superfície decentemente nivelada, como grama. Este método é relevante porque cada vez menos drones têm trem de pouso (e a pista não está disponível), forçando o avião a simplesmente pousar em qualquer avião possível. Normalmente, antes de voar, o piloto encontra um local de pouso adequado. Idealmente, a aeronave deve ter placas de proteção substituíveis devido ao desgaste progressivo.
  • “Captura” de rede: Embora este método de pouso seja mais frequentemente usado pelos militares para pequenos drones, usar uma rede para pegar um drone é muito eficaz onde outros métodos de pouso são difíceis. Dito isso, configurar um sistema em rede consome tempo e outros tipos de plantio são preferíveis para a maioria dos entusiastas.
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