DIY -drönare: Lektion 3. Kraftverk..

Innehåll

Inledning

Nu när du har valt eller byggt en ram är nästa steg att välja rätt drivlina. Eftersom de flesta av de befintliga drönarna är elektriska kommer vi att fokusera på att generera rent elektrisk framdrivning genom borstlösa likströmsmotorer. Kraftverket inkluderar motorer, rotorer (propellrar, förkortade rekvisita), ESC och ett lagringsbatteri.

1. Motor

Vilka motorer du använder i din enhet kommer att avgöra vilken maximal belastning drönaren kan lyfta, samt hur lång den kan vara i flygning. Kraftverket måste nödvändigtvis bestå av motorer av samma märke och modell, detta tillvägagångssätt kommer att ge det en balanserad drift. Det bör noteras att även absolut identiska (märke / modell) motorer kan ha en liten hastighetsskillnad, som sedan utjämnas av flygkontrollen.

Borstad vs Borstlös

I borstade motorer roterar sårrotorn inuti statorn på vilken magneterna är fast fixerade. I borstlösa motorer är allt en revolution; lindningen är fast fixerad på insidan av statorn, och magneterna är monterade på axeln och roterar. I de flesta fall kommer du bara att överväga borstlösa likströmsmotorer (BC). Motorer av denna typ används ofta i amatörradioindustrin för att montera produkter som sträcker sig från helikoptrar och flygplan till drivsystem i bilar och båtar.

Pannkaksborstlösa motorer är större i diameter, plattare och har i allmänhet högt vridmoment och lägre KV (detaljer nedan). Små UAV: ​​er (vanligtvis palmstorlek) använder ofta små borstade motorer på grund av deras lägre kostnad och enkla tvåtrådsregulator. Medan borstlösa motorer finns i olika storlekar och specifikationer betyder det inte att det blir billigare att välja en mindre storlek.

Inrunner vs Outrunner

Det finns flera typer av borstlösa likströmsmotorer:

  • Inrunner är en inre rotor. Lindningen är fixerad på statorn, magneterna är monterade på rotoraxeln, som roterar (används vanligtvis på RC -båtar, helikoptrar och bilar på grund av den höga KV).
  • Outrunner - ytterrotor. Magneterna är fästa på en stator som roterar runt en stationär lindning. Motorns botten är fixerad.(som regel har motorer av denna typ mer vridmoment).
  • Hybrid Outrunner - Detta är tekniskt sett en "Outrunner", men implementerad i ett "Inrunner" -paket. Detta tillvägagångssätt gjorde det möjligt att i en typ kombinera vridmomentet "Outrunner" och frånvaron av externa roterande element som i motorer av "Inrunner" -typen.

KV

KV -klassning - max. antalet varv som motorn kan utveckla utan strömförlust vid en given spänning. För de flesta multi-rotor UAV är ett lågt KV-värde (till exempel från 500 till 1000) relevant, eftersom detta bidrar till att säkerställa stabilitet. Medan för akrobatisk flygning är ett KV -värde mellan 1000 och 1500 relevant, tillsammans med rotorer med mindre diameter (propellrar). Låt oss säga att KV -värdet för en viss motor är 650 varv / min, då vid en spänning på 11,1V roterar motorn med en hastighet av: 11,1 × 650 = 7215 varv / min, och om du använder motorn vid en lägre spänning (säg 7,4V), då kommer varvtalet att vara: 7,4 × 650 = 4810 rpm. Det är dock viktigt att notera att användning av lågspänning generellt innebär högre strömförbrukning (effekt = ström × spänning).

Skjutkraft

Vissa tillverkare av borstlösa motorer kan specificera i specifikationen information om den största möjliga dragkraften (tryck) som genereras av motorn tillsammans med den rekommenderade huvudrotorn. Måttenheten för dragkraft är vanligtvis kilogram (Kg / Kg), pund (Lbs) eller Newton (N). Om du till exempel bygger en quadrocopter och du vet tryckvärdet för en enda motor = upp till 0,5 kg i ett fack med en 11-tums rotor, kan fyra sådana motorer vid utgången lyftas med maximal dragkraft: 0,5 kg × 4 = 2 kg. Följaktligen, om den totala vikten på din quadcopter är något mindre än 2 kg, kommer den med ett sådant kraftverk bara att lyfta vid maximalt varvtal (maxkraft). I det här fallet kommer det att vara relevant antingen att välja ett kraftfullare rotormotorpaket, vilket ger mer dragkraft, eller för att minska drönarens totala vikt. Vid max. kraftverkets dragkraft = 2 kg, drönarens vikt bör inte vara mer än hälften av detta värde (1 kg, inklusive vikten på själva motorerna). En liknande beräkning kan göras för alla konfigurationer. Antag att vikten på hexakoptern (inklusive ram, motorer, elektronik, tillbehör, etc.) är 2,5 kg. Detta innebär att varje motor för en sådan enhet måste tillhandahålla (2,5 kg ÷ 6 motorer) × 2 = 0,83 kg dragkraft (eller mer). Nu vet du hur du beräknar motorernas optimala dragkraft baserat på totalvikten, men innan du fattar ett beslut föreslår vi att du bekantar dig med avsnitten nedan.

Ytterligare överväganden

  • Kontaktdon: DC-borstade motorer har två kontakter "" och "-". Byte av ledningar på platser ändrar motorns rotationsriktning.
  • Kontaktdon: Borstlösa likströmsmotorer har tre kontakter. Se ESC -avsnittet nedan för att ta reda på hur du ansluter dem, samt hur du ändrar rotationsriktningen.
  • Lindningar: Lindningarna påverkar motorernas KV. Om du behöver det lägsta KV -värdet men prioriterar vridmoment är det bäst att rikta din uppmärksamhet på Pancake -typ borstlösa likströmsmotorer.
  • Montering: De flesta tillverkare har ett generellt kopplingsschema för likströmsmotorer för likströmsmotorer, vilket gör att ramföretag kan undvika att göra så kallade adaptrar. Mallen är vanligtvis metrisk, med två hål 16 mm från varandra och ytterligare två hål 19 mm från varandra (90 ° till det första).
  • Gänga: Monteringstråden som används för att fästa den borstlösa motorn på ramen kan variera. De vanliga metriska storlekarna på skruvar är M1, M2 och M3, imperialstorlekar kan vara 2-56 och 4-40.

2. Huvudrotorer (propellrar)

Huvudrotorer (propellrar, förkortade rekvisita) för multirotor-UAV kommer från propeller till radiostyrda flygplan. Många kommer att fråga: varför inte använda helikopterblad? Även om detta redan har gjorts, föreställ dig måtten på en hexakopter med helikopterblad. Det är också värt att notera att helikoptersystemet kräver en ändring av bladens tonhöjd, och detta komplicerar konstruktionen avsevärt.

Du kan också fråga varför inte använda en turbojetmotor, en turbofanmotor, en turboprop, etc.? De är verkligen otroligt bra på att ge mycket dragkraft, men de kräver också mycket energi. Om drönarens främsta angelägenhet är att flytta mycket snabbt snarare än att sväva i ett trångt utrymme, kan en av ovanstående motorer vara ett bra alternativ.

Blad och diameter

Huvudrotorn för de flesta multirotor-UAV har två eller tre blad. De mest använda propellrarna är med två blad. Antag inte att tillsats av fler blad automatiskt ökar dragkraften; varje blad arbetar i flödet som störs av det tidigare bladet, vilket minskar propellerns effektivitet. Huvudrotorn med en liten diameter har mindre tröghet och därför är det lättare att accelerera och retardera, vilket är viktigt för akrobatisk flygning.

Pitch / Angle Angle / Efficiency / Thrust

Kraften som genereras av huvudrotorn beror på luftens densitet, propellerns varv, dess diameter, bladens form och yta samt dess stigning. Propellerns verkningsgrad är relaterad till angreppsvinkeln, som definieras som bladets stigning minus spiralvinkeln (vinkeln mellan den resulterande relativa hastigheten och bladets rotationsriktning). Effektiviteten i sig är förhållandet mellan uteffekt och ingångseffekt. De flesta väldesignade propellrar är mer än 80% effektiva. Attackvinkeln påverkas av den relativa hastigheten, så propellern kommer att ha olika effektivitet vid olika motorvarvtal. Effektiviteten påverkas också starkt av huvudrotorbladets framkant, och det är mycket viktigt att det är så smidigt som möjligt. Medan en design med variabel stigning skulle vara bäst, innebär den extra komplexitet som krävs över multirotors inneboende enkelhet att en propeller med variabel stigning nästan aldrig används.

Rotation

Rotorerna är konstruerade för medurs rotation (CW) eller moturs (CCW). Rotationsriktningen indikeras av bladets lutning ( titta på propellern från ändändenVtailY6X8

Material för utförande

Material som används för tillverkning av rotorer (propellrar) kan ha en måttlig effekt på flygningen prestanda men säkerhet bör ha högsta prioritet, särskilt om du är nybörjare och oerfaren.

  • Plast (ABS / Nylon, etc.) är det mest populära valet när det gäller flermotoriga UAV. Detta beror till stor del på den låga kostnaden, anständiga flygegenskaper och exponentiell hållbarhet. Vanligtvis, vid en krasch, är minst en propeller trasig, och medan du behärskar drönaren och lär dig att flyga, kommer du alltid att ha många trasiga rekvisita. Styvheten och slagmotståndet hos plastskruven kan förbättras genom förstärkning med kolfiber (kol), detta tillvägagångssätt är max. effektiv och inte så dyr jämfört med en fullfjädrad och kolfiberpropeller.

  • Fiberförstärkt polymer (kolfiber, kolfiberförstärkt nylon, etc.) -är den "avancerade" tekniken i många förhållanden. Kolfiberdelar är fortfarande inte särskilt lätta att tillverka, och därför betalar du mer för dem än för en vanlig plastskruv med liknande parametrar. En propeller av kolfiber är svårare att bryta eller böja, och därför, om den kraschar, kommer den att göra mer skada på allt den kommer i kontakt med. Samtidigt är kolpropeller i allmänhet välgjorda, styvare (ger minimal förlust av effektivitet), behöver sällan balanseras och är lättare än något annat material. Det rekommenderas att överväga sådana propellrar först efter att användarens pilotnivå blivit bekväm.

  • Trä är ett material som sällan används för tillverkning av UAV-rotorer med flera rotorer, eftersom tillverkningen kräver mekanisk bearbetning, vilket senare gör träpropellrar dyrare än plast. Samtidigt är trädet ganska starkt och böjer sig aldrig. Observera att träpropeller fortfarande används i radiostyrda flygplan.

Fällbara

Fällbara rekvisita har en central del som ansluts till två svängbara blad. När mitten (som är ansluten till motorns utgående axel) roterar, verkar centrifugalkrafter på bladen, trycker dem utåt och gör propellern i huvudsak "styv", med samma effekt som en klassisk icke-vikbar propeller. På grund av låg efterfrågan och ett stort antal erforderliga delar är fällbara propellrar mindre vanliga. Den största fördelen med fällbara rekvisita är kompakthet, och i kombination med en fällbar ram kan transportdimensionerna på drönaren vara betydligt mindre än flygdimensioner. En åtföljande fördel med vikmekanismen är frånvaron av behovet av att byta propellern helt och hållet, i händelse av en krasch, räcker det med att bara byta ut det skadade bladet.

Installation

Precis som UAV: ​​er kan rotorer ha ett stort antal storlekar. Således finns det ett antal "standard" motoraxeldiametrar i branschen. I detta sammanhang levereras huvudrotorn ofta med en liten uppsättning adapterringar (de ser ut som brickor med hål med olika diametrar i mitten), som är installerade i mitthålet på stödet

Skruven kan fästas på motorn baserat på vilken monteringsmetod som stöds av din motor. Om motoraxeln inte innebär några fästalternativ (gängad anslutning, olika fästanordningar, etc.), används speciella adaptrar, såsom propsavers och spännhylsor.

  • Propsaver
  • Spännhylsa

Borstlösa motorer med en yttre rotor (typ "Outrunner") har som regel i den övre delen av den flera gängade hålär ett lika populärt alternativ för att fästa propellern på BC-motoraxeln. Axeln på en sådan motor i slutet har en gänga, vars riktning är motsatt rotorns rotationsriktning. Detta tillvägagångssätt eliminerar spontan lossning av fästmuttern och säkerställer säker och tillförlitlig drift av drönaren.

Skydd av rotorer

Skydd av rotorer - utformat för att utesluta direktkontakt mellan UAV: ​​s kraftverk och ett mötande föremål, vilket bevarar dess integritet och funktionsförmåga, samt för att förhindra skador o snabbt roterande propellrar till följd av kollisioner med människor och djur. Propellerskydden är fästa på huvudramen. Beroende på versionen kan den antingen delvis överlappa kraftverkets arbetsområde eller helt (ringskydd). Propellskydd används oftast på små (leksak) UAV. Användningen av skyddselement i enheten ger också ett antal kompromisser, bland vilka:

  • Kan orsaka överdriven vibration.
  • Tål i allmänhet lätta slag.
  • Kan minska dragkraften om för många monteringsfötter placeras under propellern.

Balansering

Dålig balansering sker på de flesta billiga propellrar. För att vara säker på detta behöver du inte gå långt, bara sätt in en penna i skruvens centrala hål (som regel är en sida tyngre än den andra med en obalans). Därför rekommenderas det starkt att balansera dina rekvisita innan du installerar dem på motorerna. En obalanserad propeller kommer att orsaka överdrivna vibrationer, vilket i sin tur påverkar flygkontrollarens prestanda negativt (manifesterat i felaktigt beteende hos drönaren under flygning), för att inte tala om en ökning av buller, ökat slitage av kraftverkselementen och en försämring av kvaliteten av den upphängda kameran.

Propellern kan motvikas på olika sätt, men om du bygger en drönare från grunden måste det i arsenalen med verktyg finnas en billig propellerbalanserare som gör att du enkelt och enkelt kan fastställa viktobalansen i propellern. För att jämna ut vikten kan du antingen slipa den tyngsta delen av stödet (slipa bladets mittdel jämnt, och i inget fall skära av propellerdelen), du kan också balansera genom att klistra fast en tejpbit (tunn) det lättare bladet (lägg segmenten jämnt tills balansen uppnås). Observera att ju längre från mitten du gör en balanseringsuppgradering (slipning eller att lägga till ett bälte) på propellern, desto större effekt baseras på principen för vridmoment.

3. ESC

ESC (engelsk elektronisk hastighetsregulator; rus.elektronisk hastighetsregulator) - tillåter flygkontrollen att styra motorns hastighet och riktning. Med rätt spänning måste ESC tåla max. strömmen som motorn kan förbruka, och begränsar också strömmen som passerar genom fasen under omkoppling. De flesta dronehobby -ESC: er tillåter bara att motorn roterar i en riktning, men med rätt firmware kan de fungera i båda riktningarna.

Anslutning

Till en början kan ESC vara förvirrande eftersom det finns flera ledningar / stift / kontakter tillgängliga för att ansluta den. Två sidor (ESC kan levereras med eller utan lödade kontakter).

  • Strömförsörjning: Två tjocka ledningar (vanligtvis svarta och röda) tillhandahålls för att leverera ström från distributionskortet / sele till vilken ström kommer direkt från flygplanets huvudbatteri.
  • 3 kontakter: Tre kontakter finns på motsatta sidan av regulatorn för anslutning till tre kulkontakter (vanligtvis levererade med motorer) på en borstlös motor. Användningen av kontakter vid anslutning av ESC gör det möjligt att vid behov (i händelse av fel) snabbt byta regulatorn utan att använda lödkolv. Det händer att de kulformade kontakterna som följer med motorn inte matchar kontakterna på regulatorn, i så fall byter du dem helt enkelt mot lämpliga. Vilken av de tre är "plus" och vilken är "minus"? Referenspunkten är en enkel, kommande positiv ledning från batteriet, går i positiv på ESC, på samma sätt med ett minus.
  • 3-polig R / C servokontakt med tunna trådar: genom vilken signalen som kommer från mottagaren bearbetas, varav en tråd är signal (överföring av gassignalen till ESC eller ingång), den andra "Minus" (eller jord) och en positiv ledning (används inte om det inte finns någon inbyggd BEC; med inbyggd BEC är det en 5V uteffekt, som senare kan användas för att driva inbyggd elektronik).

BEC

I de första dagarna av flygplansmodellering användes en förbränningsmotor som kraftverk och elektroniken ombord drivs av en liten batteri. Med tillkomsten av elektrisk dragkraft och styrenheter (ESC), i den senare, började de inkludera den så kallade batterielimineringskretsen-BEC (på engelska. Batterieliminatorkrets; eller inbyggd effektomvandlare; som regel ger den en ytterligare strömkälla med en spänning på 5V vid en ström på 1A eller högre). Med andra ord är det en spänningsomvandlare som används i aggregatet LiPo till en spänning för att driva drönarens elektronik ombord.

Vid montering av multirotorn måste alla ESC vara anslutna till flygkontrollen, men endast en BEC krävs, annars kan det uppstå problem när samma ledningar drivs. Eftersom det vanligtvis inte finns något sätt att inaktivera BEC på en ESC, är det bäst att ta bort den röda tråden () och linda den med elektrisk tejp för alla utom en ESC. Det är också viktigt att lämna den svarta tråden (marken) för gemensam mark.

Firmware

Alla ESC: er på marknaden är inte lika bra för applikationer med flera rotorer. Det är viktigt att inse att borstlösa motorer användes främst som kraftverk för radiostyrda bilar, flygplan och helikoptrar före tillkomsten av flermotoriga UAV: ​​er. De flesta kräver inte snabba svarstider eller uppdateringar. ESC med inbyggd programvara SimonK eller BLHeli kan reagera mycket snabbt på inkommande förändringar, vilket i allmänhet gör skillnaden mellan stabil flygning eller krasch.

Strömfördelning

Eftersom varje ESC drivs av huvudbatteriet måste huvudbatterikontakten på något sätt delas upp i fyra ESC. Detta görs med Power Distribution BoardPower Distribution HarnessDekaner

4. Batteri

Kemi

Batterier som används i obemannade flygbilar är för närvarande uteslutande litiumpolymer (LiPo), och sammansättningen av några av dem är ganska exotisk - litiummangan eller annat litium varianter. Blysyra är helt enkelt inte lämplig och NiMh / NiCd är fortfarande för tunga för sin kapacitet och kan ofta inte leverera de höga utsläppshastigheter som krävs. LiPo erbjuder hög prestanda och urladdningshastighet med låg vikt. Nackdelarna är deras relativt höga kostnad och konstanta säkerhetsproblem (brandrisk).

Spänning

I praktiken behöver du bara ett batteri för din UAV. Spänningen på detta batteri måste matcha de BK -motorer du har valt. Nästan alla batterier som används idag är baserade på litium och innehåller flera celler (burkar) på 3,7V vardera, där 3,7V = 1S (dvs. ett burk; 2S är två burkar, etc.). Därför kommer ett batteri märkt 4S sannolikt att ha ett nominellt värde på 4 × 3,7V = 14,8V. Antalet burkar hjälper dig också att avgöra vilken laddare du ska använda. Observera att ett encelligt batteri med hög kapacitet fysiskt kan se ut som ett flercelligt batteri med låg kapacitet.

Kapacitet

Batterikapacitet mäts i ampere-timmar (Ah). Små batterier kan ha en kapacitet på 0,1Ah (100mAh), batterikapacitet för medelstora drönare kan sträcka sig från 2-3Ah (2000mAh-3000mAh). Ju högre kapacitet desto längre flygtid och följaktligen tyngre batteri. Flygtiden för en konventionell UAV kan vara i intervallet 10-20 minuter, vilket kan verka kortvarigt, men du bör förstå att drönaren ständigt kämpar med gravitationen under flygningen, och till skillnad från ett flygplan har den inte ytor (vingar) som ger hjälp i formen optimal lyftkraft.

Urladdningshastighet

Litiumbatteriets urladdningshastighet mäts i "C" där 1C är batterikapaciteten (vanligtvis i ampere timmar om du inte överväger en drönare på storlek Handflatan). Urladdningshastigheten för de flesta LiPo-batterier är minst 5C (fem gånger kapaciteten), men eftersom de flesta motorer som används i multi-rotor UAV förbrukar mycket ström måste batteriet kunna laddas ur med en otroligt hög ström, vilket vanligtvis är ca 30A eller mer.

​​

Säkerhet

LiPo -batterier är inte helt säkra eftersom de innehåller vätgas under tryck och har en tendens att brinna och / eller explodera när något är fel. Om du har några tvivel om batteriets hälsa ska du under inga omständigheter ansluta det till drönaren eller till och med laddaren - betrakta det som "avvecklat" och kassera det på rätt sätt. Tecken på att något är fel med batteriet är bucklor eller svullnad (t.ex. gasläckage). När du laddar ett LiPo -batteri är det bäst att använda en säker LiPo -låda (batteriskåp). Batterilagring

Laddning

De flesta LiPo -batterier har två kontakterLaddarende säkerhetsproblem som är förknippade med litiumpolymerbatterier

Montering

Batteriet är det tyngsta elementet i drönaren, så det bör installeras i mitten av mitten för att säkerställa samma belastning på motorer. Batteriet innebär ingen speciell montering (särskilt självgängande skruvar som kan skada LiPo och orsaka brand), så några monteringsmetoder som används idag inkluderar kardborreband, gummi, plastfack och andra. Det vanligaste alternativet för batterimontering är att hänga batteriet under ramen med ett kardborreband.

.