Личный квадрокоптер (сделай себе FAN). Часть 2 — Kонструкция

Продолжим наши занятия на тему квадрокоптера :)

Как уже замечал автор, управление тягой моторов осуществляется специальным микроконтроллером, который обрабатывает показания датчиков наклона и ускорения.  Количество датчиков зависит от того, насколько автономной планируется система квадрокоптер – пилот.

Давайте рассмотрим основные составные части части  квадрокоптера:

• Рама – основа всей конструкции, которая соединяет между собой все остальные части. Должна быть прочной и в то же время легкой.
• Двигатели, которые обеспечивают необходимую тягу для подъема квадрокоптера в воздух.
• Обороты каждого двигателя управляются отдельными контроллерами
• Пропеллеры (несущие винты)
• Источники питания – батареи или аккумуляторы
• Датчики ускорении/ угла наклона
• Микроконтроллер – мозг аппарата
• Приборы дистанционного управления
• Дополнительное оборудование

Рама (так же известна как крестовина)

Рама предназначена для соединения все компонентов конструкции в одно целое. Рама должна быть достаточно жесткой и в то же время обладать способностью гасить вибрации роторов.

Рама квадрокоптера, как правило, состоит из двух либо трех частей. Они не обязательно должны состоять из одного и того же материала.

• Центральная плита, на которую монтируются электронные компоненты
• Крестовина из 4 симметричных балок, которые крепятся к центральной плите
• Четыре мотогондолы, которые крепят двигатели к законцовкам балок крестовины.

Примечание переводчика: выражение «две или три части», вероятно означает, что с целью облегчения конструкции, центральная плита для размещения электроники, иногда не предусмотрена.

Для рамы подходят следующие материалы:

• Карбон
• Алюминий и его сплавы
• Дерево, например, фанера или МДФ

Наиболее предпочтительным для использования является карбон, из – за его жесткости и вибропоглощающих свойств, однако, и цена зачастую делает его недоступным для рядовых энтузиастов авиастроения:).

Популярностью  при создании разного рода квадрокоптеров пользуются пустотелые алюминиевые профили (в основном – П-образные). Это вызвано их относительно низким весом, жесткостью и приемлемой ценой. В то же время, по сравнению с  карбоном (углепластиком), алюминий меньше поглощает вибрации, что может привести к искажению показаний датчиков. Фото именно такой крестовины приведено в заголовке статьи.

Плиты на основе древесины, например, МДФ – плиты или фанера также с успехом используются для создания квадрокоптеров из-за приемлемых вибропоглощающих характеристик. Однако, такие материалы не обладают высокой прочностью и могут быть легко повреждены в случае катастрофы. Несмотря на то, что материал центральной плиты не играет такой же важной роли, как материал для балок крестовины, чаще всего для ее изготовления  применяется фанера как легкий и легко обрабатываемый материал, который хорошо поглощает вибрацию.

Для обозначения длины каждой из перекладин крестовины квадрокоптера иногда применяют термин «междвигательное расстояние», то есть дистанцию между валами противоположных роторов.

Междвигательное расстояние

Бесколлекторные двигатели

Бесколлекторный двигатель изнутри

Небольшое введение в теорию электродвигателей. Бесколлекторные двигатели, как и электродвигатели постоянного тока классической схемы, используют катушки с проводом и магниты для вращения приводного вала. Катушки в бесколлектроных двигателях расположены на внутренней стороне кожуха двигателя, и соответственно, в их конструкции отсутствуют щетки, предназначенные для передачи электрического тока на расположенные на валу катушки.

И снаружи

Магниты в бесколлекторных двигателях расположены в цилиндре, насаженном на вал двигателя. Таким образом, провода питания присоединяются  непосредственно к обмоткам  катушек что исключает необходимость использования щеток.

Устройство и принцип действия. Обратите внимание на расположение магнитов.

Преимуществом бесколлекторных двигателей является гораздо более высокая скорость вращения, а также меньшее энергопотребление в  режимах работы, сравнимых с двигателями классической схемы. Кроме того, в бесколлекторных двигателях отсутствуют потери мощности из-за трения и искрения щеток и токосъемников, что делает их более энергоэффективными.

Существующие бесколлекторные двигатели в первую очередь различаются размерами и относительно малым потреблением энергии. При выборе двигателя для вашего квадрокоптреа, необходимо принять во внимание вес и размеры двигателей, характеристики несущих винтов, а также их соответствие относительному потреблению двигателей, которое описывается термином «kV Rating».

«kV Rating» показывает, сколько оборотов в минуту будет выдавать двигатель при определенном напряжении. Количество оборотов в минуту высчитывается по простой формуле: RPM=Kv*U (количество оборотов = напряжению питания умноженному на «kV Rating»). Для упрощения расчетов, автор предлагает использовать онлайн – калькулятор eCalc, который считает прекрасным инструментом, который поможет рассчитать характеристики компонентов квадрокоптера в зависимости от запланированной грузоподъемности.

ВАЖНО! Не забудьте, что для квадрокоптреа необходимы две пары двигателей с противоположными направлениями вращения.

В дальнейшем, автор обещает подготовить подробное руководство по выбору двигателей и пропеллеров для вашего квадрокоптера.

Пропеллеры (несущие винты)

Наверняка, на изображениях квадрокоптеров вы не заметили, что все их четыре винта не идентичны. Если приглядеться, можно заметить, что передний и задний несущие винты имею правый изгиб, в то время как на перепендикулярном плече крестовины несущие винты изогнуты наоборот.

Как автор указывал ранее, для предотвращения раскрутки аппарата, 2 ротора вращаются в одном направлении, в то время как два других – в противоположном. Пары воздушных винтов, которые вращаются в противоположных направлениях и имеют противоположное направление изгиба, обеспечивают подъемную силу в одном направлении без рысканья по курсу. Это и придает квадрокоптеру его знаменитую курсовую устойчивость.

Промышленно изготовленные воздушные винты для квадрокоптеров изготавливаются в разных диаметрах и с разными степенями изгиба (англ. – pitch, далее – шаг винта). Выбор пропеллера зависит от размаха балок несущей крестовины и определяет выбор двигателей. Ниже приведены несколько типоразмеров несущих винтов в зависимости от размеров квадрокоптеров.

Пары несущих винтов правого или левого шага

• EPP1045 10 diameter and 4.5 pitch  - самый популярный, используется в проектах среднего размера.
• APC 1047 10 diameter and 4.7 pitch  - весьма похож на вариант № 1
• EPP0845  8 diameter and 4.5 pitch  как правило, применяется в малых квадрокоптерах
• EPP1245  12 diameter and 4.5 pitch – для больших аппаратов, которым необходима значительная тяга
• EPP0938  9 diameter and 3.8 pitch  для маленьких квадрокоптеров

Аэродинамика никогда не была легкой наукой. Да же не думайте, что теорию воздушного винта можно уложить в несколько слов или даже часов. Однако, в общем, тему несущего винта в вертолете можно свести к двум следующим соотношениям:

1. Больший диаметр и шаг воздушного винта определяет его большую тягу и возможность поднять больший груз. В то же время, для вращения такого винта необходима большая мощность двигателя.
2. При использовании высокоборотистых моторов вы можете позволить себе задействовать винты меньшего диаметра. Однако, в случае снижения скорости оборотов, тяги несущих винтов может не хватить для удержания аппарата и груза в воздухе и даже для их относительно мягкой посадки.

Соотношение шага, диаметра и скорости вращения воздушного винта

Диаметр винта определяет его площадь, в то время как шаг винта – его эффективную площадь, которая и создает тягу. Таким образом, при равных диаметрах, воздушный винт с большим шагом создаст большую тягу и обеспечит большую грузоподъемность  при бОльших затратах мощности.

Увеличение скорости вращения воздушного винта увеличит скорость и маневренность летательного аппарата, однако наложит ограничение на полезную нагрузку вне зависимости от затраченной на подъем мощности. В то же время, сила тяги (и соответственно, затраченная на вращение винта мощность), увеличивается при увеличении эффективной площади воздушного винта. Это означает, что больший диаметр или шаг воздушного винта позволит создать большую тягу при той же скорости вращения и поднять большую полезную нагрузку.

При выборе комбинации компонентов винтомоторной группы вашего квадрокоптера, в первую очередь, необходимо определить его будущее назначение. Например, если вам нужна высокая стабильность для полетов со значительной нагрузкой типа видеокамеры, ваш выбор – двигатель с меньшей скоростью вращения, однако значительным крутящим моментом и несущие винты большего диаметра или со значительным шагом.

• Как сделать квадрокоптер своими руками - 1
• Как сделать квадрокоптер своими руками - 3
• Как сделать квадрокоптер своими руками - 4
• Как сделать квадрокоптер своими руками - 5

(A-Z )