Квадрокоптер

Очередная жесткая посадка.

2

Уроки пилотирования продолжаются. Основная проблема с которой я пока не могу справиться — при поворотах (крен, тангаж) подъемная сила направлена не вертикально вверх, а под некоторым углом к земле. Врезультате этого коптер теряет высоту и необходимо добавлять газ. Но с увеличением газа увеличивается и горизонтальная скорость. Я не успеваю реагировать на его поведение. Как результат — квадрокоптер со всего разгону врезается в землю под углом градусов 45. Последнее приземление оказалось самым неудачным. В раме отломался один из лучей и снесло три пропелера. Думал последствия будут более серьезные.

Фотка всех запчастей, на которые я его разобрал для ремонта: https://picasaweb.google.com/117527183765055955248/Quad02#5718748505891652210

Ссылки на другие посты по теме:

Все посты про квадрокоптер:

Квадрокоптер. Развитие идеи.

0


Весной 2011 года на кайт-фестивале попался ко мне в руки воздушный змей сшитый для целей аэрофотосъемки. Специальная конструкция змея обеспечивает максимальную стабильность даже при медленном ветре и не требует особых усилий в запуске и пилотировании. Требовалось только создать подвеску для фотоаппарата и механизм, обеспечивающий поворот фотоаппарата и спуск затвора.
С электроникой много мучиться не пришлось, благодаря наличию конструктора Arduino с программируемым микроконтроллером. Первый пробный запуск кайта с фотоаппаратом состоялся уже в мае 2011 в житомирской области. Несколько фотографий в альбомах Picasa
Дальнейшее развитие идеи я описывал на кайт-форуме

После летнего сезона запусков кайта стали понятны некоторые недостатки такого метода аэрофотосъемки. Первое и основное — в наших краях слабый ветер при хорошей погоде. Очень редко бывают дни, когда одновременно есть чистое небо, яркое солнце и ветер хотя-бы 3-4 метра в секунду. Второе — необходимо наличие большой площади для запуска змея. Из-за того, что при земле, как-правило, ветер медленнее и с большим количеством турбулентных потоков, нужна большая площадка без домов, дорог, линий электропередач и прочих объектов, на которые запросто может упасть змей, попав в зону турбулентности.

Осенью мне на глаза попалась пара статей про самодельные квадрокоптеры на базе контроллера Arduino. Авторы вдохновили меня на самостоятельное создание летательного аппарата с четырьмя двигателями. Конструкция обещала быть достаточно мощной и устойчивой для подъема фотоаппарата и доставки его в нужную точку.

(more…)

Квадрокоптер. Проектирование.

0

В предыдущей части я описывал источник своего вдохновения.
Теперь настала очередь рассказать как я проектировал квадрокоптер. В наших краях есть несколько моделистов, которые создали и успешно используют коптеры в коммерческих целях. Я нашел их на форуме Modelka. Но таких людей немного и обширного распространения идей квадрокоптеров пока нет. Зато на европейских и американских форумах уже есть много наработок в этой области. Есть и готовые решения как для развлекательных целей (например ar parrot drone) так и для коммерческих нужд. Цена квадрокоптера в сборе может колебаться от $200 до $5000 в зависимости от степени выполняемых задач. Идея купить готовый аппарат меня не очень интересовала, поскольку интересно было собрать самому и разобраться в тонкостях его работы. Заодно попрактиковаться в полетах на дешевой модели. Не очень хочется за 10 секунд разбить дорогую модель и заказывать потом новую за бешеные деньги.

Электроника.
Я нашел достаточно хороший американский проект AeroQuad. Ребята сделали несколько вариантов электроники и ведут open-source разработку прошивок. На сайте есть Wiki с подробной информацией по деталям, сборке, пайке, прошивке и т.д. За основу я взял бюджетный вариант AeroQuad на контроллере Arduino Mega и с платой расширения на которую устанавливаются инерционные датчики (гироскоп, акселерометр), магнитный компас и барометр. Прелесть этого решения заключается в том, что комплектующие достаточно доступны по адекватным ценам и есть хороший запас на развитие проекта. Платформа позволяет подключать видеокамеру с сервостабилизацией и наложением на видеосигнал некоторой информации с самого контроллера (высота, направление, расход энергии т.д.). Можно подключить GPS и реализовать автоматическое пилотирование по заданной траектории. Также есть возможность подключения датчиков расстояния и реализовать возможность автоматического взлета и посадки.
С электроникой определились. Теперь дело за механикой и шасси.

Конфигурация.
Для создания подъемной силы можно использовать множество вариантов конфигураций — от 3-х до 8-и двигателей, размещенных треугольником, крестом, звездой и даже соосно. Я выбрал Х-образную конфигурацию с четырьмя двигателями.

Рама.
Для установки двигателей я пытался использовать фанерную раму с Хоббикинга, она оказалась ненадежной и я от нее отказался. Позже отдельно отпишусь почему. Пришлось самостоятельно сделать другую раму. На радиорынке купил несколько кусков текстолита, а в строительном магазине алюминиевый профиль квадратного сечения. Несколько часов с лобзиком и дрелью и рама готова.

Двигатели.
Сейчас хобби-промышленность выпускает огромное количество бесколлекторных двигателей для разных типов моделей — авто, авиа, лодок и т.д. Какие использовать на квадрокоптере — это вопрос довольно сложный. Слишком много переменных. Основные характеристики — напряжение питания, сила тока в рабочем режиме и в пиках, размещение ротора, тип крепления, диаметр и длина вала, количество обмоток и витков на обмотках, количество оборотов на вольт. Я выбрал turnigy 2830, но это не самый лучший вариант. В отдельной статье опишу свой опыт работы с бесколлекторными двигателями.

Регуляторы хода.
Или ESC. У регуляторов тоже множество параметров и требований по совместимости, но с выбором меньше всего проблем. Основные параметры — рабочий ток, пиковый ток, возможность управления бесколлекторным двигателем. Я взял дешевый вариант — hobbyking 30A esc и программатор к нему. Пока что мне его вполне хватает.

Аккумуляторы.
Я взял пару аккумуляторов. Один малой емкости для питания микроконтроллера и один на 3Ач для питания двигателей. К аккумуляторам нужно зарядной устройство и источник напряжения. Я рассчитывал сэкономить на блоке питания и использовать автомобильную зарядку, но с ней не очень хорошо получается заряжать из-за особенностей её работы. Сейчас я держу дома старый свинцовый аккумулятор от источника бесперебойного питания и использую его для зарядка аккумуляторов квадрокоптера.

Всякая полезная мелочь.
Для соединения всей электроники между собой нужно бесчисленное количество переходников, соединителей, разъемов, проводов, термоусадки и др. Я дополнительно заказывал пачку 5мм буллет коннекторов для аккумулятора, пачку 3,5мм буллет коннекторов для подключения двигателей и регуляторов, несколько термоусадочных трубок для изоляции и газовую горелку для пайки контактов. Также мне понадобилось некоторое количество velcro стяжек для разборного крепления аккумуляторов и некоторых деталей, несколько десятков пластиковых стяжек 3М для жеского крепления проводов к раме. Нужен еще пенопласт или плотный поролон для зашиты некоторых частей коптера и пластиковые пищевые коробки для защиты электроники. Ну и скотч (всмысле липкая лента).

(more…)

Квадрокоптер. Микроконтроллер.

0

В предыдущих частях я описывал общую концепцию идеи. Теперь подробнее об электронике.
Микроконтроллер.
Нельзя сказать что это самая важная часть коптера, так же, как нельзя сказать, что у машины передние колеса важнее задних. Но несомненно, это наиболее сложная и ответственная часть аппарата. Благо, развитие любительского коптеростроения уже дошло до той точки, когда появилось множество промышленно производимых деталей специально для коптеров. Это касается и электроники. Сейчас есть несколько основных вариантов “мозга” для коптеров:

  • OpenPilot
  • Wii copter
  • HobbyKing Quadcopter Control Board
  • AeroQuad

Идея всех этих контроллеров приблизительно одинакова — всю математику берет на себя чип от ATmel плюс несколько инерционных датчиков. Как мне кажется, Wii коптер — это самое удивительное решение. Оно состоит из Arduino Nano или любого другого Arduino или его клона и инерционных датчиков, которые достаются из джойстиков от приставки — акселерометра и гироскопа. Прошивка под него open-source. стоимость решения около $40.
Контроллер от хоббикинга — самое простое решение. В нем трехосный гироскоп и процессор Atmega 48. Стоит около $15.
С OpenPilot я не сталкивался, но многие хвалят.

Для себя я выбрал вариант от AeroQuad. Преимущества этого варианта для меня заключаются в том, что это коммерческий продукт, разработкой которого занимается американская контора. Они разрабатывают платы расширения для Arduino и пишут несколько прошивок при поддержке сообщества пользователей. Решение от AeroQuad поддерживает возможность дальнейшего расширения при закупке базовой модели. Т.е. можно взять некую базовую комплектацию и постепенно ее апгрейдить докупая совместимые компоненты или у самих аэроквадовцев или в других магазинах. Кроме того на сайте производителя есть обширная wiki-документация по сборке, настройке, подбору компонентов и разработке собственного кода. Для меня этот вариант также особенно удобен из-за того, что я уже сталкивался с конструкторами Arduino и имею некоторый опыт программирования этих платформ.

Для своего коптера я сразу заказал практически максимальную комплектацию для того, чтобы снизить расходы на доставку. Я взял AeroQuad v2.1 Kit, в состав которого входит:

  • Arduino Mega 2560
  • AeroQuad v2.1 Shield
  • Stackable Header Pins to connect the Shield to an Arduino
  • DC Connector to power Arduino
  • Sparkfun 9DOF Sensor Board
  • BMP 085 Barometer

Кроме того я заказал MAX7456 On Screen Display. Это плата, которая накладывает произвольный текст на видеосигнал. Нужна для вывода навигационной информации на видео при пилотировании с использованием видеокамеры.

Вот здесь есть фотографии набора в собранном состоянии. Это зеленая плата с красными датчиками. Синяя плата — это Arduino Mega. К ней и подключается этот shield.

Комплектующие присылают в разобранном состоянии и необходимо потратить некоторое время с паяльником для сборки. Сложностей особых нет, поскольку процесс сборки детально описан в вики на сайте аэроквада. После сборки нужно скачать прошивку, немного ее поднастроить и через Arduino IDE закачать в микроконтроллер. С этим сложностей нет. После того как прошивка залита нужно с помощью графического AeroQuad конфигуратора произвести настройку передатчика и откалибровать датчики. Процесс тоже довольно подробно описан в документации.

(more…)

Квадрокоптер. Двигатели.

0

Выбор двигателей для коптера не составляет особой проблемы. По-крайней мере для простой модели, к которой не предъявляются какие-то сверхтребования. Рекомендуемые модели на данный момент такие:

  • Hextronik DT750
  • Turnigy 2217 16turn 1050kv
  • TowerHobbies BP A2217-9 950kv
  • Hacker Style 20-22L
  • TowerHobbies BP A2212-13 Brushless Outrunner Motor
  • Hextronik 24gram 1300kv

Цена на эти моторчики может меняться в зависимости от дилера, но в среднем должна быть от 8 до 20 баксов. Я закупался на хоббикинге и выбрал подходящий по параметрам Turnigy 2830 Brushless Motor 1000kv. Производитель заявляет следующие параметры:

Dimension: 32mm x 28mm, 48mm(with shaft)
Weight: 54g (kv1000) (not including connectors)
Diameter of shaft: 3mm
Length of front shaft: 15.8mm
Lamination thickness: .2mm
Magnet type: 45SH

Max performance
Voltage: 2-3S
Max current: 12~18A/20S
Prop: 9×6~10×4.7
Thrust: 500~900g
For 500~800g model airplane.

Электрические параметры:
2-3s обозначает количество банок в литий-полимерной батарее. В данном случае от 7 до 12 вольт.
Max current это токи потребления. 12А нормальная работа, 18А пиковая нагрузка.
Prop 9×6~10×4.7 — это рекомендуемые размеры пропеллеров. первое число — это длина в дюймах, второе число — это расстояние в дюймах, которое проходит пропеллер за один оборот.

Еще два важных параметра — это outrunner/inrunner и расположение крепежных отверствий. Нам нужен outrunner (у него вал вращается вместе с корпусом) и крепление снизу. Я ошибочно взял мотор с верхним креплением, но на ходовые характеристики это не повлияло.

Мотор к раме крепится с помощью так называемого мотормаунта. В общем случае это косок алюминия или текстолита, который одним концом крепится к паме, а другим к мотору. Нужен он для защиты от разрущения и гашения вибраций. В случае неудачного приземления должен сломаться мотормаунт, а не двигатель или рама.


Для подключения двигателя к регулятору хода используется разъем, который называется буллет или банана коннектор. Я заказывал на DX, из-за того, что в Киеве 3.5мм коннекторы стоят по 12-20 гривен за пару. Этих коннекторов нужно много. Каждый двигатель имеет по три фазных провода , которые нужно подключить к трем проводам регулятора. И сам регулятор нужно двумя проводами подключить к шине питания. Итого по 10 коннекторов на один двигатель. (5 “мам” и 5 “пап”). К коннектороам неплохо сразу купить разноцветную термоусадку. Красный и черный цвет обязательно для полярных соединений и третий, например желтый для подключения двигателя. Термоусадку можна заказать у китайцев, но дешевле и быстрее купить на радиорынке по 2 грн за одну метровую трубку. Для пайки этих соединений я использую газовую горелку.

(more…)

Квадрокоптер. Пропеллеры.

0

С пропеллерами довольно много мороки. Если с выбором размера особых сложностей нет (в параметрах двигателей указываются допустимые размеры), то выбор производителя и поиск подходящей цены довольно затратен по времени. Бывает сложновато найти у одного поставщика недорогие пропеллеры прямого и обратного хода одинакового размера в большом количестве и в наличии. Например, сейчас на хоббикинге доступны комплекты по 6 шт GWS 203x152mm: прямой ход и обратный. Пропеллеров нужно много из-за того, что на начальных этапах освоения техники пилотирования ломаться они будут постоянно. Сейчас я практически на каждой посадке теряю как минимум один. И две пачки по 6 штук уже заканчиваются. На фотке слева видно, что от него остается при неудачном приземлении.

Беда дешевых пропеллеров — это неточная балансировка. Перед установкой их на вал двигателя желательно с помощью наждачки и инструмента для балансировки довести их до состояния, когда обе лопасти имеют одинаковый вес. Даже из-за незначительной разбалансировки пропеллеры могут войти в резонанс на некоторых оборотах и оторвать двигатель или разломаться на ходу. Ситуация не из приятных.

Работа с пропеллерами требует особой осторожности. Прежде всего не рекомендуется подключать питание к двигателям, на которые установлены пропеллеры, если Вы не собираетесь взлетать. Эта пластиковая штуковина, вращающаяся на скорости несколько тысяч оборотов способна серьезно травмировать. Я стараюсь без защитных очков и перчаток не подходить к работающему квадрокоптеру.

(more…)

Квадрокоптер. Регуляторы хода.

2

Регулятор хода — это электронное устройство, которое управляет подачей тока на обмотки двигателя. Регулятор выбирается по множеству критериев. Окончательного понимания всех тонкостей его работы у меня до сих пор нет, поэтому детально рассказать не смогу. Расскажу то, что знаю о своем HobbyKing 30A BlueSeries Brushless Speed Controller.

Два цветных провода с одной стороны — это подключение источника питания. Тут главное не перепутать полярность. Люди, которые профессионально занимаются авиамоделированием и ремонтом электроники, говорят, что большая часть сгоревших регуляторов из-за несоблюдения полярности при подключении. Итак красный – это плюс, черный – это минус. Буллет коннекторы желательно припаивать таким образом, чтобы на одном проводе был разъем “папа”, а на другом “мама”. Это поможет избежать части проблем. Также нужно соблюдать напряжение. Если батарея 3S (12v), то и контроллер должен быть 3S или 2-3S и двигатель 2-3S. Во время работы регулятор может нагреваться до 120 градусов, так что нужно позаботиться о теплоотводе. Я прикрепил его алюминиевому профилю горячей стороной. Будем надеяться, это ему поможет.

Три провода с другой стороны подключаются к двигателю. Поскольку двигатель много полярный, то тут нет полярности типа “+” или “-“. Ток между обмотками может течь в любом направлении. Припаиваем прямо к выходам двигателя или через буллет-коннекторы. Соединения хорошо изолируем.

Тонкий разноцветный провод используется для подачи управляющих сигналов на регулятор от приемника (при прямом подключении) или от микроконтроллера (наш случай). Через этот же разъем регулятор программируется с помощью специального устройства, которое стоит около 4х баксов. При начальной настройке нужно настроить два регулятора на прямой ход и два на обратный. Можно поднастроить еще некоторые параметры. Например, что делать при отключении управления — принудительно тормозить двигатель или дать ему вращаться по инерции. Можно настроить порог отключения двигателей при разряде батареи и кое-что еще. К программатору и регуляторам прилагается обширная инструкция. Можно обойтись и без программатора — регуляторы можно настроить через пульт ДУ. Но там какая-то мутная процедура.

(more…)

Квадрокоптер. Аккумуляторы.

1

Я использую два разных аккумулятора. Один большой емкости для питания электродвигателей и один поменьше для управляющей электроники. Сделано так для того, чтобы снизить влияние помех от работы двигателей на работу электроники.

Силовой аккумулятор (назовем его так). Я использую Turnigy 3000mAh 3S 20C Lipo Pack. Основные характеристики:

Minimum Capacity: 3000mAh
Configuration: 3S1P / 11.1v / 3Cell
Constant Discharge: 20C
Peak Discharge (10sec): 30C
Pack Weight: 253g
Pack Size: 147x 46x 18
Charge Plug: JST-XH
Discharge Plug: HXT-4mm

Ну с capacity тут все понятно 3 Ампер-часа.
Конфигурация 3S1P означает, что внутри упаковки установлено 3 последовательно соединенные банки.
Discharge 20/30C означает, что аккумулятор может постоянно отдавать ток в размере 20 * 3 = 60А. И в пиках 30 * 3 = 90А. Буква “C” это единица емкости. Она равна емкости аккумулятора в амперах (в моем случае = 3).
Есть еще один параметр — ток заряда. На картинке не видно, но на самом аккумуляторе написано “не заряжать током более 2С”. Т.е. максимальный ток заряда 6 Ампер.

Есть еще аккумуляторы в конфигурации 3S2P это значит, что установлено три банки последовательно и параллельно еще три банки. Такая конфигурация удваивает емкость при том же напряжении. Есть еще другие типы батарей более высокой емкости. Например, литий-феррум-фосфатные, но у меня нет опыта их применения.

Второй аккумулятор, который я использую — это Rhino 610mAh 2S 7.4v 20C Lipoly Pack. Нужен для питания микроконтроллера. Отличается тем, что в нем только две банки (7 вольт мне достаточно) и меньшая емкость — 610мАч.

Для заряда аккумуляторов я использую устройство заряда и балансировки Turnigy Accucel-6 50W 6A Balancer/Charger
Устройство умеет заряжать NiMH. NiCd, свинцовые и литий-полимерные аккумуляторы. Может разряжать, балансировать и переводить в режим хранения. Имеет таймер отключения, контроль заряда по напряжению и счетчик закачанных в батарейку ампер. Питается устройство от любого источника с напряжением от 10 до 18В. Я заряжаю большой свинцовый аккумулятор автомобильной зарядкой и использую его для питания этого устройства. При прямом подключении Turnigy Accucel к автомобильной зарядке невозможно использовать для заряда токи более 0,5А. Очевидно, какая-то особенность самой автомобильной зарядки. Как вариант, можно заказать блок питания специально для этого Accucel за 9 баксов на хоббикинге.

Что касается мер безопасности при работе с аккумуляторами. Литий-полимерные аккумы очень опасны. При разгерметизации, перезаряде, коротком замыкании могут самовоспламеняться. Я, на всякий случай, держу рядом с аккумуляторами порошковый огнетушитель ВП-2.

(more…)

Квадрокоптер. Пульт управления.

0

Для дистанционного управления нужна специальная аппаратура. Передатчиков и приемников существует великое множество на самые разные бюджеты. Для начала я выбрал дешевую аппаратуру от Хоббикинг за 22 бакса Hobby King 2.4Ghz 6Ch Tx & Rx V2 (Mode 2)

Устройство состоит из 6-канального передатчика и приемника. Работает на частоте 2.4GHz. Для работы использует 8 батареек АА или 12-вольтовый аккумулятор (нужно покупать отдельно). Аккумулятор подключается сбоку стандартным 5мм джеком (на кардачах около 2х грн).
(more…)

Квадрокоптер. Рама.

0

Для начала я заказал дешевую фанерную раму с хоббикинга (она слева на фотке). Ее преимущества в том, что она дешевая, легкая и недорогая. Но недостатков оказалось значительно больше. Во-первых, она оказалась несовместима с моими двигателями. Она рассчитана на двигатели с нижним креплением и мне пришлось колхозить на колене мотормаунты из текстолита. Во-вторых, она недостаточно жесткая. При малейшей разбалансировке пропеллеров ее всю начинает перекручивать и пропеллеры бьются лопастями об раму. В конце-концов я ее практически полностью угробил и решил перейти самодельный вариант. В строительном магазине купил несколько коробок винтов, гаек, шайб, и алюминиевый профиль квадратного сечения, а на радиорынке два куска текстолита. За несколько часов выпилил и собрал Х-образную жесткую раму раму с мотормаунтами.
(more…)

Go to Top