Дрон своими руками: Урок 2. Рамы.

Дрон своими руками: Урок 2. Рамы.

Содержание

Введение

И так, перед тем как приступить к сборке дрона, первым делом необходимо выбрать раму. Вы можете исполнить её самостоятельно, либо использовать уже готовые решения (UAV frame kit). Как вы уже смогли заметить, что для создания мультироторных БЛА можно использовать различные типы рам и конфигурации. Поэтому в этом разделе мы рассмотрим распространённые или основные типы рам, материалы исполнения, а также вопросы касающиеся проектирования.

Типы рам БПЛА

Трикоптер

  • Описание: БПЛА, который имеет три луча, каждый из которых соединен с мотором. Передней частью трикоптера принято считать сторону стыка двух лучей (Y3). Угол между лучами может варьироваться, но, как правило он составляет 120°. Чтобы противодействовать гироскопическому эффекту неравномерного числа роторов, а также для изменения угла поворота, задний двигатель должен иметь возможность вращаться (достигается установкой обычного RC серводвигателя). Чтобы исключить из сборки применение сервопривода, используют конструкцию Y4, которая подразумевает соосную установку дополнительного мотора на заднем луче.
  • Преимущества: Необычный внешний вид дрона. Лучших лётных характеристик достигает при полёте в прямом направлении. Цена (для сборки требуется меньшее количество моторов и регуляторов ESC).
  • Недостатки: Асимметричная конструкция. Требует применение сервопривода. Сложность исполнения заднего луча (поскольку сервопривод должен быть установлен вдоль оси). Не все полётные контроллеры поддерживают такую конфигурацию.

Квадрокоптер

  • Описание: «Квадрокоптер» дрон который имеет четыре луча, каждый из которых соединен с мотором. Для «X конфигурации» передней частью квадрокоптера принято считать сторону стыка двух лучей, для «+ конфигурации» передом может считаться продольный луч.
  • Преимущества: Самый распространённый мультироторный дизайн. Простейшая и универсальная конструкция. В стандартной конфигурации лучи/моторы симметричны относительно двух осей. Все доступные на рынке контроллеры полёта могут работать с такой мультироторной сборкой.
  • Недостатки: Отсутствие избыточности (если в системе происходит сбой, особенно в элементах силовой установки, беспилотник падает).

Гексакоптер

  • Описание: «Гексакоптер» имеет шесть лучей, каждый из которых соединен с мотором. Передней частью гексакоптера принято считать сторону стыка двух лучей, но также передом может считаться и продольный луч.
  • Преимущества: При необходимости, конструкция гексакоптера позволяет легко добавить два дополнительных луча и мотора, что позволит увеличить суммарную тягу, в следствии чего дрон сможет поднять больше полезной нагрузки. В случае отказа одного из моторов, допускается вероятность, что дрон сможет осуществить мягкую посадку, а не разбиться. Модульная конструкция рамы. Почти все полётные контроллеры поддерживают эту конфигурацию.
  • Недостатки: Громоздкая и дорогостоящая конструкция. Дополнительные двигатели и детали увеличивают вес коптера, соответственно чтобы получить туже продолжительность полёта, что и у квадрокоптера, необходимо устанавливать более ёмкие АКБ.

Y6

  • Описание: Конструкция Y6 представляет собой тип гексакоптера у которого в основе не шесть лучей, а три, каждый из которых соединён с парой соосно установленных моторов (итого 6 моторов). При этом стоит обратить внимание, что нижние пропеллеры проецируют тягу вниз.
  • Преимущества: Меньшее количество компонентов по сравнению с гексакоптером. Поднимает больше полезной нагрузки по сравнению квадрокоптером. При использовании винтов с встречным вращением исключается гироскопический эффект, как у Y3. В случае отказа одного из моторов, допускается вероятность, что дрон сможет осуществить мягкую посадку, а не разбиться.
  • Недостатки: Более дорогой по сравнению с квадрокоптером из-за использования дополнительных деталей, равноценных по стоимости деталям гексакоптера. Дополнительные моторы и детали увеличивают вес коптера, а значит, чтобы получить то же время полёта, что и у квадрокоптера, необходимо будет использовать АКБ большей ёмкости. Как показывает практика, тяга полученная на Y6, немного ниже чем у обычного гексакоптера, вероятно, потому, что нижний винт влияет на тягу верхнего винта. Не все полётные контроллеры поддерживают такую конфигурацию.

Октокоптер

  • Описание: У октокоптера восемь лучей, каждый из которых соединен с мотором. Передней частью гексакоптера принято считать сторону стыка двух лучей.
  • Преимущества: Больше моторов = больше тяги, и соответственно повышенная избыточность, позволяющая дрону уверенно перемещаться с тяжёлыми и дорогостоящими DSLR камерами.
  • Недостатки: Больше моторов = более высокая цена и большой АКБ. Ввиду своей дороговизны актуален только для профессиональной сферы.

X8

  • Описание: Конструкция X8 по-прежнему является октокоптером, только не с восемью, а с четырьмя лучами, каждый из которых соединён с парой соосно установленных моторов (итого 8 моторов).
  • Преимущества: Больше двигателей = больше тяги, и соответственно повышенная избыточность. Больше шансов мягко посадить дрон в случае отказа мотора.
  • Недостатки: Больше моторов = более высокая цена и большой АКБ. Ввиду своей дороговизны актуален только для профессиональной сферы деятельности.

Размер БПЛА

Беспилотники бывают разных размеров, от «Нано», которые меньше ладони, до крупногабаритных, которые можно перевозить только в кузове грузовика. Для большинства пользователей, которые только начинают познавать беспилотное хобби, оптимальный диапазон размеров, предлагающих наибольшую универсальность и ценность, находится в пределах от 350мм до 700мм. Размером рамы является диаметр наибольшего круга пересекающего каждый из моторов. Запчасти для БПЛА таких размеров имеют широкий спектр цен и самый большой выбор доступных продуктов.

Материалы исполнения БПЛА/Конструкция

Ниже приведены наиболее распространенные материалы исполнения используемые для изготовления рам мультироторных дронов, соответственно список не полный. В идеале рама должна быть жёсткой с минимально возможной передачей вибрации.

Поролон (Пена) — как единственный материал для изготовления рам БЛА используется редко, и, как правило, в комбинации с жёстким каркасом или усиленной конструкцией. Также может применяется в стратегических целях; в качестве защиты несущих винтов (пропеллеров), шасси, не редко выступает в качестве демпфера. Поролон может быть разных типов от мягкого до относительно жёсткого.

Дерево — если в приоритете дешевизна конструкции, то дерево — это отличный вариант, который значительно сократит время сборки и изготовления запасных частей. Древесина достаточно тверда и является проверенным временем материалом. Важно чтобы при изготовлении рамы использовалась идеально прямая древесина (без изгибов и деформации).

Пластик — для большинства пользователей доступен только в виде пластиковых листов. Имеет тенденцию к изгибу и как таковой не идеален. Отлично подходит для изготовления защитного каркаса или шасси. Если вы рассматриваете возможность 3D печати, следует учитывать временной интервал изготовления (возможно проще купить комплект дооснащения UAV frame kit). 3D печать деталей отлично себя зарекомендовала при создании небольших квадрокоптеров.

Алюминий — доходит до потребителя в различных формах и размерах. Вы можете использовать листовой алюминий для исполнения корпуса, либо экструдированный алюминий для реализации лучей дрона. Алюминий не такой лёгкий, по сравнению с углеродным волокном или G10, зато цена и долговечность выступают главными преимуществами материала. Вместо разрушения или трещин, алюминий имеет склонность к изгибу. Для работы с материалом требуется только пила и дрель.

G10 (разновидность стекловолокна) — не смотря на то, что внешний вид и основные свойства практически идентичны с карбоном (углеродным волокном), является менее дорогим материалом. В основном доступен в листовом формате и используется для реализации верхних и нижних пластин рамы. Также в отличии от углеродного волокна, G10 не блокирует радиочастотные волны.

PCB (Печатная плата – пластина из диэлектрика) — по сути аналог стекловолокна, но в отличии от последнего всегда плоские. Иногда используется в качестве верхних и нижних пластин рамы, с целью уменьшения количества используемых деталей (например, плата распределения питания часто встроена в нижнюю панель). Рамы нано/мини квадрокоптеров могут быть исполнены из одной печатной платы включающей в себя всю электронную начинку.

Углеродное волокно — самый востребованный материал из-за лёгкого веса и высокой прочности. Процесс изготовления по прежнему исключительно ручной. Как правило серийно производятся простые формы, такие как плоские листы, трубчатые комплектующие; исполнение сложных трехмерных форм осуществляется на заказ.

Дополнительные соображения

  • Подвес — чаще всего используется для стабилизации камеры (FPV/Аэросъёмка). Как правило устанавливается под рамой в соответствии с центром тяжести БПЛА. Может крепиться напрямую к раме, либо посредством направляющих. Для стабилизации изображения рекомендуется использовать двух, либо трёх осевые подвесы. Требует увеличения длинны посадочных опор.

  • Полезная нагрузка (транспортировочная) — в любительской сфере является чем-то вроде роскоши, так как любой дополнительный вес не только сокращает время полёта, но и приводит к отказу в использовании дополнительных элементов, которые могли бы добавить беспилотнику ключевых функций. При проектировании следует понимать, что транспортировочный кейс должен быть максимально лёгким и в тоже время прочным, а также сам груз должен жёстко крепиться, исключая любое перемещение в полёте.

  • Посадочные опоры — несмотря на то, что некоторые БПЛА приземляются непосредственно на раму (как правило исключаются для снижения веса), применение в конструкции посадочных опор обеспечит зазор между нижней частью БПЛА и неровной поверхностью, а также в случае жёсткой посадки принимают удар на себя, увеличивая шансы на спасение таких важных элементов дрона как камера, подвес, АКБ и рама.

  • Монтаж — несмотря на то, что проектировать и изготавливать беспилотник значительно проще, чем обычный вертолёт, расположение каждого элемента следует продумать в самом начале процесса проектирования.

Общие рекомендации по монтажу:

  1. При создании рамы с нуля, важно, обеспечить точное расположение четырёх монтажных отверстий посредством которых осуществляется крепёж моторов к раме.
  2. Большинство моторов для рам размером от 400 — 600мм имеют одинаковую схему монтажных отверстий, что позволяет использовать раму от одного производителя, а моторы от другого.
  3. Расположение всех дополнительных компонентов в идеале должно быть симметрично относительно одной оси, что в последствии поможет облегчить поиск и регулировку центра масс беспилотника.
  4. В идеале контроллер полёта должен быть расположен в центре круга (и как таковой в центре масс) соединяющего все моторы.
  5. Контроллер полёта обычно крепится к раме при помощи стоек, резиновых демпферов или двухстороннего скотча.
  6. Многие производители используют одинаковое расположение монтажных отверстий для контроллера полёта (например, квадрат 35мм либо 45мм), но как токового «промышленного стандарта» не существует.
  7. АКБ достаточно тяжелая, и если центр масс вашей сборки немного сдвинулся, вы можете отрегулировать его переместив слегка батарею.
  8. Убедитесь, что крепление АКБ немного «играет», но в тоже время обеспечивает надёжную фиксацию батареи.
  9. Ремни с липучей основой часто используются для фиксации АКБ, тем не менее не будет лишним добавить двухсторонний скотч между батареей и рамой.

Методические рекомендации

Шаг 1: Посмотрите, какие материалы и инструменты для их обработки имеются в вашем распоряжении.

  • Если арсенала ваших возможностей не хватает для реализации кастомной рамы или вы просто хотите получить профессиональную раму, подумайте о приобретении UAV frame kit.
  • Даже если рама исполнена с использованием необходимого инструмента и из основных материалов, она всё равно может иметь структурно слабые места вызывающие излишнюю вибрацию, либо смещение. Процесс изготовления требует острое зрение и опыт.
  • Изготавливая раму самостоятельно, продумайте крепёж всех необходимых элементов дрона; моторы, электроника и т.д.

Шаг 2: Перечислите все дополнительные (вспомогательные) части, которые вы планируете включить в сборку.

  • Это могут быть одно-, двух-, либо трех осевой подвес для камеры, парашют, бортовой мини компьютер, полезная нагрузка, дальнобойная электроника (как правило утяжеляет и увеличивает сборку), плавучие средства и т.д.
  • Полученный список дополнительных/вспомогательных частей позволит получить представление о размерах беспилотника и рассчитать общую массу.

Шаг 3: Поразмышляйте о предполагаемых размерах рамы.

  • Большая рама — необязательно большой потенциал дрона, и не факт, что рама меньших размеров сделает сборку дешевле.
  • Дрон построенный на раме размером от 400 — 600мм рекомендуется для начинающих.

Шаг 4: Спроектируйте, соберите и протестируйте раму.

  • Если вы приобрели комплект дооснащения (UAV frame kit), то вам не о чем беспокоится касательно прочности, жёсткости и сборки.
  • Если вы решили спроектировать и изготовить раму с нуля, важно будет проверить её прочность, вес, и убедится, сможет ли конструкция противостоять вибрации (минимальным изгибом).
  • Подумайте об использовании специализированного программного обеспечения для моделирования (многие из них бесплатны, например, Google Sketchup), чтобы спроектировать раму и убедиться в правильности выбранных размеров.

Теперь у вас есть рама и вы можете переходить к следующему уроку.