Hogyan építsünk drónokat

...amik repülni is fognak

1. Mi az a multirotor (multikopter), miért jobb/rosszabb mint a helikopter?
A multikopter egy légcsavarokkal a levegőben tartott/mozgatott szerkezet mely a helikopterhez hasonlóan képes helyből fel -és leszállni és kettő vagy több karral/motorral rendelkezik. A leggyakoribb fajtájuk a tricopter (3 kar), Y6 (3 kar de 6 motor), quadcopter (4 kar), hexacopter (6 kar), octocopter (8 kar). Bármilyen más konfiguráció is elképzelhető, ezeknek igazából csak a fantázia és a pénz szab határt.

Helikopter vs. Multikopter:quads-vs-helis
A helikopternek igazából csak 2 előnye van a multival szemben:
– az akrobatikus képessége
– jobban bírja a szelet

Ezzel szemben a multi előnyei:
– a saját barkácsmegoldások könnyedén kivitelezhetőek vele
– ár/értek aranyban jobb video/AP platformot képeznek
– kevesebb rezgést produkálnak mint egy helikopter
– a vezérlők sokszínűsége és ezek többségénél a nyitott forráskód előnyei
– a különböző plusz szenzorok beépíthetősége
– bármilyen egység beépítésére több hely van mint egy helikopteren
– relatíve olcsó fpv (first person view) platform
– repülési idő jó tervezés eseten több lehet mint egy elektromos helikopternél
– jobban néz ki mint egy megszokott kinézetű helikopter
– zuhanás, törés eseten jóval olcsóbb a javítása mint egy helinek
– kezdőknek könnyebben tanulható, főleg autolevel (automatikus magasság tartó) vezérlőkkel

 

2. Milyen alkatrészekből áll egy multirotor?
A teljesség igénye nélkül a következő alkatrészek szükségesek egy minimális quad-partskonfigurációhoz:
– váz
– vezérlő elektronika
– szabályzók (ahány motor annyi szabályzó)
– motorok
– propellerek
– aksi
– rc adó/vevő
– kábelek, kötegelők, szigetelő szalag

 

2.1 Vázak
A legegyszerűbb vázak a saját készítésűek. Elég hozzájuk pár üreges alumínium cső és 2 alumínium vagy üvegszál lap amely felülről és alulról összefogja a karokat. Mivel ma mar rengeteg olcsó váz van forgalomban ezért nem mindenkinek érdemes a műhelyben vázat összebütykölni, kivéve ha ezek specifikus céllal készülnek. Ha mégis szükség lenne rá, a leggyakoribb anyagok a fa, alumínium csövek, üvegszálas és szénszálas csövek.

A vázak fontos tulajdonságai:q450-v3 váz
– törhetetlenség!!! (különösen kezdőknél)
– motor távolság (m2m – 2 szemben lévő motor közti távolság)
– súly
– merevség (fontos lehet például légi filmezésnél)
– javíthatóság
– leszállótalp kialakítása

Jelenleg a piacon lévő legkelendőbb vázak  a quadcopter vagy hexacopter vázak, ezekből is két féle a leggyakoribb: a fröccsöntött karokból es üvegszálas lapokból álló váz, illetve a szénszálas vagy üvegszálas lapokból álló vázak. Ezek 14$-tól sok száz dollárig kaphatóak, kezdőként a 20-30$-os Q450 v3 váz (lásd a képen) teljesen megfelelő. Ebben az árban már általában van hozzá leszállótalp is, ami kezdők szempontjából különösen fontos lehet, tekintettel a sokszori “kemény” leszállásra.

 

2.2 Vezérlők
A vezérlők közös ismertető jegye, hogy mindegyik tartalmaz legalább egy mikrokontrollert és egy giroszkópot. A mikrokontrolleren fut a program ami bele van írva a flash ROM-ba, ez gyártótól függően frissíthető.
A giroszkóp (GYRO) az az egység, amely megmondja a kontrollernek hogy hány fokban és milyen irányba dől a gép. A gyro három tengely mentén érzékel (3DOF), tehát előre-hátra (pitch), jobbra-balra (roll) és a függőleges tengely (yaw) körüli elfordulást.

A vezérlőn elhelyezhető további komponensek, amelyek plusz funkciókat tehetnek lehetővé:naze32
– gyorsulás érzékelő szenzor (ACC)
– barométer szenzor (BARO)
– magnetométer szenzor (MAG)
– GPS vevő (általában különálló egységként)

A plusz komponensekkel az alábbi funkciók válnak elérhetővé:
– autolevel (ACC):  a gép önmagától “vízszintbe” áll ha nem kap semmilyen utasitast az irányítótól
– carefree, vagy headless mode (MAG): a gép vezérléséhez szükséges iránymegadás független az aktuális tengely körüli elfordulástól
– magasság tartás (BARO): a gázkar használata nélkül tartja folyamatosan ugyanabban a magasságban a gépet
– pozíció tartás (GPS+MAG): bármely kar használata nélkül horizontálisan egy helyben tartja a gépet
– return to home (GPS+BARO+MAG): automatikus visszatérés a felszállási pozícióhoz
– köztes pont navigáció (GPS): előre programozott pozíciókra küldi a koptert teljesen automatikusan.

A vezérlők fajtái:naza-m-v2
Kezelésük szempontjából két osztályba sorolhatjuk őket:
1. nem kell “tuningolni”, a dobozból kivéve már használhatóak is (pl. DJI Naza-M)
2. mindenképpen be kell állítani ahhoz hogy a kopter jól kezelhető legyen
(pl. Naze32, fenti ceruzás képen)

Természetesen az 1. fajtánál is kell némi beállítást eszközölni, de ez elhanyagolható a másikhoz képest. Kezdőknek ezek lennének az ideálisak, viszont a technológiájukból kifolyólag sajnos ezek a drágábbak. (60-250$)

A 2. kategória az érdekesebb. Ezekből van pár olyan, amit “nem túl bonyolult” beállítani akár kezdőként sem (30$) és vannak olyanok, amikkel hetekig bajlódik a tapasztalt felhasználó is. Elérkezett az idő, hogy megismerkedjünk a “PID” algoritmussal, mivel ezek a vezérlők valamilyen szinten mind ez alapján működnek.

Mi is az a PID (Proportional-Integral-Derivative):
Amikor a gép helyzete megváltozik (például egy széllökés miatt) a roll/pitch/yaw irányok valamelyikén akkor a gyro érzékeli a változást és elküldi az értékeket a vezérlőnek. A vezérlő egy úgynevezett  PID program ciklust indít el, amely a motoroknak olyan parancsokat küld, hogy azok visszaállítsák a gépet az eredeti stabil helyzetbe.

A PID algoritmus domináns része a “P” érték. Ez adja meg hogy mennyire álljon ellen a gép a kibillenésnek bármelyik tengelyen.
Az “I” érték adja meg, hogy a kibillenés után mekkora erővel próbálja meg visszabillenteni a gépet a vezérlő.
A “D” érték azt adja meg, hogy milyen gyorsan próbál visszakorrigálni a vezérlő.

Ha a P túl magas, a gép oszcillálni (hintázni) fog, ha túl alacsony, akkor eldől valamelyik irányba.
Ha az I túl magas, akkor pontosabban vissza tud állni az eredeti helyzetbe, de tovább tart, ha túl alacsony akkor nem bír visszaállni.
Ha a D túl magas (D-nél az alacsonyabb érték a “magasabb”) akkor túlkorrigál a gép, ha túl alacsony, akkor túl lassan áll vissza.

Sajnos a PID beállítás minden gépen más, ezért nem lehetséges egy “jó” PID beállítást lemásolni azt remélve, hogy ugyanolyan jól fog működni a másik gépen is. Rengeteg dologtól függenek a beállítás értékei, ilyenek például: a váz mérete, gép súlya, anyaga, merevsége, a motorok teljesítménye, nyomatéka, az m2m távolság, a légcsavar átmérője, emelkedése, anyaga, stb.

Nem minden vezérlő használja ezt az algoritmust három értékkel, pl. a HobbyKing KK2.1 csak P és I értékekkel dolgozik (mégpedig meglepően jól).

A naze32 vezérlőjén futtatható Cleanflight szoftver például többféle PID algoritmust is tartalmaz, melyek közül a felhasználó szabadon választhat, sőt még egy autotune nevezetű automatikus tuningoló mód is rendelkezésre áll az egyszerűbb beállítás elősegítésére.

 

2.3 Szabályzók (ESC)
A szabályzók feladata, hogy a motoroknak megfelelő áramot továbbítva szabályozzák a forgási sebességet.
Minden szabályzó minimum egy mikrokontrollerből, az abba programozott firmware-ből (hardver közeli vezérlő szofver) és további elektronikai alkatrészekből áll.
Ezekből legfontosabbak a FET-ek, amelyek a motor felé küldött áramot ki/be kapcsolgatják.

A szabályzóknak két tápbemenete van, plusz(piros) és mínusz(fekete), itt kapjak az akkuról az áramot. A motor felé három kivezetés megy, a vezérlő felé pedig egy három eres kábel. A motorok felé menő három kábel bekötésétől függően jobbra, vagy balra fog forogni a szabályzott motor. Ha a bekötés után nem a megfelelő irányba forog a motorunk, akkor elég megcserélni bármely két bekötést a háromból (amit a motorra kötöttünk) ahhoz, hogy a motor az ellenkező irányba forogjon.

A szabályzó legfontosabb tulajdonsága, hogy mekkora áramot bír átengedni a motorok felé és mekkora feszültségre van tervezve (ezt általában az akku cellaszámmal jelölik, tehát 2S, 3S, 4S, 6S).

Az ESC-k egyéb fontos tulajdonságai, amik a multirotoroknál számítanak:esc
– hány lépésben képes szabályozni a motort
– a firmware optimalizált-e multirotoros felhasználáshoz (ilyen pl. SimonK, BLheli firmware)
– milyen hatékonysággal működik
– van-e benne BEC (battery eliminator circuit)

Mivel nem minden gyártó készíti a szabályzóját multirotorokra optimalizált firmware-rel, ezért sokan megveszik az olcsóbb szabályzókat, majd, multirotorokra optimalizált firmware-rel írják felül az eredetit, igy érve el jobb hatásfokot. Ezt a folymatot hívjuk az úgynevezett “flashelés”-nek.

Általánosságban elmondható, hogy a jelenleg megvásárolható szabályzók jól működnek a különböző vezérlőkkel, de ez sajnos nem mindíg van így. Vásárlás előtt ezért érdemes megbizonyosodni arról, hogy a kiszemelt szabályzónk együtt működik-e majd a vezérlővel (ezt az információt általában fórumokon tudjuk megtalálni).

BEC áramkörös ESC-k: ennek a szerepe a vezérlőnek (és ezen keresztül a szervóknak, vevőnek) szükséges stabil 5V feszültség biztosítása egy maximális lehetséges áramfelvétel mellett (általában max. 2 A).

Ezen áramkörből többféle létezik, a BEC ami nem kapcsolóüzemben működik, így jobban melegszik és az SBEC (switching …) ami kapcsolóüzemű, így jóval hatékonyabb, cserébe zavaró rádiófrekvenciás jeleket bocsáthat ki. Ezek csillapítására általában ferritgyűrűket raknak a vezetékre, ezekről lehet ránézésre is megismerni őket. Van még az UBEC, ami a BEC hatékonyság szempontjából feljavított változata.

esc-optoAz OPTO felirattal jelölt szabályzók lényege, hogy a motor vezérléshez szükséges áram le van választva attól, ami a vezérlő áramellátásához szükséges, a rádiózavarok csökkentése érdekében. Tehát nincs bennük BEC, ezért ezek a szabályzók csak a motornak tudnak áramot adni, ilyen esetben különálló BEC egységről adjuk a tápot a többi eszköznek.

 

 

2.4 Motorok
A mai világban a multirotorokhoz már csak kefe nélküli (brushless) motorokat használnak.

Legfontosabb tulajdonságai:
– mennyi áramot (I) bír el / mekkora max. teljesítményt (W) vesz felbrushless
– milyen Kv értekkel rendelkezik (Kv)
– tolóerő (thrust) egy adott propellerméretre vetítve
– mágnespólusok száma
– mekkora áramot vesz fel terheletlenül (Io) és mekkora a belső ellenállása (Rm)
– outrunner, vagy inrunner (multirotoroknál csak outrunnert használnak)

Az outrunner motorokat nagyobb nyomaték, hűvösebb üzemi hőmérséklet jellemzi. Itt a mágnesek a motor falán helyezkednek el (és ez forog a tengellyel együtt), míg a tekercsek a motor belsejében.
Az inrunner motoroknál viszont pont fordítva van, tehát a tekercsek a motor falán találhatóak, míg a mágnes a belsejében a motor tengelyét veszi körül (hasonlóan,mint egy átlagos villanymotornál). Az inrunnerek magasabb fordulatszámon működnek, viszont kevesebb nyomatékkal bírnak, mint az outrunner.

A Kv érték az 1V feszültségre eső fordulatszámot adja meg “ideális” (100% hatékonyságú) terheletlen motor esetén.
Például egy “ideális” 900Kv-s motor 3S akkuval (11,1V) 9900RPM-en forogna. Minél alacsonyabb ez az érték annál nagyobb a nyomaték (és természetesen kisebb a fordulatszám). A kisebb Kv értékű motorok jellemzően kevesebb áramot fogyasztanak.

A valós fordulatszámot a következő képlettel számíthatjuk ki: RPM = Kv * (V – Vloss) = Kv * (V – I * Rm)

A motor felvett teljesítménye (W) egyenlő a feszültség (V) és áram (A) szorzatával, vagy akár a nyomaték és fordulatszám (RPM) szorzatával.
A leadott teljesítmény a motor hatásfokától függ, de mindíg alacsonyabb mint a bevitt teljesítmény.Ez a hatásfok változik a különböző méretű légcsavarok, akkuk, feszültség és más függvényében. A multirotoroknál a lehető legjobb hatásfok eléréséhez meg kell találni az optimális motor+légcsavar+akku kombinációt.

A valós leadott teljesítmény így számolható ki: W kimenő = (V – I * Rm) * (I – Io)
A motorok hatásfokát a leadott / felvett teljesítmény aránya adja meg. Minél jobb a hatásfok, annál tovább bír a gép a levegőben maradni, így egyes alkalmazásoknál érdemes jó hatásfokú motorokat beszerezni.

Egy gép tervezési fázisában általában a következőket szoktuk megnézni, miután meghatároztuk milyen célra is szeretnénk használni azt:
– lesz-e megfelelő emelőerő a használni kívánt légcsavarmérettel a gép összsúlyánál (AUW)
– lesz-e elég tartalék a motorban ahhoz, hogy nagyobb méretű légcsavart is használhassunk vele
– tudjuk-e az adott motort különböző cellaszámú akkumulátorokkal is használni
– elég jó-e a motor gyártási technológiája (pl. tekercselés minősége) / csapágyazása (pl. Japán NMB)
– a motor kivezetései milyen minőségűek, nem töredeznek / szakadoznak-e
– a tengelyátmérő megfelelő-e a használni kívánt légcsavarokhoz
– a tengely nem fordított-e a motor rögzítése szempontjából
– van-e az adott motorhoz kiegészítő készlet
– a légcsavar rögzítése a motoron milyen módon történik

….folytatás hamarosan!