Грузоподъемность квадрокоптера – одна из самых востребованных характеристик наряду со временем полета. Действительно, если представить, что мог бы поднимать достаточно большой вес и лететь при этом долго и далеко, то цены бы этому чуду техники не было. Прежде всего, это открыло бы путь к полноценной доставке товаров, а также помощи в экстренных ситуациях и . На сегодняшний день в мире разные компании делают первые робкие попытки внедрить квадрокоптеры в различные сферы жизни людей, связанные с подъёмом грузов. Иногда такие инициативы проходят. Так, например, на пляжах Франции уже дежурит несколько квадрокоптеров, способных в кратчайший срок доставить утопающему специальный надувной буй. Или, к примеру, такие знаменитые компании, как интернет-магазин Amazon и служба доставки DHL вовсю разрабатывают и тестируют доставку грузов с помощью дронов.
Конечно, развитие дроностроения шагает семимильными шагами, но на данный момент действительно грузоподъёмный квадрокоптер - это в основном привелегия тех, кто может позволить себе потратить довольно внушительную сумму. Причём с запросом на квадрокоптер, способный поднять 10 и более кг., заказчика скорее всего отправят искать энтузиастов, собирающих дроны вручную под конкретный запрос и конкретные характеристики.
Нам часто задают вопрос, сколько может поднять квадрокоптер? Отвечаем: в среднем до 5 кг, хотя все, конечно же, зависит от модели. Причем стоит учитывать, что указанный вес в основном предназначен для крепления съемочного оборудования – стабилизирующего подвеса и камеры.
Нельзя забывать и о том, что если вы приобретаете не специальный квадрокоптер для перевозки грузов, а обычный, стандартный дрон, пусть даже достаточно большого размера – использовать его в качестве полноценного летательного грузового средства без доработок не получится:
- Во-первых, придется продумывать самодельное крепление.
- Во-вторых, коптер может просто не поднять такой груз в воздух.
- В-третьих, даже если он поднимет, время разряда аккумулятора значительно увеличится, а управляемость снизится из-за неправильной нагрузки и несбалансированной винто-моторной группы.
Да, настоящий грузоподъемный квадрокоптер - Конечно, если только вы не хотите отправить, например, пирожок из одной комнаты в другую – тогда проблем нет:)
Квадрокоптер, грузоподъемность которого позволит поднимать до 10 кг – в настоящее время возможен, но это скорее будет индивидуальная разработка под конкретные параметры. Если квадрокоптер требуется для с/х нужд, то можно обратить внимание на . По заявлению производителя, он способен поднимать до 10 л жидкости и имеет специальное опрыскивательное устройство для орошения полей. Это готовое решение, но с узкой направленностью. Хотя, конечно, можно предположить, что на этом DJI не остановятся и вскоре представят универсальный квадрокоптер большой грузоподъемности, готовый и не требующий никаких дополнительных приспособлений.
Больше повезло тем, кто профессионально занимается кино- и фотосъёмкой: для таких запросов те же DJI постоянно совершенствуют специальные съёмочные квадрокоптеры, способные нести на борту профессиональные кинокамеры. Речь идёт, в частности, о квадрокоптере DJI Inspire 2. Он выпускается даже в нескольких комплектациях. Например, или (без камеры). Этот внушительный по своим габаритам дрон умеет не только таскать тяжеленные камеры (чуть больше 500 гр), но даже обогревать свои аккумуляторы для работы в минусовую температуру!
Для тех, у кого нет ни с/х, ни операторского интереса для подъёма достаточного веса квадрокоптером, советуем рассмотреть различные варианты так называемых полётных платформ. Для подъёма тяжёлого съёмочного оборудования они также могут подойти, но вся их прелесть состоит в том, что упрощённая конструкция позволит крепить различные грузы, не только камеры. Самый выдающийся на данный момент вариант такой платформы - это . Мало того, что эта модель имеет отличный показатель по времени и дальности полёта (до 40 минут и до 5 км. без загрузки), она способна к тому же поднимать до 6 кг. дополнительного веса!
Более скромная по грузоподъёмности, но и более приятная по цене платформа - это : способна поднимать чуть больше килограмма. Время полёта у неё тоже достаточно внушительное - до 40 минут без нагрузки. А вот дальность полёта будект поскромнее - до 2 километров. Но всё-таки как вариант эта модель тоже хороша, ведь мало какой квадрокоптер "из коробки" способен взять даже такой, казалось бы, небольшой вес.
Неплохим вариантом для подъёма небольших грузов (до 1,5 кг.) может стать рама . Правда, дальность и время полёта у неё уже ощутимо меньше, чем у предыдущего варианта, но и цена значитально выгоднее. К тому же, для многих убирающиеся шасси могут стать дополнительной приятной "фишкой".
На этом список мало-мальски грузоподъёмных квадрокоптеров, доступных для широких масс, пока заканчивается. Можно немного продолжить его моделями, справляющимися с дополнительными грузами около 200-300 гр. - ; до 100-150 гр. - , ; но при этом нельзя забывать, что чем меньше и легче дрон, тем сложнее ему справиться с максимальным дополнительным весом. Конечно, даже среднего размера квадрокоптеры с мощными смогут поднять в воздух грузы в 500-1000 гр., но с практической точки зрения это бесполезно, т.к. дрон становится сложноуправляемым, а продержаться в полёте с такой нагрузкой он сможет от силы 2-3 минуты.
Первые шаги в использовании радиоуправляемых дронов уже сделаны, правда, не все они были, к сожалению, удачными. Так, всем известна нашумевшая история о пиццерии из Сыктывкара, где была предпринята попытка доставки пиццы по воздуху. Напомним, что предприниматель был оштрафован на 50 000 рублей за «грузоперевозку без лицензии». Также в интернете есть ролик о SkyCafe, в котором еда буквально прилетает к вам на стол. Другой пример: известная медицинская организация Инвитро также опробовала грузоподъемный квадрокоптер и организовала доставку биоматериалов в Кабардино-Балкарии.
Однако похоже на то, что пока что это в основном частные случаи, потому как явного прорыва в такой характеристике как грузоподъемность коптера пока нет. Связано это с отсутствием на сегодняшний день мощных аккумуляторов, которые бы при небольшом собственном весе и объеме могли выдавать достаточное количество энергии для работы пропеллеров и тяжелой нагрузки. Так что квадрокоптер грузоподъемность 5 кг – реально, а вот квадрокоптер грузоподъемность 100 кг – пока только проект:) Тем не менее время доставки товаров коптерами - всё ближе и ближе.
Сегодня в данной статье Вы узнаете фундаментальные знания о вращательных винтах для квадрокоптера (которые к тому же называют реквизитами). Какие показатели влияют на их производительность и эффективность. Какие формы и сколько лопастей должны быть у пропеллера, чтобы не занижаться тягу.
Что нужно знать: основные определения и понятия
Пропеллеры для квадрокоптеров подразделяются по следующим критериям:
- какая у них длина;
- какой у них шаг;
- какая площадь пропеллеров;
- какое направление вращения;
- какая у них форма;
- и сколько лопастей на каждом пропеллере;
Длина пропеллера и его шаг
Длина и шаг являются главными параметрами определяющие тягу. Во время вращения винта, лопасти образуют диск. Диаметр этого диска и есть длина. Под шагом понимают расстояние, которое винт может преодолеть за одно вращение, в некой плотной среде (если вспомнить шуруп, и то как он вкручивается в доску, то все становится понятно). Величина шага у лопастей квадрокоптера, зависит от наклона самих лопастей, то под каким углом они расположены (угол атаки).
Тяга считается сильной, когда винтомоторная группа (ВМГ) винтами перемещает большой объём воздуха. При увеличении длины, шага или какого-то одного из этих параметров, где скорость вращения остается неизменной, тяга винтов увеличивается. Вместе с этим образуется турбулентность за счет увеличения сопротивления воздуха. И как следствие, большой радиус пропеллера и угол наклона лопастей, потребует больших затрат энергии, за счет чего будет уменьшено время полёта.
Для аэрофотосъёмки идеально подойдут большие пропеллеры с малым шагом, а небольшие винты с большим шагом подойдут для гоночных дронов, которым важна скорость полёта.
Количество и форма лопастей пропеллеров
Стандартным вариантом принято считать пропеллер с двумя лопастями. На большинство маленьких квадрокоптерах ставятся винты с лопастями больше двух. Это позволяет обеспечить более равномерный поток распределения воздуха, и как следствие снизить уровень турбулентности. К тому же, за счет дополнительных лопастей увеличивается и подъемная сила. Таким образом, маленький диаметр винта с тремя (или более) лопастями, способен обеспечить силу подъёма, что и стандартный пропеллер с двумя лопастями и большим диаметром. Отзывчивость квадрокоптера, также зависит от количества лопастей у пропеллера, и чем больше их, тем отзывчивее дрон в полёте. Стоимость таких многолопастных винтов дороже стандартных, и есть сложности в изготовлении и отцентровки данных винтов. Такие винты следует покупать у производителей или официальных дилеров.
Присмотритесь на различия форм окончаний лопастей. Их подразделяют на три категории:
- Normal;
- Bullnose (BN);
- Hybrid Bullnose (HBN);
Винты Normal позволяют сэкономить расход аккумулятора за счет меньшей тяги, и благоприятно влияют на продолжительность полёта не вызывая дополнительного перерасхода энергии. На винтах Normal имеются заостренные наконечники. Равный диаметр винтов BN при их большой площади создает большую тягу. Такое преимущество сопровождается недостатком – уменьшение времени полёта из-за высокого потребления энергии. Имеющиеся утяжелители на кончиках реквизитов, способствуют увеличению крутящего момента и повышают скорость реакции квадрокоптера по оси рысканья. Что касается наконечников HBN, то они находятся между Normal и Bullnose.
Направление вращения
За направление вращение лопастей отвечают двигатели, которые разделяют на два типа:
- CW – крутит пропеллер по часовой стрелке;
- CCW – крутит пропеллер против часовой стрелки;
Принцип установки таких моторов зависит от схемы устройства квадрокоптера. Более наглядно схемы изображены на рисунке.
По кромке лопасти можно определить то, в какую сторону он вращается.
Пластик и карбон: где качество и эффективность
Пластиковые пропеллеры пользуются большей популярностью. Их отличительные черты это:
- пластичность;
- низкая цена;
- большой выбор ассортимента;
- доступность;
Также стоит отметить, что более гибкие лопасти имеют повышенную устойчивость к деформациям при ударах о препятствие, но вместе с тем, имеются погрешности в балансировке.
На рынке также представлены карбоновые лопасти. Карбоновые винты высоки в цене, но обладают рядом положительных критериев:
- прочность;
- эффективность;
- лёгкость;
Также на рынке представлены гибридные пропеллеры из пластика и углеродного волокна. Второй обычно усиливает первый. Пропеллеры такого типа дешевы в цене и не уступают по качеству и жесткости чисто карбоновым.
Под качеством реквизитов понимают то, насколько правильно они изготовлены. Правильное изготовление пропеллеров обеспечивает хороший баланс во время полёта и не создают дополнительную вибрацию ВМГ. Бренды, которые производят лучшие пропеллеры для квадрокоптеров и других летательных аппаратов – это GWS. Также еще рекомендуют APC, которую производят американцы, и EMP с большим ассортиментов товаров, не только реквизитов.
Спецификация и характеристики
Чтобы понять параметры определенного пропеллера, следует смотреть на кодировку. Производители обозначают длину, шаг и количество лопастей в таком формате:
LLPPxB или LxPxB – где L-длина лопасти, P-шаг (указывается в дюймах) и B-количество лопастей.
На примере разберем два разных формата обозначения:
Так первый реквизит с пометкой 6045 (6 на 4,5), говорит о том, что у пропеллера две лопасти (по стандарту), 6-дюймов длина и 4,5-дюйма шаг.
Во втором уже указано количество лопастей 5040 на 3 (5 на 4 и 3), где 3 на конце это, как раз, количество лопастей. А 5 и 4 дюйма, длина и шаг соответственно.
В некоторых случаях указываются обозначения направления вращения. Они указываются латинскими буквами – R и C. Так пропеллеры с пометкой (C) ставятся на двигатели CCW, а с пометкой (R) – на двигатели с CW. Еще некоторые производители указывают аббревиатуры из чего они изготовлены BN, что значит с заостренными наконечниками и утяжелителями или HBN – гибрид пластика и карбона (о них мы говорили выше).
Методы установки
Есть разные способы установки винтов на квадрокоптер. Зачастую вал электромотора - это ничто иное, как металлический штырь. Без каких-либо вспомогательных элементов для установки винта. Для таких случаев используют цанговые зажимы и пропсейверы – это специальные переходники.
При создании своих моделей квадрокоптеров, удобно использовать пропсейверы (см. на фото) Пропсейвер похож на втулку. В боковой части поверхности имеются по одному отверстию с каждой стороны, выполненных симметрично. Такая конструкция устанавливается на вал, и затягивается винтами. Далее пропеллер нужно надеть на вал и закрепить нейлоновыми стяжками, также есть вариант крепления резиновыми кольцами.
Цанговый зажим является более надежным, по сравнению с пропсейвером. Его конструкция построена конусообразной втулкой с резьбовым соединением. Сначала на вал устанавливается цанга, затем идет зажимная втулка с пропеллером и шайбой. Весь переходник закрепляется коком – гайкой, особой формы.
На моторах класса Outrunner, где ротор бесколлекторного электродвигателя находится с внешней стороны, в верхней части конструкции присутствует несколько отверстий, предназначенных для установки различных типов переходников и креплений.
Компания DJI, при производстве своих квадрокоптеров на бесколлекторных моторах, устанавливают самозатягивающиеся гайки. Резьба на валах такого типа двигателей, роторы которых вращаются в противоположенную сторону.
Балансировка пропеллеров с помощью подручных средств
Купленные дешевые пропеллеры не могут быть на 100% сбалансированными, только если это не оптовый сбыт фирменных пропеллеров. Такие пропеллеры негативно влияют на работу ВМГ, что вызывает дополнительные вибрации и вследствие чего появляется “эффект желе” при съёмках видео. Помимо качества записи видео, также страдают и двигатели. Постоянные вибрации оказывают негативное влияние на двигатели, подшипники и шерстни, тем самым увеличивая стоимость обслуживания квадрокоптера.
В данном случае потребует процедура балансировки реквизитов для квадрокоптера. Для её выполнения потребуется:
- винт;
- скотч;
- суперклей (если не нашелся скотч);
- наждачная бумага;
- балансир для пропеллеров (в данном примере рассматривается – Du-Bro Tru-Spin, или можно использовать китайские аналоги, как на видео);
Чтобы приступить к балансировке, установите устройство на ровной поверхности так, чтобы ось была выровнена по горизонтали.
Перед балансировкой лопасти необходимо проверить на отсутствие повреждений, затем установить на ось и немного отклонить в нужную сторону. Далее смотрим на горизонтальное положение пропеллера, удалось ли ему вернуться после отклонения. Если нет, то нужно облегчить более тяжелую лопасть (наждачной бумагой). На более легкую лопасть можно наклеить скотчи или нанести на нее лак для ногтей, если таковой имеется под рукой. В случае если нет ни того ни другого, используйте суперклей.
При повороте балансировочного станка, необходимо удостовериться, что пропеллер держит равновесие в таком положении. Подчеркнем, что все процедуры по утяжелению и облегчению лопастей необходимо производить с внутренней стороны (вогнутых).
Далее проделываем процедуру балансировки ступицы. Перемещаем пропеллер вертикально, и смотрим, если есть отклонения в одну сторону, то утяжелять нужно противоположенную. Утяжелять можно с помощью лака или суперклея. Достигаем баланса, меняем положение – переворачиваем, и удостоверяемся, что баланс достигнут и с другой стороны. На этом балансировка лопастей пропеллера закончена.
Калькулятор eCalc
Для расчета винтомоторных параметров, при создании своих моделей беспилотных летательных аппаратов, есть очень удобный сервис – eCalc. Многие, кто собирает квадрокоптеры своими руками знают про этот онлайн калькулятор. Раздел, где приводятся параметры расчетов для квадрокоптеров, выглядит следующим образом.
Сперва может показаться, что всё понятно. Но следует знать о некоторых моментах, которые сильно влияют на результаты произведенных вычислений.
Первоначально, необходимо указать взлётный вес коптера. Если имеются подвесы и камеры, то их тоже нужно включить в этот параметр. Если сервис показывает Without Drive (что значит “без привода”), то нужно указать общий вес рамы, и вес других составных частей, таких как:
- пропеллеры;
- платы;
- контроллер;
- подвеса;
- камера;
- оборудование для FPV полетов.
Также необходимо прибавить к массе +10%, которую займут провода. На выходе получается искомая цифра полного взлетного веса квадрокоптера.
Указываем общее число роторов, по какой схеме они расположены – одиночной или соосной. Указываем верхнюю планку высоту полёта, погодные условия при полете – температура воздуха и атмосферное давление).
В выпадающем списке предлагается выбрать аккумулятор. При отсутствии нужной батареи, выбирайте ту что ближе подходит по токоотдаче и емкости. Далее, система завершит заполнение полей сама. Указываем вес и структуру батареи. При необходимости установить дополнительные АКБ, в текстовом поле P укажите их число. А в поле Weight указывается их суммарный вес.
Поле этого, в выпадающем списке указываем тип ESC, так называемый макс. ток этих регуляторов.
Указываем производителя моторов. В окне появляется его оценка. По показателям KV указывается нужный образец.
Теперь указываем параметры пропеллеров – тип, диаметр и шаг. По возможности, применяйте винт с максимально допустимым диаметром для данной рамы. Указывайте передаточное число, если у привода зубчатая трансмиссия. Количество зубьев направляющей шестерни к ведомой.
Если система не выдает нужных параметров, то можно указать в текстовом поле Custom. И там указать нужные параметры для расчета в калькуляторе. Имейте ввиду, что в одну ячейку указываются параметры батареи.
После заполнения всех полей, производится вычисления. На выходе вы получите необходимые данные. Они изображены в виде графиков, списков и циферблатов.
RashVinta – программа, которая производит расчет параметров воздушного винта не только для квадрокоптера, но и других летательных аппаратов.
С помощью RashVinta можно делать вычисления с исходными данными, такие как:
Мощность двигателя и диаметр винта;
Мощность двигателя и частота вращения винта;
Диаметр Винта и его шаг.
В первом случае устанавливаем флажок только на параметре “расчет по диаметру винта”. Указываем информацию о размере пропеллера, мощность двигателя, скорость полета – максимальная и средняя. Жмем “Рассчитать” и видим параметры шага и частоту обращения пропеллера.
Во втором случае все отметки снимаются. Далее, как и в первом случае указываем исходную мощность двигателя, также не забываем про частоту вращения винта и скорость летательного аппарата, аналогично первому случаю. Жмем “Рассчитать” и видим все нужные данные по диаметру винта и его шагу.
В третьем случае расчеты производятся на профессиональном уровне. Галочкой отмечаем пункт “указать параметры винта”. Параметры диаметра и шага винта вносим в нужные поля. Жмем “Рассчитать” и видим данные по профилю лопасти винта, его изображение появляется в окне. Можно менять масштаб для его изучения. Все заключения по расчетам сохраняются в виде таблиц в формате date.html, предусмотренном в сборке программы.
В программе есть возможность увидеть профиль лопасти под углом наклона. Для этого отметьте галочкой пункт “Профиль с углом”. И еще можно увидеть точки, который были использованы для расчета – отметьте галочкой пункт “показать расчетные точки”. На принтере данное изображение профиля можно вывести на бумагу в проекции 1:1.
Заключение о сложности процедуры
Как вы уже заметили, работы по подбору и корректировке реквизитов, довольно сложная задача для новичка. Но я надеюсь, что эта статья будет полезна для любителей квадрокоптеров и другой беспилотной авиации, грамотно провести процедуру балансировки пропеллеров, их установки на квадрокоптер с самодельной конструкцией. А также избавиться от ошибок в работе ВМГ серийных моделей мультикоптеров.
Update: В связи с большим интересом именно к этой части, статья от двигателях расширена и дополнена информацией о таких параметрах двигателя как KV и размеры XXYY.
И так, двигатель, или по-другому — мотор.
Как видно из картинки ниже, двигатели могут быть самых разных размеров и иметь разный внешний вид и цвет. Хотя есть и общая черта, которая их объединяет — цилиндрическая форма.
Когда мы говорим о двигателях для летающих моделей, мы, как правило, имеем в виду бесколлекторные (бесщёточные) моторы. Эти моторы очень похожи на обычные. У них тоже есть магниты и обмотки, но нет щеток, для передачи тока к от контактов двигателя к обмоткам. Именно поэтому, они и называются бесщеточными (brushless). Можно считать эти моторы трехфазными. Напряжение подается на обмотки не непрерывно, как у обычных моторов для постоянного тока, а с определенной частотой. Это и заставляет движущуюся часть мотора вращаться. При чем, такие моторы могут вращаться намного быстрее обычных, и при этом еще и не терять энергию на щетках.
Какие характеристики важны при выборе двигателя? По мимо размера, формы, цвета и т.д. следует обратить внимание на две важнейшие характеристики бесколлекторных моторов:
- потребляемый ток (измеряется в амперах А)
- Kv-rating
C первой характеристикой должно быть понятно. Чем выше мощность мотора, тем выше потребляемый ток, при одинаковом напряжении питания. Чем больше ток, тем больше подъемную силу создает двигатель. Ток зависит от оборотов двигателя и нагрузки на него, создаваемой пропеллером.
Kv-rating показывает сколько оборотов своей оси будет совершать двигатель за одну минуту (RPM) при определенном напряжении. Формула вот такая: RPM=Kv*U
Как использовать эти параметры при выборе двигателя? Во-первых, максимальный потребляемый ток говорит нам о том, какой контроллер скорости выбрать (об этом позже). Kv-rating — это аналог лошадиных сил в автомобиле. Мало кто понимает что это такое, но все знают, что 100 лс — это мало, а 600 — это круто. Вот так и тут 🙂
Остановимся подробнее на этом параметре — KV. Сравнение с лошадиными силами хоть и правильное, но не совсем понятное при выборе двигателя под вашу модель. Представьте спортивную машину мощностью 600 лс. Сможет ли она поехать 300 км/час? Думаю да. А сможет ли она сделать тоже самое, если к ней привязать 1т груза? Нет. И даже не сдвинется с места. Не потому, что мощности мало, а потому, что колеса будут пробуксовывать. Что нам нужно для перетягивания 1т груза? Трактор. У трактора может быть меньшая мощность, и маленькая скорость, но большие колеса и крутящий момент позволят потянуть наш груз. И так, мы видим, что одна и та же энергия нужна и для быстрого вращения маленьких колес, и для медленного вращения больших колес. В случае с квадрокоптерами, двигатель с большим KV идеально подходит для маленьких быстро вращающихся пропеллеров (гоночные квадрокоптеры), а двигатели с маленьким KV — для больших дронов с большими пропеллерами.
Типичный двигатель гоночного квадрокоптера имеет KV 2100-2500, тогда как для тяжелых аппаратов, способных поднять несколько килограмм своего веса и столько же груза — 200-900 KV. У гоночных моделей пропеллеры обычно 5-6 дюймов, у больших аппаратов, предназначенных для длительных полетов и фотосъемки — 15-17 дюймов. Представляете, какие нагрузки будут на двигатель, пропеллер и все остальное, если пропеллер размером 15 дюймов раскрутить до нормальных оборотов маленького пропеллера? KV рейтинг двигателя очень важная характеристика при выборе, хотя это и не единственный важный параметр.
Важным параметром при выборе мотора для конкретного аппарата является его подъемная сила (Trust). Измерить подъемную силу можно в разных единицах, хотя правильной является Ньютон, но удобной Килограмм. И так, подъемная сила в 500 грамм означает, что 4 двигателя способны будут поднять 2 кг веса, включая самих себя. При этом, нужен запас мощности. Итого, имеем формулу Сила/1 Мотор = (Вес Коптера x 2) / 4. Для коптера весом 1 кг нужны двигатели с минимум 500 грамм подъемной силы. Все просто.
Еще одной характеристикой двигателя является его эффективность. Не будем останавливаться подробно, но отметим, что двигатель с эффективностью 70% тратит 70% энергии на полет, и 30% на обогрев вселенной, как говорил мой учитель физики. Эффективность двигателя зависит не только от самого устройства, а еще и от других элементов: пропеллера, батареи, контроллера скорости, веса и т.д.
Кроме всего этого, двигатели еще имеют физические параметры, которые отображаются в их размерах. Это высота двигателя, диаметр и количество катушек обмотки. Например, Turnigy Multistar 5130-350 — это двигатель с диаметром статора 51 мм, высотой 30мм и KV 350. Это большой двигатель для больших моделей. А вот этот — Scorpion M-2205-2350KV небольшой, но очень хороший двигатель для гоночных квадрокоптеров. Он 22 мм в диаметре и 5 мм в высоту. Имеет KV рейтинг 2350.
Сам по себе двигатель не может создавать подъемную силу — нужен пропеллер. Пропеллер — это своего рода преобразователь энергии вращения вала двигателя в подъемную силу.
Важнейшими характеристиками пропеллера являются его размер и угол наклона лопастей (Pitch). Размер обычно указывается в дюймах, и тут все понятно. Pitch тоже указывается в дюймах, и означает, на сколько поднялся бы пропеллер за один оборот вокруг своей оси с данным наклоном лопасти, если бы он двигался в плотном веществе.
Меньший пропеллер с меньшим наклоном лопастей меньше сопротивляется воздуху, и соответственно, меньше нагружает двигатель, не давая ему использовать всю свою мощность. Соответственно, очень большой пропеллер будет сильнее нагружать двигатель и приведет к его перегрузке. Таким образом, надо подбирать пропеллеры так, чтобы попадать в допустимые границы рабочих параметров двигателя и создавать достаточную подъемную силу. Стандартным пропеллером для среднего квадрокоптера обычно является пропеллер с характеристиками 8-11/4.5-4.7 Рассчитать параметры пропеллера (и не только) поможет, например, вот этот сайт .
Кроме того, не забудьте, что пропеллеры бывают двух типов вращения: по часовой стрелке и против. Необходимо это для того, что половина двигателей квадрокоптера вращается в одну сторону, а другая половина — в обратную.
Скоро мы рассмотрим несколько двигателей, с точки зрения влияния их характеристик на параметры квадрокоптера и научимся выбирать двигатель под наши задачи.
Очень хорошая статья о выборе двигателя и пропеллеров на английском языке вот .
То тебе нужно в первую очередь знать о том, как заставить «это» взлететь. Здесь есть два важных параметра – пропеллеры, и двигатели. Пропеллеры для квадрокоптера могут быть самыми разными, и каждый несёт в себе совой смысл. Сегодня я объясню тебе основные понятия и принципы, чтобы ты знал, как подобрать пропеллеры для своей модели. Располагайся, заваривай пельмешки, будет долго, и немного больно. Но тебе понравится.
Сразу оговорюсь, что в любом проектировании бывает достаточно много НО. Всё, что я скажу далее, это стартовые знания. Не бойся включать голову и задавать вопросы. Нет такой информации, которую нельзя найти в гугле, или спросить на форуме. Главное- умение ей пользоваться. Поехали!
- «В идеальном мире» — чисто теоретическое понятие, не берущее в расчёт побочные факторы
- Параметр «длинна», это и есть длинна пропеллера. Если точнее, то диаметр окружности, описываемой лопастями
- Параметр «шаг» можно сравнить с шагом резьбы. Это то расстояние, которое может пройти винт за один оборот (по аналогии с шурупом в дереве) . Чем больше угол атаки лопасти, тем больше это расстояние.
«Угол атаки», это Угол наклона лопасти, относительно горизонтальной плоскости - «Тяга», это сила, которая создаётся винтом. Она компенсируется остальными силами реакции (сопротивление воздуха, гравитация). Из этого следует, что пока тяга больше сопротивления – коптер будет разгоняться в направлении, противоположном вектору тяги.
Основные параметры
Количество
Количество лопастей винта влияет на подъёмную силу, стабильность и отзывчивость коптера (в идеальном мире). Чем больше лопостей, тем эти параметры лучше. На самом деле, многолопастные пропеллеры (2+) ставятся только на мелкие дроны. Это происходит из за дороговизны изготовления и сложности балансировки. В большом размере отбалансировать 4 лопасти очень дорого.
Чем их больше, тем стабильнее БПЛА. Малое количество негативно сказывается на управляемости.
Виды лопастей
- Normal (N) – Имеют заострённые на концах лезвия. Это уменьшает тягу, но и снижает расход энергии аккумулятора
- Bullnose (BN) – Бычий нос (Закруглённые). При равном с нормальными диаметре, имеют большую тягу и площадь. За счёт тяжести ведут себя более стабильно, и увеличивают отзывчивость дрона по рысканью. Сильно повышают расход энергии акб.
- Hybrid Bullnose (HBN) – промежуточный вариант. Имеют как и преимущества, так и недостатки предыдущих.
Направление вращения
Для электродвигателей есть два направления вращения. CW – вращение вала по часовой стрелке, CCW – вращение вала против часовой стрелки. Направления нужно или чередовать (так как каждый пропеллер создаёт реакционную силу, которая стремится развернуть то, к чему он прикреплён, в направлении вращения), или размещать соосно на одном луче (тогда реакционная сила одного компенсирует оную у второго. Это более сложная компоновка. Используется, к примеру, на вертолёте «чёрная акула»).
На направление вращения самого пропеллера указывает поднятая кромка. Она смотрит в сторону вращения.
Материал
Пластик – наиболее популярный, но не самый удачный вариант. Пластиковые пропеллеры обладают низкой ценой и очень широки ассортиментом. Обладают разной, но в основном высокой гибкостью и мягкостью. Якобы это увеличивает их устойчивость к механическим повреждениям. На самом деле, любой, даже небольшой дефект лопасти, скорее всего, будет фатален. Там уже не важно, расколется она, или просто помнётся. Всё равно ты её меняешь.
Углеродное волокно – Очень дорого, но очень круто. Великолепная жёсткость, лёгкость. Легко сбалансировать. Это значит, что брака будет меньше. Не теряет форму. Да и наличие чёрных лопастей всегда радует глаз. К ним рекомендуется докупить защиту лопастей для квадрокоптера, ибо их очень легко расколоть.
Композит – внутри пластик, снаружи покрытие из углеродного волокна. Дешевизна пластика, жёсткость и износостойкость (почти) как у карбоновых пропеллеров. Также не очень высокая цена.
Вес
От веса зависит отзывчивость дрона по оси рысканья. Однако, с этим надо быть аккуратным, ибо также увеличивается нагрузка на мотор квадрокоптера.
Эластичность
Эластичность пропеллера улучшает устойчивость оного к перегрузкам и механическому воздействию (не путать с мягкостью).
Качество
Как правило, чем дороже, тем качественнее. Тут может быть много параметров. Основной, это балансировка. Качественный пропеллер балансировать не придётся. Так же важным моментом является качество материала.
Пластик может быть упругим и эластичным, а может быть мягким и НЕ эластичным. С этим нужно быть внимательным. Не смотря на кажущуюся простоту, от качества лопастей напрямую зависят лётные качества коптера.
Спецификация
Есть два типа обозначений.
- L- длинна
- P- шаг
- B- количество лопастей (для двух лопастей может не указываться)
Например, 5045×3 – длинна 5 дюймов, шаг 4.5 дюйма, 3 лопасти.
Иногда приходится гадать. Тот же пропеллер может обозначаться 0545×3.
Например, 5×45х3 – длинна 5 дюймов, шаг 4.5 дюйма, 3 лопасти.
Иногда в конце присутствует буква R или C. Она определяет направление вращения пропеллера.
- R – по часовой стрелке
- C – против часовой стрелки
Иногда в конце присутствует обозначение профиля лопасти. (подробнее смотри выше «виды лопастей»)
- N – нормальная (заострённая)
- BN – закруглённая
- HBN – промежуточная
Методы крепления и крепежи
Пропсейвер – Хороший вариант для проведения эксперементов, когда надо часто снимать и надевать пропеллер. Выглядит как втулка, которая притягивается к валу двигателя двумя винтами. Сам пропеллер надевается сверху, и притягивается резинками к выступающим винтам. Далеко не полетит, но можно побаловаться.
Цанговое крепление – рабочий вариант. На вал насаживается цанга (та, что с прорезями), потом зажимная втулка, пропеллер и шайба. Крепление надёжное и идеальное для полётов.
Outranner – Это не крепление, это разновидность бесколлекторного мотора, в котором ротор (вращающаяся часть) находится снаружи. На их верхней поверхности обычно находится несколько резьбовых отверстий, в которые крепится переходник (коих несметное количество).
Балансировка
Когда ты сэкономишь на пропеллере, ты точно удивишься тому, что он не отбалансирован. Из-за этого он будет вибрировать, на камере коптера ты будешь наблюдать эффект «желе», резьбовые соединения будут ослабевать, а моторы будут изнашиваться очень быстро. Надо балансировать.
Для этого тебе понадобится:
- Пропеллер
- Скотч\суперклей (на свой страх и риск)
- Мелкозернистая наждачная бумага
- Специальный инструмент — балансировщик пропеллеров
- Уровень
- Балансировщик устанавливаешь строго горизонтально.
- Устанавливаешь пропеллер на ось, в горизонтальное положение. Отпускаешь. Одна из лопастей падает вниз.
- Берёшь наждачку, и с внутренней стороны поднявшейся лопасти (с вогнутой) снимаешь немного материала. Не переусердствуй.
- Возвращаешь лопасти в горизонтальное положение. Если одна из них падает – повторяешь предыдущий пункт. Если нет- идём дальше
- Так как балансировщик тоже не лучшего качества- переворачиваешь ось и смотришь по новой. Нужно поймать момент, когда вне зависимости от направления оси, пропеллер будет сбалансирован.
- Молодец.
- Но не совсем. Теперь ступица. Устанавливаешь пропеллер вертикально. Если пропеллер наклоняется вправо- делаешь мазок лаком на левой стороне.
- Добиваешься баланса
- Меняешь направление горизонтальной оси пропеллера. Если всё по-прежнему в порядке- ты отбалансировал пропеллер. Надеюсь у тебя не октокоптер.
- Молодец!
Калькулятор Ecalc
Крайне удобный калькулятор, которые находится на официальном сайте Ecalc . В нём ты сможешь задать те запчасти, которые будешь использовать для своего проекта, а он выдаст тебе (очень) примерную модель поведения коптера.
Давай рассмотрим его поближе, так как он тебе точно пригодится.
Основное
- Тут ты выставляешь основные параметры своей сборки
- Полный вес модели можно указывать «без ВМГ» (винтомоторная группа = пропеллеры и моторы). При выборе пропеллеров и моторов калькулятор сам учтёт их вес
- Количество винтов – соосные винты, это два винта расположенных друг над другом, а одноосные это один винт на одном луче коптера. Для простоты, в нижнем правом углу, калькулятор рисует тебе конфигурацию
- Размеры рамы- По диагонали, от одного конца луча, до другого
- На остальное пока можешь забить. Оно уже стоит по стандарту. Высота, температура и давление может пригодится для расчёта полётных характеристик для разных высот
Аккумулятор
- Из списка выбираешь нужный, или максимально похожий аккумулятор, и состояние заряда «номинал»
- В поле «P» пишешь количество параллельно соеденённых аккумуляторов (если нужно)
Регулятор
- Из списка выбираешь свой регулятор скорости
- В навесном оборудовании пишешь суммарное потребление и вес всей той фигни, что ты хочешь повесить на свой дрон. Камера, диоды, сервоприводы, мелкокалиберные орудия. Если ты уже указал их вес в основном весе модели, то поле вес оставляешь с нулём
Мотор
Выбираешь производителя мотора из списка, и проверяешь по параметрам. Если похоже, то всё нормально, если нет, то продолжаешь «Охлаждение»
Пропеллер
- Выбираешь тип пропеллера из списка. Угол кручения (угол атаки), диаметр винта и его шаг ты узнаешь из спецификации
- Передаточное число используешь, если твой пропеллер присоединён к мотору через редуктор
Если в списках нет нужной позиции, то можно воспользоваться строкой Custom, и ввести всё самостоятельно.
RashVinta
Программа для расчёта параметров пропеллера для летательного аппарата.
Она может работать с тремя наборами исходных данных.
- Мощность двигателя + диаметр винта, который вам нужен
- Мощность двигателя + частота вращения
- Диаметр винта + шаг
В первом варианте
- Галочку на «расчёт по диаметру винта»
- Вводите нужный диаметр в см
- Вводите мощность двигателя в лошадиных силах, подсмотренную в параметрах двигателя (чтоб получить лошадей из кВт используй формулу кВт*1.36)
- Вводи максимальную скорость, которую позволит развить твой винт
- Введи среднюю скорость в поле «Скорость расчётная»
- Нажми кнопку расчёт
В результате ты увидешь необходимый шаг винта и частоту вращения.
Во втором варианте
- Убери все галочки
- Введи мощность двигателя
- Введи частоту вращения винта (двигателя, если нет редуктора)
- Введи максимальную и среднюю скорости
На выходе ты получаешь диаметр винта в сантиметрах и шаг винта.
Третий вариант
- Установи галочку в «указать параметры винта»
- Введи диаметр винта и шаг винта
- После нажатия на кнопку расчёт, программа рассчитает профили сечения винта (форма лопастей) на различных радиусах от центра. Результат ты получишь в окне просмотра, и в виде таблицы Date.html в каталоге программы.
- Кнопками со стрелками просматриваешь сечения на различных радиусах, а ползунком меняешь масштаб.
Как ты можешь заметить, подбор и корректировка пропеллеров, это важное и не самое простое занятие. Однако, настоятельно рекомендую уделить этому время. Даже в такой, на первый взгляд, неуклюжей корове, как квадрокоптер, есть место аэродинамике. К тому же это может сэкономить тебе очень много денег на моторах.
Конечно, всё вышесказанное достаточно ситуативно. К примеру, если ты собираешь маленький дрон, или просто хочешь попробовать, то пропеллеры можно использовать и самые дешёвые, и не отбалансированные.
Это вряд ли помешает твоему дрону взлететь, да и ты сразу поймёшь, что не так, и на что нужно впредь обращать больше внимания.
Так же крайне не рекомендую начинать с соосной компоновки, если ты не знаком с миром беспилотной авиации. Там есть куча нюансов, которые базируются на более глубоком понимании темы. Идеальным вариантом для начала будет четырёх лучевая, квадратная компоновка.
Ну и нужно понимать, что если ты не крутой инженер, с богатым набором закрытых САПР программ, то всё, что ты можешь рассчитать – мало тебе поможет.
Все эти вычислительные решения дают крайне ориентировочный результат. Так что я рекомендую тебе побольше экспериментировать, хотя помощью софта пренебрегать тоже не стоит. Пробуй, учи матчасть, когда-нибудь получится очень круто!
При создании коптера одним из важнейших параметров является время автономного полёта. Если вы хотите, что бы ваш коптер летал как можно дольше, моторы и их несущие винты должны работать в оптимальном режиме с максимальным КПД. Для решения данной задачи нами был спроектирован специальный измерительный стенд, речь о котором и пойдет в данной статье.
Мы занимаемся созданием бесколлекторных моторов и недавно у нас был заказ на мотор для квадрокоптера с тягой не менее 2 Кг на каждый винт. До этого мы не делали моторы под воздушный винт и нам был необходим метод измерения и стенд для мотора с винтом.
Прежде чем начать выбирать оптимальный мотор и винт под него, сперва нужно разобраться какие потери возникают в моторах.
Основными источниками потерь в бесколлекторных моторах являются железо статора и его обмотка.
Потери на железе возникают из-за его перемагничивания. Данные потери условно можно считать пропорциональными оборотам мотора и они задают минимальную потребляемую энергию мотора. Так, например, если вы возьмете большой и мощный мотор для маленького коптера с маленьким винтом, то ничего хорошего у вас не получится. Мотор просто будет вращаться вхолостую с нулевым КПД и греть железо в статоре.
Потери в медной проволоке наоборот не зависят от оборотов, а зависят от тока/потребляемой мощности. Данные потери ограничивают максимальную мощность, которую способен выдать мотор не перегревшись.
Вторым важным элементом при выборе мотора является винт. Малые винты обладают более низкими показателями эффективности г/Вт(1 грамм подъёмной силы/1 Ватт потребляемой мощности), но маленькие винты более динамичны и позволяют быстро набрать скорость на гоночных коптерах. Для достижения максимального времени полёта винт должен соответствовать максимально эффективному режиму работы мотора.
Однако если мы захотим подобрать оптимальные комплектующие для своего коптера, то мы столкнемся с большой проблемой при их выборе. Производители дают минимальный набор характеристик для своего товара. По винтам вообще невозможно найти какой либо информации кроме их размера.
Функционал стенда
На данный момент несколько производителей уже представили на рынок свои стенды. Однако их возможности не сильно превосходит функционал кухонных весов. И данные стенды не способны дать всех характеристик при работе мотора.
Нам же от стенда были необходимы следующие параметры: потребляемая мощность, обороты мотора, тяга винта, момент создаваемый винтом, КПД мотора, эффективность мотора, винта.
Исходя из этих параметров мы спроектировали конструкцию стенда и снабдили его всеми необходимыми датчиками.
Для измерения силы тяги и момента были выбраны хорошо распространённые сейчас датчики с тензосопротивлением. Они обладают хорошей жесткостью и высокой точностью измерения и очень удачно подходят по своей конструкции.
Для измерения остальных параметров были выбраны стандартные для этого датчики: полупроводниковое термосопротивление для температуры, акселерометр для замера вибраций, датчик тока на эффекте холла для измерения тока и делитель для напряжения…
Сердцем нашего стенда является микроконтроллер ATMega328 на плате Arduino Nano. Он собирает показания с датчиков, обрабатывает их и выводит на экран. Данный микроконтроллер оптимально подходит для данной задачи. Он обладает минимальной ценой, не привередлив к питанию, стабилен и имеет достаточное количество интерфейсов для данной задачи.
В результате нашей работы был получен стенд со следующими параметрами:
- Питание через BEC модулю контроллера 5-9В, либо через micro USB
- Измерение тяги до 5Кг с точностью +-5г
- Измерение момента до 3Кг/см с точностью +-5г/см
- Измерение напряжения до 30В с точность +-0.2В
- Измерение тока до 30А с точностью +-0.1А
- Измерение КПД с точностью +-2.5%
- Возможность измерения оборотов винта в диапазоне 1000-15000RPM
- Возможность измерения относительных вибраций.(Можно использовать этот параметр для балансировки мотора с винтом путём уменьшения параметра вибраций)
- Измерение температуры мотора (*на данный момент не полностью реализовано в стенде, нами использовался отдельно подключенный датчик)
- Возможность управления педалью “газа” прямо с пульта
Мы испытали наш стенд на распространенном китайском моторе 2212 и на нашем моторе.
Пример испытания на видео
Китайский мотор во всём диапазоне не смог выдать КПД выше 50%, а его эффективность составила около 4-5г/Ватт. Наш же смог показать КПД выше 70%, при этом он работал на минимуме своей мощности(тест был в пике до 500Вт, теоретический максимум 1500Вт), т.к. размер тестируемого винта маловат для него и с большем винтом КПД только возрастёт. Эффективность же у нас получилась 9г/Ватт. Так что даже с учетом гораздо большего веса мотора, даже небольшой коптер с нашим мотором смог бы летать дольше.)
Экономный вариант
Стенд описанный в данной статье является достаточно сложным и предназначен для точной проработки силовых агрегатов дрона. Для случая, когда охото сэкономить и узнать просто тягу мотора, нами был сделан простой, дешевый адаптер способный выполнить данную функцию.
Данный адаптер крепится одним концом к мотору, вторым к бутылке с водой. Бутылка устанавливается на весы. Далее мотор запускается и тяга измеряется по показаниям весов.
Крепление на адаптере сделано универсальным и подходит практически под все распространенные моторы. На втором конце адаптера находится резьба для накручивания на 5ти литровую бутылку.
