Video-Tutorial - Flugzeit der Drohne verlängern
Das Ziel dieses Berichts ist es, einen einfachen Prozess zur Verlängerung der Flugzeit Ihres Multicopters zu demonstrieren. Viele der hier vorgestellten Konzepte gelten auch für Starrflügler. Die hier angewendeten Konzepte können auch verwendet werden, um die Tragkraft Ihrer Drohne zu erhöhen.
Inhaltsverzeichnis
- Einführung und Annahmen
- Wie fliegt eine Drohne?
- Effizienzformel
- Den effizientesten Drohnenpropeller finden
- Den effizientesten Drohnenmotor finden
- Auswahl eines ESC
- Flugzeit der Drohne berechnen (mit Rechner)
- Den effizientesten Drohnenpropeller finden
Hinweis: Wir verwenden den Schubprüfstand Series 1585, um Motor- und Propellerdaten für diesen Artikel zu sammeln.
1. Einführung und Annahmen
Der Optimierungsprozess ist ein Kreislauf, daher müssen wir zunächst einige Annahmen treffen. Nehmen wir zunächst an, dass die Drohne bereits fliegt, Sie also über ein bestehendes Design verfügen, dessen Gewicht und Akkugröße Sie kennen. Darüber hinaus optimieren wir einen Multirotor, der hauptsächlich im Schwebeflug eingesetzt wird (unsere Drohne ist weder eine Racing-Drohne noch eine Wettkampf-Drohne).
Weiterführende Literatur: Berechnungen und Annahmen für das Drohnendesign
Abbildung 1: Der Otus Quadcopter
Um den Prozess besser zu veranschaulichen, verwenden wir den Otus Quadcopter als Beispiel, obwohl diese Methode für jede fliegende UAV anwendbar ist.
Die erste unoptimierte Version unseres Quadcopters verfügt über:
- 4 Propeller: Gemfan 5040
- 4 Motoren: Hypetrain 2207-2450Kv Motoren
- 4 ESCs: Afro 20A Race Spec Mini ESC mit BEC
- 1 Akku: Turnigy nano-tech 1300mAh 4S 45~90C Lipo Pack
- Rahmen und Ladung
Mit diesem aktuellen Design beträgt unsere Flugzeit ≈ 4 Minuten.
2. Wie fliegt eine Drohne?
Der erste Schritt besteht darin, zu verstehen, wie eine Drohne fliegen und abheben kann. Damit eine Drohne abhebt, muss sie ihr Gewicht und den Luftwiderstand überwinden. Das Gewicht einer Drohne ist das Produkt ihrer Masse und der Schwerkraft, und der Luftwiderstand ist die Kraft, die der Bewegung der Drohne durch die Luft entgegenwirkt und von der Bezugsfläche, der Luftdichte und der Strömungsgeschwindigkeit abhängig ist.
Die Rotation der Propeller erzeugt Schub und ermöglicht es der Drohne, aufzusteigen und den Flug aufrechtzuerhalten. Im Schwebeflug können wir davon ausgehen, dass der kombinierte Schub der Propeller dem Gesamtgewicht der Drohne entspricht.
Aus dieser Annahme und dem Gewicht der Drohne können wir den Schub ableiten, den jeder Propeller benötigt, um den Schwebeflug aufrechtzuerhalten. Hier wiegt unsere Drohne 777 g, daher benötigen wir einen Gesamtschub von 7,6 N zum Schweben oder 1,9 N pro Propeller.
Abbildung 2: Gewicht der Drohne und Anforderungen an den Schwebeschub
Um eine gute Steuerungsreserve zu erhalten, sollte der maximal erreichbare Schub des Propellers etwa doppelt so hoch sein wie der Schwebeschub. Beachten Sie, dass dies nur eine Empfehlung ist. Racing-Quads haben ein viel höheres maximales Schub-Gewichts-Verhältnis.
Wir suchen nach dem effizientesten Propeller, der 1,9 N Schub erzeugt, maximal 6 Zoll groß ist und einen Spitzen-Schub von 3,8 N erreichen kann.
Wir können Parameter wie Steigung, Größe, Profil, Material und Marke variieren, um unser effizientestes Antriebssystem zu finden.
3. Effizienzformel
Effizienz ist das Verhältnis von Ausgangsleistung zu Eingangsleistung. Hier wandeln die Propeller mechanische Energie in Schub um.
4. Den effizientesten Drohnenpropeller finden
Wählen Sie zunächst einen Propeller basierend auf Herstellerdaten aus. Leider ist die Propellertestung nicht standardisiert, und Sie können die Daten verschiedener Hersteller nicht miteinander vergleichen. Hersteller geben oft nur die technischen Mindestspezifikationen an, daher muss der Käufer vor dem Kauf über die erwartete Leistung informiert sein.
Wir haben eine Datenbank mit Daten zu Drohnenmotoren, Propellern und ESCs zusammengestellt, die Ihnen helfen kann, Propeller vor dem Kauf zu bewerten.
Weiterführende Literatur: So verwenden Sie unsere Datenbank für Drohnenmotoren, Propeller und ESCs
Sie können auch unseren RCbenchmark Series 1585 Schubprüfstand verwenden, um alle Ihre Propeller mit demselben Motor zu testen und Schub, Drehmoment, Spannung, Strom, Motordrehzahl und Vibration aufzuzeichnen. Optional können Sie die Datenbank-Upload-Funktion der App verwenden, die Sie mit einem Testskript durch den Testprozess führt.
Wir wollen Schub, Drehmoment und Drehzahl messen. Propellerdaten sind unabhängig von Motordaten, wenn Sie sich auf Drehmoment und Drehzahl verlassen. Der Schub eines bestimmten Propellers hängt nur von der Propellergeschwindigkeit und der Anströmgeschwindigkeit der Luft ab, nicht von dem Motor, der den Propeller antreibt.
Unabhängig vom gewählten Motor wird der erzeugte Schub bei einer bestimmten Drehzahl gleich sein. Diese Eigenschaft ist nützlich, um zu überprüfen, ob Ihre Tests korrekt durchgeführt wurden. Die Datenpunkte in einem Diagramm von Schub zu Drehzahl für einen einzelnen Propeller, der mit mehreren Motoren getestet wurde, sollten alle sehr nah an derselben Linie liegen wie im Bild unten.
Wenn Sie das gewünschte Drehmoment und die Drehzahl für den effizientesten Propeller im Schwebeflug bestimmt haben, können Sie nach dem Motor suchen, der bei diesem Drehmoment und dieser Drehzahl am effizientesten ist. Aber zuerst müssen wir unseren Propeller finden.
Lassen Sie uns nur 3 Propeller berücksichtigen, um es einfach zu halten. Wir werden sie mit dem Series 1585 Schubprüfstand testen.
- 6030R Gemfan => Durchmesser: 6 Zoll, Steigung: 3 Zoll, Gewicht 2,22 g
- 6040R King Kong => Durchmesser: 6 Zoll, Steigung: 4 Zoll, Gewicht 3,38 g
- 5040R Gemfan => Durchmesser: 5 Zoll, Steigung: 4 Zoll, Gewicht 3,00 g
Der Test kann manuell oder mit einem Skript durchgeführt werden. Wir haben den Test mit einem Skript durchgeführt und die Ergebnisse mit denen in unserer Drohnenantriebsdatenbank verglichen. Hier ist ein Vergleich der mechanischen Effizienz des Propellers (N/W) als Funktion des Schubs (N).
Wie im Diagramm gezeigt, ist bei 1,9 N der effizienteste Propeller der Gemfan 6030 mit 0,077 N/W. Wir können die beiden anderen Propeller ausschließen, da sie eine geringere Effizienz haben.
Bei einem Schub von 1,9 N arbeitet der Gemfan 6030 mit 1300 rad/s, wobei er auch 0,0184 N.m Drehmoment erzeugt (Abbildung 6).
5. Den effizientesten Drohnenmotor finden
Nachdem wir einen Propeller gefunden haben, besteht unser nächster Schritt darin, den effizientesten Motor am Betriebspunkt von 0,0184 N.m und 1300 rad/s zu finden. Wir werden unsere Suche für diesen Tutorialzweck auf 2 verschiedene Motoren beschränken, aber in Wirklichkeit gibt es noch viele weitere Kandidaten zur Auswahl.
Das Diagramm in Abbildung 8 zeigt die mechanische Effizienz der getesteten Motoren, wenn sie mit einem Gemfan 6030 Propeller ausgestattet sind. Bei 1,9 N Schub beträgt die Effizienz des Multistar 68 %, während die Effizienz des EMAX 60 % beträgt. Daher kommen wir zu dem Schluss, dass für diesen spezifischen Propeller im Schwebeflug der effizienteste Motor der Multistar Elite 2306 ist.
Das obige Diagramm ermöglichte es uns, den Effizienzunterschied für die Drehmoment-Drehzahl-Linien von zwei Motoren zu beobachten. Wir haben nicht festgestellt, dass der Multistar generell ein besserer Motor ist, sondern nur, dass er für diesen spezifischen Propeller besser abschneidet. Der Emax Motor könnte mit einem anderen Propeller effizienter sein als der Multistar.
Eine weitere Sache, die wir überprüfen müssen, ist, dass dieser Motor auch in der Lage ist, den Spitzen-Propellerschub für eine ausreichende Steuerungsreserve zu erzeugen. Zuvor haben wir gesagt, dass wir nach dem effizientesten Propeller bei 1,9 N Schub suchen, der auch 3,8 N Spitzen-Schub erreichen kann.
Wir bestätigen grafisch, dass dieser Motor in der Lage ist, den benötigten Spitzen-Schub von 3,8 N zu erzeugen. Bei 3,8 N ist der Motor in der Lage, 0,035 N.m Drehmoment bei 1783 rad/s zu erzeugen.
6. Einen ESC auswählen
Sobald der Motor und die Propeller ausgewählt sind, können wir einen geeigneten ESC auswählen. Für den Moment wählen wir einfach einen ESC, der in der Lage ist, den Spitzenstrom des Motors von 7 Ampere mit einem Sicherheitsfaktor zu liefern. Wir wählen den Afro Race Spec Mini ESC, der 20 Ampere unterstützt. Es gibt einige Optimierungen, die am ESC vorgenommen werden können, aber das liegt außerhalb des Umfangs dieses Artikels.
7. Flugzeit der Drohne berechnen
Schließlich können wir die gesammelten Informationen verwenden, um unsere Flugzeit zu bestimmen:
Die Kapazität des Akkus (Ebattery in Wh) kann als Flugzeit (FT) in Stunden ausgedrückt werden, multipliziert mit der erzeugten Leistung (Power in Watt).
Die Akkukapazität (Ebattery) ist gleich dem Gewicht des Akkus (Wbattery in Gramm), multipliziert mit der Energiedichte (sigmabattery in Wh/g).
Die Gesamtleistung (Power in Watt) ist gleich dem Gewicht der Drohne (Wdrone (g) = Wframe (g) + Wbattery (g)), geteilt durch die Effizienz der Propeller (propefficiency in g/W).
Die Propeller-Effizienz ist eine Funktion des Gesamtgewichts der Drohne geteilt durch die Anzahl der Propeller an Ihrer Drohne.
Durch die Kombination der Gleichungen erhalten wir die Flugzeit [eq1]:
Eine Erhöhung des Gewichts des Akkus erhöht den Divisionsfaktor in der obigen Gleichung und reduziert die Propeller-Effizienz. Auf diese Weise kann der Akku die Flugzeit in beide Richtungen beeinflussen. Größere Akkus haben eine höhere Kapazität, was die Flugzeit erhöhen kann, aber sie haben auch ein höheres Gewicht, was den für den Betrieb erforderlichen Schub erhöht und damit die Flugzeit verringert. Abbildung 11 zeigt ein Beispiel dafür, wie man den 'Sweet Spot' findet, wenn man Akkukapazität und Gewicht ausbalanciert.
Diese Formeln sind in der hier gezeigten Tabelle implementiert:
Verwenden Sie unser Google Sheet, um die Flugzeit der Drohne einfach zu berechnen.
Es gibt einige Annahmen, die Sie hinzufügen müssen, wenn Sie das Google Sheet verwenden, wie das Gewicht und die Kapazität Ihres Akkus. Schreiben Sie außerdem das Gesamtgewicht Ihres Quads (OHNE den Akku) und die Anzahl der Propeller. Jetzt haben Sie alles, was Sie brauchen, um die Flugzeit zu berechnen!
Weiterführende Literatur: Drohnenbau und -optimierung (eBook)
Sie können den Effekt der Variation der Akkukapazität auf die Flugzeit beobachten. Wie Sie sehen können, erhöht die Erhöhung des Akkus auf 33,3 mAh die Flugzeit um einige Minuten, reduziert aber die Steuerungsreserve, da das Schub-Gewichts-Verhältnis abnimmt. Noch größer zu gehen zeigt sehr wenige Vorteile in Bezug auf die Flugzeit, erhöht aber den Lärm und reduziert die Steuerungsreserve.
Fazit
In diesem Artikel haben wir behandelt, wie man einen Propeller, einen Motor, einen ESC und einen Akku für unsere Drohne auswählt, und wir haben uns angesehen, wie man Effizienzen vergleicht, Daten analysiert und die Flugzeit berechnet.
All diese Modifikationen können das Gesamtgewicht Ihrer Drohne verändern, insbesondere wenn Sie einen anderen Akku wählen. Sie müssen die Analyse möglicherweise neu starten, wenn Sie das Gewicht der Drohne erheblich ändern.
Wie wir zu Beginn des Artikels erwähnt haben, ist der Prozess des Drohnenbaus ein sich wiederholender Kreislauf, in dem wir durch Tests mehr über unsere Komponenten und deren Leistung erfahren. Wir stellen Annahmen auf, wählen basierend auf diesen Annahmen die Komponenten aus, testen das System, tauschen die Komponenten aus und wiederholen den Vorgang.
Unabhängig vom verwendeten Tool zur Datenerfassung empfehlen wir dringend, während Ihrer Tests das Drehmoment zu messen. So können Sie Motor- und Propellerdaten unabhängig voneinander analysieren und die Effizienz messen. Wir haben mehrere Tools entwickelt, um die Datenerfassung und -analyse zu erleichtern und genauer zu machen.
Die automatische Testfunktion der Series 1585 in Kombination mit unserer Datenbank mit Drohnen-Antriebsdaten sollte es Ihnen ermöglichen, in wenigen Teststunden den besten Motor, Propeller und ESC auszuwählen. Die Tests können die Flugzeit und Tragkraft erhöhen und die vom System erzeugte Wärme reduzieren, was die Lebensdauer Ihrer Komponenten erhöht.
Wenn Sie tiefer in die Motortheorie eintauchen möchten, um Ihren Motor vollständig zu optimieren, sehen Sie sich das Video „How to Maximize Your Drone's Flight Time” auf unserem YouTube-Kanal an. In diesem Video führen wir Sie durch die Schritte, die wir unternommen haben, um den Otus-Quadrocopter zu bauen, und zeigen, wie wir seine Flugzeit von 4 auf 8 und sogar auf 13 Minuten erhöht haben!
Für weitere Informationen zu diesem Optimierungsprozess lesen Sie Teil 2 dieses Artikels - Die Berechnungen und Annahmen des Drohnen-Design-Kreislaufs