Yazan: Lauren Nagel
Drone mühendisliği süreci genellikle tasarım sürecinin döngüsel doğasına atıfta bulunan bir 'tasarım döngüsü' olarak işler. Drone'un ilk versiyonunu oluşturmak belirli varsayımlara dayanır ve bunların çoğu bileşenler seçilirken ve tasarım tamamlanırken değişecektir.
Bu makalede şunları ele alacağız:
- Uçuş süresini artırmak için bir batarya bulmak
- Bir drone motoru ve pervanesini nasıl seçersiniz (veritabanı ile)
- Verimliliği en üst düzeye çıkarmak için bileşenleri değiştirmek
- Bir ESC nasıl seçilir
- Drone uçuş süresi nasıl hesaplanır
Bu makale için veri toplamak üzere Series 1585 itki test standını kullanacağız.
Tasarım döngüsü, tasarımcı tasarımın ilk versiyonunun varsayımlardan nasıl farklılaştığına baktığında ve ardından yeni bilgilerle en başa döndüğünde başlar (Şekil 1).
Şekil 1: Drone tasarım döngüsünün illüstrasyonu
Önceki makalemizde, Drone'un Uçuş Süresini ve Kaldırma Kapasitesini Nasıl Artırırsınız, tasarım sürecinin ilk aşamasını ele aldık ve tasarımımızın ilk versiyonuna ulaştık. Bu makalede kaldığımız yerden devam ederek varsayımlarımızın ne kadarının geçerli kaldığına bakacağız.
İnceleme
Tasarım sürecimize drone'umuzun 777 g ağırlığında olacağı ve kendi başına uçabileceği varsayımıyla başladık. Bu varsayımları takip ederek, havada asılı kalma uçuşu için pervane başına 1,9 N itkiye ihtiyacımız olacağını tahmin ettik, bu nedenle 1,9 N'de en verimli olacak motor-pervane kombinasyonunu aradık. En verimli kombinasyonu bulduğumuzda, bugün başlayacağımız noktada olan uçuş süremizi tahmin etmek için ihtiyacımız olan araçlara sahiptik.
Bu makale için bileşenlerimizin kütlesinde daha kesin olacağız. 777 g'lık drone'umuz için aşağıdaki kütle dağılımını varsayacağız:
- Motorlar (4): 148 g
- Pervaneler (4): 13,5 g
- Batarya (1): 155 g
- Diğer bileşenler (kamera, gövde, ESC vb.): 460,5 g
Uçuş Süresi
Amacımız, drone'umuzun mümkün olduğunca uzun süre havada asılı kalabilmesi için uçuş süresini en üst düzeye çıkarmaktır. Önceki makalemizde, drone'umuzun uçuş süresini değişken batarya kapasitesiyle modelledik (Şekil 2).
Şekil 2: Orijinal drone tasarımı için uçuş süresi ve batarya kapasitesi
Tasarımımızın Turnigy nano-tech 1300 mAh 4S batarya içereceğini varsaydık ve kütlesini genel hesaplamalarımıza dahil ettik. Bataryanın kapasitesi 19,2 Wh'den (14,8 V * 1,3 Ah = 19,2 Wh) biraz fazladır ve grafiğin büyüme aşamasında gerçekleşir, bize yalnızca yaklaşık 4,5 dakikalık uçuş süresi sağlar.
Batarya kapasitesini artırırsak uçuş süremizi de artırabiliriz, ancak bunun bedeli artan ağırlık olacaktır. İhtiyaçlarımızı en iyi karşılayan drone'u oluşturmak için bileşenleri değiştirdiğimiz tasarım döngüsü tam da burada başlar.
İterasyon 2: Maksimum Uçuş Süresi İçin Yeni Bir Batarya Seçmek
0,2 saatlik noktaya kadar artan batarya kapasitesiyle uçuş süresinde bir artış vardır, ancak yaklaşık 100 - 125 Wh'den sonra marjinal kazanımlar daha az önemli hale gelir. Bu nedenle, uçuş süremizi artırmak için eski bataryamızı yaklaşık 100 - 125 Wh kapasiteye sahip yeni bir batarya ile değiştirmeye başlayacağız. Turnigy 5000 mAh 6S LiPo paketi, 111 Wh kapasitesiyle kriterlerimize güzelce uyar (Şekil 3).
Şekil 3: Turnigy 5000 mAh/ 111 Wh LiPo batarya (Fotoğraf: HobbyKing)
Bu yeni batarya, yalnızca 155 g ağırlığındaki eski bataryamızla karşılaştırıldığında tam 655 g ağırlığındadır. Diğer tüm bileşenlerimizin 622 g'de aynı kaldığını varsayarsak, drone'umuzun toplam kütlesi artık 1.277 g'dır.
Bu nedenle, drone'un havada asılı kalabilmesi için en az 12,5 N itki üretmemiz gerekecek (1,277 kg * 9,81), yani pervane başına biraz üzerinde 3,1 N. İyi bir kontrol yetkisine sahip olmak için bu itkinin en az iki katını elde etmek isteyeceğiz, bu nedenle 3,1 N'de en verimli olan ancak 6,2 N'ye kadar itki de üretebilen pervaneyi arayacağız.
Özetlemek gerekirse, adaylar listemizde üç pervanemiz var:
- 6030R Gemfan => çap: 6", adım: 3", kütle 2,22 g
- 6040R King Kong => çap: 6", adım: 4", kütle 3,38 g
- 5030R Gemfan => çap: 5", adım: 4", kütle 3,00 g
Drone gövdemizin sabit olduğu ve pervanelerimiz için 6” çapı aşamayacağımız varsayımıyla çalışacağız. RCbenchmark elektrikli motorlar, pervaneler ve ESC'ler veritabanı aracılığıyla üç pervane adayımız hakkında bilgi edinebiliriz. İtki, tork, RPM, güç, verimlilik gibi test verileri, itki test standlarımızdan birini kullanarak toplanır ve bu drone için RCbenchmark Series 1585 muhtemelen en uygun seçenek olacaktır.
Adaylarımız için veritabanındaki veriler, üç pervanenin de 3,1 N'lık havada asılı kalma itkimize ulaştığını, ancak yalnızca 6040R King Kong'un 6,2 N (0,63 kgf) maksimum itkiye yaklaştığını gösteriyor (Şekil 4).
Şekil 4: Pervane adaylarının itki performansı
Bu sonuçlar, bataryamızın çok ağır olduğu veya motor/pervane kombinasyonumuzun yeterli itki üretmediği anlamına geliyor. Mümkün olan en uzun uçuş süresini elde etmeyi hedeflediğimiz için hemen daha küçük bir batarya aramak yerine, gövde sınırlarımıza uyan ancak daha fazla itki üreten birkaç pervane daha inceleyelim.
Daha fazla okuma: Dengesizlik Pervane Titreşimine Nasıl Neden Olur
İterasyon 3: Yeni Pervane ve Motor Adaylarını Seçmek
Gövdemiz bizi çapı 6” veya daha az olan pervanelerle sınırlar, ancak hala adım, malzeme ve marka ile deneyler yapabiliriz. 6” çapında olan ve en az 6,2 N (0,63 kgf) kuvvet üreten pervaneleri filtrelemek için drone bileşenleri veritabanını kullanacağız. Bu arama birkaç iyi seçenek sundu, ancak basitlik adına en fazla itki üreten üç adaya indireceğiz:
- Pervane 1 → çap: 6”, adım: 4”, kütle: 3,38 g, malzeme: plastik
- Pervane 2 → çap: 6”, adım: 4”, kütle: 4,32 g, malzeme: naylon
- Pervane 3 → çap: 6”, adım: 4,5”, kütle: 6,78 g, malzeme: karbon fiber (CF)
Şekil 5: Yeni pervane adayları için İtki vs. RPM
Şekil 5'te görebileceğiniz gibi, tüm pervane adaylarımız 10 N (1 kgf) veya daha fazla itki üretebilir. Bu nedenle, 5 N havada asılı kalma itkisi ve 10 N maksimum itki hedefleyebiliriz, bu da aynı itki ünitesiyle daha büyük bir bataryayı kaldırmamıza olanak tanıyacaktır.
Şekil 6'da gösterildiği gibi, orijinal 3,1 N (0,32 kgf) havada asılı kalma itkimizde ve yeni 5,0 N (0,51 kgf) havada asılı kalma itkimizde pervane 1 ve pervane 2'nin verimliliği birbirine çok yakındır ve yalnızca yaklaşık 0,1 gf/W ile ayrılır. Pervane 2 biraz daha verimlidir, ancak aynı zamanda daha ağırdır. Bu artan ağırlık daha kısa bir uçuş süresine yol açabilir ve batarya için daha az kütle bırakır. Bir quadcopter'da toplam fark 3,76 g olacaktır ((4,32 g - 3,38 g)*4).
Şekil 6: Yeni pervane adayları için Pervane Verimi vs. İtki
Çevrimiçi pazaryerlerine hızlıca göz attıktan sonra, bu boyuttaki bataryalar için 4 g'lık bir farkın kapasite açısından hiçbir fark yaratmadığı açıkça görülmektedir. Bu nedenle ve drone'umuz için 4 g'lık kütlenin ihmal edilebilir etkisi göz önüne alındığında, daha yüksek verimliliği nedeniyle pervane 2'yi kullanmak mantıklıdır.
Bir sonraki adımımız, yeni 5 N havada asılı kalma itkimizde bu pervane ile en verimli olan fırçasız motoru bulmak olacaktır. Genel olarak, maksimum 10 N itkimizi aşabilecek ancak çok büyük bir farkla aşmayacak bir motor arıyoruz. Motoru çok uzun süre maksimum hızında çalıştırmak istemiyoruz, ancak ihtiyacımızdan daha fazla itki ve tork üreten bir motoru da taşımak istemiyoruz.
Daha önce test ettiğimiz iki motordan, MultiStar Elite 2306 2150 Kv ve EMAX RSII 2207 2300 Kv, yalnızca 2300 Kv motor maksimum itki gereksinimimizi karşılamaktadır (Şekil 7). Bu nedenle yeni bir aday bulmak için motor veritabanını kullanmak zorunda kalacağız.
Şekil 7: 2150 Kv ve 2300 Kv motor adayları için Motor Verimi vs. İtki
Veritabanından kriterlerimizi karşılayan Hypetrain Blaster 2207 2450 Kv'yi buluyoruz. Her iki motoru da pervane 2 ile eşleştirerek bir test gerçekleştirdik ve sonuçlar Şekil 8'de gösterilmektedir. Motor 2, EMAX RSII 2207 2300 Kv, 5 N (0,51 kgf) havada asılı kalma çalışma noktamızda pervane 2 ile en verimli olanıdır ve aynı zamanda 10 N (1,02 kgf) maksimum itkimizde de daha verimlidir. Havada asılı kalma itkisindeki verimlilik farkı yaklaşık %2,2'dir (%55,6'ya karşı %53,4), ancak 2300 Kv motor aynı zamanda daha hafiftır (32,37 g'ye karşı 36,96 g), bu nedenle kararımızı kolaylaştırır.
Şekil 8: 2300 Kv ve 2450 Kv motor adayları için Motor Verimi vs. İtki
İterasyon 4: Yeni Tasarımımıza Uyan Maksimum Uçuş Süresi İçin Yeni Bir Batarya Seçmek
Pervanelerimizin ve motorlarımızın kütlesinin yanı sıra havada asılı kalma itkimiz de değiştiği için şimdi bileşenlerimizin kütlesini özetlemek iyi bir zamandır. İşte yeni dağılım:
- Motorlar (4): 129,5 g
- Pervaneler (4): 17,3 g
- Diğer bileşenler (kamera, gövde, ESC vb.): 460,5 g
- Batarya öncesi kütle: 607,3 g
- Maksimum kütle: ~ 2.000 g
Bu yeni değerlere dayanarak, bataryamız için 1392,7 g kütle kullanabiliriz.
Motorumuzu ve pervanemizi de seçtiğimiz için deşarj (C oranı) ihtiyaçlarımızı da belirleyebiliriz, bu da bataryayı seçerken bir diğer değerlendirme olacaktır. Motorumuzun bataryamızın sağlayabileceğinden daha fazla akım çekmeyeceğinden emin olmak istiyoruz, aksi takdirde batarya hızla bozulabilir veya aşırı ısınabilir. Bir batarya için akım çekişini belirleme formülü: Akım (A) = C oranı * Kapasite (Ah).
Daha fazla okuma: Fırçasız Motor Gücü ve Verimlilik Analizi
EMAX RSII 2207 2300 Kv için sürekli veya anlık akım hakkında çevrimiçi bilgi bulunmamaktadır, ancak RCbenchmark veritabanındaki verilere bakabilir ve bu motorla yapılan tüm testleri karşılaştırabiliriz. Şekil 9'da görebileceğimiz gibi, çeşitli testler sırasında ulaşılan maksimum akım yaklaşık 42 A idi.
Şekil 9: EMAX RSII 2207 2300 Kv motoru için Akım vs. Dönüş hızı
Turnigy High Capacity 16000 mAh 4S 12C LiPo Paketi, ağırlık aralığımızdaki tüm bataryalar arasında Wh cinsinden en yüksek kapasiteye sahiptir ve bize 4 * 3,7 * 16 = 236,8 Wh sağlar. 1.366 g ağırlığındadır, 12 C deşarj oranına ve 16 Ah kapasiteye sahiptir, bu nedenle 192 A'lik bir akım çekişini karşılayabilir, bu da ihtiyacımızdan fazladır.
İterasyon 5: Bir ESC Seçmek
Bir ESC seçmek için temel düşünce, motorun tepe akımını sağlayabilmesidir. Bizim durumumuzda motorumuzun 42 A'yi aşmasını beklemiyoruz, bu nedenle HobbyKing 60A ESC 4A SBEC gibi bir ESC harika çalışacaktır. BEC'e 4 A sağlarken 60 A'ye kadar sabit akım ve 80 A'ye kadar anlık akım sağlayabilir. Bu bize biraz güvenlik payı sağlar, bu nedenle bu ESC drone'umuz için iyi bir seçim olacaktır.
Şekil 10: HobbyKing 60A ESC 4A SBEC (Fotoğraf: HobbyKing)
Uçuş Süremizi Hesaplamak
Önceki makalemizde öğrendiğimiz gibi, uçuş süresi bataryanın kapasitesine ve itki sisteminin çektiği güce bağlıdır. Bu nedenle birçok faktör devreye girer ve aşağıdaki formülde özetlenir (daha fazla ayrıntı için önceki uçuş süresini artırma makalesine bakın):
Burada
E = kapasite
σ = enerji yoğunluğu
M = gram cinsinden kütle (g)
İtki test verilerimizi bu kullanışlı uçuş süresi hesaplayıcıya kopyalayıp yapıştırabilir, ağırlık ve batarya kapasitemizi girebiliriz; böylece verilerimize dayanarak uçuş süremizin en iyi tahminini verecektir. Tahmini uçuş süremiz 15,2 dakikadır (Şekil 11); bu, yaklaşık 4,5 dakikalık uçuş süresine sahip orijinal tasarımımıza kıyasla önemli bir iyileştirmedir.
Şekil 11: Drone'umuzun uçuş süresini tahmin etmek için uçuş süresi hesaplayıcısının kullanılması
Sonuç
Gördüğümüz gibi, drone tasarım süreci döngüseldir ve bir tasarımı iyileştirmek için neredeyse her zaman alan vardır.
Tasarımınızı bir adım daha ileriye taşımak istiyorsanız, test kurulumunuza özel sensörler eklemeyi düşünün.
İtki verilerini toplamak, drone'unuzda iyileştirme alanlarını belirlemenin en iyi yollarından biridir ve bunu yapmanıza yardımcı olmak için birçok test standı ve araç sunuyoruz:
- 1585 Serisi - 5 kgf'ye kadar itki / 2 Nm tork ölçer
- Flight Stand 15 - 15 kgf'ye kadar itki / 8 Nm tork ölçer
- Flight Stand 50 - 50 kgf'ye kadar itki / 30 Nm tork ölçer
- Flight Stand 150 - 150 kgf'ye kadar itki / 150 Nm tork ölçer
Bu makaleyi beğendiyseniz, ücretsiz e-kitabımızı da beğeneceksiniz: Drone Yapımı ve Optimizasyonu: Uçuş Sürenizi Nasıl Artırabilirsiniz, Faydalı Yük ve Genel Verimlilik.