Автор: Lauren Nagel
Проєктування дрона часто відбувається циклічно. Перша версія спирається на припущення, які змінюються під час вибору компонентів і формування конструкції.
У статті розглянемо:
- Вибір акумулятора для збільшення часу польоту
- Вибір двигуна й пропелера за базою даних
- Заміна компонентів для максимальної ефективності
- Як вибрати ESC
- Як розрахувати час польоту дрона
Ми використаємо стенд тяги Series 1585 для збирання даних цієї статті.
Цикл починається з порівняння першої конструкції з припущеннями, після чого розробник повертається до початку з новими даними (рисунок 1).
Рисунок 1. Цикл проєктування дрона
У попередній статті Як збільшити час польоту та вантажопідйомність дронами пройшли перший етап і отримали початкову конструкцію. Тепер перевіримо, чи справдилися припущення.
Повторення
Спочатку ми припустили масу 777 г і здатність самостійного польоту. Для зависання потрібно 1,9 Н на пропелер, тому шукали найефективнішу комбінацію в цій точці. Знайшовши її, можемо оцінити час польоту.
Уточнимо склад маси дрона 777 г:
- Двигуни (4): 148 г
- Пропелери (4): 13,5 г
- Акумулятор (1): 155 г
- Інші компоненти: камера, рама, ESC тощо — 460,5 г
Час польоту
Мета — максимальне зависання. Раніше ми змоделювали час польоту залежно від ємності акумулятора (рисунок 2).
Рисунок 2. Час польоту та ємність акумулятора початкової конструкції
Ми обрали Turnigy nano-tech 1300 мА·год 4S і врахували його масу. Запас енергії — близько 19,2 Вт·год (14,8 В × 1,3 А·год), що дає приблизно 4,5 хвилини польоту.
Більший акумулятор може подовжити політ, але збільшує масу. Почнемо цикл заміни компонентів для відповідності нашим потребам.
Ітерація 2. Новий акумулятор для максимального часу польоту
Зростання ємності збільшує час до приблизно 0,2 години, але після 100–125 Вт·год виграш зменшується. Оберемо акумулятор у цьому діапазоні. Turnigy 5000mAh 6S LiPo має 111 Вт·год і відповідає вимогам (рисунок 3).
Рисунок 3. LiPo Turnigy 5000 мА·год / 111 Вт·год (фото: HobbyKing)
Новий акумулятор важить 655 г замість 155 г. За незмінних 622 г решти компонентів загальна маса тепер 1277 г.
Для зависання потрібно щонайменше 12,5 Н (1,277 кг × 9,81), або понад 3,1 Н на пропелер. Для керованості бажана подвійна тяга: шукатимемо найефективніший пропелер при 3,1 Н із можливістю досягти 6,2 Н.
Нагадаємо три варіанти:
- 6030R Gemfan: діаметр 6 дюймів, крок 3 дюйми, маса 2,22 г
- 6040R King Kong: діаметр 6 дюймів, крок 4 дюйми, маса 3,38 г
- 5030R Gemfan: діаметр 5 дюймів, крок 4 дюйми, маса 3,00 г
Рама обмежує діаметр 6 дюймами. Дані кандидатів знайдемо в базі електродвигунів, пропелерів та ESC. Тягу, момент, оберти, потужність та ефективність вимірюють на наших стендах. Для цього дрона RCbenchmark Series 1585 імовірно, найкращий варіант.
Усі три пропелери досягають тяги зависання 3,1 Н, але лише 6040R King Kong наближається до максимуму 6,2 Н (0,63 кгс), рисунок 4.
Рисунок 4. Тяга пропелерів-кандидатів
Отже, акумулятор заважкий або комбінація двигуна й пропелера недостатньо потужна. Замість негайного зменшення акумулятора пошукаємо сильніші пропелери в межах рами.
Читайте також: Як дисбаланс спричиняє вібрацію пропелера
Ітерація 3. Нові пропелери й двигуни
Діаметр обмежено 6 дюймами, але можна змінювати крок, матеріал і виробника. Скористаємося базою компонентів дронів для пошуку пропелерів діаметром 6 дюймів із тягою щонайменше 6,2 Н (0,63 кгс). Для простоти оберемо три найсильніші варіанти:
- Пропелер 1: діаметр 6 дюймів, крок 4 дюйми, маса 3,38 г, пластик
- Пропелер 2: діаметр 6 дюймів, крок 4 дюйми, маса 4,32 г, нейлон
- Пропелер 3: діаметр 6 дюймів, крок 4,5 дюйма, маса 6,78 г, вуглепластик
Рисунок 5. Тяга від обертів нових пропелерів
Усі варіанти створюють щонайменше 10 Н (1 кгс). Можна планувати 5 Н для зависання та 10 Н максимуму, щоб підняти більший акумулятор.
На рисунку 6 ефективність пропелерів 1 і 2 подібна при 3,1 Н (0,32 кгс) та 5,0 Н (0,51 кгс), різниця — близько 0,1 гс/Вт. Другий трохи ефективніший, але важчий. Додаткова маса зменшує доступну масу акумулятора. Для квадрокоптера різниця — 3,76 г: (4,32 − 3,38) × 4.
Рисунок 6. Ефективність від тяги нових пропелерів
Для акумуляторів цього розміру 4 г не змінюють доступної ємності, а для дрона це незначна маса. Тому оберемо ефективніший пропелер 2.
Тепер знайдемо двигун із найвищим ККД із цим пропелером за 5 Н. Він має перевищувати 10 Н максимуму, але без надмірного запасу: не варто довго працювати на межі або возити зайву масу.
Із раніше випробуваних MultiStar Elite 2306 2150 Kv та EMAX RSII 2207 2300 Kv лише другий забезпечує максимальну тягу (рисунок 7). Знайдемо ще одного кандидата.
Рисунок 7. ККД від тяги двигунів 2150 Kv та 2300 Kv
База пропонує Hypetrain Blaster 2207 2450 Kv. Порівняння з пропелером 2 на рисунку 8 показує перевагу EMAX RSII 2207 2300 Kv при 5 Н (0,51 кгс) та 10 Н (1,02 кгс). У зависанні ККД вищий на 2,2 відсоткового пункту: 55,6% проти 53,4%. Він також легший: 32,37 г проти 36,96 г.
Рисунок 8. ККД від тяги двигунів 2300 Kv та 2450 Kv
Ітерація 4. Новий акумулятор для оновленої конструкції
Підсумуємо нову масу компонентів і тягу зависання:
- Двигуни (4): 129,5 г
- Пропелери (4): 17,3 г
- Інші компоненти: камера, рама, ESC тощо — 460,5 г
- Маса без акумулятора: 607,3 г
- Максимальна маса: близько 2000 г
Отже, для акумулятора доступно 1392,7 г.
Після вибору двигуна й пропелера визначимо потрібний рейтинг розряду C. Струм двигунів не має перевищувати можливостей акумулятора, інакше він швидко деградує або перегріється. Струм (А) = рейтинг C × ємність (А·год).
Читайте також: Аналіз потужності та ККД безколекторного двигуна
Для EMAX RSII 2207 2300 Kv немає онлайн-даних про тривалий і піковий струм. Порівняння випробувань у базі показує максимум близько 42 А (рисунок 9).
Рисунок 9. Струм від обертів EMAX RSII 2207 2300 Kv
Turnigy High Capacity 16000mAh 4S 12C має найбільший запас енергії в межах маси: 4 × 3,7 × 16 = 236,8 Вт·год. Маса 1366 г, рейтинг 12C та ємність 16 А·год дають допустимий струм 192 А — більше за необхідний.
Ітерація 5. Вибір ESC
ESC має забезпечувати піковий струм двигуна. Очікуємо не більше 42 А, тому HobbyKing 60A ESC 4A SBEC підходить: 60 А тривало, 80 А піково та 4 А для BEC. Це дає запас безпеки.
Рисунок 10. HobbyKing 60A ESC 4A SBEC (фото: HobbyKing)
Розрахунок часу польоту
Час залежить від запасу енергії акумулятора та потужності силової установки. Формула нижче підсумовує чинники; докладніше див. статтю про збільшення часу польоту :
Де
E — запас енергії
σ — питома енергія
M — маса в грамах (г)
Скопіюємо дані випробувань у зручний калькулятор часу польоту, введемо масу й ємність. Оцінка за нашими даними — 15,2 хвилини (рисунок 11) проти початкових 4,5 хвилини.
Рисунок 11. Оцінювання часу польоту калькулятором
Висновок
Проєктування циклічне, і конструкцію майже завжди можна поліпшити.
Для подальшого вдосконалення розгляньте додавання власних датчиків до випробувальної установки.
Дані силової установки — один із найкращих способів знайти можливості поліпшення. Ми пропонуємо різні стенди та інструменти для цього:
- Series 1585 — вимірює тягу до 5 кгс і крутний момент до 2 Н·м
- Flight Stand 15 — вимірює тягу до 15 кгс і крутний момент до 8 Н·м
- Flight Stand 50 — вимірює тягу до 50 кгс і крутний момент до 30 Н·м
- Flight Stand 150 — вимірює тягу до 150 кгс і крутний момент до 150 Н·м
Якщо стаття вам сподобалася, завантажте безкоштовну електронну книгу: Побудова та оптимізація дрона: як збільшити час польоту, корисне навантаження та загальну ефективність.