engineering_ru | Съемочный квадрокоптер - Stein X4-01. История строительства

stein-den.livejournal.com posting in

В этой записи, я буду вести описание процесса постройки съемочного квадрокоптера для камеры GoPro 3+ Black.

Сам процесс, начиная с базового концепта длится аж с сентября месяца 2013 года. Очень много времени уходит на покупку и ожидание комплектующих - некоторые вещи теряет почта, некоторые "присваивает" таможня, китайцы высылают не то, что нужно и так далее... Кое-что приходится менять в процессе. Порой, некоторые этапы пришлось начинать с нуля - вообщем нормальный процесс, когда почти все делается с нуля.

Задача - сделать съемочный квадрокоптер, с минимально возможными габаритами, нескладной, максимально надежный, по возможности - как можно более отказоустойчивый, позволяющий оперативно использовать для съемок. Кроме того, в идеале - отсутствие висячих проводов, разнообразных нейлоновых стяжек (которые имеют свойство, со временем самостоятельно лопаться, при длительном воздействии солнечного света, перепада температур) и прочих, уже прочно вошедших в быт, атрибутов самодельных квадрокоптеров.

В коптере прежде всего хотелось бы видеть:

- Надежную, эффективную виброразвязку для подвеса камеры.
- FPV систему 5.8 ГГц с модулем OSD для передачи картинки на самодельный миниатюрный монитор находящийся на пульте управления.
- Надежный (с дублированием) контроль разряда АКБ. В итоге, я получил как минимум три различных системы оповещения о состоянии АКБ. Это сделано для снижения риска аварии из-за вовремя незамеченного разряда силовой батареи.
- Наконец - обычные в наше время функции удержания позиции по спутникам GPS, принудительный возврат коптера к месту старта, система failsafe и многое другое.

В конструкцию X4-01 я постарался внести весь полученный за последние годы опыт коптеростроения. Кроме того, это должна быть первая модель, которая будет оформлена в угоду эстетики. Раньше этому придавалось меньше значения - хотелось получить практический результат, невзирая на внешний вид модели.
Эта модель, при минимально возможных габаритах, должна обладать хорошим запасом тяги, с полезной нагрузкой в виде самодельного двухосевого БК подвеса для камеры GoPro 3+ Black, обязательно с штатным домиком. Конструкция рамы коптера должна 100% исключить возможность попадания концов пропеллеров и каких-либо других частей ЛА в кадр. Потребляемый коптером ток я оставил на второй план -естественно, с маленьким коптером, от которого требуется грузоподъемность, экономии не будет - все сделано в угоду габаритам коптера. На сегодняшний день, у меня есть все основания считать, что будущий проект, при взлетной массе в 1400 грамм, пропеллерах 8х4.5 и аккумуляторе 3700 мА.ч будет находиться в воздухе как минимум 11 минут. Несмотря на то, что, эффективность моей системы обещает быть в районе 7,5 -8 гр\Вт, я посчитал эту цифру очень неплохой с практической точки зрения - этого полетного времени будет с огромным запасом хватать для выполнения поставленных задач.

В результате, после долгих бессонных ночей, были получены 3D модели подвеса и коптера под уже имеющиеся некоторые комплектующие. Все детали рамы и подвеса планировалось выпиливать лобзиком, финишная обработка надфилями. Вот что вышло :

Итак, под планируемый взлетный вес в 1400 грамм, изначально мною была выбрана следующая основа - карбоновые пропеллеры 8 дюймов, шаг 4.5. Моторы это отдельная долгая история, если вкратце - я так и не нашел нормальных моторов для своей задачи, которые бы отвечали всем моим требованиям - Обязательное отсутствие цанговых креплений - только резьба под гайку nylock М6 или М5 с прямой установкой пропеллера, магнитопровод, конструкция двигателя должна допускать пиковую мощность как минимум 180 Вт, чтобы избежать возможного перегрева моторов и деградации магнитов. Обороты двигателя должны быть на уровне 16 000 оборотов на холостом ходу при питании 3S - примерно 1400KV. Так как в конструкции квадрика я планировал использовать карбоновые трубы 12мм, то были найдены соответствующие мотормаунты в виде литой конструкции с хомутом - посадочное место двигателя должно было соответствовать этим креплениям. Почти всем требованиям отвечал двигатель Rctimer HP2212. Только максимум, что существует - 1000 KV.

В итоге я решил перематывать эти моторы, заодно менять подшипники на более качественные.

Заказал моторы HP2212-1000 у обожаемого Rctimer - с целью начать эксперименты, замены обмоток, замеры статической тяги, токов, оборотов, температуры, уровня вибраций. Трек на посылку оказался очень странным, нигде не трекался. Я успел на 45 сутки открыть кейс на Пайпале, вместе с продавцом ждали еще недели 2, он мне последовательно давал еще 2 трека, один из которых явно был не мой. В итоге, Пайпал вернул деньги за покупку. Сейчас уже прошло 5 месяцев с этой первой покупки - моторы канули в неизвестность. Сразу после получения денег назад, я снова купил у еще более обожаемого Rctimer партию моторчиков. В этот раз с доставкой EMS. Дорого, зато получил через 2 недели. Приступил к препарированию моторов. Rctimer обещал японские подшипники, по факту оказались китайские, классом не выше ABEC3. Оно и понятно - чего ожидать за 18 долларов...

Штатная обмотка была выполнена в два провода. Само исполнение обмотки, а также качество провода внушили недоверие, так что я без зазрения совести стал срезать\сматывать старую обмотку на новом двигателе.

Вот подопытные образцы без статоров.

Статоры снимаются просто изумительно. Я придумал следующий способ - прикрутил к новым моторам штатные крестовины, роторы снял, стопорные кольца и пластиковые прокладки убрал в пакетик от утери, сам мотор уже без ротора с крестовиной притянул на 4 винта в кусок доски. Далее взял фен - температура 250, грел без фанатизма. теперь ключевой момент - в прорезь статорного железа добавлял пару капель Flux-off, после этого брал большие пассатижи и толстый кусок бумаги ( сложенный лист А4) обернул статорное железо и начинал вращать, а затем и тянуть, пытаясь снять статор. Растворитель flux-off здесь очень сильно облегчает задачу - с ним все гораздо легче.
Таким же способом я снимаю статорное железо с моторов для БК подвесов - опять же для БК подвеса я не нашел готовых моторов, которые бы подошли мне, поэтому я дорабатывал и перематывал силовые двигатели. Но об этом позже.

Несколько слов о подшипниках. В этих моторах применяются шарикоподшипники с размерами 3x8x4mm. Это тоже больной вопрос, так как штатные подшипники работают в среднем месяца полтора -два. Кроме того, качество родных подшипников варьируется так, что некоторые производят приличный акустический шум, а некоторые приятный равномерный шум без рокота. Я принял решение менять подшипники сразу на другие, более высокого класса - ABEC-5. Изначально, я естественно пытался найти EMQ класс, по более-менее вменяемой цене, ибо только EMQ способны нормально работать в подобных изделиях. Но найти такие подшипники оказалось не так просто - списавшись с заводом по производству подшипников в поднебесной империи, я выяснил, что они только планируют выпускать подшипники такого класса. Сейчас рынок завален обычными керамическими или стальными подшипниками. Как вариант, оставался - S693-2RS, цена за один подшипник 25 долларов, + доставка отдельно. Каждый выйдет в районе 1 000 руб за штуку, т.е. 8 тысяч на 4 двигателя - дороговато выходит. В данной ситуации, оптимальный вариант конечно - керамика S693ZZ, но каждый подшипник будет стоит 500 рублей, если покупать в США. Т.е. на 4 двигателя, только на подшипники нужно 4 тысячи рублей. В качестве эксперимента, я выбрал более дешевый вариант, тоже ABEC-5, только стальные - фирмы Fushi - 693ZZ ABEC-5. Здесь выходит цена - 250 рублей за 10 штук. Слишком дешево... Но с другой стороны, других вариантов нет - либо очень дорого, либо очень дешево + все же не noname, как большинство дешевых изделий. На этом я и остановился, пока китайские заводы не выпустят наконец EMQ класс.

Теперь о перемотке двигателей. Мотать буду в одну жилу, виток к витку. Я выбрал эмалированный провод 0,55 мм. Тем более, что скин-эффект здесь можно не брать в расчет - толщина скин слоя будет примерно равна диаметру обмоточного провода.
Итого у меня вышло по 9 витков на зуб. Учитывая, что мне нужно большее количество оборотов, чем у готового мотора 1000 KV, я намотал меньше витков чем было - 9 против 11. Так как моторы имеют 14 полюсов, я мотал по этой схеме - AabBCcaABbcC. Схема соединения - дельта. Начало каждой из трех фаз я обозначал узелком на проводе, в свою очередь первый зуб обозначил маркером edding, чтобы не стерлось в процессе намотки. Таким образом я никогда не запутаюсь где какой вывод, фаза.

Естественно, после того, как обмотки были готовы и проверены на надежность - утечку тока на статорное железо, межвитковое замыкание, вся обмотка была залита лаком Plastik 71 в 9 слоев с промежуточной сушкой в духовке по полчаса.

Еще до намотки остальных двигателей, я снял различные показания с первого подопытного. Уровень шума и вибраций приятно удивил, данные по акустическому шуму снимал аналоговым акселерометром, MEMS по своей структуре фактически является микрофоном. MEMS датчиком сложно оценить вибрации из-за акустического эффекта. Измеритель уровня вибраций - тоже самодельный датчик на базе оптического стабилизатора мыльницы (используется обратный эффект). Позже, из 4 двигателей, 2 потребовали нанесения небольших кусочков клейкой ленты. В целом, подшипники Fushi создают гораздо меньше шума, нежели штатные, установленные на заводе в HP2212. По идее, установка EMQ подшипников, очень значительно улучшила бы показатели. Но это на будущее.
Собрал на макетке, на скорую руку оптический тахометр с экраном 1602. Прибор показал 16 320 об. при 100% газа, на холостом ходу. Ток холостого хода двигателей - 0,9 А.

Итак, питание 3S, пропеллер карбоновый 8x4.5
- 50% газа, создаваемая тяга - 403 грамм, при токе в 5,8 А
- 100% газа, создаваемая тяга - 973 грамм, при токе в 20,1 А

Собственно стало ясно, что по идее, для завершения эксперимента, следовало бы добавить по 1 витку на зуб, и сравнить показания тяги на 50% газа. Но толщина имеющегося провода - 0,55 мм не позволяла вместить более 9 витков на зуб, без риска повредить эмалевую изоляцию. Учитывая, что нужно было заказывать чуть более тонкий провод или искать совсем тонкий, для намотки в виде литцендрата, я отложил эту затею на будущее.

Здесь, для большего удобства навигации по истории строительства, я размещу ссылки на все этапы конструирования X4-01.

Часть 2 - Обзор конструкции квадрокоптера X4-01, изготовление несущих частей рамы, монтаж GPS.
Часть 3 - Монтаж системы GPS, сборка рамы, установка силовых двигателей на балки.
Часть 4 - Установка контроллера двигателей Quattro, разводка питания силовых двигателей.
Часть 5 - Монтаж, разводка бортовой электроники, сборка контроллера подвеса камеры.
Часть 6 - Полетный контроллер, сборка рамы.
Часть 7 - Завершение сборки основной части квадрокоптера X4-01
Часть 8 - Бесколлекторный подвес камеры, обзор конструкции, изготовление деталей.
Часть 9 - Сборка БК подвеса, изготовление моторов привода камеры.
Часть 10 - Покраска деталей подвеса, сборка.
Часть 11 - Сборка подвеса, установка защитного домика камеры.
Часть 12 - Монтаж двигателей привода камеры, завершение сборки подвеса.
Часть 13 - Разработка системы навигационных огней, изготовление посадочных шасси.
Эпилог - Завершение создания квадрокоптера Stein X4-01. Полетные тесты.

Flat | Top-Level Comments Only

From:

vito-from.livejournal.com

Круто.

From:

gray-bird.livejournal.com

Так какая в результате мощность то получилася?

From:

stein-den.livejournal.com

В режиме зависания, медленном пролете, примерно 75 Вт на двигатель. Максимальная мощность до 240 Вт на мотор, в режиме "форсажа" - этот термин я применяю к ситуации, когда коптер на большой скорости спускается вертикально вниз с большой высоты, форсаж ( около 100% газа) останавливает падение коптера возле поверхности земли и позволяет произвести штатную посадку.

Съемочный квадрокоптер - Stein X4-01. История строительства

Page Summary

Style Credit

Expand Cut Tags