Съемочный квадрокоптер - Stein X4-01. История строительства

[stein-den.livejournal.com]

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.

Comments

[stein-den.livejournal.com]

Блок ИНС оснащен многими датчиками и параметр ±0.05 m/s - точность определения скорости перемещения датчиков в пространстве. К описываемой вами погрешности не имеет никакого отношения. Более того, производитель указывает точность позиционирования по горизонтали 2.5 m RMS, это значит, что аппарат может находиться в воздухе и несколько часов - возможность коррекции не позволит уйти за обозначенные параметры. Эта система конечно не идеал, так как стоит всего лишь порядка 3 000 долларов с калибровкой.

У дрона в Новороссии судя по сильной дисторсии и очень низком оптическом разрешении какая-то очень дешевая камера, что в совокупности с тяжелым дроном смотрится очень странно. Вообще, для разведки, я на их месте использовал бы зеркалку и фикс объективы начиная от 50мм и выше - для высокого качества фото, тогда можно увидеть не только тяжелую технику.

[videocontroler.livejournal.com]

> возможность коррекции не позволит уйти за обозначенные параметры.

Коррекции по чему? По GPS? Но мы и начали с того, что её точности недостаточно.

> очень дешевая камера, что в совокупности с тяжелым дроном смотрится очень странно.

Дрон для Новороссии может не только снимать. но и кидать гранаты F1 там по ссылке можно почитать в блоге. Гранаты кидают внутри стаканов, потому, что иначе граната взрывается не долетев до земли. А со стаканом - срабатывает когда стакан разбивается о землю.

* * *

Лидар который измеряет расстояние до объектов по окружности: http://www.dfrobot.com/index.php?route=product/product&product_id=1125#.U2uggcZ33Vl Можно, например, поставить на дрон чтобы он не натыкался на объекты сбоку. Но, к сожалению, в качестве радара для воронки он не подойдёт без доработок, так как там надо мерить не окружность, а полусферу. Доработка может быть в виде системы зеркал, призм, линз, световодов. Но вряд ли такое можно сделать на непрофессиональном уровне.

[stein-den.livejournal.com]

- Коррекции по чему? По GPS? Но мы и начали с того, что её точности недостаточно.

Да, но и речь идет об очень бюджетной ИНС, которая тем не менее гораздо более надежная и точная, чем любые хоббийные контроллеры - возможность коррекции по GPS увеличивает и без того высокую точность датчиков в больших временных диапазонах. Для серьезных проектов нужна серьезная ИНС, но опять же - получается, что она недоступна обычным пользователям по многим причинам.

Для точного локального позиционирования в точке ,например для подзарядки или сброса отработанных аккумуляторов могут использоваться оптические датчики, а в качестве цели для них - идентификационные знаки на земле.

[videocontroler.livejournal.com]

> Для точного локального позиционирования в точке ,например для подзарядки или сброса отработанных аккумуляторов могут использоваться оптические датчики, а в качестве цели для них - идентификационные знаки на земле.

Сначала эти знаки надо увидеть, то есть значит уже нужно повесить камеру на беспилотник, в то время как если использовать наземный радар для наведения беспилотника - камера ему не нужна, и он будет легче, проще и дешевле.

Кроме того, если под беспилотником весит груз, то он будет закрывать камере часть обзора, и значит камер нужно несколько. Дальше нужно распознать эти увиденные знаки, а это операция требующая больших вычислений, не знаю потянет ли её бортовой компьютер дрона. Кроме того это должно происходить быстро, так как, например, дрон может сноситься ветром. Как вариант можно делать снимки - передавать их на землю, и на земле более мощный компьютер делает вычисления. И наконец распознавание знаков на фото - это не стопроцентная операция. Так, что наземный радар - куда лучшее решение.