Podstawy mechaniki
Lot wielowirnikowego drona jest efektem współpracy silników, śmigieł, regulatorów ESC, kontrolera lotu, sensorów, systemu zasilania oraz łącza sterowania. Elektronika analizuje stan platformy setki razy na sekundę i stale koryguje pracę napędu, aby utrzymać zadany kierunek, prędkość i orientację.
W klasycznej mechanice lot wynika z sił działających na konstrukcję, ale w multirotorze praktycznie każda zmiana ruchu jest realizowana przez elektronikę. Kontroler lotu mierzy orientację platformy, wylicza potrzebne korekty i zmienia ciąg poszczególnych wirników.
Silniki bezszczotkowe BLDC
W większości współczesnych wielowirnikowców stosuje się bezszczotkowe silniki elektryczne BLDC. Akumulator dostarcza napięcie stałe, natomiast regulator ESC elektronicznie przełącza prąd w uzwojeniach silnika, wytwarzając odpowiednio sterowane pole magnetyczne.
Dzięki temu silnik nie potrzebuje mechanicznych szczotek i komutatora stosowanych w klasycznych silnikach szczotkowych. Pozwala to uzyskać wysoką sprawność, dużą moc przy niewielkiej masie i precyzyjne sterowanie prędkością.
Outrunner
W silniku typu outrunner obraca się zewnętrzna część wirnika z magnesami. Taka konstrukcja jest bardzo popularna w multirotorach, ponieważ pozwala uzyskać wysoki moment przy relatywnie niskich obrotach.
Inrunner
W konstrukcji inrunner wirnik obraca się wewnątrz stojana. Silniki tego typu mogą osiągać wysokie prędkości obrotowe i występują m.in. w wybranych zastosowaniach lotniczych i napędowych.
Co oznacza KV silnika?
Jednym z najczęściej spotykanych parametrów silnika bezszczotkowego jest KV. Jest to stała prędkości silnika określająca w przybliżeniu, jaką prędkość obrotową bez obciążenia silnik osiąga na każdy wolt napięcia.
Przykładowo silnik oznaczony jako 400 KV będzie miał inną charakterystykę niż silnik 1200 KV. Nie oznacza to jednak, że większe KV oznacza „mocniejszy” lub lepszy silnik.
Niskie KV
Często współpracuje z większymi śmigłami i wyższym napięciem. Spotykane w większych platformach wymagających wysokiego ciągu.
Wysokie KV
Pozwala uzyskać wyższe obroty. Typowe m.in. dla mniejszych, dynamicznych platform, takich jak część dronów FPV.
Cały układ ma znaczenie
Silnik należy dobierać razem ze śmigłem, napięciem akumulatora, ESC, masą platformy i wymaganym ciągiem.
Najważniejsze parametry silnika
| Parametr | Co oznacza? | Dlaczego jest ważny? |
|---|---|---|
| KV | Stała prędkości obrotowej wyrażana w RPM/V. | Pomaga określić charakterystykę silnika i dobór śmigła. |
| Napięcie | Zakres napięcia zasilania przewidziany dla danego napędu. | Musi być zgodny z akumulatorem i regulatorem ESC. |
| Prąd | Obciążenie elektryczne pobierane przez silnik w określonych warunkach. | Wpływa na dobór ESC, okablowania i źródła zasilania. |
| Moc | Energia elektryczna przetwarzana przez napęd w jednostce czasu. | Sama wartość mocy nie określa jednak rzeczywistego ciągu. |
| Temperatura | Temperatura uzwojeń, magnesów i elementów konstrukcji podczas pracy. | Dopuszczalny zakres zależy od konkretnego silnika i zaleceń producenta. |
ESC – elektroniczny regulator obrotów
ESC – Electronic Speed Controller jest pośrednikiem pomiędzy kontrolerem lotu a silnikiem. Otrzymuje polecenie dotyczące wymaganej pracy napędu i odpowiednio steruje uzwojeniami silnika BLDC.
W zależności od konstrukcji drona regulatory mogą być osobnymi modułami albo tworzyć jeden zintegrowany układ sterujący kilkoma silnikami.
W nowoczesnych systemach komunikacja między autopilotem a ESC nie musi ograniczać się do prostego sygnału PWM. Spotykane są również cyfrowe protokoły i magistrale, które mogą przesyłać dodatkowe dane telemetryczne.
Kontroler lotu – mózg platformy
Flight Controller jest komputerem odpowiedzialnym za stabilizację i sterowanie statkiem. Odczytuje informacje z sensorów, przyjmuje polecenia pilota lub systemu autonomicznego, oblicza aktualny stan platformy i generuje polecenia dla silników oraz innych aktuatorów.
W popularnych architekturach autopilot łączy dane z wielu źródeł zamiast opierać się na jednym czujniku.
Żyroskop
Mierzy prędkość obrotową platformy wokół jej osi i jest jednym z podstawowych sensorów stabilizacji.
Akcelerometr
Mierzy przyspieszenia i wraz z innymi sensorami pomaga określić orientację oraz ruch platformy.
Magnetometr
Pełni funkcję elektronicznego kompasu i dostarcza informacji o kierunku.
Barometr
Mierzy ciśnienie atmosferyczne i jest wykorzystywany jako jedno ze źródeł informacji o wysokości.
GNSS
Dostarcza informacji o pozycji i prędkości względem Ziemi, umożliwiając m.in. loty automatyczne oraz utrzymywanie pozycji.
Sensory dodatkowe
System może wykorzystywać dalmierze, optical flow, systemy wizyjne, lidar i inne źródła danych nawigacyjnych.
IMU – pomiar ruchu i orientacji
IMU – Inertial Measurement Unit to jeden z kluczowych elementów systemu nawigacyjnego. Typowo zawiera co najmniej trójosiowy żyroskop i akcelerometr, a w niektórych konstrukcjach również magnetometr.
Autopilot łączy dane z IMU z informacjami pochodzącymi z GNSS, barometru i innych sensorów. Dzięki temu może estymować orientację, wysokość, pozycję i prędkość statku.
Nowoczesny autopilot wykorzystuje tzw. sensor fusion. Nie należy więc traktować GPS, kompasu, barometru czy żyroskopu jako całkowicie niezależnych źródeł sterowania. Oprogramowanie zestawia ich pomiary i ocenia ich wiarygodność.
Oprogramowanie autopilota
Warstwa oprogramowania jest dziś równie istotna jak elektronika. To ona odpowiada m.in. za regulatory lotu, estymację pozycji, tryby pracy, misje automatyczne oraz procedury bezpieczeństwa.
Otwarte platformy
Systemy takie jak PX4 czy ArduPilot mają otwarty kod źródłowy i wspierają wiele różnych kontrolerów, platform i sensorów.
Stosuje się je zarówno w projektach badawczych i prototypowych, jak również w profesjonalnych systemach bezzałogowych.
Systemy producentów
Wielu producentów profesjonalnych UAV rozwija własny, zamknięty firmware ściśle zintegrowany z konkretną platformą.
Użytkownik otrzymuje wtedy kompletny system, w którym sprzęt, sensory, napęd i oprogramowanie są skonfigurowane przez producenta.
Aparatura sterująca i łącze C2
Klasyczne aparatury modelarskie były często opisywane przez liczbę niezależnych kanałów RC. Współczesne systemy profesjonalne znacznie wykraczają poza taki model.
C2 – Command and Control Link może jednocześnie przesyłać polecenia sterujące, telemetrię, parametry systemu, informacje GNSS, dane payloadu i obraz z kamer.
Sterowanie
Polecenia dotyczące ruchu platformy, trybu lotu i funkcji systemowych.
Telemetria
Stan akumulatora, pozycja, wysokość, prędkość, parametry łącza oraz komunikaty systemowe.
Obraz i payload
Transmisja obrazu oraz sterowanie kamerą, gimbalem i innym wyposażeniem zadaniowym.
W zależności od systemu komunikacja może wykorzystywać różne pasma radiowe, sieci komórkowe lub kilka redundantnych kanałów transmisji. Nie ma jednej częstotliwości wspólnej dla wszystkich współczesnych dronów.
Akumulatory – LiPo, Li-ion i inteligentne baterie
Przez wiele lat w dronach dominowały pakiety LiPo – litowo-polimerowe. Nadal są bardzo popularne szczególnie w FPV, modelarstwie i platformach wymagających wysokiej wydajności prądowej.
Profesjonalne UAV coraz częściej wykorzystują również akumulatory litowo-jonowe Li-ion oraz kompletne inteligentne systemy z elektroniką BMS.
| Parametr | Znaczenie |
|---|---|
| S | Liczba ogniw połączonych szeregowo, np. 4S, 6S czy 12S. |
| V | Napięcie akumulatora. Wartość znamionowa i maksymalna zależą od chemii ogniw. |
| Ah / mAh | Pojemność elektryczna akumulatora. |
| Wh | Energia akumulatora. Jest szczególnie przydatna przy porównywaniu baterii o różnych napięciach. |
| C | Oznaczenie związane z dopuszczalnym tempem ładowania lub rozładowania, jeżeli producent specyfikuje akumulator w ten sposób. |
| SoC | State of Charge – aktualny poziom naładowania akumulatora. |
| SoH | State of Health – informacja o kondycji i stopniu zużycia baterii. |
Popularne uproszczenie „ogniwo litowe = 3,7 V nominalnie i 4,2 V po pełnym naładowaniu” nie opisuje wszystkich współczesnych akumulatorów UAV. Stosowane są różne chemie ogniw oraz pakiety wysokonapięciowe. Należy zawsze korzystać z parametrów producenta konkretnej baterii.
Co robi BMS?
W inteligentnych akumulatorach nad ich pracą czuwa Battery Management System. Zakres funkcji zależy od producenta, ale system może monitorować i zabezpieczać baterię podczas pracy, ładowania i przechowywania.
- napięcie pakietu i poszczególnych ogniw,
- prąd ładowania i rozładowania,
- temperaturę,
- poziom naładowania,
- liczbę cykli,
- stan zdrowia akumulatora,
- balansowanie ogniw,
- ochronę przed wybranymi stanami niebezpiecznymi,
- komunikację z dronem i ładowarką.
W zaawansowanych autopilotach informacje o napięciu, poborze prądu i pozostałej energii mogą również uruchamiać procedury failsafe, np. Return-to-Home lub automatyczne lądowanie.
Dlaczego temperatura jest ważna?
Silniki, ESC i akumulatory podczas pracy wytwarzają ciepło. Na temperaturę wpływają m.in. obciążenie, masa platformy, śmigła, temperatura otoczenia, chłodzenie oraz sposób wykonywania lotu.
Nie istnieje jeden uniwersalny limit temperatury właściwy dla wszystkich silników, regulatorów i baterii. Dopuszczalne wartości wynikają z konstrukcji konkretnego podzespołu.
Nadmierna temperatura może prowadzić do ograniczenia osiągów, przyspieszonego zużycia, działania zabezpieczeń, a w skrajnym przypadku do uszkodzenia podzespołu.
Dobór napędu to cały układ, a nie jeden parametr
Własnoręcznie projektując multirotor nie można dobierać silnika, śmigła, ESC i akumulatora niezależnie. Każdy z tych elementów wpływa na pozostałe.
Przy projektowaniu platform modelarskich i prototypowych można korzystać z kalkulatorów napędu, np. eCalc, jednak wyniki obliczeń powinny być weryfikowane z dokumentacją producentów zastosowanych podzespołów.
Najczęściej zadawane pytania
Co oznacza KV silnika drona?
KV określa w przybliżeniu prędkość obrotową silnika bez obciążenia przypadającą na jeden wolt napięcia. Nie jest to bezpośrednia miara mocy ani ciągu.
Po co dronowi ESC?
ESC steruje pracą bezszczotkowego silnika elektrycznego na podstawie poleceń wysyłanych przez flight controller. Umożliwia bardzo szybką zmianę prędkości wirnika, niezbędną do stabilizacji multirotora.
Czym różni się ESC od flight controllera?
Flight controller oblicza, jak dron powinien się poruszać i jakiego ciągu potrzebują poszczególne wirniki. ESC realizuje te polecenia elektrycznie, sterując konkretnym silnikiem.
Czy każdy dron korzysta z LiPo?
Nie. LiPo są bardzo popularne, ale współczesne platformy profesjonalne wykorzystują również baterie Li-ion i różne odmiany inteligentnych pakietów litowych.
Czy wszystkie ogniwa LiPo mają 4,2 V po naładowaniu?
Nie należy tego zakładać. Istnieją różne odmiany chemii litowej i pakiety o innych napięciach końcowych. Zawsze należy stosować ładowarkę, ustawienia i limity wskazane przez producenta konkretnego akumulatora.
Czy flight controller działa bez GPS?
Tak – część trybów lotu może działać bez GNSS. Globalne pozycjonowanie jest jednak potrzebne do wielu funkcji automatycznych, takich jak utrzymywanie pozycji, lot po punktach czy Return-to-Home.
Czy profesjonalny dron ma zwykłą aparaturę RC?
Zwykle korzysta ze znacznie bardziej rozbudowanego systemu C2. W jednej transmisji mogą być przesyłane polecenia pilota, telemetria, obraz, dane payloadu i informacje diagnostyczne.
Napęd to tylko część kompletnego systemu UAV
W profesjonalnej platformie podzespoły mechaniczne, elektronika, sensory, oprogramowanie i łączność są projektowane jako jeden system. aeroMind pomaga dobrać rozwiązanie do rzeczywistego zadania, środowiska pracy i wymaganej niezawodności.
Skontaktuj się z aeroMind