DIY: Część 2 – Liczymy podstawowe parametry

Skoro już mniej więcej wiemy, jakie części występują w budowanym samodzielnie kopterze, należałoby teraz wyjaśnić jak dobiera się poszczególne komponenty. Skąd wiadomo, czy silnik ma mieć 1000 KV, czy 2300 KV i co to właściwie jest ? Jakie ESC należy kupić – 10, 20, 40A ? Jak długo model będzie latał na jednej baterii i czy będzie szybszy niż kolegi z naprzeciwka ? Na tego typu pytania postaram się odpowiedzieć w kolejnej części naszego poradnika. Kalkulatory, kartki i długopisy w dłoń – w tej części nie będzie ilustracji – będzie matematyka ! 🙂

Rama

Konstruowanie nowego modelu zawsze należy zacząć od ramy. Musimy ustalić jej rozmiar, ponieważ to on determinuje jakie śmigła będą dla nas osiągalne, jak wielką baterię będziemy mogli użyć oraz zdecyduje ona o tym, co w naszym kopterze się zmieści i do czego będzie służył. Jak wiecie wiele razy mówię o modelach klasy 250, ponieważ to one dały początek quadrocopterom wyścigowym i do tej pory to właśnie one latają najczęściej w tej konkurencji. Od czego w ogóle pochodzi ta liczba ? Otóż jest to rozstaw ramion liczony po skosie, a dokładnie odległość między przeciwstawnie leżącymi silnikami. Podanawana jest ona w milimetrach wobec czego klasa 250 to 25cm (250mm). Modele konstruowane do wyścigów FPV kończą się gdzieś na poziomie 280-300mm. Obecnie wielkości ram zaczynają się gdzieś w granicach 150 dla kopterów z silnikami bezszczotkowymi, ale oczywiście da się trafić na mikrokoptery (także z FPV), które mają jeszcze mniejsze, niemalże kieszonkowe rozmiary. Istotne jest jednak to, że mówię tu o modelach składanych samodzielnie opartych o typowe modelarskie komponenty. Ani Cheerson CX-10, ani Hubsan H107L się do nich nie zaliczają. No więc przyjmujemy, że wyścigówki FPV go generalnie ramy o wielkościach: 150, 180, 200, 220, 230, 250, 280, 300mm. Wciąż powstają nowe rozwiązania, więc mogłem nie wymienić wszystkich, ale z pewnością te, które można obecnie spotkać.

lumenierqav250_dimensions
[Źródło: https://farm8.staticflickr.com/7408/10979127516_775c5fe166_o.jpg]

Na drugim biegunie są sprzęty zaczynające się od 330mm poprzez 450 (popularna rama DJI Flamewheel), który to quadrocopter znajdziecie w co drugim ogłoszeniu, a później 550, 600, 700 itd. Profesjonalne koptery mogą mieć rozstaw ramion sięgający metra i więcej, ale to już zupełnie inna bajka. Modele tej wielkości to konstrukcje, które służą do filmowania i robienia zdjęć z powietrza. Oczywiście można latać w trybie acro hexą o rozstawie ramion 550, ale nie będzie ona nawet w połowie tak zwrotna jak „bączek” zbudowany na ramie 200. Duże koptery są stworzone po to, żeby długo mogły utrzymywać się w powietrzu, przy okazji mając duży udźwig. Odbywa się to kosztem zwrotności i dynamiki lotu, które w tego typu zastosowaniach są zwyczajnie niepotrzebne.

f550_frame
[Źródło: http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/catalog/49726.jpg]

Rozmiar ramy najczęściej determinuje nam również średnicę śmigieł. Rama 180 to najwyżej 4 cale, 250 użyje 5-6″, 330 – 6-8″, a 450 z radością poleci na 10-12″. Duże śmigła dają wysoki ciąg przy relatywnie wolnych obrotach. Chcąc uzyskać ten sam udźwig na 5 calach musimy je dużo mocniej rozpędzić.

KV silnika bezszczotkowego

Dochodzimy tutaj do kwestii prędkości obrotowej, którą zapewniają silniki. Oznaczenie KV to nic innego jak maksymalna liczba obrotów na każdy V zasilania. Yyyy, co takiego ? Już tłumaczę, bo to bardzo proste. Weźmy silnik, który napędza moją 250-tkę. Producent deklararuje w specyfikacji, że ma on 2300 KV. Kopter lata na baterii 3S, która znamionowo ma napięcie 11.1V. Spodziewana maksymalna liczba obrotów to więc 11.1V * 2300 KV = 25530. Jest to wartość orientacyjna ponieważ napięcie baterii się waha. W pełni naładowana osiąga 12.6V, ale pod obciążeniem natychmiast ono spada i oczywiście jest coraz niższe wraz z jej rozładowaniem. Nie zmienia to faktu, że na tych silnikach spodziewamy się około 25.000 obrotów na minutę. Zupełnie inaczej zachowa się większy silnik 1150KV z ogniwem 4S (14.8V), co daje nam orientacyjnie: 14.8 * 1150 = 17.020. Jeszcze inna kalkulacja obowiązuje jeśli użyjemy jednostki o wartości 3000 KV do małych kopterów (~180-200mm). Spróbujmy zobaczyć, jak zachowają się z ogniwem 7.4V, czyli 2S. Teraz pora na test – jakie będą spodziewane, najwyższe obroty tej kombinacji ?

20150916_084712

Mnie wyszło 7.4V * 3000KV = 22.200 obrotów. Zwracam uwagę na jeszcze jedną rzecz – takie obroty osiągniemy przy maksymalnie otwartej przepustnicy. Oczywiście w zawisie śmigło będzie się kręcić dużo wolniej, zależnie od tego jaki ciąg zrównoważy wagę naszego koptera. No właśnie ciąg silników i masa quadrocoptera. O co w tym chodzi ?

Masa startowa i TWR

Otóż zbudowany przez nas sprzęt będzie miał określoną masę, którą będą musiały unieść wirujące śmigła. To jedno z pytań, które wbrew pozorom jest dość trudne, bo jako nowicjusze nie wiemy ile będą ważyć części, które chcemy kupić. No cóż, tutaj najłatwiej zacząć od pewnego założenia. Koptery klasy 250 ważą około 500g, czyli 0.5kg. Zabawki klasy 180-200 mogą zejść do około 400g, natomiast sprzęt w granicach 330 to już jakieś 700g, 450 może ważyć spokojnie około 1kg. Oczywiście są to wartości orientacyjne i zależne mocno od osprzętu, ale największy procent masy stanowi rama oraz bateria. Sporo mogą ważyć także silniki, natomiast czysta elektronika, czyli ESC, kontroler lotu, czy kamera FPV to rzeczy lekkie. Oczywiście w dużych modelach dochodzi także waga kamery sportowej i gimbala, choć ta pierwsza montowana jest także na 250-tkach.

Z racji tego, że my w tym poradniku skupiamy się na modelu wyścigowym, przyjmujemy, że masa sprzętu wyniesie orientacyjnie 500g. Żeby model był zwrotny i spokojnie latał, jego maksymalny ciąg powinien wynosić przynajmniej dwukrotność masy startowej. Ta ostatnia to sumaryczna waga wszystkich elementów, które znajdują się na kopterze w momencie, kiedy podrywa się do lotu. Masa startowa zmienia się więc w zależności od baterii i innych elementów wymiennych takich jak kamera, czy gimbal.

A więc, ustatliliśmy, że stosunek ciągu do masy (TWR – and. Thrust-Weight Ratio) musi być przynajmniej 2:1. Kopter klasy 250 musi więc mieć minimalny ciąg 500g x 2, czyli 1000 g = 1 kg. Do sportowego latania ta proporcja musi być jednak dużo większa. Daleko nie szukając, EMAX robi silniki pasujące do 250-tek, które na śmigłach 6045 dają ciąg przeszło 900g, czyli sumarycznie (4 silniki) daje nam to 3600g ciągu, czyli TWR =~ 7:1. O ile nie jest to może dobry wybór dla początkujących, o tyle zaawansowany pilot potrafi wydusić z takiego sprzętu naprawdę wiele, a jego prędkość może naprawdę zrobić wrażenie. W przypadku pierwszego koptera jeśli silniki będą w stanie zapewnić ciąg w granicach 400g lub więcej to będzie ok.

Wybieramy silnik bezszczotkowy

Oprócz KV silnika warto znać jeszcze parę jego parametrów oraz nauczyć się odczytywać tabele, które mówią o jego specyfice pracy. Dla przykładu wziąłem silnik DYS 1806 2300KV, który jest tani, ale przyzwoitej jakości. Poniżej zdjęcia i specyfikacja, którą znajdziecie w linku powyżej.

dys1806_image
[Źródło: Banggood – http://img.banggood.com/thumb/water/upload/2014/09/SKU166081.01.jpg]

dys1806_specs
[Źródło: Banggood – http://img.banggood.com/images/upload/2014/08/SKU147223-10.jpg]

Przypatrzmy się powyższej tabeli. Lewy wiersz pokazuje napięcie zasilające. Na tym etapie powinniście już poznać, że wartości wynoszące 7.4V i 11.1V to baterie 2S i 3S. Jak wspomniałem wcześniej, liczba obrotów silnika wynikająca z KV zależy od zasilania i tutaj najlepiej to widać (kolumna rpm). Teraz najbardziej interesuje nas kategoria ON LOAD, czyli parametry pracy pod obciążeniem. Ważny jest pobierany prąd (CURRENT), oraz generowany ciąg (Pull). Oba te parametry wynikają z użytej baterii i założonego śmigła. Spójrzcie na ostatnią kolumnę Battery/prop. Dość enigmatyczny z początku ciąg znaków to nic innego, jak informacja o śmigle i baterii. Lipox2 oznacza baterię 2S, Lipox3 – 3S. Druga część to określenie dwóch podstawowych parametrów śmigła. Zatrzymajmy się przy tym na chwilę.

Oznaczenia śmigieł

5030props
[Źródło: Banggood – http://img.banggood.com/images/upload/2015/05/SKU153773-3.jpg]

Śmigło ma określoną średnicę i skok. Większa wartość obu parametrów daje wynikowo większy ciąg. Śmigła najczęściej oznacza się na 2 sposoby: 5×3 lub 5030. W tym pierwszym oznaczeniu obie wartości podane są w calach. 5×3 to śmigło 5″ (cali) o skoku 3″ (cale). W przypadku drugiego oznaczenia każde pierwsze 2 cyfry to średnica (5.0″) oraz skok (3.0″). Analogicznie – śmigło określone jako 6045 to śmigło 6″ i skok 4.5″. Im większy skok przy danej średnicy, tym większy ciąg zapewni śmigło. Oznacza to, że jeśli mamy typ 5030, to zmiana na 5040 (skok 4 cale) lub 5045 da nam lepszy udźwig modelu. W ten sam sposób śmigło 6030 jest lepsze od 5030, ponieważ ma większą średnicę (6″ zamiast 5″). Każdy silnik jest dostosowany do określonych zakresów rozmiarów śmigła i należy za każdym razem sprawdzić, co proponuje producent.

5045props
[Źródło: Banggood – http://img.banggood.com/thumb/water/oaupload/banggood/images/00/33/f303fcad-f1dc-4144-ba1e-af64494f1168.jpg]

Sprawdzamy ciąg i pobór prądu silnika

Wróćmy do naszej tabeli. Spójrzmy na specyfikację pracy silnika w wierszu, w którym Battery/Prop wynosi Lipox3/5×3. Po lekturze opisu powyżej wiemy, że to bateria 3S (11.1V) oraz śmigło 5030 (5 cali średnicy i 3 calowy skok). Spójrzmy na kolumny na lewo. CURRENT oznacza prąd, jaki pobiera silnik przy maksymalnych obrotach. W tym przypadku mamy 6.5A. To ważne, bo od tego będzie zależał dobór ESC. Następna kolumna to Pull. Ciąg silnika przy maksymalnie otwartej przepustnicy wyniesie 390g pod warunkiem, że użyjemy śmigła 5030. Na podstawie wcześniejszego opisu wiemy też, że wstawiając śmigło 5045 (4.5″ skoku zamiast 3″) uzyskamy wyższy ciąg, ale też (UWAGA!) wyższy pobór prądu. W Internecie często przeprowadzane są rzeczywiste testy ciągu danego silnika. Wyszukiwanie na google pod hasłem: dys 1806 thrust test doprowadziło mnie od razu do strony rcgroups: (http://www.rcgroups.com/forums/showthread.php?t=2180080That). Tam można znaleźć wyniki pomiarów, które również mogą okazać się pomocne:

„Quick run down of the results – DYS BE1806 2300KV Brushless Motors:
GF 5030 Prop – 415 Grams pulling 9.0A @ 100% / 230 Grams pulling 3.6A @ 50%
HQ 5030 Prop – 360 Grams pulling 7.5A @ 100% / 205 Grams pulling 3.3A @ 50%
HQ 5040 Prop – 440 Grams pulling 10.6A @ 100% / 225 Grams pulling 4.2A @ 50%
HQ 6030 Prop – 485 Grams pulling 10.2A @ 100% / 240 Grams pulling 4.0A @ 50%
HQ 6045 Prop – 580 Grams pulling 16.1A @ 100% / 235 Grams pulling 5.1A @ 50%

[Źródło – wpis użytkownika Mustang7302 na RCGroups.com]

Dla danego typu śmigła podano między innymi wartości prądu i ciągu przy otwarciu przepustnicy – odpowiednio 100% i 50%. Jak wspominałem – wyższy skok śmigła zapewnia większy ciąg. Również zmiana średnicy wpływa na ten parametr, bo jak widać śmigło 5040 daje go mniej, niż 6030, czyli większe, i o niższym skoku. Warto wspomnieć, że w samym wpisie użytkownik mówił o testach na baterii 3S (11.1V).

Znając ciąg silnika użytego z danym ogniwem i śmigłem jesteśmy w stanie policzyć, czy nasz kopter poleci i na ile sprawnie będzie to robił. Otóż, jeśli zbudujemy model w oparciu o silniki DYS 1806 2300KV, śmigła 5030 oraz baterię 3S (11.1V) to wg. rcgroups.com uzyskamy sumaryczny ciąg wynoszący 1440g. Skąd taka wartość ? Otóż wg. pomiarów użytkownika dla śmigła 5030 mamy 360g ciągu. Mnożymy to razy liczbę silników. W przypadku quadrocoptera mamy 4 sztuki. 360g * 4 = 1440g. A jak tam TWR, czyli stosunek ciągu do masy ? Przyjmując, że nasz kopter będzie ważył ok. 500g, a ciąg to 1440g, to mamy niemalże 3:1. Na początek spokojnie wystarczy.

Średnicą silników i podobnymi elementami zajmiemy się w kolejnej części, kiedy to w praktyce dobierzemy części, a na razie pozostają nam jeszcze 2 rzeczy do obliczenia i sprawdzenia: ESC oraz bateria.

Wybór ESC

Podstawowym parametrem regulatora obrotów jest maksymalny prąd, jaki jest on w stanie obsłużyć. Wg. specyfikacji silnika podanej na stronie Banggood (tabelka na początku wpisu) maksymalny pobór prądu wynosi 6.5A – mówimy cały czas o konfiguracji: bateria 3S + śmigła 5030. Wartość zmierzona na RCGroups.com jest nieco większa i wynosi 7.5A. Oznacza to, że musimy szukać ESC, którego limit prądu wynosi przynajmniej 7.5A. Nie jest to trudne, bo oprócz niewielkich ESC przełączających 6A, następne progi to 10A, 18A, 20A, 30A itd. Jak widać ESC 10A powinien nam wystarczyć.

esc18A
[Źródło: Banggood – http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/catalog/87851.jpg]

Sprawa się komplikuje, jeśli zdecydujemy się polatać na śmigłach 5040, albo 5045. Dlaczego ? Spójrzmy jeszcze raz na rozpiskę z RCGroups.com. Dla śmigła 5040 przy maksymalnie otwartej przepustnicy uzyskujemy 10.6A (!). Mimo, iż ESC potrafi obsłużyć nieco większy prąd chwilowy (tzw. burst Current) to czyni to skutecznie tylko przez parę sekund, a potem może się przegrać i zapalić. Regulator należy dobierać z zapasem i jeśli zużycie prądu wynosi np. 9A, to 10A ESC jest absolutnym minimum, ale dla bezpieczeństwa lepiej poszukać np. 12A.

Pobór prądu będzie się zmieniał zależnie od śmigieł i baterii, więc jeśli chcecie latać na 4S to trzeba pamiętać, że ESC muszą obsłużyć odpowiednio większy prąd. Tak samo, kupując regulator tylko pod kątem śmigieł 5030 może się okazać, że 5040 co prawda dają się założyć i kopter lata, ale regulator może tego na dłuższą metę nie wytrzymać.

esc30a
[Źródło: Hobbyking – http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/catalog/39708s2.jpg]

Nie należy jednak popadać w przesadę w drugą stronę. Załóżmy hipotetycznie, że silnik ze śmigłami 5030 pobiera 8A na baterii 3S. Dla 4S wartość ta rośnie do 12A, a użycie 4S i śmigieł 5045 to już prąd rzędu 16A. W tej sytuacji wystarczy kupić ESC 20A, a jeśli nie będziecie latać na 4S (np. silnik nie jest dostosowany do takiego napięcia – tak właśnie jest z DYS 1806 2300KV) to można wybrać te z ograniczeniem 12A. Pamiętajcie, że ESC także ma swoje rozmiary i wagę. Kupno 30A, czy 40A nie ma sensu, jeśli będzie on pracował na 1/4 swoich maksymalnych parametrów, ponieważ po pierwsze będzie większy, po drugie cięższy. Trudniej go upchnąć na małej ramie i niepotrzebnie kopter musi go dźwigać. O ile masa ma mniejsze znaczenie w tym przypadku, to gabaryty ESC są nie do przecenienia. Niewielkie rozmiary znacząco upraszczają montaż.

Dobieramy baterię

No dobrze, a co z baterią ? Musi ona przecież zasilić nasze rozwiązanie. Tutaj kłania się kolejne obliczenie. Otóż, ogniwo musi się zmierzyć z maksymalnym poborem prądu, jaki teoretycznie nasz model może zażądać. Jeśli będziemy latać używając silników DYS 1806 2300KV to pobór prądu na 3S, 5030 wynosi pomiędzy 6.5A (Banggood) – 7.5A (RCGroups). Dla bezpieczeństwa przyjmijmy tą większą wartość. Jak wiadomo 7.5A weźmie pojedynczy silnik przy maksymalnie otwartej przepustnicy. Na szczęście nikt nie lata na 100% gazu cały czas, ale lepiej, żeby nasze ogniwo było na to przygotowane. Nasz quadrocopter ma 4 silniki, więc jeśli każdy z nich potrzebuje 7.5A to razem biorą one 30A (7.5A * 4). Jak znaleźć ogniwo, które zapewni taki prąd ?

Tutaj sprawa jest nie do końca jednoznaczna, ponieważ baterie oznacza się dwoma parametrami. Po pierwsze jest to pojemność, po drugie notacja „C”, czyli wyrażenie maksymalnego poboru prądu wyrażone jako wielokrotność pojemności. „Co takiego ?” – zapytacie ?

Otóż jest to prostsze niż się wydaje. Ogniwo 1500mAh i 20C daje maksymalny prąd wyjściowy wynoszący 1.5Ah (1500mAh * 1000) = 1.5Ah mnożone przez 20, czyli 20C * 1.5Ah = 30A. Z kolei bateria 1300mAh, 30C daje nam 1.3Ah * 30C = 39A. Może być też większe ogniwo np. 3000mAh mające 15C. Prąd wyjściowy w tym przypadku do 3Ah * 15C = 45A. Jak widać więc, większa bateria o niższym C może dać wciąż większy prąd. A jak dobrać właściwie ogniwo ?

1300mAh35C
[Źródło: Banggood – http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/catalog/25509.jpg]

Tutaj sprawa nie jest banalna, ponieważ wraz ze wzrostem pojemności rośnie także waga i wielkość baterii. Quadrocoptery klasy 250 latają na bateriach od ok. 1300mAh do ok. 2000mAh ale tutaj wiele zależy od ramy, do której musimy przymocować nasze ogniwo. Tutaj pojemność w granicach 1500mAh jest dobrym wyborem.

No dobrze, spróbujmy więc sprawdzić jakiej baterii (pojemność oraz C) potrzebujemy do naszego koptera. Wiemy, że na śmigłach 5030 potrzebuje on prądu 30A. Jeśli wybierzemy ogniwo 1500mAh to musi ono mieć… ile C ? 🙂 Bateria ma 1.5Ah, a potrzebujemy 30A na wyjściu, czyli 1.5Ah * X = 30A. Można odwrócić ten wzór i wtedy 30A / 1.5Ah = X. Jeśli nie mieliście 2 z matematyki to wiecie, że wychodzi nam 20C. Przynajmniej ! Kopter na baterii o niższym C może latać, ale po pierwsze szybciej ją zdegraduje (praca ponad nominalne parametry), może ona też szybko napuchnąć, co sprawi, że jej bezpieczne używanie nie będzie możliwe. Podobnie, jak ESC, bateria także ma pewien zapas, który można pobrać jako prąd chwilowy. Określony jako „burst current” podawany jest w specyfikacjach i na ogół wynosi o 50% więcej, niż nominalna wartość. Jeśli bateria jest określona jako 20C/30C to znaczy, że nominalnie daje prąd 20C, ale chwilowy (przez parę sekund) może wynosić 30C.

No dobrze, a jeśli ktoś chce wydłużyć czas lotu i wziąć nieco większe ogniwo ? Dla baterii 2000mAh i zapotrzebowania na prąd rzędu 30A parametr C spada do 15. Dlaczego ? Ponieważ 30A / 2.0Ah = 15C.

Oczywiście z obliczeń może nam wyjść np. 17.5C. Takich baterii się oczywiście nie sprzedaje, dlatego zawsze należy dobierać najbliższą, większą wartość niż wyliczona. Podobnie jak w przypadku ESC, musimy w obliczeniach uwzględnić potencjalną wymianę śmigieł, które spowodują wzrost pobieranego prądu i większe obciążenie baterii. Jeśli chcemy celować w śmigła 5040, to jak pamiętacie pobór prądu przekraczał dla tych silników 10A, czyli dla 4 sztuk to już 40A. W takim wypadku bateria 1500mAh, 20C już nie wystarczy (max. 30A), musimy kupić np. 1500mAh, 30C, która zapewni prąd o wartości 45A (1.5Ah * 30), co daje nam ok. 5A zapasu.

1500mAh40C
[Źródło: Banggood – http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/catalog/91592(2).jpg]

Niektórzy z Was pewnie się teraz zastanawiają, czy uwzględniać pobór prądu pozostałej elektroniki, którą mamy na pokładzie. Otóż, jeśli używamy tylko typowych elementów takich jak kontroler lotu, odbiornik RC, nadajnik FPV, diody, buzzer, kamera itd. to te wartości są pomijalne. Nie są one oczywiście 0, ale w zestawieniu z silnikami są to liczby nieznaczące. Np. nadajnik FPV TS832 o mocy 600mW pobiera prąd o wartości 220mA. Przypominam, że małe „m” na początku to „mili”, czyli 1/1000. W tym przypadku jest to więc 0.22A. W porównaniu z tym, ile potrzebuje pojedynczy silnik – 7.5A – wartość jest pomijalna. Podobnie jest kontrolerem lotu. Znalazłem w sieci informację, że Naze32 pobiera w trakcie pracy ok. 100mA, czyli 0.1A. Jest to 75 razy mniej, niż jeden silnik ze śmigłem 5030.

Szacujemy czas lotu

Ostatnie zagadnienie to czas lotu. Wszyscy chcą, żeby ich koptery latały cały dzień na jednym ogniwie. Z definicji odradzam takie podejście, jeśli budujecie 250-tkę, bo ona ma latać dynamicznie, a nie długo. Mniejsza bateria = mniejsza masa, czyli mniej do dźwigania przez śmigła. Otóż wyliczenie orientacyjnego czasu lotu jest dość trudne, ale możemy spróbować mniej więcej to oszacować na podstawie danych, które posiadamy.

Zacznijmy od zawisu w powietrzu. Trudno przewidzieć jak szybko i intensywnie ktoś będzie latał, więc najprostsze obliczenia wykonamy dla swobodnego, nieruchomego unoszenia się w powietrzu. Aby kopter znalazł się w zawisie, bez opadania i unoszenia, ciąg silników musi się zrównać z jego masą. Gdyby był wyższy – model będzie się unosił, przy niższym – zacznie opadać. Zakładając, że nasz model waży 500g, każdy z silników musi zapewnić ok. 125g ciągu, co po przemnożeniu razy 4 da nam właśnie 500. Skąd jednak wiadomo przy jakim ustawieniu przepustnicy osiągniemy taki efekt ? Tutaj pomagają dokładne pomiary, które można znaleźć np. na rotorbench.com: http://rotorbench.com/DYS_1806_2300kv/. Wykresy, które widzicie na tej stronie, to wynik pomiarów paru parametrów pracy silnika (ciąg, pobierany prąd, obroty, spadek napięcia baterii) w zależności od długości sygnału PWM podawanego do ESC. Nie będziemy teraz wchodzić w szczegóły – ważne jest to, że z grubsza odpowiada to wychyleniu lewego manipulatora – im mocniej wychylony, tym dłuższy impuls wysyłany do odbiornika, a dalej podawany do ESC, który zwiększa obroty silnika. Przy długości impulsu 1420 usek. (mikrosekund) ciąg wynosi 124.92g dla śmigła 5030 (Gemfan, bateria 3S – oznaczenie GF5030N-3s). Mamy więc wartość sygnału PWM dla zawisu quadrocoptera w powietrzu. Wykorzystując tą wartość zerkamy na kolejny wykres i szukamy poboru prądu dla tej wartości PWM. Wychodzi nam 2.44A. W zaokrągleniu możemy przyjąć, że silnik DYS 1806 2300KV ze śmigłem 5030 i zasilaniem z baterii 3S uzyskuje 125g ciągu przy prądzie rzędu 2.5A. Mnożąc wartości x 4 (liczba silników) uzyskujemy 500g oraz łączny prąd pobierany z ogniwa wynoszący ok. 10A. Jak już wspominałem dla uproszczenia pomijamy konieczność zasilania pozostałej elektroniki.

Zacznijmy od baterii 1000mAh. Jej pojemność oznacza, że rozładujemy ją całkowicie pobierając prąd 1000mA (1A) przez 1h – dlatego jest to 1Ah (1 Amperogodzina). Nasz kopter, jak policzyliśmy pobiera prąd 10A, czyli dokładnie 10 razy tyle. Oznacza to, że czas również skraca się 10 razy, czyli 60 min. (1h) / 10 = 6 min. Teoretycznie więc uzyskujemy około 6 minut zawisu mając na pokładzie baterię 1000mAh 3S. Jeśli zwiększymy ogniwo dwukrotnie do 2000mAh teoretycznie uzyskamy około 12 minut nieruchomego lotu. Oczywiście wyliczenie jest bardzo przybliżone ponieważ: nie uwzględniamy wzrostu masy baterii (wraz ze zmianą pojemności), pomijamy także fakt, że w praktyce powinniśmy rozładować baterię w ok. 80% (czyli przyjmując 800mA zamiast 1000 oraz 1600 zamiast 2000). Dodatkowo wciąż mówimy o nieruchomym zawisie – podczas przemieszczania się potrzebujemy odpowiednio więcej energii. W praktyce, wyścigowy model, który na jednym ogniwie lata ok. 5 min. jest wynikiem całkowicie akceptowalnym. W przypadku kopterów z kamerą i gimbalem oczekiwania to co najmniej kwadrans. Tam jednak model nie musi latać dynamicznie, więc jego TWR może być niższe (wyższa masa, mniejsza moc silników), a i wzrost rozmiarów i wagi ogniwa jest mniej odczuwalny, bo kopter jest większy (więcej przestrzeni) oraz może proporcjonalnie więcej unieść. Dlatego też pojemności rzędu 5000mAh-10000mAh nie powinny nikogo dziwić.

Czy da się inaczej ?

Wpis ten przedstawiał całą teorię, która jest potrzebna do oceny właściwości budowanego przez nas koptera. Oczywiście stosowałem tutaj trochę uproszczeń, ale dopóki budujemy model hobbystycznie, nie ma potrzeby wchodzić w złożone szczegóły. Wiele rzeczy można doczytać, a ta baza podstawowych wyliczeń pozwala złożyć model, który oderwie się od ziemi i będzie latał. Być może nie wygramy nim wyścigu (choć wiele zależy od pilota, a nie sprzętu), natomiast będziemy w stanie świadomie dobrać elementy do naszej samodzielnej konstrukcji.

Oczywiście ci, którzy budują wielowirnikowce „na poważnie” wykorzystują kalkulatory wspomagające dobór części oraz pozwalające na szybsze sprawdzanie wpływu zmiany pojedynczego komponentu na ogólną charakterystykę koptera. Jeden z najpopularniejszych kalkulatorów to Ecalc.ch. Wersja w języku polskim dla multikopterów dostępna jest tutaj: http://ecalc.ch/xcoptercalc.php?ecalc&lang=pl.

Tak wygląda fragment strony, w którym wpisujemy niektóre parametry oraz wybieramy komponenty, których użyjemy do budowy naszego quadrocoptera:
ecalc_1

Po zatwierdzeniu otrzymujemy wynik obliczeń, który przynajmniej w części przypomina to, z czym walczyliśmy „na papierze” przy okazji tego wpisu:
ecalc_2

Zapewne niektórzy zapytają, dlaczego od razu na początku nie wspomniałem o tym narzędziu. Z dwóch powodów. Po pierwsze – bez zrozumienia elementarnej teorii, która stoi za budowaniem własnego modelu, nie sposób zrobić użytek z kalkulatora, w którym do wyliczeń trzeba wypełnić paręnaście pól, a którego wynik nic nam nie da, jeśli nie rozumiemy, co chcemy w zasadzie uzyskać i co poszczególne wartości oznaczają. Po drugie – jest płatny. Niewiele, bo za subskrypcję miesięczną zapłacimy 2 USD, a za roczną 5.5 USD. Wersja darmowa pozwala przetestować jego działanie, ale baza części jest losowo ograniczana tak, abyśmy nie mieli dostępu do wszystkich na raz.

Moim skromnym zdaniem bez umiejętności policzenia parametrów samodzielnie, lepiej nie zabierać się za narzędzie, które zrobi to za nas. ECalc ma chyba najszerszą bazę części dostępnych na rynku, ale nie będzie za nas myślał. Powinien on pomagać w doborze elementów, a nie zastępować nas. Jest on wysoce konfigurowalny, ale wymaga od nas wyspecyfikowania wielu parametrów, o których wspominałem przy okazji wpisu. Spróbujcie policzyć pierwszy kopter sami. Jeśli ktoś zechce, może uruchomić potem próbną wersję Ecalca, sprawdzić, czy wybrane części są dostępne i zlecić mu policzenie parametrów. Jeżeli nie pomylicie jednostek i nie zrobicie żadnego szkolnego błędu w obliczeniach na kartce – model na pewno będzie latał.

Przypominam, że działa również forum (http://forum.4smigla.pl), na którym można się podzielić własnymi wyliczeniami i zapytać o to, czy są poprawne. Gdyby temat nie był jasny, można także pisać swoje uwagi w komentarzach. Postaram się rozwiać wszelkie wątpliwości i jeśli zajdzie konieczność – poprawić artykuł !

Podsumowanie

Z powyższego wpisu należy zapamiętać parę podstawowych rzeczy.

  1. Rama determinuje nam większość dalszych elementów modelu. Od jej wyboru będzie zależała łatwość złożenia i zainstalowania poszczególnych części, rozmiar śmigieł i silników (rozstaw śrub), jak również wielkość baterii. Na ramie nie warto oszczędzać.
  2. Podstawowym parametrem śmigieł jest ich średnica i skok. Zawsze są podawane w calach, najczęściej jako XXYY, gdzie XX – średnica, a YY – skok. Maksymalną wielkość śmigieł określa długość ramion quadrocoptera, a minimalną na ogół wybrany typ silnika.
  3. Silnik ma parę podstawowych parametrów pracy, ale w granicach danego KV ważne jest, jakie śmigła do niego pasują oraz jaki ciąg na nich uzyskamy. Wypadkową wartością jest prąd, jaki silnik będzie pobierał w trakcie pracy – szczególnie na maksymalnych obrotach. Ten ostatni zależy od śmigła (5030, 6045 itd.) i napięcia znamionowego baterii (3S, 4S itd.).
  4. Maksymalny prąd, jaki będzie pobierał silnik określi nam, jakiego ESC potrzebujemy. Nie wskaże dokładnie marki i typu, ale powie jaki limit prądu ma obsługiwać dany regulator, a to zawęża skutecznie zakres poszukiwań.
  5. Znając maksymalny prąd pobierany przez silniki możemy znaleźć baterię, która go zapewni.
  6. To tyle w tym artykule. W następnym przedstawię te wyliczenia już bardziej praktycznie, ponieważ wybiorę elementy do budowy swojej 250-tki, którą następnie będziemy razem, krok po kroku tworzyć. Do następnego !

  • Mati

    Świetny tekst.

    • Dzięki ! Już lada moment kolejna część 🙂

  • a.no

    Może nie zauważyłem, choć szukałem, jakie sa założenia co do kosztów tego projektu?

    • Nie robiłem konkretnych założeń, ponieważ stwierdziłem, że podam wszystkie informacje potrzebne do wybrania elementów samodzielnie i potem postaram się możliwie dokładnie wyjaśnić, jak to wszystko poskładać. Oczywiście nie wyczerpie to tematu, ale lepsze niż nic 🙂 Jeśli chodzi o koszty to złożenie taniej 250-tki będzie kosztowało w granicach 1000 zł. Doliczając sprzęt FPV pewnie dojdzie jakieś dodatkowe 300 zł. Zaletą jest to, że większość osprzętu kupuje się raz – aparaturę, odbiornik FPV, gogle, albo ekran, ładowarkę Li-Po itd.
      Ten kopter, który buduję kosztował w całości trochę ponad 900 zł (220 zł silniki, ok. 200 zł ESC, rama > 100 zł, SP Racing F3 (kontroler lotu) ok. 100 zł), odbiornik FrSky (kolejne 100 zł), bateria 4S (ok. 80 zł), nadajnik z kamerą FPV (>100 zł)). Do tego trzeba doliczyć koszty różnych drobnostek takich jak termokurczki, taśma izolacyjna, opaski, rzepy itd. Nie jest to duży koszt, ale jak się poskłada to jakieś dodatkowe 50 zł dojdzie. Aparatura to zakup w granicach 200-400 zł zależnie od modelu. Ja polecam nie szczędzić mimo wszystko na nią, bo ją będziesz mieć lata. Przyzwoita ładowarka li-po to dodatkowe 100 zł – też jednorazowy wydatek. Na końcu pozostaje kwestia odbiornika 5.8 GHz do FPV. Tani zestaw złożymy za ok. 200-250 zł, z czego ponad 100 zł to sam odbiornik. Do tego mała bateria li-po i jest komplet. Będzie nieco więcej w najbliższym wpisie.

  • Dariusz Kuna

    Super
    Mam nadzieję że może do końca wakacji zbudujemy nasze koptery.Pozdrawiam 🙂

    • Wkładam teraz wszystkie siły w tworzenie artykułów o budowaniu kopterów – zobaczymy, co z tego wyjdzie. W każdym razie staram się jak mogę, żeby przyspieszyć tempo. Mam już materiały z budowy, więc tylko siedzieć i pisać.

      Jedyne, co mnie dziwi to fakt, że na razie nikt nie ma żadnych pytań. Kurcze, albo ten temat jest taki oczywisty i prosty, albo nikt się nie wczytuje w ten temat za mocno 😉

      • Kudi

        Myślę że brak pytań nie jest wynikiem ani oczywistych rzeczy ani niewczytywaniem się użytkowników w artykuł tylko po prostu pytania i konkretne wątpliwości pojawiają się przy właściwej budowie a na to trzeba $.
        Więc jeśli ktoś tylko obecnie zbiera informację i się dokształca żeby wiedział co i jak (np.ja) to pytań brak ponieważ póki co naprawdę wszystko super tłumaczysz 🙂
        Mam jednak pewność że w przyszłości (nie wiem kiedy ale kiedyś napewno) jeśli wezmę kartkę, długopis i wszystko zacznę liczyć pod siebie to wtedy pojawią się tu moje pytania, wątpliwości czy prośby o sprawdzenie dobranych części…;)

      • Dariusz Kuna

        Napewno już wszyscy dokładnie zapoznali sie z ofertą banggood i gearbest,ja to zrobiłem hehe .Ale tekst super, wszystko pięknie opisane ,czekamy na więcej.

      • Dariusz Kuna

        Twój tekst jest tak przejżyście napisany że raczej nie ma się o co pytać,pytania napewno pojawią się w 3 części.