DIY, czyli budujemy własny quadrocopter: Część 0 – Wstęp

Już pewien czas temu obiecałem Wam, że opiszę, w jaki sposób zbudować samodzielnie quadrocopter i słowa dotrzymuję. Oczywiście jestem sporo spóźniony, jak zawsze zresztą, ale mam nadzieję, że w zamian jakość tego działu wyrówna długi czas oczekiwania.

W kolejnych częściach chciałbym opisać proces budowy własnego sprzętu całkiem od podstaw. Zaczniemy od wyliczenia, jakie części są nam potrzebne, jak policzyć podstawowe parametry dla naszego quadrocoptera i wreszcie zabierzemy się za złożenie i uruchomienie własnego sprzętu. Wszystko oczywiście podane w możliwie przystępny sposób, co jest znakiem firmowym 4Śmigła.pl 🙂

BTW: Zdjęcie tytułowe to pozostałości po zbudowanym wcześniej modelu, któremu zdecydowałem się zmienić ramę. Wspominałem już, że miałem problem z jego wywracaniem się na plecy ? Wtedy nie wiedziałem jeszcze w czym był kłopot, więc po wielu próbach i zmianach zdecydowałem się go rozebrać. Ot, nauka.

Gotowi ? Zaczynamy !

Dlaczego ?

Rynek kopterów jest coraz bogatszy i w zasadzie każdy może znaleźć model, który będzie spełniał większość jego wymagań. Dobry quadrocopter będzie miał GPS, automatyczny powrót do miejsca startu (RTH), długi czas lotu na baterii, FPV, telemetrię (informację o stanie quadrocoptera przesyłana na bieżąco), gimbal, czy kamerę nawet 4K. Pytanie więc, w jakim celu w ogóle zabierać się za budowanie czegoś swojego ?

Są 3 główne powody:

Po pierwsze – koszt. Nie należy mieć złudzeń – model budowany samemu może nie zawsze będzie piękny, ale cena zakupu pojedynczych komponentów będzie zdecydowanie niższa, niż kupienie koptera gotowego do lotu. Oczywiście producenci dają nam często towar z naprawdę wysokiej półki, ale też nie boją się wziąć pieniędzy za projekt i wykonanie sprzętu, który nabywamy. Montując coś sami mamy pełną kontrolę nad funkcjami, które będzie miał nasz kopter. Świadomie możemy zrezygnować z danego komponentu, wiedząc że płacimy wyłącznie za to, czego faktycznie potrzebujemy.

Po drugie – kompatybilność. Kupując elementy modelarskie, możemy je dowolnie ze sobą łączyć. Można wymienić np. same silniki, albo kontroler lotu i skonfigurować model tak, aby z nimi współpracował. Nie jest to proces trudny, a daje szerokie spektrum wyboru. Jeśli natomiast zepsuje nam się coś w modelu RTF to jesteśmy skazani na łaskę producenta. Podmiana pojedynczego komponentu wcale nie gwarantuje, że będzie on współpracował z pozostałymi. W przypadku modelu, który sami montujemy, ryzyko braku kompatybilności jest relatywnie niewielkie. Może się zdarzyć, ale jest to marginalne. DJI tymczasem nie da nam opcji kupna własnych ESC, czy silników, bo kontroler niekoniecznie da się przeprogramować, żeby je obsłużyć.

m_20150917_075922

Po trzecie – dopasowanie do potrzeb. Modele RTF mają konkretną specyfikację, którą trudno zmienić, a liczba wariantów wyposażenia na ogół jest dużo mniejsza. Budując kopter samodzielnie, możemy wybrać dokładnie takie elementy, które spełnią nasze, najbardziej śmiałe nawet wymagania. Przestajemy pytać, ile dany model wytrzyma na jednej baterii, ponieważ możemy siąść i policzyć jakie elementy dobrać, żeby uzyskać oczekiwany wynik. Nie pytamy o maksymalny zasięg sterowania, tylko sami go określamy i kupujemy aparaturę, która spełni nasze wymagania. Wymaga to większej wiedzy, ale daje nam gwarancję, że quadrocopter będzie miał dokładnie to, co chcemy – ani mniej, ani więcej.

Powiedziałem co prawda, że są 3 powody, ale można dodać jeszcze jeden – dodatkowy. Budując model sami dowiadujemy się co i jak w nim działa. Łatwiej wtedy jest go samodzielnie naprawić i zdiagnozować problemy, gdy wystąpią. Nie ma co prawda oficjalnego serwisu, ale w zamian dobrze zadane pytanie na forum może zdziałać cuda !

Wybieramy rozmiar ramy

Podstawowym wyborem, którego musimy dokonać jest wybór ramy, a dokładniej jej wielkości. Jest ona określana jednym podstawowym parametrem, który stanowi odległość między dwoma przeciwległymi silnikami. Wartość podawana jest zawsze w milimetrach, czyli quadrocopter na ramie 450 będzie miał ramiona o rozstawie 45 cm. Bardzo popularne 250-tki mają 25 cm pomiędzy silnikami – patrząc po skosie. Przyjęło się, że quadrocoptery do wyścigów FPV na ogół nie przekraczają klasy 300, a te do kręcenia filmów wręcz przeciwnie i hexacopter na ramie 600 nie jest niczym nietypowym. Oczywiście granica ta jest umowna, ale jakąś bazę trzeba przyjąć.

m_20150916_084749

Wybór ramy jest decyzją, która niesie za sobą wiele dalszych konsekwencji projektowych.

Po pierwsze jest to rozmiar śmigieł. Podstawowa reguła jest taka, że im większa rama, tym większe śmigła, a wolniej obracające się silniki. O ile quadrocoptery klasy 180 bazują na 4″, to 250-tki używają 5-6″, 330 już około 8″, a 450 zadowoli się 10″. Oczywiście i tutaj są pewne odstępstwa, ale nie zbudujecie modelu 550 ze śmigłami 4″, bo po prostu go nie uniosą.

Za tym idzie wybór silników. Jednym z parametrów, które zobaczycie w jednostkach bezszczotkowych jest KV, które określa liczbę obrotów na V (napięcie zasilania). Im większa wartość KV tym więcej obrotów na minutę dany silnik wykonuje. Parametr ten jest zależny także od napięcia – im większe tym znowu wyższe maksymalne obroty. KV spada wraz z rozmiarem modelu, więc najwyższe wartości mają małe quadrocoptery. Wynika to z tego, że małe śmigło musi się kręcić szybko, żeby zapewnić siłę nośną, podczas gdy duże jest trudniej obrócić, ale daje ono dużo większy wynikowy ciąg. Analogia do ptaków jest tu bardzo wskazana – koliber ma małe skrzydła, więc musi nimi machać bardzo szybko, zaś duży ptak drapieżny może machnąć od czasu do czasu i to gwarantuje mu dalszy lot.

m_20150916_084704

Zależnie od wybranych silników i śmigieł dobierzemy ESC, czyli regulator obrotów. Zwany w środowisku modelarskim „reglem”, odpowiada za sterowanie obrotami silnika zależnie od sygnału płynącego z kontrolera lotu. Najważniejszy parametr ESC to maksymalny prąd, który jest on w stanie przełączać. ESC 20A gwarantuje, że jest w stanie bezpiecznie pracować w zakresie do 20A, z pewną tolerancją na wyższy chwilowy prąd. Zakres maksymalny określi nam zestaw silnik + śmigło. Najczęściej zestawienia te są podane w postaci tabeli i dowiadujemy się, że przy maksymalnie otwartej przepustnicy (100%) dany silnik ze śmigłem o określonej średnicy i skoku pobiera taki, a taki maksymalny prąd. To przyczynek do wyboru właściwego ESC.

m_20150917_075841

Nie można także zapomnieć o baterii, która z jednej strony musi zapewnić wystarczający prąd dla naszego zestawu – parametr „C”, a z drugiej mieć wystarczającą pojemność, żeby zapewnić nam odpowiednio długi lot. Oczywiście wraz z tym ostatnim parametrem rośnie też waga ogniwa, więc znalezienie złotego środka też jest tutaj ważne.

Ostatnia sprawa jaką determinuje rozmiar ramy jest fizyczna ilość przestrzeni, jaką będziemy mieli na „upchnięcie” wszystkich elementów. Duża rama wiele nam wybaczy i umożliwi swobodne połączenie przewodów nawet bez konieczności ich przycinania. Małe modele wymagają z kolei bardzo oszczędnego zarządzania pozostałym miejscem. Przewody muszę być możliwie krótkie, trzeba kombinować, jak wyprowadzić poszczególne piny kontrolera lotu, jak go zamocować itd. W moim przekonaniu nie jest to zadanie łatwe i sam miałem duży kłopot przy swojej pierwszej 250-tce, żeby poradzić sobie z rozmieszczeniem przewodów, które mocno się plątały. Nie znałem wtedy jednak paru trików, które mogą oszczędzić budującemu niektórych trudności. Postaram się, żeby poradnik pozwolił Wam uniknąć przynajmniej paru wpadek przy tworzeniu własnego modelu.

m_20150917_075806

Budujemy !

W dziale DIY omówię budowę 250-tki, która będzie miała pełny zestaw FPV. Model taki jest w stanie dźwignąć kamerę typu GoPro, ale jego główne zadanie to oczywiście manewrowanie między przeszkodami i bicie rekordów toru.

Wybór jest dość arbitralny – to prawda, jednak tak naprawdę jeśli zrozumie się ideę, to stworzenie modelu na dowolnej innej ramie nie powinno sprawić dużego problemu.

Dlaczego 250 ? Ponieważ są one wciąż bardzo popularne, a ich rozmiar jest kompromisem między malutkimi modelami, w których trudno jest wszystko poukładać tak, aby się zmieściło, a dużymi, w których miejsca jest aż nadto, ale poza podniesieniem nawet dużej kamery, niewiele więcej rozrywki mogą dostarczyć. Nie będę się krył, że kategoria modeli wyścigowych bardziej mnie osobiście interesuje, ale postaram się rozpisać cały poradnik w taki sposób, żeby amatorzy budowania własnego modelu poradzili sobie z każdym innym rozwiązaniem.

Co dalej ?

To był tylko uproszczony wstęp. W kolejnej części przyjrzymy się dokładniej elementom składowym quadrocoptera, czyli temu, co tak naprawdę musimy kupić i jak to połączyć, ale bez wnikania w szczegóły odnośnie każdej z części. Chodzi mi o zrozumienie i wyjaśnienie, jak cały model gra ze sobą i w jaki sposób rozprowadzane jest zasilanie. Będzie to pierwszy krok do zrozumienia, jak w przyszłości połączyć ze sobą wszystkie elementy.

Do następnego !

  • Dokładnie tego wpisu oczekiwałem i dostałem. Może nareszcie uda mi się zbudować coś swojego :>.

    • Postaram się, żebyście za długo nie czekali na kolejne wpisy 🙂 Postaram ! 🙂

  • Mariusz Łukawski

    Oooooo tak. Na to czekałem 🙂 i zapewne nie tylko ja 🙂

    • XMAN

      Zgadzam się z opinią kolegi 😀