Quadrocoptery – Eksploatacja

Quadrocopter to kawał wyszukanej elektroniki. Jeżeli ma nie wylądować zbyt szybko w koszu, należy zrozumieć jak go używać, żeby długo cieszyć się jego nienagannym lotem. Właśnie o tym chciałem tutaj napisać.

Silniki szczotkowe

resized-IMG_20141123_234410

Silnik szczotkowy to obecnie najtańszy sposób napędzania wszystkich zabawek RC. Ich sprawność jest dość wysoka, bo zależnie od źródła osiągają nawet do 80%. To oznacza, że tylko 20% całkowitej pobranej mocy zamieniana jest na ciepło. Dodatkowo są banalnie proste w sterowaniu, ponieważ wystarczy przyłożyć napięcie do jego przewodów, aby zaczął się kręcić. Prędkość obrotów jest ściśle powiązana z prądem, który przez niego przepływa.

Warto teraz przyjrzeć się bliżej, jak taki silnik jest zbudowany.

Szczotki

1024px-Tiny_motor_windings_-_commutator_-_brushes_in_Zip_Zaps_toy_R-C_car
Źródło: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Tiny_motor_windings_-_commutator_-_brushes_in_Zip_Zaps_toy_R-C_car.jpg, Autor: Dale Mahalko

Jeszcze raz spójrzcie na zdjęcie powyżej. Po prawej stronie leży plastikowy spód, który zamyka każdy silnik naszego quadrocoptera (o ile nie jest bezszczotkowy). Te blaszki, które kształtem przypominają literę ‚Z’ to szczotki. Są one dociskane do komutatora, który zamocowany jest na końcu wału silnika (po lewej stronie zdjęcia). Zbyt mocne naciśnięcie na wałek (np. podczas wkładania śmigieł) tudzież silne boczne uderzenie (podczas upadku) może spowodować, że szczotki zostaną wygięte, co sprawi że przestaną naciskać na komutator lub co gorsza zewrą się że sobą. Z racji tego, że płynie między nimi prąd, który jest siłą napędową silnika, to jego moc może znacząco spaść przez co nasz quadrocopter nie będzie stabilnie latał. Jeżeli z kolei szczotki obu stron się zetkną mamy tzw. zwarcie, czyli sytuację, która jest analogiczna do połączenia razem obu przewodów idących do silnika. To powoduje drastyczny wzrost prądu płynącego przez tranzystor przed silnikiem, który może się nam spalić. Efektem pośrednim jest błyskawiczne rozładowanie baterii, co też nie jest do końca dobre.

Podczas grzebania przy silniku może też nastąpić inna sytuacja. Jeśli wyszarpiemy cały wałek, łącznie z łożyskiem podczas zdejmowania śmigła, to wkładając go z powrotem, na pewno nie trafimy komutatorem między szczotki i również je powyginamy. Wtedy nasz silnik będzie się nadawał już tylko do wyrzucenia. Z tej właśnie przyczyny polecam robić to ostrożnie, najlepiej używając klucza do śmigieł.

Same szczotki podlegają też po prostu zużyciu że względu na tarcie, więc żywotność silników nie jest zachwycająca. Zależnie od modelu i szczęścia może on pracować od kilkunastu do kilkudziesięciu lotów. Dużo zależy od tego, jak eksploatujemy model, ponieważ każde uderzenie i gwałtowne zatrzymanie pracy śmigła może się odbić na żywotności. Gdy się uczymy latać, warto mieć pod ręka podstawowe części zapasowe. Te które są dostępne opisuję w artykule: Quadrocoptery – Części zamienne

Zamiana polaryzacji silnika

resized_IMG_20150402_225516

W każdym quadrocopterze są dwa silniki obracające się w lewo i dwa w prawo. Zależnie od kierunku mają one inaczej ułożone szczotki i inne kolory przewodów, abyśmy mogli się zorientować, który z zapasowych użyć. Niestety zdarza się tak, że akurat nie mamy pod ręka np. silnika lewego, tylko prawy. Czy można go użyć ?

Przyznaję, że moje pierwsze podejście do tematu okazało się niepoprawne. W przypadku malutkich silniczków używanych w quadrocopterach podobno kierunek obrotów nie ma większego znaczenia [http://www.newton.dep.anl.gov/askasci/eng99/eng99628.htm]. To oznacza, że można zamieniać silniki z różnymi kolorami przewodów, wystarczy tylko przylutować je z odwróconą polaryzacją. Więcej na ten temat piszę w artykule: Quadrocoptery – Wzloty i upadki.

Nie potrafię zagwarantować, że będzie on działał równie długo i niezawodnie, gdy jest odwrotnie podłączony, ponieważ szczotki są ustawione niejako „pod prąd”, ale sprawdziłem, że model lata całkowicie poprawnie.

Gdy robi się gorąco

Ostatnia rzecz to nadmiar ciepła. Pracujący silnik „zamienia” przepływający prąd na ruch mechaniczny, czyli po prostu „kręcenie się”. Nie robi tego jednak w sposób idealny i część prądu, która przez niego płynie jest tracona w postaci ciepła. Samo tarcie komutatora o szczotki odpowiada za większość oporu, reszta to łożyska. Procentowy stosunek pobieranego prądu, do tego, który jest wkładany bezpośrednio w ruch wału nazywamy sprawnością. Sprawność na poziomie 80% oznacza, że 4/5 naszego prądu silnik wkłada we własną pracę, a pozostałe 20% jest tracone w postaci ciepła.

Przegrzewając silniki można drastycznie skrócić ich żywotność. Nie można dopuścić do sytuacji, w której dodajemy gazu lewym drążkiem, a jeden z silników jest zablokowany i nie może się kręcić. Powoduje to bardzo wysoki pobór prądu, więc szybko rozładowuje baterię, ale ponadto gwałtownie rozgrzewa sam silnik. Jest to skuteczny sposób, żeby stopić szczotki, co oczywiście uniemożliwi dalszą jego pracę.

Druga sytuacja to długotrwały, ciągły lot z krótkimi postojami na wymianę ogniw. Jeśli mamy więcej niż jedną baterię to przecież właśnie po to, żeby wydłużyć zabawę prawda ? Owszem, tak właśnie jest, ale należy po każdym lądowaniu sprawdzić, czy silniki nie są ciepłe. Jeśli tak, to znaczy, że należy im dać chwilę na obniżenie temperatury, ponieważ ryzykujemy ich przegrzanie. Oczywiście, jeśli są chłodne, to należy kontynuować lot i specjalnie się nie przejmować. Przy spokojnym lataniu problem nie powinien właściwie występować. Jeżeli natomiast „dociśniemy” takie modele jak Hubsan X4 w trybie Expert, to faktycznie warto co pakiet sprawdzać stan silników.

Kiedy kalibracja / trymowanie nie pomaga

resized_IMG_20150402_232048

Jeżeli mimo kalibracji znoszenie jest silne, to znaczy, że albo przesunął się środek ciężkości (CG) albo któryś z silników pracuje za słabo i quadrocopter nie jest w stanie sam tego skorygować. W pierwszym przypadku najczęściej winna jest luźna bateria, która zależnie od tego jak jest mocowana może się przemieszczać. Takie szczegóły mają znaczenie szczególnie w nanoquadrocopterach typu Hubsan Q4. W przypadku silników sprawa jest bardziej złożona.

Jeżeli znosi wyraźnie w kierunku któregoś z czterech ramion, to znaczy, że silnik albo śmigło zamocowane właśnie tam może być źródłem problemu.
Warto wtedy najpierw obejrzeć dane śmigło i sprawdzić, czy nie jest ono zbyt mocno postrzępione, uszkodzone lub połamane. Wymiana na nowe pozwoli się upewnić, że nie tutaj tkwi problem. Należy też zakręcić śmigłem i zobaczyć, czy w stosunku do innych nie obraca się ono ze znacznie większymi oporami. Jeśli tak jest, to nasz silnik może już powoli kończyć swój żywot.

Dodatkowym testem jest dodanie odrobiny gazu, tak aby wszystkie śmigła zaczęły się kręcić, ale nie na tyle, żeby model się podniósł. Teraz należy gwałtownie ustawić gaz na 0 i patrzeć jak zatrzymują się kolejne śmigła. Jeżeli któreś z nich staje wyraźnie szybciej, to uszkodzony / zużyty silnik może być tego przyczyną.

Braki mocy silnika możemy także określić poprzez złapanie quadrocoptera od spodu i trzymając go płasko, dodanie odrobiny gazu tak, aby wszystkie śmigła zaczęły pracować. Teraz można go przechylać w każdy z narożników. Silnik, w kierunku którego przechylamy model, powinien pracować mocniej, co poczujemy poprzez opór i próbę powrotu quadrocoptera do pozycji poziomej, jak również przez zwiększony ciąg i ruch powietrza po danej stronie. Jeśli siła z jaką model usiłuje wrócić do oryginalnej pozycji jest wyraźnie mniejsza po którejś stronie, to kolejny znak, że może pora na wymianę silnika.

Należy pamiętać, że kontroler lotu dość dobrze radzi sobie z kompensowaniem braków mocy w danym silniku, więc nie zawsze od razu odczujemy problem. Najczęściej spotykany to pochylanie na jedno z ramion, podczas wznoszenia. To które zostaje u dołu ma słabszy silnik i w momencie gwałtownego dodawania gazu nie jest w stanie dostarczyć tej samej mocy co pozostałe i przez to quadrocopter nie wznosi się dokładnie pionowo.

Bateria

IMG_20141207_220814

Po każdym locie ogniwu należy dać przynajmniej 15 min. zanim podłączymy je do ładowarki i drugi kwadrans po naładowaniu, zanim zaczniemy korzystać z niej w modelu. Należy przynajmniej zwrócić uwagę na to, żeby bateria nie była ciepła przed ładowaniem i po nim, zanim zaczniemy jej używać. Nie znam chemicznych podstaw tej porady, ale wiem, że znacząco przedłuża to liczbę cykli ładowania, jakie zniesie nasza bateria zanim jej pojemność spadnie na tyle, że wystarczy na nie więcej niż minutę lotu. Sprawdziłem to empirycznie, jak i czytałem na ten temat w sieci – opinie i doświadczenia są zbieżne.

Jeżeli model nam się znudzi to lepiej składować go przy częściowo rozładowanej baterii, gdyż jest to dla niej lepsze. Mikroprocesorowe ładowarki li-po mają nawet specjalny program „storage”, który rozładowuje ogniwo do poziomu około 3.8V i pozwala na wielomiesięczne składowanie bez ryzyka. Tak naładowane baterie przysyłają nam producenci razem z quadrocopterem. Oczywiście domowymi metodami trudniej jest osiągnąć właściwe napięcie składowania, więc rozsądnie jest po prostu polatać modelem około połowy czasu na ile zwykle starcza pełna bateria i wtedy go odłożyć ją na półkę. Zmniejszamy tym samym ryzyko zbyt szybkiej utraty pojemności, jak i napuchnięcia ogniwa. O tych ostatnich piszę też tutaj: Napuchnięte pakiety (baterie) Li-Po.

Jak zawsze doskonałym pomysłem jest dokupienie dodatkowych ogniw do modeli, w których można je łatwo wymienić, tym samym przedłużając zabawę.

Więcej informacji o bateriach litowo-polimerowych można też znaleźć tutaj (j.angielski): http://uterc.org/files/LipoStorageTips.pdf

Jak zawsze pozostaje mi życzyć Wam udanych lotów i jak najmniej napraw ! Do następnego !