Borítéktól a kék égig – drón születik

2016. március 13. vasárnap
Mozaik | Szerk: HA8LHT

Mire kell? Mekkora legyen? Milyen típusú? Kell-e egyáltalán? Rengeteg kérdés merül fel, de mindegyik a súlynál és az árnál végződik. Ez utóbbit nem feszegetném, minden további kérdést tematikusan, a gyakorlattal párhuzamban taglalok. 

dron.leltar

Az átlag drón – igen, félmilláért az ugyanúgy kínai, középszerű DJI (dídzsíáj) is – arra való, hogy lentről nézzük milyen jó messze ment, majd visszahozva esetleg a Return to Home gombot megnyomva ámuljunk, milyen remek videót vett fel. Amit aztán tízmásodperces snittekből kell összerakni, mert ennél nagyobb egybefüggő, használható momentum nincs a kártyán. Itt a 4K is csak arra jó, hogy legyen miből vágni – vibrációt csökkenteni és nézelődni – 720p-re, már ha értünk hozzá. A modell: gyűjtenek rá, játszanak vele majd rájönnek, nem keresik hülyére magukat vele.

Jobb esetben súlyos százezrekért egy ájpadon láthatunk egy kameraképet. Na ettől elrugaszkodunk és kivesézzük két típus építését. Nem taglalom az alapvető információkat, egyszerűen leírom, mire volt szükségem, míg a buktatókra és a kapcsolódó ismeretanyagra a miértekben igyekszem érintőlegesen rávilágítani.

Ez az írás egy komolyabb, videó készítésére szolgáló repülő építését mutatja be részegységenként tárgyalva a problémákat, felvetéseket – folyamatosan frissítve. A későbbiekben – részben párhuzamosan – egy nagy teljesítményű versenygép, a kis méregzsák építését is leírom. A drónversenyekről már egyébként is esett pár szó.

Mivel a nagyot 2000 gramm repsúlyra terveztem, sok egyéb körülményt – például vezérlés és korrekciók – is figyelembe véve hatmotoros, úgynevezett hexakopter építése mellett döntöttem. A cél, hogy néhány kilométerre ideális időjárási viszonyok mellett kisebb szélben is kifogástalan minőségű, nagy felbontású videót lehessen készíteni bármiről, bármilyen manőver és változó, programozott követési szög mellett – mindezt monitor mögül, képernyőre tett telemetria-adatokkal és külön műszerezett monitor mögül irányítva. Alkalmasnak kell lennie repülési terv alapján összetett művelet végrehajtására majd automatikus hazatérésre is.

 

 Váz  – A vázak betűjelei mellett általában szerepel egy szám, ami az egy átlón elhelyezkedő motorok tengelytávolságát jelöli. Én egy hatmotoros 550-es vázra építem fel a gépet. Célszerű úgy választani, hogy legyen lehetőség a legoptimálisabb súlyelosztásra, azaz a tömegközéppont propellerek síkjában való kialakítására. Sok macerát megspórol az, aki olyan frame-t választ, aminek egyik lapján ki vannak alakítva a nagy áramú csatlakozásra szolgáló tappok, így nem kell külön elosztópanelt beszerelni. Ezek a kialakítások ráadásul optimális kivezetés-elrendezéssel is vannak megoldva. A vázak anyaga üvegszálas műanyag, de szinte mindenhez lehet kapni jóval könnyebb, szilárdabb de erősebb szénszálas csereelemet is.

Alakjait tekintve van Y és V alakú is, valamint olyan kicsi, ahol az egymás melletti rotorok csak úgy férnek el, hogy nem egy magasságban vannak.

A váznál meg kell megemlíteni az FPV (QAV250) versenydrón alaplapját: itt az egyik alapelemet kicserélve egy nyomtatott áramkört kapunk, melyre mindent (modulok, csatlakozók, vezetékek) rá tudunk ültetni, megúszva ezzel a kábelkötegelőzést és ragasztást.

A szerelés közben mindkét gépet rendre fellógatom, az alkatrészek elrendezése közben igyekszem azt elérni, hogy a tömegközéppont ne vándoroljon.

 

 Akku  – Talán a legfontosabb építőelem, hiszen a felhasználáson túl ehhez méretezünk mindent: a repülési időt, a motort, a vezérlőket, de legnagyobb arányban határozza meg a súlyt is. A nagyobb kapacitás több repülési időt jelent, de nagyobb súlyt is. Meg kellett találni az optimális értékeket, ezt esetemben egy nanotechnológiás LiPo 3S akksit és 8000mAh-t jelent egy 35-50C kisütési tényezővel. Akksiknál a márka nem számít annyit, ugyanis mindet Kínában gyártják. Célszerűen nagyobb kapocsfesz is szóba jöhet, 4S akksival. Itt 6000mAh ugyanazt a teljesítményt adja, de nagyobb fordulatot préselve ki a motorokból.

Kapacitás – Az akksi tárolóképessége jellemzően 1000 és 20000 mAh között van, súlyuk ennek megfelelően száz grammtól fél kilóig terjed.

Kisütési sebesség – meghatározza, hogy biztonságosan milyen gyorsan merítheted az akksit. A maximális áramfelvételhez és annak idejéhez kell méretezve megválasztani. A LiPo akksi egyetlen hátránya, hogy kisebb a kisütési tényezője, aminek a száraz polimer lassú gázcseréje az oka. A C-érték azt adja meg, hogy kapacitásának hányszorosát képes áramban leadni. Ezzel határozzuk meg a legnagyobb terheléssel való lemerülési időt is (percben): mAh/60perc*C, majd ezzel az értékkel elosztjuk a kapacitást (mAh értéket). Szintén C-számmal adják meg a töltés áramát.

Cellaszám – Azt adja meg, hogy hány cella és miként van összekötve (S – soros P – párhuzamos). A háromcellás akkumulátorok 11,1, míg a négycellások 14,8 voltosak. A nagyobb feszültség kisebb áramfelvétellel jár, ezt gondolom nem kell magyarázni. Mások viszont a kapacitás-súly-repidő arányok.

Kémia – A drónok akksijai jellemzően lítium-polimer (LiPo) akkumulátorok. Az alacsony áruk miatt nem érdemes kompromisszumosabb (NiMH) típust választani.

Technológia – A hagyományos cellatípusok mellett némileg drágább, de jobban terhelhető és nagyobb kapacitású a nano cellás rendszer. Komoly, 50 százalékos felárat jelent, de gyorsabban is lehet tölteni, így négy vagy öt akkumulátor helyett elég kettőt, esetleg hármat venni.

Megjegyzem, a távirányítóba is érdemes LiPo akksit venni. Erre a célra alig 10x3x2 centis egyedek is vannak, 8C értékkel és 2,54-es kiosztású tűre való csatlakozóval. Nagyjából annyiba kerül, mint egy szett elem, és nem kell kidobni, sem annyit tölteni.

 

motor Motor  – Kefe nélküli, kívülfutó motorok (Outrunner, Brushless). Úgy működnek, mint egy hagyományos villanymotor, de a tekercselt mágneses rész áll egy helyben, míg a mágnessel szerelt, jobb esetben csapágyazott palást – melyre a propellert is erősítjük – forog. Típusait számmal adják meg, mely szélességére és hosszára utal. Tipikus hiba szokott lenni, hogy a forgórészre ragasztott mágnes leesik.

KV-érték – Megadja, hogy egy voltnyi eltérés hány percenkénti fordulatot jelent. Általános típusok rpm/V értéke valahol 600 és 2400 között van. Természetesen minél finomabban szabályozható a motor, annál könnyebb az olyan koordinációt elvégezni, ami a gép stabilan tartáshoz szükséges. Ez a versenyre tervezett nagy sebességű gép szempontjából nem annyira fontos, mint a videózásra szánt repülő esetében.

Emelőerő – Megadja, hogy maximális kihajtással a megadott típusú propellerrel mekkora tömeget képes felemelni. Átlagos típusok esetében 400-800 gramm között van. A motorokhoz adott feszültségértékekhez (3S/4S) ajánlanak propellert is, mellyel a legjobb hatásfokkal üzemel.

Irány – órajárással megegyező (CW) vagy ellentétes (CCW). Vannak univerzális motorok is, amik bekötéstől függően mennek valamerre, de célszerűbb irányba forgót venni, hiszen a központi csavar nem árt, ha tizenezres fordulat mellett nem tekeredik le. Az eltérő irányú motorokat eltérő csavarszínnel is jelölik. Egy drónnál az átlósan elhelyezkedő motorok ellentétes irányba kell, hogy forogjanak.

Motoroknál fontos még a húzóerő/tömeg arány, amik összehasonlításai jó viszonyítási alapot jelentenek. Jellemezhetjük őket egy mh értékkel, ami a magas fordulaton mutatott rezgésszámukra utal. Meg szokták adni a motor körszámát, ez a tekercseken lévő meneteket jelenti. Szabályozók esetében lehet jelentősége, hiszen minél kevesebb, annál nagyobb áram folyik rajta. Legtöbbször a maximálisan felvett áramát is elegendő figyelembe venni.

A propeller felfogatása vagy központi csavaros, vagy két kisebb csavarral oldható meg. A központi csavaros az elterjedtebb. Kedvelt és jó ár-érték arányú típusok a T-motor, eMax, SunnySky.

A nagy drónra a precíz pozíciótartás érdekében 810kv motorok kerülnek, míg a racerre a legerősebb erőgépek, 2400kv rátával. Mindkettő márkája eMax lett, és mindkettő a II-es típusú, javított hűtésű széria (MT2204-II illetve MT2216-II).

 

 Propeller  – Mint említettem, legegyszerűbben a teljesítmény és a motor ajánlása adja. Vannak alkalmazások, ahol a kisebb, meredekebb emelkedésű lapátok célszerűbbek, vannak, ahol a nagyobb propokat kisebb emelkedéssel jobb alkalmazni. Esetemben 8-12 inch között 30 és 45 fok emelkedéssel áll a repertoár, én 10×4,5 (1045) típusú csavart választottam. Általánosságban igaz, hogy míg repülőknél a felirat előre, drónoknál felfele mutat. Forgásiránytól függően megkülönböztetünk CW és CCW propellereket.

Kevesen tudják, de bizony méretezni kell a propot. Azon túl, hogy a túl nagy és/vagy meredek lapáttal teljesen feleslegesen erőlködik a motor és csak melegszik, a túl nagy sebességgel pörgethető propeller vége könnyen áteshet. Ez annyit jelent, hogy az elhaladó propeller után keletkező alacsony légnyomású légtömegbe belecsap a prop következő fele, ami az alacsony légsűrűség és az itt már relatív alacsony sebessége miatt nem tud kellő felhajtóerőt kifejteni. Ekkor drasztikus hatásfok-csökkenés következik be.

A szükséges darabszámnál persze eltökélhetjük, hogy majd vigyázunk és nem törjük össze – ez a kamerás gépnél még elő is fordulhat – azonban egy száguldó kis méregzsák esetében nem sok esélyt szabad hozzá fűzni. Gyakorlatilag a 400 grammos kis repülő egyetlen törhető darabja a propeller, mindenki tízszeres mennyiséggel vág neki egy nagyobb etapnak. Úgy látszik, fogyóeszköz.

 

blheli-esc ESC  – Azaz szabályozók. A repülésvezérlőhöz csatlakoztatva a feszültség beállításával szabályozzák a motorok fordulatszámát. Az eszkek egyik alapvető paramétere, mely az egyszerűbb, olcsó társaiktól különbözteti meg a magasabb kategóriákat, a frissítési intervallum. Először vala a sima kis vezérlő, melyet a központi elektronika közvetlen feszültségszintekkel irányított. Ez másodpercenként néhány paramétermódosításra adott lehetőséget, mert ugye a központi rész sok egyéb feladattal is foglalkozott. Ebben tűnt ki először Simon Kirby, aki 400 hertzes mintákkal dolgoztatta atmel/fet felépítésű szabályzóját.

Jellemzően két használhatóbb típusú vezérlő van, ez a SimonK és a BLHeli. Mindkettő saját firmware-rel fut. A SimonK is nagyon népszerű, de az utóbbi időben mintha a BLHelit fejlesztenék jobban. Ez utóbbi képes egy dinamikus fékezésre is, ami versenyek alkalmával nagyon nagy szolgálatot tesz.

Egyre több leírást találni a neten, miszerint a SimonK dadog a dinamikusabb használat közben. Az ESC-ek azon típusát, melyek egy galvanikus leválasztást valósítanak meg a repülésvezérlőtől, OPTO jelzéssel látják el. Erre szükség is van, hiszen a másik ijesztő jellemzőjük az, hogy mekkora áramot tudnak szabályozni FET-jeikkel. 6 amperestől egészen 40, sőt 80 amperig is találkozhatunk velük. A motor maximális áramfelvételéhez és az alkalmazott feszültséghez kell helyesen megválasztani. Célszerű arra is gondolni, hogy később nagyobb cellaszámú akksi kerül a gépbe.

Általánosan igaz, hogy minél újabb firmware van rajtuk, annál jobb. Fontos, hogy azonos verzió legyen mindegyiken. Legegyszerűbb módja a programozásuknak, ha külön USB-s programmert szerzünk hozzá, nem kell arduinoval meg pinek forrasztgatásával bajlódni. Én a sokat dicsért és a Turnigy elé helyezett DYS BLHeli 16 és 20 Amperes verziói mellé helyeztem a voksot. Nagyon kicsik, könnyűek, és persze jól néznek ki.

Némely ESC olyan opcióval bír, mint a BEC vagy UBEC. Ezek nem mások, mint egy sima 5 voltos stabilizátorok, amit a vezérlés vezetékei mellett adnak vissza egy szálon. Általában 3 amperesek. Az EXC-re nem célszerű kritikus modult (mint a vevő) kötni, mert könnyen eshet a feszültségük.

 

vevok Távirányító  – A sokcsatornás rádió megérne egy külön cikket is. Alapvetően elmondható, hogy minél drágább, annál jobb. A legtöbb táv csak egy vezérlő egység, amibe rádiós modulokat tehetünk.

Csatornaszám – A legfontosabb, hogy a négy szükséges csatornán túl tartalmazzon annyi és olyan vezérlési lehetőséget, melyre szükségünk van. A kapcsolók állapota mellett potméterek értékeinek közvetítésére is szükség lehet, így nekem a kameratartó háromból két tengelyének változtatása két plusz csatornát igényel. Szintén csatornát foglal a távirányító telemetriamoduljának funkciója, vagy a leszállólábak behúzása, vagy lámpák kapcsolása is. Népszerű távirányító típusok például az FrSky, Turnigy, Futaba. Rádiós modulok egyik legkedveltebb márkája a Corona.

RSSI – a vevő egy csatornán visszajelzi az általa vett jelerősséget. Ezt az adatot sok vevőmodul az OSD-k vagy a repülésvezérlők számára is kiküldi egy külön csatornán. Ezt vagy a képernyő egyik szegletében kísérhetjük figyelemmel, vagy a távirányítónk kijelzőjén.

DSSS – Zavartűrés szempontjából fontos funkció, vagyis üzemmód. Nem egy szűk csatornán működik a rádió, hanem egy szélesebb spektrumban.

SBUS – egy soros (digitális) átviteli mód, három (táp, föld, jel) kábelen.

PWM – analóg, pulzus szélesség moduláció. Még a régi korszakból származik, ma már nem használják annyira.

PPM – pulzus pozició moduláció, 8 csatorna három kábelen.

PCM – pulzus kód moduláció, ez már az előző kettővel ellentétben digitális.

A távirányítóknak fontos tulajdonsága még a felbontás, amit szekciókban adnak meg, illetve a szekciók közötti váltás késleltetési ideje. Egy átlagos táv 4096 és 25 μs értékekkel bír.

Én a RadioLink AT-9 távját választottam, a 9 csatornás SBUS vevő mellé a másik drónba egy 6 csatornás PPM vevővel. Az adót a karok szélső és középső állásának kalibrálása és a potméterek, két- háromállású valamint billenőkapcsolók kiosztása után egy gombnyomással össze lehet párosítani a vevővel. Az üzemmódválasztás (PPM/SBUS) is a gomb segítségével végzendő.

 

 Kameratartó  – más néven gimbal. Ennek a feladata, hogy nanoszekundumnyi válaszidővel reagáljon a helyzetváltozásra, és azonos pozícióban tartsa a kamerát. Két és háromtengelyes stabilizátorok vannak, az olcsóbbak egy alapvető és megmosolyogtató hibával: a kamerát tartó szerkezet nem a gumibakokra van ültetve, tehát a szerkezet nem a gépre rögzített lemezen át lóg, hanem a bakok rögzítő fülein lóg. Egyszerűbb és talán nincs is jelentősége, csak mérnökként fura megoldásnak találom. Két tengely is elő tudja állítani egy harmadik elfordulását és a külön 32 bites vezérlő győzi is munkával, amíg valamelyik tengely nem 0 vagy 90 fokon áll. Azon túl repülés közben nem is lehet körbenézni, hiszen egy kéttengelyes gimbal esetében a jobbra-balra fordító motor hiányzik. Apropó motor, nagyon kis kv-jű kefe nélküli motorok vannak itt is.

evvgcVezérlésére kétféle megoldás létezik. Az egyik, hogy a repülésvezérlő irányítja, a másik, hogy saját vezérlője van. Vezetékezés, csatornák bekötése, áramfelvétel stb. számtalan előny és hátrány van, én külön vezérlőt választottam. Storm32 és EvvGc a két elterjedt típus, utóbbi lapul a dobozban. Ezt még nem tudom, hogy a két tengely elfordításához szükséges csatornát honnan adom neki, hiszen ha SBUST-t használok, a vevőn szeparált PPM csatornák inaktívak, de bízom benne, hogy ezeket a szálakat a repvezérlő leválasztva kiadja nekem.

Háromtengelyes stabot választottam, hiszen a jobbra- balra fordulást – csavarodást – lassan kompenzálva egyenletessé teszi a képmozgást manőver közben is. A variációk száma óriási: külön felsőtartós rögzítés és/vagy könnyű karbon darabok külön beszerezve, csak fantázia kérdése.

 

naza32 Repülésvezérlő  – na ez már érdekes kérdés. Hihetetlen mennyiségű márka (Afro, Ardupilot, Pixhawk, PX4, Naze, Naza, stb.) van forgalomban. Az APM-ek általában 8 bites atmelek, minden más 32 bites STM processzorra épül. Van bennük egy giroszkóp és gyorsulásmérő, a jobbakban hőmérők, barométer.

Érdemes odafigyelni, milyen portjai vannak. Drónhoz kevésbé, de repülőhöz hasznos a két vákuum-elven működő szélsebességmérő. Ez a csövecskés modul újabb i2c csatlakozófelületet is igényel.

Én a portok és a kimenetek miatt egy felső kategóriás Pixhawk-ot választottam (persze ebben is van kisebb felülettel bíró mini), míg a méregzsákra egy fullos AfroFlight Naze32-t. Ez a hatodik generációját tapossa, két típusa van, a 6DOF és a 10DOF. Ez utóbbi tartalmazza a barométert (QNH a relatív magassághoz) és az iránytűt. Ezekre egyéb feladatok miatt van szükségem, nem részletezném.

 

 FPV kamera  – Repülés közben a kamera képét látjuk, mint egy pilótafülkében (FPV). Minél nagyobb felbontás azaz minél több sor, annál jobb, de itt azért a minőség sem biztos, hogy hátrány. A Sony Effio DSP-ivel szemeztem, mígnem a legegyszerűbb mellett döntöttem.

Míg az Effio-E csak egy sima belépő szintű jelfeldolgozó, addig az -S már alapszintűnek van titulálva. Elég érdekes, hogy az alsó kategóriában a normál alá csináltak valamit, de legalább feleannyiba kerül és mégiscsak van. A -P modell már széles dinamikatartományt (WDR) ígér, a felső kategória két képviselője az -A és a -V pedig ötszörös áron magas képminőséget illetve annak WDR-jét. A magasabb kategóriák olyat tudnak, hogy ködöt kiszűrni, komolyabb zajcsökkentési eljárásokat ismernek és javítanak a dinamikán. Ennyi csicsa nem kell, egyszerűen csak egy templomtornyot akarok kikerülni.

Az FPV első karosszériaeleme a szabvány, 32 millis furattávnak megfelelően van kifúrva, így a panelre szerelt kamera rögzítése nem jelent igazán gondot. Beállításnál célszerű úgy pozicionálni, hogy a horizont az alsó kvadránsban legyen – haladáskor ugyanis előredől a repülő és nem biztos, hogy az útvonal a földre van festve…

 

osd OSD  – egy újabb Atmel proci, azt és oda írunk ki a képernyőre, amit csak akarunk. Esetemben a racernél a minimális de szükséges információ került fel, a kamerás gépnél pedig a robotrepülést ellenőrző és az elfordított kamera esetén a kézi beavatkozást lehetővé tevő paraméterek is szükségesek. Itt a felvételt egy másik csatornán rögzítem, így a zsúfolt monitor nem jelent gondot.

 

telemetria Telemetria  – alapvetően a repülési adatokat szolgáltatja egy 900 MHz-es modul. Ez egy második/harmadik monitort jelent, ami csak műszerekkel van tele, ez nullázza a relatív magasságot, távolságot és az otthoni koordinátákat. Vezérlése a földi, USB-s egységgel történik. A QAV-nál ilyen nincs, míg az 550-esnél kettő is: a repadatok mellett a távirányító jelszintjének visszajelzésén túl van egy akku állapot figyelés is, amit a távirányító kezel. Ez borzaszó fontos a 15-20 perc repülési idő mellett, hiszen egy vészleszállást végrehajtó, 12 kőkemény, késéles karbonpengét percenként 7000-rel forgató gép nem mehet emberek közé. Egy nejlonpropos kis fordulatú DJI esetében más a helyzet, az legfeljebb összekócol valakit.

dron

  • Mit jelent az SOS?Mit jelent az SOS?
    1906 november 22-én a Nemzetközi Rádió-távírási Konvenció hivatalos nemzetközi segélykérő jelzéssé nyilvánította …