Твой первый квадрокоптер: теория и практика

Почему не рекомендуется использовать для квадрокоптеров моторы с высокими оборотами в паре с винтами малого шага? Для достижения максимального КПД скорость потока, создаваемого винтом, должна быть соотносима со скоростью перемещения модели. В статическом состоянии, когда квадрокоптер висит, мощность "быстрой" винтомоторной пары расходуется крайне непродуктивно по причине возникающих завихрений и срывов потока в плоскости вращения винта. Упрощенно говоря, при неподвижной или медленно движущейся модели "быстрый" винт вхолостую перемалывает воздух, находясь в неблагоприятной турбулентной среде. При этом резко возрастает потребляемый ток и возможен перегрев двигателя.

На начальном этапе надо запомнить два простых интуитивных правила:

• рабочие обороты двигателя и шаг винта находятся во взаимно обратной зависимости;

• чем больше диаметр винта, тем меньше должны быть рабочие обороты двигателя.

Второе правило также нетрудно обосновать практическими соображениями. Маленький винт даже при большом шаге не может создать достаточную удельную тягу, если обороты невелики. Если рассматривать квадрокоптер как единую массоэнергетическую систему, то чем крупнее квадрокоптер, тем выше КПД системы в целом. В маленьких "наладонниках" очень велика доля веса немасштабируемых или плохо масштабируемых элементов конструкции (микросхемы, провода, батарейка и т. д.) относительно развиваемой тяги. Кроме того, КПД малогабаритных винтов тоже невелик, т. к. плотность воздуха есть величина постоянная и при масштабировании винта не меняется. В силу этих причин наладонные нанокоптеры, как правило, могут нести в воздухе лишь самих себя, и то недолго. В то же время крупные коптеры могут летать существенно дольше и нести большую нагрузку.

Одной из основных характеристик бесколлекторного двигателя является количество оборотов на один вольт питающего напряжения (kV). Для квадрокоптеров с диагональю 450–600 мм, как правило, оптимальными являются двигатели с kV 800-1200 и винты размера 8-11" с шагом около 4,7". В каждом конкретном случае потребуется произвести экспериментальный подбор оптимальных винтов под двигатель и нагрузку, т. к. винты даже одного размера, но от разных производителей, могут существенно различаться по динамическим характеристикам. Кроме того, производители двигателей, особенно недорогих, зачастую грешат недостоверностью характеристик.

Подбор оптимальной винтомоторной пары — это, по сути, параметрическая оптимизация системы, где в качестве параметров участвуют также полетный вес системы в сборе, максимальная токоотдача, вес батареи и т. д. Для удобства оптимизации разработаны специальные программы и онлайн-приложения, о которых мы поговорим позднее.

При подборе винтов следует учитывать не только развиваемую тягу, но и способность лопастей винта эту тягу удержать не деформируясь. Лопасти дешевых пластиковых винтов выгибаются под нагрузкой, теряя оптимальный профиль и КПД. Поэтому многие моделисты предпочитают использовать более дорогие, но прочные и легкие карбоновые винты. Кроме того, пластиковые винты склонны к флаттеру — самовозбуждающимся колебаниям лопастей винта, которые происходят за счет энергии воздушного потока. Внешне флаттер выражается в появлении характерного "грязного" жужжащего звука при вращении винта и визуальном размытии краев плоскости вращения, если смотреть на вращающийся винт сбоку. Однако нужно уметь отличать флаттер от вибрации несбалансированной винтомоторной пары. Методы балансировки мы обсудим в части II книги.

Надо особо отметить, что звук работающей винтомоторной пары для моделиста очень важен и информативен. Опытному моделисту он без приборов говорит о многом: обороты, нагрузка на двигатель, качество балансировки, появление флаттера на определенных оборотах, сбои в работе регулятора оборотов. Поэтому многие пилоты, практикующие полеты по видеокамере (FPV), не ограничиваются каналом видео и добавляют канал звука, чтобы слышать двигатели в работе.

Регуляторы оборотов

Как мы уже говорили ранее, регуляторы оборотов бесколлекторного двигателя представляют собой самостоятельное устройство на основе микроконтроллера. Несмотря на внешнюю простоту решаемой задачи — коммутировать ток в обмотках бесколлекторного двигателя — микроконтроллер регулятора работает по весьма сложному алгоритму. Современный регулятор должен:

• автоматически определять величину напряжения силовой батареи;

• иметь защиту от перегрузки по току;

• иметь защиту от запуска при механически заблокированном двигателе;

• автоматически подстраиваться под количество полюсов конкретного двигателя;

• иметь защиту от срыва синхронизации фазы.