Твой первый квадрокоптер: теория и практика

Пластик в последнее время набирает популярность листовой фиберпластик, обычно акрилат, армированный дисперсным стекловолокном (FRP, Fiberglass Reinforced Plastic). Он легче стеклотекстолита и без проблем обрабатывается в домашних условиях, с завода окрашен в различные яркие цвета. При этом он упруг и прочен, меньше подвержен изломам. Небольшая рама из фиберпластика получается прочной, красивой и легкой. К сожалению, его довольно сложно купить в небольшом количестве, и стоит он на российском рынке несуразно дорого. Будем надеяться, что со временем цена и предложение нормализуются. Остальные материалы применяются в качестве вспомогательных, для изготовления чехлов, кронштейнов и т. д.

Виброзащита

Вибрация — это проклятие винтокрылых машин, и квадрокоптеры — не исключение. Источником вибрации являются винтомоторные группы, каждая из которых дает вибрацию на своей частоте, распространяющуюся по лучам к центральной части рамы и полетному контроллеру. При наложении нескольких высокочастотных колебаний возникают низкочастотные колебания с частотой, равной разности частот источников вибрации. Картину усугубляют собственные резонансы элементов конструкции.

Примечание

Вибрация очень вредна для акселерометров и гироскопов, поскольку сбивает их показания. Внешне воздействие вибрации на контроллер проявляется в хаотичном подергивании коптера, его дрожании, внезапных рывках и кратковременной потере управления на определенных оборотах при резонансе конструкции. В особо экстремальных случаях возможен внезапный переворот коптера и авария.

Виброзащита включает в себя балансировку винтомоторной группы, которую мы рассмотрим в следующем разделе, а также виброизоляцию — препятствование распространению вибрации при помощи вибропоглощающих и виброизолирующих материалов.

Современные алгоритмы программной фильтрации позволяют эффективно защищать полетный контроллер от вибрационного шума в показаниях акселерометров, поэтому задача виброзащиты существенно упростилась. Сейчас уже не имеет практического смысла виброизоляция креплений моторов, напрасно усложняющая конструкцию. Тщательной балансировки пропеллеров и моторов вполне достаточно.

Далее вибрация распространяется по лучам. Высверливание или фрезерование отверстий в алюминиевых лучах не только облегчает конструкцию, но также помогает подавить вибрацию и резонансы. Для подавления резонансов трубчатых карбоновых лучей их внутреннее пространство заполняют монтажной пеной или вставляют цилиндрики длиной около 2 см из плотной пористой резины. Цилиндрики должны вставляться туго и располагаться на разном расстоянии друг от друга. Среднее расстояние между вставками примерно 5–7 см.

Внимание!

В стенках карбоновых лучей нельзя рассверливать или фрезеровать окна, это значительно снизит их прочность.

К центральной части рамы лучи всегда крепятся жестко и прочно. Допускается складная конструкция, но виброизоляция в этой части конструкции никогда не применяется.

Благодаря современным алгоритмам фильтрации вибропомех полетный контроллер может быть жестко прикреплен к раме (рис. 4.5).

Рис. 4.5.Варианты крепления полетного контроллера к раме

Автор настоятельно советует поступать именно так, а особое внимание уделить балансировке ВМГ. Но иногда, особенно при использовании дешевых некачественных моторов и пропеллеров, качественная балансировка не получается. В таком случае следует смонтировать контроллер на 1–2 слоях пенистого двустороннего скотча или на проставках из плотной резины. Избегайте избыточного демпфирования контроллера!

Избыточное демпфирование

Избыточное демпфирование контроллера возникает при использовании слишком мягких демпферов, допускающих раскачивание. Ускорения при вибрации — линейные, и раскладываются на ортогональные векторы, поэтому не влияют на гироскопы, затрагивая только акселерометры. Но при слишком мягких демпферах появляется вращательная составляющая вибрации, как показано на рис. 4.6.

Рис. 4.6.Эффект избыточного демпфирования

Если центр тяжести платы смещен относительно геометрического центра точек опор, то линейные ускорения неравномерно смещают плату на упругом подвесе, отсюда и возникает вращательная составляющая.