II. Budowa bezzałogowego statku powietrznego
W I części o dronach starałem się przybliżyć skąd tak naprawdę wzięły się te urządzenie. W jakim celu zostały zaprojektowane pierwsze maszyny, jak można dokonać ich podziału oraz mocno skupiłem się na systemach zasilających. W tej części chciałbym przekazać w jaki sposób zabrać się za zbudowanie swojego pierwszego wirnikowca. Mam nadzieje, że ten artykuł przybliży Ciebie do realizacji swojego marzenia.
1. Założenia projektowe
W pierwszej kolejności musisz zdać sobie sprawę z tego, że bez dobrego projektu nie uda się skonstruować nic dobrego. Jeżeli się z tym nie zgadzasz to zastanów się , czy wyobrażasz sobie wybudować swój wymarzony dom bez projektu.
Podstawą całego projektu jest to żeby wiedzieć do czego nam ten dron jest potrzebny, jaką role będzie spełniał. Kolejnym ważnym aspektem jest również kwestia finansowa, jaki budżet chcesz przeznaczyć na realizacje tego projektu. Jak już to zostanie ustalone to trzeba się zastanowić ile ramion ma mieć. Z jaką prędkością ma latać, jak daleki ma mieć zasięg, jaki ciężar ma dźwigać oraz jakie ma mieć rozmiary. Ostatnim ważnym elementem jest również wybór odpowiedniego typu zasilania, na co mocno kładłem uwagę w poprzednim artykule. Jak już wszystko ustalimy, możemy przejść do kolejnego kroku.
2. Dobór elementów i układów napędowych
Mając na uwadze wcześniejsze założenia projektowe, można przejść do wybrania odpowiednich podzespołów spełniających przyjęte wymogi. Podstawowymi elementami, które należy dobrać są: rama, silniki, układ zasilający, regulatory obrotów, odbiornik i nadajnik oraz kontroler lotu i śmigła bez tych elementów latanie tego typu urządzeniem byłoby niemożliwe. Dodatkowo można zamontować oświetlenie, gimbala (uchwyt sterujący i podtrzymujący kamerę) , kamerę, nadajnik i odbiornik FPV (umożliwia przesyłanie obrazu z kamery do urządzenia mobilnego) oraz wiele innych elementów rozszerzających funkcjonalność układu.
Wybierając poszczególne elementy układu musimy być ciągle czujni i analizować jakie części już mamy i o jakich parametrach. Jest to bardzo ważne dlatego, że większość elementów układu są od siebie zależne.
Cały projekt proponuje rozpocząć od wyboru szkieletu czyli ramy drona. Dobierając ten element szczególnie trzeba zwracać uwagę na ilość ramion oraz ich rozstaw. Od ilości ramion zależy ile silników jesteśmy wstanie zamontować i większa liczba silników tym można uzyskać większą moc, większa siłę udźwigu oraz stabilniejszy ruch urządzenia w powietrzu. Natomiast rozstaw ramion sugeruje nam jakie rozmiary śmigieł będziemy mogli zamontować, które również są zależne od wybranych silników. Kolejnymi aspektami są rozstaw otworów pod silniki co jest też bardzo ważne w kontekście montażu silnika do ramienia. Materiał z jakiego została wykonana konstrukcja i tutaj trzeba sprawdzić wytrzymałość, czy nasza rama będzie miała odpowiednią wytrzymałość, żeby wytrzymać całkowite obciążenie wszystkich zamontowanych elementów oraz dodatkowych jakie przewidzieliśmy w projekcie. Również jeżeli przewidujemy zamontowanie kamery to trzeba zwrócić uwagę, czy wybrana rama ma taką możliwość. Można jeszcze sprawdzić wagę samego szkieletu oraz rozstaw pod kontrolery.
Kiedy udało się już wybrać konstrukcje, można przejść do kolejnych elementów układu. Silniki są podstawą, żeby nasze urządzenie oderwało się bez podłoża. W pierwszej części trzeba dostosować silnik, żeby komponował się z ramą, czyli zwracamy uwagę na rozstaw mocowań oraz jakie śmigła są z nimi kompatybilne, żeby nie były za duże. Gdy już to mamy trzeba dobrać odpowiednią wysokość silnika, zbyt wysoko osadzone śmigła mogą doprowadzić do większych drgań podczas lotu, natomiast jak osadzimy zbyt nisko to może się okazać że będą haczyć o jakiś element konstrukcji, więc kolejny raz musimy wrócić do projektu i zobaczyć co planujemy montować na naszym urządzeniu. Następnie trzeba sprawdzić uciąg silnika, żeby się nie okazało, że zamontowane silniki nie są wstanie unieść drona. Kolejnym ważnym elementem jest dobór odpowiedniego napięcia, żeby napęd był kompatybilny z układem zasilającym. Jak już to mamy to sprawdzamy pozostałe parametry moc oraz liczba obrotów na minutę które jest zależne od napięcia. Na koniec nie można zapomnieć o gwintowaniu wału, na którym mocowane zostają śmigła, ustawienia kierunków wirownia silników jest naprzemienne
Kolejnymi z niezbędnych elementów są regulatory obrotów. Ich zadaniem jest regulacja obrotów poszczególnych silników, ale także jednoczesny start wszystkich silników. Przy wyborze tego elementu należy zwrócić uwagę na maksymalny prąd obciążenia, napięcie pracy oraz czy są kompatybilne z zastosowanymi silnikami. Dodatkowo musimy wiedzieć w jaki miejscu na ramie zostaną zmontowane i zwrócić uwagę na wymiary.
Do silników oraz ramy należy dobrać śmigła. Przy ich wyborze trzeba zwrócić uwagę na rozstaw ramion w ramie oraz do jakich silników są dedykowane. Śmigła wykonane są z elastycznego tworzywa wyprofilowane w sposób pozwalający na gromadzenie powietrza pod swoimi łopatami i powstanie siły odpychającej drona od podłoża. Podstawowe parametry jakimi oznaczone są te elementy to: średnica śmigła, skok śmigła wyrażane w calach oraz średnica otworu na oś, materiał i ilość łopat.
Wykonywanie odpowiednich czynności podczas lotu bezzałogowca wymaga zastosowania układu sterowania. Do tego celu posłuży nadajnik tzw. aparatura. Wybór na rynku jest bardzo duży, więc przy dobieraniu odpowiedniego sprzętu trzeba zwrócić uwagę z jakim odbiornikiem współpracuje, na jakiej częstotliwości pracuje i jakimi parametrami można sterować. Ważna jest ilość kanałów na jakich może pracować oraz na jakim oprogramowaniu pracuje. Ważnym tutaj aspektem również jest zasięg, który pozwoli na dalekie loty. Istotnymi parametrami mogą być również: ilość trybów lotu, czy posiada komunikaty głosowe, czy ma powiadomienia wibracją, pobór prądu, rodzaj baterii oraz waga urządzenia.
Jak już wspominałem wcześniej do nadajnika potrzebny jest odbiornik. Przy jego wyborze trzeba zwrócić uwagę na kompatybilność z aparaturą (częstotliwość pracy, liczbę kanałów oraz zasięg). Musimy tez zastanowić jakich ma być rozmiarów, gdzie będzie zamontowany w szkielecie. Również istotne jest napięcie zasilania, pobór prądu oraz waga.
Następnym, wymagającym do prawidłowej pracy układu, elementem jest kontroler lotu. Jego zadaniem jest kontrola nad prawidłowym torem lotu drona. Układ odbiera sygnał przekazany z odbiornika i wysyła na poszczególne regulatory obrotów. Dodatkowa odpowiedzialny jest za położenie obiektu w powietrzu czy też zbieranie informacji z anteny GPS. Ważnym atutem jest utrzymanie statku powietrznego w odpowiednim położeniu i regulacja maszyny podczas podmuchów wiatru. Tutaj też trzeba zwrócić uwagę jaką liczbę silników może obsługiwać oraz jakie ma możliwości, czy można go rozbudować. Kontroler powinien być zamontowany na środku urządzenia, i ustawiony w taki sposób, że przód kontrolera wskazuje przód drona. Antena GPS kompatybilna z tym urządzeniem powinna zostać zamontowana nieruchomo, skierowana przodem tak jak nasz kontroler.
Jednym z ważniejszym wyborów jest odpowiednie zasilanie i tutaj zapraszam do zapoznania do poprzedniego artykułu gdzie mocno poruszałem ten temat. Do zasilania bezzałogowych statków powietrznych stosowane są magazyny energii, które pozwalają na zasilanie drona w powietrzu. W tym przykładzie odniosę się do baterii litowo – polimerowej. Jest to elektrochemiczny magazyn energii, w ostatnim czasie najpopularniejszy wśród modelarzy, stosujących urządzenia elektryczne. Przy doborze odpowiedniego źródła zasilania trzeba zwrócić uwagę na zapotrzebowanie na energię projektowanego układu. Kolejną rzeczą jest przeanalizowanie na jak długo dane źródło zdoła zasilić układ. W obiektach latających bardzo ważne jest dobór odpowiedniej pojemności i kontrolowanie stanu naładowania, gdyż spadek napięcia akumulatora poniżej poziomu, który nie pozwala na zasilanie maszyny jest niebezpieczne i stwarza niebezpieczeństwo dla osób przebywających w pobliżu jak może prowadzić do poważnego uszkodzenia drona. Oprócz magazynu energii trzeba dobrać odpowiednie przewody, które wytrzymają maksymalne wartości prądów pobieranych przez układ.
Wyżej wymienione elementy pozwolą na uruchomienie oraz loty dronem, natomiast jeżeli chcemy rozbudować obiekt o kolejne elementy to trzeba dokonać kolejnych wyborów zgodzie założeniami projektowymi. Najczęściej dodatkowymi elementami jest rejestracja obrazu oraz oświetlenie.
W celu zbudowania układu pozwalającego na obserwacje oraz nagrywanie obrazu z powietrza dobieramy kolejne urządzenia. Pierwszym ważnym elementem jest gimbal czyli uchwyt na jakim zawieszona jest kamera, który pozwala również na jej obracanie i powoduje amortyzację przed wstrząsami. Przed wyborem uchwytu na kamerę trzeba przeanalizować jaka kamera będzie przyczepiona oraz jaki model jest kompatybilny z ramą modelu. Kolejnymi cechami na jakie trzeba zwrócić uwagę to w jakich osiach się obraca i jak jest montowany. Również zwracamy na jego wagę oraz udźwig.
Po wybraniu gimbala można dobrać kamerę, która będzie nagrywała lub robiła zdjęcia z powietrza. Przy wyborze trzeba zwrócić uwagę na kompatybilność z zastosowanym uchwytem, w jaki sposób jest zasilana oraz jaką ma masę.
Do obserwacji obrazu bezpośrednio z lotu potrzebny jest nadajnik FPV (ang. First person view), którego zadaniem jest przesyłanie obrazu do odbiornika. Trzeba zwrócić szczególną uwagę na zasięg oraz czy nie wprowadza zakłóceń do aparatury RC (ang. Radio Control) oraz innych urządzeń pracujących w układach. Sprawdzamy również ilość kanałów, napięcie zasilania, pobór prądu oraz wagę.
Sygnał z nadajnika trzeba odebrać na odbiorniku i następnie przesłać do urządzenia na jakim obraz ma zostać odtworzony. Ważne jest aby nadajnik i odbiornik pracowały na jednej częstotliwości, trzeba zwrócić uwagę do jakich urządzeń można podłączyć odbiornik.
Przy wyborze oświetlenia, zwracamy uwagę na jakim napięciu pracuje oraz na pobór prądu, żeby oświetlenie nie miało dużego wpływu na rozładowanie baterii. Zastosowane najczęściej lampki LED można podłączyć bezpośrednio do zasilania co spowoduje, że obiekt będzie cały czas oświetlany lub przez system sterujący co pozwoli na sterownie oświetleniem z aparatury o ile elementy sterujące są do tego przystosowane.
Ostatnim elementem jaki może wymagać zamontowania jest podwozie. Jeżeli została zamontowana kamera na gimbalu, a zastosowana rama nie ma swojego podwozia, albo ma za niskie to trzeba dostosować w taki sposób, żeby przyładowaniu nie uszkodzić kamery. tutaj też trzeba wrócić do konstrukcji i sprawdzić czy są takie możliwości.
3. Budowa układu
Kiedy mamy już projekt i dobrane elementy przychodzi czas na złożenie wszystkich elementów razem. Łączenie powinno odbywać się według instrukcji zamieszczonych do poszczególnych elementów. Zaczynamy od składania ramy następnie sukcesywnie dodajemy kolejne elementy układu, pamiętając o odpowiedni rozłożeniu elementów, tak żeby były w miarę równomiernie rozłożone z czego kontroler lotu musi znajdować się na środku. Jak uda nam się wszytko złożyć i połączyć trzeba przejść do połączenia odbiornika z nadajnikiem oraz kalibracji regulatorów obrotów oraz ustawienia nadajnika. W tym celu trzeba zapoznać się instrukcją obsługi tych elementów i dokonać kalibracji urządzenia. Jak uda się to ustawić to zostaje jeszcze skalibrowanie urządzeń odpowiedzialnych za obraz.
4. Próbny lot
Jak wszystko uda nam się złożyć, odpowiednio wszystko skalibrujemy i zaprogramujemy to możemy przechodzić do testów. Tego typu próby trzeba robić w miejscach dozwolonych do lotów oraz z dala od jakiś budynków, drzew czy ludzi. Żeby nie doszło do tragedii czy mocnego uszkodzenia drona. Osobiście sugeruje, żeby pierwszy lot wykonywać bez gimbala i kamery, pozwoli nam to na uchronienie tych elementów jakby nasz obiekt nie zachowywał się tak jak powinien. Kiedy jesteśmy już pewni, że wszystko zostało dobrze ustawione to przed lotem czas skalibrować GPS w tym celu trzeba obrócić drona o 360 stopni w dwóch płaszczyznach, jak to się robi z każdym tego typu urządzeniem przed lotem. Bezzałogowiec w zależności od użytych elementów powinien w jakiś sposób dać znać, że jest gotowy do lotu (miganie diody, dźwięk), wszystko powinno być w instrukcji. Po wszystkich kalibracjach czas sprawdzić nasze dzieło jak spisuje się w powietrzu. Jak wszystko przebiegło w porządku to można doczepić kamerę i cieszyć się z lotów, w inny przypadku trzeba szukać gdzie leży problem i spróbować go wyeliminować lub udać się do odpowiedniego serwisu gdzie pomogą znaleźć przyczynę.
Zwracam uwagę, że dron jest obiektem latający, więc na operatorze spoczywa znajomość prawa lotniczego oraz przestrzegania wszelkich praw.
