O multikopterach słów parę

 

O multikopterach słów parę.

 

Foto.1

Popularność tego sprzętu rośnie i pojawiają się coraz to nowe modele  latających maszyn. Często używana jest popularna, bo łatwa do wymówienia nazwa dron, ale dla jasności dornem jest statek powietrzny (ze skrzydłami lub bez) mogący wykonywać samodzielny lot autonomiczny (misję).  Natomiast nasze latające "cudeńka" w większości przypadków i zgodnie z przepisami są sterowane z ziemi i latają w zasięgu wzroku.

Multikoptery dostępne na rynku można podzielić na trzy kategorie- modele rekreacyjne/zabawki (100-1500zł), modele półprofesjonalne (2000-6000zł) i oraz multikoptery profesjonalne, gdzie cena nie ma wyraźnego ograniczenia górnego. Kategorie te różnią się przeznaczeniem, wielkością i wyposażeniem.
 

Foto.2 Dron zabawka Faze RTF                                      Foto.3  Dron rekreacyjny Blade 200 QX Bind & Fly

 


Foto.4 Dron półprofesjonalny Phantom 4 Profesjonal

Zakładam, że nas modelarzy zainteresują dwie pierwsze kategorie, czyli drony rekreacyjne i modele amatorskie lub półprofesjonalne. Wymiary użytkowe ramion multikopterów są standaryzowane i wymiary  250,330,550,600 mm są najczęściej spotykane. Drony rekreacyjne - to gotowe zestawy często już wyposażone w prostą zdalnie sterowaną kamerę HD, podgląd obrazu FPV na smartfonie a w bardziej zaawansowanych modelach barometr i kompas. Barometr wspomaga lot modelu utrzymując go na stałej wysokości i zapewnia dodatkowo możliwość automatycznego startu i lądowania modelu.


 
Foto.5 Podgląd FPV z pokładu drona,kamera HD                Foto.6 Pełne sterowanie dronem ze smartwona

Kompas z kolei pozwala na realizację funkcji ISO (Inteligentna Orientacja Lotu)  w trybie której nie trzeba pilnować przodu modelu i można wykonywać planowanie prostych płaskich tras, które model od razu sam powtarza. W niektórych modelach dostępne jest oprócz nadajnika RC, alternatywne sterowanie ze smartfona - możemy kierować modelem poprzez wychylenia telefonu lub wirtualne drążki wyświetlane na ekranie telefonu. W taki zakupiony zestaw wystarczy włożyć baterie, kartę Mikro SD i można latać i rejestrować obraz w domu, ogrodzie, parku, boisku lub w terenie otwartym. Zasilanie samego  modelu to najczęściej pakiet LiPol 1S ładowany z gniazda USB. Zasięg latania jest niewielki max do 100 m, a w przypadku łączności realizowanej po WiFi do 50 m. Zakup takiego zestawu to często modny prezent, ale można go również rozważać kiedy chcemy najpierw sprawdzić czy sam pomysł latania multikopterami jest tym, co nas naprawdę pasjonuje. Ja sam użytkuję model rekreacyjny Syma X5UW, którym latam w domu i na dworze, gdy mam ochotę poćwiczyć "radosne" loty bez obawy uszkodzenia drogiego sprzętu. Dodatkowym atutem dronów rekreacyjnych jest fakt, że w myśl przepisów modele o wadze poniżej 0,6 kg nie podlegają prawnym restrykcjom. Możemy więc nimi latać prawie wszędzie, zachowując oczywiście rozsądek i środki ostrożności.

W cenie dużego zestawu rekreacyjnego pojawia się inna możliwość latania wirtualnego na symulatorze lotów. Jest to świetny sposób na bezkosztową (poza zakupem samego symulatora oczywiście) naukę latania różnymi modelami dronów i samolotów. Symulator pozwala na zbliżone do realiów loty z podglądem kamery FPV, wyrobienie nawyków i zachowań przy realizacji wybranych misji. Symulatory oferują różne scenerie i stopnie utrudnień. Lot podczas którego uszkodzimy model nie powoduje konsekwencji finansowych, w przeciwieństwie do lotu w rzeczywistości. Czas poświecony na loty w symulatorze to dobry sposób na mniejsze koszty w przyszłości.

Foto.7 Ekran symulatora Real Flight 7.5 z podglądem FPV - sceneria mroczna


Foto.8 Ekran symulatora Real Flight 7.5 z podglądem FPV - sceneria otwarta

Prędzej czy później, jeżeli nasze hobby się rozwinie i ugruntuje, staniemy przed pytaniem co dalej - czy kupić już gotowy "dorosły" multikopter, czy może spróbować go zbudować samemu. Obecnie najtańszy i bardzo popularny model firmy DJI Phantom 3 Standard kosztuje na rynku ok. 2100zł. To niewiele, zważywszy, że w cenie tego sprzętu otrzymujemy niezła kamerą 2,7K i  bogaty software wspomagający. Musimy tylko dodatkowo  posiadać nowoczesny tablet lub smartfon.  Ale model ten ma dwie wady - w trosce o bezpieczeństwo firma DJI poblokowała wszystkie lotniska (i duże stadiony) w Polsce w tym i te aeroklubowe na których latamy na co dzień. Taki system ograniczania przestrzeni lotów w założeniu firmy ma się dalej rozwijać. Więc swoim Phantomem 3 nie polecę na np. lotnisku w Radawcu i nie sfilmuję imprez modelarskich ani lotów modeli. Druga wada to wysoki koszt jednostkowy lotu wynoszący 5,5 zł/lot a wynikający z ceny dedykowanych pakietów. Jeżeli będziemy chcieli mieć model z jednym zapasowym pakietem to koszt modelu będzie wynosił już ok. 2700 zł. Więc jeżeli posiadamy dobrą aparaturę RC i wymienione wyżej wady są dla nas dotkliwe, warto pomyśleć o modelu składanym z zestawu ARF. Latamy wtedy bez ograniczeń (na własną odpowiedzialność oczywiście) i znacznie taniej ok. 1 zł/lot ze względu na niższy koszt pakietów. Markowy zestaw ARF daje gwarancję, że po poprawnym jego złożeniu model będzie dobrze latał. Wielu Kolegów modelarzy buduje składaki stosując jak njtańsze podzespoły sprowadzane z bezpośrednio Chin,  często różnych producentów. Faktycznie na początku jest taniej, ale z lataniem potem różnie bywa. Nie bez powodu fora modelarskie pełne są różnych pytań dotyczących problemów z działaniem takiej czy innej własnej konstrukcji czy konfiguracji. Zdania są jak zwykle podzielone  w tym temacie.

Chciałbym tylko podkreślić jedną sprawę, że multikopter stanowi jedną zestrojoną całość. Bezpieczny lot modelu zależy od poprawnego działania systemu stabilizacji, sterowania napędami  i jakości samych napędów. W zestawach firmowych znanych producentów całość oferowanego zestawu ARF jest sprawdzona, przetestowana i dobrana fabrycznie, a podzespoły modeli produkowane powtarzalnie. Daje to rękojmie bezpiecznego lotu. W zestawach kompletowanych samodzielnie z różnych komponentów,  bywa że trudno jest potem zestroić poprawnie model, który może ulec niezamierzonemu uszkodzeniu. Egzystuje takie pojecie jak "Fikołek śmierci", kiedy to na skutek różnych losowych przyczyn, układ automatyki modelu nie jest w stanie go wystabilizować. Model wychyla sie wtedy zbyt mocno, traci siłę nośną, towarzyszy temu obrót w poziomie i upadek na ziemię. Dzieje się to w ułamku sekundy.

  

Foto.9 DJI Phantom 3 Standard

 

Foto.10 Zestaw DJI F450 ARF

Jak lata multikopter?

Do latania modele te wykorzystują siłę nośną swoich wirników, które najczęściej występują parzyście (4,6,8,16 szt). Połowa silników (śmigieł) kreci sie w prawo, druga połowa w lewo, ale wszystkie wytwarzają siłę nośną. Silniki naprzeciwległe mają te same obroty. Wznoszenie i opadanie modelu jest realizowane zmianą prędkości wirujących śmigieł. Obrót poziomy modelu (Yaw Control) z zachowaniem wysokości uzyskuje się zwalniając i przyspieszając silniki parami. Model obraca sie wtedy na zasadzie momentu reakcyjnego. Na przykład przy obrocie w lewo (Left Turn) silniki kręcące się w prawo przyspieszają, a pracujące w lewo zwalniają. Ruch w przód i w bok (Roll i Pitch) uzyskiwany przez zwiększenie obrotów silników w zależności od wybranego kierunku, oraz zmniejszenie obrotów silników im naprzeciwległych. Następuje wtedy wychylenie modelu i część siły nośnej zostaje zamieniona na ciąg poziomy, generując ruch postępowy modelu. Całością dość zawiłych algorytmów realizujących odpowiednie obroty silników steruje komputer pokładowy modelu.  Ażeby ruch modelu był stabilny komputer pokładowy wyposażony jest dodatkowo w trzyosiowe żyroskopy i akcelerometry.


 
Foto.11 Obrót poziomy                                                              Foto.12 Ruch postępowy

Akcelerometry kontrolują wychylenie i przyśpieszenia poruszającego się modelu tak, aby jego ruch był zgodny z wielkością  wychylenia drążka w aparaturze RC. Dla zapewnienia stałej wysokości, kursu i stabilnego  pozycjonowania modelu przy wykonywanych manewrach, zaawansowane modele wykorzystują dodatkowo barometryczne czujniki wysokości, kompas magnetyczny i pozycjonowanie GPS/Glonas. Ale mimo tego wszystkiego w efekcie końcowym, sterując naszym modelem z aparatury RC wpływamy - po uwzględnieniu wszystkich złożonych przeliczeń komputera pokładowego - tylko na obroty silników. Zaawansowane modele dronów od jakiegoś czasu zaopatrzono w dwa dodatkowe systemy bezpieczeństwa: FLY and AVOID - czyli aktywne wykrywanie i omijanie przeszkód wykrywanych przez czujniki umieszone wokół modelu oraz układ VPS (Visual Positioning System ) optyczny system pozycjonowania położenia modelu w pomieszczeniach zamkniętych, gdzie brak jest sygnału GPS.

Nawigacja GPS - korzysta z 31 satelitów orbitujących wokół naszej planety wyposażonych w synchronizowane z ziemią zegary. Wartość opóźnienia sygnału docierającego z satelity do odbiorników GPS w modelu mierzona względem zegara ziemi jest informacją o odległości naszego modelu od satelity. Dla pojedynczego satelity odległość ta będzie leżała na okręgu, dla dwóch satelitów będą to dwa punkty, dla trzech jeden. Im więcej odczytanych satelitów, tym lokalizacja modelu staje się dokładniejsza. Minimalna ilość satelitów uznawana za akceptowalny dla systemu naszych dronów wynosi 6.  System Glonas jest odpowiednikiem systemu GPS stworzonym przez Rosjan. Mając w modelu  dwu-systemowy odbiornik GPS/Glonas dokładność pozycjonowania bardzo rośnie, bo ilość odczytywanych satelitów znacznie się powiększa i wynosi już kilkanaście.


Foto.13 Triangulacja sygnału  GPS

Mając wyliczone położenie modelu można śledzić jego zmiany w czasie a więc określić prędkość, przemieszczania się, wysokość czy kurs. Dzięki odbiornikowi GPS po wpisaniu do modelu pozycji Home, model jest w stanie wrócić do miejsca startu na komendę lub w przypadku utraty łączności RC. GPS umożliwia również prowadzenie modelu po zaprogramowanej trasie.


Foto.14 Strugi zaśmigłowe


Strugi zaśmigłowe  (IGE) - czyli przy samej ziemi łatwiej. Przy niskim zawisie modelu tworzy sie pod nim obszar wysokiego ciśnienia dodatkowo wspomagający zawis. Przy starcie staramy się jak najszybciej wznieść się poza obszar tego efektu, przy lądowaniu IGE pomaga nam w łagodnym przyziemieniu. Efekt IGE może również odepchnąć model w bok jeżeli znajduje się on niedaleko przeszkody pionowej.  Strugi zaśmigłowe (OGE) -  wiszący lub przemieszczający się model generuje strugi zaśmigłowe, czyli ruch powietrza skierowany w dół pełen turbulencji i obszarów niskiego ciśnienia. Jeżeli obniżymy  lot modelu pionowo w dół zbyt szybko, możemy wlecieć we własne strugi zaśmigłowe. W łagodnym przypadku objawi sie to głośną pracą śmigieł w gorszym utratą stateczności modelu lub jego "tonięciem" w rozrzedzonym powietrzu. Jeżeli więc obniżamy lot modelu  powinniśmy to robić raczej wolno i najlepiej po skosie. Ażeby zminimalizować działanie strug zaśmigłowych. Modele Phantom 3 i 4 mają przekoszone silniki, które kierują strugi zaśmigłowe lekko w bok.

 

Technika FPV (First Person View) - czyli spojrzenie z pozycji siedzącego w modelu pilota.

Ażeby zastosować tę technikę nasz model musi posiadać na pokładzie kamerą i nadajnik sygnału video. Obraz wyświetlany z kamery odbierany jest w odbiorniku video na ziemi i wyświetlany na podręcznym monitorze lub video okularach. Niektóre modele maja wbudowane monitory video w nadajniki RC lub wykorzystują jako monitor smartfon lub  tablet. Na obraz FPV nakładany jest tzw. OSD (On Screen Display) czyli zestaw informacji liczbowych i graficznych o locie modelu. Odczucia z lotu FPV na tyle różnią się od lotów obserwowanych z ziemi, że wymagają stopniowego przyzwyczajenia się do nich. Do tego celu nadaje się świetnie symulator lotów. W realu pierwsze loty  dobrze jest wykonywać w sobie znanym sobie terenie i w asyście osoby dodatkowo kontrolującej wizualnie model. Mimo że przepisy nie pozwalają bez stosownych uprawnień na loty poza zasięgiem wzroku, powinniśmy umieć latać na wskazania systemu OSD, ponieważ może sie zdarzyć niezamierzone oddalenie się modelu poza zasięg naszego wzroku.   


Foto.15 Praca gimbala dwuosiowego

Gimbal -  zadaniem gimbala jest kompensowanie wychyleń i drgań modelu tak aby zamontowana na nim kamera nagrywała stabilny i poziomy względem horyzontu obraz. W większości przypadków kamera z gimbalem montowane są z przodu modelu i wtedy mamy do czynienia z gimbalem dwu-osiowym kompensującym wychylenia poziome modelu. Gimbal trój osiowy pozwala kompensować również obroty poziome modelu a nawet poziomo obracać kamerą.  Wtedy jednak tracimy stałą względem przodu modelu perspektywę FPV, a model powinien być dodatkowo wyposażony w podnoszone podwozie. Dla celów amatorskich gimbal dwuosiowy jest wystarczający a panoramę można uzyskać mając dobraną dobrą kamerę i wykonując modelem powolny obrót poziomy. Efekt jello, pojawia się, gdy aparat lub kamera z przetwornikiem CMOS w trakcie filmowania poddawany jest wstrząsom ( a w multikopterze często tak jest) . Wskutek przesunięcia kadru w pionie pomiędzy odczytem kolejnych wierszy (linii) przetwornika obraz trzęsie się i faluje znacznie bardziej, niż wynikałoby to z samych poruszeń aparatu. W kamerach o przetwornikach CCD takie zjawisko nie występuje ponieważ obraz (klatka)  odczytywana jest w całości, ale kamery te są wykonywane jako profesjonalne i dość drogie. Wszystkie modele multikopterów z zamocowanymi na sztywno kamerami mają  większy lub mniejszy efekt jello. Drony wyścigowe - jest to młoda rozwijającą się dziedzina modeli najczęściej klasy 250 wyposażona w technikę FPV i latająca na wyścigi po wymyślnie ustawionych torach.  Są to modele których główną domeną  jest zwrotność i szybkość. Lot dornem wyścigowym odbywa sie w wideo okularach,  wymaga refleksu oraz zręczności i często szczególnie na początku nauki dochodzi do licznych kraks modelu. Modele są solidnie wykonane z wykorzystaniem materiałów kompozytowych, więc upadki nie od razu kończą się nieszczęśliwie. Z reguły koledzy latający ścigaczami mają modele zapasowe na wszelki wypadek. Ze względów finansowych modele te składane są w wielu przypadkach samodzielnie.



Foto.16 Dron wyścigowy 250


Foto.17 Wideo google Walkera

Zastosowanie multikopterów -  pierwotnie multikoptery znalazły zastosowanie jako platforma do profesjonalnego filmowania z powietrza. Były to urządzenia bardzo drogie a więc niedostępne powszechnie. W miarę upływu czasu powstał jednak cały przemysł dronów zabawek, dronów rekreacyjnych i amatorskich. Pozwala to obecnie zastosować tę technikę prawie każdemu, który się nią zainteresuje. Jeżeli nasze urządzenia służą zabawie lub uprawianiu hobby (co jest też forma zabawy ale dodatkowo kształcącą i rozwijającą) sprawa jest prosta zachowujemy zasady bezpieczeństwa i latamy. Gdybyśmy jednak chcieli wykorzystać nasze modele profesjonalnie (zarabiać na ich pracy), to pojawia się cała lista wymogów począwszy od zdobycia uprawnień VLOS (lot w zasięgu wzroku) czy BVLOS (lot poza zasięgiem wzroku) a skończywszy na zgłaszaniu lotów czy zdobywaniu na nie pozwoleń.

W kolejnych odcinkach  mam zamiar przybliżyć budowę modelu quadrocoptera DJI F450 złożonego z samodzielnie z zestawu ARF  https://modelmotor.pl/dron-quadrocopter-dji-f450-naza-m-v2-gps-e305-podwozie.html Opis obejmie budowę i  programowanie modelu, jego oblot, wyposażenie w gimbal i kamerę Fulll HD oraz tor łączności FPV 5,8 GHz z układem Mini OSD. Model taki złożyłem sam dwa lata temu i z eksploatuję do dzisiaj z powodzeniem.  Gdyby ktoś zapytał mnie o wrażenia - odpowiedziałbym, że jest raczej nudno - bo tylko ładować pakiety i do góry :-)


Foto.18 Mój DJI F450 z kamerą Mobius A

 

Styczeń 2017,  Piotr Kozakow, Zdjęcia: archiwum własne, internet