Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) набирают все большую популярность для использования в быту и бизнесе. В этой статье мы рассмотрим особенности применения электродвигателей в устройстве БПЛА, обсудим особенности расчёта основных параметров для выбора двигателя и винта, а также приведём пример подобного расчёта.
Существуют две основных категории электродвигателей: коллекторные и бесколлекторные, различающиеся расположением магнитов и обмоток, а также наличием или отсутствием коллекторного узла. Бесколлекторные двигатели, в свою очередь, могут иметь исполнение с внешним или внутренним ротором (англ. Otrunner motor/Inrunner motor). На рисунке 1 показано расположение ротора с магнитами и статора для двигателей с внутренним и внешним ротором.
При производстве легких БПЛА широкое распространение получили двигатели с внешним ротором. Ниже приведена таблица сравнения основных параметров бесколлекторных двигателей с внутренним и внешним ротором.
Сравнение параметров двигателей для БПЛА с внешним и внутренним ротором
|
Параметр |
Двигатель с внешним ротором |
Двигатель с внутренним ротором |
|
Размер |
Диаметр – больше, длина - меньше |
Диаметр – меньше, длина - больше |
|
Число оборотов на 1 В входного напряжения |
Меньше |
Больше |
|
Крутящий момент |
Выше |
Ниже |
|
КПД |
Ниже из-за более высокого момента инерции |
Выше из-за более низкого момента инерции |
|
Нагрев |
Ниже, поскольку тепло отводится быстрее |
Выше из-за более медленного отведения тепла через вал |
|
Необходимость в обслуживании |
Реже, из-за слабого нагрева меньше вероятность того, что мотор «сгорит» |
Чаще |
Преимущества выбора двигателей с внешним ротором для легких БПЛА
- Высокий крутящий момент, позволяющий дрону взлететь.
- Небольшие размеры и масса.
- Меньший уровень шума.
- Отсутствие необходимости в применение редуктора для увеличения крутящего момента.
Пример расчёта параметров и выбора компонентов для лёгкого БПЛА для любительского применения
Давайте рассмотрим пример возможного расчёта параметров и выбора компонентов для лёгкого БПЛА для любительского применения. Важно отметить, что данный пример является не более, чем теоретическим, поскольку в нём не будут учтены нюансы использования (идеальная среда), а также стоимость и доступность выбранных компонентов.
При проектировании БПЛА перед разработчиком стоит задача расчёта винтомоторной группы: необходимо рассчитать требуемые параметры для функционирования БПЛА для дальнейшего выбора комплектующих. В состав данного блока может входить разное число винтов и двигателей с разными характеристиками. Мы рассмотрим основные принципы, которыми необходимо руководствоваться при расчёте и конструировании данного блока.
Однако, нельзя сразу начать считать параметры двигателя, поскольку его выбор зависит от других параметров, которые мы рассмотрим перед тем, как перейти непосредственно к выбору двигателя.
Определяемся с назначением дрона
- полёт на большие расстояния,
- съёмка,
- участие в гонках
- фристайл – свободный полёт вне трека, часто с выполнением различных пилотажных манёвров.
В зависимости от назначения к дронам предъявляются различные требования. Так, дроны для гонок должны быть максимально лёгкими и быстрыми, БПЛА для полётов на большие расстояния должны иметь аккумуляторы с большой ёмкостью, что неминуемо приведёт к их утяжелению, а дроны для фристайла должны обладать маневренностью, отзывчивостью и стабильностью.
Пример дрона для любительской аэрофотосъемки
Предположим, что мы решили собрать дрон для любительской аэрофотосъёмки труднодоступных мест, но в хороших условиях (например, съемки последних этажей заброшенных зданий).
1. Определяемся с требованиями к дрону
- Маленький размер для пролёта в щели и разбитые оконные рамы.
- Возможность крепления дополнительного оборудования.
2. Выбираем раму
Далее необходимо выбрать раму – «скелет» нашего БПЛА, в котором будут размещаться двигатели, аккумуляторы, а на его лучах будут расположены винты. Мы решили собирать дрона в раме REVOLVER 260 от производителя VERTORiX, внешний вид приведён на рисунке 2, технические характеристики в таблице ниже.
Технические характеристики рамы для дрона
|
Параметр |
Значение |
|
Диагональ рамы, мм |
260 |
|
Длина используемых винтов, дюймы |
6 |
|
Масса с учётом комплектного крепежа, г |
105 |
|
Совместимый размер камер |
Камеры типа micro с шириной корпуса до 19 мм |
|
Посадочный размер полётного контроллера, мм |
20х20 или 30,5х30,5 |
3. Как рассчитать тягу, которая необходима для того, чтобы дрон мог взлететь
После выбора рамы необходимо рассчитать тягу, которая необходима для того, чтобы дрон мог взлететь.
На её значение влияет масса БПЛА, которую можно разделить на три составляющих:
- Масса самого дрона (корпус, винты, двигатели и пр.). На данном этапе расчётов точная масса неизвестна, поскольку ещё не выбран двигатель - берем примерное значение.
- Вес аккумуляторной батареи
- Вес дополнительной нагрузки (оборудование, камеры, системы подсветки и пр.) .
4. Определяем примерное значение тяговооруженности
Далее необходимо определить примерное значение тяговооружённости – отношения тяги к массе (англ. Thrust-to-weight ratio, T/W, TWR). Это отношение тяги всех двигателей к массе дрона, показывающее доступную тягу на единицу массы. Например, если планируется использовать БПЛА для аэрофотосъёмки в хороших погодных условиях, то достаточно взять отношение 2:1. Если планируется снимать видео в разных условиях, то потребуется уже отношение 4:1, а для использования дрона для различных фигур пилотажа в сложных условиях, нужно принять отношение равным 7:1.
После определения тяговооружённости, зная массу дрона, можно рассчитать общую тягу всех двигателей и тягу каждого конкретного двигателя БПЛА. Предположим, что дрон использует 4 винта с четырьмя электродвигателями, его общая масса – 300 г, а выбранное значение тяговооружённости – 2:1, что позволит проводить аэрофотосъёмку в хорошую погоду. Тогда значение тяги будет рассчитываться как произведение тяговооружённости и общей массы дрона.
Fт = 2 : 1 * 300 = 600 г
Тяга каждого двигателя будет определяться как частное силы тяги и общего числа двигателей:
Fт = 600 : 4 = 150 г
Зная значение тяги, можно начинать выбор двигателя. Однако, тут важно учитывать массу двигателей, изначально заложенную в общей массе дрона, так как в случае перевеса расчёты придётся проводить заново. Для данного расчёта можно взять в качестве примера электродвигатель с внешним ротором, внешний вид показан на рисунке 3, технические характеристики приведены в таблице ниже.
Технические характеристики двигателя для дрона
|
Параметр |
Значение |
|
Входное напряжение, В |
9 |
|
Скорость холостого хода, об/мин |
14700 |
|
Ток холостого хода, мА |
280 |
|
Номинальная скорость, об/мин |
11500 |
|
Номинальный момент, мНм |
27,5 |
|
Номинальный ток, А |
4,63 |
|
Пусковой момент, мНм |
132 |
|
Пусковой ток, А |
32,4 |
|
Максимальная тяга, г |
290 |
|
КПД, % |
82,6 |
|
Моментная постоянная, мНм/А |
5,77 |
|
Постоянная скорости, об/мин/мНм |
1700 |
|
Механическая постоянная времени, мс |
5,68 |
|
Момент инерции, г*см2 |
6,82 |
|
Число пар полюсов |
6 |
|
Размеры, мм |
Ø21,8х17 |
|
Масса, г (включая кабель для подключения) |
23 |
При сборе более тяжёлых дронов можно использовать и бесколлекторные двигатели с внутренним ротором, например, китайского производителя Assun Motor. Они несколько больше по размеру и массе, но способны давать на выходе вала схожие параметры. Например, модель AM-BD2845AN-1813 обладает номинальной скоростью 11502 об/мин, КПД 83% и номинальным моментом 23,8 мНм.
5. Выбираем винты
Далее необходимо выбрать винты. Первая важная характеристика винта – это число его лопастей, которое влияет на подъёмную силу и стабильность дрона, а также на его манёвренность и отзывчивость. Стандартным вариантом считается винт с двумя лопастями, но на большинство маленьких дронов устанавливаются многолопастные винты (число лопастей от 3 до 5), что позволяет получить большую грузоподъёмность и стабильность. На больших по размеру моделях применение таких винтов нецелесообразно, поскольку они будут дороже, а также их сложнее отцентровать.
Второй параметр, влияющий на тягу винта – это ометаемая площадь, зависящая от радиуса винта и показывающая площадь круга, описываемый концами лопастей при вращении. Радиус и тяга находятся в прямой зависимости друг от друга, как и тяга и шаг винта. Шаг винта – расстояние, которое винт преодолевает за одно вращение, и это расстояние зависит от угла наклона лопастей (угла атаки). Увеличение радиуса и шага увеличивает тягу, но при этом приводит к повышению турбулентности за счёт увеличения сопротивления воздуха, что приведёт либо к меньшей стабильности, либо к большим затратам энергии на поддержание стабильности и преодоление сопротивления воздуха, что, в свою очередь, приведет к сокращению времени полёта. Форма лопасти также оказывает влияние на параметры винта.
В настоящее время применяются лопасти трёх основных видов:
- Стандартные (англ. Normal, маркировка - N) с заострёнными на концах лезвиями. Их применение даёт меньшую тягу, но позволяет повысить время работы аккумулятора.
- Закруглённые (англ. Bullnose – бычий нос, маркировка - BN). При равном диаметре, они имеют большую площадь и дают большую тягу, чем стандартные лопасти. Они тяжелее, что повышает стабильность и отзывчивость дрона, но существенно повышают расход заряда аккумулятора.
- Гибридные (англ. Hybrid Bullnose, маркировка – HBN) – промежуточный вариант между первыми двумя видами. Сочетает в себе их преимущества и недостатки.
Винты могут вращаться как по часовой стрелке, так и против неё. Необходимо либо чередовать направление вращения, то есть использовать двигатели, способные вращаться в обоих направлениях, либо размещать два винта соосно на одном луче для компенсации реакционных сил, создаваемых винтами, поскольку она стремится развернуть объект в направлении вращения. На рисунке 4 показаны основные схемы вращения винтов.
В технической документации на двигатель также приводятся рекомендуемые винты для использования с этим двигателем. Рекомендуется использовать винты 5,5 или 6 дюймов в диаметре с шагом 4-4,5 дюйма. На выбранную ранее раму можно установить винты длиной 6 дюймов, так что было решено использовать винты HQProp Ethix K2 BubbleGum, внешний вид приведён на рисунке 5, технические характеристики винтов и характеристики системы электродвигатель – винт приведены в таблицах ниже.
Технические характеристики винтов HQProp Ethix K2 BubbleGum 6x4
|
Параметр |
Значение |
|
Диаметр, дюймы (мм) |
6 (152,4) |
|
Шаг, дюймы (мм) |
4 (101,6) |
|
Число лопастей |
2 |
|
Материал |
Поликарбонат |
|
Масса, г |
5,1 |
Характеристики системы электродвигатель – винт
|
Скорость, об/мин |
Ток, А |
Момент, мНм |
Тяга, г |
Электрическая мощность, Вт |
|
Продолжительная нагрузка |
||||
|
3 000 |
0,1 |
2 |
11 |
2 |
|
5 400 |
0,5 |
7 |
40 |
7 |
|
6 900 |
1 |
10 |
67 |
12 |
|
8 900 |
2 |
17 |
117 |
25 |
|
10 100 |
2,8 |
21 |
160 |
35 |
|
10 900 |
3,6 |
25 |
190 |
46 |
|
12 000 |
5,1 |
30 |
234 |
64 |
|
Кратковременная нагрузка |
||||
|
12 400 |
5,7 |
32 |
253 |
72 |
|
12 800 |
6,4 |
34 |
270 |
80 |
|
13200 |
7,4 |
37 |
288 |
92 |
В комплект поставки входят четыре винта: два для вращения по часовой стрелке, два для вращения против часовой стрелки.
Таким образом, в состав нашего дрона будут входить 4 электродвигателя, массой по 23 г каждый, и 4 винта по 5,1 г каждый. Следовательно, вес винтомоторной группы составит 112,4 г из 300 г общей массы дрона. Ещё 105 г весит рама БПЛА, что оставляет нам 82,6 г на размещение дополнительного оборудования.
Поскольку ранее мы выбрали обычную крестовую раму, и в комплект поставки выбранных винтов входят по два винта для вращения по часовой стрелке и против неё, мы используем способ крепления, при котором вращающиеся в одном направлении винты расположены в противоположных углах четырёхугольника. Схема приведена на рисунке 6.
6. Выбираем аккумулятор
Далее необходимо определиться с моделью аккумулятора, который сможет питать все двигатели. Собственно, аккумуляторная батарея – самая тяжёлая комплектующая дрона, поскольку именно от её параметров будет зависеть время автономной работы. В данном случае нам не требуется аккумулятор большой ёмкости, поскольку дрон предполагается использовать для аэрофотосъёмки небольшими сериями, и в приоритете стоит сокращение массы дрона. В лёгких бытовых БПЛА применяются перезаряжаемые литий-полимерные аккумуляторы. Поскольку мы собираем лёгкий манёвренный дрон для съёмки труднодоступных мест с диагональю рамы 260 мм, то рекомендуемая ёмкость аккумулятора – 1500-1600 мА*ч, поскольку большая ёмкость существенно утяжелит конструкцию. Поскольку в нашем случае мы уже существенно ограничены в массе, был выбран лёгкий аккумулятор на 850 мА*ч от компании Tattu, внешний вид приведён на рисунке 7, технические характеристики в таблице ниже.
Технические характеристики аккумулятора Tattu 850 mAh 11.1V 75C 3S1P
|
Параметр |
Значение |
|
Ёмкость, мА*ч |
850 |
|
Конфигурация |
3S1P |
|
Масса с кабелями, г |
74 |
|
Выходное напряжение, В |
11,1 |
|
Размеры (ДхШхВ), мм |
60х30х22 |
Данный аккумулятор состоит из нескольких блоков с выходным напряжением 3,7 В, что даёт возможность запитать не только двигатели, но и периферийное оборудование через распределительную плату.
Согласно калькулятору для расчёта полётного времени по заданным параметрам, который можно найти в Интернете в свободном доступе, данный аккумулятор обеспечит полётное время для нашего дрона 4 мин 33 с при скорости вращения каждого из двигателей 12000 оборотов. При снижении скорости до 10100 оборотов (число оборотов, достаточное для обеспечения минимальной тяги), время полёта увеличится до 7 мин 44 с, что считается достаточным показателем для любительских дронов. Таким образом, у нас остаётся ещё 8,6 г для размещения периферийного оборудования (камеры и контроллеров). Развитие микроэлектроники в настоящее время более, чем позволяет подобрать оборудование под такие требования: например, китайский производитель BETAFPV предлагает микрокамеры с размерами 14,1х11х13,5 мм и весом 1,45 г (с учётом кабелей), контроллеры для бесколлекторных двигателей массой до 2,96 г и прочее оборудование. Кроме того, выбранный двигатель обеспечивает небольшой запас по тяге даже на скорости 10100 об/мин, что позволяет увеличить массу дрона до 320 г (тогда необходимая тяга одного двигателя составит 160 г), что, в свою очередь, позволяет подобрать и установить все необходимые компоненты для фотосъёмки.
7. Подбираем контроллер
Также для работы двигателей необходимо подобрать контроллер или, как его ещё называют, регулятор скорости (англ. Electronic Speed Controller, ESC). Его выбор зависит от таких параметров как общий ток двигателей, прошивка, процессор и протоколы, а также от характеристик питания. В нашем случае подойдёт контроллер, поддерживающий одновременное подключение четырёх двигателей, но при этом обладающий малыми размерами и массой. Китайский производитель Flywoo предлагает широкий выбор подобных контроллеров, и нам подойдёт нано-контроллер GOKU GN405 Nano 35A, внешний вид приведён на рисунке 8, технические характеристики в таблице ниже.
Технические характеристики контроллера скорости GOKU GN405 Nano 35A
|
Параметр |
Значение |
|
Интерфейс |
UART |
|
Встроенный барометр |
Да |
|
Питание от батареи с конфигурацией |
2-6S |
|
Масса, г |
2,3 |
|
Размеры (ДхШхВ), мм |
28,6х25х12,7 |
Таким образом, в нашей статье мы продемонстрировали пример расчёта винтомоторной группы для лёгкого БПЛА и рассказали об особенностях выбора электродвигателей и винтов для дронов. Ещё раз подчеркнём, что при проектировании каждого конкретного БПЛА необходимо учитывать огромное количество нюансов, начиная от цели использования и заканчивая погодными условиями, в которых планируется эксплуатация, поэтому приведённый расчёт может расцениваться не более как теоретический пример.
Компания ИНЕЛСО является официальным дистрибьютором производителей бесколлекторных электродвигателей и других приводных решений, подходящих для использования в БПЛА. Обратитесь к нашим специалистам для подбора решения под Ваш запрос.
При подготовке публикации использовались материалы из открытых источников.