Механический роторный гироскоп из подручных материалов

Содержание

Будни альтернативной энергии №14 (29 апреля — 26 мая)

Механический роторный гироскоп из подручных материалов

Рады сообщить, что раздел обозрения «Будни альтернативной энергии» пополняется свежим, уже четырнадцатым выпусков! Вот его мы Вам с великой радостью и представляем. Не изменяя своим традициям, мы старались собрать все самое важное и интересное, ничего не пропустить и сделать выпуск как можно интереснее. А насколько нам это удалось, решать как всегда Вам!

Не забывайте подписываться на наш канал в ютюбе, ставить лайки и делиться этим материалом с друзьями в социальных сетях.

1. Для начинающих. Основные магнитные свойства веществ.

Магнетизм, магнитные взаимодействия и силы до сих пор являются загадочными явлениями и описание их природы на уровне теорий вызывают больше вопросов, чем понимания. Но вместе с тем, есть и довольно хорошо изученные области магнетизма. Приведем доходчивое объяснение двух основных магнитных типов веществ на основе экспериментов.

2. Мощные и промышленные двигатели Стирлинга.

Еще в середине прошлого столетия мощные двигатели Стирлинга можно было увидеть даже в школах. На этих двигателях проводилось обучение детей практической физике, мощность школьных агрегатов достигала одного киловатта.

Но данный тип двигателей был тщательно «зачищен» мировой закулисой и изьят не только из промышленности, но и из школ. Предлоги самые разнообразные, от неудовлетворительного КПД до трудностей изготовления и т.д.

Для справки: КПД данных двигателей без труда достигает 98%, да и в домашних образцах он выше 80, а порой и 90%.

Безусловно, такой КПД, по сравнению с современными ДВС с КПД = 30% никому не нужен! Что же касается технологических трудностей, то тут тоже спора нет! Ведь Стирлинг, в отличии от ДВС, может собрать у себя на столе из подручных средств любой желающий за несколько минут и мы об этом неоднократно писали и даже выкладывали обучающее видео по сборке двигателя Стирлинга.

Потому, более чем полвека данные модели можно было найти разве что в музеях, но благодаря интернету и энтузиастам, искусственно похороненные изобретения начинают возвращаться.

Но это только начало. На просторах нашей Родины уже освоен выпуск и более серьезных моделей.

Вот такие вот красавцы! Работают на газу, вырабатывают 9 киловатт электрической энергии и 25 киловатт тепловой. КПД — 96%. Приведем и более подробные технические характеристики:

Информации о ценах, сроках поставки и прочих подробностей у нас пока нет. Производитель пока нам не ответил, но мы обязательно постараемся разузнать и рассказать Вам недостающие детали.

3. Зарядка аккумуляторов качером Бровина.

В десятом выпуске «Будни альтернативной энергии», мы уже писали о зарядке аккумуляторов при помощи качера Бровина.  С радостью продолжаем эту тему и предлагаем Вам новое видео на данную тему. На видео демонстрируется работа качера Бровина в режиме заряда аккумуляторов, описываются принципы его построения и приводится принципиальная схема.

4. Распределение магнитных полей в двигателе Серла.

После перевода нами интереснейшего фильма о двигателе и генераторе Серла, вот уже многие месяцы данная тема является самой популярной на всех без исключения тематических ресурсах. На нашем форуме данная тема давно уже перевалила за сотню страниц, и это при довольно строгой ее модерации и удаление из нее флуда.

В предлагаемом к просмотру ролике демонстрируется работа двигателя Серла, а также показывается распределение магнитных полей в его статическом положении и при его вращении.

5. Гравитационные аномалии.

Все мы еще в школе знаем, что существует закон всемирного тяготения, который однозначно предписывает яблоку падать вниз, машинам катиться с горки и так далее. Каждый из нас это выучил и принял, но что делать с теми яблоками, машинами и целыми местами, которые в школе не учились и не знают, что существует закон всемирного тяготения?

Начнем с ролика, демонстрирующего гравитационные аномалии в лесу Калифорнии (США).

Но для того, чтобы убедиться, что такие места существуют, и их довольно много, совсем не обязательно ехать в США, можно например съездить в Крым. Это место Вы без труда найдете, выезжая из Алушты в направлении Судака, примерно на 13-ом километре.

Просьба ко всем участникам проекта и его гостям, которые проезжают по данной трассе, пожалуйста пришлите видео с поведением в этой зоне гироскопа и строительного уровня.

6. Гироскопы.

Для начинающих напомним, что гироскоп, это быстро вращающееся твёрдое тело, ось вращения которого может изменять своё направление в пространстве.

Основным свойством гироскопа является стремление всегда сохранять свою ость вращения в направлении силы тяжести. Простейший пример гироскопа это волчок или детская юла.

Примеры более сложные — это датчики положения в самолетах, вертолетах и даже в смартфонах.

Наглядная демонстрация величины скрытой силы, находящейся в гироскопе

А это видео показывает потерю веса во вращающемся гироскопе.

Напоследок еще один эксперимент с гироскопом в виде волчка, демонстрирующий еще один очень интересный эффект.

7. Очередной необъяснимый эффект в качере Бровина.

Демонстрируем Вам видео с очень занимательным, но и вместе с тем очень опасным эффектом, обнаруженном в качере Бровина. Достаточно на качер, нагруженный на ТТ, положить тороидальный магнит и поднести к нему металлический стержень, как вместо обычной «фитонки», мы получим настоящий взрыв!

Проводя данный эксперимент у себя дома, пожалуйста соблюдайте особую осторожность.

8.  Левитация графита.

О левитации предметов в магнитном поле мы писали неоднократно. Было видео даже с левитацией лягушки. На этот раз мы демонстрируем Вам видео с левитацией графита.

Далее самое интересное! Оказывается левитирующий графит может без труда управляться, а точнее приводиться в движение лазерным лучом!

9. Механический резонанс и поющие чаши.

Мы постоянно пишем о резонансе в электронике, но основе которого собрано и функционирует множество устройств, но ведь резонанс порождает интереснейшие эффекты не только в электронике, но также, например, в механике. Именно о резонансе в механике и посвящены следующие два видео ролика.

На втором ролике поющая чаша не только поет, но и кипятит воду, хотя совершенно не факт, что это обычное кипение, а скажем не разложение воды на кислород и водород! Владельцам поющих чаш будем очень благодарны за проверку данного предположения.

На этом разрешите закончить и проститься с Вами до следующего, пятнадцатого выпуска нашего обозрения, который мы постараемся подготовить как можно скорее.

Источник: http://zaryad.com/2013/05/28/budni-alternativnoy-energii-14-29-aprelya-26-maya/

Квадрокоптер за 1 день и $120

Механический роторный гироскоп из подручных материалов

Создать квадрокоптер как платформу для летающего робота я планирую уже очень давно. Первые расчеты и заказ деталей я сделал год еще назад. Однако, делать «просто коптер» чтобы полетать, управляя с пультом или даже в FPV режиме конечной задачей не является. Поэтому коптер должен быть максимально гибким и как можно менее дорогим.

По отдельности все детали для коптера есть, но их сопряжение — дело простое только в теории. Нужно быть и программистом и инженером и моделистом — вертолетчиком. Поэтому процесс движется довольно небыстро.

А летать хочется 🙂 Ничто так не расхолаживает и не демотивирует как отсутствие видимых результатов, особенно когда прогресс-то вроде есть, но не наглядный. Да и экспериментировать сразу на большом квадракоптере дорого и опасно. Поэтому я решил собрать для экспериментов миникоптер. Как всегда — задача сделать недорого, просто и гибко.

Мой результат — готовый коптер за 1 день (на сборку и запуск) и $120 (стоимость квадрокоптера включая доставку). А с аппаратурой — $145.

Кому как, а для меня основной преградой в коптеростроении всегда была дороговизна проверенных наборов деталей (kit), которые можно купить в одном месте и поэкспериментировать. Ведь собрав коптер, просто так летать надоест очень быстро, если, конечно, вы не авиамоделист, для которого это лишь еще одна забавная моделька.

Самое интересное — добавить коптеру немного (или много, зависит от умений и изобретательности) самостоятельности. Но пока поднимешь коптер в воздух потратишь столько сил, что на самое интересное запал уже начинает угасать.

Да и пока отладишь программу управления — разоришься, ведь каждая ошибка — это почти наверняка падение, а самое дешевое падение — это сломанные пропеллеры. Сейчас покажу, как это преодолеть.

Заказываем детали

На самом деле основной бюджет коптера еще меньше, всего около $100 включая доставку.
Итак, обязательные запчасти:

Вот и весь джентльменский набор.

Но нам понадобится и кое-что дополнительно. Возможно, у вас что-то из этого имеется, поэтому заказывайте то, чего не хватает:

Радиоаппаратура у меня Turnigy 9x, которую я доработал для использования с LiIon аккумулятором и впаял разъем для обновления прошивки аппаратуры (я пользуюсь прошивкой er9x), но ее сейчас очень долго ждать из-за ее популярности, поэтому и не стал ее рекомендовать.

Вообще, берите любую, какая есть в наличии и которая вам нравится с количеством каналов от 4. У меня Mode2 (ручка газа слева), но это не принципиально. Если возьмете 6-канальную Hobby King 2.4Ghz 6Ch Tx & Rx V2, не забудьте к ней шнурок для программирования, т.к.

на ней самой никаких настроек не сделать, даже реверсировать каналы. Настраивается только с ПК. Я покупал на HobbyKing только потому, что абсолютно все, что нам понадобится можно заказать там, но вы можете брать на rctimer.com или в любом другом месте.

Если будете брать на HK, заказывайте сразу внизу нужные combo детали — так будет дешевле, чем набирать их по отдельности.

ЗИП:

Нам понадобятся еще винтики М2х10 или М3х10 (их проще достать в магазине, но придется чуть-чуть рассверлить отверстия в креплении моторов, это несложно). Аккумуляторов берите по возможности хотя бы пару. Если нет зарядки для LiPo аккумуляторов, тоже берите, это разовое вложение, пригодится. Пропеллеров берите побольше. Не смотрите, что их по 5 штук в пакете. Я в первый день сломал 4 штуки, пока настраивал и обнаружил глюк в прошивке. 🙂 Это расходный материал, особенно в тесной комнате как у меня. Запасные моторы тоже, наверное не помешают, но это позднее, сразу вы их вряд ли сломаете. Понадобится также паяльник, немного припоя и флюса, термоусадочная трубка диаметром 2 и 5 мм или изолента, резинка для денег или от трусов для крепления аккумулятора 🙂 Как только определились что у нас есть, а что заказываем и в каком количестве, заказываем и спокойно ждем недельки три (ну это как повезет с почтой).

Собираем наш квадрик

Собирается весь квадрокоптер за 1 выходной. На самом деле даже быстрее. Я потратил около 6 часов в сумме, работая не торопясь. Сначала собираем раму.

Приходит она вот в таком виде (мелкие детали на фото отсутствуют, они в пакете) Боковинки каждого луча склеиваем с помощью ПВА-М или суперклея (ПВА-М дает прочные эластичные швы, но собирать раму лучше вечерком, чтобы до утра оставить клей высохнуть как следует). Собираем все лучи и приклеиваем к нижней центральной пластине. Верхнюю пока отложите в сторону.

Ножки лучей склеиваются из двух одинаковых половинок. Поскольку в луче всего 5 деталей (2 стенки и три распорки :), думаю, что сложности в сборке не составит. Откладываем раму сохнуть до утра. А с утра достаем паяльник, термоусадку, провода и садимся паять.

Сначала продеваем провода всех 4х ESC в лучи вот таким макаром: Затем берем толстый провод, отрезаем по 2 куска красного и черного цветов длиной сантиметров по 5-7. Зачищаем с концов по 5 мм и в середине примерно 5-7 мм. Куски спаиваем зачищенными серединами крест-накрест. Получится два креста — черного и красного цветов. Концы пока просто залудить.

Затем к красному перекрестию припаиваем красные концы от всех четырех ESC, не забыв надеть кусочки термоусадочной трубки по 1.5-2 см. То же самое проделываем с черной крестовиной. Размещаем все это в центре квадрокоптера.

Отрезаем еще по 1 куску толстого провода и припаиваем их к перекрестьям, концы выводим в отверстие в днище коптера, а место спайки изолируем: Проверьте все внимательно, чтобы не было непропаев и коротких замыканий. Припоя не жалейте, токи тут очень серьезные текут, поэтому площадь контакта нужна побольше.

Если все в порядке, можно смазать ПВА-М верхнюю крестовину коптера и приклеить ее, спрятав таким образом все силовые провода внутри. На хвостик из просунутых в отверстие днища проводов надеваем термоусадку и припаиваем коннектор XT60 в соответствии с обозначенной на нем полярностью (красный провод к +).

Теперь крепим моторы к раме парой винтов М3х10, подложив с обратной стороны шайбу. Просовывем в отверстие в раме провода от мотора, припаиваем их к ESC. Перед пайкой наденьте термоусадочные кембрики, но пока не усаживайте их, после проверки может понадобиться сменить направление вращения мотора, для этого нужно поменять местами любые два провода.

Выглядит в готовом виде это примерно так: Ну вот, теперь можно проверить и настроить ESC и моторы. Не надевая пропеллеры, подключаем к ресиверу в 3й канал — это Throttle в стандартной 4х канальной схеме (или серво-тестеру, если имеется), затем включаем передатчик (предварительно нужно связать их- bind, эта операция описана в инструкции). Подключаем аккумулятор к коннектору XT60.

После писка от ESC плавно даем газ и проверяем, что мотор с ESC в порядке. Повторяем процедуру для остальных моторов. Я бы заодно порекомендовал настроить тип батареи и скалибровать газ, но это можно и потом. Проверяя моторы, обратите внимание на направление вращения.

Нам нужно, чтобы два мотора напротив друг друга вращались в одну сторону, а соседние — в разные: Поменять направление вращения мотора, напоминаю, можно поменяв местами любые 2 из трех проводов, которые идут к ESC. Можно сразу пронумеровать моторы по схеме соответственно направлению вращения и подписать карандашом на лучах.

Все вращается правильно и реагирует на ручку газа передатчика правильно? Замечательно, переходим к плате управления. Она поставляется в мягком корпусе из пеноматериала.

аккуратно ее извлекаем, переворачиваем и вставляем обратно, а мягкий корпус на двусторонний скотч или клей крепим на раму так, как указано на картинке выше, чтобы стрелка смотрела между лучами, на которых установленым моторы 1 и 2.

Сбоку к нему клеим на двусторонний скотч ресивер радиоаппаратуры (антенну крепим к одному из лучей): Я наклеил стрелку на корпус, чтобы было легче ориентироваться на земле где у коптера перед. Теперь подключаем мозги — скорее всего 2-3 из 4 ESC не достанут до платы управления, тут то и пригодятся servo extension кабели. Но их можно сделать самим.

Нужна 3пиновая вилка из обычный PLS гребенки с шагом 2.54 ммм и половинка кабеля для соединения ресивера и платы управления (нам нужен Female коннектор). Подключаем моторы соответственно нумерации в разъемы M1-М4 Сигнальный провод к центру платы, землю к краю (на предыдущей фото все видно). Теперь подключаем ресивер.

По умолчанию 4-х канальная настройка такая: 1 — Aileron (элероны, ROLL) 2 — Elevator (тангаж, PITCH) 3 — Throttle (газ) 4 — Rudder (руль направления, рыскание, YAW) Вот и подключаем по порядку каналы к плате, на ней подписано соответственно AIL, ELE, THR, RUDD.

Только не 4 проводами, а проще: первый подключаем как положено — черный провод (земля) к краю платы, сигнальный внутрь, а остальные три канала подключаем одним проводом, нас интересует только сигнальный провод: Все, осталось прикрепить батарею и коптер собран. Тут и настал черед резинки 🙂
Батарею при взвешивании просто положил сверху.

Осталось прошить плату управления и настроить коптер.
Для прошивки используем AVR ISP программатор. Подключение такое: Т.к. плата является клоном Kaptein Kuk quadrokopter, можно воспользоваться их софтинкой (KKmulticopter Flash) для прошивки.
У меня стабильно заработала прошивка XXcontrol_KR_XCopter v2.5.

Ее можно прошить с помощью avrdude: avrdude -c usbasp -p m168p -U flash:w:XXcontrol_KR_XCopter_v2_5.hex:a или выбрать в программульке для прошивки, она скачает сама. v4.7 от Kaptein Kuk у меня заработала некорректно, поэтому не советую ее.
Отключаем от программатора, выполняем настройку по инструкции (пункты 1, 2, 4 и 8, остальное по желанию). Все, полетели 🙂 Взлетать советую медленно и очень осторожно. Сначала поставьте коптер стрелкой от себя, нужно попробовать приподнять коптер газом, если наклоняется или вращается, триммируем его, чтобы он взлетал без перекоса (попробуйте покачать аккуратно стиками элеронов и тангажа, буквально касаясь их, пока он еще на земле, чтобы убедиться, что все каналы работают правильно, если нет, инвертируйте нужные, у меня это был канал Elevator). Затем если он покачивается стиками правильно, чуть-чуть добавьте газа, чтобы взлетел на пару сантиметров, и опускайте обратно. Ну и дальше учимся летать 🙂 (Я пока определил что к чему, сломал 2 пропеллера об стену — глюк прошивки v4.7, а потом еще в процессе настройки коэффициентов усиления гироскопов сломал еще пару — коптер раскачивался и задел диван, дома тесно, поэтому дома больше не летаю). Если не уверены или страшно — наденьте защитные очки и оденьтесь, пропеллеры бьют ощутимо, мне не попадало по рукам, но они острые и вращаются очень быстро! Как освоите эту платформу, можно ставить свой контроллер или писать свою прошивку, добавлять акселерометры, барометр, компас, сонар, GPS, телеметрию, LPS лазер и делать из платформы робота. Но сначала получаем удовольствие, от винта, мы взлетели!

Удачных вам полетов!

Источник: http://volamar.ru/subject/03kolibri/view_post.php?cat=1&id=5

Моделирование динамики гироскопа | Блог COMSOL

Механический роторный гироскоп из подручных материалов

Недавно, впервые столкнувшись с уравнениями движения вращающихся тел, один из моих сыновей вернулся домой с множеством интересных вопросов.

Его вопросы вызвали воспоминание о том, как много лет назад, я испытал такое же чувство растерянности при изучении механики.

В сегодняшнем топике, я представлю две модели COMSOL Multiphysics — гироскопа и волчка — иллюстрирующих примечательные свойства вращающихся тел.

Что такое гироскоп?

Гироскоп — термин, придуманный Леоном Фуко в середине 19-го века — был признан как очень полезный инструмент в области науки и техники приблизительно двести лет назад. Его предшественник, волчок, известен, начиная с древних времен, и используется как игрушка для азартных игр и как предмет с магическими и мистическими свойствами.

Как рабочий инструмент, гироскоп ценится за свою точность при измерении и сохранении ориентации. Такие свойства способствуют его использованию в самолетах, космических кораблях и подводных лодках, а также в датчиках инерциальных систем навигации.

Копия первого гироскопа.

Классический гироскоп основан на законе сохранения момента импульса. Тело во время вращения стремится сохранить ориентацию своей оси в отсутствие моментов внешних (сил).

Устойчивость к изменению ориентации при возмущении (внешнем воздействии) зависит от момента импульса, то есть произведению угловой скорости и момента инерции (тела).

Если момент (сил) воздействующих на ротор не параллелен оси вращения, эффект может быть весьма неожиданным.

Примечание: В настоящее время существует несколько типов устройств, служащих той же цели, что и классический гироскоп, но они основаны на отличных физических свойствах. Последние достижения в физике и микросистемной технике сделали это возможным.

Как показано на приведенной ниже схеме, гироскоп состоит из диска, вращающегося с большой угловой скоростью вокруг своей оси. Ось соединяется с внутренним кольцом, называемым карданной подвеской (gimbal). Внутренняя подвеска прикрепляется к внешней карданной подвеске другой парой шарниров.

У этих шарниров имеется ось, расположенная под прямым углом к вращающемуся валу. Третья пара шарниров прикрепляет внешнюю карданную подвеску к рамке. В результате ротор обладает тремя вращательными степенями свободы, по одной на каждую ось.

Заметим, что рамка крепится к внешнему окружению (например, к сосуду).

Если рамка вращается вокруг произвольной оси, ось ротора стремится сохранить свое направление. При этом, обе подвески вращаются.

Схема классического гироскопа.

Моделирование гироскопических эффектов в COMSOL Multiphysics

Используя модуль Динамики многотельных систем в среде COMSOL Multiphysics, мы можем смоделировать механические свойства гироскопа. Наша учебная модель «Моделирование гироскопических эффектов» ориентирована на исследования такого рода. Пример, который обсуждается далее, на самом деле включает в себя две модели: гироскоп и волчок.

Модель гироскопа

Начнем с нашей модели гироскопа. Геометрия модели включает в себя четыре твердых тела: ротор, два карданова подвеса и рамка. Ротор изготавливается из стали, а остальные части из алюминия.

Из-за такого выбора материалов, момент инерции ротора больше по сравнению с поддерживающей конструкцией. Рамке задано установленное вращение вокруг оси, ориентированной под углом 90° от оси ротора и 45° от двух кардановых подвесов винтовой оси.

Вращение рамки задано гармоническим с величиной 2 радиана и частотой 2 Гц. Каждый из винтов смоделирован как шарнир.

Чтобы проиллюстрировать эффект вращения ротора на его ориентацию в ходе анализа рассмотрены две различные ситуации. В первом случае, ротор не вращается. Во втором случае, начальное значение угловой скорости ротора составляет 350 рад/с (3342 об/мин).

Первая анимация ниже демонстрирует, что если ротор не вращается, то он вынужден изменять свою ориентацию.

Сила тяжести не учитывается в задаче, и кинематически, для ротора имеется возможность сохранять свою ориентацию, так что изменение в ориентации ротора вызывает динамика системы твердых тел.

Во второй анимации, видно, что из-за своего вращения, ротору фактически удается сохранять свою ориентацию.

Ориентация ротора при вынужденном вращении рамки, с некрутящимся ротором.

Ориентация ротора при вынужденном вращении рамки, с крутящимся ротором.

На приведенном ниже графике, показано различие в стабильности угла наклона оси ротора. Угловой погрешности порядка 1°, возникающей в случае вращения (с крутящимся ротором), может оказаться все еще недостаточно для использования в высокоточных приборах. Однако изменения в конструкции могут уменьшить это отклонение.

В нашем примере, скорость вращения рамки достаточно высока. Рамка поворачивается приблизительно на 115° и обратно, за 0,25 секунды, которые охватываются процессом моделирования. Для улучшения стабильности ориентации оси при таком внешнем воздействии, требуется либо повышение скорости вращения ротора или его утяжеление.

Сравнение наклона оси ротора с вращением и без.

Модель Волчка

Теперь переключим наше внимание на модель волчка. Здесь мы используем только отдельное твердое тело — ротор из предыдущего примера.

Ось ротора первоначально ориентирована на 20° от вертикальной оси, а гравитационная нагрузка увеличена. Затем, ротору сообщается начальная угловая скорость вокруг собственной оси.

Вместе с силой реакции опоры, сила тяжести создает момент в плоскости вращения на оси ротора и вертикальной оси.

Пара сил, действующих на волчок.

Этот момент сил вызывает угловое ускорение в направлении перпендикулярном плоскости, и волчок начинает изменять свою ориентацию.

Это изменение в ориентации волчка, совместно с вращением вокруг собственной оси, вызывает гироскопический момент, действующий на волчок. Под воздействием гироскопического момента, верхушка волчка медленно описывает круговую траекторию.

Такое вращение оси ротора называется прецессией. График ниже иллюстрирует траекторию движения вершины оси.

Траектория движения вершины волчка.

Как можно заметить, на широкую круговую траекторию накладываются меньшие циклические биения — движения, известного как нутация. Нутация зависит от начальных условий.

Поскольку исследование волчка начинается только с закручивания вокруг оси ротора и без скорости прецессии, то начальные условия не совместимы с чисто прецессионным движением.

В реальной физической системе, амплитуда нутации затухает со временем.

Заключение

При решении задач данного типа, важно правильно выбрать временной шаг для анализа. Как правило, он не должен превышать значения, соответствующего углу вращения порядка нескольких градусов за один временной шаг. В приведенных выше примерах, для временного шага используется значение 0,1 мс. Это соответствует повороту ротора вокруг своей оси на угол приблизительно 2° при каждом шаге.

Вы можете скачать учебную модель, представленную здесь, из нашей Галереи Приложений. Если вы заинтересованы в приобретении знаний о другой технологии для проектирования МЭМС гироскопов, мы рекомендуем вам также ознакомиться с нашей учебной моделью Пьезоэлектрический гиродатчик угловой скорости (Piezoelectric Rate Gyroscope tutorial model).

Источник: https://www.comsol.ru/blogs/modeling-the-dynamics-of-a-gyroscope/

Как сделать трикоптер? (версии 1.0 – 1.5)

Механический роторный гироскоп из подручных материалов

Много времени прошло с тех пор как у меня был вертолет на пульте управления. Но вертолеты всегда были такие дорогие и хрупкие! Я ненавидел то, что после каждой небольшой аварии приходилось заказывать запасные части.

Я всегда хотел чтобы я мог сам отремонтировать его, используя подручные материалы. Поэтому я решил построить свой собственный трикоптер и сейчас я расскажу как я это сделал. Здесь я описал свой первый опыт построения трикоптера.

Потом я сделал еще один трикоптер!

Что такое трикоптер?

Трикоптер похож на вертолет, только он использует три пропеллера. Смысл в том, что используются три абсолютно одинаковых мотора. Четыре вертолетных гироскопа делают трикоптер невероятно устойчивым в воздухе. А чтобы он мог летать в разные стороны, на задний мотор устанавливается сервомашинка.

Пульт необходимо настроить по схеме 120° CCPM и можно приступать к полетам. Так что все очень просто, дешево, легко построить и не нужно никакой дополнительной электроники. Управление трикоптером происходит по той же схеме что и вертолетом 120° CCPM. Т.е.

чтобы трикоптер полетел вперед, 2 передних мотора начинают работать медленнее, а задний быстрее, чтобы он полетел вправо, левый мотор ускоряется, а правый замедляется. На моем контроллере Futaba левый мотор на 1 канале, задний на 2 и правый на 6(если смотреть на трикоптер со стороны хвоста).

Если бы вы попробовали запустить трикоптер без гироскопов, то он практически сразу рухнул бы. Это все из-за того, что между каждым мотором есть разница в kV(тяге) и ESC не так слаженно работают. Поэтому каждый мотор немного по разному реагирует на увеличение мощности.

Но даже если вы идеально настроите мощность моторов, сам себя трикоптер не сможет стабилизировать. Он не хочет оставаться в воздухе и летать блинчиком. Он хочет разбиться. Поэтому к каждому мотору подключается гироскоп. Гироскоп рассчитывает, любую мощность, подаваемую на мотор.

Например, если какая-то внешняя сила(ветер) воздействует на левое крыло трикоптера, гироскоп заставляет вращаться левый винт медленнее, чтобы трикоптер не перевернуло. Но каждый гироскп не имеет ни малейшего представления о существовании другого гироскопа. Они контролируют только свой мотор. Поэтому так необходимо цеплять гироскопы под одинаковыми углами на «руки» трикоптера, которые держат моторы.

Шаг 1. Материалы

Итак, что необходимо приобрести. После многочисленных тестов контроллеров скорости(ESC), моторов, гироскопов и т.д. Я пришел к выводу, что для трикоптера весом до 1.

2кг необходимо следующее:

  • 3 x 2213N 800Kv Brushless motors
  • 3 x TURNIGY Plush 18amp Speed Controllers(внимание! Плохо работают с приемником Futaba)
  • 4 x Hobby King 401B AVCS Digital Head Lock Gyro
  • 1 x 6 pack GWS 10*4.7 propellers
  • 1 x 10 pack prop adapters
  • 1 x BMS-385DMAX Digital Servo (Металлический!)
  • 1 x 3S 2200mAh Turnigy LiPo
  • 1 x Turnigy UBEC для гироскопов

Это все то, в работе чего я уверен.

Шаг 2

Я использовал 1.5 миллиметровые пластины стекловолокна для крепления мотора.
А это мое крепление заднего мотора. Я использовал держатель лопасти от своего старого вертолета(T-rex 450) и прикрепил его к кусочку пластмассы.
Все свободно крутится, трения практически нет, так что я думаю этот механизм отлично подходит. А здесь площадка для заднего мотора.

Я отрезал куски от хвостовой балки своего T-rex 450(легкий и прочный материал!), и вставил как наполнитель между пластинами стекловолокна. Я Это сделал, чтобы впоследствии, когда буду прикручивать мотор, пластина не прогибалась. Я сделал простенькое крепление для серво, чтобы приподнять на нужную высоту.

А здесь изображены платформы для серво, которые так же крепятся на наклонный хвостовой механизм. Для уменьшения веса, я даже снял медное покрытие с пластинок. Так должен быть закреплен моторчик. Все подходит великолепно, мотор крепко закреплен.

Я буду использовать дерево, для изготовления «рук»(на картинке сверху), крепление крепко держится на дереве, просто будучи прижатым. При повреждении «рук» их очень просто будет заменить, или попробовать «руки» подлиньше.
Форму рамки я придумал сам. Она не идеальна, но должна выполнять возложенные на нее функции на ура.

Я хочу, чтобы мой трикоптер мог складываться для переноски, поэтому я просверлил дырку в двух «руках». Хвостовой механизм наклона практически готов, мне пришлось добавить еще пластика, чтобы его толщина соответствовала толщине «рук». Все, наклонный механизм готов.
Моторы тоже прикреплены. Я отрезал кусок стекловолокна, чтобы разместить приемник между листами.

Теперь поставим на место гироскопы. Провода для ESC я сделал длиннее. По непонятной для меня причине, гироскопы Turnigy плохо работали с приемником Futaba, который я ешил использовать. Я думаю это каким то образом свяано с частотой сигнала 2.4Ghz.

Гирскопы начали вести себя совсем странно, иногда совсем не реагировали на команды, так что в качестве приемника я использовал Assan 6 channel.

Вот как я закрепил провода. А это низ.

Вот как он выглядит при транспортировке.

А теперь тестовый полет! Пластмассовый нос, а также рэйлы для посадки от того же старого вертолета.

Тех. характеристики моего самодельного трикоптера.

  • Моторы: 2213N 800Kv AXN
  • ESC’s: Supersimple 18A Card Programmable
  • Питание: 3s Turnigy 25-35C 2200mAh LiPo
  • Серво: Power HD 2216MG Digital
  • Пропеллеры: GWS 1047
  • Мощьность: 10.2A@11.6V – 6370RPM – 780 grams thrust / motor!
  • Размер: 40см радиус
  • Общий вес: 777 грамм
  • Время полета: 15 минут

А теперь видео с моего трикоптера.

  • RC TX: Futaba 7C FASST 2.4GHz
  • RC RX: ASSAN 6CH
  • Camera: 1/3” Sony CCD camera (info)
  • Video TX: 1.3GHz 300mW, 1/4 Lambda antenna
  • Video RX: 1.3GHz dual output
  • Video RX antenna: Stock whip
  • OSD: Flytron SimpleOSD XL + GPS
  • Video capturing unit: Sandisk V-Mate

Трикоптер весрия 1.5

Так как гироскопы Trunigy 302 повели себя не так как ожидалось в связке с приемником Futaba FASST, я решил использовать гироскопы Hobbyking HK401B. Я заметил, что платы в старых гироскопах 401 не закреплены должным образом, так что до установки их на трикоптер, я решил немного их переделать. Необходимо отвернуть 4 болтика и поднять крышку.

Чтобы абсолютно быть уверенным в том, что после падения провода не порвутся, я использовал немного горячего клея, чтобы они покрепче держались на платах. А чтобы сами платы сидели неподвижно, я капнул горячего клея в уголки и с усилием прижал платы. Еще я использовал небольшие кусочки губки, которые на всякий случай будут удерживать платы с другой стороны.

Теперь все можно собрать.
Так как гироскопы HK401 немного больше по размеру, то пришлось использовать для корпуса пластины большего размера. Я изменил размер только верхней пластины. Futaba FASST приемник закреплен.

Все готово! Но я заметил, что новые гироскопы совсем не хотят связываться с ESC.

Происходит это от того, что гиро не дают необходимый сигнал при включении, поэтому ECS думают, что у вас FM приемник без нужного сигнала и уходят в защитный режим. И инициализироваться они не будут до тех пор, пока их не перезагрузить и не послать им корректный сигнал. Но если я перезагружу ESCб то гироскопы тоже перезагрузятся т.к.

я использую встроенный в ESC BEC(batterey elimination circus). Чтобы избежать сложившейся проблемы, я сделал внешний BEC. Когда я подключаю этот BEC(с диодом с положительным зарядом на выход) к свободному каналу на передатчике и затем уже к батарее, BEC будет питать только приемник и гироскопы.

После того, как гиро загрузились, я включаю главный коннектор на батарее, чтобы запитать ESC. Теперь ESC получают корректный сигнал и нормально загружаются. Затем я убираю самодельный BEC и наслаждаюсь полетом.
Время летать!

Он летает! По сравнению со старыми гироскопами Turnigy 302, HK401B намного более чувствительны к вибрациям. Но как только вибрации уходят, HK401B ведут себя немного лучше 302х. Они как будто более стабильны. HK401b так же работают в цифровом режиме, в отличие от 302х, из-за которых весь трикоптер периодически трясло при слабом ветре. Но самое главное, они отлично работают с моим приемником!

Первое HD FPV видео, которое я снял на GoPro Hero HD.

Состав:

  • RC TX: Futaba 7C FASST 2.4GHz
  • RC RX:R606FS
  • Camera: GoPro Hero HD set at 720p 60FPS
  • Video TX: 1.3GHz 300mW, 1/4 Lambda antenna
  • Video RX: 1.3GHz with modified SAW filter
  • Video RX antenna: Stock whip

Перевод room402
Автор David Windestål

Источник: http://skillville.ru/Workshop/kak-sdelat-trikopter-versii-10-15.html

Строим мультикоптер, часть первая

Механический роторный гироскоп из подручных материалов

Часть 1 | Часть 2 | Часть 3 | Часть 4 В последнее время среди авиамоделистов и им сочувствующих набирает популярность мультироторная схема летательного аппарата, так называемые мультикоптеры.

Так как соответствующей статьи в Википедии еще нет, а на Хабре мелькали лишь упоминания этого забавного механизма, я решил поделиться опытом постройки своего собственного аппарата.

Забегая вперед, скажу, что ничем прекрасным это не закончилось, но тех, кому важен не результат, но процесс, приглашаю под кат, где уютно пахнет канифолью и разбросаны алюминиевые опилки.
Несколько лет назад в мою голову постучалась идея поснимать город с высоты птичьего полета.

Бегло пройдясь по доступным вариантам вроде поднимания фотоаппарата на воздушном змее, на аэростате и даже голубями, я довольно быстро и закономерно пришел к мысли о радиоуправляемом вертолете, а возможно и новом и неизведанном механизме — мультикоптере.

Пару слов о конструкции

Чаще всего мультикоптер представляет из себя металлическую, или углепластиковую раму с парным количеством моторов (наиболее популярны квадро- и гексакоптеры, с 4 и 6 роторами соответственно). В центре расположена плата управления и батарея, остальные детали крепятся, куда кому вздумается.

Электрические трехфазные бесколлекторные моторы (стандартные для авиамоделистов) на 7000-25000 оборотов в минуту развивают тягу, достаточную для удержания в воздухе всей необходимой для съемок аппаратуры.

В зависимости от количества и мощности моторов, эта тяга может быть от сотен грамм до десятков килограмм.

В большинстве случаев используется четное количество роторов для равномерной компенсации вращательного момента: половина пропеллеров крутится в одном направлении, половина — в обратном (для этих же целей у классического вертолета предусмотрен хвостовой винт), хотя есть и трикоптеры.

Таким образом, для наклонов аппарата вправо-влево и вперед-назад (крен и тангаж) достаточно уменьшить скорость вращения моторов с одной стороны, и увеличить — с другой, а если увеличить скорость моторов «через один», вращательный момент одних не будет скомпенсирован другими, и аппарата будет поворачиваться вокруг вертикальной оси вправо-влево (рысканье). У трикоптеров один из моторов может менять ось вращения, направляя свою тягу немного в сторону, однако для этого нужно преодолевать гироскопический эффект, поэтому я считаю трикоптеры неэффективными.

Мультикоптер имеет перед классической моделью вертолета некоторые преимущества:

  • Стартовая цена. Аналогичный по подъемной силе вертолет обходится в два раза дороже.
  • Простота конструкции. Рама собирается из говна и палок подручных материалов, прочность имеет второстепенное значение (некоторые детали традиционного вертолета должны выдерживать огромные нагрузки, чтобы обеспечить возможность резких маневров).
  • Цена техобслуживания. Вертолет с необходимой подъемной силой (здесь и далее я подразумеваю, что мы хотим получить в итоге летательный аппарат, способный поднять, к примеру, среднюю зеркалку весом в полтора-два кг) может иметь только двигатель внутреннего сгорания, огромные лопасти и другие прелести больших моделек, со всеми соответствующими затратами на бензин+масло, разбитые лопасти и проч.
  • Эксплуатация. Сюда можно отнести намного большую вибрацию и шум одного двс-мотора, чем шести электрических; большая маневренность мультикоптера, легкое управление с использованием автопилота.

Итак, мы загорелись идеей собрать для фотографических целей именно мультикоптер. Нас не устраивают готовые решения (о них позже), мы хотим создать что-то свое, большое, красивое, с соответствующими карточными играми и девицами легкого поведения. За дело!

Начнем с наброска проекта

Нам необходимо получить аппарат, который

  • будет стабилизировать себя в воздухе (не ручное управление),
  • с максимальной грузоподъемностью (но какой? Наверняка мы ограничены либо в бюджете, либо в технических возможностях),
  • максимальным временем полета (опять-таки, зависит от грузоподъемности),
  • максимальной дальностью связи

Совсем не похоже на тз, так как совсем неясно, чем же мы располагаем, но после некоторого гугления картина проясняется. Ассортимент бесколлекторных моторов радует глаз, но порой огорчает кошелек. Воспользуемся опытом заграничных коллег (к ним мы также еще вернемся), и определим, что наиболее удобными для нас являются моторы на 700kv и 860kv (kv это оборотов в минуту на вольт). Все еще полагая, что обойдемся малой кровью, остановимся на более дешевой модели, которая дает 700 оборотов на вольт, а при пиковом потреблении в 15А на 10х4,7см лопастях ожидаем получить тягу чуть ли не в килограмм с каждого мотора. Таким образом, максимальная общая тяга предполагается в районе 4,8 кг, потребление тока — 90А. Сразу оговорюсь, я до этого дел с авиацией никаких не имел, поэтому основываюсь на обрывках фраз, вычитанных на просторах тематических форумов.

Также под руку попадается замечательная батарея на 5000мАч, на которой мы можем полетать целых 3,3 минуты. Нас это не очень устраивает, поэтому просто предположим, что потребление будет чуть меньше 90А 🙂 Еще одна оговорка: расчеты проводились «пальцем в небо», ведь ничего нельзя было сказать с уверенностью, пока не потрогаешь все руками и тестером.

На остальных пунктах остановимся подробнее.

Схема аппарата

Рисуем свои соображения относительно того, из чего должен состоять наш комплекс:

Контроллеры моторов (они же регуляторы скорости) — стандартная для авиамоделистов схема, которая подает на двигатели подготовленное 3-фазное питание со сдвигом фаз, зависящим от ШИМ-сигнала, задающего желаемую скорость вращения ротора.

В дальнейшем мы снова воспользуемся опытом зарубежных коллег, которые модифицировали прошивку контроллера (а им оказалась всеми любимая АТмега) одного из регуляторов так, чтобы задавать скорость не ШИМ-сигналом, а байтом, записанным по определенному адресу в шину I2C.

Такой способ управления дает нам возможность соединить все регуляторы скоростей и управляющий микроконтроллер всего тремя проводами.

Гирокуб — я так обозвал комплект из трех гироскопов и трех акселерометров, необходимый управляющей плате, чтобы отслеживать положение аппарата в пространстве.

Подвес камеры — еще одна важная для съемки деталь.

В полете мультикоптер наклоняется в стороны, поэтому камеру необходимо наклонять в обратном направлении, чтобы относительно снимаемого объекта камера была более-менее в одной плоскости, и кадр не шатало.

Конструкций подвеса существует большое количество, все они управляются сервомашинками (надежнее было бы повесить настоящий гироскоп, но это непозволительное расточительство драгоценной подъемной силы).

плата (назовем ее автопилотом) — самая сложная часть аппарата. Используя данные, полученные от гироскопов и акселерометров, микроконтроллер вычисляет, на какой угол повернут мультикоптер вокруг каждой из осей, чтобы пересчитать необходимую скорость вращения каждого пропеллера и выровнять аппарат в изначальное положение.

Пульт – по нашему плану это ноутбук, который посылает главной плате сигналы через радиомодем и таким же образом получает данные о состоянии аппарата.

В этот момент нам казалось, что мы справимся со всем тем огромным объемом работ: предстояло разработать софт и хард, протоколы связи и схемы взаимодействия, почти все с нуля. Это было ошибкой, коих мы допустили множество, и будем допускать снова и снова, но мы приобрели опыт, который, быть может, пригодится кому-нибудь из вас. Ну, или хотя бы просто интересно будет почитать 🙂 спойлер

Спасибо всем, кто помог появиться этому посту 😉 Продолжение следует.

  • мультикоптер
  • радиоуправляемые модели
  • электроника
  • инерциальная навигация

Источник: https://habr.com/post/113680/

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.