Anotace
Diplomová práce je zaměřena na seznámení uživatele s FPV drony, kategoriemi závodních dronů a vlastním návrhem a konstrukcí modulárního rámu FPV dronu. Teoretická část obsahuje seznámení s druhy dronů a literární rešerši zabývající se typy FPV dronů na dnešním trhu. Další část se zabývá návrhem a konstrukcí modulárního FPV rámu, který je možné použít pro tři kategorie tohoto sportu. Modulární rám bude vyroben za pomocí aditivních technologií a porovnán s verzí vyrobenou běžnými technologiemi. Budou provedeny letové testy, které ověří funkčnost navrženého modulárního rámu.
Klíčová slova
FPV, dron, kvadrokoptéra, modulární, konstrukce, 3D tisk
Annotation
The master thesis is focused on familiarizing the user with FPV drones, categories of racing drones and the actual design and construction of the modular FPV drone frame. The theoretical part includes introduction to drone types and literary research dealing with drone types in today’s market. Next part deals with design and construction of modular FPV frame, which can be used for three categories of this sport. The modular frame will be manufactured using additive technologies and compared with the conventional technology version. Flight tests will be carried out to verify the functionality of the designed modular frame.
Key Words
FPV, drone, quadcopter, modular, construction, 3D print
Poděkování
Rád bych touto cestou poděloval Ing. Petru Kellerovi, Ph.D. za jeho odborné vedení, cenné poznámky, zajištěni 3D tisku a především ochotu při tvorbě diplomové práce. Další dík patří mé rodině za podporu, jak při psaní této práce, tak po celou dobu studia a firmě Semet s.r.o. za pomoc při výrobě modulárního FPV rámu.
Obsah
Obsah ... 6
Seznam zkratek ... 8
Seznam pojmů ... 9
Seznam obrázků ... 10
Seznam tabulek ... 12
1 Úvod ... 13
2 Cíle diplomové práce ... 14
3 Dělení dronů ... 15
3.1 Typy dronů na dnešním trhu ... 16
3.1.1 Hobby drony ... 16
3.1.2 Závodní FPV drony ... 17
3.1.3 Komerční drony ... 18
3.1.4 Armádní drony... 19
3.2 Konstrukční rozdělení... 20
3.2.1 Tricopter ... 20
3.2.2 Quadcopter ... 21
3.2.3 Hexacopter ... 21
3.2.4 Octocopter ... 21
4 Rešerše závodních FPV dronů na dnešním trhu ... 22
4.1 Rotorama Mefisto ... 23
4.2 Lumenier QAV-R ... 24
4.3 Connex Falcore HD ... 25
4.4 ImmersionRC Vortex 250 Pro... 26
4.5 Používané komponenty (hardware) ... 27
4.5.1 Řídicí jednotka... 27
4.5.2 Regulátory ... 28
4.5.3 Akumulátory ... 29
4.5.4 Motory ... 30
4.5.5 Vrtule ... 31
4.5.6 Přenos řídicího a video signálu ... 31
5 Návrh modulární konstrukce FPV dronu ... 33
5.1 Požadavky na navrhovaný modulární rám FPV dronu ... 33
5.2 Konstrukce modulárního FPV rámu ... 35
5.3 3D tisk ... 39
5.3.1 HP Multi Jet Fusion ... 40
5.4 Prototypy ... 41
5.4.1 Konstrukční FMEA analýza ... 42
5.5 Příprava finální výroby ... 45
5.6 Pracovní návodka ... 47
5.7 Výroba finální verze modulárního dronu ... 52
5.8 Osazení modulárního FPV rámu ... 54
6 Letové testy... 57
7 Závěr ... 60
Seznam použité literatury ... 62
Seznam příloh ... 64
Seznam zkratek
UAV Unmanned Aerial Vehicle
FPV First person view
ESC Electronic Speed Controller
Li-Pol Lithium-Polymer
FDM (FFF) Fused Deposition Manufacturing (Fused Filament Fabrication)
CAD Computer Aided Design
CAM Computer Aided Manufacturing
STL Standar Triangulazion Language
3D Three Dimensional
PLA Polylactid Acid
PET-G Polyetylentereftalát-Glykol
FMEA Failure Mode and Effect Analysis
HP Hewlett Packard
Seznam pojmů
Drone Jedná se o anglický výraz pro dron. Takzvaně autonomního robota, například bezpilotní letoun.
Hardware Označuje veškeré fyzicky existující technické vybavení.
Software Označuje veškeré programové vybavení, protiklad hardwaru.
Rapid Prototyping Soubor technologií výroby prototypů pomocí 3D tisku.
Filament Materiál pro FDM (FFF) 3D tiskárny ve formě drátu o průměru 1,75 nebo 3 mm.
Seznam obrázků
Obrázek 1: MQ-1 Predator 1994 [4]... 15
Obrázek 2: Hobby dron [5] ... 16
Obrázek 3: Závodní dron [2] ... 17
Obrázek 4: Komerční dron [6] ... 18
Obrázek 5: Armádní dron [8] ... 19
Obrázek 6:Konstrukční rozdělení [9] ... 20
Obrázek 7: Rotorama Mefisto [2] ... 23
Obrázek 8: Lumenier QAV-R [12] ... 24
Obrázek 9: Connex Falcore [12] ... 25
Obrázek 10: ImmersionRC Vortex 250 Pro [12]... 26
Obrázek 11: Řídicí jednotka [2] ... 27
Obrázek 12: Regulátor [2] ... 28
Obrázek 13: Akumulátor [2] ... 30
Obrázek 14: Motor [2] ... 30
Obrázek 15: Vrtule [2] ... 31
Obrázek 16: Antény: Lineární, cloverleaf, směrová [2] ... 32
Obrázek 17: Konektory MT30 a MR30 ... 34
Obrázek 18: Spodní plato ... 36
Obrázek 19: Spodní plato 3D tisk ... 36
Obrázek 20: Držák konektorů dural ... 37
Obrázek 21: Kompletní bočnice ... 38
Obrázek 22: Bočnice 3D tisk ... 38
Obrázek 23: Rameno 5“ ... 39
Obrázek 24: Technologie FDM (FFF) [15] ... 40
Obrázek 25: První výtisk Rebel II FDM ... 41
Obrázek 26: Verze rámu pro 3D tisk ... 42
Obrázek 27: Pozice dílů ... 45
Obrázek 28: Pracovní návodka 1 ... 48
Obrázek 29: Pracovní návodka 2 ... 49
Obrázek 30: Pracovní návodka 3 ... 50
Obrázek 31: Pracovní návodka 4 ... 51
Obrázek 32: Sklotextit [10] ... 52
Obrázek 33: Frézování duralu ... 53
Obrázek 34: Frézování Sklotextitu G10 ... 53
Obrázek 35: Pájení elektroniky ... 55
Obrázek 36:Modulární část ... 56
Obrázek 37: Osazení ramen ... 56
Obrázek 38: Ohebnost 3D tisknutých ramen ... 58
Obrázek 39: Návrh ramene pro 3D tisk ... 58
Obrázek 40: Zálet dronů ... 59
Seznam tabulek
Tabulka 1: Srovnání setů závodních FPV dronů [2] [12] ... 22
Tabulka 2: Frekvence vysílače obrazu [2] ... 32
Tabulka 3: Míra rizika FMEA ... 43
Tabulka 4: Konstrukční FMEA ... 44
Tabulka 5: Strukturovaný kusovník ... 46
Tabulka 6: Kusovník ... 47
Tabulka 7: Porovnání váhy ... 57
1 Úvod
Drony jsou v poslední době velmi rychle se rozvíjející hobby sport, kterému se začíná věnovat spousta lidí. Ať už jsou to drony závodní či pro video záznam nebo fotografie a jiné, trh je nasycen spoustou druhů a možností. Nejen, že drony jsou pro mnohé z nás hobby sportem, ale také se dají využít v průmyslu, vědě, školách, designu a dalších oblastech. Další dnes velmi diskutovanou otázkou je bezpečnost dronů. Bez jakékoliv licence lze zakoupit drony velkých rozměrů a s velmi výkonnými pohony. Tím vzniká problém u nových majitelů, kteří drony neumí dostatečně ovládat a mohli by způsobit velké škody nebo i újmy na zdraví. Dron se dá v horších případech využít i jako zbraň, čemuž by se mělo zabránit. Rád bych v této diplomové práci shrnul dnešní možnosti a uvedl i svoje vlastní řešení v oblasti závodních FPV dronů.
První část diplomové práce je teoretická a zabývá se seznámením uživatele s různými druhy dronů a účelem jejich použití. Drony můžeme rozdělit do několika kategorií, které budou představeny. Následně se práce zaměří na FPV závodní drony a budou představeny kategorie této skupiny a popsány základní části závodního dronu za účelem seznámení a pochopení problematiky. Následně bude provedena rešerše závodních FPV dronů na dnešním trhu.
Další část se věnuje vlastnímu návrhu a konstrukci modulárního rámu FPV dronu za účelem jednoduché a rychlé transformace rámu pro různé kategorie tohoto hobby sportu.
2 Cíle diplomové práce
Hlavním cílem této diplomové práce je navrhnout a sestrojit modulární konstrukci rámu pro závodní FPV dron. To vše za pomocí aditivních technologií a s následnou výrobou z běžně používaných materiálů. Díky modulární konstrukci bude možné měnit během několika minut možnosti dronu a využívat ho tak pro různé kategorie tohoto hobby sportu. Docílí se také velmi výrazného snížení nákladů na pořízení dronů a možnosti rychlé opravy v důsledku deformace rámu. Dalším cílem je seznámení uživatele s různými kategoriemi dronů a používaných součástí. Jak hardwarových, tak softwarových možností FPV dronu a používané elektroniky.
3 Dělení dronů
V úvodu diplomové práce je nutné odpovědět na otázku, co je to vlastně dron.
Jedná se o bezpilotní letoun, tzv. UAV (Unmanned Aerial Vehicle), který je řízen na dálku nebo létá autonomně. Mohou sem být zařazeny malé hobby drony pro běžné uživatele nebo i obří armádní drony, které jsou často využívány k monitorování oblastí nebo i letům do vesmíru. Konstrukce dronu nemusí být založena pouze na čtyřech motorech a vrtulích jak známe z dnešních hobby dronů, ale může vypadat jako běžné letadlo, raketa nebo podle účelu, ke kterému bude sloužit.
První zmínky o bezpilotních letadlech se píší již kolem roku 1980, kdy vznikaly první radiem řízené modely letadel a to za dob prvních amatérských radiostanic. Také Izraelské obranné síly byly jedni z prvních, kdo postavil velké dálkově řízené letadlo s infračervenými kamerami a monitorovacími satelity. [4]
Obrázek 1: MQ-1 Predator 1994 [4]
Diplomová práce se však bude věnovat dronům na dnešním trhu a je zaměřena na hobby kategorii, která slouží k rekreačnímu užití a zábavě. Drony tedy můžeme dělit podle využití na trhu nebo podle konstrukce.
3.1 Typy dronů na dnešním trhu
Na dnešním trhu můžeme najít různorodé varianty lišící se tvarem, účelem využití, použitými komponenty a cenou. Můžeme tedy tyto drony rozdělit na:
3.1.1 Hobby drony
V této kategorii nalezneme drony v cenové relaci od 200 do 20 000 Kč. Můžeme sem zařadit jak hračky, které zakoupíme už i v supermarketu nebo konstrukčně náročnější stroje, které zvládne sestrojit a zprovoznit člověk s určitými znalostmi v tomto oboru.
Spousta leteckých modelářů se zapojila do vývoje těchto dronů a díky nim se tato kategorie stala velmi rozmanitá a během několika let se posunula o velký kus dopředu. Tyto drony jsou řízeny dálkovým ovládáním dnes již na frekvenci 2,4GHz, která má možnost uzamknutí kanálu a předejití tak rušení, ke kterému docházelo dříve u vysílačů na frekvenci 35 nebo 40 MHz. Osazují se také kamerami a dalším vybavením jako je GPS modul nebo kamery pro FPV, které umožňují přenos videa v reálném čase do zobrazovacího zařízení.
Obrázek 2: Hobby dron [5]
3.1.2 Závodní FPV drony
Závodní drony jsou vlastně podskupinou Hobby dronů, protože vznikly až po čase a zdokonalení řídicích systému, pohonů, přenosu obrazu a dalších inovacích. V této kategorii je nutné zajistit okamžité odezvy na řízení a co nejvyšší výkon při nízké váze. Jen díky tomu mohou být letové vlastnosti vhodné pro závodní nasazení. Pro závodní drony se volí konstrukce, kde jsou čtyři motory a vrtule od tří do šesti palců. Tato konfigurace nabízí nejlepší poměr váhy a výkonu. Na dron se umísťuje kamera a pilot sleduje obraz v brýlích nebo jiném zobrazovacím zařízení pomocí kterého dron řídí a orientuje se.
Závodní drony můžeme rozdělit do třech kategorií. Jedná se o kategorii Race, Freestyle a Long range. Tyto kategorie se liší v rozměru konstrukce, použitých motorech a velikosti vrtulí. V kategorii Race jde o maximální výkon, rychlost a obratnost. Létají se závody skrz branky a to až 4 piloti najednou. Jedná se o velmi adrenalinovou zábavu. Kategorie Freestyle je volná disciplína, létá se na libovolných místech a celý let se natáčí na HD kameru. Provádějí se různé „triky“. Dron může být těžší a při letu se využívá i setrvačnosti.
Poslední kategorií známou mezi piloty je Long range. Již z překladu je jasné, že zde se létá na dlouhé vzdálenosti a je důležitá celková spotřeba stroje. I vybavení jako je vysílač a přijímač tomu musí být uzpůsobeno.
Obrázek 3: Závodní dron [2]
3.1.3 Komerční drony
Komerční drony se využívají především pro natáčení videozáznamu. Cenová relace se pohybuje od 30 000 až po 500 000 Kč a to především podle velikosti konstrukce a možného osazení kamerou. Využívá se zde čtyř až osmi elektromotorů a to z důvodu velké váhy kamer a příslušenství. Tyto drony jsou také vybaveny GPS moduly a řídicími jednotkami, které zajišťují maximální stabilitu a jednoduchost ovládání. K ovládání profesionálních komerčních dronů je nutné dvou pilotů, kteří mají mnoho zkušeností.
Jeden se stará o řízení dronu a druhý o pohybování kamerou, jejíž obraz je přenášen na displej, nebo do brýlí pilota v reálném čase s minimálním zpožděním. Komerční drony nejsou určeny pouze k natáčení reklamních spotů nebo filmů, mají uplatnění i v zemědělství a mnoha dalších odvětvích jako je například doručovaní balíků, na jehož zdokonalení se neustále pracuje.
Obrázek 4: Komerční dron [6]
3.1.4 Armádní drony
Jak už bylo zmíněno, drony vznikly v armádě už počátkem osmdesátých a devadesátých let minulého století. Využívají se například jako průzkumné poskytující přehled o terénu nebo bojišti, logistické pro přepravu nákladu, výzkumné a vývojové pro další zdokonalení funkcí a možností nebo bojové, které dokážou nést zbraně. [7]
I Armáda ČR plánuje v budoucnu nákup víceúčelových dronů vybavených průzkumnými přístroji či systémy pro tzv. elektronický boj. Jednalo by se o drony do 600kg a nakoupeny budou do roku 2025. [8]
Obrázek 5: Armádní dron [8]
3.2 Konstrukční rozdělení
V dnešní době pod pojmem dron si většina lidí představí malý čtyř-vrtulový stroj s kamerou. Konstrukcí je však mnoho. Od konstrukce jako má letadlo, tedy křídlo a vrtule, která stroj táhne nebo tlačí a křídlo dodává vztlak. Tato konstrukce je výhodná pro delší lety a výdrž ve vzduchu. Další konstrukcí jsou tří až osmi ramenné konstrukce. Na každé rameno se osazuje motor a na něj vrtule. Motor může být z obou stran pro zvýšení nosnosti. Celkový let je dosažen změnou otáček motorů, které řídí elektronika. Při poruše jednoho motoru dokáže elektronika zachránit celý stroj a je možné s ním bezpečně přistát.
To ovšem platí u dronů s 6 a více rotory.
Obrázek 6:Konstrukční rozdělení [9]
3.2.1 Tricopter
Tricopter je populární svou vcelku jednoduchou konstrukcí, použitím pouze tří motorů a tří vrtulí. Oproti Quadcopteru nabízí delší letový čas díky nižší spotřebě. Kvůli pouze třem motorům se pro otáčení kolem svislé osy používá servo motor, který naklání celé rameno se zadním rotorem. [1]
3.2.2 Quadcopter
Quadcopter patří mezi nejznámější a nejpoužívanější konstrukce. Čtyři motory a vrtule nabízejí dostatečný výkon při zachování nízké hmotnosti. Této konstrukce se využívá jak u závodních FPV dronů, tak pro drony určené na natáčení videa. Ovšem pouze při použití lehčích kamer. Zatáčení okolo svislé osy je zajištěno ubíráním a přidáváním dvou úhlopříčně protilehlých motorů. Díky tomu dojde ke změně momentu a dron se začne otáčet. [14]
3.2.3 Hexacopter
Konstrukce Hexacopter, tedy dronů s šesti rameny se využívá pro středně velké stroje určené pro natáčení videa. Pod tyto konstrukce se umísťuje navíc stabilizační zařízení kamery tzv. gimbal. Ten zajistí plynulý obraz bez vibrací i při náhlé změně trasy letu nebo při nárazových povětrnostních podmínkách. [14]
3.2.4 Octocopter
Octocopter patří mezi nejrozměrnější konstrukce. Disponuje osmi rotory. Je možné ho osadit velkokapacitními bateriemi a vydrží tak ve vzduchu déle než ostatní typy. Unese velmi těžké kamery a je tedy vhodný pro filmové využití. [1]
4 Rešerše závodních FPV dronů na dnešním trhu
Základní kategorie a shrnutí dronů bylo v předchozích kapitolách provedeno. Tato kapitola bude již věnována závodním FPV dronům. Na dnešním trhu je spousta možností a typů závodních FPV dronů. Vzhledem k dlouholetým zkušenostem s touto kategorií budou představeni základní zástupci od známých firem. Tyto firmy nabízejí kompletní již složený dron, který po vybalení je možné do pár minut zprovoznit. Je nutné mít pouze svůj vlastní vysílač, brýle nebo displej pro zobrazení obrazu, nabíječ a baterie. Je možné zakoupit set celý, včetně vysílače atd. Každý zkušený pilot by však možnost zakoupení kompletního dronu nevolil. Každý má své priority, ozkoušené komponenty, vytipované vrtule a sedí mu prostě něco jiného. Pro seznámení jsou však tyto produkty plně dostačující.
Následující tabulka porovnává vybrané drony a jejich vybavení.:
Název Řídicí
jednotka
Regulátory Baterie Přenos obrazu
Motory (stator, otáčky)
Hmotnost Cena
Rotorama Mefisto
F3 35A 11.1V 5,8Ghz 2207,
2700ot/v
300g 9000Kč
Lumenier QAV-R
F4 35A 11.1V 5,8Ghz 2206,
2450ot/v
300g 11000Kč
Connex Falcore HD
F3 20A 11.1V 2,4Ghz 2204,
2300ot/v
450g 13000Kč
ImmersionRC Vortex 250
Pro
F3 20A 11.1V 5,8Ghz 2204,
2300ot/v
415g 11000Kč
Tabulka 1: Srovnání setů závodních FPV dronů [2] [12]
4.1 Rotorama Mefisto
Jedním z nejlepších kompletně sestavených závodních FPV dronů, které mohou být zakoupeny je dron od firmy Rotorama. Jedná se o českého výrobce, který se specializuje na závodní létání řadu let. Díky tomu je pro tento dron velmi dobře zvolena elektronika a veškeré komponenty. Kompletní set bez baterie váží pouhých 300g. Váha u závodních dronů je velmi důležitá a v zájmu každého je držet ji co nejnižší. Dron je dodáván v sestaveném stavu a pro jeho zprovoznění je potřeba už jen vlastní vysílač, brýle pro zobrazení obrazu v reálném čase, nabíječ a baterie.
Cena dronu se pohybuje kolem 9000Kč + vlastní vybavení jak už bylo zmíněno. [2]
Obrázek 7: Rotorama Mefisto [2]
4.2 Lumenier QAV-R
Dron amerického výrobce Lumenier, který se zabývá drony od počátku. Skládá se z jednoduchého patrového rámu ze 4mm a 1,5mm karbonového plata o váze 90g. Díky tomu je celková hmotnost bez baterie také kolem 300g. Dron lze opět zakoupit sestavený a připravený ke spárování s vlastním vysílačem.
Cena dronu se pohybuje kolem 11000Kč + vlastní vybavení jak už bylo zmíněno. [12]
Obrázek 8: Lumenier QAV-R [12]
4.3 Connex Falcore HD
Firma Connex se proslavila díky HD přenosu videa s minimální latencí. Jako první představila video systém Connex Prosight, který umožňuje na frekvenci 2,4Ghz přenášet obraz v digitálním HD rozlišení. Na rozdíl od ostatních analogových zařízení na frekvenci 5,8Ghz se jedná o krok vpřed a budoucnost. Nyní musí zapracovat na zmenšení a odlehčení těchto vysílačů. Dron Falcore HD se vyznačuje digitálním přenosem už v základu. Váha narostla na přibližně 450g což dělá dron ideální pro začínající piloty a to také díky mnoha letovým asistentům, které dron nabízí.
Cena dronu se pohybuje kolem 13000Kč + vlastní vybavení jak už bylo zmíněno. [12]
Obrázek 9: Connex Falcore [12]
4.4 ImmersionRC Vortex 250 Pro
Firma ImmersionRC má v nabídce již v pořadí druhý dron s názvem Vortex 250 Pro.
Vyznačuje se vysokou pevností a bytelností. Je zaměřen opět spíše na začínající piloty, kteří chtějí sestavený dron připravený k letu. Letová hmotnost bez baterie činí 415 gramů.
Cena dronu se pohybuje kolem 11000Kč + vlastní vybavení jak už bylo zmíněno. [12]
Obrázek 10: ImmersionRC Vortex 250 Pro [12]
4.5 Používané komponenty (hardware)
Toto odvětví se každým dnem rozvíjí. Neustále se vše vylepšuje, zrychluje a zdokonaluje.
Budou zde uvedeny základní komponenty využívané při stavbě závodních dronů.
4.5.1 Řídicí jednotka
Jedná se o tzv. mozek dronu. Obsahuje kombinaci mikroprocesoru a senzorů, které neustále vyhodnocují náklon a úhlovou rychlost dronu. Jede o šesti-osý senzor, který obsahuje tři gyroskopy a tři akcelerometry pro každou prostorovou osu jeden. Pomocí firmwaru a řídicího signálu z vysílače je dron řízen popřípadě stabilizován.
Řídicí jednotka může obsahovat i další senzory. Například barometrický senzor, pomocí něhož může dron udržovat nebo sledovat určitou výšku a to vše v závislosti na tlaku vzduchu. Další možností je magnetometr, tzv. magnetický kompas. Dále je možné k jednotkám připojit externí GPS modul, pomocí kterého může dron sledovat předem určenou trasu nebo při výpadku signálu se vrátit na místo startu. Vzhledem k přibývajícím nárokům firmwaru se jednotky liší typem použitého procesoru. Nejpoužívanější procesor v dnešní době je procesor F4. Nabízí dostatečnou rychlost a komptabilitu s dnešními firmwary. [2]
Obrázek 11: Řídicí jednotka [2]
4.5.2 Regulátory
Regulátor tzv. ESC (Electronic Speed Controller) slouží k řízení otáček motoru na základě povelu řídicí jednotky a přeměňuje stejnosměrný proud z baterie na střídavý. Regulátor obsahuje dva silové vstupy pro napájení z baterie a signální vodič pro řízení regulátoru.
Ten je zapojen do řídicí jednotky. Na druhé straně jsou tři vodiče pro střídavý elektromotor.
Výběr regulátoru se provádí na základě maximálního podporovaného proudu a maximálního vstupního napětí. Pro každý motor je nutné mít zvlášť jeden regulátor. Dnes se již prodávají regulátory tzv. 4 v 1. Na jedné desce jsou čtyři regulátory. To má za výhodu snížení hmotnosti, ale také nevýhodu při případné poruše jednoho z regulátorů.
Pak je většinou nutné vyměnit všechny čtyři najednou.
V každém regulátoru je nahrán firmware, který je aktualizován přes řídicí jednotku.
V dnešní době je nejmodernější firmware BLHeli_32, který používá protokol DShot s rychlostí až 1200 bitů za sekundu. Díky tomu je řízení dronu naprosto přesné s okamžitými reakcemi. [2]
Obrázek 12: Regulátor [2]
4.5.3 Akumulátory
Závodní drony potřebují maximální výkon a aby toho mohly dosáhnout, potřebují dostatek elektrické energie. Na dnešním trhu nalezneme mnoho typů baterií. Od klasických
„tužkových“ NiMH (Nikl-Metal-Hybrid), NiCd (Nikl-Kadmium) až po pro nás jediné vhodné baterie Li-Pol (Lithium-Polymer). Jediné proto, protože dokáží dát dostatečně velké proudy po dostatečné dlouhou dobu.
Baterie Li-Pol často nazývané „Lipolky“ nabízejí neuvěřitelný výkon v malém a lehkém balení. Aby mohly tento výkon podávat dlouhodobě, je však nutné se o ně také správně starat a správně s nimi zacházet. Jedná se o velmi nebezpečné baterie, které se nesmí podbíjet pod napětí 3,3V, přebíjet přes 4,2V a nabíjení je nutné provádět speciálním nabíječem, který zaručí správné balancování jednotlivých článků. Nabíjení je také nutné provádět za dozoru. Může se stát, že se baterie nafoukne a může vzplanout. Je známo již několik případů kdy došlo k vyhoření celého bytu. I přes tyto nebezpečné vlastnosti jsou baterie hojně využívány, protože momentálně jiné typy nejsou schopné podat rovnocenné výkony.
Baterie volíme podle několika základních parametrů. Jedná se o mAh (miliAmperhodiny).
1Ah = 1000mAh udává nám proud, který je akumulátor schopný dodávat po dobu jedné hodiny. Se zvyšováním kapacity však roste hmotnost akumulátoru. Pro závodní drony se používají baterie s kapacitou kolem 1000-1800mAh. Další parametr je počet článků. Jeden článek při plném nabití dosahuje napětí 4,2V. Zde volíme podle použitých komponentů (regulátorů, motorů). Většinou 4 sériově zapojené články – 4S 16,8V. Další důležitou hodnotou je vybíjecí proud označený číslem a písmenem „C“. Například baterie 1300mAh 95C (I=1,3*95=123,5A) dosahuje vybíjecího proudu 123,5A. Vybíjecí proud volíme vždy vyšší než je odběr dronu. V opačném případě akumulátor bude trpět a dlouho nevydrží. [2]
Obrázek 13: Akumulátor [2]
4.5.4 Motory
Pro závodní drony se jednoznačné využívá střídavých elektromotorů s neodymovými magnety. Označují se například 2306, první dvě číslice uvádějí průměr statoru a další dvě výšku statoru a to v milimetrech. Logicky čím větší motor použijeme, tím většího výkonu dosáhneme. Musíme mít ale na paměti, že větší motor má také větší hmotnost, odběr a spotřebu. Motor se skládá z nepohyblivé části statoru s vinutím a ložisky a pohyblivé části rotoru, kde jsou umístěny neodymové permanentní magnety a hřídel. Další důležitým parametrem je počet otáček na volt (kV). Otáčky na volt se volí podle použité vrtule a stylu, pro který má být motor určen. Například na Long range volíme nižší kV s větší vrtulí kvůli efektivitě. [2]
Obrázek 14: Motor [2]
4.5.5 Vrtule
Významný vliv na letové vlastnosti dronu má použitá vrtule. Vrtule se značí například 5040. Zde první dvě čísla označují průměr vrtule v palcích (50 = 5“). Další dvě čísla udávají stoupání listu. Čím větší vrtule je, tím větší získáme tah, na úkor spotřeby. Na první pohled poznáme, že vrtule se také liší v počtu listů. Prodávají se od 2-listých, až po 6-ti listé, které jsou velmi náročné na pohon. Pro závodní drony volíme nejčastěji 3-listé 5“
vrtule a pro long range 2-listé 7“. [2]
Obrázek 15: Vrtule [2]
4.5.6 Přenos řídicího a video signálu
Další nutnou součástí závodního dronu je řízení a obraz. K ovládání se využívá vysílače (ovladače), který vysílá nejčastěji na frekvenci 2,4gHz nebo 867mHz. Na dronu je umístěn přijímač, který je zapojen k řídicí jednotce. Přijímač s vysílačem si uzamkne volný kanál, aby nedocházelo k rušení od jiných ovladačů na této frekvenci. Přenos videa funguje opačně. Na dronu je umístěn vysílací modul na frekvenci nejčastěji 5,8gHz (analog) a pilot má brýle nebo monitor s přijímačem, který obraz přijímá a zobrazuje ho v reálném čase s minimální latencí na zařízení. Pokud se sejde více pilotů, je nutné, aby každý využil jiné frekvence. Každý video vysílač má k dispozici 40 možných frekvencí a pokud jsou dvě u sebe moc blízko dochází k rušení. Proto vznikl takzvaně Raceband, který udává 8 frekvencí, které jsou od sebe vzdáleny o 37mHz pro létání osmi pilotů najednou. [2]
Název Frekvence v MHz
1 2 3 4 5 6 7 8
A 5865 5845 5825 5805 5785 5765 5745 5725
B 5733 5752 5771 5790 5809 5828 5847 5866
E 5705 5685 5665 5645 5885 5905 5925 5945
F 5740 5760 5780 5800 5820 5840 5860 5880
Raceband 5658 5695 5732 5769 5806 5853 5880 5917 Tabulka 2: Frekvence vysílače obrazu [2]
Pro video vysílač a video přijímač se používají speciální antény, které se liší svým tvarem a především ziskem. Zisk je udáván v decibelech (dBi) a čím větší hodnotu zisku anténa má, tím větší vzdálenost můžeme s dronem uletět bez ztráty obrazu. Vzhledem k výkonu video vysílače, který je v České republice omezen na 25mW, je nutné používat velmi kvalitní a přesné antény. Každá anténa má svou vyzařovací charakteristiku. To znamená, že do každého směru může vyzařovat pod jiným ziskem. Pokud je zisk 0, znamená to, že bude vyzařovat do všech směrů stejně. Proto na dron volíme anténu s nižším ziskem a na přijímač se ziskem větším. Používá se mnoho typů antény od lineárních, které mají zisk kolem 1 dBi, všesměrové (cloverleaf) 3 dBi až po směrové se ziskem 12 dBi. [2]
Obrázek 16: Antény: Lineární, cloverleaf, směrová [2]
5 Návrh modulární konstrukce FPV dronu
Pro vlastní návrh konstrukce modulárního FPV dronu bylo rozhodnuto, protože žádné již existující řešení nebylo ideální. Pokud došlo k nárazu, což je u tohoto hobby sportu běžná věc, muselo se měnit, pájet a opravovat mnoho dílů nebo přestavovat celý rám. Bylo sepsáno několik hlavních bodů, které by měly být při návrhu splněny. Jedná se o snížení pořizovací ceny rámu, snadná a rychlá výměna ramen v případě deformace a třetím bodem bylo rozšíření možností rámu pro různé styly létání. Tím je myšleno, že je možné rychle a snadno přeměnit dron určený pro závodní nasazení na dron určený pro Freestyle nebo Long range létání. Rozdíl je v použití motorů a vrtulí, které díky svým rozdílným parametrům nabízí například větší efektivitu při menším výkonu a díky tomu delší letový čas a naopak. U klasického rámu toto není možné, protože by se sedmi palcové vrtule nevešly na rám určený k závodění, který používá vrtule pěti až šesti palcové. Stejně jako motory by se musely přepájet a rychlá změna by tedy nebyla možná.
Elektronika, která se dnes používá, umožňuje automatickou kalibraci motorů s regulátory, tím pádem není nutné zdlouhavě upravovat a nastavovat software při změně motorů. Další výhodou je nastavování řídicí jednotky pomocí telefonu buď přes bluetooth modul nebo připojením klasického USB kabelu. Díky tomu je možné cokoliv upravit nebo přeprogramovat během pár minut a to klidně „na poli“. Výměnu ramen a tím změnu kompletních vlastností dronu bude možné dosáhnout povolením osmi M3 šroubů (každé rameno bude mít dva). To se zvládne udělat během deseti minut.
Pokud se zaměříme na cenovou úsporu, zjistíme, že místo třech dronů (pro každou kategorii jeden) nám postačí jeden hlavní modul s elektronikou a potom 12 ramen s motory a vrtulemi. Díky tomu jsme schopni ušetřit až 12 000,- Kč za další potřebnou elektroniku a kompletní rámy, které by bylo nutné dokoupit.
5.1 Požadavky na navrhovaný modulární rám FPV dronu
Pro úspěšné splnění zmiňovaných bodů bylo rozhodnuto rozdělit rám na dvě části.
obrazového signálu na frekvenci 5,8GHz včetně antény, přijímač řídicího signálu na frekvenci 868 MHz a čtyř 30A regulátorů pro každý motor zvlášť.
Spodní část se skládá ze čtyř ramen různé délky, která budou osazena motorem a příslušnou vrtulí. Dále zde bude tří pinový konektor pro připojení k části horní. Tří pinový z důvodu použití střídavých elektromotorů o třech vodičích.
Jedním z důležitých bodů ještě před začátkem konstrukce byl výběr hardwarového vybavení, jako jsou konektory, motory a další součásti. Z důvodu vysokých proudů, které musí konektory bezpečně zvládat, byl výběr zmenšen na konektory MT30 nebo MR30 viz obr. 17.
Obrázek 17: Konektory MT30 a MR30
Oba typy disponují pozlacenými 2mm konektory a možností zátěže 30A. Jeden pár konektorů MT30 váží 2,7 gramu a MR30 pouhých 2,2 gramu. Konektory MT30 však nabízejí trojúhelníkový tvar hodící se do plánované konstrukce a výřez v konektoru, který zajistí pouze jednu možnou variantu zapojení. Díky tomu se zamezí špatné instalaci ramene na modulární část dronu, což je velká výhoda. Byly tedy zvoleny konektory typu MT30.
Motory jsou voleny podle zkušeností a osvědčených kombinací s použitými vrtulemi.
Například pro závodní létání je vhodný motor Rotorama 2204 2700kv. Disponuje vysokými otáčkami na volt, nízkou hmotností a kvalitními neodymovými magnety.
Vzhledem k menším rozměrům statoru je určen pro lehčí rámy a 5 palcové vrtule. Pro Freestyle byl zvolen motor AOKfly 2306 2400kv. Díky většímu statoru, nabízí větší krouticí moment a větší sílu i pro větší vrtule. Zde budou voleny vrtule 5 palců 3-listé nebo 6 palců 2-listé. Motory, které se pro FPV drony vyrábějí, mají z 90% dvě rozteče pro upevnění na rameno dronu. Jedná se o rozteč 16 mm se šrouby M3, která je velmi důležitou hodnotou a bude použita při návrhu ramene modulárního FPV rámu.
FPV kamera byla zvolena RunCam Micro 700TVL a to z důvodu minimálních rozměrů a váhy. Díky rozměrům 19x19mm a váze pouhých 5,9 gramů umožní zmenšení rámu a snížení váhy vyráběných součástí.
Také řídicí jednotky jsou na dnešním trhu dva hojně využívané typy. Liší se rozměrem uchycovacích děr o rozměru 30,5 a 20mm. Aby modulární FPV rám byl připraven pro obě možnosti je nutné s těmito skutečnostmi počítat ještě před návrhem. Jedná se o novou konstrukci, která musí být připravena pro různé typy jednotek a možné inovace, které se v tomto hobby sportu udávají velmi často.
5.2 Konstrukce modulárního FPV rámu
Návrh rámu byl zhotoven ve studentské verzi programu Autodesk Inventor 2019 Professional. Již v počátku bylo myšleno na tisk kompletního modulárního rámu na 3D tiskárně a to nejen pro porovnání vlastností materiálu, ale především pro ověření všech rozměrů a úspěšného osazení elektronikou. Byly tedy navrženy dvě verze modulárního FPV rámu. První verze byla od počátku návrhu myšlena pro výrobu frézováním z materiálu jako je Karbon nebo Sklotextit a druhá pro kompletní tisk na 3D tiskárně. Po zkompletování dílů, které budou do modulárního FPV rámu osazeny, změření základních rozměrů elektroniky a úvahou nad uchycením konektorů a tvarem modulární časti rámu, začal návrh konstrukcí spodního plata modulární části. Zde bylo nutné nakreslit díry pro
Obrázek 18: Spodní plato
Spodní plato určené pro 3D tisk navíc obsahuje integrované držáky konektorů, o kterých se zmiňuje další odstavec.
Obrázek 19: Spodní plato 3D tisk
Další postup byl vytvořit držáky, do kterých budou zasunuty konektory a zároveň jejich funkce bude i v udržení bočnic. Tím pádem zde musí být závit. Jelikož závity vyříznuté do tisknutého dílu z plastu pomocí technologie FDM nejsou moc kvalitní, je nutné tento díl vyrábět z duralu. Technická univerzita v Liberci nabízí novou technologii 3D tisku HP Multi Jet Fusion, která by měla zaručit velmi kvalitní výtisky z materiálu Polyamid. Budou tedy porovnány vlastnosti dílů, a zda by varianta z Polyamidu byla v tomto případě dostatečná.
Obrázek 20: Držák konektorů dural
Konstrukce bočnic závisí na rozměrech řídicí jednotky a další elektroniky, která se má do rámu vejít tak, aby tvořila modulární část. Jedná se o kameru, regulátory, vysílač obrazového signálu a přijímač řídícího signálu. Vše musí být však dimenzováno pro možné jiné typy a tím pádem zde musí být dostatek místa. Stále se musí myslet na váhu rámu, kterou chceme mít co nejnižší.
FPV kamera je umístěna v přední části bočnic a vzhledem k tomu, že dopředný let je konán pod úhlem, je nutné, aby kamera mohla být naklápěna od 0° alespoň po 45°. Je tedy umístěna na držáky kamery, které budou tisknuty z materiálu TPU (Thermoplastic Polyurethane) o tvrdosti 95A. Jedná se o flexibilní materiál, který zajistí dostatečnou tvrdost a zároveň se osvědčil na pohlcení vibrací, které mohou způsobovat nepříjemné rozmazání obrazu přenášeného do brýlí. Také v případě nárazu je důležité, aby čočka kamery byla za úrovní bočnice a tím pádem chráněna. I na tento detail bylo při návrhu myšleno.
Ze stejného materiálu bude navržen i držák antény. Zde je zase nutné počítat s možným ohýbáním vlivem nárazu. Tvrdý plast jako je například PET-G nebo PLA by se zlomil a anténa z držáku vytrhla, nebo by se deformace mohla přenést přímo do antény. Pokud však použijeme materiál TPU, dojde k odpružení a deformace je minimální.
Jako výztuhy bočnic budou sloužit 3 kusy rozpěrek z duralu o délce 35 mm a závitu M3 opatřené černým eloxem. Rozpěrky budou nakupovaným dílem stejně jako veškerý
Obrázek 21: Kompletní bočnice
U 3D tištěné verze se bočnice mohou se všemi částmi, jako jsou rozpěrky, držák kamery a držák antény spojit dohromady. Tím vznikne kompaktní část, která výrazně sníží hmotnost.
Obrázek 22: Bočnice 3D tisk
Poslední a velmi důležitou částí konstrukce jsou ramena, která se na modulární část budou přidělávat přes již zmiňované konektory MT30. Pro jednoduchost výroby a nahraditelnost při případné deformaci jednotlivých ramen budou všechny čtyři ramena stejná. Usnadní to výrobu a zlevní případné náhradní díly. Při návrhu musí být brán zřetel na váhu, montáž elektromotoru, konektoru, uchycení k modulární části a především snížit riziko deformace vlivem nárazu. Rozteč děr o průměru 3 mm pro uchycení elektromotoru byla zvolena na 16 milimetrů, jak už bylo řečeno. Dále je rameno vybaveno materiálem ve směru letu, který při nárazu zabrání deformaci motoru. To znamená, že rameno přijde do styku s překážkou dříve než motor. Jedná se o ochranu motoru před ohnutím hřídele a vzniku vibrací. Otvor pro konektor je umístěn v části napojení na modulární část. Celé rameno se k modulu
připojí přes konektor a následně zajistí pomocí dvou M3 šroubů. Na opačné straně budou matice M3. Pro možnost použití jiných rozměrů vrtulí jsou navrženy 3 rozdílná ramena lišící se v délce. Jedná se o rameno pro 5,6 a 7 palcovou vrtuli. Nejdelší rameno je kolem konektoru navíc rozšířeno pro větší pevnost.
Obrázek 23: Rameno 5“
5.3 3D tisk
Protože výroba takového rámu není levná záležitost a zabere spoustu času v případě jakékoliv změny, bylo rozhodnuto pro využití 3D tisku. Technologie FDM – Fused Deposition Modeling neboli FFF - Fused Fillament Fabrication poskytuje dostatečnou přesnost a rychlost pro prototypování neboli Rapid prototyping. Princip této metody spočívá v nanášení tenké vrstvy roztaveného materiálu skrz trysku. Její pozice je řízena počítačem. 3D objekt vzniká pohybem tiskové hlavy a postupným nanášením vrstev na sebe. Jako materiály se nejčastěji využívají termoplasty nebo vosky. Pro vyklenuté struktury je nutné použití podpor. [3]
Obrázek 24: Technologie FDM (FFF) [15]
5.3.1 HP Multi Jet Fusion
Pro finální 3D tisknutou variantu byla však zvolena zcela nová technologie na Technické univerzitě v Liberci. Jedná se o tisk na univerzitní tiskárně HP Jet Fusion a to z materiálu Polyamid. Tento materiál se vyznačuje vysokou pevností a vlastnosti tisknutého rámu budou porovnány s frézovaným materiálem Sklotextit G10.
Technologie HP Multi Jet Fusion je momentálně jedinou, která zvládne konkurovat tradiční sériové výrobě plastových dílů. Představuje tedy nový způsob, jak prototypovat a vyrábět funkční a kvalitní díly, avšak desetkrát rychleji a při polovičních nákladech v porovnání s doposud známými nejproduktivnější technologiemi. Výtisky mají vysokou tvarovou a rozměrovou přesnost a také odolnost. Multi Jet Fusion je přímou konkurencí průmyslovým 3D tiskárnám, které tvoří díly spékáním prášku laserovým paprskem. Celá technologie je založena na velmi přesném a zároveň rychlém nanášení stavebního materiálu a speciálním roztoku a následné interakci s teplotou. 3D tisk jedné vrstvy trvá 10 vteřin bez ohledu na to, jak složitý díl je tisknut. Stavební prostor o velikosti 380 x 284 x 380 mm vytiskne už za 10 hodin. [17]
5.4 Prototypy
První verze rámu byla vytisknuta na 3D tiskárně Rebel II. Díly byly vytištěny během pěti hodin a již při počátku skládání a osazování elektronikou byly odhaleny nedostatky konstrukce a slabá místa. Pokud by se tyto díly nechaly rovnou vyrobit a vyfrézovat, došlo by k velkému plýtvání materiálem a nepoužitelnosti dílů. 3D tisk má velkou výhodu, že za relativně krátký čas dostaneme kvalitní prototyp. Přeseřízení CNC stroje by pro kusovou výrobu zabralo spoustu času a je tedy v tomto případě neefektivní.
Obrázek 25: První výtisk Rebel II FDM
Model byl upraven a bylo rozhodnuto pro kombinaci 3D tisku, frézování z duralu a použitím Sklotextitových desek G10. Jedna verze bude kompletně uzpůsobena pro 3D tisk, druhá verze bude kombinací 3D tisku, frézování z duralu a Sklotextitu a verze třetí bude kompletně zhotovena na CNC stroji z již zmiňovaných G10 desek a duralu. Pro ramena a
optimalizováno pro zapuštěné matice. Držáky konektorů jsou vyfrézovány z duralu a bočnice jsou buď tisknuty nebo vyrobeny ze Sklotextitu G10.
Obrázek 26: Verze rámu pro 3D tisk
5.4.1 Konstrukční FMEA analýza
FMEA - Failure Mode and Effect Analysis. V překladu anglické zkratky se skrývá metoda analýzy možných chyb a jejich důsledků. V roce 1949 tato metoda vznikla v americké armádě a poté ji začala využívat NASA pro ověření spolehlivosti vesmírné techniky při vesmírných programech. Postupem času si tato metoda našla uplatnění i v dalších odvětvích jako je automobilový průmysl, zdravotnictví, potravinářství a jiné. FMEA analýza pomáhá identifikovat jednotlivé selhání, které se vyskytují při vývoji, konstrukci, výrobě, montáži nebo dodání služby. [16]
Přínosy FMEA:
redukce nákladů na pozdější odstraňování chyb
zvyšování funkčnosti a spolehlivosti
minimalizace rizika záruky na výrobky
redukce záručních nákladů
bezporuchové sériové náběhy
hospodárnější výroba
lepší dodržování termínů
kvalitnější služby [16]
Možné riziko RPN
Vysoké 700-1000
Střední 125-700
Nízké 1-125
Tabulka 3: Míra rizika FMEA
Pro návrh konstrukce modulárního dronu byla zvolena metoda FMEA Konstrukční, která se zabývá určitým výrobkem a používá se ve fázi vývoje. V tomto případě byla použita po prvním návrhu dronu a to na rameno dronu. Rameno dronu je považováno za nejkritičtější součást celého návrhu, protože musí odolávat možným deformacím při nárazu. Výsledky Konstrukční FMEA analýzy jsou uvedeny v následující tabulce.
Tabulka 4: Konstrukční FMEA
Po provedení Konstrukční FMEA analýzy byl zvolen ozkoušený materiál, který je vhodný pro tyto konstrukce, a upraveny veškeré rozměry ramene pro dosažení dostatečné pevnosti a tuhosti v kritických místech. Díky této analýze by se mělo předejít problémům jako je lom ramene v místě konektoru, kde byl materiál velmi oslaben nebo dalším prasklinám.
Zároveň byly zvoleny konektory, které zaručují správné nasazení ramene na modulární část dronu. Tím se předejde možným chybám a nefunkčnosti dronu.
Dále bylo rozhodnuto pro tvorbu pracovní návodky, která detailně zobrazí jak rám sestavit pro stoprocentní úspěch při montáži.
5.5 Příprava finální výroby
Aby bylo vše vyrobeno, nakoupeno a zkompletováno v daném termínu, byl zhotoven detailní strukturovaný kusovník, ve kterém nalezneme vše o jednotlivých položkách. Na obrázku můžeme vidět dron, který se skládá z frézovaných dílů a pomocí 3D tisku jsou zhotoveny díly jako spodní plato nebo držák kamery a antény. Držák kamery a antény je vytisknut z flexi materiálu z důvodu pohlcování vibrací v případě uložení kamery a zabránění deformací antény.
Struktura Pozice Název dílu Číslo dílu
(ID) Počet kusů Vyráběný /
Nakupovaný díl Výroba
1 / Rám dronu / 1 / /
1.1 / Modulární
část dronu / 1 / /
1.1.1 1 Bočnice RS0001 2 V Frézování sklotextit
2mm
1.1.2 2 Spodní plato RS0002 1 V Frézování / 3D tisk
1.1.3 4 Držák
konektorů RS0004 2 V Frézování dural
50x30x15mm
1.1.4 5 Držák
kamery L RS0005 1 V 3D tisk Flex
filament
1.1.5 6 Držák
kamery R RS0006 1 V 3D tisk Flex
filament
1.1.6 7 Držák
antény RS0007 1 V 3D tisk Flex
filament
1.1.7 9 ISO 7380
M3x8 RS0009 6 N /
1.1.8 10 ISO 7380
M3x6 RS0010 4 N /
1.1.9 13 CNS 3128
M3 RS0013 4 N /
1.1.10 14
Konektor MT30
samice RS0014 4 N /
1.1.11 8 Rozpěrka
35mm RS0008 3 N /
1.2 / Spodní část
dronu / 1 / /
1.2.1 3 Rameno 5" RS0003 4 V Frézování sklotextit
5mm
1.2.2 16 Rameno 6" RS0016 4 V Frézování sklotextit
5mm
1.2.3 17 Rameno 7" RS0017 4 V Frézování sklotextit
5mm
1.2.4 15
Konektor MT30
samec RS0015 4 N /
1.2.5 11 ISO 7380
M3x10 RS0011 4 N /
1.2.6 12 ISO 7380
M3x12 RS0012 4 N /
1.2.7 10 ISO 7380
M3x6 RS0010 12 N /
Tabulka 5: Strukturovaný kusovník
POLOŽKA KS ČÍSLO SOUČÁSTI POPIS
1 2 RS0001 Bočnice
2 1 RS0002 Spodní plato
3 4 RS0003 Rameno 5"
4 2 RS0004 Držák konektorů
5 1 RS0005 Držák kamery L
6 1 RS0006 Držák kamery R
7 1 RS0007 Držák antény
8 3 RS0008 Rozpěrka 35mm
9 6 RS0009 ISO 7380-1 - M3 x 8
10 16 RS0010 ISO 7380-1 - M3 x 6
11 4 RS0011 ISO 7380-1 - M3 x 10
12 4 RS0012 ISO 7380-1 - M3 x 12
13 4 RS0013 CNS 3128 - M 3
14 4 RS0014 Konektor MT30 samice
15 4 RS0015 Konektor MT30 samec
Tabulka 6: Kusovník
5.6 Pracovní návodka
Jedná se o text a obrázky, které do detailu zobrazují a popisují jak provést určitou operaci.
V tomto případě se jedná o pracovní návodku na montáž modulárního rámu dronu.
V prvním bodě se začíná se sestavením základny pro modulární část. Poté následuje sestavení bočnic, montáž držáků kamery, držáků antény, rozpěrek a smontování se spodní částí. V posledním kroku jde o přípravu ramen a přimontování ke kompletní modulární části dronu.
1. Uchopit Spodní plato a nasadit na něj 2ks Držáky konektorů. Následně do otvorů držáků konektorů vložit 4ks konektorů MT30 samice. Pozor na orientaci výřezu v konektoru. Všechny výřezy orientovat směrem ke středu Spodního plata.
Následně vložit 4ks Matice CNS 3128 – M3 do otvorů ve spodním platě viz obrázku.
Obrázek 28: Pracovní návodka 1
2. Uchopit 1ks Bočnice a osadit 1ks Držákem kamery L a 1ks Držákem antény.
Přiložit 3ks Rozpěrek 35mm a sešroubovat pomocí 3ks ISO 7380-1 - M3 x 8 šroubů. Přiložit 1ks Držák kamery R a 1ks Bočnice. Pomocí 3ks ISO 7380-1 - M3 x 8 šroubů sešroubovat viz obr. Připravit si 4ks ISO 7380-1 - M3 x 6 šrouby.
(Šrouby lepit pomocí Loctite 243)
3. Nyní přišroubovat bočnice k Držákům konektorů pomocí 4ks ISO 7380-1 - M3 x 6 šroubů viz obrázek. (Šrouby lepit pomocí Loctite 243)
Obrázek 30: Pracovní návodka 3
4. Nyní připravit 4ks Rameno 5“ a osadit 4ks Konektor MT30 samec. Dále připravit 4ks šroubů ISO 7380-1 - M3 x 10 a 4ks ISO 7380-1 - M3 x 12 a přišroubovat dle obrázku ke kompletní modulární části. (Šrouby lepit pomocí Loctite 243)
Obrázek 31: Pracovní návodka 4
5.7 Výroba finální verze modulárního dronu
Z důvodu dostatečné pevnosti pro finální výrobek byl zvolen Sklotextit G10. Tyto desky jsou vyrobené z upravené skelné tkaniny jako výztuže a epoxidové živice. Často se používá na výrobu součástek s dobrými mechanickými a elektrotechnickými vlastnostmi.
Mechanické vlastnosti jsou velmi podobné jako u desek karbonových, ale cena je nižší.
[10]
Obrázek 32: Sklotextit [10]
Všechny díly byly navrhovány tak, aby byly jednoduše vyrobitelné. To znamená, že například při frézování nejmenší rádius je R1,6mm. To zaručí použití standardních fréz a urychlí výrobu.
Držák konektorů a bočnic byl zhotoven z duralu s označením AW 6082 a frézován na obráběcím centru AXA VSC1 pomocí DXF souboru. Výrobek byl zhotoven z polotovaru o rozměrech 50x30x15 mm na čtyři upnutí v hydraulickém svěráku. Vzhledem k M3 závitům se jedná o mnohem spolehlivější a pevnější řešení než v případě 3D tisku.
Obrázek 33: Frézování duralu
Bočnice a spodní plato byly vyfrézovány opět pomocí DXF souboru z 2mm tlustého Sklotextitu G10. Desky byly nalepeny tenkou oboustrannou lepicí páskou na makrolon tloušťky 6mm a upnuty ke stolu. To zajistilo dostatečnou stabilitu při frézování a nebylo nutné používat mosty v materiálu, aby nedošlo k posunutí frézované součásti. Díky tomu není nutná další operace na odstraňování těchto můstků. Stejným způsobem byly zhotoveny ramena ze Sklotextitu G10 o tloušťce 5mm. Po dokončení byly díly začištěny a lakovány černým lakem pro finální vzhled.
5.8 Osazení modulárního FPV rámu
Osazení rámu je posledním krokem k úspěšnému dokončení stavby. Každý zkušený pilot má své vlastní ozkoušené komponenty a proto je nutné, aby konstrukce byla připravena pro více možností osazení. Elektronice, kterou může být dron osazen, byla věnována čtvrtá kapitola této diplomové práce.
Vzhledem k miniaturizaci dnešní elektroniky byla zvolena řídicí jednotka 4v1 s upínací roztečí 30,5mm. Obsahuje 4x regulátor 30A, řídicí jednotku s procesorem F4, rozvodnou desku pro napájení a OSD (zobrazení veškerých informací do kamery v reálném čase). To vše se nachází na jedné desce vážící pouhých 22 gramů. V případě 3D tištěné verze byla zvolena ještě menší řídicí jednotka o upínacích rozměrech 20mm. Jedná se o dvoupatrovou řídicí jednotku obsahující 4x regulátor 28A, procesor F4, rozvodnou desku a již zmiňované OSD. Tato jednotka váží pouhých 8 gramů! Dále byla volena kamera RunCam Micro 700TVL, přijímač řídicího signálu Crossfire Micro 868MHz, vysílač obrazového signálu Crossfire 5,8GHz 25-400mw a motory Rotorama Katana 2204 2700kv v případě závodní 5“ verze. A motory AOKfly 2306 2400kv v případě Freestyle 6“ verze.
Základem pro úspěšné složení je kvalitní cínová pájka a zkušenosti s pájením. Díky miniaturizaci jsou pájené spoje opravdu miniaturní a stačí malá chyba a elektronika bude znehodnocena. Dále je nutné nastudovat zapojení veškeré elektroniky, dávat pozor na maximální napětí, na kterém je každá elektronická součástka schopna pracovat. Pokud se na jakýkoliv detail zapomene, končí první zapojením kouřovými efekty.
Obrázek 35: Pájení elektroniky
Po kompletním osazení a zapájení následuje oživení elektroniky. Jedná se o připojení řídicí jednotky k počítači a nahrání kompatibilního softwaru. Zde byl zvolen software Betaflight.
Jedná se o nejrozšířenější verzi, která je mezi FPV závodními drony dostupná. Vyžaduje kompletní nastavení komunikace mezi řídicí jednotkou, regulátory a vysílačem, kterým je dron ovládán. Nastavení také vyžaduje ověření správnosti rotace motorů a případnou korekci, buď přepájením libovolných dvou vodičů od motoru nebo jednodušeji v softwaru.
Dále se nastavuje OSD, které zobrazuje do kamery důležité informace o stavu napětí baterie, letové výšce nebo času letu.
Obrázek 36:Modulární část
Obrázek 37: Osazení ramen
6 Letové testy
Poslední kapitola diplomové práce se zabývá finálními letovými testy. Pro let byly osazeny dva modulární rámy. Pro jeden kompletně vytištěný rám byly zvoleny 5“ vrtule a motory s vyššími otáčkami pro závodní nasazení. Druhý rám kompletně frézovaný ze Sklotextitu G10 a duralu byl osazen 6“ vrtulemi s motory vhodnými pro Freestyle. Nejprve byly FPV drony zváženy.
Rám 3D tisk Frézování
Váha kompletní
(bez akumulátoru) 212g 336g
Rameno 5“ 6,2g 13g
Tabulka 7: Porovnání váhy
Z výše uvedené tabulky je vidět, že na váhu má jak vliv osazení dronu, tak materiál ze kterého je zhotoven. 3D tisk v tomto případě vede a dosahuje velmi nízké hmotnosti, která je u závodních FPV dronů velmi důležitá.
Hlavním důvodem konstrukce rámu byla však možnost měnit ramena za jiná díky modularitě rámu. To bylo splněno díky návrhu a zakomponování konektorů MT30 do konstrukce. Lze tedy povolením dvou šroubů oddělat rameno a ihned ho vyměnit za nové.
Snížila se tedy doba opravy vzniklá deformací ramene vlivem nárazu a především také možnost změny závodního dronu na Long range nebo Freestyle stroj během pár minut.
Ještě před prvním letem bylo zjištěno, že pevnost 3D tisknutých ramen z Polyamidu není dostatečná. Ramena jsou příliš ohebná a mohlo by docházet ke kontaktu s ostatními částmi konstrukce. Ramena byla tedy nahrazena frézovanými ze Sklotextitu G10, které tuto podmínku splňují naprosto perfektně. Váha tištěného rámu stoupla na 239 gramů, ale ramena zajišťují dostatečnou pevnost. Pokud bychom na 3D tisknutých ramenech trvali, bylo by nutné tvar změnit. Stačilo by přidat žebra, která zvětší výšku ramene a zajistí tuhost. Pokud by i toto bylo málo, další variantou je vytisknout v ramenech otvory, do
maximální pevnost. Tato varianta by zajistila potřebnou tuhost a hmotnost by byla stále nižší než je tomu u ramen ze Sklotextitu G10.
Obrázek 38: Ohebnost 3D tisknutých ramen
Možné řešení by mohlo vypadat viz obr. 44. Jedná se o návrh ramene o tloušťce 3 milimetry s přidanými výztuhami. Díky tomu zůstává zachována hmotnost, ale pevnost jak v ohybu, tak v krutu se zvýší.
Obrázek 39: Návrh ramene pro 3D tisk
Po základním nastavení všech nezbytných parametrů v počítači bylo uskutečněno první
„zavisení“ kdy se provede kontrola reakcí na jednotlivé výchylky z ovladače a reakcí dronu. Následně se mohou nasadit FPV brýle a dron prolétnout. Vše fungovalo jak mělo a díky tomu byly stavby úspěšné. Lehčí tištěná varianta nabízí obrovské zrychlení a je tedy vhodná pro závodní nasazení. Druhá 6 palcová verze ze Sklotextitu G10 naopak nabízí setrvačnost pohybu, která je pro Freestyle potřebná. Díky dvoulistým vrtulím 6040 je také letový čas delší a efektivnější.
Obrázek 40: Zálet dronů
7 Závěr
Cíl diplomové práce, zhotovit modulární FPV rám dronu, byl splněn. Díky návrhu unikátní modulární konstrukce postačí pouze jeden základní modul s elektronikou, u kterého lze pouhou výměnou ramen změnit chování, výdrž nebo obratnost dronu. Díky tomu dochází ke značné úspoře nákladů na pořízení dronu a lze ho použít pro jakoukoli kategorii tohoto sportu.
Závěrem bude provedeno zhodnocení a porovnání 3D tisku proti frézování ze Sklotextitu G10. Dnešní technologie 3D tisku se neustále zdokonalují a jednou tyto technologie budou tak dostupné a kvalitní jako tomu je u frézování. V této diplomové práci se ukázalo, že 3D tiskem nelze nahradit veškeré díly modulárního FPV rámu. Ramena z tištěného materiálu Polyamid jsou sice velmi pevná, ale na materiál G10 to nestačí. Při velké zátěži, kdy každý motor má tah kolem 700 až 1000g, dochází k nadměrnému ohýbání a hrozí nebezpečí kolize s ostatními částmi rámu. Pokud se však hodnotí další 3D tisknuté části, zjistilo se, že jsou mnohem lehčí, což je velká výhoda. Technologie HP Multi Jet Fusion dokáže zajistit dostatečnou pevnost a možnost následně řezat závity do již vytištěného materiálu, které jsou velmi kvalitní a pro tuto funkci plně dostatečné. Nejlepší variantou je ale kombinace Sklotextitu G10 a 3D tisku technologií HP Multi Jet Fusion. Dosáhne se dostatečné pevnosti a snížení váhy u dalších součástí. Pokud by se však ramena přizpůsobila svým tvarem, popřípadě doplnila o další výztuhy, bude možné rám vytisknout a používat kompletně z materiálu Polyamid.
Dále je vhodné porovnat ceny výroby rámu za pomocí 3D tisku a frézování. Jeden kompletní 3D tištěný modulární FPV rám z materiálu Polyamid technologií HP Multi Jet Fusion vychází na cca 1450,-Kč. Stanovit celkové náklady na výrobu běžnými metodami je velice složité, protože se díky času na seřízení a programování stroje výrazně mění s počtem vyrobených kusů. Cena materiálu použitého pro frézování a to konkrétně Sklotextitu G10 a duralu AW 6082 potřebného pro 1 kus modulárního FPV rámu byla cca 280,-Kč. Pokud však nebudeme plánovat sériovou výrobu, je díky náročnosti příprav frézování vhodnější volit aditivní technologie. Pokud se započítá čas pracovníka, strojní čas a další nezbytné úkony, je cena frézování jednoho kusu modulárního rámu mnohem vyšší.
V diplomové práci byla také vyzkoušena nová technologie 3D tisku HP Multi Jet Fusion, která se velmi osvědčila a nabízí výbornou pevnost. Díly tisknuté z materiálu Polyamid jsou sice ohebné, ale téměř nezlomitelné, proto při vhodné konstrukci budou odolávat nárazům a zaručí dostatečnou trvanlivost.
V současnosti je navržen rám ve stavu kompletní a plně funkční konstrukce, nicméně na vývoji modulární konstrukce se bude i nadále pracovat a dojde k jejímu postupnému zdokonalování. Nabízí se doplnění o další díly, například držák HD kamery. Tato HD kamera se umísťuje nad modulární konstrukci a držák je tisknut z materiálu TPU pro minimalizaci vibrací a vysokou odolnost vůči nárazu. Bude tedy součástí modulu a použitelný pro všechny kategorie.
Létání s drony se za posledních několik let velmi rozmohlo a trh je nasycen spoustou typů konstrukcí. Avšak konstrukce, navržená v této práci je jedinečná svou modularitou a je vhodná jak pro úplné začátečníky, kteří chtějí ušetřit, nebo i pro zkušené piloty, kteří ocení možnou transformaci a využití dronu ve všech zmíněných kategoriích.
