Laboratorní přípravek DUOCOPTER Laboratory equipment DUOCOPTER Ing. Radek Bystřický, Ph.D. Katedra leteckých elektrotechnických systémů, Univerzita obrany, Brno, email: radek.bystricky@unob.cz Resumé: Článek se zabývá popisek konstrukce laboratorního přípravku nazvaného DUOCOPTER, který slouží jako řízená platforma pro studium pohybu a chování bezpilotních prostředků za letu v prostředí omezeného prostoru laboratoře. Pohybující se platforma je osazená celou řadou senzorů a umožňuje záznam vybraných parametrů letu uložit respektive bezdrátovým spojem odesílat online do počítače a sledovat tak odezvy na jednotlivé povely řízení či poruchy přicházející z venčí. The paper deals with description of laboratory multi-rotor helicopter measurement prototype. This prototype serves as a controlled flying platform allowing us spatially limited but complete 3D movements. The laboratory model is equipped with various sensors in order to capture various flight parameters and wirelessly connected so the movement could be recorded and further analyzed allowing us to see the performance of the flight as well as influence of the outside world. 1 Úvod Bezpilotní prostředky se již celou řadu let stávají vděčným objektem celé řady lidí, od obyčejných RC modelářů přes vědce, po firmy které je chtějí využívat jako autonomní prostředky pro přenášení materiálů, nebo armáda jako autonomní prostředky průzkumu či pomocníky při evakuaci osob. Před člověkem, který se hodlá zabývat měřením parametrů letu a vytvářením matematických modelů pohybu, obvykle stojí problém jak získat letová data bez nutnosti učit se řídit bezpilotní prostředek. Mojí inspirací bylo zhlédnutí několika videí, viz obrázek č. 1, která ale dle mého soudu řešily celý problém jen zčásti. V prvním případě bylo řízení prováděno bezdrátově na základě měření polohy prostředku kamerami v omezeném prostoru haly, což znamená, že mimo halu nebo v omezeném prostoru je létání neproveditelné. -44-
Obr. 1: Zdroj inspirace pro vytvoření laboratorního přípravku V druhém případě zase autoři neřešili problém se samotnou váhou prostředku, řešili pouze jeho naklánění v prostoru, což ale bez uvažování vlastní váhy ztrácí význam, neboť smyčky řízení nejsou naladěny na konkrétní váhu a jejich zesílení nereflektuje skutečný stav modelu. Navíc neřešili samotnou rotaci v kurzu, kterou je v reálné situaci potřeba ovládat. Vzhledem k tomu, že nedisponuji rozsáhlými prostorami, jsem se rozhodl adoptovat druhou z možností a doplnit ji o možnost vertikálního pohybu. 2 Popis konstrukce Prvotní idea je velmi dobře patrná z obrázku č. 2 vlevo, kde je vidět prvotní zámysl kardanových rámů umožňující pohyb ve dvou rovinách, a uprostřed kluzný čep, umožňující pohyb kolem tyče nejen ve třetí rovině ale také umožňující vertikální pohyb. Obr. 2: První prototypy sklopné plošiny (vlevo balzová studie proveditelnosti, vpravo hliníkové jednoosé zjednodušení) Balzová studie ale ukázala, že je poměrně náročné vytvořit konstrukci dostatečně pevnou a přitom rozměrově malou. Proto byla celá idea zjednodušena a jeden z kardanových rámů byl -45-
odstraněn. Tím se celá konstrukce zjednodušila, ale zároveň se automaticky předpokládá, že celá konstrukce bude osově symetrická, neboť se model může naklápět pouze v jedné a ne ve dvou rovinách. U symetrických konstrukcí 1 ale tento fakt nepředstavuje žádný problém. Obr. 3: Výrobní plány vytvořené v programu Microsoft Visio Základem mé konstrukce se tedy stal čtyř-rotorový model vrtulníku, který ale principielně může být rozšířen až na osmi-rotorový, s tím omezením že může být naklápěn pouze v jedné rovině. Obě studie ukázaly celou řadu technologických problémů, které bylo nutné vyřešit, a vytvořit výrobní plány viz obrázek č. 3, podle kterých by se dal přípravek vyrobit. Jednou z největších otázek bylo jaké materiály zvolit pro konstrukci jednotlivých prvků, aby byla konstrukce pevná, ale zase ne příliš těžká. Volba nakonec padla na duralové profily a desky, neboť výroba jednoho respektive dvou desek z uhlíkových vláken by byla neúměrné drahá. Samotné nosníky se na skutečných prostředcích obvykle vyrábí z duralu nebo uhlových trubek. Zvýšená váha pak kompenzuje chybějící části kostry modelu a zátěž, kterou by prostředek v reálné situaci nesl. Celá tato konstrukce je kluzně uložena na hliníkovou tyč a upevněna na závaží, které zabraňuje převržení celé konstrukce. Díky kluznému uložení na tyči se celý systém může vertikálně pohybovat i rotovat, čímž odstraňuje nevýhody konstrukce, která sloužila jako vzor. 1 Drtivá většina vícemotorových vrtulníků je takto více méně konstruována -46-
3 Elektronické vybavení Samotná konstrukce ale musí být doplněna o elektronické prvky a samotné motory s vrtulemi. Jako první je potřeba vyřešit otázku vzletové hmotnosti, respektive se alespoň pokusit ji odhadnout a na základě této odhadnuté hmotnosti vybrat dostatečně silné motory. Po mnoha měřeních a pokusech v měřením statického tahu vrtulí moje volba padla na motory Axi 2814/20 které se parametrově shodovali s mými potřebami. Obr. 4: Motor Axi 2814/20 a jeho tabulkové parametry Jedním z nejzajímavějších technických parametrů proč však byl tento motor koupen, byl údaj získaný z internetových diskuzí, ze kterých vyplívalo, že se s tímto motorem dá pří použití vrtule 14''x4,7'' dosáhnout hodnoty téměř dvou kilogramů na jeden motor. Obr. 5: Motor Axi s karbonovou vrtulí 14''x4,7'' a 40A regulátorem Jako řídící jednotka otáček motoru byl použit ESC regulátor Eflite 40A, viz obrázek č. 5 respektive č. 6, který díky maximální hodnotě proudu 40A představuje dostatečnou zálohu pro případné proudové špičky a je prodáván na rozdíl od konkurence v dobře uchylitelném hliníkovém pouzdře. -47-
Do kompletního letuschopného modelu ještě schází RC přijímač a hlavní řídicí jednotka modelu. Jako RC přijímač jsem zvolil Futabu R6008, což je osmi-kanálový přijímač postačující k řízení maximálně 6 kanálů hlavní řídící jednotky Flip MWC 1.5. Obr. 6: Elektronické prvky přípravku (zleva přijímač Futaba R6008, ESC regulátor Flite 40A, řídící jednotka Flip MWC 1.5 Samotná řídící jednotka je bohužel velmi primitivní a v tuto chvíli umožňuje pouze řízení samotného modelu, respektive jeho stabilizaci ve vodorovné pozici. Není osazen žádným snímačem umožňujícím měřit výšku letu, orientaci v kurzu, neumožňuje ani připojení dalších periferií atd. Nicméně se jedná o velmi levnou řídící jednotku pro prvotní pokusy. Obr. 7: Hotový laboratorní přípravek Ve velmi blízké budoucnosti tak bude tato deska vyměněna za desku Naze32, která již umožňuje měřit výše zmíněné chybějící letové veličiny, nebo připojit celou řadu dodatečných senzorů komunikujících po sběrnici RS232 či I2C a tím prakticky eliminovat potřebu dalších složitých externím snímačů letových dat. Navíc se tato řídící jednotka dá nastavit tak, aby -48-
interní letová data byla ukládána do vnitřní paměti a následně stažena po sběrnici USB, či za využití sériové linky bezdrátově přenesena do počítače v reálném čase. Kompletně sestavený laboratorní přípravek je zobrazen na obrázku č. 7. Bohužel takto sestavený neumožňuje napájet další měřící prvky, a proto bude doplněn ještě o rozvodnou desku, která tento nedostatek odstraní. 4 Provedená měření Kromě samotného měření letových dat, jsem přípravek respektive jeho prototypové předchůdce použil k několika měřením, které se zabývali výběrem vhodného typu motoru a následně pak výběrem správného páru motor-vrtule. Měření jednoznačně ukázali, že neexistuje jednoduché pravidlo jak zvolit vhodnou kombinaci. Obr. 8: Měření tahových charakteristik vrtulí Naopak je potřeba pro danou hmotnost modelu volit velikost vrtule experimentálně tak, aby proud tekoucí do motoru v režimu visení byl minimální. Při vhodné volbě vrtule pro daný model a motor lze získat i 2-3 násobně delší časy letu, viz obrázek č. 8. Vzhledem k úspoře elektrické energie touto cestou se naopak naprosto neefektivní zdá snižování příkonu měřící soustavy, která z celkového proudu tekoucího z akumulátoru využívá pouhý zlomek. Dalším zjištěním bylo, že je výhodnější použít průměrově větší vrtule s menším stoupáním, než naopak. Důsledkem bylo opětovně výrazně zvýšený odběr proudu z akumulátoru. 5 Závěr Laboratorní přípravek potvrdil možnost použití jednoduché sklopné platformy nejenom pro studium pohybu a chování bezpilotních prostředků za letu v prostředí omezeného prostoru laboratoře, ale i dalším měřením souvisejícím s návrhem skutečného létajícího prostředku. S využitím vhodného měřícího systému, ideálně integrovanému do desky řídicí jednotky, lze provádět rychlá a bezdrátová měření pohybu. -49-
Literatura (pouze v anglickém jazyce) [1] LUPASHIN, Sergei. Quadrocopter Ball Juggling, ETH Zurich. Youtube [online]. 2011 [cit. 2015-10-04]. Dostupné z: https://youtu.be/3cr5y8qzf0y?t=13 [2] HOFFMAN, Frank a Torsten BERTRAM. Mechatronischer entwurf, modellierung und regelung eines quadrokopters. Technische universität Dortmund [online]. Dortmund, 2012 [cit. 2015-10-04]. Dostupné z: http://www.rst.e-technik.tudortmund.de/cms/de/forschung/schwerpunkte/robotik/quadrokopter/index.html [3 BYSTŘICKÝ, Radek. Development of multi-rotor helicopter laboratory equipment. In: NEW TRENDS IN AVIATION DEVELOPMENT. Košice, Slovensko: Faculty of Aeronautics, Technical University of Košice, 2012, p. 1-3. ISBN 978-80-553-1083-1. [4] BYSTŘICKÝ, Radek. QUICK AND EASY UAV DEVELOPMENT. In: modern safety technologies in transportation. Košice, Slovensko: Faculty of Aeronautics, Technical University of Košice, 2015, p. 24-28. ISBN 978-80-971432-2-0. 5 BYSTŘICKÝ, Radek. Design of data logger for UAV. In CD-ROM z 1. International scientific-technical conference SPECIAL EQUIPMENT 2006. Brno: Univerzity of defense, 2006, 6 p 6 JALOVECKÝ, Rudolf; JANŮ, Přemysl; BYSTŘICKÝ, Radek; BOŘIL, Jan; BOJDA, Petr; BLOUDÍČEK, Radim; POLÁŠEK, Martin; BAJER, Josef. Data fusion from avionic sensors employing CANaerospace. In: Mechatronics, Recent technological and scientific advances. Berlin: Springer, 2011, p. 297-301. ISBN 978-3-642-23243-5. 7 DUB, Michal; BYSTŘICKÝ, Radek; JALOVECKÝ, Rudolf. Possibilities of Experimental Parameter Identification of Avionics Subsystems. In: ICMT 11 - International Conference on Military Technologies 2011. Brno: University of Defense, 2011, p. 611-618. ISBN 978-80-7231-787-5. Dedikace Článek byl sepsán v rámci rozvoje organizace projektu UO - K206 s názvem "Komplexní elektronický systém pro UAS". The work presented in this paper has been supported by the Ministry of Defense of the Czech Republic (K206 Department development program Complex aviation electronic system for unmanned aerial systems ). -50-