ساختار مکانیکی کوادکوپتر

مقدمه

هدف اصلی اين پژوهش، کنترل و پايدار کردن پرنده کوادروتور است و ساير جنبه ­ها همچون ساختار مکانيکي از اوليت برخوردار نيست. اما همانگونه که در قسمت قبل اشاره شد، يکی از مزايای کوادروتور، سادگیِ طراحیِ مکانیکی آن است. بنابراين در اين پروژه در ابتدا از پلتفرم­های آماده استفاده نشده بلکه طراحی مکانيکی پرنده بصورت بومی آغاز شد. مهمترين قسمت­های اين بخش طراحی فريم يا بدنه و انتخاب موتور و ملخ مناسب مي­باشد که در ادامه مروري بر کارهاي انجام شده خواهد شد.

فریم کوادکوپتر

يکی از مهمترين بخش­های مکانيکی کوادروتور فريم آن می باشد. منظور از فريم ساختاری است که قادر است باطری و مدارهای الکترونيکی را در قسمت ميانی و موتورها را روی بازوهای خود جای دهد. يک فريم خوب بايد ويژگي­هاي زير را داشته باشد.

• وزن کم
• مقاومت بالا در برابر ضربه
• حفاظت از اجزای الکترونيکی پرنده
• قابليت تعويض قسمت های آسيب ديده
• قابليت جدا شدن اجزاء بمنظور حمل و نقل آسان
• قابليت جدا کردن و سرهم کردن سريع اجزاء

البته بسيار سخت می توان به تمامی ويژگي­های مذکور دست يافت.

در طول اين پروژه در رابطه با فريم مراحلی صورت گرفته که آنها را به ترتيب ذکر ميکنيم.

مرحله اول: بررسی انواع مواد و ساختار ها

در اين مرحله انواع موادی را که مي­توان با آنها فريم پرنده را ساخت، بررسی شد تا بهترين ساختار برای بخش­های مختلف فريم انتخاب شود. از جمله اين مواد و ساختار­ها مي­توان موارد زير را برشمرد.

• فايبر گِلَس: نمونه ­هايی از فايبر گلس با انواع فاز زمينه (ماتريس) و درصد­های مختلف اجزا تقويت کننده (پرکننده) ساخته شد. در نهايت با توجه به وزن بالای نمونه ­های ساخته شده، نتيجه کار اين بود که استفاده از فايبر گلس براي فريم با ابعاد کوچک گزينه مناسبي نيست.
• پِلِکسی گِلَس: ورقه ­ها و لوله ­های پلکسی گلس عمدتا در کشور بصورت آماده عرضه مي­شوند. با بررسي چند مورد از آنها، نتيجه ­ای که در رابطه با فايبر گلس حاصل شده بود، بدست آمد. البته مشکلات ديگری نيز در رابطه با پلکسی وجود دارد. از جمله اينکه موارد عرضه شده در کشور عموما وارداتي هستد و اين خود بر افزايش هزينه­ ها تاثیر می گذارد. همچنين هزينه برش اين مواد نيز قابل توجه است.
• PVC: ورقه­ ها و لوله ­های PVC نيز مورد بررسی قرار گرفت. نتيجه اين بود که براي قسمت مرکزی فريم، مي­توان از اين ساختار استفاده کرد. اما با توجه به مقاومت کم لوله ­های PVC، براي بازو­ها گزينه مناسبي به نظر نمي­رسند.
• چوب بالسا: چوب بالسا يکي از پرکاربرد ترين لوازم در طراحی پرنده ­های مدل است. اما معمولا به تنهایی نميتواند مقاومت زيادی داشته باشد.
• تخته سه لايی: تخته سه لایی دارای ساختار بسیار مقاومی است و از آن مي­توان در ساخت قسمت مرکزی و بازو­ها استفاده کرد. تخته سه لایی وزن نسبتا مناسبي نيز دارد.
• ترکيب چوب بالسا و يونوليت: يک ترکيب بسيار مقاوم و سبک، ترکيب چوب بالسا و يونوليت است. تابحال سابقه ­ای از استفاده از اين ساختار پيدا نکرده ­ايم و مي­توان گفت يکي از نوآوری ­ها در اين پروژه يافتن چنين ترکيبی است.
• فيبر کربن: از ساختار­هاي بسيار مقاوم و درعين حال کم وزن مي­باشد. اما بدليل هزينه نسبتا بالا، استفاده از اين ساختار در دستور کار نبوده است.
• لوله­ های کربنی: اين لوله ­ها نيز در ساخت پرنده­ های مدل بسيار رايج هستند و گزينه ­مناسبی براي ساخت بازو­ها مي­باشند.

مرحله دوم: ساخت اولین فریم

اولين فريم با هدف انجام آزمايش­های اوليه پرواز در ارديبهشت ماه سال 90 طراحی و ساخته شد. جنس قسمت مرکزي فريم از تخته چوبی و بازو­ها از لوله کربنی است. همچنين براي پايه موتورها از نوعی بست کابل استفاده شد. چون هدف در اين مرحله صرفا ساخت يک نمونه ساده و عملياتی بوده، مباحثی همچون وزن نهايی فريم مد نظر نبوده. وزن نهايی اين فريم (به تنهایی) حدود 400 گرم مي­باشد.

تصویر زیر اولین فریم ساخته شده را نمایش می دهد.

مرحله سوم: ساخت دومین فریم

پس از انجام موفقيت آميز اولين آزمايش­­های پرواز (بدون کنترل­ کننده) نياز به کاهش وزن و تغيير در ابعاد محسوس بود. بنابر اين دومين فريم در اسفند ماه سال 90 طراحی و ساخته شد. وزن نهایی اين فريم، حدود 150 گرم مي­باشد. جنس قسمت مرکزی از فايبر گِلَس است. جنس بازوها تغييری نکرده و از لوله ­هاي کربنی است.

تصویر زیر دومین فریم طراحی شده را نمایش می دهد.

همچنين در اين مرحله يک فريم محافظ مخصوص پرواز داخلی (Indoor) از جنس تخته سه لایه و يونوليت طراحی و ساخته شد. اين فريم در برابر ضربه مقاومت خوبی از خود نشان مي­دهد.

تصویر زیر فریم محافظ مخصوص پرواز Indoor را نمایش می دهد.

مرحله چهارم: کار با فریم شرکت dji

با توجه به اينکه در مرحله ­ای از انجام پروژه به دلايلی که ذکر خواهد شد ناچار به تعويض موتور­ها شديم و اينکه موتور جديد نياز به طراحي پايه داشت تا بر فريم قبلي سوار شود، تصميم به آن شد که فريم آماده که سازگار با موتور های جديد بود به خدمت گرفته شود. اضافه می­شود که در آن برهه از زمان فرصت طراحي پايه موتور و يا فريم جديد وجود نداشت. جنس بازوها در اين فريم از پلاستيک فشرده و جنس قسمت مرکزي از فايبر گِلَس می باشد.

تصویر زیر فریم شرکت dji را نمایش می دهد.

موتور

انتخاب موتورها بستگی به شرح ماموريت پرنده دارد. براي کوادروتور مورد نظر در اين پروژه توانايی حمل حداقل 500 گرم وزن اضافی در نظر گرفته شده است. وزن پرنده نيز حداکثر 1 کيلو گرم تخمين زده شد. همچنين حداقل تراست براي مانور، صعود به ارتفاع بالاتر و مداومت پرواز بيشتر، 500 گرم تخمين زده شد. بدين منظور نياز به داشتن موتورهایی است که مجموعا بتوانند 2 کيلوگرم تراست توليد کنند. در اين مورد هم از موتور­های برس دار (Brushed) و هم از موتور­های بدون برس (Brushless) مي­توان استفاده کرد. با توجه به قدرت بالاتر موتور­های Brushless معمولا مي­توان بدون افزودن چرخ دنده، ملخ­ها را با سرعت مناسب به حرکت در آورد که اين خود به سادگی طراحی بسيار کمک خواهد کرد. بنابراين استفاده از موتورهای Brushless در دستور کار قرار گرفت.

از ويژگي­ های موتور خوب مي­توان به موارد زير اشاره کرد:

• ميزان تغيير دور بر ولتاژ (RPM/Volt يا KV) پايين تر: KV در واقع تايين مي­کند که به ازای هر ولتاژ چقدر دور موتور تغيير مي­کند. هرچه اين مقدار کمتر باشد، تسلط بيشتری مي­توان بر روی موتور داشت. يا به عبارتي حرکات هموارتری را مي­توان از موتور انتظار داشت. البته هرچقدر KV پايين­تر باشد، مقدار RPM نهايي موتور نيز کمتر است.
• مصرف انرژی کمتر: در توان مصرفي موتور، انتخاب ملخ نيز سهم بسزايي را ايفا مي­کند.

در اين پروژه موتورهای متفاوتی با کنترل ­کننده سرعت (ESC) مناسب خود بررسی شده اند. ويژگي­های اين موتورها را مي­توان در جدول زير مشاهده کرد.

در جدول زیر مشخصات موتور های Brushless تست شده در این پروژه نمایش داده شده است.

کنترل کننده سرعت (ESC)

موتورهای Brushless براي راه ­اندازی نياز به کنترل کننده سرعت دارند. انتخاب کنترلر به انتخاب موتور بستگی دارد. عواملی چون ولتاژ مناسب براي موتور و حداکثر جريان مصرفی در انتخاب آن موثر است. کنترل کننده های سرعت يک موج PWM را بعنوان ورودي مي­پذيرند. فرکانس اين موج بطور معمولی براي پرنده ­هاي مدل 50Hz است که اين فرکانس براي مولتي­ روتورها بايد بيشتر از 200Hz باشد.

نکته ­ی ديگري که در انتخاب ESC بسيار مهم است، رزولوشن است. به عبارت ديگر تعداد استپ­ هایی که ESC مي­تواند از شکل موج ورودی بخواند در همواری حرکات موتور تاثير زيادي دارد.

در شکل زير نمونه­اي از کنترل­کننده سرعت مورد استفاده در پروژه مشاهده مي­شود.

ملخ

کوادروتور بطور مرسوم نياز به يک جفت ملخ ساعت گرد (Pusher) و يک جفت ملخ پاد ساعتگرد (Puller) دارد. البته ملخ­های پوشر براحتی در بازار يافت نمي­شوند و مواردي که در بازار کشور وجود دارند از کيفيت بالايی برخوردار نيستند. روش­هایی وجود دارد که بوسيله آن مي­توان فقط از ملخ­هاي کشنده استفاده کرد. در اين پروژه ملخ­های بسياري مورد بررسي قرار گرفته ­اند که مهمترين آنها عبارتند از:

• Dji 8045
• GAUI A8

در مرحله نهایی از ملخ  Dji 8045 در این پروژه استفاده شد.

تست ها

راه اندازی اولیه موتور براشلس

در این تست، یک استند برای قرار دادن موتور Motrolfly DM2205-1350 ساخته شد که قابلیت اندازه گیری تراست تولید شده توسط موتور را نیز دارد. موتور به همراه ملخ و ESC مناسب آن راه اندازی اولیه شد.

راه اندازی هر 4 موتور روی فریم شماره 1

در این تست، 4 موتور از نوع Motrolfly DM2205-1350 به همراه ملخ و ESC مناسب روی فریم ساخته شده در مرحله اول نصب و راه اندازی شدند تا حداکثر توان مصرفی موتور را بصورت عملی اندازه گیری شود.

لینک های مفید:

• صفحه فهرست این پژوهش
• صفحه رسمی این پژوهش در دانشگاه علم و صنعت ایران
• دوره های آموزشی رایگان آکادمی هیرولینک