折腾无极限,爆改小直升飞机

2020-03-20 18:32:13 19点赞 40收藏 10评论

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折腾无极限,爆改小直升飞机

        很早之前就想搞个小直升机来玩玩,几年前从车玩到多轴,后来又搞穿越,一直想要玩直升机,但一直没时间。正好这段时间因为疫情没法去学校,就开始安排了。因为这回用的arducopter的固件,支持许多外接设备,所以就先添加了这些东西,买的用于电机温度测量的传感器和北斗导航模块还在路上,文章有点技术性,不想了解的可以直接后面看图看效果折腾无极限,爆改小直升飞机 。

 本文主要分成5个部分,硬件部分,动力系统,图片集中介绍,飞行性能分析,视频展示。

 首先是硬件配置

 机身及伺服器:伟力V922原装件换1020电机

电池:花牌3.8v 1S 450mah 85c

主控:omnibusf4V3

桨叶:大疆8331f

尾桨:45mm

接收机:LOLI8通,带100mw回传

电调:LOLI双路单向有刷电调,刷修改固件

激光测距模块:VL53L1X

光流模块:CX-OF V3.0

外置罗盘:HMC5883

转速传感器:红外光电式传感器

 

接下来就按上面的顺序一一讲解

一.机身

机身是之前在咸鱼上有人在卖的两架伟力V922机身,不包好坏100块包邮。

伟力V922也是许多年前的型号了,当时配备的超轻直线舵机现在已经很少了。

因为包装的原因,送过来断了一个脚架,一个尾桨,除了机身上螺丝有点生锈,其它都还好。原机身没啥好说的,本来也是玩具,质量不做要求了。

二.电池

咸鱼上30收了两块电池和一个充电器,成色挺新,感觉花牌这个电池还是不错,为了主控的正常工作买的高压电池。                            

折腾无极限,爆改小直升飞机

三.主控

主控也是咸鱼上40收的,不带图传的LC滤波,板载的开关降压器也挂了,其它没问题。

为了能让这个主控在低至3.4V的电压下仍然可以正常工作,我对主控电路进行了一些改造。

首先可以发现这个主控的所有设备都工作在3.3v,所以从原理上是可以实现的。

通过查看原理图


部分原理图部分原理图

可以发现输入电压要先经过一个肖基特二极管然后输入3.3v的稳压管后给主控及其它设备供电。这个二极管正向导通压降至少为0.2v,稳压管为0.1v。所以必须短接这个二极管,这样做的后果就是当插着USB的时候不能插电池,因为此时USB5V经过二极管后会直接输入电池。

去除了一些没有用的插座和开关稳压电路的那个电感。

顺便拓展出了一个串口,原来的电路上RX6和RCIN是连接在一起的,查看原理图后发现把PPM/SUBS那个焊盘中SUBS和中间焊点的预置连接切断就可以了。这样以后可以再接个GPS或者数传。

折腾无极限,爆改小直升飞机

四.桨叶

       因为我已经用arducopter固件了,就不考虑飞3D了,摔了也不好修。所以就优先考虑桨效了。正好发现大疆的这个桨叶,感觉气动外型不错,还是降噪桨。到货后发现桨跟略厚一点,打磨了一下安装上,直径短50px,主旋翼变为562.5px。

       通过推力公式计算,直径(厘米)×螺距(厘米)×浆宽度(厘米)×转速²(转/秒)×1大气压力(1标准大气压)×经验系数(0.00025)=拉力(克)

       这个桨在5180RPM下推力为180g,同直径可以计算得60g推力下为2990转,考虑直径变大的原因,转速会更低。

       查看了一些论文,我预估噪声为58Db左右,实际上齿轮和尾桨声音过大就不做测试了。

       尾桨从原装36mm换成了小螺距的45mm桨叶,提高了一些效率。


原来的桨原来的桨

新换的桨新换的桨

五.接收机

       接收机是咸鱼上买遥控器的时候送的,有点小重,以后换一个能轻2g,带个电压回传,其它没啥了。

六.电调

       因为是有刷电机电调就比较简单了,直接用最轻的电调就是,一个电调可以直接解决尾桨和主旋翼的供电。为了更好的锁尾,我修改了一下原理的程序,提升了分辨率和PWM频率。

七,激光测距模块,光流模块

       这两个都是淘宝上的,重量也比较轻,加起来差不多2g。

八.外置罗盘

       因为F4飞控本身不带罗盘,就只能外置。其实如果它自带罗盘也没法用,大家可以看到我罗盘给放到尾杆上了,这是因为我尝试过放在主板前的不同位置,都会受到严重的干扰,甚至直接就bad compass health,只有扔到后面,顺便就把激光模块也放到它下面,便于走线。

九.转速传感器

       为了使电机工作在最佳工作点,同时启用APM自带的转速控制器,自制了一个光电式转数传感器。转速传感器除了电调输出以外,有霍尔式和光电式,但是霍尔式需要有磁体在大齿上,难以操作。我就拿光电对管和LM393做了一个光电式传感器,总重0.7g,不会影响大齿的平衡,特别做了一些修改,让它在太阳底下也能工作。

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 动力系统

硬件介绍完了,讲讲动力系统设计。

首先,我认为总推力的效率由连接损耗,电调效率,电机效率,传动效率,桨效率,尾桨效率,控制因素叠加。

连接损耗:就是指各种插头,线的阻抗,因为我除了电池以外均是焊接,所以连接损耗就是电池插头的阻抗损耗,后面可能会换成小香蕉头。

电调效率:就是MOS管内阻及续流二极管的损耗,这里我用得AO4402,导通电阻5毫欧多,比插头电阻还小,算是可以了。

电机效率:这个参数非常重要,大家可以从下图中看到


折腾无极限,爆改小直升飞机

这是N30电机的效率图,虽然型号不是飞机上那个,但是趋势和效率应该是一样的


折腾无极限,爆改小直升飞机

这是我更换的1020空心杯电机的效率图

其实查下资料就可以发现无刷电机趋势也是这样,最高效点都是在低扭高转取得的,而且效率变化幅度很大,N30/N50这种电机最高效率47%左右,空心杯75%左右,无刷电机75%-83%。也就是说其实用得好,无刷和空心杯效率还是比较接近的,当然无刷的最大功率高多了,过载能力也很强,单电机重量也小。

所以我们可以计算一下,我买的空心杯是3.7v时40000转,那么取0.875倍为设计负载转数就是35000转,乘7/61的齿比,主旋翼就要在4000转左右,很显然和我们刚刚计算的2990转相差甚远,但是我们可以调节油门大小,使空载转速降低,从而使电机高效转数点下降直到,同时减少螺旋桨螺距(可能会降低桨效),提升桨速,最终匹配上。

传动效率:这个就是齿轮的传动效率,一般来讲这种直齿轮传动效率还是挺高的,都是95%左右,但是我看它那个大齿齿型貌似不是标准的渐开线齿型,和我新买的渐开线齿轮装配上以后也确实结合不好,空载磨合了两块电以后才变得很顺畅。

桨效率:原装桨效率相当低,因为是为3D飞行设计的,可以理解。我更换为大疆的8331f桨,效率提升挺大,噪声也减少不少,直径还小,都变成80级的小飞机了。

尾桨效率:直升机很大一部分功率花在尾电机上,减少尾电机损耗也相当重要。一是从提高尾桨效入手,换用效率更高的尾桨,二是从减少尾桨推力入手,就是减少主旋翼的扭矩,从这点也更倾向于使用高转低扭的主旋翼。

控制因素:这个影响比较小,主要是使飞行控制更加稳定,减少无意义的损耗。

下面看看图再讲

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        大家可以看到我使用插针把接收机电调都固定在主控上,并且使用了大量的漆包线作为小电流供电及数据的导线,同时在某些地方用胶点了一下,避免因为晃动破坏掉漆包线表面的绝缘层。

机身和尾杆上用天然复合材料(牙签)加固了一下,减少晃动。

 

飞行性能分析

得益于mission planner强大便捷的功能,可以进行一些分析。

先上续航10分钟的截图,再优化工作点一下应该能到11分钟多,下来电机都是温热,估计就40多度,比摸额头略热一点。

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然后可以通过快速傅里叶变换把IMU采集到的震动数据从时域变换到频域

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可以看到左侧的主峰对应的是3000转左右的主旋翼震动,右侧逐渐递减是2,3,4次谐波的波峰,最右侧的尖峰是尾桨17000转的震动。所以我想如果搭载计算性能足够强的处理器和采样率足够高的IMU,应该是可以做到不需要转速传感器的,当然这显然不是100块以内搞得定的。

折腾无极限,爆改小直升飞机

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折腾无极限,爆改小直升飞机从上面两图可以看到震动非常小,主要是空心杯和桨叶震动均较小,这也有助于提升滤波器低通频率和光流传感器数据质量。

折腾无极限,爆改小直升飞机

折腾无极限,爆改小直升飞机这是电机油门输出,中间出现的震荡是转数控制器在调节,根据wiki上的介绍,它的转数控制器不是PID控制器,而是一种类似于瓦特蒸汽机调速器数字模型的东西,要基于原油门曲线基本符合的情况下才能使用,曲线后面我再调整。

可以看到油门基本是在43%-58%之间,说明冗余升力充足,其实我之前试过38%油门也能起飞,但是估计不在高效点。

其它都是一些普通参数就没什么讲的了。

 

飞行展示

接下来是飞行展示,光流用得默认参数,会有丁点抖,后面再慢慢调

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