Квадрокоптер с 2мя поворотными винтами

dmih

Много читал форум в своё время, по разным темам (в основном вертолеты), решил теперь поделиться результатом эксперимента.
Пишу коротко (иначе получится очень долго), но готов развить любой момент из поста.

Предыстория вопроса: знаком с 3D вертолетами, умею ими управлять, года два назад захотел построить квадрокоптер для FPV. Знакомство как с готовыми решениями (Ar. Drone 1, 2, Nano QX), так и с самодельным коптером, выявило проблему – летать в ветер сложно из-за плохого контроля курса (рудера). Ну, т.е., конечно, слабый и, при везении, умеренный ветер квадрокоптер держит хорошо, и если не быть очень требовательным, проблемы нет. Но после 3D вертолета, которому строго говоря вообще ЛЮБОЙ ветер не помеха (лишь бы хвост держал), хочется большего.

Добавлю, что на высоте >100 метров ветер совсем не тот, что у земли, часто он быстрее, и может быть значительным в любом случае, даже если внизу штиль.

Детальный анализ проблемы показал следующее.
У квадрокоптера существует принципиальный раздражающий момент – контроль курса (рудер) осуществляется за счет закручивающего момента винтов. Причем существует обидное прямое следствие: чем выше аэродинамическое качество винтов, тем контроль курса хуже. Хороший качественный винт (большой винт, малый шаг, что-то типа 13x4) создает очень небольшой разворачивающий момент (относительно тяги).

Существует несколько способов побороть этот феномен:

  1. Увеличивать допустимый дисбаланс тяги разнонаправленных винтов. Принципиальный минус – квадрокоптера становится неустойчивым к ветру, т.к. двух винтов не хватает для балансировки, причем теперь уже фатально – вместо курс-куда-попало повышается шанс опрокидывания. В качестве борьбы с ветром вариант негодный.

  2. Ухудшить качество винтов; винты меньше, шаг больше, фиговые 3-лопастные винты и прочее. Промежуточное следствие – это один из реальных причин бОльшей стабильности коптеров с малыми винтами: те, кто смотрел на газ винтов в районе 13x4 при сильном разворачивающем моменте (10-90-10-90), больше без слез на это смотреть не могут. С «некачественными» винтами достаточно чего-то в районе 30-60-30-60, что не так фатально для сохранения кренов. В принципе, если полетное время <10 минут устраивает, это подходящий вариант, но в общем сами понимаете.

  3. Перейти от квадр к гегса или окто, поскольку у них сохраняется 3 точки опоры даже при максимальном парировании разворачивающего момента. Вопрос личных предпочтений. Мне такой вариант не нравится громоздкостью конструкции – приоритет – перевозка качественной FPV аппаратуры, а не лишних моторов, лучей и батарей.

  4. Перейти к трикоптеру, т.к. у них курс управляется отдельно от стабилизации. Это подходящий вариант, но хотелось оставить кавдро из-за бОльшей удельной (как бы сказать точнее, но допустим) грузоподъемности.

  5. Придумать что-то с курсом у квадро.

Хотелось бы поделиться результатом пункта 5. Сначала были идеи воткнуть хвост как у вертолета (тем более имея несколько 3D, за такой идеей далеко ходить не надо), или отклоняющиеся плоскости, или разное такое, но все отсмотренные в уме гипотетические реализации отдавали серьезным маразмом. Потом утвердился очевидный вариант сделать квадрокоптер с двумя поворотными винтами, а-ля трикоптер.

Собственно, данный пост призван поделиться опытом изготовления экспериментального агрегата по этой системе.
Результат превзошел ожидания. Делать так СТОИТ.

Что имеем посмотреть:

Поворотный механизм в действии, просто на полу.

Отработка разворотов в офисе. Видна очень четкая работа даже первого попавшегося механизма без каких-то особых доводок.

Полеты в достаточно сильный ветер, пролеты в стиле вертолета (курсом вперед). Фигово снимали, простите, смотреть примерно вторую половину видео. Результат того, что при сильном маневре газом поперек ветра отвалился линк (моя вина, я его слишком ослабил).

Потом сделал всё более правильно, полетал, на 500 метров вверх, быстро, медленно, в сильный ветер, в слабый ветер, в целом, очень жизнеспособная получилась конструкция.

ПЛЮСЫ:

  1. Из микшера винтов выламывается курс, в результате, качество удержания кренов возрастает, от фонаря скажу, раза в два. Случаи «Коптер завалило ветром» при неосмотрительном вставании «на парус» перестал возникать в принципе. Можно летать в любой ветер, как на 3D вертолете.
  2. При оставленном высоком качестве винтов, контроль курса позволяет парировать ЛЮБОЙ разворачивающий момент, который может встретиться в реальном полете.
  3. Очень высокая скорость отработки курса. Еще не 3D вертолет, но и не квадрокоптер. Кто видел, как летает трикотпер, тот поймет. Обычный квадрик не сделает такое никогда, а этот, в принципе, к этому более близок.
  4. Практически не страдает полетное время, разница в пределах 10%. Сервы легкие. Узлы тоже. Снижения КПД за счет постоянного парирования разворота, как в трикоптере, нету.

МИНУСЫ:

  1. Необходимость изготовить поворотный механизм. В принципе, на самом деле, это только кажется сложной задачей, на самом деле, если об этом несколько дней подумать, качественный механизм на коленке изготавливается из любых подручных средств. Простая идея механизма видна в видео.
  2. Понятно, нужны сервы, линки и так далее. У кого есть вертолеты, подходящего добра навалом. У кого нету, это будет что-то конечно новое и непонятное.
  3. +2 узла, отказ которых 100% приведет к аварии (видео примера было выше).
  4. Существенно, нет, СУЩЕСТВЕННО затрудняется дизайн компактного аппарата, т.к. вместо 4х дисков занятого пространства мы имеем теперь 2 диска и 2 сферы (вокруг поворотных винтов). Эти две сферы отклоняют пипец как много вариантов красивой компоновки элементов в небольшом коптере.

В качестве итоговых результатов, напишу коротко: сам я больше никогда не буду делать КВАДРОкоптер без такого механизма. Сделать эти механизмы ЛЕГКО. Преимущества видны ОЧЕНЬ СИЛЬНО. В целом, создается красивый компромисс между надежной FPV машиной с длительным временем полета и пилотажными возможностями, которые позволяют летать при любых условиях.

Целесообразность метода в других классах (>4 винтов) под вопросом, т.к. компромисс курс/устойчивость там отсутствует (напомню, всегда существует 3 точки опоры, даже при полном возможном контроле курса). В любом случае, с поворотным механизмом он будет летать ЛУЧШЕ. Но возможно, в этих классах это уже не так сильно требуется, т.к. приемлемый результат достигается по дефолту.
Также, машины с небольшим качеством винтов, вероятно, также способны достигнуть приемлемого результата без поворотного механизма.

P.S. В начале поста я пообещал коротко, поэтому описал суть эксперимента и основные результат. Ясен пень, в процессе изготовления вскрылось еще воз и тележка менее значимых выводов и установленных фактов, поэтому если кому-то интересно, отвечу на дополнительные вопросы.
Также, хочу сказать, специально для краткости не растекался мыслью по дереву и писал так сказать выводы без доказательств. Если вы увидели в моих словах какие-то спорные моменты, с радостью готов их прокомментировать или обсудить (я, естественно, не безгрешен).

Serj=

На каком контроллере это сделано?

dmih

Это Multiwii, сама плата - HK который у них называется “MultiWii 328P Flight Controller w/FTDI & DSM2 Port”.
Код именно для работы серв на поворот и мой миксы - dmih.ru/f/MultiWii-2rot-quad.zip, в config.h это называется теперь тип QUADX2 (дописан). Если кто-то хочет повторить, лучше не брать мой проект, а внимательно смотреть изменения и перенести их в свой код, .bak там везде лежат, изменения по смыслу видны.

Nail

Есть вопрос интереса для ) как настраивалось ??

Кто то опередил тогда такой глупый вопрос почему именно два задних ? Мотора поворачиваются ?

dmih
Nail:

Есть вопрос интереса для ) как настраивалось ??

А как это можно настраивать? Да как обычно.

  1. Стандартная “вертолетная” часть - поиск нуля серв, настройка горизонта винтов в нулях серв (при импульсе 1500).
  2. Стандартная для MultiWii процедура - PID-ы - P минимум, остальное от фонаря, P постепенно увеличиваем до появления осцилляций, потом назад на примерно единицу (для rudder-а это сейчас 9), I и D ставим по рандому согласно собственным эстетическим представлениями, на полет они IMHO почти не влияют.
Nail

Атак зачёт осталось коллективный шаг придумать

dmih
Nail:

Кто то опередил тогда такой глупый вопрос почему именно два задних ? Мотора поворачиваются ?

Вообще это два передних, ну типа как колеса в автомобиле 😃

Можно было и два задних, принципиальной разницы, мне кажется, нет. Мне показалось, что передние несколько лучше, т.к. сзади обычно висит батарейка, она тяжелее, и противовес для серв, которые лишний груз на лучах.

Nail

Для 250 класса интересное решение )) дабы ещё маневреннее был

dmih
Nail:

Для 250 класса интересное решение )) дабы ещё маневреннее был

Полетный вес конкретно этого - 1 кг. Ну там потом ставится еще FPV 0.5 Вт, GPS, FullHD камера и прочий фарш.
Т.е. основная идея реализации - чтобы при ветре всё это смотрело лицом куда я скажу, а не куда фишка ляжет, и не делала в процессе коррекции курса малопонятных свечек, заваливаний и так далее.

Пилотажные возможности всё-таки остаются достаточно скромные относительно, например, тех же вертолетов (это из попытки летать в облегченном виде, без доп. аппаратуры, пока не жалко разбить) . Приятно, что ты ты можешь в ЛЮБОЙ момент потребовать контроля курса и он послушается. Это многое меняет, потому что в обычном коптере постоянно приходится думать, имеешь ты право сейчас его разворачивать, или он от этого свалится. Тут такой вопрос снимается в принципе.
Но понятно, что много других вопросов такой конструкцией всё равно не решаются, тут уж действительно управление шагом уже требуется 😃

Nail

На управление шагом понадобится много мини 3d вертолетов )

ssilk

Отличная работа…) Но, ИМХО, как раз для этих целей делали квадрики с V-tail, не? И второй момент, эта штука хороша для мозгов с открытым кодом, хотя неизвестно как еще это будет в АРМ работать… А как на других контроллерах это реализовать? То есть, штука полезная, но не массовая… Жаль…)

dmih
ssilk:

Но, ИМХО, как раз для этих целей делали квадрики с V-tail, не?

Если это с предвыкосом винтов в разные стороны, то отчасти да, это похожая вещь, но эффективность контроля курса хуже раза в 3, т.к. тут оба винта делают одинаковый вклад в коррекцию курса, а там - только разница в оборотах перекошенных винтов, что заведомо гораздо меньше, и опять же здорово вычитается эффективность стабилизации.

Ну и потом, это просто красивее. 😃

ssilk
dmih:

потому что в обычном коптере постоянно приходится думать, имеешь ты право сейчас его разворачивать, или он от этого свалится.

Я не очень долго летаю на коптерах, чуть больше полутора лет, но с такой проблемой не сталкивался… Ни при повороте чистым руддером, ни при “самолетном”, руддер+элерон+элеватор… Летал и в дождь и в ветер и в разных сочетаниях того и другого…) Такой уж у нас город…)

dmih:

тут уж действительно управление шагом уже требуется

Или реверсом винтов… Для вия есть прошивка специальная… Да собственно сами можете посмотреть у Вартокса…

dmih
ssilk:

А как на других контроллерах это реализовать?

В принципе, если есть умение программировать, на любых контроллерах это относительно не очень трудно реализовать сбоку. Нужно взять завести в любую Arduino 4 сигнала на моторы каким-либо образом (сами моторы оставить в покое), это можно сделать обычным кодом чтения RC приемников, так как там обычно PPM. Потом прогнать через обратную матрицу и по дисбалансу газа R и L винтов вычисляется текущее мнение контроллера о необходимой коррекции курса. Засовываем его в сервы и собственно всё.
Если каждая коррекция контроллера будет “внезапно” (для него) приводить к эффективной коррекции курса, то фаза несбалансированной тяги существенно сокращается. Она не будет нулевой, но длительность таких фаз значительно сократится.

Это конечно для настоящих самоделкиных уже путь, хотя если кто знаком с программированием микроконтроллеров, то для тех он прямолинейный и простой.

ssilk:

Я не очень долго летаю на коптерах, чуть больше полутора лет, но с такой проблемой не сталкивался… Ни при повороте чистым руддером, ни при “самолетном”, руддер+элерон+элеватор…

Может я неточно выразился; это зависит не от поворота как такового, а от ветра. Ну и конечно еще от парусности аппарата. Вариант “коробка от CD-ROM-ов” по понятным причинам относительно дружественен к контролю курса 😃 Но машины с разной всякой аппаратурой редко получается сделать в таком форм-факторе.

UPDATE: ну и конечно если бы не 3D вертолеты в качестве примера устойчивости, у меня таких вопросов бы не стояло в принципе, ну фигово рулит и фигово, что теперь, однако в сравнении познается определенная проблема в этом месте, требующая решения, поэтому см. выше.

ssilk
dmih:

если есть умение программировать

Такового не имеется… ) Как и желания осваивать…) К тому же, имея довольно большой опыт борьбы с микроконтроллерами вообще (не полетными), я им мягко говоря не доверяю…) А летаю на назах, лайт и второй версии…

dmih:

это зависит не от поворота как такового, а от ветра

Таки я и говорю, что не видел большой разницы при поворотах и в ветер и без такового… Если я хочу повернуть на 90 градусов, обычно это так и выглядит… Без ненужных эксцессов.

dmih:

Вариант “коробка от CD-ROM-ов”

Ну, это мало поже на упомянутую коробку…)
И Это тоже…)

dmih
ssilk:

А летаю на назах, лайт и второй версии…

Красивые штуки (на фото и видео)! Но это достаточно ветро-плоские всё-таки еще пока. Кирпичей несимметричных там почти не разглядел (как например типичный FPV обвес).

Ну и Naza лучше конечно чем MWii это в любом случае. В большой степени ей в любом случае проще правильно отрабатывать повороты, потому что она лучше понимает, что вообще происходит. В MultiWii не навигационная система, а недоразумение какое-то. Пока всё в пределах их допущений, оно летает хорошо, но чуть вышел за пределы контроля, опа.
Безусловно, в принципе, более хороший контроллер существенно отодвигает предел, после которого повороты становятся некомфортными.

Ну и конечно должны сильно влиять ожидания. Я несколько раз в качестве примера упоминал вертолеты. Как на них летают, видео в интернете много. У вас же на 6 минут Ютуба разворотов вообще ноль, я не делаю никаких выводов, но очевидно, что под какой-то стиль полета и допущения к ветру сервы эти нафиг не сдались.

ActionFBI

Очень интересная тема.
СПС автору.
Такой четкости управления нет ни в 4, 6 и 8 роторных системах. (это мое личное мнение! 😃 есть все летаю в профессиональных целях)
Летаю не очень давно где то два года. По большей части на DJI. Программировать не умею, но очень хочется повторить такую систему.
В данный момент строю квад для съемок в экспедициях😒 и там нет возможности с собой брать оператора на подвес. Все приходится делать пилоту 😵 отработка курса имеет критичное значение для получение качественного материала.

Не закидывайте камнями 😃
Но нет возможности такой конструктив прикрутить к гражданским контроллерам (DJI, ZeroUAV)?
ОЧЕНЬ НАДО!!😃

ssilk
dmih:

Кирпичей несимметричных там почти не разглядел

А вот…) У меня все FPV оборудование внутри этой лоханки помещается, камера - мебиус, считаю, что проха дороговата для такого использования, а так как фото и видео не занимаюсь, то вроде и не к чему…

dmih:

Я несколько раз в качестве примера упоминал вертолеты.

Да, такое вполне возможно… Так же, как с шустрого компа пересесть за тормозной нетбук…) Представляю Ваше желание хоть чутка ускорить эту летающую корову…)

dmih:

на 6 минут Ютуба разворотов вообще ноль

Это да, я там батарейки разные тестировал, потому там только пролеты… Есть видео и с поворотами и восьмерками, и с кругами и воронками, только его надо долго и муторно редактировать, но у меня к этому делу отвращение…)

dmih
ActionFBI:

ОЧЕНЬ НАДО!!

Несмотря на то, что прямолинейный способ я описал, определенно я пас это делать 😃

Вариант замены DJI на MWii ради реализации такого подхода - возможный, но сомнительный. Опыт показывает, что MWii определенно можно заставить очень хорошо летать, но это какой-то запредельно творческий процесс.

Сам я не рассматриваю готовые контроллеры, но просто по той причине, что никакой практической задачи у меня нет, скорее инженерное чувство потешить, поэтому колхоз в радость.

kostya-tin

мне кажется, что можно для DJI данную схему реализовать с помощью миксов на пульте. только времени ни настройку уйдет не мало. собственно миксами можно и для любого другого контроллера реализовать, только тогда поворотные узлы будут использоваться только в ручном режиме. или же ставить дополнительный контроллер чисто для руления сервами. ИМХО хватит для этого ардуинки+MPU605 в которую залить тот же код мультивия

ssilk
kostya-tin:

реализовать с помощью миксов на пульте

Можно, только работать не будет… Наза будет, во первых, сопротивляться, во вторых, все равно будет пытаться повернуть моментами, с чем, как раз и боролся Дмитрий… Такие вещи нужно делать на уровне контроллера, а в назу не влезть… Собственно к поворотам назы претензия одна, она делает это медленно, а в остальном не к чему придраться…
А если чисто гипотетически задаться вопросом, почему наза не поддерживает трикоптер, можно к интересным выводам придти… Первый из них, она не может поворачивать быстрее чем уже есть… Скорее всего связано с алгоритмами стабилизации…

dmih
FOXtrot71:

В копилку, 4х4

Круто! 😃

В более финальной версии я кстати добился почти такой же скорости вращения 😃 Но это уже чересчур, снизил максимум углов.

Я кстати боялся, что 2 поворотных будут снижать тягу в момент поворота, и придется микшировать и подбирать. На практике почему-то этого эффекта НЕТ, ну т.е. мозги успевают сами поправить газ на отклоненных винтах.

mataor

4 поворотных мотора на коптере на форуме выкладывали (насколько мне не изменяет память) уже гдет 1,5-2 года назад.
но за идею + реализацию с обоснованием - 5+

5 months later
Arkady68

а одного поворотного винта не хватит?