Моделируем собственный КОПТЕР!
Моделируем собственный КОПТЕР!
1. Ознакомимся с основами проектирования коптеров.
2. Используя 3D-программу, создадим собственную моделей коптера.
3. Изучим процесс 3D-печати и ее применение в создании деталей коптера.
Что нам потребуется:
• Компьютеры или ноутбук с установленными 3D-программами (например, Tinkercad, Fusion 360, T-flex, КОМПАС).
• 3D-принтер.
• Пластик для печати (PLA, ABS и т.д.).
• Составляющие для сборки коптера (моторы, пропеллеры, аккумулятор и т.д.)
• Инструменты для сборки коптера (Отвертка, кусачки-бокорезы, крепеж)
Начнем с базовых понятий
Коптер — это беспилотный летательный аппарат с несколькими роторами, чаще всего с четырьмя (квадрокоптер). Он используется в аэросъемке, сельском хозяйстве, строительстве, доставке товаров, спасательных операциях и научных исследованиях. Коптер состоит из рамы, моторов, пропеллеров, контроллера полета, аккумуляторов, датчиков и иногда камер. Потенциал коптеров включает технологические улучшения, автономные системы, новые области применения, интеграцию с ИИ и развитие правового регулирования. Коптеры продолжают эволюционировать и находить новые способы применения в различных отраслях, становясь важным инструментом в современном мире.
Коптеры (дрон) можно классифицировать по различным критериям, включая количество роторов, назначение и конструктивные особенности. Вот основные виды коптеров и примеры известных моделей:
• Квадрокоптеры (4 ротора): DJI Phantom 4: Популярная модель для аэросъемки с отличным качеством видео.
• Гексакоптеры (6 роторов): DJI Matrice 600: Профессиональный дрон для съемки и грузоперевозок.
• Октаракоптеры (8 роторов): Freefly Alta 8: Профессиональный дрон для кинематографии.
Каждый из этих видов коптеров имеет свои особенности и предназначение, что делает их подходящими для различных задач и пользователей.
Основы проектирования
Перед тем как приступить к проектированию, давайте обсудим основные элементы коптера. Каждый коптер состоит из рамы, на которой крепятся моторы, пропеллеры и электроника. Важно понимать принципы аэродинамики — от этого зависит, насколько устойчивым будет ваш аппарат в воздухе.
Сборка коптера (дрона) требует внимательного выбора компонентов, чтобы обеспечить его функциональность, стабильность и управляемость. Вот основные компоненты, которые вам понадобятся для сборки квадрокоптера:
1. Рама (Определяется размером пропеллеров и общей конструкцией)
2. Моторы ( Бесколлекторные (brushless) моторы)
3. Пропеллеры (Размер: Обычно от 5 до 12 дюймов, в зависимости от моторов и рамы)
4. Электронный регулятор скорости (ESC
5. Приемник и передатчик (радиоуправление) Частота: Обычно 2.4 GHz или 5.8 GHz.
6. Аккумулятор Литий-полимерный (LiPo), Напряжение: Обычно 3S (11.1V) или 4S (14.8V).
7. Дополнительные компоненты (Крепежные элементы: Болты, гайки, стяжки и т.д. для крепления компонентов.)
Аэродинамика и устойчивость коптера — это важные аспекты, которые помогают ему летать и оставаться под контролем. Давайте разберем эти понятия простым языком.
Аэродинамика
1. Подъемная сила: Коптеры используют свои вращающиеся лопасти (или пропеллеры) для создания подъемной силы. Когда пропеллеры вращаются, они заставляют воздух двигаться вниз. По закону Бернулли, когда воздух движется быстрее, его давление снижается. Это создает разницу давлений: давление ниже коптера меньше, чем давление сверху, что и поднимает дрон в воздух.
2. Сопротивление: Когда коптер движется, он сталкивается с сопротивлением воздуха. Это как когда вы идете против ветра — вам становится тяжелее. Сопротивление зависит от формы коптера и скорости его движения. Чем более аэродинамичной будет форма, тем меньше сопротивление.
Устойчивость
1. Баланс: Коптер должен быть хорошо сбалансирован, чтобы не наклоняться в одну сторону. Если один из пропеллеров вращается быстрее или медленнее других, это может привести к наклону. Поэтому важно, чтобы все пропеллеры работали синхронно.
2. Управление: Коптеры имеют гироскопы и акселерометры, которые помогают отслеживать их положение и угол наклона. Если дрон начинает наклоняться, система управления может автоматически регулировать скорость вращения пропеллеров, чтобы вернуть его в стабильное положение.
3. Управление по осям:
Коптер может двигаться по трем основным осям:
• Вперед-назад (питч): Наклон вперед или назад.
• Вправо-влево (ролл): Наклон в стороны.
• Вокруг вертикальной оси (ярд): Повороты на месте.
Каждая из этих осей управляется отдельными парами пропеллеров. Например, если нужно наклонить дрон вперед, задние пропеллеры работают быстрее, а передние — медленнее.
Таким образом, аэродинамика отвечает за то, как коптер поднимается и движется через воздух, а устойчивость — за то, как он сохраняет равновесие и управляется. Все эти принципы работают вместе, чтобы дрон мог безопасно и эффективно летать.
Подготовка к проектированию
Для нашего коптера был был собран комплект из следующих комплектующих:
- 4 мотора A2212/13T 1000KV
- 4 ESC 30V
- 4 Пропеллера 1045R
- Гироскоп MPU-9250/6500
- Приемник Park fly FS-IA6
- Микроконтроллер MEGA 2560 PRO
- Аккумулятор Li-po B&C 3300 MAH 11.1v
- Разъем Т-образный пара
- HJ Power Distribution Board V1.0
- Разъемы бананы 12 пар
- 24 вплавляемые гайки
Остальные каркасные части мы спроектируем с нуля
Теперь перейдем к практической части. Мы будем использовать [название программы] для создания модели нашей рамы. Сначала выберем форму и размеры — это важно для того, чтобы наш коптер был легким и прочным. Затем добавим крепления для моторов и других компонентов. Не забывайте сохранять вашу работу и экспортировать модель в нужном формате!
Исходя из комплектующих, можем заранее рассчитать размеры нашего будущего коптера. В нашем случае мы опираемся на длину винтов (10 дюймов = 254мм), в таком случае рассчитываем размеры рамы, для того, чтобы наши лопасти не соприкасались друг с другом в зоне их действия.
3. Работа в 3D-программе
Теперь перейдем к практической части. Мы будем использовать Autodesk Fusion 360 для создания модели нашей рамы (краткое методическое пособие для тех кто во фьюжене не силен) . Сначала выберем форму и размеры — это важно для того, чтобы наш коптер был легким и прочным. Затем добавим крепления для моторов и других компонентов. Не забывайте сохранять вашу работу и экспортировать модель в нужном формате! Я постараюсь показать и объяснить принцип проектировки коптера, которые работает в любой другой программе. Разберемся на что смотреть при моделировании деталей, какие формы использовать, как проектировать, учитывая материал из которого будет изготавливаться коптер, как подготовить модель к 3д печати и прочие нюансы.
По нашим предыдущим расчетам определили общие габариты рамы 360х360мм
Начать проще всего с сердцивины коптера, в которой и на которой будут располагаться большая часть электронных компонентов. Эту часть важно сделать легкой и максимально надежной, так как в этом месте располагается аккумулятор, его необходимо защитить от потенциальных повреждений. Размер сердцивины определяется на основе компонентов, которые будут в ней располагалться.
Для этого я вооружился штнагель-циркулем и сделал замеры всех компонентов. А после, в программе создал простые блоки для более удобной компоновки объектов. Необходимо учитывать подключение проводов и дополнительных элементов их так же упрощенно изображаю на модельках.
После я перешел к моделированию крышки коптера. На основе опыта сборки коптеров от других производителей, было принято решение поэкспериментировать с верхней крышкой сердцевины, с одной стороны хочется максимально упростить будущий процесс печати и минимизировать отходы, а с другой есть желание создать уникальные дизайн, превосходящий стандартные и по красоте и по конструктиву.
Для прототипа была подобрана двухуровневая конструкция. Под верхушкой которой можно спрятать все провода и крепления.
Определившись с верхушкой перешел сразу на моделирование плечь коптера. Уложил необходимую электронику и начал простраивать крылья коптера от к крепления к сердцевине и до конца с мотором. В голове сразу представилась форма стрелы, поэтому и старался изобразить ее в определённых элементах
После этого, необходимо было добавить ногу для защиты тела коптера во время падений или же при грубой посадке. Ногу на сталь делать отдельной деталью, соединил ее с рукой, излишние винтовые крепление могут утяжелять конструкцию, незначительно, но все же лучше этого избегать при создании летательных аппаратов.
Дальнейшим этапом решил сразу же проработать крепление руки к деталям сердцевины. Предполагается 6 отверстий в ноге с вплавленными гайками, по 3 на каждую деталь сердцевины. Отверстия под гайки делаем больше чем под винт, чтобы избежать при вплавления излишка пластика, который забьет резьбу.
А после того как сделан скелет всех деталей, приступил к детальной проработке каждой. В деталь руки предусмотрел ложе и канавки для драйвера и его проводов, при том решил попробовать расположит драйвер вертикально, так коптер выглядит аккуратнее, при этом сам драйвер достаточно защищен. Ну и есть предположение что такое расположение драйвера уменьшит сопротивление воздуха при полетах вверх-вниз.
Дополнительно предусмотрел канавки для стяжки и углубления под ось мотора, которая слегка выступает за его корпус.
Толщину деталей старался максимально уменьшать, не во вред надежности естественно. Так же сделано множество технологичных отверстий для облегчения общей массы конструкции и уменьшения сопротивления воздуха. Часть отверстий предполагается под доп.крепежи (стяжка на липучке для аккумулятора и крепежная проволока).
Глянем общую компоновку
А теперь и с моторами
После того как мы создали модель, следующим шагом будет ее печать на 3D-принтере. Я покажу вам весь процесс: от подготовки модели до получения готовой детали. Помните, что иногда могут возникать проблемы — не бойтесь их решать
4. 3D-печать
3D-печать — это современная технология, которая позволяет создавать трехмерные объекты из цифровых моделей. Этот процесс находит широкое применение в различных областях, таких как промышленность, медицина, архитектура и искусство. В этом уроке мы подробно рассмотрим этапы 3D-печати, начиная с подготовки модели и заканчивая получением готовой детали.
Первым шагом в 3D-печати является создание или выбор 3D-модели. Это может быть сделано с помощью CAD-программ (Computer-Aided Design), таких как AutoCAD, SolidWorks или Blender. Модель должна быть тщательно спроектирована, чтобы учесть все необходимые размеры и детали.
• Форматы файлов: Для 3D-печати чаще всего используются форматы STL и OBJ. Эти форматы позволяют сохранить информацию о геометрии объекта.
• Проверка модели: Перед печатью модель необходимо проверить на наличие ошибок, таких как не закрытые поверхности или пересечения. Для этого можно использовать специальные программы, такие как Meshmixer или Netfabb.
Этап 2: Слайсинг
После того как модель готова, ее необходимо подготовить для печати с помощью программы слайсинга (slicer). Эта программа разбивает 3D-модель на горизонтальные слои и генерирует G-код — командный файл, который будет использоваться принтером.
• Настройки печати: В процессе слайсинга можно настроить параметры печати, такие как скорость, температура, заполнение (инфил) и поддерживающие структуры (supports). Эти настройки влияют на качество и прочность готовой детали.
• Предварительный просмотр: Многие программы слайсинга предлагают функцию предварительного просмотра, которая позволяет увидеть, как будет выглядеть процесс печати.
Этап 3: Печать
Теперь, когда модель подготовлена и преобразована в G-код, можно переходить к печати. Принтер считывает G-код и начинает процесс создания объекта слой за слоем.
Этап 4: Постобработка
После завершения печати объект может требовать дополнительной обработки для достижения желаемого качества.
• Удаление поддержек: Если использовались поддерживающие структуры, их необходимо аккуратно удалить.
• Шлифовка и покраска: Для улучшения внешнего вида детали можно провести шлифовку или покраску. Это также может повысить прочность поверхности.
5. Сборка коптера
Наконец можно переходить к этапу сборки.
Я доверил его своему коллеге, у которого достаточно опыта работы с коптерами. Заодно будет полезно послушать мнение со стороны по поводу конструктивных решений и их удобства.
Весь процесс задокументирован, и в подробном описании не нуждается.
Приложения