Создание прототипов дронов: ключевые шаги и чего ожидать

Покорение неба было одной из величайших битв человечества с древних времен. Наши предки предупреждали нас, что небо может быть опасным противником. Давайте вспомним легенду об Икаре, мальчике, который так хотел летать как птица, что его отец сделал ему крылья из птичьих перьев и воска. Он летел все выше и выше, пока солнце не расплавило воск, и он упал к своей смерти. Эта история дает нам два важных урока:

1. Всегда делайте механические или функциональные прототипы своих самолетов и тестируйте их тщательно;

2. Старайтесь тестировать их, не находясь внутри. Или по крайней мере получите парашют.

К счастью, современное производство и авиационная инженерия дают нам возможность сделать оба. Мы можем управлять нашими авиационными прототипами удаленно и можем создавать прототипы за короткое время.

Что такое дроны?

Дроны стали идеальными любительскими самолетами. Они легкие, маленькие, легкие для полета и вы можете фактически производить их лично, что привлекает много людей, которые любят возиться с механизмами. Однако дроны были вокруг гораздо раньше. Первое упоминание о них датируется 1920-ми годами.

Первые попытки сделать дроны не были успешными. Было много отдельных изобретателей, которые смогли создать прототипы вертолетов с 4-6 роторными двигателями. Эти самолеты были слишком нестабильны, несинхронизированы и напрягали пилота слишком сильно, поэтому их развитие в основном было заброшено до недавних времен.

С современными разработками в аэронавике и электронике, предыдущие технические трудности с функциями дронов были в основном преодолены. Дроны стали беспилотными, так как проблема пилота была единственной стоящей. Однако больше нет необходимости в пилоте. Вы можете просто смонтировать его с камерой и получить пульт дистанционного управления. Современная электроника делает дизайн этого транспортного средства действительно простым, так что много людей делают дроны как хобби или покупают их, чтобы снимать отличные фильмы, искусство, доставлять вещи или даже шпионить за соседями, кто знает. Есть даже история человека, который решил увековечить свою кошку, сделав её квадрокоптером.

Из чего состоит дрон?

Типичный дрон имеет следующие элементы, определяющие его функциональность:

1. Рама. Это главная деталь и самая важная. Она держит все функциональные объекты вместе, определяет общую прочность структуры и влияет на аэродинамические свойства устройства. Я буду в основном говорить об этой части, так как это практически единственная, которую вам придется проектировать и производить самим или с использованием прототипной мастерской (что настоятельно рекомендуется, если у вас нет инженерного бэкграунда, так как в конце прототипные производители создадут высококачественную раму, выберут материалы лучше и порекомендуют вам по дизайну).
2. Моторы. Вам может понадобиться 4-8 моторов в зависимости от того, сколько роторных двигателей вы захотите. Мотор определяет, как быстро вращаются лопасти дрона и, следовательно, его мощность. Есть много производителей моторов, предлагающих дешевые и надежные решения.
3. Электронные контроллеры скорости. Это устройства, которые будут синхронизировать ваши пропеллеры и предотвращать безумие дрона. Они также очень дешевые и легко доступны.
4. Пропеллеры. Теперь это главные движущиеся части пропеллера. Их лопасти имеют сложную геометрию, и их размер и форма будут зависеть от веса и размера рамы, поэтому вы, вероятно, будете заказывать их вместе с рамой.
5. Батареи, разъемы и контролы. Некоторые более мелкие электронные части понадобятся для второстепенных операций. Такие как разъемы, батареи и приемник с пультом дистанционного управления для полета дрона. Вам, вероятно, также понадобится камера, так как полет дрона без неё похож на ходьбу с одной ногой.

Как вы видите, современная отрасль предлагает много готовых решений для производства дронов. Поскольку изготовление электронных устройств — сложный и дорогой проект сам по себе, я советую просто покупать существующие части, будь вы хоббистом или планируете их продавать. Если ваши продажи растут, тогда вы можете подумать о собственных схемах. С этим мы остаемся с двумя основными индивидуально изготавливаемыми частями, которые необходимы для производительности дрона. Конечно, вам придется сделать некоторые дополнительные разъемы и корпуса батарей. Однако их дизайн не составляет проблемы и может быть 3D-напечатан с щелчком пальцев.

Как сделать индивидуальные рамы дронов

Так, Рамы действительно важны для стабильности и общей структуры дрона. По мере того как вы учитесь летать на своем авиате, вы обязательно врежетесь в вещи и повредите раму, поэтому она также должна быть легкой для замены или ремонта.

В настоящее время существует ряд возможных дизайнов рам дронов в зависимости от количества пропеллеров, которые вы захотите. Чем больше пропеллеров, тем стабильнее дрон, но тяжелее тоже. Самые критические параметры — жесткость и вес. Именно поэтому самые распространенные материалы — следующие:

1. Дерево. Самый дешевый материал, самый легкий для обработки и может быть сформирован в раму с простейшими инструментами. Внешний вид и надежность такого дрона невысоки. Легко заменить, но ожидайте, что он сломается при малейшем ударе. В основном это хороший выбор для хоббистов. Рама обычно обрабатывается на токарном станке для дерева или с более простым инструментом и затем склеивается вместе.

2. Пластик. Это самый очевидный выбор. Много полимеров легкие, имеют высокую разрывную прочность и, лучшее из всего, могут быть быстро обработаны с использованием современных технологий. Например, пластиковые рамы могут быть произведены с использованием 3D-печати или прототипирования методом Urethane Casting. Это делает его действительно хорошим выбором для создания прототипов коммерческих моделей дронов. Вы можете легко сделать небольшую партию с техниками RP, собрать их и провести тесты. И когда вы готовы, закажите форму для литья под давлением.

3. Алюминий. Вы должны выбрать этот материал, чтобы сделать самые долговечные и стойкие системы, которые выдержат много стресса. Это также самый тяжелый из материалов. Обычно такая рама будет обработана на CNC. Вы должны использовать алюминиевые рамы, если вы создаете профессиональные промышленные дроны только. Или если вы уже провели тесты и одобрили дизайн, и вы хотите, чтобы ваш дрон выглядел действительно хорошо и блестяще.

Давайте сделаем пропеллеры

Пропеллеры — самые сложные части дизайна дрона. Вам нужно фактически рассчитать его геометрию в зависимости от веса вашего дрона, чтобы достичь требуемой тяги. К счастью, есть много сервисов, которые помогут вам сделать это. Если вы найдете геометрию слишком сложной, вы всегда можете заказать лопасти в прототипной мастерской, где компетентные инженеры спроектируют, рассчитают и изготовят идеальные пропеллеры.

Так, очевидно, диаметр важен. Чем больше лопасти, тем больше воздуха пропеллер может качать. Однако вы должны отметить, что пропеллеры должны быть в синхронизации, чтобы предотвратить их удары друг о друга. Именно поэтому большие пропеллеры дают худшую маневренность. Вы должны выбрать, что подходит вам лучше: большая грузоподъемность дрона или лучшая маневренность.

Угол атаки — еще одна важная особенность лопасти. Это в основном угол, под которым пропеллер ударяет воздух и отклоняет его. Чем больше, тем лучше эффективность лопасти, однако требуется более крупный мотор, так как ветровые силы будут больше. Угол атаки становится меньше ближе к центру пропеллеров с постоянным шагом. Однако с чередующимся углом атаки геометрия пропеллера становится слишком сложной.

Лопасти пропеллера в основном 3D-печатаются или отливаются с использованием силиконовых форм, как пластиковые рамы, так как эти методы наиболее эффективны в достижении сложной геометрии с низкими затратами и временем. Лопасти послеобрабатываются впоследствии, потому что хорошее качество поверхности снижает вибрацию дрона в полете.

Вы должны помнить о балансировке пропеллеров тоже. Это легкий процесс. Вы можете сделать это с карандашом и ножом. Просто установите лопасть на карандаш, установленный горизонтально. Пропеллер, скорее всего, повернется вокруг своей оси. Так что срежьте немного от корня лопасти, который склонен оставаться в нижней области карандаша. Повторяйте это до тех пор, пока лопасть не перестанет поворачиваться, когда вы устанавливаете её на карандаш.