В. Яценко - Твой первый квадрокоптер: теория и практика

Вибрация — это проклятие винтокрылых машин, и квадрокоптеры — не исключение. Источником вибрации являются винтомоторные группы, каждая из которых дает вибрацию на своей частоте, распространяющуюся по лучам к центральной части рамы и полетному контроллеру. При наложении нескольких высокочастотных колебаний возникают низкочастотные колебания с частотой, равной разности частот источников вибрации. Картину усугубляют собственные резонансы элементов конструкции.

Примечание

Вибрация очень вредна для акселерометров и гироскопов, поскольку сбивает их показания. Внешне воздействие вибрации на контроллер проявляется в хаотичном подергивании коптера, его дрожании, внезапных рывках и кратковременной потере управления на определенных оборотах при резонансе конструкции. В особо экстремальных случаях возможен внезапный переворот коптера и авария.

Виброзащита включает в себя балансировку винтомоторной группы, которую мы рассмотрим в следующем разделе, а также виброизоляцию — препятствование распространению вибрации при помощи вибропоглощающих и виброизолирующих материалов.

Современные алгоритмы программной фильтрации позволяют эффективно защищать полетный контроллер от вибрационного шума в показаниях акселерометров, поэтому задача виброзащиты существенно упростилась. Сейчас уже не имеет практического смысла виброизоляция креплений моторов, напрасно усложняющая конструкцию. Тщательной балансировки пропеллеров и моторов вполне достаточно.

Далее вибрация распространяется по лучам. Высверливание или фрезерование отверстий в алюминиевых лучах не только облегчает конструкцию, но также помогает подавить вибрацию и резонансы. Для подавления резонансов трубчатых карбоновых лучей их внутреннее пространство заполняют монтажной пеной или вставляют цилиндрики длиной около 2 см из плотной пористой резины. Цилиндрики должны вставляться туго и располагаться на разном расстоянии друг от друга. Среднее расстояние между вставками примерно 5–7 см.

Внимание!

В стенках карбоновых лучей нельзя рассверливать или фрезеровать окна, это значительно снизит их прочность.

К центральной части рамы лучи всегда крепятся жестко и прочно. Допускается складная конструкция, но виброизоляция в этой части конструкции никогда не применяется.

Благодаря современным алгоритмам фильтрации вибропомех полетный контроллер может быть жестко прикреплен к раме (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Варианты крепления полетного контроллера к раме

Автор настоятельно советует поступать именно так, а особое внимание уделить балансировке ВМГ. Но иногда, особенно при использовании дешевых некачественных моторов и пропеллеров, качественная балансировка не получается. В таком случае следует смонтировать контроллер на 1–2 слоях пенистого двустороннего скотча или на проставках из плотной резины. Избегайте избыточного демпфирования контроллера!

Избыточное демпфирование

Избыточное демпфирование контроллера возникает при использовании слишком мягких демпферов, допускающих раскачивание. Ускорения при вибрации — линейные, и раскладываются на ортогональные векторы, поэтому не влияют на гироскопы, затрагивая только акселерометры. Но при слишком мягких демпферах появляется вращательная составляющая вибрации, как показано на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Эффект избыточного демпфирования

Если центр тяжести платы смещен относительно геометрического центра точек опор, то линейные ускорения неравномерно смещают плату на упругом подвесе, отсюда и возникает вращательная составляющая.

Вращательная составляющая "сводит с ума" гироскопы, а поскольку гироскопы предназначены для немедленной и острой реакции на угловые Отклонения, то вред от передемпфирования значительно превосходит вред от вибрации. Неопытные владельцы коптеров склонны чрезмерно демпфировать полетный контроллер. Лучше начинать с монтажа контроллера вообще без демпферов, и смягчать крепление только при крайней необходимости, когда балансировка ВМГ и настройка параметров программной фильтрации не помогают.

Демпфирование подвеса камеры

Вибрация камеры проявляется на изображении в виде "эффекта желе", когда изображение полностью или в виде чередующихся широких полос колышется, словно студень. Этот эффект возникает из-за биений между частотами вибрации и частотой смены кадров.

Камера не должна жестко отслеживать малейшее отклонение рамы, поэтому, в отличие от крепления контроллера! для подвеса камеры применяют мягкие демпферы. Обычно это специальные пустотелые амортизаторы-"грибки" из силикона.

Амортизаторы различаются по размерам и жесткости. Чем тяжелее камера, тем жестче амортизаторы и тем большее их количество требуется. Приблизительная жесткость в виде максимальной нагрузки на один амортизатор указывается в его характеристиках, но для достижения наилучшего результата обычно требуется подбирать жесткость и количество амортизаторов экспериментально. Поэтому амортизаторы лучше сразу приобретать с запасом и различной жесткости.

Маленькую и легкую камеру можно подвесить на четырех амортизаторах малой или средней жесткости. При конструировании подвеса также следует избегать вращательно-раскачивающей составляющей, которая может сопровождать вибрацию.

Для того чтобы избежать раскачивания подвеса, следует стараться поднять его центр тяжести как можно выше и разнести амортизаторы подвеса на максимальное расстояние, как показано на рис. 4.7.

Остальные электронные узлы, такие как приемники GPS, выносные магнетометры, приемники и т. д., виброизоляции не требуют.

Рис. 4.7. Предотвращение раскачивания подвеса

Фиксация резьбовых соединений

Высокочастотная вибрация способствует саморазвинчиванию резьбовых соединений. Чтобы воспрепятствовать этому, применяются различные фиксаторы резьбы. Прежде всего, это гайки со специальными нейлоновыми вставками. Формально это одноразовые гайки, но на практике они выдерживают 3–4 цикла завинчивания развинчивания, после чего нейлоновая вставка истирается резьбой и гайку нужно менять.

В случаях, когда гайки с фиксатором применить невозможно, например при креплении двигателя к мотораме, используют жидкие фиксаторы резьбы. В обиходе их часто называют "локтайт" по имени наиболее известного производителя Loctite. Небольшое количество жидкости наносят на резьбу винта непосредственно перед завинчиванием. После того как винт вкручен, жидкость полимеризуется от контакта с металлом, без присутствия воздуха. Поэтому такие фиксаторы называются анаэробными. Поскольку катализатором полимеризации являются ионы металла, винтовые соединения "пластик — пластик" такая жидкость не зафиксирует.