Проектирование радиоуправляемой копии модели самолёта Piper J-3 Cub

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• Аннотация
• Введение
• 1. Аналитическая часть
• 1.1 Разработка технического задания
• 1.2 Схемы и их описания
• 1.3 Программное обеспечение
• 2. Разработка устройства
• 2.1 Этапы разработки
• 2.2 Руководство пользователя
• 2.3 Тестирование устройства
• 3. Экономическое обоснование разработки устройства
• 3.1 Расчет себестоимости
• 3.2 Расчет трудоемкости
• 4. Охрана труда
• 4.1 Расчет общего искусственного производственного освещения
• 4.2 Расчет и устройство защитного заземления
• Заключение
• Список использованных источников
• Приложение А. Принципиальная электрическая схема
• Приложение Б. Перечень элементов
• Приложение В. Схема структурная
• Приложение Г. Код программы регулятора


Аннотация

Была спроектирована и разработана радиоуправляемая копия модели самолёта Piper J-3 Cub.

В ходе выполнения работы определена цель разработки, сформировано техническое задание, представлена аналитическая часть, разработка устройства, экономическое обоснование, описана охрана труда, список использованных источников и приложения. В работе имеется подробное описание разработки устройства модели самолёта Piper J-3 Cub.

В первой части анализируется выбор комплектующих схемы управления моделью, определены цели, техническое задание. Описаны основные схемы программное обеспеченье.

Во второй части рассматриваются этапы разработки, руководство пользователя, тестирование устройства.

В третьей части приведено экономическое обоснование разработки устройства расчет себестоимости и расчет трудоемкости.

В четвёртой части описана охрана труда, и устройство защитного заземления рассчитано общее искусственное производственное освещение и защитное заземление.

Данная работа содержит 71 страниц, в том числе 8 таблиц, 15 рисунков, и 4 приложения.



Введение

В настоящее время в обществе существуют такие проблемы как организация свободного времени молодежи, их профессиональная ориентация и дополнительная профессиональная подготовка. Авиамоделизм позволяет их решать в комплексе вместе все эти задачи.

Практически каждый мальчишка мечтал в детстве построить такую модель самолета, которая смогла бы летать сама. С появлением интернета и модельных магазинов эта мечта стала реальной и вполне осуществимой.

Сегодня в интернете можно найти огромное множество чертежей разнообразных авиамоделей для их самостоятельного изготовления. Можно также соорудить самолеты из подручных материалов.

Для того, чтобы собрать не просто авиамодель, а летающую конструкцию, необходимо учиться моделизму, радиотехнике и знать основы сопромата, аэродинамику, уметь управлять моделью посредством пульта. На обучение под руководством опытного преподавателя может уйти до полугода.

Для того, чтобы научится управлять моделью в воздухе, прежде всего, необходимо научимся управлять моделью в симуляторе - главным образом для того, чтобы закрепить в памяти движения ручек передатчика и понять реакцию модели. Потом провести предполётную подготовку модели накануне полётного дня. И, наконец, отправимся на поле - учиться летать.

Дистанционное управление подвижными моделями основано на взаимодействии человека и модели. Пилот видит положение модели в пространстве и ее скорость. При помощи аппаратуры дистанционного управления он отдает команды на исполнительные устройства модели, которые поворачивают рули или управляют двигателями, тем самым пилот изменяет положение и направление движения модели в соответствии со своим желанием. Передача команд от пилота к модели происходит в большинстве своем по радиоканалу.

Аппаратура радиоуправления состоит из передатчика, который находится у пилота, и размещенных на модели приемника и исполнительных механизмов. В данной работе раскрыто как работает передатчик приемник и исполнительные системы модели.

Занятия авиамоделизмом помогают воспитанию будущих исследователей, конструкторов. Вместе с тем, авиационный моделизм является одним из наиболее популярных технических видов спорта.

В данной работе спроектирована и разработана радиоуправляемая копия модели самолёта Pauper J-3 Cub.

В ходе выполнения работы определена цель разработки, сформировано техническое задание, представлена аналитическая часть, разработка устройства, экономическое обоснование, охрана труда, список использованных источников и приложения, в которых имеется подробное описание разработки устройства модели самолёта Pauper J-3 Cub.

Маневренный, устойчивый и простой в пилотировании Piper Cub стал первым полноценным самолетом для массового рынка. J-3 Cub раннего выпуска демонстрирует элегантные обводы, присущие машинам семейства Piper Cub. На J-3 было установлено увеличенное вертикальное оперение и хвостовое колесо.



1. Аналитическая часть

1.1 Разработка технического задания

Есть несколько способов покорять небо. Один из них - заняться изготовлением радиоуправляемых моделей. Те, кто поднял в небо хотя бы один самолет, сделанный своими руками, уже никогда не бросит это увлекательнейшее занятие.

Цель - это сборка дистанционно управляемой модели самолёта и демонстрация работы микропроцессорной системы.

Техническое задание:

- выбрать чертёж модели самолета;

- построить модель самолёта Piper J-3 Cub;

- разработать блок управления моделью, т.е. электронной составляющей его управления (рулевые машинки 4 шт., электродвигатель, передатчик, контроллер оборотов двигателя, приемник, литий полимерный аккумулятор);

- собрать схему управления моделью самолёта;

- рассмотреть отдельно взятые комплектующие;

- настроить регулятор оборотов двигателя;

- перепрограммировать микропроцессорные настройки;

- научится управлять моделью в симуляторе;

- провести предполётную подготовку;

- запустить модель.

Пайпер Каб (англ. Piper Cub) - лёгкий двухместный самолёт. Выпускался компанией Piper Aircraft. Под названием Cub скрываются два самолёта: Piper J-2 и Piper J-3.

Самолёт представлял собой подкосный высокоплан смешанной силовой конструкции с полотняной обшивкой, традиционным хвостовым оперением, неубирающимся шасси.

Самолёт получил лицензию Американского департамента торговли 11 июля 1931 года. Первоначально назывался Taylor Cub E-2. С 11 июля 1931 года и до конца года были проданы 22 самолёта по цене 1325$ за каждый. По инициативе 19-летнего дизайнера Вальтера Жамоно (Walter Jamouneau) E-2 начали выпускаться под названием Taylor J-2 Cub, где J - первая буква фамилии Жамоно. Со временем прошёл модернизацию и стал обозначаться Piper J-3. К концу 1937 года компания выпустила уже 687 самолётов. С новым двигателем самолёт имел максимальную скорость в 85 миль в час (137 км/ч) и потолок в 9300 футов. Дальность полёта составляла 351 км при ёмкости топливного бака всего в 45,4 литра.

Начиная с 1939 года Пайпер J-3 стал основным самолётом начальной подготовки пилотов для гражданской авиации - 75 % пилотов обучались на Cub. С учётом производившихся после войны более усовершенствованных самолётов Каб J-4 Купе (Cub J-4 Coupe), компания Пайпер произвела в общей сложности 14125 гражданских и 5703 военных экземпляра. Пайпер Каб стал легендой авиации общего назначения, он наиболее известный и популярный лёгкий двухместный самолёт на «западе».

Производился в течение 80 лет - абсолютный рекорд в истории авиации. Новые модели пришли на замену J-3, но его многочисленные модификации (PA11, PA14 Cruiser, PA16 Clipper, PA18 Super Cab) летают и сегодня.

Для управления моделью самолета потребовалось исследовать различные структурные элементы аппаратуры управления.

Бесколлекторный двигатель XM2834CA-9 показан на рисунок 1.

Рисунок 1. Бесколлекторный двигатель XM2834CA-9

Dualsky XM2834CA-9 Outrunner - очень устойчивый и при этом ультралегковесный бесколлекторный электромотор с вращающимся корпусом. Подходит для небольших электрических авиамоделей различных типов и удивляет своей высокой мощностью. Благодаря использованию высококачественных магнитов и самых новых материалов, эти двигатели в их классе выделяются чрезвычайно высокой эффективностью и возможностью высокой загрузки:

- подходит для различных типов самолётов от пенопластовых до FAi F3A.

- система крепления пропеллера избавляет от установки дополнительного адаптера.

- позволяет отказаться от использования редуктора.

- надёжность обеспечивает бесперебойную работу. Нет щёток, которые быстро изнашиваются. Двойные подшипники закрыты с двух сторон и защищены от попадания грязи.

- исключительно высокое соотношение мощности к весу.

- износостойкие алюминиевые и стальные части.

- максимальная оценка эффективности 80%.

- предустановленные позолоченные разъёмы (3 штуки).

Характеристики:

1) максимальная мощность: 260W;

2) электропитание: LiPo 3 банки;

3) оборотов на 1 Вольт электропитания: 980 об/В;

4) максимальная эффективность при: 17А;

5) максимальная загрузка: 24А;

6) количество витков обмотки: 9;

7) сопротивление: 81 mOhm;

8) монтажные отверстия: 16/21 мм;

9) размеры: 28x34 мм;

10) вес: 70 г;

11) диаметр вала: 3.17 мм;

12) рекомендуемые пропеллеры: 10x5..12x6;

13) вес модели: 1200 г.

В комплекте:

- бесколлекторный мотор XM2834CA-9;

- элементы крепления (крестовина, адаптер пропеллера);

- винты крепления;

- наклейки;

- инструкция.

Регулятор оборотов двигателя (контроллер) представлен на рисунке 2.

Рисунок 2. Регулятор оборотов двигателя

Основные характеристики контроллеров:

1. Максимальный постоянный (сontinius) ток - указывает, какой ток контроллер способен держать продолжительное время. Как правило, этот параметр входит в обозначение контроллера (например Jes -18, Phoenix -10). Иногда указывают величину «кратковременного» тока, допустимого в течении нескольких секунд. «Кратковременный» ток способны держать выходные транзисторы контроллера, но рассеивать выделяемое при этом токе количество тепла контроллер не в состоянии.

2. Максимальное рабочее напряжение - указывается, с каким количеством NiCd или литий-полимерных банок можно использовать контроллер. Для контроллеров с ВЕС-ом, эта величина может быть разная, в зависимости от количества сервомашинок. Это связано с рассеиванием тепла стабилизатором схемы ВЕС - при большем числе банок максимальный ток нагрузки BEC и, следовательно, количество сервомашинок меньше. Как правило, если используется ВЕС, количество банок не превышает 12. Если работать с большим количеством банок, то придется ставить отдельную батарею питания приемника. Но в любом случае нельзя превышать максимальное напряжение, допустимое для контроллера.

3. Максимальные обороты (maximum rpm) - программное ограничение максимальных оборотов. Всегда указывается для двухполюсного двигателя. Для многополюсных моторов это число надо разделить на количество пар полюсов. Например, если указано 63000 rpm, то для мотора с 12-ю магнитами максимальные обороты будут

63000/6=10500 rpm,

а это уже не так много... Данная функция не дает мотору набрать большее, чем указано количество оборотов, некоторые контроллеры при превышении этого значения на холостом ходу начинают сбоить, вызывая значительные броски тока - мотор начинает резко дергаться. Этот эффект не является признаком неисправности мотора контроллера.

4. Внутреннее сопротивление - полное сопротивление силовых ключей контроллера, без учета проводов. Чем мощнее контроллер, тем меньше его внутреннее сопротивление. Как правило, сопротивление проводов сравнимо с внутренним сопротивлением контроллера и вносит до 30% потерь. Для примера, внутреннее сопротивление контроллера Castle Creations Phoenix-25 13 mOhm, а сопротивление 30 см провода сечением 1кв.мм - 6 mOhm, то есть почти треть потерь приходится на провода.

5 Частота импульсов контроллера (PWM Frequency) - как правило, составляет 7-8 Кгц. У «продвинутых» контроллеров частоту регулирования можно программировать на другие значения - 16 и 32 Кгц. Эти значения применяется в основном для высокооборотных 3-4-х витковых моторов с малой индуктивностью, при этом улучшается линейность регулирования частоты вращения.

Особенности подключения контролеров:

1. Провода - не такое простое дело, как может показаться на первый взгляд. Есть несколько важных аспектов.

2. Самое главное - нельзя делать провода от контроллера до аккумулятора большой длины. Дело в том, что стартовые токи бесколлекторных моторов намного больше, чем аналогичных коллекторных, и при работе моторов возникают большие броски тока. Конденсаторы, всегда стоящие на входе контроллера, должны быть специального типа, но многие производители ставят обычные.

Практически все современные контроллеры имеют множество программных настроек. От них зависит режим работы, надежность, а иногда и работоспособность контроллера в паре с тем или иным мотором.

Было произведено перепрограммирование настроек в регуляторе оборотов двигателя для модели Piper J-3 Cub. Произведён анализ основных настроек: как и на что они влияют.

Настройки:

1. Напряжение выключения мотора (cut-off voltage) - при каком минимальном напряжении на батарее мотор будет выключен. Эта функция предназначена для сохранения работоспособности аппаратуры при разряде батареи и для защиты самой батареи от переразряда (последнее особенно важно для литий-полимерных аккумуляторов). На некоторых контроллерах (например, Jeti серии “ Advansed ”) нет установки напряжения на конкретное число банок в случае использования литиевых батарей, количество банок при этом определяется автоматически.

2. Тип выключения мотора (cut-off voltage) - как правило имеет 2 значения - плавный (soft cut-off) и жесткий (hard cut-off). При плавном выключении мотора контроллер сбрасывает обороты постепенно, не позволяя напряжению на батарее упасть ниже заданного, при этом контроль над моделью сохраняется до последнего. При жестком - мотор немедленно останавливается если зафиксировано падение напряжения ниже заданного. Жесткое отключение может доставить некоторые неудобства при разряженном аккумуляторе: манипулируя газом, вместо небольшой прибавки оборотов иногда получается полная остановка мотора.

3. Тормоз (brake) - торможение мотора после установки газа в «ноль». Может иметь значения включен/выключен, на некоторых контроллерах есть еще программируемая величина тормоза 50-100% и задержка включения тормоза после полного сброса газа. Это необходимо для защиты шестеренок редуктора в случае использования больших и тяжелых пропеллеров. В некоторых контроллерах, например том же Jeti серии «Advanced» тормоз и плавное выключения мотора - установки взаимоисключающие - для включения плавного отключения мотора надо выключить тормоз и наоборот... Намудрили чехи, однако.

4. Опережение (Timing) - параметр, от которого зависит мощность и КПД двигателя. Может находится в пределах от 0° до 30°. Физически это электрический угол опережения коммутации обмоток.

5. Режим старта (start mode) - не имеет как правило каких-то числовых значений, описывается только как мягкий, (soft) жесткий (hard), быстрый (fast) и пр. Быстрый старт рекомендуется для моторов без редукторов и для использования в соревнованиях. При использовании быстрого старта в моторах с редукторами возможно повреждение шестерен. Плавный старт обеспечивает меньшие пусковые токи в момент старта и позволяет избежать возможных перегрузок по току контроллера, но время раскрутки мотора до полных оборотов увеличивается.

6. Время акселерации или задержка акселерации (acseleleration time или acseleration delay) - устанавливает время набора оборотов после старта до максимума. Устанавливается меньше для моторов с легкими пропеллерами без редукторов и больше для моторов с редукторами и в случае срабатывания защиты по току при резком прибавлении газа.

7. Ограничение тока (Curent limiting) - уровень срабатывания защиты по току. Устанавливается более чувствительным в случае применения моторов с большим стартовым током и батарей с высоким внутренним сопротивлением. При этом желательно установить плавное отключение мотора, в противном случае при резких манипуляциях газом мотор будет останавливаться. Не рекомендуется отключать защиту по току, если вы не уверены, что ток мотора не может превысить максимально допустимое значение для контроллера. Это может привести к повреждению контроллера большими стартовыми токами.

8. Режим газа (throttle type или throttle mode) - устанавливает зависимость оборотов мотора от ручки газа. Может иметь значения автокалибровки (auto calibrating) - при этом контроллер самостоятельно определяет положение малого и полного газа, а также фиксированный (fixed) - когда характеристика задана производителем. Также в некоторых контроллерах присутствует режим «гувернер» (governor), он предназначен для вертолетов, когда положению ручки газа соответствуют определенные обороты, а не мощность двигателя, контроллер в данном режиме работает как автоматическая система поддержания оборотов, прибавляя мощность при увеличении нагрузки на двигатель.

9 Реверс (reverse) - смена направления вращения. Обычно для изменения направления вращения двигателя надо поменять местами любые два провода от мотора. Но в продвинутых контроллерах, возможно, изменить направление вращения мотора программно. В некоторых контроллерах, например в Kontronik серии «Beat», нет отдельных настроек параметров, но есть выбор комплексных режимов - планер, самолет, корабль, вертолет и даже автомобиль с задним ходом.

Принципиальная схема рулевой машинки приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Принципиальная схема рулевой машинки

Средняя стоимость - 425.00 р.

Технические характеристики:

1) Вращающий момент кг/см: 1,3/4,8В

2) Количество импульсов uS: 900-2100

3) Материал: Пластик

4) Рабочая скорость sec/60degree: 0,12/4,8В - 0,10/6В

5) Рабочий угол гр.: 120

6) Тип: Аналоговая

7) Вес: 9гр

8) Размеры (Д х Ш х В) мм: 23.2х12.5Ч22

Для управления движущимися моделями требуется воздействие одновременно на несколько функций. Поэтому передатчики радиоуправления делают многоканальными.

Внешний вид передатчика изображен на рисунке 4.

Рисунок 4. Внешний вид передатчика

Каналы управления бывают двух типов - пропорциональные и дискретные. Проще всего пояснить это на автомобиле: газ - это пропорциональный канал, а свет фар - дискретный. Сейчас дискретные каналы используются только для управления вспомогательными функциями: включение фар, выпуск шасси. Все основные функции управления идут по пропорциональным каналам. При этом величина отклонения руля на модели пропорциональна величине отклонения джойстика на передатчике. Так вот, в модульных передатчиках есть возможность расширения числа как пропорциональных, так и дискретных каналов. Как это делается технически, мы рассмотрим позднее.

С многоканальностью связана одна принципиальная эргономическая проблема. У человека две руки, которые могут управлять одновременно только четырьмя функциями. На настоящих самолетах еще используют ноги пилотов (педали). Моделисты еще к этому не пришли. Поэтому управление остальными каналами осуществляется от отдельных тумблеров у дискретных каналов или ручек - у пропорциональных, либо эти вспомогательные функции получают путем вычисления из основных. Кроме того, сигналы управления моделью также могут не прямо управляться от джойстиков, а проходить предварительную обработку.

Рассмотрена обработка управляющих сигналов и микширование.

Два главных момента: передатчик можно держать по-разному, но главное - чтобы его не выронить; в передатчиках бывает много каналов, а управляться надо всегда только при помощи двух рук, что порой бывает не очень просто.

Рассмотрим еще несколько практических моментов, которые реализуют передатчики:

- триммирование;

- регулирование чувствительности ручек;

- реверс каналов;

- ограничение расходов рулевых машинок;

- микширование;

- другие функции.

Триммирование - очень важная вещь. Если, управляя моделью, вы отпустили ручки передатчика, то пружины вернут их в нейтральное положение. Вполне логично ожидать, что модель при этом станет перемещаться прямо. Однако на практике это не всегда так. Причин тому много. Например, если вы запускаете только что построенный самолет, то вы можете неправильно учесть вращательный момент от двигателя, да и вообще модель редко бывает идеально симметричной и правильной формы. В результате - даже если рули стоят с виду ровно, модель все равно полетит не прямо, а как-то иначе. Чтобы исправить ситуацию, положение рулей надо будет подкорректировать. Но вполне понятно, что делать это прямо на модели во время запусков очень непрактично. Гораздо проще было бы чуть сдвинуть ручки передатчика в нужных направлениях. Именно это и выполняют триммеры. Это дополнительные рычажки по бокам джойстиков, которые задают их смещение. Если надо подкорректировать нейтральное положение рулей на модели, достаточно всего лишь воспользоваться нужным триммером. Причем, триммирование можно проводить прямо на ходу, во время запусков, наблюдая за реакцией модели.

Регулирование чувствительности ручки - вполне понятная функция. Когда вы настроили управление под конкретную модель, вам надо установить такую чувствительность, чтобы управление было для вас наиболее комфортным. В противном случае, модель будет реагировать на ручки передатчика слишком резко или, напротив, слишком вяло. Более «продвинутые» модели позволяют устанавливать экспоненциальную функцию чувствительности ручек передатчика, чтобы точнее «рулить» при слабых отклонениях.

В зависимости от того, как установлены рулевые машинки и как подсоединены тяги, нам может потребоваться изменить их направление работы. Для этого все передатчики позволяют независимо реверсировать каналы управления.

Сама механика модели может иметь ограничения, поэтому иногда требуется ограничивать ход рулевых машинок. Для этого многие передатчики имеют отдельную функцию ограничения хода, хотя при ее отсутствии можно попытаться обойтись регулировкой чувствительности ручек.

Иногда может потребоваться, чтобы рулевая машинка на модели управлялась одновременно от нескольких ручек передатчика. Хорошим примером может служить летающее крыло, где оба элерона управляют высотой и креном модели, т.е. движение каждого зависит от перемещения на передатчике ручки высоты и ручки крена. Такие элероны называют элевонами.

Когда мы управляем высотой, оба элевона отклоняются одновременно вверх или вниз, а когда управляем креном - элевоны работают в противофазе.

Сигналы элеронов считаются по формуле (1) и (2), как Ѕ сумма и Ѕ разность сигналов высоты и крена:

Где, высота - сигнал высоты;

крен - сигнал крена.

Т.е. сигналы от двух каналов управления смешиваются и передаются после этого на два канала исполнения. Такие вычисления, где задействуются данные с нескольких ручек управления, называются микшированием.

Микширование может быть реализовано как в передатчике, так и на модели. А сама реализация может быть как электронной, так и механической.

Хочется отметить, что модели, с которых начинают работать, скорее всего не потребуют для своей работы микшеров. Более того, возможно, что наличие микшеров не потребуется вам очень долго (а может они вам и вообще никогда не понадобятся). Так что если вы решите приобрести себе простенькую 4-канальную джойстиковую аппаратуру, или 2-канальную пистолетную, то расстраиваться из-за отсутствующих микшеров не стоит.

В хороших передатчиках верхнего ценового диапазона можно найти массу других функций. Степень их нужности для той или иной модели - вопрос дискуссионный. Чтобы составить себе представление о них, можно почитать описание таких передатчиков на сайтах производителей.

Рассмотрел аналоговые и компьютерные передатчики.

Чтобы понять разницу между аналоговыми и компьютерными передатчиками, обратимся к более жизненному примеру. Лет пятнадцать назад начали распространяться программируемые телефоны. От обычного они отличались тем, что помимо разговора и определения номера звонящего абонента, позволяли запрограммировать на одну кнопку набор целого номера, или составить «черный список» абонентов, на звонки которых телефон не реагировал. Появилась куча дополнительных сервисов, которые простому абоненту часто были не нужны. Так вот, аналоговый передатчик - это как простой телефон. В нем обычно не более 6 каналов. Как правило, реализованы простейшие из описанных выше сервисов: имеется реверс каналов (иногда не всех), триммирование и регулировка чувствительности (обычно, на первые 4 канала), установка крайних значений канала газа (холостого хода и максимальных оборотов). Регулировки осуществляются переключателями и потенциометрами, иногда при помощи маленькой отвёртки. Такие аппараты просты в освоении, но их гибкость в эксплуатации ограничена.

Компьютерная аппаратура характеризуется тем, что все настройки в ней можно запрограммировать при помощи кнопок и дисплея так же, как на программируемых телефонах. Сервисов здесь может быть море. Из основных стоит отметить следующие:

1. Наличие памяти на несколько моделей. Очень удобная вещь. Можно запомнить все настройки микшеров, реверсов и расходов, чтобы не перестраивать передатчик, когда вы решите его использовать с другой моделью.

2. Запоминание значений триммеров. Весьма удобная функция. Вы можете не беспокоится, что при транспортировке триммеры случайно собьются, и вам придется вспоминать их положение. Перед запуском модели достаточно будет всего лишь проверить, что триммеры установлены «по центру».

3. Большое количество встроенных микшеров и переключателей режимов работы позволит реализовать самые разнообразные функции на сложных моделях.

4. Наличие дисплея заметно облегчает настройку аппаратуры.

5. По количеству функций и цене компьютерная аппаратура варьируется в довольно широких пределах. Конкретные возможности лучше всегда смотреть на сайте производителя или в инструкции.

Самые дешевые аппараты могут идти с минимумом функций, и ориентированы в первую очередь на удобство эксплуатации. Это в первую очередь память моделей, цифровые триммеры и пара микшеров.

Боле сложные передатчики, как правило, отличаются количеством функций, расширенным дисплеем и дополнительными режимами кодирования данных (для защиты от помех и повышения скорости передачи информации).

Принцип формирования радиосигнала рассмотрен как информация от передатчика попадает на приемник.

Для того, чтобы излучаемый передатчиком радиосигнал мог переносить полезную информацию, он подвергается модуляции. То есть управляющий сигнал изменяет параметры несущей радиочастоты. На практике нашли применение управление амплитудой и частотой несущей, обозначаемые буквами АМ (Amplitude Modulation) и FM (Frequency Modulation). В радиоуправлении используется только дискретная двухуровневая модуляция. В варианте АМ несущая имеет либо максимальный, либо нулевой уровень. В варианте FM излучается сигнал постоянной амплитуды, либо с частотой F, либо с чуть смещенной частотой F +df. Сигнал FM передатчика напоминает сумму двух сигналов двух АМ передатчиков, работающих в противофазе на частотах F и F +df соответственно. Из этого можно понять даже не углубляясь в тонкости обработки радиосигнала в приемнике, что в одинаковых помеховых условиях FМ сигнал имеет принципиально большую помехозащищенность, чем АМ сигнал. АМ аппаратура, как правило, дешевле, однако разница не очень велика. В настоящее время использование АМ аппаратуры оправдано только для тех случаев, когда расстояние до модели относительно невелико. Как правило, это справедливо для автомоделей, судомоделей и комнатных авиамоделей. Вообще, летать с использованием AM-аппаратуры можно лишь с большой опаской и вдали от промышленных центров. Аварии обходятся слишком дорого.

Модуляция, позволяет наложить на излучаемую несущую полезную информацию. Однако в радиоуправлении используется только многоканальная передача информации. Для этого все каналы уплотняются в один посредством кодирования. Сейчас для этого используется только широтно-импульсная модуляция, обозначаемая буквами РРМ (Pulse Phase Modulation) и импульсно-кодовая модуляция, обозначаемая буквами РСМ (Pulse Code Modulation). Из-за того, что для обозначения кодирования в многоканальном радиоуправлении и для наложения информации на несущую используется слово «модуляция», часто путают эти понятия. Рассмотрели типовой РРМ сигнал пятиканальной аппаратуры на рисунки 5.



Рисунок 5. Типовой РРМ сигнал пятиканальной аппаратуры

РРМ сигнал имеет фиксированную длину периода Т=20мс. Это означает, что информация о положениях ручек управления на передатчике попадает на модель 50 раз в секунду, что определяет быстродействие аппаратуры управления. Как правило, этого хватает, поскольку скорость реакции пилота на поведение модели намного меньше. Все каналы пронумерованы и передаются по порядку номеров. Значение сигнала в канале определяется величиною временного промежутка между первым и вторым импульсом - для первого канала, между вторым и третьим - для второго канала и т.д.

Приемник 6-канальный DSMX AR6210 6-Channel Receiver UltraLite Рисунок 6.

Рисунок 6. Приемник 6 каналов с сателлитом Авиа DSMX AR6210

Технические характеристики:

1) Количество каналов: 6;

2) Тип модели: авиамодель;

3) Диапазон: 2,4 ГГц;

4) Модуляция: DSMX/DSM2;

5) Длина антенны приёмника: 30 мм (2 штуки);

6) Длина антенны дополнительного приёмника: 30 мм (2 штуки);

7) Длина: 30,1 мм;

8) Ширина: 21,6 мм;

9) Высота: 12,3 мм;

10) Вес: 10 граммов;

11) Напряжение: 3,5-9,6В.

Литий-полимерный аккумулятор (Li-pol или Li-polymer) -- это более совершенная конструкция литий-ионного аккумулятора. Используется в мобильных телефонах, цифровой технике.

Обычные, бытовые литий-полимерные аккумуляторы не способны отдавать большой ток, но существуют специальные силовые литий-полимерные аккумуляторы, способные отдавать ток в 10 и даже 20 раз превышающий численное значение емкости (10-20С). Они широко применяются в портативном электроинструменте, в радиоуправляемых моделях и в некоторых современных электромобилях.

Преимущества: низкая цена за единицу емкости; большая плотность энергии на единицу объема и массы; низкий саморазряд; толщина элементов до 1 мм; возможность получать очень гибкие формы; экологически безопасные; незначительный перепад напряжения по мере разряда.

Недостаток: диапазон рабочих температур ограничен: элементы плохо работают на холоде и могут взрываться при перегреве выше 70 градусов Цельсия. Требуют специальных алгоритмов зарядки (зарядных устройств), представляют повышенную пожароопасность при неправильном обращении.

Основные характеристики аккумуляторов:

1) Ёмкость аккумуляторов измеряется в миллиампер-часах (мА·ч). Бортовые батареи для сервоприводов и приёмника обычно имеют ёмкости от 200--300 до 2000 мА·ч. Ходовые аккумуляторы -- до 5300 мА·ч и выше. [1](англ.)

2) Масса элемента зависит от его типа и емкости. Важное значение имеет отношение емкости к массе, показывающее, какова плотность запасаемой аккумулятором энергии.

3) Токоотдача характеризует способность аккумулятора отдавать ток определенной величины. Обозначается в численных значениях емкости. Например 10С для аккумулятора емкостью 600 мА*ч означает, что данный аккумулятор способен отдавать ток, равный 10*0.6 = 6 Ампер. Бытовые аккумуляторы способны отдавать ток до 3С; силовые, необходимые для питания ходового двигателя модели - от 10С и выше.

4) Внутреннее сопротивление определяет токоотдачу батареи. Чем меньше сопротивление, тем выше ток, который способен отдавать аккумулятор. При превышении допустимого тока, внутри элемента возрастает тепловыделение, возникает риск перегрева элемента, способный в свою очередь привести к закипанию электролита с интенсивным газообразованием и последующему взрыву элемента.

5) Напряжение элемента зависит от типа (химии) аккумулятора: типа использованных внутри него реагентов и реакций между ними.

6) Напряжение батареи зависит от числа элементов в аккумуляторной батарее и напряжения каждого элемента в отдельности. Чем выше напряжение батареи, тем выше максимальный ток, который эта батарея может отдать в нагрузку с фиксированным сопротивлением.

Представляют собой пластины прямоугольной формы, номинальное напряжение одного элемента (пластины) 3,6в; полностью заряженного 4,2в. Обладают примерно втрое большей емкостью на единицу массы, чем никель-металл-гидридные аккумуляторы. Требуют аккуратного и осторожного обращения при эксплуатации: неправильная зарядка, перегрев или механическое повреждение литий-полимерных батарей может привести к их возгоранию! Для зарядки используются только специальные зарядные устройства для литий-полимерных аккумуляторов; в процессе заряда не допускается оставлять процесс без присмотра - чтобы исключить риск возникновения пожара. Благодаря своим выдающимися емкостным характеристикам литий-полимерные аккумуляторы широко применяются на современных летающих моделях, обеспечивая столь высокую мощность, что электрические авиамодели с литий-полимерными батареями сравнимы а порой и превосходят аналогичные модели с ДВС.

Описание:

- тип батареи: Li-Po;

- размер: 74x36,5х21 мм;

- ёмкость: 1300 мАч;

- напряжение: 11,1 В;

- токоотдача: 30С;

- вес аккумулятора: 115 грамм;

- разъем провода: XT60;

- разъем под балансир.

1.2 Схемы и их описания

Для авто и судомоделей нужно два канала: управление направлением движения и оборотами двигателя. Навороченные пистолетные передатчики имеют еще и третий канал, который может использоваться для управления смесеобразованием ДВС (радиоигла).

Для управления простейшими летающими моделями тоже могут использоваться два канала: рули высоты и элероны у планеров и самолетов, или руль высоты и направления. Для дельтапланов используют управление по крену и мощностью мотора. Также эта схема применяется и на некоторых простейших планерах - руль поворота и включение двигателя. Такие двухканальные передатчики можно использовать для парковых моделей и электролетов начального уровня. Однако для полноценного управления самолетом нужно не менее четырех, а вертолетом - пяти каналов. Для самолетов на двух координатных джойстиках выводятся функции управления рулем высоты, направления, элеронами и газом двигателя. Конкретная раскладка функций по джойстикам бывает двух типов: Mode 1 и Mode 2. Разные автомоделисты предпочитают различные типы управления моделями в соответствии с личным удобством.

На рисунке 7 показана конкретная раскладка функций по джойстикам Mode 1 - руль высоты слева по вертикали и руль направления по горизонтали, газ справа по вертикали и крен по горизонтали;

Рисунок 7. Mode 1: руль высоты слева по вертикали и руль направления по горизонтали, газ справа по вертикали и крен по горизонтали

На рисунке 8 показана конкретная раскладка функций по джойстикам Mode 2 - газ слева по вертикали и руль направления по горизонтали, руль высоты справа по вертикали и крен по горизонтали.

Рисунок 8. Mode 2 (газ слева по вертикали и руль направления по горизонтали, руль высоты справа по вертикали и крен по горизонтали)

Mode 1 еще называют двуруким вариантом, а Mode 2 - одноруким. Эти названия следуют из того, что в последнем варианте можно довольно долго управлять самолетом одной рукой.

Есть еще Mode 3 и 4, но они мало распространены.

Споры моделистов о преимуществах той или иной схемы не стихают до сих пор. В любом случае, большинство передатчиков легко перестраиваются с одной раскладки на другую.

Для эффективного управления вертолетом нужно уже пять каналов (не считая канала управления чувствительностью гироскопа). Здесь имеет место совмещение двух функций на одно направление джойстика (как это происходит, мы рассмотрим позднее). Раскладки ручек во многом аналогичны самолетным. Среди особенностей можно отметить ручку газа, которую некоторые пилоты инвертируют (минимальный газ - вверху, максимальный - внизу), так как считают это более удобным.

Выше рассматривалось минимально необходимое число каналов для управления движением моделей. Но функций управления моделями может быть очень много. Особенно на моделях копиях. На самолетах это может быть управление уборкой шасси, закрылками и другой механизацией крыла, бортовыми огнями, тормозами колес шасси. Еще больше функций у моделей-копий кораблей, имитирующих различные механизмы реальных судов. На планерах используют управление флаперонами и воздушными тормозами (интерцепторами), убираемыми шасси и другие функции. На вертолетах используют еще управление чувствительностью гироскопа, убираемым шасси и другими дополнительными функциями. Для управления всеми этими функциями выпускаются передатчики с числом каналов 6, 7, 8 и до 12. Кроме того, в модульных передатчиках имеется возможность наращивания числа каналов.

Простейшая схема управления двигателем постоянного тока представлена на рисунке 9. Схема состоит из полевого транзистора, на затвор которого подается ШИМ сигнал. Транзистор в данной схеме исполняет роль электронного ключа, коммутирующего один из выводов двигателя на землю. Транзистор открывается на момент длительности импульса.

Рисунок 9. Схема управления двигателем постоянного тока

Если частота ШИМ сигнала будет низкой (единицы Гц), то двигатель будет поворачиваться рывками. Это будет особенно заметно при маленьком коэффициенте заполнения ШИМ сигнала.

При частоте в сотни Гц мотор будет вращаться непрерывно и его скорость вращения будет изменяться пропорционально коэффициенту заполнения. Иначе говоря, двигатель будет «воспринимать» среднее значение подводимой к нему энергии.

Схема регулятора для бесколлекторного двигателя изображена на рисунке 10.



Рисунок 10. Схема регулятора для бесколлекторного двигателя

Схема включает два микроконтроллера КР1006ВИ1 на рисунке 11 и К142ЕН8В на рисунке.

Рисунок 11. Схема включает КР1006ВИ1

Микросхема КР1006ВИ1 по сути своей является достаточно простым, но в то же время многофункциональным интегральным таймером, достаточно широко используется в различных радиоэлектронных конструкциях.

Описание параметров интегрального таймера КР1006ВИ1:

1) Контакт №1 -- Земля. Вывод соединяется с общим проводом схемы или минусом источника питания.

2) Контакт №2 - Запуск. Данный вывод соединен с входом компаратора D2. При поступлении на данный вход сигнала логический ноль, величина которого не должна превышать 30% от напряжения питания, осуществляется пуск интегрального таймера КР1006ВИ1, вследствие чего на его выходе 3 возникает логическая единица.

3) Контакт №3 - Выход. Уровень лог.1 примерно равен Uпит. - 1,7 вольта, а лог.0 = 0,25 вольта. Время переключения из одного состояния в другое составляет в районе 0,1мкс.

4) Контакт №4 -- Сброс. При поступлении на данный вывод напряжения лог.0 (не больше 0,7в) совершается сброс таймера, и поэтому на выводе 3 появляется напряжение низкого уровня. Если в проектируемой схеме нет надобности в режиме сброса, то желательно данный вывод 4 соединить с плюсом источника питания.

5) Контакт №5 -- Контроль. Как правило, данный вывод не применяется. Хотя его использование может существенно увеличить функциональность таймера. В частности, при подаче на этот вход сигнала от 45 до 90% от напряжения питания (в моностабильном мультивибраторе) и от 1,7 вольта до Uпит. (в мультивибраторе), можно контролировать продолжительностью импульсов на выходе. Это позволяет избавиться от внешней RC цепи. Если в этом нет надобности, то его необходимо подключить к минусу схемы через конденсатор 10нФ.

6) Контакт №6 -- Стоп. Данный вывод соединен с входом компаратора D1. Подавая на данный вывод лог.1 можно остановить работу КР1006ВИ1, и при этом на выходе 3 будет лог.0.

7) Контакт №7 -- Разряд. Данный вывод подсоединен к коллектору транзистора VТ1, эмиттер же его подсоединен с минусом питания. Транзистор открыт, в тот момент, когда на выходе таймера низкий уровень, и закрыт, когда на выходе высокий уровень.

8) Контакт №8 -- Питание. Питание КР1006ВИ1 осуществляется от 4,5 до16 вольт.

Предназначена для применения в стабильных датчиках времени, генераторах импульсов, широтно-импульсных, частотных и фазовых модуляторах, преобразователях напряжения и сигналов, ключевых схемах, исполнительных устройствах в системах управления, контроля и автоматики. Содержит 51 интегральный элемент. Корпус типа 2101.8-1 и 4309.8-A.

Зарубежные аналоги: NE555NL, LM555CN-8, LM555M.

Микросхема КР142ЕН8А представляет собой стабилизатор напряжения с фиксированным выходным напряжением и защитой от перегрузок по току.

Основные характеристики микросхемы К142ЕН8В:

1) Выходное напряжение 15В

2) Выходной ток 1,5 А

3) Максимальное входное напряжение 35 В

4) Разность напряжения вход-выход 2,5 В

5) Мощность рассеивания (с теплоотводом) 8 Вт

6) Точность выходного напряжения ±0.45 В

7) Диапазон рабочих температур -45…+100 °C

Типовая схема включения микросхемы К142ЕН8В

Для микросхемы К142ЕН8В емкость входного конденсатора C1 должна быть не менее 2,2 мкф для керамических или оксидных танталовых и не менее 10 мкФ - для алюминиевых оксидных конденсаторов, а выходного конденсатора C2 - не менее 1 и 10 мкФ соответственно. Роль входного может исполнять конденсатор сглаживающего фильтра, если он расположен не далее 70 мм от микросхемы.



1.3 Программное обеспечение

Для прошивки регулятора оборотов двигателя была использована Карта программирования Turnigy, изображён на рисунке 12.

Рисунок 12. Карта программирования Turnigy

Карта предназначена для настройки регуляторов двигателей Turnigy серий Plush и Basic. Все управление осуществляется при помощи четырех кнопок и светодиодной индикации. Карта может быть запитана как от BEC регулятора, так и от отдельного BEC (для настройки регуляторов OPTO). Для второго случая предусмотрен специальный разъем Batt.

Функции программирования:

1) Тормоз (Brake): Настройка имеет 2 состояния: ВКЛЮЧЕНО (ON) - мотор остановится немедленно при переводе стика газа в крайнее нижнее положение; ВЫКЛЮЧЕНО (OFF) - при переводе стика газа в крайнее нижнее положение мотор будет вращаться по инерции;

2) Тип батареи (Battery Type): Настройка позволяет установить тип используемого аккумулятора - литиевый или никелевый.

3) Отключение при низком напряжении питания (Cut-off Type)ЃFКогда выбрано положение Soft-Cut, регулятор будет постепенно уменьшать выходную мощность. Когда выбрано положение Cut-Off, регулятор отключит мотор сразу по достижении заряда аккумулятора минимального значения.

4) Порог отключения при пониженном напряжении питания (Cut-off Voltage)ЃF Для аккумуляторов типа Li-xx (Li-ion или Li-poly), количество банок батареи определяется автоматически. Настройка позволяет выбрать один из трех вариантов уровня отключения: Низкое / Среднее / Высокое (Low / Medium / High). Значение порога отключения напряжения для каждой банки аккумулятора при этом определяются регулятором. В китайской инструкции правда приведены такие уровни: 2.6В / 2.85В / 3.1В на банку.

5) Для аккумуляторов типа Ni-xx battery (NiCd или NiMH), Низкое / Среднее / Высокое (Low / Medium / High) значениями порога отключения напряжения являются 0% / 45% / 60%. Уровень напряжения отсечки считается от напряжения аккумулятора при каждом его подключении к регулятору. (0% означает, что функция cut-off отключена).

6) Запуск двигателя (Start Mode): Normal/Soft/Very Soft - Нормальный/Плавный/Мягкий. Нормальный режим предназначен для обычных самолетов, Плавный и Мягкий предпочтителен для вертолетных моторов.

7) Временное регулирование (Timing Mode): Этот параметр определяет временной сдвиг подачи напряжения на электромагниты мотора во время его работы. При значении Нigh - Высокий, электромагниты мотора будут намагничены более долгий период, что приведет к увеличению мощности мотора, а также и к увеличению потребления тока. Такой режим предназначен для выполнения фигур высшего пилотажа. При значении Low - Низкий, электромагниты мотора будут намагничены короткий период, что уменьшит мощность мотора и уменьшит в свою очередь потребления тока. Такой режим предназначен для выполнения длительных полетов.

8) Музыка:4 светодиодных индикатора имеют различные значения для регуляторов с/без индекса “HV” (см таблицу ниже).

9) Governor mode, OFF/ON- Выключено/Включено. Эта функция позволяет поддерживать скорость вращения мотора постоянной несмотря на различную нагрузку. Ее можно сравнить с круиз контролем (cruise control), когда автомобиль движется вверх и вниз по холмистой местности с одинаковой скоростью. Как правило, используется для вертолетных моторов.

Подключение и процесс программирования: в целях сохранности карты, регулятора и их правильного функционирования подключение осуществлять строго в ниже описанной последовательности.

Подключаем регулятор к карте программирования разъем BEC. При подключении важно не перепутать сигнальный(белый) и минусовой(черный) провода.

Если регулятор без BEC, подключаем питание к карте с внешнего BEC.

Подключаем аккумуляторную батарею к регулятору и внешнему BEC при его наличии. Рекомендую использовать один аккумулятор.

Отключение производить в обратной последовательности.

При включении питания, карта считает настройки с регулятора. В соответствующих позициях загорятся красные светодиоды. Светодиод Connecting показывает передачу данных между картой и ESC. Когда он мигает - идет запись/чтение настроек.

Для ввода настроек кнопкой вверх/вниз (самая левая) переходим к нужному параметру. Красный светодиод при этом будет мигать в соответствующей строке. Далее кнопкой влево/вправо выбираем нужное значение параметра. Мигающий светодиод при этом будет перемещаться по строке. Для подтверждения выбора нажимаем кнопку ок. Ждем пока светодиод Connecting погаснет и все красные светодиоды будут гореть ровно. Значение параметра установлено.

Симулятор - это компьютерная программа, имитирующая полёт радиоуправляемой модели рисунок 13. Управляется модель, «летящяя» в компьютере, с помощью передатчика системы радиоуправления, подключённого к одному из портов компьютера.

Рисунок 13. Симулятор

Цель тренировки на симуляторе - доведение до автоматизма движений ручек передатчика при управлении моделью требует времени. Если практиковаться в этом на аэродроме, на летящей модели, 90% времени, отводимого на хобби, займёт ремонт разбитого самолёта - в полёте нужно не соображать, что куда дёргать, а рулить не задумываясь. Потому-то симулятор представляется идеальным средством экономии, как времени, так и денег при обучении.

Программирование контроллера. Как правило, вход в режим программирования делается таким образом, что при нормальном использовании включить его очень затруднительно. В некоторых контроллерах для программирования есть специальные перемычки (джамперы), а создатели Castle Creations предусмотрели кроме обычного (с передатчика), программирование через компьютер, с помощью специального USB адаптера, подключаемого к контроллеру через разъем для приемника - просто и гораздо удобней, чем считать вспышки светодиода или писки мотора.

Из нюансов следует отметить, что у некоторых контроллеров, например ТММ, процедуру программирования следует провести до конца - все параметры записываются в конце цикла программирования, а у других - например Castle Creations - программирование можно закончить в любой момент.

Как показывает практика - 70% проблем при использовании контроллеров связано со стартом двигателей. Если мотор у вас плохо стартует, то есть начинает вращаться, а потом останавливается - большинство причин кроется в больших бросках тока и как следствие, провалах питающего напряжения. В первую очередь проверьте провода до батареи. Пробную проверку лучше производить на той длине проводов, которые даны изготовителем, или короче.

Далее снять нагрузку с мотора и проверить его на холостом ходу. Если на хостом ходу все в порядке, а при установке пропеллера мотор упорно не желает крутится, только дергается в одном направлении, попробуйте поставить мягкий старт или увеличить время акселерации. Также здесь поможет установка плавного выключения мотора. Контроллеры, у которых есть ограничение тока, всегда имеют индикацию этого режима - опять же читайте инструкцию, чтобы установить, произошло срабатывание токовой защиты или нет...

Старые «золотые» Jeti серия Jes 18, отличаются, например одной особенностью - у них нет плавного выключения, и при попытке работы мотора с большими пусковыми токами от старых аккумуляторов, при резком движении ручкой газа мотор останавливается, если напряжение упало до 5.2 вольта. Это не неисправность контроллеров, это у них такой алгоритм выключения мотора: напряжение упало - мотор остановился.

Иногда бывает, что мотор стартует в другую сторону, набирает примерно 20-30% оборотов, потом «одумывается», и резко начинает крутится в нужном направлении. Останов и реверс сопровождаются резким броском тока, иногда срабатывает токовая защита. Данная ситуация происходит только с 2-3х витковыми двухполюсными спортивными моторами при наличии резкого старта. Причем мотор ведет так себя не всегда, примерно в 10% случаев. Выход из этой ситуации - опять же использование плавного старта.

Наличие выключателя в контроллере - это дополнительное удобство, позволяющее не залезать каждый раз вовнутрь модели, чтобы включить или выключить аппаратуру. Некоторые производители контроллеров не ставят выключателей на контроллеры предназначенные для токов ниже 40А, таковы например Castle Creations и Astro Flight.

Привлекает решение проблемы выключателей у контроллеров ТММ. У них каждая модель имеет версию с выключателем и без. Причем выключатель электронный, работает на размыкание, и если он в полете случайно оторвется (что вообще-то трудно себе представить) то контроллер и аппаратура останется включенной. Если контроллер ТММ забыть выключить, он при отсутствии сигнала с приемника начнет попискивать мотором. Подобная функция есть и у Astro Flight.

Про «выключатель» у контроллеров Jeti уже упоминалось в статье про литий-полимерные аккумуляторы, он выключает лишь питание приемника, контроллер при этом всегда включен. И не подает никаких сигналов об этом постепенно разряжая «в ноль» батарею, что для литиевых аккумуляторов заканчивается фатально.



2. Разработка устройства

2.1 Этапы разработки

модель радиоуправляемый самолет проектирование

Первое, что встретилось в дипломе, это выбор какую модель самолёта строить. Была выбрана модель Piper J-3 Cub, представленная на рисунке 14. Она была выбрана по причине того, что она проста в полёте для начинающих из-за смещённого к низу центра тяжести.

Рисунок 14. Модель самолёта Piper J-3 Cub

...