Achtergrond

Stijfheid, oscillatie en trillingsdemping zijn afzonderlijke concepten, maar allemaal enigszins relevant voor de vraag. Elk heeft invloed op de vluchtdynamiek, en elk is (enigszins) een functie van de materiaalkeuze.

Titanium is bijvoorbeeld erg stijf en het klinkt als een bel. CF is erg stijf, maar het klinkt als modder. Aluminium zit er tussenin.

Stijfheid

Stijfheid is een goede zaak als je niet wilt dat je constructie aan de eisen voldoet [*]. Stijfheid betekent dat het frame niet doorbuigt, wat belangrijk is voor de veronderstelde bewegingswetten. Anders gezegd: de stuurautomaat van een quadcopter gaat ervan uit dat alle motoren in een vaste richting zijn gericht [**]. Als die richtingen veranderen, d.w.z. door buiging, dan zijn de meest fundamentele aannames van de vluchtdynamiek onjuist. Het is geen verrassing dat de vliegprestaties achteruitgaan!

Natuurlijk zal elke constructie onder belasting buigen / afbuigen / verdraaien, hoe stijf ook. Wat belangrijk is, is of het een van deze voldoende doet om uw vluchtdoel in gevaar te brengen. Als je telescopische videografie probeert te maken, is een klein beetje fout onmiddellijk zichtbaar in de resultaten. Als je leert vliegen, dan is het prima, zolang de automatische piloot de zaken met de goede kant naar boven houdt.

Oscillatie

Oscillatie, zoals bedieningsoppervlak fladderen, treden op wanneer de hele constructie begint te vervormen als een veer. Dit kan zich dramatisch opbouwen en het casco snel aan flarden scheuren. (Het is echt zo snel, zo gewelddadig en zo eng.)

Als de armen van een quad onvoldoende worden gedempt, kunnen oscillaties optreden. Meestal gebeurt het als een draai om de armas, maar ik heb het ook in de klapperende richting zien gebeuren. Vanwege verschillen in dynamiek tussen een multirotor en een fixed-wing, is het onwaarschijnlijk dat uw quad aan boord uitvalt, maar het is ook erg moeilijk om de controle te behouden, zowel voor u als voor de automatische piloot.

Hoe dichter je bij instabiliteit komt, hoe meer energie je moet besteden om de zaken stabiel te houden. In het geval van een multi vertaalt dit zich op zijn minst in een kortere vliegtijd.

Hoe krachtiger uw input (bijv. Een krachtige quadcopter), hoe gemakkelijker het is om een ​​systeem voorbij een kritische dempingsdrempel te rijden. . De Tacoma Narrows-brug was hier beroemd om toen het waaide en de brug enigszins nat was. Meer recentelijk zijn deze uit de hand gelopen harmonische oscillaties beroemd gezien op de Millennium Bridge in Londen (verrassend vanwege menselijke bezoekersaantallen) en de Humen Perl River Bridge in China (zware wind).

Een volledige bespreking van hoe oscillatie te beheersen valt buiten het bestek van dit antwoord. Het is echter relevant op te merken dat sommige materialen veerkrachtiger zijn dan andere, en dat deze materialen meer kans hebben op pathologische trilling.

Trilling

Trilling is een vorm van trilling, maar ik breek het uit, zodat ik specifiek kan ingaan op hoe het sensorgegevens beïnvloedt. Trilling is een probleem wanneer het problemen met de signaalintegriteit veroorzaakt met de IMU (d.w.z. accelerometer + gyrometer) [***]. Dit kan de automatische piloot in verwarring brengen, waardoor deze onjuiste schattingen maakt van de rol-pitch-yaw van het vliegtuig en als gevolg daarvan ongepast reageert. Dit kan en zal crashes veroorzaken.

Nogmaals, een volledige bespreking van het beheersen van trillingen valt buiten het bestek van dit antwoord. En nogmaals, hoe veerkrachtiger het materiaal is, hoe waarschijnlijker het is dat het pathologische trillingen heeft.

Composieten versus metalen

Composieten (bijv. Koolstofvezel, glasvezel, kevlar, .. .) hebben zogenaamde anisotrope eigenschappen. Dit betekent dat ze niet in alle richtingen dezelfde eigenschappen hebben. Overweeg een vierkante plaat aluminium. Het maakt niet uit aan welke as je het trekt, het heeft dezelfde sterkte, stijfheid, warmteoverdracht, enz ... Dit is isotroop .

Beschouw nu hetzelfde blad gemaakt van unidirectionele koolstofvezel. Langs de koolstofvezelas is hij ongelooflijk sterk. Maar 90 graden gedraaid, waarbij het enige dat het bij elkaar houdt de lijm is, zul je merken dat het geen enkele sterkte heeft.

Je zou gelijk hebben als je aanneemt dat dit verschil in eigenschappen zich uitstrekt tot oscillatie en trillingen . Het resultaat is dat composieten lastig kunnen zijn om te kiezen, omdat twee schijnbaar vergelijkbare structuren (bijv. Een buis) zeer verschillende eigenschappen kunnen hebben.

[*] In staat om te bewegen en te buigen, zoals de Havik.
[**] Zie wiskunde in https://drones.stackexchange.com/a/323/46.
[***] Bijvoorbeeld aliasing en clipping.

TL;DR:

Ja, een halfstijf frame veroorzaakt trillingen tijdens het vliegen, omdat het de aard van motor- en propellertrillingen verandert wanneer de framedelen bewegen. Dit leidt tot een afname van de efficiëntie, aangezien de vluchtcontroller deze trillingen probeert te bestrijden en terug te keren naar een stabiele vlucht, waarbij iets meer kracht wordt gebruikt in het proces.

Overmatige trillingen in delen van het frame veroorzaakt door semi-flexibele stukken en / of onbeveiligde elektronische onderdelen kunnen ook schade aan het frame en elektrische componenten veroorzaken en het risico op ongelukken vergroten waarbij de quad voortijdig uit elkaar valt of uit de lucht valt.

Meer details

Strikt genomen is elke energie die het frame verdraait, energie die niet in het versnellen / vertragen van de quad gaat, wat wil zeggen dat het buigen van het frame aan boord de efficiëntie van het hele systeem zal verminderen. Dit geldt ook voor de stuwkrachtvector, die enigszins zal afwijken van verticaal wanneer het frame wordt gebogen, waardoor de efficiëntie afneemt. Deze verliezen zijn meestal erg klein en bijna te verwaarlozen, omdat de hoeveelheid buiging die mogelijk is op de meeste in de handel verkrijgbare frames minuscuul is. Als dit soort verliezen een probleem zijn voor uw quadrocopter, moet u ze verhelpen voordat u gaat vliegen, omdat ze er waarschijnlijk voor zorgen dat uw quad uit de lucht valt en of zichzelf schade toebrengt.

Er zijn echter andere problemen met frames waardoor onderdelen vrij kunnen buigen. Halfstijve frames bewegen met de motor- en propellertrillingen en buigen wanneer de stuwkracht van de motor verandert, waardoor de vluchtcontroller nog meer problemen krijgt en de vliegprestaties kunnen beïnvloeden. Dit kan een andere bron van efficiëntieverlies zijn, aangezien de vluchtcontroller oscillaties probeert te compenseren die worden veroorzaakt door delen van het frame die oncontroleerbaar trillen. Daarom wordt het altijd aanbevolen om de schroeven volledig vast te draaien en ervoor te zorgen dat alle onderdelen zorgvuldig aan het frame zijn vastgemaakt voordat u gaat vliegen.

Ik ga hier beginnen met meer dan alleen opmerkingen op andere antwoorden en ik ga deze vraag op mijn eigen unieke manier beantwoorden. Ten eerste heb ik een soortgelijke gerelateerde vraag, en die heb ik onlangs aan een branchedeskundige gesteld. Ik heb een vraag gesteld over de stijfheid van frames van koolstofvezel. Sorta als volgt: "Hoe stijf is stijf genoeg?"

En het antwoord dat ik hier zal parafraseren: "niemand meet de stijfheid van multirotorframes". En ... "Ze vliegen ermee tot het breekt en maken het dan sterker / stijver indien nodig." Ik heb vrijheden genomen met deze Q&A, zodat niemand het googelt om het gesprek te vinden. Ik geloof dat de expert me vertelde dat het niet uitmaakte. Ik was blij een antwoord van hem te krijgen.

Dus de oorspronkelijke vraag blijft zoals gesteld. "Hoe beïnvloedt de framestijfheid een quadcopter?" En mijn versie: "Hoe stijf is stijf genoeg?" Ik geloof dat er nog nooit een onderzoek is gedaan naar stijfheid en dat zal er misschien nooit een zijn.

Als je het met je handen kunt buigen, is het waarschijnlijk te flexibel. Als het breekt, maak het dan sterker.

Als iemand een bron heeft voor testgegevens van multirotorische framestijfheid, wil ik graag leren.

De Geeling Lightning 120 staat bekend om zijn zeer flexibele carbon, maar als ik ermee vlieg in mijn 30 meter hoge achtertuin met veel bomen, merk ik geen problemen. Ik ben dol op deze 3 "quad. Ik had echter genoeg schade aan de rekwisieten zodat ik uiteindelijk Jello kreeg. Geen probleem. Ik zette nieuwe rekwisieten op en de Jello was weg. Ik heb de Jello-problemen niet gehad met stijvere frames en beschadigd rekwisieten.