fpv compute thrust to weight

fPV Bereken stuwkracht naar gewicht

FPV Bereken stuwkracht/gewicht: een uitgebreide analyse van het berekenen en gebruiken van de stuwkracht/gewichtsverhouding voor FPV-drones

Invoering
In de wereld van First Person View (FPV) drones zijn vliegprestaties een belangrijk aandachtspunt voor zowel liefhebbers als professionele piloten. Van de vele parameters die de vliegeigenschappen en het vlieggedrag bepalen, springt de stuwkracht-gewichtsverhouding (TWR) eruit als een cruciale maatstaf. TWR drukt op levendige wijze de verhouding uit tussen de totale stuwkracht die wordt gegenereerd door de het voortstuwingssysteem van de drone en het eigen gewicht van de drone. Een hogere TWR duidt op een sterker klimvermogen, een wendbaardere respons en een verbeterde manoeuvreerbaarheid, terwijl een lagere TWR de prestaties van het vliegtuig beperkt.

Dit artikel richt zich op het concept van TWR in FPV-dronesWe beginnen met uit te leggen wat TWR is, hoe je het berekent en waarom het belangrijk is. Vervolgens bespreken we de factoren die TWR beïnvloeden, zoals motor prestatie, propeller selectie en batterijconfiguratie. Praktijkvoorbeelden illustreren hoe stuwkrachtgegevens en het totale gewicht gebruikt kunnen worden om de TWR te berekenen. Tot slot onderzoeken we hoe TWR-resultaten geïnterpreteerd en gebruikt kunnen worden om ontwerpbeslissingen te sturen, zodat piloten de gewenste prestaties en vliegeigenschappen kunnen bereiken.

I. Het basisconcept en belang van TWR begrijpen

  1. Definiëren van de stuwkracht-gewichtsverhouding (TWR)
    De stuwkracht-gewichtsverhouding is de verhouding tussen de totale stuwkracht die een vliegtuig (of drone) kan produceren en zijn eigen gewicht. Omdat het een verhouding van twee krachten is, is het dimensieloos (geen eenheden). De kernformule is:
TWR=Totaal Stoot (N)Gewicht (N)\tekst{TWR} = \frac{\text{Total Thrust (N)}}{\text{Weight (N)}}

Hierbij worden zowel stuwkracht als gewicht gemeten in dezelfde eenheid, idealiter Newton (N). Om een ​​zinvolle TWR te krijgen, moet u ervoor zorgen dat gewicht en stuwkracht worden omgezet naar consistente eenheden. Als u bijvoorbeeld gewicht in gram meet, moet u dit omrekenen naar Newton voordat u het deelt door de stuwkracht in Newton.

  1. Betekenis van TWR voor FPV-drones
    Bij FPV-drones heeft de TWR direct invloed op hoe de drone reageert op de input van de piloot en hoe goed hij presteert op het gebied van verticale klim, acceleratie en besturing. Richtlijnen zien er vaak als volgt uit:
  • TWR > 1: De drone kan gemakkelijk opstijgen en zweven; hij kan ook dynamischere manoeuvres uitvoeren.
  • TWR ≈ 1: De drone kan net zweven bij hoog gas, met beperkte wendbaarheid en trage respons.
  • TWR < 1: De drone kan niet genoeg stuwkracht genereren om de zwaartekracht te overwinnen; hij kan niet opstijgen.

Voor race-drones, freestyle quads en high-performance builds is een hoge TWR (e.g., 5:1, 10:1 of zelfs hoger) maakt snelle acceleratie, behendige besturing en complexe luchtacrobatiek mogelijk. Cameradrones of luchtfotografieplatforms daarentegen vereisen doorgaans een bescheidener TWR – net genoeg om stabiel te zweven en hun lading te dragen – hoewel enige stuwkrachtredundantie nog steeds gunstig is voor de veiligheid en windweerstand.

II.Hoe de stuwkracht-gewichtsverhouding te berekenen

  1. Gegevensvoorbereiding en eenheidsconversie
    Om TWR te berekenen, hebt u het volgende nodig:
  • Het totale gewicht van de drone, inclusief het frame, de motoren, de ESC's, de vluchtcontroller, de videozender, de camera, de accu en eventuele extra lading.
  • De stuwkracht die elke motor genereert bij een bepaalde configuratie (propellertype, accuspanning, etc.). Deze is vaak te vinden in tabellen met motorstuwkracht of in gegevens van de fabrikant.
  • Consistente eenheden, bij voorkeur Newton voor zowel gewicht als stuwkracht. Ter indicatie: 1 kg ≈ 9,8 N, 1 g ≈ 0,0098 N.

  1. De formule en een eenvoudig voorbeeld
    Stel dat een quadcopter 1000 g weegt (ongeveer 9,8 N) en elke motor 500 g stuwkracht (ongeveer 4,9 N) kan leveren bij vol gas. Vier motoren leveren een totale stuwkracht van 4 × 4,9 N = 19,6 N. De TWR is dus 19,6 N/9,8 N = 2. Deze TWR van 2:1 betekent dat de drone gemakkelijk kan opstijgen, klimmen en gematigde manoeuvres kan uitvoeren.

  2. Motor, propeller en spanning koppelen aan TWR
    In de praktijk kan het veranderen van motormodellen, propellerafmetingen of batterij spanning (e.g., 4S versus 6S) verandert de maximale stuwkracht. Een motor met een hoge kV op een 6S-accu kan bijvoorbeeld de propellers sneller laten draaien, wat meer stuwkracht levert en dus je TWR verhoogt. Omgekeerd, zwaardere ladingen of motoren met lagere prestaties zullen de TWR verlagen.

III. Belangrijkste factoren die de stuwkracht-gewichtsverhouding beïnvloeden

  1. Motorprestaties (Kv, vermogensbereik en efficiëntie)
    De Kv-waarde (tpm per volt), het uitgangsvermogen en de efficiëntiecurves van de motor hebben allemaal invloed op de stuwkracht. Een motor met een hoge Kv kan bij dezelfde spanning een hoger toerental bereiken, waardoor kleine propellers met een hoge spoed meer stuwkracht kunnen genereren. Een hogere Kv betekent echter vaak een hoger stroomverbruik, meer warmte en een kortere vliegtijd. Het in balans brengen van Kv en efficiëntie is essentieel.

  2. Propellergrootte en -geometrie
    De diameter, spoed en het ontwerp van de propellerbladen hebben een aanzienlijke invloed op de stuwkracht en het stroomverbruik. Propellers met een grote diameter kunnen bij een lager toerental een aanzienlijke stuwkracht leveren met een betere efficiëntie, geschikt voor een stabiele vlucht en zwaardere lasten. Kleinere propellers met een hogere spoed blinken uit bij hoge snelheden en wendbare besturing, waardoor ze populair zijn voor racedrones. Houd er rekening mee dat statische stuwkrachttests verschillen van realistische vliegomstandigheden: de werkelijke stuwkracht tijdens de vlucht kan 20-30% lager zijn als gevolg van veranderingen in de propellerefficiëntie in bewegende lucht.

  3. Batterijcapaciteit en ontladingssnelheid
    De spanning van de batterij (aantal cellen, e.g., 4 seconden bij 14,8 V of 6 seconden bij 22,2 V) bepaalt het maximale motortoerental. De accucapaciteit (mAh) en de ontlaadstroom (C-waarde) bepalen hoe goed de accu de gevraagde stroom bij een hoog gaspedaal kan leveren. Een hogere spanning zorgt vaak voor een hoger toerental en dus meer stuwkracht, wat mogelijk de TWR verbetert. Men moet er echter wel voor zorgen dat de ESC en andere elektronica deze hogere spanning aankunnen. Accu's met een grotere capaciteit wegen zwaarder, wat de TWR beïnvloedt, dus er moet een evenwicht gevonden worden.

  4. Algemene gewichtsvermindering en structurele optimalisatie
    Het verminderen van het gewicht van de drone is een effectieve manier om de TWR te verhogen. Een lichter frame, minder overtollige componenten en een accu met een hogere energiedichtheid zullen je ratio verbeteren. Gewichtsvermindering zorgt ervoor dat de beschikbare stuwkracht resulteert in een wendbaardere vlucht en een grotere wendbaarheid, omdat er minder stuwkracht verloren gaat ten koste van onnodige massa.

IV. Een praktisch voorbeeld: van data naar beslissing
Laten we eens kijken naar een 5-inch FPV-quad die je wilt gebruiken voor een mix van freestyle en light racing. Stel dat het totale gewicht (AUW) ongeveer 1000 g (9,8 N) is.

  1. Initiële parameters
  • Gewicht: 1000 g ≈ 9,8 N
  • Motorkeuze: Laten we een 2207-motor kiezen. Sommige testgegevens laten zien dat bij een spanning van 6S met een bepaalde 5-inch propeller elke motor ongeveer 1600 g stuwkracht (ongeveer 15,7 N) kan produceren.*
    (*Dit is slechts een voorbeeld; de werkelijke testgegevens kunnen afwijken.)

Als elke motor ~15,7 N kan produceren, leveren vier motoren in totaal ~62,8 N. TWR = 62,8 N/9,8 N ≈ 6,4:1. Met een TWR van meer dan 6:1 heeft deze drone een sterke acceleratie en uitstekende wendbaarheid, waardoor hij ideaal is voor freestyle of gematigde racetaken.

  1. Aanbevolen TWR-bereiken voor verschillende vluchtstijlen
  • Luchtfotografie/Stabiele vlucht: ~2:1 TWR of iets daarboven is prima en geeft voldoende stuwkracht voor basislift en stabiliteit.
  • Freestyle: ~5:1 tot 10:1 biedt een geweldige balans tussen behendigheid en controle.
  • Racen: Een verhouding van meer dan 10:1 is niet ongewoon en zorgt voor een extreem snelle reactie, maar dit gaat wel ten koste van de besturing en een snellere leegloop van de batterij.
  1. Optimalisatierichtlijnen
    Als je berekende TWR lager is dan 2:1, zal de drone moeite hebben om te zweven zonder hoog gas. Om de TWR te verbeteren, kun je het volgende overwegen:
  • Gebruik van motoren met een hogere Kv of motoren met een grotere stuwkracht.
  • Overstappen van 4S- naar 6S-accu's om het toerental en de stuwkracht te verhogen.
  • Verminder het totale gewicht door lichtere componenten te kiezen.
  • Keuze voor efficiëntere schroeven met hogere stuwkracht.

Als uw TWR extreem hoog is (e.g., >10:1), dan heb je explosieve prestaties, maar vind je het misschien te gevoelig of moeilijk om soepel te vliegen. Om het te verzachten:

  • Kies voor motoren met een iets lagere Kv of propellers die minder piekstuwkracht produceren.
  • Gebruik propellers die geoptimaliseerd zijn voor efficiëntie in plaats van pure stuwkracht.
  • Verhoog het laadvermogen van de drone lichtjes (e.g., voeg een camera of een klein accessoire toe) voor een meer gecontroleerde bediening.

V. Overweging van andere factoren naast TWR
Hoewel TWR een essentiële maatstaf is, is het slechts één stukje van de puzzel. Ontwerpers en piloten moeten ook rekening houden met het volgende:

  1. Vliegtijd en efficiëntie
    Een hogere TWR betekent vaak een hoger stroomverbruik bij vol gas, waardoor de accu sneller leeg raakt. Piloten die vliegtijd belangrijk vinden, geven wellicht de voorkeur aan een motor met een lagere Kv en efficiëntere propellers, waardoor een evenwicht ontstaat tussen een behoorlijke TWR en een redelijk uithoudingsvermogen.

  2. ESC-matching en huidige vereisten
    Het verbeteren van de TWR kan betekenen dat u motoren en propellers kiest die een hoge stroomsterkte trekken. Zorg ervoor dat uw ESC's piekstromen aankunnen. ESC-waarden, zowel continu als piekstroom, moeten hoger zijn dan de maximale stroomopname van de motor bij hoge gasstand. Een te kleine ESC riskeert schade of defecten.

  3. Afwegingen tussen batterijspanning en -capaciteit
    Overschakelen van 4S naar 6S verhoogt doorgaans de TWR, maar vereist elektronica die compatibel is met hogere spanningen. Een grotere accu kan ook gewicht toevoegen, waardoor de TWR afneemt. Een goede aanpak is om de ideale balans te vinden, waarbij de accu voldoende vermogen levert zonder te veel massa toe te voegen.

  4. Propellerkenmerken en vliegstijl
    Racers gebruiken mogelijk propellers met een hogere spoed voor topsnelheid en stuwkracht, terwijl freestylepiloten wellicht de voorkeur geven aan responsievere propellers met een evenwichtige stuwkracht en efficiëntie. Statische stuwkrachtwaarden zijn richtlijnen, maar de prestaties in de praktijk hangen sterk af van hoe propellers zich gedragen in bewegende lucht. Testresultaten en feedback van de community zijn van onschatbare waarde.

VI. Gebruik van BLDC-motorstuwkrachtgegevens
Veel FPV-enthousiastelingen vragen zich af hoe ze stuwkrachtgegevens voor BLDC-motoren kunnen verkrijgen.Fabrikanten en externe reviewers bieden vaak stuwkrachttabellen aan die de stuwkracht en het stroomverbruik weergeven bij verschillende gasklepstanden, schroefmaten en spanningen. Deze stuwkrachttabellen helpen u uw TWR te voorspellen voordat u onderdelen koopt.

Als een motordatasheet bijvoorbeeld de stuwkracht bij vol gas met een bepaalde propeller- en spanningsconfiguratie vermeldt, kunt u dit vermenigvuldigen met het aantal motoren en vervolgens delen door het totale gewicht van de drone om de TWR te schatten. Als de voorspelde TWR niet aan uw doelen voldoet, kunt u alternatieve motoren, propellers of accuconfiguraties overwegen.

VII. Case Study: Vergelijking van 2207- en 2306-motoren
Laten we twee veelvoorkomende motorgroottes voor 5-inch FPV-drones vergelijken: 2207 en 2306.

  1. 2207 Motoren
  • Vaak in staat tot een hoge maximale stuwkracht (e.g., meer dan 1000 g per motor) in een 5-inch opstelling, waarmee gemakkelijk een TWR van meer dan 5:1 wordt behaald.
  • Bekend als een populaire freestylekeuze, die een goede mix van kracht en efficiëntie biedt.
  • Geschikt voor piloten die op zoek zijn naar een responsieve, krachtige drone die acrobatiek en gematigde races aankan.
  1. 2306 Motoren
  • Kan een iets lagere maximale stuwkracht opleveren (bijvoorbeeld rond de 850 g per motor onder vergelijkbare omstandigheden), wat tot een iets lagere TWR leidt.
  • Mogelijk efficiënter bij gemiddelde gaspedaalstanden, waardoor de vliegtijd wordt verlengd.
  • Geschikt voor piloten die meer waarde hechten aan soepelere vluchten en een langere vliegduur dan aan pure kracht.

Vanuit een TWR-perspectief bieden 2207-motoren meer pure stuwkracht voor explosieve acceleratie, terwijl 2306-motoren uitblinken in efficiëntere cruisen bij gemiddeld gas, waardoor de drone soepeler te besturen is en de vliegtijd wordt verlengd.

VIII. TWR en vluchtcontrolegevoel
TWR werkt ook samen met de afstemming van de vluchtcontroller (PID-afstemming). Een hoge TWR-instelling reageert scherp, zelfs op kleine gashendelveranderingen, waardoor de drone mogelijk "zenuwachtig" aanvoelt. Piloten moeten mogelijk de PID-versterking of gascurves (expo's) aanpassen om de gevoeligheid te temmen. Een lage TWR-instelling daarentegen voelt volgzamer aan, hoewel deze mogelijk niet de wendbaarheid biedt die gevorderde piloten wensen. Bij het afstemmen van de vluchtcontroller draait het om het vinden van de juiste balans, zodat de drone gecontroleerd en voorspelbaar aanvoelt.

IX. Omgevingsfactoren die de werkelijke TWR beïnvloeden
De theoretische TWR wordt berekend onder statische omstandigheden, maar factoren in de praktijk kunnen de effectieve stuwkracht van de drone beïnvloeden:

  • Wind: Bij sterke wind is er meer stuwkracht nodig om de positie en hoogte te behouden, waardoor er minder stuwkracht beschikbaar is voor manoeuvres.
  • Luchtdichtheid: Op grote hoogte of onder warme en vochtige omstandigheden neemt de luchtdichtheid af, waardoor de efficiëntie van de propeller en dus de effectieve stuwkracht afneemt.

Bij vluchten onder uitdagende omstandigheden biedt een hogere TWR een veiligheidsmarge. Als u sterke wind of een lagere propellerefficiëntie verwacht, streef dan naar een iets hogere TWR in uw ontwerp om betrouwbare prestaties te garanderen.

X. Van theorie naar praktijk: de ontwerp-test-vlieglus
Bij het bouwen van een FPV-drone is het berekenen van de TWR slechts de eerste stap. Ervaren piloten volgen vaak dit iteratieve proces:

  1. Theoretische berekening:
    Begin met het schatten van de TWR, het voorspellen van de vliegtijd en het controleren van de huidige vereisten.

  2. Componentselectie en assemblage:
    Kies motoren, propellers, ESC's en accu's die passen bij je TWR-doelen. Bouw de prototype drone.

  3. Testen en aanpassingen op de werkbank:
    Voer stuwkrachttesten op de grond uit om te controleren of de werkelijke metingen overeenkomen met de voorspellingen. Pas indien nodig aan.

  4. Eerste vlucht en PID-afstemming:
    Maak een testvlucht in een veilige omgeving. Evalueer of de wendbaarheid van de drone aan je verwachtingen voldoet. Te nerveus? Overweeg een zachtere PID-afstelling of mildere propellers. Te traag? Probeer propellers met een hogere spoed of een lichter gewicht.

  5. Eindoptimalisatie:
    Verfijn je opstelling op basis van je vliegervaringen totdat je een balans hebt gevonden tussen prestaties, controleerbaarheid en efficiëntie die bij jouw stijl past, of het nu gaat om racen, freestyle of stabiele cinematics.

Conclusie
De stuwkracht-gewichtsverhouding is een essentiële maatstaf bij het ontwerpen en optimaliseren van FPV-drones. Het is niet zomaar een getal, maar een synthese van motorvermogen, propellerkarakteristieken, vliegtuiggewicht en accuconfiguratie. Het beheersen van de TWR-berekening en inzicht in hoe deze te beïnvloeden, kan dronebouwers en piloten helpen bij het nemen van weloverwogen beslissingen, wat uiteindelijk de vliegprestaties en het gevoel van besturing verbetert.

Van topsporters die snakken naar razendsnelle acceleratie tot luchtfotografen die op zoek zijn naar een stabiele, constante vlucht: door gebruik te maken van TWR-gegevens kunnen piloten drones op maat bouwen die voldoen aan hun specifieke behoeften. Met de inzichten en voorbeelden in dit artikel kunnen FPV-liefhebbers vol vertrouwen TWR-berekeningen gebruiken om meer lonende, efficiënte en dynamische vliegervaringen te bereiken.

Terug naar blog

Reactie plaatsen

Let op: opmerkingen moeten worden goedgekeurd voordat ze worden gepubliceerd.