fPV hesaplama, ağırlığa itme
FPV İtki-Ağırlık Oranını Hesaplama - FPV İHA'ları için İtki-Ağırlık Oranını Hesaplama ve Kullanmaya Yönelik Kapsamlı Bir Analiz
giriiş
First Person View (FPV) dron dünyasında, uçuş performansı meraklılar ve profesyonel pilotlar için önemli bir endişe kaynağıdır. Uçuş özelliklerini ve kullanımı şekillendiren birçok parametre arasında, itme-ağırlık oranı (TWR) kritik bir ölçüt olarak öne çıkar. TWR, toplam itme ile uçağın ürettiği itme arasındaki ilişkiyi canlı bir şekilde ifade eder. İHA'nın tahrik sistemi ve dronun kendi ağırlığı. Daha yüksek bir TWR daha güçlü tırmanma kabiliyeti, daha çevik tepki ve gelişmiş manevra kabiliyeti anlamına gelirken, daha düşük bir TWR uçağın performans zarfını sınırlar.
Bu makale TWR kavramına odaklanmaktadır. FPV İHA'lar. TWR'nin ne olduğunu, nasıl hesaplanacağını ve neden önemli olduğunu açıklayarak başlayacağız. Daha sonra TWR'yi etkileyen faktörleri tartışacağız, örneğin: motor performans, pervane seçimi ve pil yapılandırması. Gerçek dünya örnekleri, itme verilerinin ve toplam ağırlığın TWR'yi hesaplamak için nasıl kullanılacağını gösterecektir. Son olarak, TWR sonuçlarının nasıl yorumlanacağını ve tasarım kararlarına rehberlik etmek için nasıl kullanılacağını keşfedeceğiz, böylece pilotların istedikleri performans ve uçuş özelliklerine ulaşmalarını sağlayacağız.
I. TWR'nin Temel Kavramını ve Önemini Anlamak
- İtme-Ağırlık Oranının (TWR) Tanımlanması
İtme-ağırlık oranı, bir uçağın (veya insansız hava aracının) üretebileceği toplam itmenin kendi ağırlığına oranıdır. İki kuvvetin oranı olduğundan boyutsuzdur (birimsizdir). Temel formül şudur:
Burada, hem itme hem de ağırlık aynı birimlerde, ideal olarak Newton (N) cinsinden ölçülür. Anlamlı bir TWR elde etmek için, ağırlık ve itmenin tutarlı birimlere dönüştürüldüğünden emin olun. Örneğin, ağırlığı gram cinsinden ölçüyorsanız, itmeyi Newton cinsinden bölmeden önce Newton'a dönüştürmelisiniz.
- FPV İHA'lar için TWR'nin Önemi
FPV dronlar için TWR, dron'un pilot girdilerine nasıl yanıt verdiğini ve dikey tırmanış, hızlanma ve kullanım açısından ne kadar yetenekli olduğunu doğrudan etkiler. Kılavuzlar genellikle şöyle görünür:
- TWR > 1: Drone rahatlıkla havalanabiliyor ve havada asılı kalabiliyor; ayrıca daha dinamik manevralar yapabiliyor.
- TWR ≈ 1: İHA yüksek gazda ancak havada asılı kalabiliyor, manevra kabiliyeti sınırlı ve tepkisi yavaş.
- TWR < 1: İHA yerçekimini yenecek kadar itiş gücü üretemez; kalkış yapamaz.
Yarış dronları, serbest stil dörtlüleri ve yüksek performanslı yapılar için yüksek TWR (e.g., 5:1, 10:1 veya daha yüksek) hızlı ivmelenme, çevik kontrol ve karmaşık hava hareketleri sağlar. Buna karşılık, kamera dronları veya hava fotoğrafçılığı platformları genellikle daha mütevazı bir TWR gerektirir - sabit bir şekilde havada durmak ve yüklerini taşımak için yeterlidir - ancak yine de güvenlik ve rüzgar direnci için bir miktar itme fazlalığı faydalıdır.
II.İtme-Ağırlık Oranı Nasıl Hesaplanır
- Veri Hazırlama ve Birim Dönüştürme
TWR'yi hesaplamak için şunlara ihtiyacınız vardır:
- Gövde, motorlar, ESC'ler, uçuş kontrolörü, video vericisi, kamera, pil ve ilave yükler dahil olmak üzere İHA'nın toplam ağırlığı.
- Belirli bir kurulumda (pervane tipi, akü voltajı, vb.) her motorun ürettiği itme kuvveti, genellikle motor itme kuvveti tablolarında veya üretici verilerinden bulunur.
- Tutarlı birimler, tercihen hem ağırlık hem de itme için Newton. Kabaca bir kılavuz için: 1 kg ≈ 9,8 N, 1 g ≈ 0,0098 N.
-
Formül ve Basit Bir Örnek
Bir quadcopter'ın 1000 g (yaklaşık 9,8 N) ağırlığında olduğunu ve her motorun tam gazda 500 g itme (yaklaşık 4,9 N) üretebildiğini varsayalım. Dört motor toplamda 4 × 4,9 N = 19,6 N itme üretir. Dolayısıyla, TWR = 19,6 N/9,8 N = 2. 2:1'lik bu TWR, insansız hava aracının kolayca havalanabileceği, tırmanabileceği ve orta düzeyde manevralar yapabileceği anlamına gelir. -
Motor, Pervane ve Voltajın TWR'ye Bağlanması
Uygulamada, motor modellerini, pervane boyutlarını veya pil Gerilim (e.g., 4S vs. 6S) maksimum itişi değiştirir. Örneğin, 6S bataryalı yüksek kV'lu bir motor pervaneleri daha hızlı döndürebilir, daha fazla itiş sağlayabilir ve böylece TWR'nizi yükseltebilir. Tersine, daha ağır yükler veya daha düşük performanslı motorlar TWR'yi azaltacaktır.
III. İtme-Ağırlık Oranını Etkileyen Temel Faktörler
-
Motor Performansı (Kv, Güç Aralığı ve Verimlilik)
Motorun Kv derecesi (rpm/volt), güç çıkış kapasitesi ve verimlilik eğrilerinin hepsi itişi etkiler. Aynı voltajda yüksek Kv'li bir motor daha yüksek RPM'ye ulaşabilir ve bu da küçük, yüksek eğimli pervanelerin daha fazla itiş üretmesini sağlar. Ancak, daha yüksek Kv genellikle daha yüksek akım çekimi, artan ısı ve azaltılmış uçuş süresi anlamına gelir. Kv ve verimliliği dengelemek anahtardır. -
Pervane Boyutu ve Geometrisi
Pervane çapı, eğimi ve kanat tasarımı itme gücünü ve güç tüketimini önemli ölçüde etkiler. Daha düşük RPM'de büyük çaplı pervaneler daha iyi verimlilikle önemli bir itme gücü üretebilir, istikrarlı uçuş ve daha ağır yükler için uygundur. Daha küçük, daha yüksek eğime sahip pervaneler yüksek hız ve çevik kontrolde mükemmeldir ve bu da onları yarışan dronlar için popüler hale getirir. Statik itme testlerinin gerçek dünya uçuş koşullarından farklı olduğunu unutmayın; gerçek uçuştaki itme gücü, hareket eden havadaki pervane verimliliği değişiklikleri nedeniyle %20-30 daha az olabilir. -
Pil Kapasitesi ve Deşarj Oranı
Pilin voltajı (hücre sayısı, e.g., 14,8 V'da 4S veya 22,2 V'da 6S) maksimum motor RPM'sini ayarlar. Pil kapasitesi (mAh) ve deşarj derecesi (C değeri), yüksek gazda talep edilen akımı ne kadar iyi sağlayabileceğini belirler. Daha yüksek bir voltaj genellikle daha yüksek RPM'ye ve dolayısıyla daha fazla itişe izin verir ve potansiyel olarak TWR'yi iyileştirir. Ancak, ESC ve diğer elektroniklerin bu daha yüksek voltajı kaldırabildiğinden emin olunmalıdır. Daha büyük kapasiteli piller ağırlığı artırır ve TWR'yi etkiler, bu nedenle bir denge sağlanması gerekir. -
Genel Ağırlık Azaltma ve Yapısal Optimizasyon
Drone ağırlığını azaltmak TWR'yi artırmanın etkili bir yoludur. Daha hafif bir çerçeve, daha az fazla bileşen ve daha yüksek enerji yoğunluklu bir pil oranınızı iyileştirecektir. Ağırlık azaltma, gereksiz kütlenin üstesinden gelinerek daha az itme israfı yapıldığından mevcut itmenin daha çevik uçuş ve genişletilmiş manevra kabiliyetiyle sonuçlanmasını sağlar.
IV. Pratik Bir Örnek: Verilerden Karara
Serbest stil ve hafif yarışların bir karışımı için kullanmak istediğiniz 5 inçlik bir FPV quad yapısını ele alalım. Toplam ağırlığın (AUW) yaklaşık 1000 g (9,8 N) olduğunu varsayalım.
- Başlangıç Parametreleri
- Ağırlık: 1000 g ≈ 9,8 N
- Motor seçimi: 2207 motor seçelim. Bazı test verileri, belirli bir 5 inçlik pervane ile 6S voltajında her motorun yaklaşık 1600 g itme (yaklaşık 15,7 N) üretebileceğini gösterebilir.*
(*Bu sadece bir örnek rakamdır; gerçek test verileri değişiklik gösterebilir.)
Her motor ~15,7 N üretebiliyorsa, dört motor toplam ~62,8 N üretir. TWR = 62,8 N/9,8 N ≈ 6,4:1. 6:1'in üzerinde bir TWR ile bu drone güçlü bir ivmeye ve mükemmel manevra kabiliyetine sahip olacak ve bu da onu serbest stil veya orta düzey yarış görevleri için ideal hale getirecek.
- Farklı Uçuş Stilleri için Önerilen TWR Aralıkları
- Hava Fotoğrafçılığı/Sabit Uçuş: ~2:1 TWR veya biraz üzeri yeterlidir, temel kaldırma kuvveti ve denge için yeterli itme gücü sağlar.
- Serbest: ~5:1 ila 10:1 çeviklik ve kontrol arasında harika bir denge sunar.
- Yarış: 10:1'in üstü nadir değildir ve aşırı tepkisellik sağlar, ancak bunun bedeli daha sert yol tutuşu ve daha hızlı pil tüketimidir.
- Optimizasyon Yönleri
Hesaplanan TWR'niz 2:1'in altındaysa, drone yüksek gaz olmadan havada asılı kalmakta zorlanacaktır. TWR'yi iyileştirmek için şunları göz önünde bulundurun:
- Daha yüksek Kv'li motorlar veya daha fazla itme gücüne sahip motorlar kullanmak.
- RPM ve itişi arttırmak için 4S akülerden 6S akülere geçiliyor.
- Daha hafif bileşenler seçerek toplam ağırlığı azaltmak.
- Daha verimli, daha yüksek itiş gücüne sahip pervanelerin seçilmesi.
TWR'niz aşırı yüksekse (e.g., >10:1), patlayıcı bir performansa sahip olacaksınız ancak çok hassas veya düzgün uçmayı zor bulabilirsiniz. Yumuşatmak için:
- Biraz daha düşük Kv değerine sahip motorları veya daha az pik itme gücü üreten pervaneleri tercih edin.
- Ham itiş gücü yerine verimlilik için optimize edilmiş pervaneler kullanın.
- İnsansız hava aracının yük kapasitesini biraz artırın (e.g., daha kontrollü kullanım için bir kamera veya küçük bir aksesuar ekleyin).
V. TWR'nin Yanında Diğer Faktörlerin Dikkate Alınması
TWR önemli bir ölçüm olsa da bulmacanın sadece bir parçasıdır. Tasarımcılar ve pilotlar ayrıca şunları da değerlendirmelidir:
-
Uçuş Süresi ve Verimlilik
Daha yüksek bir TWR genellikle tam gazda daha yüksek güç çekimi anlamına gelir ve bu da bataryanın daha hızlı boşalmasına neden olur. Uçuş süresine değer veren pilotlar, makul dayanıklılıkla iyi bir TWR sağlayan bir denge kurarak daha düşük Kv motor ve daha verimli pervaneleri tercih edebilir. -
ESC Eşleştirme ve Güncel Gereksinimler
TWR'yi iyileştirmek, yüksek akım çeken motorlar ve pervaneler seçmek anlamına gelebilir. ESC'lerinizin tepe akımlarla başa çıkabildiğinden emin olun. Hem sürekli hem de patlamalı ESC derecelendirmeleri, motorun yüksek gazda maksimum akım çekişini aşmalıdır. Çok küçük bir ESC seçmek hasar veya arıza riski taşır. -
Pil Voltajı ve Kapasite Dengelemeleri
4S'den 6S'ye geçmek genellikle TWR'yi artırır ancak daha yüksek voltajlarla uyumlu elektronikler gerektirir. Ayrıca, daha büyük bir pil ağırlığı artırabilir ve TWR'yi azaltabilir. İyi bir yaklaşım, pilin çok fazla kütle eklemeden yeterli güç sağladığı tatlı noktayı bulmaktır. -
Pervane Özellikleri ve Uçuş Stili
Yarışçılar en yüksek hız ve itme için daha yüksek eğime sahip pervaneler kullanabilirken, serbest stil pilotları dengeli itme ve verimliliğe sahip daha duyarlı pervaneleri tercih edebilir. Statik itme sayıları kılavuzdur, ancak gerçek uçuş performansı büyük ölçüde pervanelerin hareket eden havada nasıl davrandığına bağlıdır. Test sonuçları ve topluluk geri bildirimleri paha biçilemezdir.
VI. BLDC Motor İtki Verilerinin Kullanımı
Birçok FPV meraklısı BLDC motorlar için itme verilerinin nasıl elde edileceğini merak ediyor.Üreticiler ve üçüncü taraf değerlendiriciler genellikle çeşitli gaz kelebeği ayarları, pervane boyutları ve voltajlarda itme ve akım çekişini gösteren itme tabloları sağlar. Bu itme tabloları, parça satın almadan önce TWR'nizi tahmin etmenize yardımcı olur.
Örneğin, bir motor veri sayfasında tam gazda itme gücü belirli bir pervane ve voltaj yapılandırmasıyla listelenmişse, bunu motor sayısıyla çarpabilir ve ardından TWR'yi tahmin etmek için dronun toplam ağırlığına bölebilirsiniz. Tahmin edilen TWR hedeflerinizi karşılamıyorsa, alternatif motorları, pervaneleri veya pil yapılandırmalarını inceleyebilirsiniz.
VII. Vaka Çalışması: 2207 ile 2306 Motorların Karşılaştırılması
5 inç FPV drone'lar için yaygın olarak kullanılan iki motor boyutunu karşılaştıralım: 2207 ve 2306.
- 2207 Motorlar
- Genellikle yüksek maksimum itme gücüne sahiptir (e.g., motor başına 1000 g'ın üzerinde) 5 inçlik bir kurulumda, 5:1'in üzerinde bir TWR'ye kolayca ulaşılır.
- Güç ve verimliliğin iyi bir karışımını sunan, popüler bir serbest stil seçeneği olarak bilinir.
- Akrobasi ve orta seviyede yarış kabiliyetine sahip, tepkisel ve güçlü dronelar isteyen pilotlar için uygundur.
- 2306 Motorlar
- Biraz daha düşük maksimum itme kuvveti üretebilir (örneğin, benzer koşullar altında motor başına yaklaşık 850 g), bu da biraz daha düşük TWR'ye yol açabilir.
- Orta gaz aralıklarında potansiyel olarak daha verimlidir ve uçuş süresini uzatır.
- Ham güçten çok daha uzun uçuş süresine ve daha yumuşak uçuşlara önem veren pilotlar için idealdir.
TWR açısından bakıldığında, 2207 motorlar patlayıcı bir ivmelenme için daha ham itme gücü sunarken, 2306 motorlar orta gazda daha verimli seyirde üstünlük sağlıyor ve bu da potansiyel olarak dronun daha kolay kontrol edilmesini ve uçuş süresinin uzatılmasını sağlıyor.
VIII. TWR ve Uçuş Kontrol Hissi
TWR ayrıca uçuş kontrolörü ayarlamasıyla (PID ayarlaması) etkileşime girer. Yüksek bir TWR kurulumu, küçük gaz kelebeği değişikliklerine bile keskin bir şekilde yanıt verir ve potansiyel olarak drone'un "tedirgin" hissetmesine neden olur. Pilotlar, hassasiyeti evcilleştirmek için PID kazanımlarını veya gaz kelebeği eğrilerini (expo'lar) ayarlamak zorunda kalabilir. Tersine, düşük bir TWR yapısı daha uysal hissettirir, ancak ileri düzey pilotların istediği çeviklikten yoksun olabilir. Uçuş kontrolörü ayarlama süreci, drone'un kontrollü ve öngörülebilir hissetmesi için doğru dengeyi bulmakla ilgilidir.
IX. Gerçek Dünya TWR'sini Etkileyen Çevresel Faktörler
Teorik TWR statik koşullar altında hesaplanır, ancak gerçek dünyadaki faktörler dronun etkili itiş gücünü değiştirebilir:
- Rüzgar: Güçlü rüzgarlar, pozisyonu ve irtifayı korumak için daha fazla itme gücü gerektirir ve manevralar için kullanılabilecek fazladan itme gücünü azaltır.
- Hava Yoğunluğu: Yüksek irtifada veya sıcak ve nemli koşullarda hava yoğunluğu azalır, bu da pervane verimliliğini ve dolayısıyla etkili itişi azaltır.
Zorlu koşullarda uçarken, daha yüksek bir TWR güvenlik marjı sağlar. Güçlü rüzgarlar veya pervane verimliliğinin düşmesini bekliyorsanız, güvenilir performans sağlamak için tasarımınızda biraz daha yüksek bir TWR hedefleyin.
X. Teoriden Pratiğe: Tasarım-Test-Uçuş Döngüsü
Pratik FPV drone yapımında, TWR'yi hesaplamak sadece ilk adımdır. Deneyimli pilotlar genellikle bu yinelemeli süreci takip eder:
-
Teorik Hesaplama:
TWR'yi tahmin ederek, uçuş süresini tahmin ederek ve mevcut gereksinimleri kontrol ederek başlayın. -
Komponent Seçimi ve Montajı:
TWR hedeflerinize uygun motorları, pervaneleri, ESC'leri ve pilleri seçin. Prototip drone'u oluşturun. -
Tezgah Testleri ve Ayarlamaları:
Gerçek ölçümlerin tahminlerle uyumlu olduğunu doğrulamak için zeminde itme testleri yapın. Gerekirse ayarlayın. -
İlk Uçuş ve PID Ayarı:
Güvenli bir alanda bir test uçuşu gerçekleştirin. İHA'nın çevikliğinin beklentilerinizle uyuşup uyuşmadığını değerlendirin. Çok mu gergin? Daha yumuşak PID ayarı veya daha hafif pervaneler düşünün. Çok mu yavaş? Daha yüksek pitch pervaneleri veya daha hafif ağırlıkları deneyin. -
Son Optimizasyon:
Uçuş deneyimlerinize dayanarak, yarış, serbest stil veya istikrarlı sinematikler olsun, tarzınıza uygun performans, kontrol edilebilirlik ve verimlilik arasında bir denge elde edene kadar kurulumunuzu iyileştirin.
Çözüm
İtme-ağırlık oranı, FPV drone tasarımı ve optimizasyonunda hayati bir ölçüttür. Basit bir sayı değil, motor kabiliyeti, pervane özellikleri, uçak ağırlığı ve pil yapılandırmasının bir sentezidir. TWR hesaplamasında ustalaşmak ve bunu nasıl etkileyeceğinizi anlamak, drone üreticilerinin ve pilotlarının bilinçli kararlar almalarına rehberlik edebilir ve sonuç olarak uçuş performansını ve kontrol hissini artırabilir.
Yüksek performanslı yarışçıların göz kamaştırıcı hızlanma arzularından istikrarlı, sabit uçuş arayan hava fotoğrafçılarına kadar, TWR verilerinden yararlanmak pilotların kendi özel ihtiyaçlarını karşılayan özel yapım dronlar inşa etmelerini sağlar. Bu makalede sağlanan içgörüler ve örneklerle, FPV meraklıları daha ödüllendirici, verimli ve dinamik uçuş deneyimleri elde etmek için TWR hesaplamalarını güvenle kullanabilirler.