Het is iets dat op magie kan lijken. Als je met een drone vliegt, ben je je er terdege van bewust dat er een enorme hoeveelheid natuurkunde, berekeningen, software en techniek aan te pas komt om je vlucht superleuk te maken. Maar voor sommige mensen is alleen het besturen van de drone niet goed genoeg. Ik weet dat ik een van die mensen ben die precies moet weten wat er in mijn drone gebeurt, zodat ik een betere piloot ben en begrijp hoe ik problemen kan oplossen als ze opduiken. In dit artikel ga ik in op alle manieren waarop een drone van richting kan veranderen, of dat nu omhoog, omlaag, links, rechts, vooruit, achteruit, en yaw links en yaw rechts is.
Een drone verandert van richting door de snelheid waarmee elk van zijn propellers draait te veranderen. Terwijl een drone zweeft, draaien de propellers in tegengestelde richtingen om de drone stabiel te houden. Door de snelheid van elk van de motoren te veranderen kunnen we de drone door de lucht manipuleren in alle drie dimensies.
De drone-piloot denkt nauwelijks na over wat er gebeurt en kan gewoon de joysticks bewegen om de drone te besturen. De drone doet echter veel meer werk omdat hij zijn eigen versnelling, momentum, hoogte en hoogte moet berekenen, terwijl hij ook alle omgevingsfactoren zoals opwaartse windstoten en horizontale winden moet bestrijden.
De fysica van het in de lucht houden van een drone is eigenlijk heel ingewikkeld.
Inhoudsopgave
De fysica van het in de lucht houden van een drone
Het hart van de drone is de vluchtcontroller die de motoren via een elektronische snelheidsregelaar informatie stuurt over welke kant ze op moeten draaien en ook hoe snel. De vluchtcontroller kijkt ook naar de GPS-gegevens, de versnelling en de richting waarin de drone wijst, voordat hij de informatie naar de motor stuurt, zodat deze stabiel blijft zweven op een vaste GPS-locatie.
Elke motor laat een propeller draaien. De propellers worden gebruikt voor de aandrijving en het regelen van de beweging van de drone. Deze propellers lijken op de vinnen van een ventilator die lucht naar de grond duwen. Terwijl de lucht naar de grond wordt geduwd, kan de drone zichzelf in de lucht zuigen. Er ontstaat een lage druk aan de voorste en bovenste rand van de propeller waardoor de drone zichzelf letterlijk de lucht in zuigt.
Als je wilt zweven, moet de drone evenveel lucht verplaatsen als hij weegt. Als je meer lucht verplaatst, gaat de drone klimmen en als de propellers iets langzamer draaien en minder lucht verplaatsen, gaat de drone dalen.
De propellerrichting van de drone is erg belangrijk, omdat elke motor van de drone in de tegenovergestelde richting moet draaien van de motoren waar hij naast staat. Hierdoor wordt het impulsmoment teniet gedaan en blijft de drone op één plaats en in één richting gericht.
Drone propeller richting
Mijn DJI Mavic air heeft vier motoren en propellers. De manier waarop elk van de propellers ronddraait, wordt bepaald door de motor. En je moet ervoor zorgen dat de propellers in de juiste motoren worden gestoken, anders zou de drone gewoon uit de hand draaien.
Het is gemakkelijk om uit te vinden welke kant de motor op moet draaien door naar de voorrand van de propeller te kijken als deze in de richting van de voorrand van de propeller draait.
Voor de meeste drones is de propellerrichting van de drone voor elke motor als volgt:
- Voor links – motor met de klok mee (CW)
- Voor rechts – motor tegen de klok in (CCW)
- Achter links – motor tegen de klok in (CCW)
- Achter rechts – motor met de klok mee (CW)
Ik heb dit geannoteerd op de foto van mijn DJI Mavic hieronder:
Alle bewegingen van de drone worden bestuurd door de propellers op verschillende manieren te laten draaien. Om de bewegingen te controleren worden sommige propellers vertraagd terwijl andere juist versneld worden. Soms gebeurt dit in zijn geheel (zoals bij klimmen of omhoog gaan) en soms gebeurt het op verschillende momenten aan verschillende kanten van het vliegtuig (zoals bij voorwaartse en achterwaartse beweging).
In het volgende deel ga ik alle hoofdbewegingen van een drone langs en laat ik zien hoe elk van de hoofdbewegingen precies wordt bereikt.
De belangrijkste bewegingen van een drone
Vliegen met een drone betekent vanuit het oogpunt van de piloot simpelweg de joystick door zijn bewegingsbereik bewegen. Die simpele joystick-actie vertaalt zich in een behoorlijk ingewikkelde beweging van de drone. De linker joystick van de drone is verantwoordelijk voor zowel klimmen als yaw (met de klok mee of tegen de klok in draaien op een vaste plaats).
De linker joystick
De linker joystick van de controller zorgt ervoor dat de drone klimt en daalt en ook met de klok mee en tegen de klok in draait. In wezen zijn het alle acties van de drone waarbij hij op één GPS-locatie blijft.
Op/klim
Als je de linker joystick van een drone controller omhoog duwt, gaan alle propellers van de drone sneller of maken ze meer toeren per minuut. Het aantal omwentelingen per minuut neemt toe, waardoor meer opwaartse stuwkracht wordt gegenereerd door meer lucht te verplaatsen en naar de grond te duwen.
Alle propellers nemen in rotatiesnelheid toe.
De propellers moeten heel goed opletten dat ze met precies dezelfde snelheid versnellen, anders ontstaat er een andere richting in de beweging. Er is heel wat voor nodig voor een drone om elk van de propellers precies het juiste aantal omwentelingen per minuut te laten draaien om te klimmen en niet van zijn vaste GPS-locatie te bewegen.
Dalen/afdalen
Als een drone in hoogte wil dalen, gebeurt precies het tegenovergestelde van het klimmen. Dat wil zeggen, elk van de propellers van de drone vermindert het aantal omwentelingen per minuut. Hierdoor wordt de zwaartekracht een grotere kracht dan de stuwkracht die door de propellers wordt gegenereerd.
Als een drone daalt om tot stilstand te komen, moet het aantal omwentelingen per minuut iets worden verhoogd om de stuwkracht te vergroten, zodat deze gelijk is aan de aantrekkingskracht van de zwaartekracht naar de aarde. In Toy Story wordt Buzz light year verteld dat hij hier niet vliegt maar gewoon met stijl valt. Dat is precies wat drones doen als ze dalen. Ze laten zich gewoon door de zwaartekracht naar de aarde trekken, wat een mooie en gecontroleerde vorm van vallen is.
Gaai
Yaw is wanneer de drone met de klok mee of tegen de klok in draait terwijl hij op één GPS-locatie blijft. Dat wil zeggen dat de drone niet voorwaarts of achterwaarts beweegt. Deze beweging vereist een behoorlijk ingewikkelde berekening van de software van de drone.
Wanneer de drone met de klok mee of tegen de klok in draait, moet hij de propellers aansturen die diagonaal ten opzichte van elkaar staan. Als de rechtse diagonale propellers sneller draaien, genereren ze een kracht als gevolg van het toegenomen impulsmoment waardoor de drone naar links kan draaien. Als de linker diagonale propellers sneller draaien, genereren ze de tegenovergestelde beweging.
Dus, de beweging van de drone tegen de klok in of met de klok mee wordt veroorzaakt doordat de propellers diagonaal tegenover elkaar sneller of langzamer draaien.
De rechter joystick
De rechter joystick van de drone controller is wat ik gekscherend de fun joystick heb genoemd. Hiermee kun je namelijk je drone alle kanten op laten zoomen. Het leuke van een drone is dat je hem niet alleen naar voren of naar achteren kunt bewegen, maar ook van links naar rechts.
Door de oriëntatie van de propellers rond de drone heb je een volledig bewegingsbereik in het horizontale vlak. Door het combineren van verschillende joystick combinaties ben je ook in staat om te gieren en te bewegen op hetzelfde moment. De combinatie van verschillende bewegingen wordt allemaal nog steeds gedaan door de minuscule controle die de software heeft over het aantal omwentelingen per minuut dat elke motor draait.
Alle bewegingen van de rechter joystick zorgen voor een verhoging of verlaging van de rotatiesnelheid van de propellers die naast elkaar staan. In de onderstaande paragrafen zullen we bespreken waar elk van de bewegingen mee samenhangt.
Links
Als de drone naar links wil bewegen om overeen te komen met het naar links bewegen van de joystick, draaien de propellers aan de rechterkant sneller dan de propellers aan de linkerkant.
Dit zorgt ervoor dat de linkerkant van de drone iets daalt terwijl de rechterkant van de drone iets omhoog gaat. De totale stuwkracht van de rotors blijft gelijk, zodat de drone op een vaste hoogte kan blijven, maar het kleine verschil tussen de linker- en rechterzijde van de drone-rotors zorgt ervoor dat de drone naar links afdrijft.
Rechts
Verplaatsing van de drone naar rechts door de joystick naar rechts te bewegen, zorgt ervoor dat de propellers aan de linkerzijde toenemen in het aantal omwentelingen per minuut dat de motor draait en dat de propellers aan de rechterzijde van de drone iets afnemen.
Net als in het geval van de beweging naar links daalt de rechterkant van de drone iets, terwijl de linkerrand van de drone omhoog komt. De totale stuwkracht van de motoren blijft gelijk, omdat de drone hierdoor een vaste hoogte kan aanhouden.
Voorwaarts
Om een drone voorwaarts te bewegen, moet de voorkant van de drone iets dalen terwijl de achterkant van de drone omhoog gaat.
Dit wordt bereikt door het aantal omwentelingen per minuut van de voorste motoren te verlagen en de achterste motoren te verhogen. Dit verschil in propellerdraaiing zorgt ervoor dat de drone naar voren beweegt.
Achterwaarts
Om de drone naar achteren te bewegen moet de achterkant van de drone iets inzakken terwijl de voorkant van de drone iets omhoog gaat. U zult merken dat dit precies het tegenovergestelde is van de voorwaartse beweging.
Voor elke beweging van de rechter joystick kunt u waarnemen in welke richting de drone kantelt om de beweging te bereiken. Soms, vooral in omgevingen met veel wind, en bij zeer snelle bewegingen zal de drone zijn verticale positie niet erg goed vasthouden.
Ik merk dat als ik mijn drone op relatief grote hoogte heel snel naar achteren beweeg, dat de drone dan gewoon in hoogte daalt. De berekeningen zijn dus niet perfect, maar ze kunnen gemakkelijk worden bijgesteld door tijdens het vliegen een handmatige trim uit te voeren.
Een eenvoudig schema voor alle bewegingen van de drone
Hier volgt een eenvoudig diagram voor alle bewegingen van de drone, dat laat zien hoe elk van de rotors beweegt als het een van de hierboven besproken bewegingen uitvoert. Dat wil zeggen, omhoog, omlaag, met de klok mee, tegen de klok in, naar voren, naar achteren, naar links en naar rechts.
In bovenstaand diagram is de propeller die tijdens elke beweging sneller draait, aangegeven met een rode plus. De linker joystick is aan de linkerkant afgebeeld, terwijl de rechter joystickbewegingen aan de rechterkant zijn afgebeeld. Merk op dat als de drone een constante hoogte houdt, de andere propellers iets minder snel draaien om de totale stuwkracht die de drone produceert niet te veranderen.
Al deze combinaties zijn voldoende om de drone volledig door de 3D-ruimte te laten bewegen.
Andere dingen die de drone doet.
Een drone maakt ook een hoop ingewikkelde berekeningen om zichzelf in een stabiel vliegpatroon te houden. De drone vertrouwt op een hele reeks verschillende sensoren die samenwerken om informatie door te geven aan de microcontroller, die vervolgens in staat is om de drone in een stabiele positie te houden.
Sommige drones zijn niet in staat om automatisch te zweven of een stabiele hoogte te handhaven, en dat komt omdat sommige onderdelen ontbreken die nodig zijn om die berekeningen te maken.
De sensoren in een drone zijn onder meer:
- GPS – hiermee worden de coördinaten van de drone verkregen door zijn locatie vast te stellen ten opzichte van een aantal satellieten die zich in een geostationaire baan boven de aarde bevinden.
- Barometer – een barometer detecteert de druk en stelt de drone in staat om indirect zijn hoogte te berekenen. Hoe hoger de drone, des te lager de luchtdruk.
- Magnetometer – deze detecteert het magnetische veld van de aarde en kan de oriëntatie van de drone ten opzichte van het magnetische veld van de aarde berekenen. Dit is in wezen het kompas van de drone. Het is ook een van de dingen die regelmatig moeten worden gekalibreerd, vooral als je een behoorlijke afstand hebt afgelegd om met je drone te vliegen.
- Accelerometer- deze meet de versnelling van de drone, maar wordt vooral gebruikt om te weten in welke richting de zwaartekracht aan de drone trekt.
- De gyroscoop – een gyroscoop geeft de hoeksnelheid van de drone weer en wordt gebruikt om de oriëntatie in een 3D-omgeving te berekenen.
Deze sensoren geven voortdurend informatie door aan de besturingseenheid die wordt gebruikt om de rotatiesnelheid van de propellers te bepalen. Drones gebruiken een PID-regelaar om te bepalen hoe de drone door een 3D-ruimte moet bewegen.
PID-controllers
PID staat voor Proportioneel, Integraal, Derivatief en kan worden afgesteld op diverse drone-software. Laat je niet afschrikken door de naamgeving van deze gains, ze zijn eigenlijk gewoon een mooie manier om het volgende te zeggen:
- P kijkt naar de huidige fout – als de huidige instelling ver weg is van het instelpunt, zal de P-instelling duwen om het in de buurt van het instelpunt te houden. Hoe verder weg, hoe harder de instelling.
- I is de kennis die is opgedaan bij fouten in het verleden – deze kijkt naar fouten in het verleden (veroorzaakt door voortdurende externe krachten) en gaat deze tegen.
- D is een voorspelling van toekomstige fouten – als P de waarde dicht bij het instelpunt begint te duwen, zal de D-waarde u behoeden voor massale overschrijdingen.
Het effect van elke PID-parameter
Als je begint te spelen met de PID-waarden van je drone, zul je merken dat elke waarde de drone op verschillende manieren beïnvloedt. Laten we eens kijken naar elke waarde in een beetje meer waarde.
P Gain
De P-waarde (ook bekend als de gain-waarde – is een van de belangrijkste aspecten van het regelen van de vlucht van een drone.
De waarde bepaalt hoe hard de drone moet werken om zichzelf te corrigeren om het gewenste vluchtpad te bereiken (gecontroleerd door de controller transmissie). Hij kan zowel te hoog als te laag zijn:
Te hoog en de drone gaat oscilleren. Dit is symptomatisch voor agressieve overcorrectie door de drone en u zult hoogfrequente oscillaties zien.
Te laag en de heli lijkt traag te reageren en je kunt zelfs de motoren langzaam horen opspoelen.
Om een goede p-waarde te vinden moet je de P-waarde geleidelijk verhogen totdat de drone begint te oscilleren en deze waarde dan op 50% zetten.
I Gain
I gain is de instelling die bepaalt hoe hard de drone moet reageren op externe krachten – zoals het vasthouden van zijn positie in de wind of als gevolg van een off center of mass (vrij gemakkelijk veroorzaakt door het upgraden van onderdelen van je drone.
Te hoog en de drone zal niet reageren
Te laag en je zult merken dat je het vluchtpatroon van je drone handmatig moet corrigeren.
U wilt de I-waarde zo laag mogelijk houden zonder dat u het vluchtpatroon handmatig moet corrigeren.
D Gain
De D gain is als een soort schokdemper voor de P waarde.
Als de D-waarde te laag is, zal de drone niet snel genoeg reageren.
Als de D waarde te hoog is zal de drone gaan oscilleren met snelle kleine amplitude oscillaties. Het kan ook de reactie van de quads verminderen en ervoor zorgen dat de drone traag aanvoelt.
Verhoog de D gain totdat de drone begint te oscilleren met kleine snelle oscillaties. Verminder tot 50% van deze waarde.
De PID regelaar is verantwoordelijk voor het mooi en stabiel houden van je drone. Het zorgt ook voor soepele veranderingen van richting en als je je eigen drone bouwt is het zo belangrijk om deze functie goed in te stellen zodat je drone een plezier is om mee te vliegen en niets doet aan de uiteinden van joystick bewegingen.
Kan een drone geprogrammeerd worden?
Er zijn veel drones die kunnen worden geprogrammeerd met behulp van wat ze “waypoints” noemen. Waypoints zijn in wezen GPS-locaties in de lucht die ervoor zorgen dat de drone automatisch door deze specifieke vooraf gedefinieerde punten vliegt die een lengte- en breedtegraad hebben en een hoogte die de drone moet passeren.
Er zijn veel waypoints en automatische drone pass die online kunnen worden gedownload en sideload het in uw drone vliegen software.
Drones worden vaak geprogrammeerd voor onderzoeksdoeleinden en als je wilt weten over de beste programmeerbare drones bekijk dan mijn diepgaande artikel over de beste programmeerbare drones onderzoek [volledige gids] – klik hier.
Samenvatting
Drones vliegen en veranderen van richting door het aantal omwentelingen per minuut van elk van de vier propellers en motoren te veranderen. Dit resulteert in elk van de vier motoren die een verschillende hoeveelheid stuwkracht genereren en daardoor de drone door de lucht laten bewegen of op een vaste locatie manipuleren zoals in het geval van gieren (met behulp van impulsmoment).
Het mooie is dat veel van deze software en de berekeningen allemaal geautomatiseerd zijn, wat betekent dat je vliegervaring niet afhangt van je vermogen om te begrijpen hoe elk van deze bewegingen tot stand komt, maar dat het net zo eenvoudig is als het bewegen van een joystick en genieten van het vliegproces.
Als je aan het eind van dit artikel bent gekomen, heb je een grote voorsprong op veel dronepiloten die niet begrijpen hoe een drone van richting verandert. Nu dat je alles weet over elk van de bewegingen ben je in staat om je drone beter te controleren en te anticiperen op eventuele problemen die zich kunnen voordoen tijdens je vlucht.