Hvordan ændrer en drone retning?

Det er noget, der kan virke som magi. Når du flyver en drone, er du helt klar over, at der er en enorm mængde fysik, beregninger, software og ingeniørarbejde, der går ind i at gøre din flyvning super behagelig. For nogle mennesker er det dog ikke godt nok bare at betjene dronen. Jeg ved, at jeg er en af dem, der har brug for at vide præcis, hvad der sker i min drone, så jeg bliver en bedre pilot og forstår, hvordan jeg løser problemer, hvis de dukker op. I denne artikel vil jeg gennemgå alle de måder, som en drone ændrer retning på, uanset om det er op, ned, venstre, højre, fremad, bagud, og yaw venstre og yaw højre.

En drone ændrer retning ved at ændre de hastigheder, hvormed hver af dens propeller roterer. Mens en drone svæver, roterer de tilstødende propeller i modsatte retninger for at holde dronen stabil. Ved at ændre hastigheden for hver af motorerne kan vi manipulere dronen gennem luften i alle tre dimensioner.

For dronepiloten er det meget lidt tankevirksomhed, der går ind i, hvad der sker, og de kan blot bevæge joysticks for at styre dronen. Men dronen gør så meget mere arbejde, fordi den skal beregne sin egen acceleration, momentum, højde og højde, samtidig med at den også bekæmper eventuelle miljøforhold som opadgående vind og horisontale vinde.

Fysikken i at holde en drone i luften er faktisk meget kompliceret.

Fysikken i at holde en drone i luften

Dronens hjerte er flystyringen, som via en elektronisk hastighedskontrolenhed sender motorerne oplysninger om, hvilken vej de skal rotere, og også hvor hurtigt de skal rotere. Flystyringen vil også se på GPS-data, accelerationen og den retning, som dronen peger i, før den sender oplysningerne til motoren, så den forbliver i en stabil svæveflyvning på en fast GPS-position.

Hver af motorerne drejer en propel. Propellerne bruges til fremdrift og styring af dronens bevægelse. Disse propeller på ligesom finnerne på en ventilator, der skubber luft mod jorden. Når luften skubbes mod jorden, er dronen i stand til at suge sig selv op i luften. Der skabes et lavt tryk ved propellens forreste og øverste kant, så dronen bogstaveligt talt suger sig selv op i luften.

Hvis man ønsker at svæve, skal dronen fortrænge lige så meget luft, som den vejer. Hvis den fortrænger mere luft, vil dronen stige, og hvis propellerne drejer lidt langsommere og fortrænger mindre luft, vil dronen falde.

Dronens propellerretning er meget vigtig, da hver af dronens motorer skal dreje i modsat retning af de motorer, den ligger ved siden af. Dette ophæver ethvert vinkelmoment, så dronen forbliver på ét sted og vender i én retning.

Dronens propelretning

Min DJI Mavic air har fire motorer og propeller. Den måde, som hver af propellerne drejer rundt på, er bestemt af motoren. Og du skal sørge for, at propellerne er sat i de rigtige motorer, ellers vil dronen simpelthen snurre ukontrolleret.

Det er nemt at finde ud af, hvilken vej motoren skal spinde ved at se på propelens forkant, når den spinder i retning af propelens forkant.

For de fleste droner er dronens propelretning for hver motor som følger:

• Front venstre – motor med uret (CW)
• Front højre – motor mod uret (CCW)
• Bag venstre – motor mod uret (CCW)
• Bag højre – motor med uret (CW)

Jeg har kommenteret dette på billedet af min DJI Mavic nedenfor:

Alle dronens bevægelser styres ved at dreje propellerne på en række forskellige måder. For at styre bevægelserne er nogle propeller bremset ned, mens andre er speedet op. Nogle gange sker dette samlet (som i tilfælde af at klatre eller gå opad), og nogle gange sker det på forskellige tidspunkter på forskellige sider af flyet (som i tilfælde af fremad- og baglæns bevægelse).

I det næste afsnit vil jeg gennemgå alle hovedbevægelserne i en drone og illustrere præcist, hvordan hver af hovedbevægelserne opnås.

De vigtigste bevægelser i en drone

Flyvning af en drone indebærer fra pilotens perspektiv blot at flytte joysticket gennem deres bevægelsesområde. Denne simple joystickbevægelse udmønter sig i en ganske kompliceret bevægelse fra dronens side. Droneens venstre joystick er ansvarlig for klatring samt yaw (rotation med eller mod uret i et fast sted).

Det venstre joystick

Controllerens venstre joystick får dronen til at stige og falde og også til at dreje med og mod uret. Det er i bund og grund alle dronens handlinger, hvor den forbliver på én GPS-position.

Op / klatre

Når du trykker opad på det venstre joystick på en dronekontroller, øges alle dronens propeller i deres hastighed eller omdrejninger pr. minut. Omdrejningerne pr. minut øges, hvilket genererer mere opadgående fremdrift ved at fortrænge mere luft og tvinge den op mod gulvet.

Alle propellerne øges i omdrejningshastighed.

Propellerne skal være meget omhyggelige med at accelerere med nøjagtig samme hastighed, da der ellers vil blive skabt en anden retning i dens bevægelse. Det kræver meget for en drone at dreje hver af propellerne med præcis det rigtige antal omdrejninger pr. minut for at stige og ikke bevæge sig fra sin faste GPS-position.

Nedad / nedad

For at en drone skal falde i højde sker det stik modsatte af stigningen. Det vil sige, at hver af dronens propeller falder i antal omdrejninger pr. minut. Dette gør det i det væsentlige muligt for tyngdekraften at være en større kraft end den fremdrift, der genereres af propellerne.

Når en drone er på vej ned for at stoppe, skal den øge antallet af omdrejninger pr. minut en smule for at øge trækket, så det er lig med tyngdekraftens trækkraft mod jorden. I Toy Story får Buzz lysår at vide, at han ikke flyver her blot falder med stil. Det er præcis, hvad droner gør, når de falder. De lader simpelthen tyngdekraften trække dem mod jorden, hvilket er en smart og kontrolleret form for fald.

Yaw

Yaw er, når dronen drejer med uret eller mod uret, mens den forbliver på én GPS-position. Det vil sige, at dronen ikke bevæger sig fremad eller baglæns. Denne bevægelse kræver en ret kompliceret beregning fra dronens softwares side.

Når dronen drejer med eller mod uret, skal den styre de propeller, der står diagonalt i forhold til hinanden. Hvis de højre diagonale propeller roterer hurtigere, genererer de en kraft på grund af det øgede vinkelmoment, der gør det muligt for dronen at dreje til venstre. Hvis de venstre diagonale propeller roterer hurtigere, genererer de den modsatte bevægelse.

Dronens bevægelse mod eller med uret er altså forårsaget af, at de diagonalt modsatte propeller drejer hurtigere eller langsommere.

Det højre joystick

Dronens højre joystick på dronecontrolleren er det, som jeg i sjov har kaldt det sjove joystick. Det skyldes, at det giver dig mulighed for at zoome din drone over det hele. Det fede ved en drone er, at den ikke kun kan bevæge sig fremad eller baglæns, men du kan også bevæge dig fra side til side.

Droneens propellerorientering omkring dronen giver dig fuld bevægelsesfrihed i det horisontale plan. Ved at kombinere forskellige joystick-kombinationer kan du også gabe og bevæge dig på samme tid. Kombinationen af forskellige bevægelser sker stadig ved den minutiøse kontrol, som softwaren har over de omdrejninger pr. minut, som hver motor spinder.

Alle bevægelser med det højre joystick skaber en stigning eller en dyb knæk i rotationshastigheden for de propeller, der står ved siden af hinanden. I afsnittene nedenfor vil vi tale om, hvad hver af bevægelserne korrelerer med.

Venstre

Hvis dronen ønsker at bevæge sig til venstre for at svare til at flytte joysticket til venstre, drejer propellerne i højre side hurtigere end propellerne i venstre side.

Dette bevirker, at dronens venstre side daler en smule, mens dronens højre side hæver sig en smule. Rotorernes samlede fremdrift forbliver den samme, hvilket gør det muligt for dronen at holde sig i en fast højde, men den lille forskel mellem venstre og højre side af dronens rotorer får dronen til at drive mod venstre.

Højre

Bevægelse af dronen til højre ved at flytte joysticket til højre side medfører, at propellerne i venstre side øges med hensyn til antallet af omdrejninger pr. minut, som motoren drejer, og at propellerne i højre side af dronens højre side reduceres en lille smule.

Som i tilfældet med flytning til venstre medfører dette, at dronens højre side daler en smule, mens dronens venstre kant hæves. Motorernes samlede fremdrift forbliver den samme, da dette gør det muligt for en drone at opretholde en fast højde.

Forward

For at flytte en drone fremad skal dronens forreste kant dykke en smule, mens dronens bagkant hæves.

Dette opnås ved at sænke omdrejningstallet pr. minut på de forreste til motorer og hæve de bageste til motorer. Denne forskel i propelspinning får dronen til at bevæge sig fremad.

Baglæns

For at flytte dronen bagud skal dronens bagkant dale lidt, mens dronens forkant hæves lidt. Du vil bemærke, at dette er det stik modsatte af den fremadgående bevægelse.

For hver af bevægelserne af det højre joystick vil du kunne observere, hvilken vej dronen vipper for at opnå bevægelsen. Nogle gange, især i miljøer med meget vind og ved meget hurtig bevægelse, vil dronen ikke holde sin lodrette position særlig godt.

Jeg bemærker, at når jeg bevæger min drone meget hurtigt baglæns i forholdsvis stor højde, at dronen simpelthen falder i højden. Så beregningerne er ikke perfekte, men de kan nemt finjusteres ved at give en manuel trimning under flyvning.

Et simpelt diagram for alle dronens bevægelser

Her er et simpelt diagram for hver af dronens bevægelser, som viser, hvordan hver af rotorerne bevæger sig, mens den udfører hver af de bevægelser, der er diskuteret ovenfor. Det vil sige op, ned, med uret, mod uret, fremad, bagud, venstre og højre.

I ovenstående diagram er de propeller, der drejer hurtigere under hver af bevægelserne, fremhævet med et rødt plus. Det venstre joystick er vist i venstre side, mens de højre joystickbevægelser er vist i højre side. Bemærk venligst, at hvis dronen holder en konstant højde, drejer de andre propeller rundt med en lidt lavere hastighed for ikke at ændre den samlede fremdrift, som dronen producerer.

Alle disse kombinationer er nok til at bevæge dronen fuldstændigt i hele 3D-rummet.

Andre ting, som dronen foretager sig.

En drone laver også en masse smarte beregninger for at holde sig selv i et stabilt flyvemønster. Dronen er afhængig af en lang række forskellige sensorer, som arbejder sammen om at give information til mikrocontroller-kortet, som så er i stand til at holde dronen i en stabil position.

Nogle droner er ikke i stand til at svæve automatisk eller holde en stabil højde, og det skyldes, at de mangler nogle af de komponenter, der er nødvendige for at foretage disse beregninger.

Den vifte af sensorer, der er i en drone, omfatter:

• GPS – denne får droneens koordinater ved at udpege dens placering i forhold til en række satellitter, der befinder sig i geostationær kredsløb over jorden.
• Barometer – et barometer registrerer trykket og gør det muligt for dronen indirekte at beregne dens højde. Jo højere drone, jo lavere lufttryk.
• Magnetometer – dette registrerer jordens magnetfelt og kan beregne dronens orientering i forhold til jordens magnetfelt. Dette er i bund og grund dronens kompas. Det er også en af de ting, der skal kalibreres regelmæssigt, især hvis du har rejst en rimelig lang afstand for at flyve din drone.
• Accelerometer – det måler dronens acceleration, men det bruges primært til at kende den retning, som tyngdekraften trækker dronen i.
• Gyroskopet – et gyroskop giver droneens vinkelhastighed og bruges til at beregne dens orientering i et 3D-miljø.

Disse sensorer giver konstant oplysninger til kontrolenheden, som bruges til at bestemme propellernes rotationshastighed. Dronerne bruger en PID-regulator til at regne ud, hvordan de skal bevæge dronen gennem et 3D-rum.

PID-regulatorer

PID står for Proportional, Integral, Derivativ og kan indstilles på en række dronesoftware. Lad dig ikke afskrække af navngivningen af disse gevinster, de er i virkeligheden bare en fancy måde at sige følgende på:

• P ser på den aktuelle fejl – hvis den aktuelle indstilling er langt væk fra setpunktet, vil P-indstillingen skubbe på for at holde den tæt på setpunktet. Jo længere væk den er, jo hårdere vil den skubbe til den.
• I er viden fra tidligere fejl – den ser på tidligere fejl (forårsaget af vedvarende eksterne kræfter) og vil modvirke dem.
• D er en forudsigelse af fremtidige fejl – når P begynder at skubbe værdien tæt på setpunktet, vil D-værdien forhindre dig i at skyde massivt for langt over målet.

Effekten af hver enkelt PID-parameter

Når du begynder at lege med din drones PID-værdier, vil du bemærke, at hver værdi påvirker dronen på forskellige måder. Lad os se på hver værdi i lidt mere værdi.

P Gain

P-værdien (også kendt som gain-værdien – er et af de vigtigste aspekter ved regulering af en drones flyvning.

Værdien bestemmer, hvor hårdt dronen skal arbejde for at korrigere sig selv for at opnå den ønskede flyvevej (styret af controllerens transmission). Den kan både være for høj eller for lav:

For høj, og dronen vil svinge. Dette er symptomatisk for aggressiv overkorrektion fra dronens side, og du vil se højfrekvente svingninger.

For lavt, og kopteren vil føles som om, den er langsom til at reagere, og du kan endda høre, at motorerne spoler langsomt op.

For at finde en god p-værdi skal du gradvist øge P-værdien, indtil dronen begynder at svinge, og derefter indstille denne værdi til 50 %.

I Gain

I gain er den indstilling, der bestemmer, hvor hårdt dronen skal reagere på eksterne kræfter – som at holde sin position i vinden eller på grund af et forskudt massemidtpunkt ( ret nemt forårsaget af opgradering af komponenterne i din drone.

For høj, og dronen vil føles uopmærksom

For lavt, og du vil opleve, at du er nødt til manuelt at korrigere dronens flyvemønster.

Du ønsker at lade I-værdien være så lav som muligt uden at skulle korrigere flyvemønsteret manuelt.

D Gain

D-forstærkningen er som en støddæmper for P-værdien.

Hvis D-værdien er for lav, vil dronen ikke reagere hurtigt nok.

Hvis D-værdien til for høj vil dronen svinge med hurtige svingninger med lille amplitude. Det kan også mindske quads respons og få dronen til at føles træg.

Forøg D-forstærk D-forstærkningen, indtil dronen begynder at svinge med små hurtige svingninger. Reducer til 50 % af denne værdi.

PID-regulatoren er ansvarlig for at holde din drone pæn og stabil. Den sørger også for jævne retningsskift, og hvis du bygger din egen drone, er det så vigtigt at få denne funktion indstillet rigtigt, så din drone er en fornøjelse at flyve og ikke gør noget ved enderne af joystickbevægelser.

Kan en drone programmeres?

Der er mange droner, der kan programmeres ved hjælp af det, de kalder “waypoints”. Waypoints er i bund og grund GPS-placeringer på himlen, som får dronen til automatisk at flyve gennem disse specifikke foruddefinerede punkter, som har en længde- og breddegrad og en højde, som dronen skal passere.

Der findes mange waypoints og automatiske dronepas, som kan downloades online og sideloades i din droneflyvesoftware.

Der findes mange waypoints og automatiske dronepas, som kan downloades online og sideloades i din droneflyvesoftware.

Droner er ret ofte programmeret til forskningsformål, og hvis du vil vide om de bedste programmerbare droner, så tjek min dybdegående artikel om de bedste programmerbare droner til forskning [fuld guide] – klik her.

Summarum

Droner flyver og ændrer retning ved at ændre omdrejningerne pr. minut på hver af dens fire propeller og motorer. Dette resulterer i, at hver af de fire motorer genererer en forskellig mængde fremdrift og derfor flytter dronen gennem himlen eller manipulerer den på et fast sted som i tilfælde af yaw (ved hjælp af vinkelbevægelse).

Det fantastiske er, at en stor del af denne software og beregningerne er automatiseret, hvilket betyder, at din flyveoplevelse ikke er afhængig af, at du er i stand til at forstå, hvordan hver af disse bevægelser skabes, men at det er så simpelt som at bevæge et joystick og nyde flyveprocessen.

Når du er nået til slutningen af denne artikel er du langt foran mange af de dronepiloter, der ikke forstår, hvordan en drone ændrer retning. Nu hvor du ved alt, hvad der er at vide om hver enkelt af bevægelserne, er du i stand til at styre din drone bedre og forudse og fejlfinde eventuelle problemer, der kan opstå under flyvningen.