Det är något som kan verka magiskt. När du flyger en drönare är du helt medveten om att det finns en enorm mängd fysik, beräkningar, mjukvara och ingenjörskonst som går till för att göra din flygning superrolig. Men för vissa människor är det inte tillräckligt bra att bara använda drönaren. Jag vet att jag är en av dem som behöver veta exakt vad som händer i min drönare så att jag blir en bättre pilot och förstår hur jag ska lösa problem om de dyker upp. I den här artikeln kommer jag att gå igenom alla sätt som en drönare ändrar riktning, oavsett om det är uppåt, nedåt, vänster, höger, framåt, bakåt och gira vänster och gira höger.
En drönare ändrar riktning genom att ändra hastigheten med vilken var och en av dess propellrar roterar. När en drönare svävar roterar intilliggande propellrar i motsatt riktning för att hålla drönaren stabil. Genom att ändra hastigheten på var och en av motorerna kan vi manipulera drönaren genom luften i alla tre dimensioner.
För drönarpiloten är det väldigt lite tankeverksamhet som går in i vad som händer och de kan helt enkelt flytta joysticken för att styra drönaren. Drönaren gör dock så mycket mer arbete eftersom den måste beräkna sin egen acceleration, drivkraft, höjd och höjd samtidigt som den bekämpar eventuella miljöförhållanden som uppåtgående vindar och horisontella vindar.
Fysiken för att hålla en drönare i luften är faktiskt mycket komplicerad.
Table of Contents
Fysiken i att hålla en drönare i luften
I drönarens hjärta finns flygledaren som skickar information till motorerna via en elektronisk hastighetsregulator om åt vilket håll de ska rotera och även hur snabbt. Flygkontrollen tittar också på GPS-data, accelerationen och riktningen som drönaren pekar i innan den skickar informationen till motorn så att den förblir i ett stabilt svävande på en fast GPS-position.
Var och en av motorerna snurrar en propeller. Propellrarna används för framdrivning och för att kontrollera drönarens rörelse. Dessa propellrar är som fenorna på en fläkt som trycker luften mot marken. När luften pressas mot marken kan drönaren suga upp sig själv i luften. Det skapas ett lågt tryck vid propellerns främre och övre kant så att drönaren bokstavligen suger sig själv upp i luften.
Om drönaren ska kunna sväva måste den tränga undan lika mycket luft som den väger. Om den förflyttar mer luft kommer drönaren att stiga, och om propellrarna snurrar lite långsammare och förflyttar mindre luft kommer drönaren att sjunka.
Drönarens propellerriktning är mycket viktig eftersom var och en av drönarmotorerna måste snurra i motsatt riktning mot de motorer som den ligger bredvid. Detta upphäver alla vinkelmoment och drönaren förblir på en plats med riktning åt ett håll.
Drönarens propellerriktning
Min DJI Mavic air har fyra motorer och propellrar. Hur var och en av propellrarna snurrar bestäms av motorn. Och du måste se till att propellrarna sätts in i rätt motorer, annars skulle drönaren helt enkelt snurra okontrollerat.
Det är lätt att räkna ut på vilket sätt motorn ska snurra genom att titta på propellerns framkant när den snurrar i riktning mot propellerns framkant.
För de flesta drönare är drönarpropellerns riktning för varje motor följande:
- Front vänster – motor medurs (CW)
- Front höger – motor moturs (CCW)
- Back vänster – motor moturs (CCW)
- Back höger – motor medurs (CW)
Jag har antecknat detta på fotot av min DJI Mavic nedan:
Alla drönarens rörelser styrs genom att propellrarna snurrar på en mängd olika sätt. För att kontrollera rörelserna saktas vissa propellrar ner medan andra snabbas upp. Ibland sker detta tillsammans (som vid klättring eller uppstigning) och ibland sker det vid olika tidpunkter på olika sidor av flygplanet (som vid framåt- och bakåtrörelse).
I nästa avsnitt kommer jag att gå igenom alla huvudrörelser hos en drönare och illustrera exakt hur var och en av huvudrörelserna uppnås.
De viktigaste rörelserna hos en drönare
Flygning av en drönare innebär ur pilotens perspektiv att man helt enkelt flyttar joysticken genom sitt rörelseomfång. Denna enkla joystickrörelse översätts till en ganska komplicerad rörelse från drönaren. Drönarens vänstra joystick är ansvarig för klättring samt yaw (rotation med eller moturs på en fast plats).
Den vänstra joysticken
Den vänstra joysticken på styrenheten får drönaren att stiga och sjunka samt att vrida sig med eller moturs. I huvudsak är det drönarens alla åtgärder där den håller sig på en GPS-position.
Uppåt/klättra
När du trycker upp på den vänstra joysticken på en drönarkontrollant ökar alla drönarens propellrar i sin hastighet eller varvtal per minut. Omdreven per minut ökar vilket genererar mer uppåtriktad dragkraft genom att förskjuta mer luft och tvinga den mot golvet.
Alla propellrarna ökar i rotationshastighet.
Propellrarna måste vara mycket noga med att accelerera med exakt samma hastighet annars skapas en annan riktning i dess rörelse. Det krävs mycket för att en drönare ska kunna snurra var och en av propellrarna med exakt rätt antal varv per minut för att klättra och inte flytta sig från sin fasta GPS-position.
Nedåt/nedåt
För att en drönare ska minska i höjd sker den exakta motsatsen till klättringen. Det vill säga att var och en av drönarens propellrar minskar i antal varv per minut. Detta gör i huvudsak att gravitationen kan vara en större kraft än den dragkraft som genereras av propellrarna.
När en drönare sjunker för att stanna måste den öka antalet varv per minut något för att öka dragkraften så att den är lika stor som gravitationens dragningskraft mot jorden. I Toy Story får Buzz light year veta att han inte flyger här utan bara faller med stil. Det är precis vad drönare gör när de sjunker. De låter helt enkelt gravitationen dra dem mot jorden, vilket är en elegant och kontrollerad form av fall.
Skjutning
Yaw är när drönaren vrider sig med eller moturs samtidigt som den förblir på en GPS-position. Det vill säga att drönaren inte rör sig framåt eller bakåt. Denna rörelse kräver en ganska komplicerad beräkning av drönarens programvara.
När drönaren vänder med eller moturs måste den styra de propellrar som står diagonalt i förhållande till varandra. Om de högra diagonala propellrarna roterar snabbare genererar de en kraft på grund av det ökade vinkelmomentet som gör att drönaren kan rotera åt vänster. Om de vänstra diagonala propellrarna roterar snabbare genererar de den motsatta rörelsen.
Drönarens rörelse mot eller medurs orsakas alltså av att de propellrar som står diagonalt mittemot varandra snurrar snabbare eller långsammare.
Den högra joysticken
Drönarens högra joystick är vad jag skämtsamt har kallat den roliga joysticken. Det beror på att du med den kan zooma din drönare överallt. Det fina med en drönare är att den inte bara kan röra sig framåt eller bakåt utan du kan också röra dig från sida till sida.
Orriktningen av propellrarna runt drönaren gör att du kan röra dig fullt ut i det horisontella planet. Genom att kombinera olika joystickkombinationer kan du också gira och röra dig samtidigt. Kombinationen av olika rörelser sker fortfarande genom den minutiösa kontroll som programvaran har över hur många varv per minut varje motor snurrar.
Alla rörelser med den högra joysticken skapar en ökning eller en djup veckning i rotationshastigheten hos de propellrar som står bredvid varandra. I avsnitten nedan kommer vi att tala om vad var och en av rörelserna korrelerar med.
Vänster
Om drönaren vill röra sig åt vänster för att korrespondera med att flytta joysticken åt vänster snurrar propellrarna på höger sida snabbare än propellrarna på vänster sida.
Detta gör att drönarens vänstra sida sjunker något medan drönarens högra sida höjer sig något. Rotorernas totala dragkraft förblir densamma, vilket gör att drönaren kan hålla sig på en fast höjd, men den lilla skillnaden mellan den vänstra och den högra sidan av drönarens rotorer gör att drönaren driver åt vänster.
Högre
Förflyttning av drönaren till höger genom att flytta joysticken till höger gör att de vänstra propellrarna ökar i antal varv per minut som motorn snurrar och att de högra propellrarna på drönaren minskar en aning.
Som i fallet med att flytta till vänster får detta drönarens högra sida att sjunka något samtidigt som drönarens vänstra kant höjs. Motorernas totala dragkraft förblir densamma eftersom detta gör det möjligt för drönaren att hålla en fast höjd.
Förändring
För att flytta en drönare framåt måste drönarens främre kant sjunka något medan drönarens bakre kant höjs.
Detta uppnås genom att sänka varvtalet per minut för de främre till motorerna och höja de bakre till motorerna. Denna skillnad i propellerns snurrande gör att drönaren rör sig framåt.
Tillbaka
För att flytta drönaren bakåt måste drönarens bakre kant sjunka något medan drönarens främre kant höjs något. Du kommer att märka att detta är raka motsatsen till rörelsen framåt.
För var och en av rörelserna med den högra joysticken kommer du att kunna observera åt vilket håll drönaren lutar för att uppnå rörelsen. Ibland, särskilt i miljöer med mycket vind och vid mycket snabba rörelser, kommer drönaren inte att hålla sin vertikala position särskilt bra.
Jag märker att när jag flyttar min drönare bakåt mycket snabbt på relativt hög höjd att drönaren helt enkelt sjunker i höjd. Beräkningarna är alltså inte perfekta, men de kan lätt finjusteras genom att man gör en manuell trimning under flygning.
Ett enkelt diagram för alla drönarens rörelser
Här är ett enkelt diagram för alla drönarens rörelser som visar hur var och en av rotorerna rör sig när den utför var och en av de rörelser som diskuterats ovan. Det vill säga uppåt, nedåt, medurs, moturs, framåt, bakåt, vänster och höger.
I diagrammet ovan är de propellrar som snurrar snabbare under var och en av rörelserna markerade med ett rött plus. Den vänstra joystickens rörelser visas på vänster sida medan den högra joystickens rörelser visas på höger sida. Observera att om drönaren håller en konstant höjd snurrar de andra propellrarna i något lägre takt för att inte ändra den totala dragkraft som drönaren producerar.
Alla dessa kombinationer är tillräckliga för att flytta drönaren helt och hållet i 3D-rummet.
Andra saker som drönaren gör.
En drönare gör också en massa tjusiga beräkningar för att hålla sig i ett stabilt flygmönster. Drönaren förlitar sig på en hel rad olika sensorer som arbetar tillsammans för att ge information till mikrokontrollerkortet som sedan kan hålla drönaren i ett stabilt läge.
Vissa drönare kan inte sväva automatiskt eller hålla en stabil höjd och det beror på att de saknar några av de komponenter som krävs för att göra dessa beräkningar.
Den mängd sensorer som finns i en drönare omfattar:
- GPS – denna får fram drönarens koordinater genom att peka ut dess position i förhållande till ett antal satelliter som befinner sig i geostationär omloppsbana över jorden.
- Barometer – en barometer känner av trycket och gör att drönaren indirekt kan beräkna sin höjd. Ju högre drönaren är desto lägre är lufttrycket.
- Magnetometer – denna känner av jordens magnetfält och kan beräkna drönarens orientering i förhållande till jordens magnetfält. Detta är i huvudsak drönarens kompass. Det är också en av de saker som måste kalibreras regelbundet, särskilt om du har rest en bra bit för att flyga din drönare.
- Accelerometer – den mäter drönarens acceleration, men den används främst för att veta i vilken riktning gravitationen drar drönaren.
- Gyroskopet – ett gyroskop ger drönarens vinkelhastighet och används för att beräkna dess orientering i en 3D-miljö.
Dessa sensorer ger ständigt information till kontrollenheten som används för att bestämma propellerns rotationshastighet. Drönare använder en PID-regulator för att räkna ut hur drönaren ska förflytta sig i ett 3D-utrymme.
PID-regulatorer
PID står för Proportionell, Integral, Derivativ och kan ställas in på en rad drönarprogramvaror. Låt dig inte avskräckas av namngivningen av dessa vinster, de är egentligen bara ett fint sätt att säga följande:
- P tittar på det aktuella felet – om den aktuella inställningen är långt ifrån börvärdet kommer P-inställningen att trycka på för att hålla det nära börvärdet. Ju längre bort den är desto hårdare kommer den att trycka på.
- I är kunskapen från tidigare fel – här tittar man på tidigare fel (orsakade av kontinuerliga externa krafter) och motverkar dem.
- D är en förutsägelse av framtida fel – när P börjar trycka på värdet nära börvärdet kommer D-värdet att hindra dig från att kraftigt överskrida börvärdet.
Effekten av varje PID-parameter
När du börjar leka med drönarens PID-värden kommer du att märka att varje värde påverkar drönaren på olika sätt. Låt oss ta en titt på varje värde i lite mer värde.
P Gain
P-värdet (även kallat förstärkningsvärdet – är en av de viktigaste aspekterna när det gäller att reglera en drönares flygning.
Värdet bestämmer hur hårt drönaren ska arbeta för att korrigera sig själv för att uppnå den önskade flygbanan (som styrs av styrenhetens överföring). Det kan vara både för högt och för lågt:
För högt och drönaren kommer att oscillera. Detta är symptomatiskt för aggressiv överkorrigering av drönaren och du kommer att se högfrekventa svängningar.
För lågt och koptern kommer att kännas som om den reagerar långsamt och du kan till och med höra hur motorerna spolar upp långsamt.
För att hitta ett bra p-värde bör du gradvis öka P-värdet tills drönaren börjar oscillera och sedan ställa in detta värde på 50 %.
I Gain
I gain är inställningen som bestämmer hur hårt drönaren ska reagera på externa krafter – som att hålla sin position i vind eller på grund av en avvikande massacentrum (ganska lätt orsakat av uppgradering av komponenterna i din drönare.
Trott för högt och drönaren kommer att kännas oemottaglig
Trott för lågt och du kommer att upptäcka att du måste korrigera drönarens flygmönster manuellt.
Du vill lämna I-värdet så lågt som möjligt utan att behöva korrigera flygmönstret manuellt.
D Gain
D-förstärkningen är som en stötdämpare för P-värdet.
Om D-värdet är för lågt kommer drönaren inte att reagera tillräckligt snabbt.
Om D-värdet för högt kommer drönaren att svänga med snabba svängningar med liten amplitud. Det kan också minska quadens respons och få drönaren att kännas trög.
Öka D-förstärkningen tills drönaren börjar svänga med små snabba svängningar. Minska till 50 % av detta värde.
PID-regulatorn är ansvarig för att hålla din drönare fin och stabil. Den ger också smidiga riktningsändringar och om du bygger din egen drönare är det så viktigt att få denna funktion inställd rätt så att din drönare är ett nöje att flyga och inte gör något i slutet av joystickrörelser.
Kan en drönare programmeras?
Det finns många drönare som kan programmeras med hjälp av vad de kallar ”waypoints”. Waypoints är i huvudsak GPS-positioner på himlen som gör att drönaren automatiskt flyger genom dessa specifika fördefinierade punkter som har en longitud och latitud och en höjd som drönaren måste passera.
Det finns många waypoints och automatiska drönarpass som kan laddas ner online och sidoladdas i din drönarflygprogramvara.
Drönare programmeras ganska ofta i forskningssyfte och om du vill veta om de bästa programmerbara drönarna kolla in min djupgående artikel om de bästa programmerbara drönarna forskning [fullständig guide] – klicka här.
Sammanfattning
Drönare flyger och ändrar riktning genom att ändra varvtalen per minut på var och en av dess fyra propellrar och motorer. Detta resulterar i att var och en av de fyra motorerna genererar olika mycket dragkraft och därför förflyttar drönaren genom himlen eller manipulerar den på en fast plats som i fallet med yaw (med hjälp av vinkelmoment).
Det fantastiska är att mycket av denna programvara och beräkningarna är automatiserade, vilket innebär att din flygupplevelse inte är beroende av att du kan förstå hur var och en av dessa rörelser skapas, utan att det är lika enkelt som att flytta en joystick och njuta av flygprocessen.
När du kommer till slutet av den här artikeln ligger du långt före många drönarpiloter som inte förstår hur en drönare ändrar riktning. Nu när du vet allt som finns att veta om var och en av rörelserna kan du styra din drönare bättre och förutse och felsöka eventuella problem som kan uppstå under flygningen.