Závodní minikvadkoptéry, přehled základních pojmů a úvod do problematiky

Předpokládám, že víte, co je to kvadkoptéra. Je to svým způsobem vrtulník se čtyřmi rotory, kde veškeré řízení je zajištěno určitým - vhodným - rozdělováním výkonu mezi jeho čtyři motory. To dává velký prostor pro řídící elektroniku. Pojďme si říci pár základních faktů o malých závodních kvadkoptérách a přiblížit si význam některých pojmů.

Měli bychom si také nejdřív říct, co vlastně znamená FPV. Je to zkratka anglického “first person view”, tedy pohled “v první osobě”. V modelu je kamera a videovysílač, pilot má před sebou obrazovku - ať už v podobě monitoru nebo speciálních videobrýlí na obličeji - a řídí model tak, jako kdyby v něm seděl. Kvadkoptéra sama o sobě létá jako jednoduchý vrtulník bez ovládaného kolektivu - dají se s ní zaletět i jednouché akrobatické obraty, výkruty a přemety a podobně. Létání ne-FPV, tedy s přímým pohledem na koptéru, se někdy říká LOS (“Line Of Sight”). Ale proti létání FPV je to STRAŠNÁ NUDA. Pokud to někdy zkusíte, tak uvidíte sami.

Rám (anglicky “frame”)

Má za úkol držet všechno pohromadě a případně přežít lehčí havárii. Má jeden důležitý parametr, udávaný číslem. Když tedy budete třeba někde číst “QAV 250”, jedná se o rám, kde jsou motory umístěny na obvodu pomyslného kruhu o průměru 250 mm. “Mini” kvadkopdtéry mají tento parametr někde mezi 200 a 280 mm. Čím je rám menší, tím je obtížnější do něj vtěsnat všechny potřebné komponenty. Příliš velký rám zase má zbytečně velkou hmotnost a ztížené prolétávání malými prostory. Jako optimální “zlatý střed” se zatím zdá být těch cca 210 -250 mm na venkovní létání. Materiál rámu bývá typicky uhlíkový kompozit, skelný laminát, někdy i překližka, občas ABS (třeba vytištěné 3D tiskárnou) nebo vysokopevnostní polyetylén. Uhlíkové rámy jsou odolnější, ale při pořádné ráně třeba do asfaltu nebo do kmene stromu praskne cokoliv.

Musíme si uvědomit, že typická kvadkoptéra třídy 250 váží půl kila i více a může letět rychlostí přes 100 km/h. U dobře navrženého rámu prasknou nejprve nejsnáze nahraditelné části, například je dobré, pokud praskne dříve vyměnitelné rameno než centrální část rámu (“trup”). Piloti s přístupem k 3D tisku mohou s výhodou využít tištěných rámů, se snadnou možností si znovu vytisknout zničené díly. Tuhost rámu má také vliv při ladění regulačních parametrů letového kontroléru, kdy tužší rámy umožňují “ostřejší” nastavení a přesnější řízení při extrémních manévrech. To se ale týká už spíš pokročilých letců a fpv závodníků.

Stabilizační deska (“flight controller” nebo “FC”) 

Jedná se o kombinaci mikropočítače (mikrokontroléru) a senzorů. Typicky jde o tzv. šestiosý senzor - obsahuje 3 gyroskopy a akcelerometry, vždy pro každou prostorovou osu jeden. Tyto senzory a vhodný software (firmware) dokáží neustále vyhodnocovat polohu koptéry a rychlost její změny. Dost na to, aby se dala koptéra spolehlivě řídit. Stabilizační deska může mít ještě další senzory, jako například magnetometry (v podstatě elektronický kompas, který umožňuje let v magnetickém kurzu a zpřesňuje stabilizaci polohy), barometrický senzor (umožňuje udržovat / vyhodnocovat výšku letu v závislosti na tlaku vzduchu) a GPS (umožňuje létat “mise” - tedy po předem nastavené trase, vracet se automaticky na místo startu a tak podobně). Pro typické létání FPV ale úplně stačí na stabilizační desce základní šestiosý senzor. 

Některé používané typy: Multiwii (poněkud již zastaralá), CC3D, Naze 32, Flip 32 nebo SPR F3. Stabilizační deska je zapojena MEZI přijímač a motory - její správné zapojení a nastavení je asi nejsložitější část stavby každé kvadkoptéry.

Regulátory 

Jsou potřeba čtyři regulátory o síle 12 - 30 A na 3 až 4s (parametr “s” je počet do série zapojených článků s jmenovitým napětím 3,7V) lithium polymerových baterií. Vzhledem ke zvláštním nárokům je nutné, aby byly vybaveny vhodným firmware, většinou označeným jako SimonK nebo BLHeli (pokud se rozhodujete, zvolte si raději BLHeli, poslední verze firmwaru má číslo 14.5). Toto zcela stačí k uspokojivému provozu kvadkoptéry. Pokud to umožňuje stabilizační deska, je dobré, aby měly tyto regulátory také funkce OneShot (8x kratší kanálové pulsy, které umožňují vyšší frekvenci řízení motoru) a DampedLight (aktivní brzdění, nebo spíše přibrzďování, motorů). Tyto funkce trochu zpřesňují řízení koptéry, protože umožňují zvýšit opakovací frekvenci regulační smyčky, ale pro první kroky naprosto nejsou nutné.

Motory 

Nejlepší je koupit specializované motory pro kvadkoptéru, velikosti 1806 nebo 2204 - 2206. Parametr kV mají typicky 1900 - 2300 ot./volt. Pro “brutální” létání s 4s baterií se používají i motory 2206 i větší.

Vrtule

Specializované vrtule mají typicky rozměr 5 x 3 - 4,5 palce, nebo 6 x 3 - 4,5 palce. Osvědčené jsou například značky HQprop, DALprop, KingKong nebo Gemfan. Vrtule jsou poměrně laciné a až se budete učit létat FPV, zvláště mezi brankami, hodně jich asi zničíte. Vrtule jsou prostě spotřební materiál. V první várce doporučuji opatřit si minimálně 4 kompletní sady (16 ks) vrtulí, raději však třeba 8 nebo i více sad.

Pohonná sada 

Typicky se používají lipo (lithium - polymerové) baterie 1300 - 1800 mAh, 3s nebo 4s. Pro první pokusy rozhodně doporučuji 3s a pětipalcové vrtule, nebudete sice mít kapesní raketu, ale stroj bude živý až až a vy se vyhnete některým problémům spojeným s tlačením všech komponentů k jejich limitům. A věřte mi, při prvních FPV pokusech stejně nebudete ani dávat plný plyn.

Stabilizátor napětí 

Stabilizační desky a přijímače nesnesou napětí z 3s baterie napřímo, proto se používají stabilizátory napětí. Většina specializovaných regulátorů totiž nemívá v sobě obvod BEC (“Battery Elimination Circuit”, obvod nahrazující přijímačovou - tzn. ne pohonnou, ale další -baterii). Díky tomu zase ale mohou být malé, lehké a laciné. V nejjednodušší formě stačí k získání potřebných 5 V jeden lineární integrovaný obvod typu 7805, alespoň na 1A, který napájí letovou elektroniku (přijímač a stabilizační desku). Energeticky účinnější stabilizátory jsou spínané, které vyrábí například firma Pololu. Já ale mám výborné zkušenosti s tím nejjednodušším lineárním řešením a podle mých zkušeností je naprosto dostačující.

FPV kamera 

Pokud chcete létat FPV, tedy s přenosem obrazu do brýlí nebo monitoru, musíte mít na koptéře kameru. Typicky se jedná o kvalitní miniaturní bezpečnostní kamery, z nichž některé typy jsou pro tento účel vhodnější a jiné méně. Pro zážitek z létání je kamera rozhodující a je to součást, na které by se nemělo zbytečně šetřit. Rozhodně doporučuji kamery CCD a nikoliv CMOS- mají mnohem větší dynamiku obrazu a jejich o něco vyšší cena je tím plně opodstatněná. Když kamera CMOS “zahlédne” oblohu, všechno ostatní většinou zčerná nebo zešedne a pilotáž se stane obtížnou až nemožnou.

Video vysílač 

Protože řídíci (RC) soupravy pro ovládání kvadrokoptéry pracují v pásmu 2,4 GHz, jediné legální pásmo, které zbývá pro vysílání videosignálu, je 5,8 GHz. Vysílač 2,4 GHz na palubě koptéry by zahltil RC přijímač a drasticky omezil dosah ovládání. Další legální limit je vysokofrekvenční výkon 25 mW. S kvalitními anténami se dá s takovýmto výkonem létat na volném prostranství velikosti zhruba dvou fotbalových hřišť. Existují volně v prodeji vysílače běžně o výkonu až 600 mW, vzhledem k jejich nelegálnosti o nich ale nebudu nic psát.

Video přijímač

Pozemní stanice musí umět přijmout vysílaný videosignál. Přijímač a vysílač musí být naladěn na stejný kanál, většinou je na výběr, podle typu zařízení, 8 až 40 různých frekvencí. Rozhodně to ale neznamená, že by mohlo najednou létat - a koukat - 40 lidí. Videofrekvence musejí mít rozestup minimálně 40 - 60 MHz, což znamená maximálně 5 - 6 FPV pilotů ve vzduchu najednou.

Zobrazovací zařízení

Nejjednodušší je LCD monitor s nějakým krytem proti dennímu světlu. Ten má tu výhodu, že můžete snadno zvednout zrak od monitoru ke koptéře, pokud ztratíte z nějakého důvodu video signál. Většina pilotů ale létá s nějakým typem náhlavní soupravy (“headset”). Buď je to plastová krabice s typicky pětipalcovým monitorem a okuláry, případně fresnelovou čočkou.

Nejdokonalejší (a nejdražší) jsou tzv. videobrýle (“goggles”) s optikou a malou obrazovkou pro každé oko zvlášť. Ty umožňují pocit největšího ponoření se do polovirtuálního světa šíleného pilota přemotorované helikoptéry na steroidech.

STAVBA KOPTERY

Většinou je stavba rámu triviální a protože jde jen o pár dílů, je zpravidla jasné, jak se mají sešroubovat dohromady. O něco složitější je zapojení elektroniky a pohonu a skoro jistě se neobejdete bez nějakého toho pájení. Přívod od pohonné baterie se musí rozdělit do čtyř větví k regulátorům (všechny jsou pochopitelně paralelně), a dále až do tří dalších - k 5V stabilizátoru pro letovou elektroniku, k FPV systému (kamera a vysílač videopřenosu) a někdy ještě k LED světýlkům. Dá se to vše buď spájet dohromady, vždy jeden kabel proti pěti až sedmi dalším, nebo se dá s výhodu využít tzv. rozvodných desek. Většinou jde o destičku tištěného spoje, s rozvodem k motorům a často s výhodou i s 5V (a někdy i 12V) stabilizátorem.

Smysl otáčení motorů 

Při pohledu shora se motory v základním nastavení většiny letových stabilizátorů otáčí takto: pravý zadní a levý přední se točí ve směru hodinových ručiček (při pohledu shora!), oba zbylé opačně. Toto je třeba vyzkoušet dříve, než motory do koptéry přišroubujete - ušetříte si práci navíc. Prostě připojte každý regulátor s motorem zvlášť na kanál plynu a vyzkoušejte směr otáčení (samozřejmě bez vrtule!). Smysl otáčení se změní přehozením libovolných dvou vodičů mezi regulátorem a motorem.

Pak už zbývá jen spojit regulátory s deskou letového kontroléru, zapojit přijímač a baterii a dále se řídit návodem k letovému kontroléru. Je to, v závislosti na jeho typu, středně až velmi komplikovaný proces - zvlášť když to člověk dělá poprvé. Proto doporučuji tyto kroky u vaší první minikoptéry konzultovat s někým zkušenějším. Druhá nejlepší možnost je alespoň shlédnout nějaké video na Internetu, třeba na YouTube od autorů Painless 360 nebo Rc Model Reviews. Plno dobrých rad je na největší české modelářské diskuzi rcmania.cz . Některé videa na YouTube vyžadují určitou znalost angličtiny. Pokud umíte anglicky, je také výborný blog Oscara Lianga, blog.oscarliang.net.

Zalétání

Při uvádění koptéry do provozu jsem čelil dvěma problémům: jednak jsem musel naučit létat ji, a za druhé také sebe. Mám mnoholeté zkušenosti s modely letadel, v mnoha i soutěžních kategoriích, ale s vrtulníkem jsem prakticky začátečník. Umím malinko poletovat s cvičným vrtulníkem bez ovládaného kolektivu - což je shodou okolností podobný styl ovládání, jako vyžaduje kvadkoptéra. Takže nepatrný základ už jsem měl.

Prvním a zásadním krokem ale je, abyste se přesvědčili, že všechno funguje jak má, motory se otáčejí správným směrem a z ničeho se nekouří. Co nejvíce úkonů a testů udělejte s motory bez vrtulí, ušetříte si možná i nějaký krvavý šrám. Když je něco špatně nastavené, koptéra se může “zbláznit” a vyrazit někam zběsile a v kotrmelcích. Neptejte se mě, jak to vím!

Když se všechno jeví jako funkční, s namontovanými vrtulemi zkuste po armování (anglicky “to arm” = odjistit, v tomto případě mluvíme o odjištění motorů; různé stabilizační desky mohou mít různé metody armování) koptéru opatrně uchopit zespodu, ve vodorovné pozici a hlavně tak, aby se vám nepřipletly prsty do vrtulí, a pomalu přidat plyn. Vrtule by se měly roztočit. Zkuste naklánět koptéru do stran i podélně a otáčet s ní - motory by měly měnit své otáčky a měli byste cítit sílu, která se snaží vašim pohybům bránit.

Letové režimy

Všechny kontroléry umožňují přepínání alespoň dvou letových režimů. Nejdivočejší (a po troše zkušeností ten jediný správný pro FPV létání) režim je tzv. Acro, někdy označovaný jako Rates, u nás občas “na gyra”, tzn. režim bez automatického vyrovnávání polohy. Jak koptéru nakloníte, v takové poloze zůstane až do dalšího povelu od pilota (nebo nárazu do nějaké překážky!). V tomto režimu kontrolér zabezpečuje, že se neděje nic, co byste nechtěli - například odfiltruje do značné míry turbulenci ovzduší - ale neudělá vůbec nic za vás.

Druhý letový režim, který je na všech letových kontrolérech které znám, je tzv. Level či Horizont - a to je režim, jehož použití všem začátečníkům doporučuji pro zálet a první pokusy. S pákami vysílače v neutrálu se koptéra vrací do vodorovné polohy a vy jen plynem řídíte její stoupání či klesání. Všechny problémy za vás tedy zkraje řeší sama a vy si můžete v klidu její řízení osahat.

Já jsem byl tedy zpočátku za režim Horizont vděčný - největší potíže jsem měl s tím, že je koptéra malá a správně vyhodnotit její polohu pro mne nebylo vždy snadné. Rozhodně doporučuji namonotvat na koptéru LED diody - nejlépe v podobě pásků - můžete si takto barevně označit předek a záď koptéry, což vám orientaci usnadní.

Teď už létám téměř výhradně FPV - tedy s přenosem videosignálu z koptéry do videobrýlí - a dokonce jsem už měl tu drzost zúčastnit se několika závodů. Zkušeným letcům a závodníkům se omlouvám za určitá zjednodušení a opomenutí, ale účelem tohoto článku bylo hlavně upozornit na samotnou existenci této skvělé kategorie a seznámit čtenáře se základními pojmy. V příštím díle se pokusíme vybrat díly na první koptéru třídy 250 ze široké a nepřehledné nabídky několika (celkem spolehlivých) čínských e-shopů.