Рама для квадрокоптера — как выбрать, основы и советы

В этой учебной статье будет представлен обзор рам для мини-квадрокоптеров, советы и рекомендации по выбору наилучшей рамы, а также то, как рама влияет на летные характеристики. Существует большой выбор рам как для вашего стиля, так и для определенных потребностей.

Оригинал статьи: https://oscarliang.com

Что такое рама для мини-квадрокоптера

Рама для мини-квадрокоптера — это рама для гоночного дрона, которая служит жестким каркасом, размещает на себе различные компоненты и двигатели.

Как вы можете видеть, есть разные типы рам или шасси для квадрокоптера. Некоторые рамы имеют все 4 луча из цельного куска материала (обычно это карбон), а некоторые рамы состоят из отдельных лучше, которые скрепляются винтами. Еще есть рамы, у которых присутствует металлическая сетка-защиты камеры FPV в передней части.

Идеальная рама для квадрокоптера

Идеальная рама для квадрокоптера должна быть легкой и прочной, но, как обычно бывает у квадрокоптеров — это требует каких-нибудь жертв, например, в балансе.

Конструкция и материал рамы определяют, насколько она устойчива к крашам (авариям). Крепкие рамы обычно тяжелые, но более стабильны в воздухе, в то время как легкие наоборот, легкие и проворные.

Крепкая и устойчивая

Мини-квадрокоптеры созданы для гонок по FPV, скорость — основная задача, поэтому неизбежны аварии и столкновения. Для пилотов с ограниченным бюджетом это довольно важно, потому что, если сломать луч или другую часть рамы, придется покупать новую целиком, так как по частям рамы не продают, либо заказывать отдельную часть на каком-нибудь Банггуде или Алиэкспрессе.

Легкая и аэродинамичная

Легкая рама позволяет дольше летать, за счет сокращения расходов энергии на удержание тяжелого веса, быстрее реагирует на команды и быстрее ускоряется. Но есть минус — легкие рамы подвержены повышенной вибрации и гибкости, это может влиять на полетный контроллер и PID’ы, отчего настроить ПИДы будет довольно сложновато. Еще у легких рам обычно отсутствует какая-либо защита компонентов, в угоду веса, конечно же.

Рама оказывает огромное влияние на летные характеристики, такие как: аэродинамика, распределение веса, жесткость и др., абсолютно все влияет на характеристику полета.

Эстетика и продуманный дизайн

Рама для гоночного квадрокоптера — это больше, чем просто слоеный карбон (это также углепластик, углеволокно, углеродное волокно). Конструкция рамы определяет, насколько просто можно установить компоненты дрона и соединить их в одно целое. Все чаще дизайнеры рам применяют такие формы, чтобы рама была одновременно крутой на вид, вмещала в себя все необходимое и имела защиту компонентов.

Материал рамы квадрокоптера

Рама для гоночного квадрокоптера может быть сделана из любых материалов: дерево, пластик 3D-принтера, литейный пластик, стекловолокно, алюминий, и даже ПВХ-трубы. Но самым популярным и рекомендуемым материалом считается карбон, он легкий и очень прочный, а также не дорогой:

• Малый вес — легкий гоночный дрон это большая скорость, отличная маневренность и менее разрушительная инерция при аварии
• Прочность — карбон как известно, очень крепкий и долговечный материал
• Жесткость — карбон имеет высокую жесткость в соотношении вес=жесткость. Жесткость очень важна для стабильности полета и эффективности полета.

Но не все так идеально, у карбона тоже есть определенные недостатки:

• Карбон это электропроводящий материал. Если у вашей модели есть оголенные провода, это может привести к короткому замыканию через раму.
• Карбон блокирует радиочастоты, например, 2,4 ГГц и 5,8 ГГц, поэтому не прячьте антенны в корпусе, их нужно выводить наружу.

Далее в статье мы будем рассматривать только карбоновые рамы, так как в гоночных дронах в 99% используется именно карбоновая рама.

Строение рамы

Раму для мини-дрона можно разделить на 2 части: тело и лучи (лучи еще называют руками, так как по-английски слово arm — это рука, а английская аббревиатура луча рамы — arm)

В теле рамы размещаются электронные компоненты, включая полетный контроллер, PDB (плата разводки питания), камеру и так далее. Обычно тело состоит из нижней и верхней пластины и некоторых промежуточных маленьких пластинках, обычно тело скрепляется вертикальными стойками на винтах.

Лучи — это место, куда крепятся двигатели и регуляторы оборотов. Лучи обычно делаются из толстого слоеного карбона от 3 до 4мм, это нужно для прочности и долговечности. Сейчас все чаще делают лучи толщиной 5 и даже 6мм, потому что скорость и мощность дронов тоже возросла.

Размер рамы

Размер рамы (иногда называется колесной базой) представляет собой длину по диагонали от одного двигателя к другому, считается в миллиметрах:

Размер рамы влияет на размер таких компонентов как:

• Размер пропеллеров
• Размер двигателей
• На то, какие будут использоваться регуляторы оборотов — отдельные или в контроллере 4 в 1
• Совместимость с определенными FPV или HD-камерами
• Сопротивление воздуха
• Инерцию
• Вес

Размер рамы определяет выбор почти всех компонентов, которые будут использоваться при сборке. Для мощного квадрокоптера требуется большая рама, чтобы можно было повесить большие пропеллеры и большие двигатели, в то время как на маленьких рамах такое оборудование не поставишь.

От размера рамы зависит размер пропеллеров, Пропеллеры привязаны к размеру рамы. Например, рамы размером 210 мм называют «5-ти дюймовой рамой», потому что самые большие пропеллеры, которые можно использовать с этой рамой — это пропеллеры на 5 дюймов. Это и есть способ, отвечающий на вопрос «как выбрать пропеллеры». А также, для выбора пропеллеров у  нас есть отдельная статья: https://profpv.ru/пропеллеры-для-квадрокоптера/.

Двигатели на раму ставят на самом краю лучей, там будут отверстия для крепления. Чем дальше двигатели от центра, тем больше момент инерции. В остальном, чем меньше рама, тем резвее себя ведет квадрокоптер, так как маленькую раму проще и быстрее наклонять/поворачивать и так далее.

Также, у большой рамы больше сопротивление воздуха за счет большей площади.

Чтобы упростить вам задачу по выбору пропеллеров для определенной рамы, ниже приведена таблица размеров пропеллеров и размеров рам, выбирать размер пропеллеров нужно исходя из размера рамы в таблице ниже:

Размер рамы в дюймах	Размер пропеллеров в дюймах
280 мм+	7″
220-250 мм	6″
180-220 мм	5″
150-180 мм	4″
120-150 мм	3″
90-120 мм	2″

На дрон можно ставить меньшие по размеру пропеллеры, но старайтесь так не делать, эффективность полета повышается, если использовать пропеллеры максимального размера, которые можно поставить именно на эту раму.

Типы рам и лучей

Форма рамы определяется тем, как лучи соединены с телом. Это не только влияет на внешний вид, но и влияет на летные характеристики. На сегодня популярны такие формы рам:

• H
• X
• Гибрид Х
• Вытянутая Х
• Квадратная (Коробка)
• Plus

На первый взгляд может показаться, что все рамы одинаковые, но на самом деле они все разные. Насчет формы рамы и влияния на полет — вопрос спорный, сообщество пилотов так и не определилось, как форма лучей влияет на летные характеристики. По-своему опыту скажу, что форма хоть немного, но все же влияет на полет, с каждым типом рамы дрон ведет себя в воздухе по-другому.

Рама типа Н

Это самые первые рамы, которые начали использовать на квадрокоптерах. У них много места для компонентов. Лучи соединены на теле в форме Н, это дает нам просторное и большое тело, в котором удобно размещать и ремонтировать электронику.

Камеру и аккумулятор можно расположить на верхней пластине тела, вес распределяется по одному направлению, что не очень благоприятно влияет на инерцию по тангажу. Т.е. вправо влево он будет легко наклоняться, а вот наклон вперед-назад будет затрагивать немного больше энергии и силы. В этом отличии от более новых рам Х-формы. Рамы H предпочитают пилоты для более плавного полета, а не для сложного фристайла.

Рама типа Х

В такой раме лучи встречаются на теле рамы в самом центре, образуя форму буквы Х. Тело максимально короткое, а компоненты размещаются ровно по-середине, чтобы была максимальная центровка веса по раме.Отцентрированная масса на такой раме позволяет сократить инерцию дрона в полете, что очень важно для FPV гонок, в этом преимущество Х рамы над Н.

Рамы Х обычно еще и легче, так как в ней используется немного меньше материала. На такой раме немного сложнее все разместить, так как все располагается в центре, включая камеру и аккумулятор. Этот тип также называют «Тру Х», чтобы отличить эту раму от гибридов.

Рама типа Гибрид Х

Гибридные Х рамы имеют тип соединения лучей, как и у Х, но тело имеет удлиненную форму, как у Н-рамы. С точки зрения полета, как говорят пилоты на этих рамах, по летным характеристикам они ничем не отличаются от типа Н-рам, так как масса распределена одинаково. Но надо все же учитывать, как передается нагрузка с лучей на тело, как передается вибрация.

Рама типа Удлиненная Х

Внешний вид очень похож на «Тру Х», но лучи расположены ближе друг к другу сзади и спереди, смысл в том, что так улучшаются повороты в гонках и скоростных полетах.

Также, смещенное расположение передних пропеллеров от задних исключает возникновение турбулентных завихрений, или как минимум значительно их сократит, позволяю дрону летать более стабильно.

Такие рамы других настроек PID из-за изменения геометрии рамы и полета. Такие рамы более чувствительны к оси Roll из-за своего строения, чем стандартная Х-рама.

Еще они немного больше весят, так как используется больше материала.

Рама типа Квадрат (коробка)

Квадратная рама может быть сделана из рам типа Н или Х, с дополнительными ребрами жесткости соединяющих лучи. Таким образом получается очень жесткая рама, которая редко ломается. Однако, увеличение таким способом рамы, ведет к повышенному воздушному сопротивлению и увеличивает общий вес. Рама для новичков, чтобы при частых падениях не раздолбить всю электронику.

Рама типа Plus

Это интересная и не очень популярная рама, два луча расположены ровно вперед и назад от тела рамы по ходу движения. Такой тип имеет существенный плюс — отсутствие турбулентности двигателей, так как они все вращаются довольно далеко друг от друга. А недостаток — передний двигатель с лучом скорее всего будут попадать в поле зрения камеры.

Рама типа Удлиненный Plus

Для решения проблемы с попаданием двигателя в поле зрения камеры, дизайнеры удлинили передний и задний лучи. Но это все равно не придало уникальности раме

Другие типы рам

Есть еще разные типы рам, например V-образные или DeadCat и другие, но они непопулярны, так как их сложнее настраивать, да и двигатели по особой схеме нужно устанавливать.

 

Цельные рамы

Рама может быть спроектирована так, чтобы была возможность менять лучи, но это еще и означает дополнительный вес — винты, болты, дополнительная донная пластина. Много лишнего веса.

Избежать наличие лишнего веса поможет цельная рама (монорама), где лучи и тело это единая пластина. Такая рама не только легче, но и значительно упрощает и ускоряет сборку. Но, если вы сломаете луч, менять придется всю пластину, поэтому дешевле поменять один луч в сборной раме, а не целиком менять пластину, да еще и переносить всю электронику.

Если вы гоняете на дроне и часто падаете, разумнее использовать сборную раму.

Современные рамы делают прочными, но для фристайла использовал бы рамы с толщиной не менее 4мм и это для 5-6 дюймовых размеров.

Что касается жесткости, то я считаю, что у сборных рам она выше. Также жесткость зависит от толщины материала.

Толщина карбоновой рамы

Толстое углеродное волокно повышает прочность и жесткость рамы, но и повышает вес все рамы.

Для лучей важность имеет долговечность, так как они в основном принимают весь удар при авариях, поэтому как правило лучи толще, чем тело рамы, тело обычно толщиной 2 мм, а боковые пластинки вообще 1мм.

5-и дюймовые рамы обычно делаются из карбона толщиной 3-4 мм, хотя сейчас уже делают и 5 и 6 мм толщину. Идеальной толщиной считается значение в 4 мм, не слишком тяжелая рама и не слишком хрупкая.

Подготовка рамы к сборке

После покупки новой рамы, рекомендую тщательно подготовить ее протереть от остатков и различных заусенцев. Если на раме острые края, обязательно срежьте их или зашкурьте. Это нужно, чтобы не порезаться и чтобы эти острые края не порезали провода и ремни. После того, как убрали острые края, проклейте участок супер-клеем (который цианокрилат), чтобы карбон не начал расслаиваться в этом месте.

Рамы для гонок фристайла

Самое важное для гонок это минимальный вес и легкость ремонта, а также, чтобы можно было легко заменить луч или сломавшуюся часть рамы + к этому, рама должна быть прочной.  Для фристайла аналогично — чтобы можно было легко ремонтировать дрон.

Рекомендации по выбору рам

Крепление под полетный контроллер

При покупке рамы следите за тем, чтобы у полетного контроллера и рамы были одинаковые размеры под винты, обычно у полетников отверстия для винтов расположены квадратом с длиной стороны 30,5мм или 20мм.

Крепление под FPV камеру

Так как теперь у нас есть 3 стандартна размеров камер FPV — Standart, mini, micro, то внимательно смотрите, под какую камеру будет рассчитано место под FPV камеру на раме. Если ошибетесь, придется сверлить дырки дрелью.

Жесткость

После сборки хорошенько покрутите и попробуйте слегка погнуть раму в руках, она не должна нигде люфтить и шевелиться, это должен быть цельной кусок, иначе в полете рама развалится от вибраций.

При сборке рамы обязательно использовать фиксатор резьбы, красный, либо синий.

 

Где разместить lipo аккумулятор на квадрокоптере — внизу или наверху?

Точного мнения насчет этого нет, дело вкуса каждого пилота, где именно разместить батарею, внизу или наверху дрона. Но есть несколько моментов, благодаря которым все идет в пользу верхнего расположения:

• это центр тяжести, чем ближе вся масса к пропеллерам (в смысле, чтобы пропеллеры были на середине уровня массы)
• и второе — если постаивть аккумулятор снизу, то он постоянно при посадке будет ударяться о землю, это может его легко повредить.

Снизу ставят только на маленькие Х-рамы, потому что наверху просто нет места.

Выводы

В общем и целом, выбор рамы это важный шаг перед сборкой дрона, от выбора будет зависеть то, как он будет летать, как часто будет ломаться, как удобно будет ремонтировать  и распологать аккумулятор и экшен-камеру. Также, нужно задать вопрос, для фристайла собирается дрон или для гонок и уже исходя из этого, выбирать себе раму. Не стоит покупать самую дешевую и тонкую, с такой будет много проблем.