Konstrukce, výroba a analýzy malého čtyřrotorového dronu

Tags: 3D tisk | Drony | FEM | VOŠ a SPŠ | Výuka | Žďár nad Sá­za­vou

Sou­čás­tí le­toš­ní, ne pří­liš tra­dič­ní výuky, bylo také hle­dá­ní za­jí­ma­vých témat pro pro­jek­to­vou on-line výuku. Je­jich cílem bylo nejen vy­svět­lit od­bor­nou pro­ble­ma­ti­ku, ale také ná­zor­ně na dálku před­sta­vit stu­den­tům práci s od­bor­ným soft­ware. Na VOŠ a SPŠ ve Žďáru nad Sá­za­vou vě­nu­je­me na­sa­ze­ní PLM a BIM tech­no­lo­gií se stu­dent­ský­mi pro­jek­ty po­zor­nost řadu let.

Sbli­žu­jí po­třeb­né te­o­re­tic­ké zna­los­ti s prak­tic­ky re­a­li­zo­va­ný­mi pro­jek­ty blíz­ký­mi tech­nic­ké praxi ať se již jedná o prů­běž­né nebo ma­tu­rit­ní pro­jek­ty. Pro­jek­to­vá výuka se uká­za­la v ak­tu­ál­ní si­tu­a­ci jako jedna z mož­nos­tí pro zís­ká­ní no­vých zna­los­tí v růz­ných ob­las­tech na­sa­ze­ní di­gi­tál­ních tech­no­lo­gií.

Té­ma­tem dnes před­sta­ve­né­ho pro­jek­tu byl kom­plet­ní vývoj ma­lé­ho čtyřro­to­ro­vé­ho dronu spo­je­ný s jeho vý­ro­bou a ana­lý­za­mi po­hon­ných jed­no­tek. Toto téma jsme zvo­li­li zá­měr­ně s ohle­dem na ak­tu­ál­ní atrak­ti­vi­tu pro­ble­ma­ti­ky. Jedná se o kon­strukč­ně kom­plex­ní pro­jekt za­hr­nu­jí­cí jak mož­nos­ti efek­tiv­ní­ho na­sa­ze­ní di­gi­tál­ní­ho pro­to­ty­pu, tak in­te­gra­ci nej­no­věj­ších vý­rob­ních tech­no­lo­gií ve vazbě na elek­tro­ni­ku a ří­ze­ní sadou spe­ci­ál­ních mi­k­ro­po­čí­ta­čů. Sou­čás­tí pro­jek­tu bylo také se­zná­me­ní s ak­tu­ál­ní le­gisla­ti­vou v tomto oboru, kte­rou si vy­ža­du­je stále větší ob­li­ba těch­to za­ří­ze­ní. Na pro­jek­tu vznik­lo také ně­ko­lik za­jí­ma­vých mě­ře­ní účin­nos­ti elek­tro­po­ho­nu.

Pro­jekt po­sky­tu­je ši­ro­ký pro­stor pro na­sa­ze­ní mo­der­ních vý­vo­jo­vých ná­stro­jů

Vývoj a kon­struk­ce s vy­u­ži­tím sy­me­t­ric­ké­ho adap­tiv­ní­ho mo­de­lu

Vhod­ná volba té­ma­tu pro pro­jek­to­vou výuku je vždy za­lo­že­na na jeho op­ti­mál­ním roz­sa­hu. Pro uce­le­nou re­a­li­za­ci je pod­stat­né zvo­lit ne pří­liš roz­sáh­lé téma, které ve fi­ná­le vy­tvo­ří funkč­ní celek vý­rob­ku. Kon­cept dronu, již ze své pod­sta­ty, umožňuje sys­te­ma­tic­ký po­stup tvor­by pro­jek­tu s vy­u­ži­tím adap­tiv­ní­ho na­vr­ho­vá­ní v se­sta­vě. Jedná se kon­strukč­ně o sy­me­t­ric­kou ge­o­me­t­rii, u které lze apli­ko­vat efek­tiv­ní po­stu­py pa­ra­me­t­ri­za­ce.
Prak­tic­ky lze řešit pouze jednu čtvr­ti­nu dronu a tu ná­sled­ně zr­cadlit ve dvou ro­vi­nách. Práce je tak zá­sad­ně ak­ce­le­ro­vá­na a je velmi blíz­ká praxi, kdy se sy­me­t­rie vy­u­ží­vá nejen na úrov­ni kon­struk­ce, ale také vý­po­čtů, ana­lýz a tech­no­lo­gic­ké pří­pra­vy vý­ro­by. Takto stra­te­gic­ky zvo­le­ný ná­vr­ho­vý pro­ces umožňuje rych­lou op­ti­ma­li­za­ci va­ri­ant dronu na­pří­klad s vaz­bou na vý­sled­ky FEM ana­lýz nebo pří­pra­vy tech­no­lo­gie vý­ro­by. Adap­tiv­ní pro­ces mo­de­lo­vá­ní v se­sta­vě není tri­vi­ál­ní a je jej nutné se stu­den­ty pře­dem de­tail­ně pro­brat na jed­no­duš­ších té­ma­tech. Od­mě­nou za zna­los­ti adap­tiv­ní­ho mo­de­lo­vá­ní je ale efek­tiv­ní tvor­ba a mo­di­fi­ka­ce ge­o­me­t­ric­ky na­va­zu­jí­cích sou­čás­tí.

V ob­las­ti kon­struk­ce lze efek­tiv­ně apli­ko­vat adap­tiv­ní model a sy­me­t­rií sou­čás­tí

Tech­nic­ká vi­zu­a­li­za­ce a ko­mu­ni­ka­ce ře­še­ní

V roz­sáh­lé ro­di­ně pro­duk­tů spo­leč­nos­ti Au­to­de­sk na­jde­me řadu za­jí­ma­vých ná­stro­jů, které mohou stu­den­ti vy­u­žít při zpra­co­vá­ní a pre­zen­ta­ci svých pro­jek­tů Sa­mo­stat­nou ka­pi­to­lu ře­še­ní na­še­ho bez­pi­lot­ní­ho pro­střed­ku jsme vě­no­va­li tech­nic­ké vi­zu­a­li­za­ci a od­la­dě­ní de­sig­nu dronu. Jedná se vždy o atrak­tiv­ní pro­blém, kde se mohou stu­den­ti vý­tvar­ně vy­já­d­řit. Data z Au­to­de­sk In­ven­to­ru byla pře­vza­ta v na­tiv­ním for­má­tu do vi­zu­a­li­zač­ních ná­stro­jů a op­ti­ma­li­zo­va­ná v prů­bě­hu on-line výuky. Obavy z pře­no­su vel­ké­ho množ­ství vi­zu­ál­ních dat ve vy­so­kém roz­li­še­ní se na­ko­nec uká­za­ly jako zby­teč­né. Vi­zu­ál­ní ná­vrhy byly dis­tri­bu­o­vá­ny v týmu 15 a více stu­den­tů on-line zcela bez pro­blé­mů. Po­stup­ně tak vznik­lo ně­ko­lik va­ri­ant dronu s ně­ko­li­ka ver­ze­mi tvaru a zvo­le­ných ma­te­ri­á­lo­vých vlast­nos­tí. Fi­nál­ní návrh, který jsme na­ko­nec zvo­li­li do vý­ro­by, mů­že­te vidět na při­lo­že­ných ob­ráz­cích.

Op­ti­ma­li­za­ce ge­o­me­t­rie ramen a je­jich ma­xi­mál­ní de­for­ma­ce pro­běh­la s vy­u­ži­tím FEM ana­lýz

Vý­ro­ba a se­sta­ve­ní dronu

Od po­čát­ku ná­vr­hu jsme pra­co­va­li se zú­že­ným množ­stvím vý­rob­ních po­stu­pů, které jsou re­a­li­zo­va­tel­né na půdě naší školy. Do­mi­nant­ní po­zi­ci ve vý­ro­bě dronu měla tech­no­lo­gie 3D tisku FDM. Vět­ši­na sou­čás­tí byla s tímto ohle­dem na­vr­že­na a op­ti­ma­li­zo­vá­na pro je­jich snad­nou vý­ro­bu. Sna­ži­li jsme se vhod­nou úpra­vou tvaru hlav­ních částí rámu mo­de­lu vy­hnou roz­sáh­lej­ší apli­ka­ci pod­por, které se ob­tíž­ně­ji od­st­raňují a pro­dlu­žu­jí tisk. V ex­po­no­va­ných mís­tech byla kon­struk­ce po­sí­le­na vle­pe­ním uh­lí­ko­vých vý­ztuh zvy­šu­jí­cích torz­ní tu­host rámu. Pro ana­lý­zu vhod­né­ho umís­tě­ní jsme vy­u­ži­li FEM tech­no­lo­gie apli­ko­va­né na pů­vod­ní adap­tiv­ní návrh. De­mon­strač­ní 3D kon­cept dronu byl ve fi­nál­ní mon­tá­ži do­pl­něn ma­ke­to­vý­mi vr­tu­le­mi a tiš­tě­ný­mi ko­pi­e­mi stří­da­vých po­hon­ných jed­no­tek.

První kon­cepč­ní návrh vy­ro­be­ný s vy­u­ži­tím 3D tisku s ma­ke­to­vý­mi vr­tu­le­mi

Oži­ve­ní a první ana­lý­zy účin­nos­ti po­ho­nu

V tes­to­va­cí verzi dronu je vy­u­ži­to oběž­ných stří­da­vých mo­to­rů s 25 A re­gu­lá­to­ry a 10 pal­co­vý­mi vr­tu­le­mi z uh­lí­ko­vé­ho kom­po­zi­tu. Po­my­sl­ným srd­cem ří­ze­ní dronu je sta­bi­li­za­ce vy­ba­ve­ná 3D gy­ro­sko­py a ak­ce­le­ro­me­t­ry. Po­hon­ný sys­tém a ří­ze­ní je na­pá­je­no Li-Pol ba­te­rií s třemi člán­ky, o cel­ko­vé ka­pa­ci­tě 5 Ah. Na dronu byla pro­ve­de­na řada za­jí­ma­vých mě­ře­ní po­hon­né­ho sys­té­mu a jeho účin­nos­ti. Bylo tes­to­vá­no ně­ko­lik po­hon­ných aku­mu­lá­to­rů Li-Ion, Li-Pol a Li-Fe s ba­lanč­ním na­bí­je­ním.

Tes­to­va­cí se­sta­va pro mě­ře­ní účin­nos­ti po­ho­nu na spe­ci­ál­ním klou­bo­vém stan­du

Pro ří­ze­ní je vy­u­ži­to tech­no­lo­gie která umožňuje zís­ká­vat zpět­ně kri­tic­ká pro­voz­ní data pro mě­ře­ní. Sta­bi­li­zač­ní sys­tém navíc spo­lu­pra­cu­je s GPS na­vi­ga­cí pro za­jiš­tě­ní přes­né po­zi­ce. Pro­jekt byl fi­nál­ně roz­po­hy­bo­ván a ana­ly­zo­ván na spe­ci­ál­ně na­vr­že­ném klou­bo­vém stan­du, který navíc umožňuje va­ri­a­bil­ně ladit po­hon­né jed­not­ky, re­gu­la­ci, vr­tu­le a ří­dí­cí sys­tém.

Pro více in­for­ma­cí o pro­jek­tech na­vštiv­te www.​spszr.​cz nebo náš škol­ní Fa­ce­book.