VTOL teknik - Del 1: Principper, valg og bygning af model

Af Jørgen Bjørn 

Publiceret jan. 2019

Indledning

Vertikal Take Off and Landing begrebet dækker over flyvemaskiner med faste vinger, som kan starte og lande lodret. Det betyder, at helikopteren og multirotor flyet ikke er VTOL fly.

Fordelen ved VTOL flyet er naturligvis, at det ikke kræver start- eller landingsbaner, men samtidig er i besiddelse af fastvingeflyets evner til at flyve hurtigt, længe og langt. Ulempen ved VTOL flyet er, at det er mere kompliceret og kræver hjælp af en computer, som kan stabilisere flyet.

Modelfly har gennem mange år kopieret full size fly. Et område, som det har knebet med, er VTOL flyet. Forfatteren vil i 3 artikler beskrive udviklingen et VTOL modelfly. Læs med, hvis du vil øge din viden om denne form for modelflyveteknik.

Det mest kendte VTOL full-size fly er den engelske Harrier bygget af British Aerospace i 1967. Maskinen kunne dreje jetmotorens udstødningsluft til lodret gennem 4 drejbare dysser.

Senere i 1989 fulgte Boeing med V-22 Osprey, som var et stort militært transport fly med drejbare tiltrotorer. Projektet var 9 år undervejs, der var to nedstyrtninger med 23 dræbte. Udviklingsomkostningerne var enorme, og projektet var flere gange ved at blive stoppet af den amerikanske kongres og illustrerer på udmærket vis, at VTOL fly er svære at have med at gøre.

Til sidst skal nævnes Lockheed Martins F35, der er afløseren af det danske F16 kampfly. Flyet findes i flere versioner. F35B versionen er en VTOL udgave, som Danmark ikke har købt, fordi den er beregnet til hangarskibe. F35B kan dreje udstødningsluften 90 grader ned mod jorden, samtidig med at der i forkroppen åbnes lemme, som muliggør lodret gennemstrømning af luft frembragt af en stor horisontalt anbragt fan. Denne fan trækkes af jetmotoren gennem en gearkasse. Flyet vejer omkring 30 ton, så mit gæt er, at brændstoffet hurtigt bliver brugt op! F35B blev ramt af en nedstyrtning i september 2018, hvor årsagen foreløbig er ukendt.

Alle store udviklere i flyindustrien arbejder i dag med VTOL konstruktioner baseret på el-motorer. Her ser man en fremtid, hvor det helt lave luftrum op til 200m kan anvendes til alt muligt, så som fotografering, varer udbringning, flyvning med personer m.m. Eksempel kunne være Vahana fra Airbus.

Hvis vi vender os mod modelflyvningen er det først i de senere år, at VTOL flyet er blevet mulig grundet teknologiudviklingen. Denne artikel har til formål at belyse VTOL teknikken i teori og praksis således, at det kunne tiltrække flere modelflyvere. Det kan nævnes, at det første VM i RC VTOL semiskalafly er afholdt i august 2018 på Dornier Museet i Friedrichshafen.

VTOL flyvningens faser

Kendetegnet for VTOL konstruktioner er, at man kan dreje motorer, vinger, udstødningsluft eller hele flyet 90 grader. Man kan også starte eller stoppe motorer. Der gives vældig mange muligheder, ikke mindst fordi udbredelsen af den børsteløse motor ESCen og Li-Po batterierne giver højstabil drift. VTOL flyet skal kunne flyve følgende faser:

1. Hover up: Der skal være så stort et kraftoverskud, at flyet kan starte lodret. I denne tilstand som betegnes hover, er True Air Speed 0m/s. Flyet tilføres kun beliggenhedsenergi. Man gør klar til vandret start i f.eks. 20 meters højde.
2. Outbound transition: Flyet skal nu skifte tilstand fra hover til at flyve hurtigt frem, Fast Forward Flying forkortet FFF. Der tilføres nu også bevægelsesenergi. Selve skiftet betegnes outbound transition og svarer til, at du starter på en normal startbane. Manøvren foretages mod vinden.
3. FFF: Flyet flyver nu som en normal fastvinge flyver. Opdriften stammer kun fra vingen.
4. Inbound transition: Ved afslutningen af FFF skal der fjernes bevægelsesenergi fra flyet. Det bremses op af luftmodstanden således at TAS bliver 0m/s. Man taler om inbound transition og der ”landes” altid mod vinden. Bemærk at flyet flyver baglæns i forhold til jorden, hvis TAS er 0m/s, og det blæser.
5. Hover down: Landingen mod jorden foretages ved en langsom nedstigning, man hover atter. Se fig. 1.

Fig. 1

SFF: VTOL flyet skal også kunne flyve stabilt mellem hover tilstanden og FFF tilstanden. Denne tilstand kaldes for Slow Forward Flying forkortet SFF. Opdriften stammer ½ fra hover og ½ fra fastvingen. Man har skabt en hybrid i mellem de to konstruktioner. Man kan iagttage, at opdriften fra fastvingen tiltager efter hånden som opdriften fra hover aftager, således at opdriften er konstant ved outbound transition. Det omvendte sker ved inbound transition. Se fig. 2. Flyet kan også indtage alle tilstande mellem Hover og FFF.

Taxikørsel: Det vil være ønskeligt at VTOL flyet også kan taxie.

Fig. 2

Valg af konceptet Vektor 3

I min tidligere artikel om multirotor fly, bragt i Modelflyvenyt Nr. 3 2017, var jeg inde på at bygge en quadcopter med en femte motor, omkring en canard konstruktion inspireret af Amazons drone til vare- udbringning. Her endte jeg med forskellige uløste problemer, som gjorde at jeg blev nødt til at starte forfra. I det indledende arbejde undersøgte jeg, hvad der fandtes af Flight Controllere, som kunne løse opgaven. Valget faldt på Hobby Kings KK2 udstyret med Open Aero softvare, som er specielt udviklet til VTOL fly. En stor hjælp var, at der fandtes en manual, som beskrev hele det teoretiske og praktiske grundlag for VTOL teknikken.

 Se : https://www.rcgroups.com/forums/showthread.php?1972686-OpenAeroVTOL-with-transitional-mixers-(perfect-for-VTOLs)

Med hensyn til modellen blev løsningen en tricopter kombineret med en tomotoret fastvinge flyver. Ideen var, at man kunne dreje de to forreste motorer samtidig med, at man mindskede omdrejningerne på den bagerste motor for til sidst at stoppe den helt, når flyet fløj FFF. Se fig. 3.

Fig. 3

En vigtig ting er, at tyngdepunktet for de to fly typer skal ligge samme sted. Vi prøver med et eksempel, hvor flyet vejer 2100g. Tyngdepunktet for tricopteren bestemmes af at de to forreste motorer kun har den halve moment arm i forhold til den bagerste motor. (2 x 700g x 20cm = 700g x 40cm = 28000.) Se Fig. 4.

Fig. 4

Fastvingeflyet tegnes således at dette tyngdepunkt ligger 4 cm foran fastvinge flyets neutralpunkt, derved bliver fastvingeflyet aerodynamisk stabilt. Se evt. Modelflyvenyt nr. 4 2014 eller Bestemmelse af tyngdepunkt Rent praktisk er der fra starten taget højde for at kunne justere tyngdepunktet ind v. hj. af batteriets placering, idet det ville være tåbeligt at anvende bly. Ydermere skal man kunne anvende 3 forskellige batteristørrelser nemlig 2200mA/h, 3300mA/h og 4200mA/h alle på 4S, samt fremtidige ikke kendte batterier. Førende konsulenthuse mener at batteriers Watt time ydelse pr. kg. vil blive fordoblet i 2022 og tredoblet i 2025. Udvikling drives af et globalt kapløb i automobilindustrien om at vinde markedet for elektriske biler.

De to forreste motorer skal kunne drejes nøjagtig 90 grader, for at kunne gå fra hover til FFF. Dette giver anledning til forskellige overvejelser omkring den mekaniske konstruktion. I hover løfter hver motor ca. 700g, så den statiske belastning på et enkelt leje i drejemekanismen bliver ca. 350g.

Fordi en trikopter har et ulige antal rotorer, opstår der et resulterende drejmoment omkring yaw-aksen. Dette drejmoment modvirkes ved at tilte den bagerste rotor. Da denne tiltning styres af en servo, giver dette mulighed for at få trikopteren til at rotere begge veje omkring yaw aksen.

Beregninger, målinger, prøver og valg af komponenter

Kan tankerne omkring Vektor3 gennemføres i praksis? Her starter processen med at foretage simulation i programmet i eCalc s xcopter program. Programmet kan hurtigt vise, hvad der sker, hvis man ændrer vægten. Programmet bliver ikke installeret på din Windows computer, men du køber dig tid til at køre på eCalcs server i skyen. Det koster 2,5 US dollar for 30 dage. Du kan teste programmet uden at betale, men med begrænset tilgang. Se: http://www.ecalc.ch/xcoptercalc.php

Som supplement til simulationen måtte der gennemføres nogle grundlæggende målinger og beregninger for at afklare, om planen var realistisk.

• Hvor meget kunne de 3 motorer løfte?
• Hvilke elektroniske komponenter skulle vælges?
• Hvor meget vægt ville der blive til selve modellen?
• Hvor store batterier ville det ende med?

Der startes i en målestand med drivlinien som består af:

• En variabel strømforsyning 0-16V, 0-40A.
• En ESC af typen FVT Little Bee 30A BLheli på kun 11g. Bemærk at vægten er meget lav for en ESC, som kan klare 3 til 6S max 30A. Den er uden BEC.
• Motoren som er af typen Dualsky XM2834MR-9 forsynet med en Graupner 10x5 propel.

Følgende bliver målt:

Som det ses, falder det statiske tryk fra 3 motorer fra 3,8kg til 2,8kg i aflade processen af 4S batteriet. Da det er nødvendigt at have et overskud af tryk i den sidste del af flyvningen, hvor der skal hovers ned, er svaret, at modellens totale vægt skal være ca. 2kg.

For at få så god en ydeevne som overhovedet mulig, skal Vektor 3 bygges så let, som det kan lade sig gøre. Så jeg starter med at foretage styrkemålinger på forskellige materialer. Se billede 4 og skema.

BIllede 4. ”Måleopstilling” til styrkemåling.

Kulmaterialerne er købt lokalt hos IC-Communication, Folehaven 12, København.

Derefter opstilles et vægt regnskab med valg af komponenter

Motorer, regulatorer, servoer samt Jeti udstyr er købt i RC-Netbutik.

Konklusion blev, at der kan løftes minimum 2,8Kg. Vægtberegningerne viser, at maksimal vægten på 2,1kg kan overholdes, hvorefter tegning og bygning blev påbegynd.

Bygning af Vektor3

Billede 5

Rent byggeteknisk består flyet af en hovedkrop, to sidekroppe, to mellemvinger, to ydervinger, to sideror, et højderor samt 3 understel i alt 13 forskellige dele, som bygges hvert for sig. Dette giver en stor frihed til at ændre tingene undervejs. Se billede 5.

Det hele samles v.hj.af 2stk. 1 meter lange kulrør. Vektor3 holdes sammen af en fjeder, som ligger inde i det tykkeste kulrør ved den ene vingetip. I fjederens ene ende er der bundet en snor, som trækkes gennem kulrøret til den anden vingetip. Her bliver snoren låst, ved at man sætter en tandstik gennem et lille øje. Det er nu muligt at fjerne ydervingerne, så Vektor3 ikke behøver en stor bil. 

De firkantede kulrør giver ekstrem stærke og lette konstruktioner, som limes med cyan lim eller to-komponent 24 timers epoxy lim. Sidstnævnte limninger varmehærdes til opnåelses af maksimal styrke. Til understel anvendes massive kulstænger og ikke kulrør. Hovedhjulenes understel bliver direkte koblet til kulrøret, som så direkte optager de mekaniske kræfter ved landingen. Understellet holdes kun af en lille nylonskrue og kan nemt fjernes, hvis det skulle knække.

Alle kulmaterialer skæres over med en Dremmel skæreskive og slibes til på en slibemaskine. Der anvendes kraftig sug for ikke at få kulstøv ud i luften.

Drejbare motorer

Billede 6

Billede 7

Som det fremgår af Vektor 3 konceptet var det nødvendigt at dreje de to forreste motorer 90 grader. Se billede 6 og 7. Efter flere prøver sluttede jeg med at montere motoren direkte på siden af den digitale servo. Det er nødvendigt med en digital servo, fordi den har maksimal holdekraft ved stor indstillings- nøjagtighed. Servohornet monteres fast på kroppen i den ene side med 4 skruer. På den anden side monteres en umbracoskrue, som går ind i et kugleleje. De 3 teflonledninger til motoren vikles omkring skruen som en lille spole. Servoledningen aflastes omhyggeligt for ikke at knække ved gentagne drejninger af motoren. Det er svært at afgøre, hvor mange drejninger konstruktionen kan udføre, uden at der knækker en ledning, til gengæld undgås trækstænger og slup. De to servoer er koblet til et Y-kabel, således at motorerne altid følges ad. 90 grader drejningen trimmes i Flight Controllerens software.

Billede 8 Vektor3 klar til det omfattende prøveflyvningsprogram.

2. del omhandler Flight Controlleren og dens software.

3. del omhandler det omfattende testflyveprogram.

VTOL teknik - Del 2: Flight Controllerens hard- og software

Anden del omhandler fly-by-wire teknikken, som er en nødvendig forudsætning for at VTOL flyet overhovedet kan flyve.

Fly-by-wire princip

Der skal anvendes en Flight Controller (FC) forsynet med specialiseret VTOL firmware, som kan håndtere en effektiv regulering af de forskellige faser, VTOL maskinen skal kunne gennemflyve.

Lad os først se på den grundlæggende regulerings ide, som gælder for roll- og pitch aksen. Se fig. 1

Fig. 1

Rød feed-back loop: Styrepinden er i midterstilling. Flyets vinger er vandrette. Nu rammes flyet af en forstyrrende kraft, som bringer flyet til at rulle 30 grader omkring roll-aksen. Denne påvirkning registreres af stillingssensoren, som fortæller, at flyet er rullet 30 grader. Beskeden sendes til venstre på tegningen og ned til et sammenlignings punkt (cirkel med kryds), hvor de 30 graders hældning bliver sammenlignet med referencen 0 grader, altså vandret. Som resultat af sammenligningen kommer et korrektionssignal på 30 grader AL, som sendes videre gennem en volume regulering og et nyt additionspunkt til en signalomsætter. Denne frembringer en analog styrepuls som via en servo eller ESC med motor, får en regulator, til at bringe flyet i en stabil tilstand med vandrette vinger. Regulatoren er en propel eller/og balanceklapper. Flyet er nu automatisk stabiliseret uden pilotens indblanding, man taler om Auto Level. (AL)

Udover denne funktion modtages yderligere et stabiliserende signal fra et accelerometer. I øverste venstre hjørne er vist en masse som er ophængt i fjedre. Denne masse bliver påvirket af forstyrrelsen og sender et kortvarigt korrigerende signal til sumpunktet som lægger sig sammen med AL signalet. Her anvendes ikke feed-back, men accelerometeret kan registrere pludselige bevægelser.

Blå feed-back loop: Her forestiller vi os, at piloten ønsker at dreje vingerne 30 grader omkring roll-aksen. Nu er det styrepinden, som er reference. Denne er 30 grader, men flyets stillingssensor måler 0 grader til at begynde med. Reguleringssystemet begynder derefter at dreje flyet, til det hælder 30 grader, hverken mere eller mindre. Betjeningen overruler AL reguleringen.

Ved hjælp af volumereguleringen er det muligt at bestemme, hvor stor en indflydelse styrepindens Pind signaler har, i forhold til AL signalet. Hvis Pind signalet er for lille i forhold til AL, bliver flyet så stabilt, at det næsten ikke kan dreje. Omvendt kan man skrue så meget ned for AL signalet, at AL funktionen ophører, og VTOL flyet styrter ned. Dette er vigtigt at vide i prøveflyvningsprogrammet. 

Disse fly-by-wire funktioner virker også på fuldstændig samme måde på pitch aksen. Derved skabes et fly, som virker helt anderledes end en normal flyver. Vektor 3 er udstyret med en all-moving-tail, som via reguleringen sørger for, at flyet altid er vandret når det flyver FFF. Man har ikke længere en fast vinkelforskel mellem haleplanet og vingen. Dette er en forudsætning for transition mellem hover og FFF.

Når det drejer sig om yaw aksen, har jeg valgt kun at foretage en ureguleret styring af både tilt servoen til halemotoren og næsehjulet. Vektor3 er konstrueret til enten at holde stille (TAS = 0m/sek) eller flyve frem. Da den er forsynet med halefinner vil den altid dreje op imod den indkommende luft ligesom en vejrhane, fordi lateralcenteret ligger bag tyngdepunktet. Med hensyn til gyrostabilisering af næsehjulet er det ikke nødvendigt, da det kun anvendes til taxikørsel.

Flight Controlerens hardware

Billede 1

Den valgte hardware er Hobby Kings KK2 board. Se billede 2. Til venstre ses 5 tilslutninger til modtageren. Til højre er der 8 output, som er til rådighed til styring af VTOL flyet. Nederst fire programmerings knapper til direkte ændring af programmet. Menuerne kan aflæses på en lille belyst LCD skærm. Prisen er ca. 190 kr., tænk på hvor billigt hardware er blevet. Se billede 1.

Øverst på kortet ses en lille chip på 4x4mm, som indeholder den 3-aksede gyro samt det 3-aksede accelerometer . Denne er en såkaldt motion tracking chip, som er udviklet til at følge bevægelser og tings stillinger i et 3-dimentionelt rum. Man anvender MEMS teknik, en forkortelse for Micro Elektro Mekanisk Systemer. Chippen finder anvendelse i en mængde produkter som for eksempel, tablets, smartphones, biler til udløsning af airbags og antiudskridnings systemer m.m. og er specificeret til at kunne tåle 10000g.

 Vigtig for os er:

• At den kan huske stillingen vandret.
• At den kan måle, hvordan den vender i rummet med stor nøjagtighed i 3 planer.
• At den kan måle ændringer i hastighed, altså acceleration, i 3 planer.

Den er således en forudsætning for at foretage det teknologispring, som det er at holde et VTOL fly i luften.

MEMS gyroen er baseret på, at en elastisk ophængt kapacitet kan påvirkes af jordens corioliskraft. Når det micromekaniske system drejes, opstår en lille kapacitets ændring, som påvirker en oscillatorfrekvens. Man får på denne måde en drejebevægelse omsat til noget målbart, som kan digitaliseres og sendes videre til microcontrolleren ATMEL Mega 644 til udførelse af de nødvendige beregninger under flyvningen. Microcontrolleren indeholder en 64K byte hukommelse. Denne indeholder ved købet programmel til forskellige multirotor modeller, som man desværre ikke kan anvende til VTOL fly. Det er derfor nødvendigt at brænde ny Open Aero softvare, som er specielt udviklet til VTOL fly, ind i KK2en. Denne proces er nærmere beskrevet i vejledningen for Open-Aero-VTOL firmware til KK2 som kan findes her: https://www.rcgroups.com/forums/showthread.php?1972686-OpenAeroVTOL-with-transitional-mixers-(perfect-for-VTOLs)

Systemdiagram

Fig. 2

Systemdiagrammet fig. 2, viser hvordan KK2 er koblet op i Vektor3. Senderen har forbindelse med en Jeti Rex 6 kanal modtager, som er forbundet til KK2 som vist. Ved opsætningen af systemet skal man starte med, at senderen er nulstillet, således at der ikke er nogen form for programmering i senderen, med undtagelse af EXPO, det gælder også trimknapper. Det samme gælder Jeti modtageren, undtaget failsafe som programmeres til FFF og slukkede motorer. Årsagen til disse nulstillinger er, at al den digitale signalbearbejdning kun skal finde sted i KK2. Det vi være helt uoverskueligt, om man f.eks. ændrede pitch værdier 3 forskellige steder. Som det ses på fig. 2 er udgangen 1 til 3 er forbundet til ESCerne, som styrer de 3 motorer. De øvrige 5 udgange er forbundet til servoer som vist.

Batterispændingen fra 4S Li-Poen tilføres to switch-mode power-supplyes, som dels forsyner modtageren og KK2 computeren med 5V, dels servoerne. Årsagen til, at servoerne har deres egen PS, er at når en servo starter opstår der et kortvarigt strømstød, som belaster forsyningsspændingen. Helt galt bliver det, hvis flere servoer starter samtidigt. Spændingen kan blive så lav, at computeren går i stå, får et såkaldt braun-out, hvilket kan medføre en nedstyrtning. Derfor anvendes 2 adskilte power-supplyes.

Det samlede forbrug måles via en Jeti MUI sensor. Resultatet (mA/h, strømforbrug og batterispænding) telemetreres tilbage til piloten. Denne ”brændstof”måler er vigtig fordi VTOL flyet har et yderst variabelt strømforbrug, samt at flyet styrter ned, hvis det kører tør for strøm under hover down fasen.

De forskellige forbindelser, som er vist inde i KK2 på fig. 2, er etableret via softwaren.

Software arkitektur

Fig. 3

Princippet i software er, at man kan programmere tricopteren og fastvingeflyet i to adskilte programmer. Her bestemmes blandt andet feed-back gains P og I værdier. Tricopterens program betegnes P1. Fastvingeflyets program betegnes P2. Ved hjælp af den proportionale mixer er det muligt at blande de to programmer sammen i forholdet P1.0, som er ren hover, P1.17, P1,33, P1.50, som er en blanding mellem ½ tricopter og ½ fastvinge, P1,67, P1,83, og P2.0, der er det rene fastvinge fly. Mixeren styres af transition control kanalen, som er senderens 5 kanal. Transition kan enten styres proportionalt uden tidsforsinkelse eller med en 3 stillingsomskifter. Hvis man anvender 3 stillingsomskifteren, er det muligt at anvende transition timere med forskellige tider til inbound og outbound funktionen. Se Fig. 3. 

Fig. 4 viser, hvorledes den store mixer er sat op. Her bestemmes funktionen af KK2`s 8 output kanaler. Se også Fig. 2.

Jeg vil nu give nogle eksempler.

Se linie 3. Det første man bestemmer er, hvad det er man tilkobler outputtet. De første 3 output tilkobles ESC´er, altså motorer. Valget af motor (Impulsfrekvens 200Hz) tilknytter armeringsfunktionen, som sikrer at motorerne ikke starter i utide, når batteriet tilsluttes. De efterfølgende er tilkoblet digitale (Impulsfrekvens 200Hz) eller analoge servoer (Impulsfrekvens 50Hz)

Se linie 4 og 5. Bemærk at throttle volumen for motor 3 ved FFF er 0. Det er her, man lukker halemotoren M3 ned når man flyver FFF.

Se linie 7 og 8. Her bestemmes, hvor kraftig balanceklap kanalen skal virke på motor 1 og 2 og på balanceklapperne. Bemærk at balanceklapperne er aktive ved både Hover og FFF, mens motorerne ikke må reguleres ved FFF.

Se line 23 og 24. Hvis Vektor3 pludselig falder, vil virkningen fra accelerometeret modvirke faldet ved kortvarigt at speede alle 3 motorer op i omdrejninger. Man vil ikke kunne holde en konstant højde, men får en udjævning af højdeændringer. Denne funktion er derimod ikke ønskelig ved FFF.

Med de viste eksempler kan du se, at det er muligt v. hj. af softwaren at styre Vektor3 s flyveegenskaber fuldstændig, som det ønskes. Kombinationen af KK2 og Open Aero softwaren er så højfleksibel, at du på en hvilken som helst VTOL fly konstruktion, kan styre transition ved en hvilken som helst fart, retning eller tid. Til gengæld får systemet ikke input udefra i form af GPS, magnetometer eller højdemålere d.v.s., at det udelukkende er piloten, som styrer flyet, altså ingen automatiseret flyvning som ved Eagle Tree controleren i Vektor1.

Systemet kan kobles sammen med alle kendte RC-anlæg så som Futaba, FrSky, Spektrum, Orange, Multiplex og Jeti. Som vist på Fig. 2 er alle 5 kanaler fra modtageren forbundet til KK2 med 5 mellemledninger. Dette virker fint og letter forståelsen af systemet, men det er mere optimalt at anvende seriel data transmission mellem modtageren og KK2. Jeti Rex modtageren kan i Mode B/UDI levere serielle data, som KK2 kan forstå. Derved undgås, at modtagerens digitale information om kanalindhold og kanalrækkefølge skal omdannes til parallelle analoge 1,5mSek styrepulser for derefter at gå den modsatte vej inde i KK2 for at få skabt den samme digitale information. Nu kan alt overføres på 1 ledning både hurtigere og mere præcist. Se fig 5.

Fig. 5

Vi er nu klar til del 3, som gennemgår testflyveprogrammet , en vigtig del af VTOL teknikken.

VTOL teknik - Del 3: Testflyveprogram, flyvevejledning og data

Del 3 gennemgår testflyveprogrammet , som er en vigtig del af VTOL teknikken.

Det er uhyre vigtigt, at testprogrammet er tilrettelagt på en sådan måde, at VTOL flyet aldrig kommer i en situation, hvor kontrollen mistes LOC (Loss of Control) og flyet går tabt. Se fig. 1

Fig. 1

Derfor indeholder programmet mange ganske små trin, hvor det hele tiden overvejes nøje hvilke risici, som kan føre til LOC, altså at holde flyet inde i den grønne kasse i Fig. 1. Da alle flyets funktioner og egenskaber er styret af VTOL softwaren, skal denne dokumenteres skriftligt, opdateret og uden fejl. Man undgår ikke at have dokumentation med ud på flyvepladsen. Det er vigtigt ikke at indføre nye fejl ved ændringer i programmeringen, fordi du nemt får LOC. Testflyvningen er opdelt i 9 faser, som har fundet sted over lang tid, hvor jeg fra begyndelsen ikke havde sikkerhed for, at projektet ville lykkes.

1. Indledende testopsætning på værksted

På nuværende tidspunkt er der ikke bygget ydervinger og haleplan, fordi det ville være spildt arbejde, hvis Vektor3 blev ødelagt under hovertesten.

De første test finder sted på værkstedet. Der startes med en motortest af hver enkelt motor.

 Under fremstillingen monteres de 3-fasede ledninger til motorer, således at motorerne kører den rigtige vej rundt. Hvis det ikke er tilfældet ombyttes, som bekendt, to faser.

• Propellerne skal også være rigtige. (CW- CCW)
• Der måles ved hvilken pulsbredde ESCen starter motoren. Dette foretages med en servotester, hvor pulsbredden kan måles, et helt uundværligt værktøj. Se billede 1.
  
  Billede 1.

• Der checkes, at alle motorer starter ved samme pulsbredde, nemlig 1030uS.
• KK2 indeholder en vibrations måler. I menu 2 underpunkt 11 er det muligt at anvende accelerometeret til at angive et tal for vibrationsniveauet. Se billede 2. Det var ikke nødvendigt at afbalancere Graupner propellerne.
  
  Billede 2.

• Motorerne tilsluttes nu KK2 og den fælles strømskinne via TX30 stik samtidig med, at propellerne fjernes af sikkerhedsmæssige årsager.
• Test for om omdrejningerne følger roll og pitch pinden den rigtige vej. Man tester den blå loop på fig.1 under del 2.
• Test for om omdrejningerne vil stabilisere flyet ved, at du ændrer roll og pitch, ved at du tager fat i flyet og drejer det. Det er af største vigtighed, at stabiliseringen virker den rigtige vej. Du kan have lavet en fortegnsfejl i softwaren, således at du får en kraftig ustabilitet på grund af medkobling i reguleringssløjfen! Det gøres bedst ved lave motor omdrejninger. Man tester den røde loop få fig. 1 under del 2.
• Sluttelig indføres armeringsprogrammering i KK2. Elfly er, som det er bekendt farlige, fordi motorerne kan starte i utide. Ved tilslutning af batteriet kan motorerne ikke starte, før man armerer flyet. Dette gøres ved at føre begge styrepinde helt ud og ned. Ved armeringen tænder en rød lysdiode. Flyet er nu farligt. Dearmeringen, som foretages ved flyvningens afslutning, foretages ved at føre begge styrepinde ind og ned i 10 sekunder. Vær stadig forsigtig fordi sikkerheden er baseret på software. KK2 udsender nu 900uS pulser til ESCerne. Disse pulser er så korte, at ESCens intialiserings software ikke er aktiv. Under programmering kan motorerne ikke starte. Propellerne kan nu monteres.

2. Carport test

Billede 3

Næste test foretages ved at hænge Vektor3 op i en snor i carporten. Se billede 3. Formålet er her at justere virkningen af tiltningen af halerotoren, således at flyet ikke roterer rundt om yawaksen ved neutral pind, og at det kan rotere lige godt begge veje rundt. Under denne test opdager man, at gyrostabiliseringssystemerne er underlige. Årsagen er naturligvis, at flyet ikke kan bevæge sig frit.

3. Første hover flyvninger

De egentlige første flyveforsøg foretages fra græs i absolut helt stille vejr eller indendørs. Der startes med at øge omdrejningerne meget forsigtigt for at iagttage, om flyet har tendenser til ikke at gå lige op, når det er meget tæt på at være vægtløst. Derefter øges omdrejningerne. Man kan da nemt risikere, at flyet vælter, hvis det letter på de to hovedhjul først og står på næsehjulet. Årsagen er, at flyet ikke kan bevæge sig frit ligesom ved carporttesten.

Flyet bringes nu op i en flyvehøjde på 10 til 20 cm. Her skal KK2 softwaren nu trimmes indtil, at flyet kan glide ganske langsomt fremad uden at rotere eller glide til siden. Vektor 3 må højest flyve baglæns med 1 til 2 sekundmeter for ikke at lave et tailflip. Fordi det næsten aldrig er stille vejr har jeg valgt, at Vektor3 flyver lidt fremad med neutrale pinde.

4. Godkendt hover flyvning

Fase 4 var gradvis at forøge flyvehøjden og gennemføre en række flyvninger i 5 til 30 meters, som en almindelig tricopter, for at lære Vektor3 at kende.

5. Færdig bygning af fastvingeflyet

Fase 5 var bygning af ydervinger, sideror og stabilisator, samt installation af følgende Jeti telemetri udstyr. Se billede 4.

• MUI til måling af mA/h, batterispænding og strømforbrug. MUI måleren beholdes permanent, mens de efterfølgende telemetrisensorer fjernes efter prøveflyvningsprogrammet.
•  GPSmodtager til måling af distance, afstande m.m.
•  Pitot rør til måling af True Air Speed.
• Variometer og højdemåler.
• Termometer til måling af motortemperatur.
• Omdrejninger på halemotor (Motor nr.3)

Billede 4

Disse systemer med tilhørende lydalarmer skulle medvirke til at understøtte sikkerheden under flyvningen. Analyse af de efterfølgende logfiler skulle medvirke til at opsætte softwaren til et sikkert transition forløb begge veje. Den lave vægt af flyet muliggjorde, at flyets oprindelige testbatteri på 2200mA/h kunne erstattes med et FullPower 3300mAh4S 35C på 344g eller med et FullPower 4200mAh4S 35C på 420g.

6. Test på værksted

Følgendeundersøges:

• 90 grader rotation og kontrol af de to forreste motorer ved hjælp af transition kanalen. Senderens kanal 5.
• For at styre kanalen mere præcist blev knappen på senderen forsynet med en kalibreret drejeskive. Se billede 5. Servoerne arbejder på samme styrepuls via et Y-kabel og vil derfor følges præcist ad. Endestop kan justeres i KK2s menu nr. 20 og 21.
  
  Billede 5

• I KK2 er det muligt at trimme en off-set kurve på 7 punkter fra P1.0 til P2.0 på alle 8 output. Dette gør jeg ved omhyggelig brug af på halemotorens omdrejninger for at kunne styre overgangen, hvor omdrejninger gradvis skal kunne reducere til en helt stoppet motor ved P2.0 FFF. Ved hover P1.0 anvendes også en reduktion for at sikre, at starten finder sted på de to hovedhjul, mens man ved begyndende forward transition P1.17 har brug for at Vektor3 accelererer frem, og derfor øger omdrejningerne.

Hover med vinger

Den 24. juli 2018 kl. 8.20 blev de første 3 hover flyvninger påbegyndt på Høje Tåstrup Modelflyveklubs bane i helt stille vejr med max højde på 40 meter. Det blev samtidig starten på en systematisk opsamling af meget store mængder data, som efterfølgende blev analyseret og gemt. Oprettelsen af en logbog var nødvendig for at styre ændringerne i softwaren. Blandt andet blev tiltningen af halerotoren flyttet fra sideroret til ballancekanalen. Der blev også konstateret, at der opstod kraftig oscillation omkring roll-aksen, hvis man sank for hurtig under hover.

8. Manuel transition

Den 17. aug. foretages det første forsøg med manuel transition i en vind på 2m/sek og en sikkerhedshøjde på 60m. Det foretages ved at dreje skiven (Se billede 5) fra hover til P1,17 under iagttagelse af modellen. Efter ca. 12 sekunder blev der reguleret tilbage til hover. Da der ikke syntes at være de store problemer, blev der ved efterfølgende flyvninger fortaget gradvis regulering op til P2.0. Ved FFF synes imidlertid at optræden en markant forsinkelse af højderorets virkning, noget som var ret spændende og hvor det var vigtigt, at jeg havde stor flyvehøjde til rådighed. Årsagen var at KK2s Integral reguleringen indfører en tidsforsinkelse, som også kunne spores som tydelige oscillationer i logfilens højdekurver. Derefter blev I værdien sat til 0 og fejlen fjernet.

9. Timer styret transition

Efter flyvning 13 blev drejeskiven erstattet af en 3 stillingsomskifter med følgende funktion Hover – SFF og FFF. Da der skal tilføres bevægelsesenergi til flyet ved outbound transition, sættes timeren til 10 sek, svarende til, hvis du starter fra jorden. Inbound timeren sættes 5 sek, her opbremser flyet af luftmodstanden til det holder stille.

Billede 6. Fotograf Kennet Partsch fanger det korte øjeblik hvor Vektor3 kun hviler på hovedhjulene, lige inde den starter med at hove.

10. Flyvevejledningog data 

Softwaren er nu ”trimmet” så meget ind, at Vektor3 kan udføre yderligere 33 flyvninger med forskellige formål. Samlet blev der opsamlet ca. 39 Mbyte i Jetiboksen. Så der kan nu laves en slags flyvevejledning.

• Krav til flyveplads 3X3 meter!
• Når flyet er armeret, er det klar til start og dermed farligt.
• Der startes altid mod vinden og holdende på baghjulene først, ellers vælter det. Se billede 6.
• Forvent at flyet driver med vinden som en ballon.
• Der må aldrig flyves baglæns med en True Air Speed på mere end minus 2m/Sek for at undgå tailflip eller yawflip. 
• Hvis det blæser mere end 5m/sek startes og landes i SFF mode.
• Hvis det blæser mere end 10m/sek, bør der ikke flyves .
• Transition udføres i sikker højde, som kan reduceres efterhånden, som man bliver dygtigere.
• Der landes ikke i FFF, fordi det er usikkert og strider imod VTOL ideen, men nødlandinger kan udføres.
• Hover nedstigning udføres med en maksimal nedstignings fart på 2m/sek for at undgå roll oscillationer.
• Jeti MUI sensoren indstilles til at give lydadvarslen ”battery capacity exceeded” ved 40% af den faktiske kapacitet, således at inbound transition kan påbegyndes. Landingen bør være gennemført ved ca. 30% af den faktiske batterikapacitet for at skåne batteriet. Udover dette er KK2 udstyret med en lavspændingsalarm, som tænder en kraftig blinkende LED, hvis spændingen kommer under 3,4V/pr.celle, altså 13,6V. Alarmspændingen er programmerbar.
• Når du nærmer dig jorden, skal du reducere nedstigningen til 0,2 til 0,5m/sek og lukke helt for gassen, når du er meget tæt på touch-down. Årsagen er, at når flyet rammer jorden, vil der blive overført energi til understellet, som derefter kaster flyet op igen. På dette tidspunkt er det tæt på at være vægtløst. Denne vægtløshed skal fjernes på det rigtige tidspunkt, ved at gassen lukkes hurtigt og helt, ellers hopper flyet ukontrollabelt op og ned og kan risikere LOC.
• Efter landing skal du vente 10 sek. med taxikørsel indtil motorerne er i FFF stilling.
• Efter taxikørsel føres begge pinde helt ned og ind i 10 sekunder til dearmering, hvorefter batteriet kan fjernes.

Billede 7. Er et eksempel på en måling af transition. Den øverste røde kurve viser transition, altså drejningen af de to forreste motorer M1 og M2 . Man kommer fra FFF i ca. 60 meters højde med en TAS på 17m/sek ( Blå kurve nederst til venstre) og går derefter i inbound transition. Den mellemste kurve viser, at halerotoren går fra stilstand og op på ca. 10000 omdrejninger. Strømforbruget stiger fra ca. 16A til 44A som vist på den nederste røde kurve. TAS er 0m/sek. Flyet holder stille, mens ground speed er målt til 5km/timen på GPSen, fordi der er vind. På den højre side af graferne ses outbound transition, som varer 10 sekunder. Ved tiden 5min og 15sek måles øjebliksværdien af samtlige sensorer helt ude til højre på billedet.

Målinger med 4200mA/h 4S batteri.

Længste målte FFF flyvestrækning 10,6km. Længste målte FFF varighed 12min.

Afslutning

VTOL projektet Vektor3 har været som at spise en stor elefant. Dette gøres som bekendt ved at spise små stykker ad gangen. Jeg har samtidig skulle bringe mange fagområder og viden i spil omkring, aerodynamik, mekanisk konstruktion, komponenter, elektronik, computerteknik, reguleringsteknik samt praktiske håndværksmæssige færdigheder. Dertil kommer anvendelsen af forskellige computer programmer til tegning, beregninger og simulation suppleret med adgang til Internettet.

Som Søren Kirkegaard siger ”Vejen er alt målet er intet”. Det er processen omkring det vil lykkes, der er vigtig, også fordi det er svært. Det er her den største læring finder sted. Eksamen omkring Vektor3 er benhård, når den hænger oppe i luften. Se Billede 8, fordi flyvning giver en herlig, kontant og øjeblikkelig afregning, hvis alt ikke fungerer som det skal, i modsætning til politik og mange andre af livets områder. Måske kunne skattevæsen, sygehusvæsen og andre lære af den systematik, som præger al flyvning. Teknologi forståelse bliver mere og mere nødvendig for alle mennesker, når selvkørende biler, Internet of Things, kunstig intelligens og 5G netværk bliver hverdag lige om et øjeblik.

Billede 8. Fotograf Kennet Partsch fanger Vektor3, mens det flyver Slow Forward Flight. 50% tricopter, 50% fastvingefly.