Planung VTOL Projekt mit Motor-Tilt Anordnung

[olex]

Ist natürlich möglich, prinzipiell unterstützt Arduplane zB eine fast beliebige Anordnung und Tilt-Mischung der Motoren. Aber: beim Schweben im Tricopter-Modus braucht es irgendeine Art von Gierkontrolle. Die Möglichkeiten dafür sind zwei:
- der hintere Motor muss nicht nur hoch/runter, sondern auch seitlich schwenken können, wie bei einem klassischen Tricopter - führt zu ziemlich komplexer Motorbefestigungsmechanik und einem extra Servo
- man benutzt doch die vorderen zwei Motoren als Tiltrotoren, und schwenkt sie differenziert für Giersteuerung indem man die Tilt-Servos einzeln ansteuert - so werden die meisten Tri-Tiltrotoren aufgebaut.

Leider kommt man ohne einer dieser zwei Varianten bei einem Tricopter nicht aus.

Den niedrigstmöglichen Stromverbrauch erzielt man kontraintuitiv nicht mit einem Tiltrotor, sondern mit einem SLT (Separate Lift and Thrust) Setup wie zB bei meinem Quadplane. Ja, man schleppt im Vorwärtsflug den gesamten VTOL-Antrieb "umsonst" rum, aber dafür kann man den Vorwärtsflugmotor absolut perfekt und optimal wählen, und den VTOL Antrieb möglichst kompakt und leicht halten, was am Ende zu höherer Effizienz führt als mit einem "Kompromissantrieb" der beides fürs Schweben und Vorwärtsflug genutzt wird, und dadurch für beide Anwendungen suboptimal ausgelegt werden muss.

 

[Rolf_]

Den niedrigstmöglichen Stromverbrauch erzielt man kontraintuitiv nicht mit einem Tiltrotor, sondern mit einem SLT (Separate Lift and Thrust) Setup wie zB bei meinem Quadplane

Hallo Olex,
Du sprichst mir aus der Seele. Ich war auch überrascht, um wieviel effizienter ein auf Schweben und Vortireb jeweils seperat optimierteer Quadplane unterwegs ist als ein Tiltrotor. Solange wir keine vernünftigen Pitchrotoren im Modellbau haben, wird das auch so bleiben.
Vor dem Hintergrund haben Walter und ich eine "Reverse"-TriTilt gebaut, der nur einen vorderen Motor zum Vortrieb kippt und mit beiden hinteren nur schwebt und für YAW-Steuerung sorgt. Dazu unglcihe Gewichtsverteilung (die meiste Schwebelast leigt auf den hinteren Motoren, die zum SChweben optimiert sind,der vordere Motor/Prop ist zum Vortrieb optimiert. ) Ergebnisse haben wir noch nicht, da erst das Wetter im Winter bescheiden zum testen war und jetzt die Pandemie dazwischen funkte.
Reverse Tricopter-VTOL Plane

Gruß Rolf

 

[LSG]

Den niedrigstmöglichen Stromverbrauch erzielt man kontraintuitiv nicht mit einem Tiltrotor, sondern mit einem SLT (Separate Lift and Thrust) Setup wie zB bei meinem Quadplane. Ja, man schleppt im Vorwärtsflug den gesamten VTOL-Antrieb "umsonst" rum, aber dafür kann man den Vorwärtsflugmotor absolut perfekt und optimal wählen, und den VTOL Antrieb möglichst kompakt und leicht halten, was am Ende zu höherer Effizienz führt als mit einem "Kompromissantrieb" der beides fürs Schweben und Vorwärtsflug genutzt wird, und dadurch für beide Anwendungen suboptimal ausgelegt werden muss.

Dass dies insgesamt zu höherer Effizienz führt, trifft aber auch nur zu, wenn sowohl möglichst lange Vorwärtsflugzeit als auch lange Schwebeflugzeit gefordert ist. Wenn die Schwebeflugzeit nur kurz gehalten werden soll, kann man auch mit nur einem Antrieb ohne Blattverstellung, der für den Vorwärtsflug optimiert ist, sehr lange Flugzeiten erreichen. Dass das mit einem Antrieb geht, zeigen z.B. die kommerziellen Modelle von Wingcopter oder Wingtra und haben meine eigenen Heckstarterversuche bestätigt. Allerdings werde ich meinen Heckstarter bald auch mit Motorschwenkmechanismen ausstatten, so dass er flach vom Boden starten kann, sich mittels Schwenkmechanismus aufrichtet und im Schwebeflug kleinere Ruder benötigt. Die Heckstarterkonfiguration macht in der Praxis einfach zu viele Probleme.

 

[Titanex7]

Danke für euer Feedback, das mit der Giersteuerung hatte ich in der Tat nicht bedacht. So macht ein einzelner Tiltmotor nur für eine Achse wirklich kein Schweben möglich
Prinzipiell hat mich die Optik vom Quadplane abgeschreckt, aber da mein Ziel eine hohe Reichweite/Flugzeit ist, habe ich wohl keine Wahl.
Ich bin auch auf deltaquad.com aufmerksam geworden, das ist ja quasi das was ich möchte und auch hier ein Quadplane
Das mit den VTOL Duo Tailsitter ist mit etwas zu experimentiell bei dem Gewicht. Auch sieht die Transition vom Fliegen zum Schweben auf einigen YT-Videos zu akrobatisch aus

Ich habe mir nun folgendes Setup für meinen Skywalker-X8 überlegt und bitte mal um Einschätzung, ob das praxistauglich ist

Quadantrieb:
4xQuad-Motoren T-Motor-MN5208 KV340
4xQuad-Prop 16x6 Aeronaut CAMcarbon Light Prop (2x links- & 2x rechtsdrehend)
4xRegler T-Motor AIR 40A
6S LiPo 3600mAh 30C (hab ich aktuell noch verfügbar und sollte ausreichen?!, Planung mal auf 5000mAh umzustellen, um Hoverzeit zu erhöhen)

Wingantrieb:
Wing-Motor T-Motor AT3520 KV850
Wing-Prop 14x8 Aeronaut CAMcarbon Klappluftschrauben
Regler T-Motor T 60A
3x 4S2P Li-Ion; in dieser Konfiguration 48A belastbar, maximal 60A (geplant ist zu erweitern für mehr Flugzeit und Strombelastbarkeit)

Pixhawk4 mit ardupilot-Firmware
Power-Model PX4 für 2. Stromversorgung
jeweils 1m für Quad-Anordnung GFK-Rahmen

Abfluggewicht wäre dann 6,5kg, ich müsste den Horizontalschub auf 80% begrenzen, da die Li-Ion sonst überlastet würden.
Aber mit weiteren Li-Ion als Kapazitätserweiterung wäre dann entsprechend mehr Strombelastung möglich.
Schubleistung wäre dann 0,47-fach, sollte für Horizontalflug reichen?!

Für den Vertikalantrieb sollte alles passen, 1:45min maximale Hoverzeit habe ich ermittelt, sollte für Start&Landung reichen?!
Wird der Vertikalantrieb auch wirklich NUR zum Start/Landen genutzt? Sonst wäre der LiPo zu knapp von der Kapazität.
Schubleistung wäre hier 2,05-fach.

Ich habe ca. 3 Varianten vorher durchdacht, aber irgendwo passte immer etwas nicht (Stromlast, Gewicht usw.), so sollte es eigentlich flugtauglich sein?!?

 

[LSG]

Wegen der Akkus den Schub zu begrenzen, halte ich für keine gute Idee. Bei einem 6,5kg-Gerät würde ich da keine Experimente wagen und lieber erstmal einen LiPo nehmen. LiPo durch Li-Ion zu tauschen geht schon sehr in Richtung Feinoptimierung und für die ersten Testphasen nicht nötig. Da würde ich einfach einen LiPoAkku nehmen.

1:45 Schwebeflugzeit ist definiiv zu knapp. Gerade am Anfang muss man viel Einstellen oder auch mal aus größerer Höhe herunterschweben. Aber wie kommst du auf 1:45?
Bei 6,5kg bräuchtest du im Schwebeflug mit dem Motor und Prop etwas über 1,6kg Schub und um die 200W pro Motor. Mit 80% deiner Akkukapazität (64Wh) hättest du etwas über 4min Schwebeflugzeit, wenn ich mich nicht verrechnet habe. Auch das finde ich noch knapp für die Anfangsversuchsphase.

Schub/Gewicht von 2:1 reicht auf jeden Fall!

Ich denke, viele Probleme könntest du lösen, indem du erstmal nur einen großen Akku statt 2 kleiner verwendest. Für einen Hacker Topfuel 6S 4500mAh hatte ich damals 80€ bezahlt, also nur 10 mehr als dein SLS kostet.

Als alternativen Stromsensor würde ich noch den Mauch in die Runde werfen. 100A / 200A Hall Sensor PM for Pixhawk / APM

Ich weiß nicht, was genau du mit dem Modell vorhast aber ich finde deine Komponentenauswahl grundsätzlich sehr teuer. Komponenten für $100 je Motor und fast $50 je ESC benutzen selbst viele kommerzielle Betreiber nicht.

 

[Titanex7]

Da fange ich mal an, was habe ich vor. Mich interessiert, was man maximal an Flugzeit bzw. Flugstrecke erreichen kann. Mit Elektroantrieb, kein Solar, keine Start-/Landepiste nötig, mir auch immer zu "gefährlich".
Und auch max. 7kg hätte ich mal so angelegt, lieber nur 5kg, aber das wird dann glaube nix.
Die 3 LiIo-Packs habe ich nun schon vom Skywalker-X8 mit normalen Wing-Antriebssetup (über 2,5h und 150km waren drin). 6S-Lipos habe ich vom Heli noch einige da, aber nur 3.6A30C oder 3.8A20C. Kurzes Testen und LiPo-wechseln wäre da kein Problem. Die vielen LiPos parallel schalten, ja das wäre eine Option, aber dann wieder auf 4S Vorwärtsantrieb wechseln, passt ein Motor/ESC/Prop-Setup für Beides?!?

Die 1:45min Schwebeflug habe ich einfach mit maximaler Stromlast hochgerechnet, 80% von 3.600 mAh Lipo und einen maxStrom lt. Motortabelle von 23,6A bei 3,34kg Schub. Bei 4 Motoren 13,36kg Schub und 94,4A Strom, damit würde dem LiPo in 1:45min 2,88A entzogen?!

Bei den "teuren" Komponenten habe ich Motoren gesucht, die den nötigen Schub bringen und möglichst wenig wiegen. Die ESC´s habe ich noch im Bestand. Alternativen gern anmerken

 

[LSG]

Die vielen LiPos parallel schalten, ja das wäre eine Option, aber dann wieder auf 4S Vorwärtsantrieb wechseln, passt ein Motor/ESC/Prop-Setup für Beides?!?

Ja dann mach das doch. Du kannst "jeden" auf 6S ausglegten Motor auch mit 4S fliegen, verringert dann halt die Leistung. Für denselben Schub könntest du das mit einer größeren Latte ausgleichen, was aber zu einer geringeren Drehzahl und damit geringeren Geschwindigkeit und damit möglicherweise zu geringerer Effizienz führt (je nach Ziel-Reisegeschw.). Umgekehrt geht ein auf 4S ausgelegter Motor auch mit 6S mit wesentlich kleinerer Latte, was dann eine höhere Strahlgeschwindigkeit aber weniger Schub zur Folge hat. Je nach Modell kann das dann zu größerer Endgeschw. oder aber auch einfach nur weniger Effizient führen. Lange Rede... ich würde das gesamte Setup einfach auf 6S auslegen. Deinen vorgeschlagenen Motor gibt es ja auch mit weniger kV, der dann selbem Prop 6S-tauglich ist.

Die 1:45min Schwebeflug habe ich einfach mit maximaler Stromlast hochgerechnet, 80% von 3.600 mAh Lipo und einen maxStrom lt. Motortabelle von 23,6A bei 3,34kg Schub. Bei 4 Motoren 13,36kg Schub und 94,4A Strom, damit würde dem LiPo in 1:45min 2,88A entzogen?!

Du schwebst ja nicht mit Vollgas. Schau dir meine Rechnung und die Tabelle von T-Motor nochmal an.

Ich habe keine Idee, wie der aktuelle Stand bei den Motorentwicklungen ist. Früher habe ich sowohl T-Motor als auch Sunnysky benutzt und nie einen Unterschied bei Effizienz, Leistung oder Haltbarkeit festgestellt. Für so Experimente wie VTOL war mir aber auch das zu teuer, da hab ich die billigen Turnigy genommen. (anfangs ist jeder zweite Flug mit einem Absturz geendet, auch das sollte man als mögliches Szenario im Hinterkopf behalten, war mehr am reparieren als am fliegen)

 

[Titanex7]

Wegen der Quad-Motoren Anordnung bekommt man gewollt oder nicht evtl. keine exakten X-Quad Abstände hin. Wie z.B. bei dem hier im Bild, wäre das dann schon eine V-Frame Anordnung?

 

[olex]

Nein, noch lange nicht. Die Exaktheit der Anordnung spielt bei modernen FCs eine sehr kleine Rolle, spätestens nach einem Autotune ist das Flugverhalten komplett nicht mehr davon beeinflusst.

 

[Titanex7]

also reicht X-Frame im FC anzugeben, ok.

Noch eine Überlegung zurück, ich habe folgende Motoren im Bestand, die meiner Meinung nicht genug Power für mein 6,5kg Setup haben. Sehe ich das richtig oder würden die doch ausreichen?

Für den Vorwärtsantrieb:
AT2820 830KV bei 4S = max 2,6kg Schub


Für den Hoverantrieb:
4x MN3510 360KV bei 6S = max 1,9kg Schub pro Motor

 

[LSG]

Hast du die Gewichtsersparnis durch das geringere Gewicht mit den leichteren Motoren berücksichtigt? Eventuell nochmal genau nachrechnen! Für den Schwebeflug könnten die 3510 reichen. Ich selbst fliege 3510 an einem 4,5kg Quad etwas über Halbgas im Schwebeflug.

Die 3 LiIo-Packs habe ich nun schon vom Skywalker-X8 mit normalen Wing-Antriebssetup (über 2,5h und 150km waren drin). 6S-Lipos habe ich vom Heli noch einige da, aber nur 3.6A30C oder 3.8A20C.

Welcher Motor sitzt denn da drin? Wenn du den X8 schon fliegst, weißt du doch schon, welcher Antrieb für den Horizontalflug ausreichend ist. Für den X8 sind, wenn ich mich richtig erinnere, Motoren um 500W empfohlen, das würdest du an 4S ja erreichen.

Zum testen bestimmt ausreichend aber du entfernst dich dann immer mehr von deinem Ziel, ein möglichst effizientes Fluggerät zu entwerfen. Wenn es wirklich effizietn werden soll, würde ich alles daran setzen, erstmal als reinen Nurflügler den X8 mit verschiedenen Antrieben zu testen, eine möglichst effiziente Reisegeschwindigkeit zu wählen und dann erst zum VTOL umzubauen. Alles andere wäre auch nur ein Nachbau von Konzepten, die es schon hundertfach gibt. Dein 2-Akku-Konzept spricht auch noch dagegen. Dann lieber 2 6S parallel und alles darauf auslegen.

 

[Titanex7]

Funktioniert der Sensor auch mit 4S-LiIo?
Das BEC ist optimal anzuschließen oder muss da ein ran? Ich verwende keins.

 

[LSG]

Na da steht doch 2-6S, also gehen auch 4S.
Leider brauchen die ein BEC.