FPV Gimbal V1

Történelem

Mindig is tetszett a repülés ötlete. Szerintem ezzel nem vagyok egyedül. Aztán szép lassan a tudatomba szivárgott, hogy vannak ilyen drónok, amik repülnek és olyan mintha benne ülnék. Pontosabban az FPV rész, vagyis a belsőnézetes pilótáskodás fogta meg a képzeletem. Így mikor volt egy kis költőpénzem, 2022 májusában beneveztem egy saját tanulógépre és kiegészítőkre. Természetesen ez csak egy áttekintés, sok fontos dolgon átsiklottam, mint a hónapos kutatómunka, ami esetemben a fokozatos megszállottságom természetes mellékterméke volt, vagy azon is, hogy alapvetően kütyü rajongó vagyok.

Egy évvel később kezdtem érezni, hogy kinőttem a felszerelésem és a rózsaszín köd sem múlt el, ezért összedobtam egy tisztességes készletre. Ami most fontos, hogy a DJI videórendszer mellett tettem le a voksom, kizárólag a képminőség miatt. Vettem egy Avata & Goggles 2 kombót, csomagban, dildóval (vagyis Motion Controller-rel). Mellette összedobtam a saját kvadkopterem is, de mivel csomagban volt, ezért hülye lettem volna nem kipróbálni az Avata-t is. Nem tagadom, vannak kényelmes funkciói az Avata-nak, mint hogy pozíciót tud tartani (többnyire), vagy hogy automatikusan leszáll. Vagy az is, hogy szórakoztató bevezetés az FPV világába: bárkinek odaadtam perceken belül kitanulta az irányítását.

Ami ezt az írást és a projektet ihlette, hogy megtetszett a fejkövetés és a kameraforgató gimbal. Szinte kivétel nélkül az FPV drónok kamerája rögzített szögben, a vízszintestől enyén (10-45°) felfele néz, és ezt nincs mód repülés közben változtatni, hacsak nem egy frontális ütközés keretében. Márpedig nekem ez lehetőség nagyon tetszett, mert: ha lassan mennék, alacsony kameraszög kell; ha gyorsan mennék, akkor meg nagy, ha leszállnék vagy megfigyelnék egy helyben, akkor jó lenne közvetelen lefele nézni; ha követni szeretnék valamit/kit akkor ezeket váltogatni kell menet közben. Arra akarok nézni amerre, függetlenül a drón orientációjától. Most hogy ezt milyen módom vezérlem, a fejem billentésével vagy kézzel, ez felteszem többnyire megszokás kérdése.

Első próbálkozások

Első gépem egy Tyro 119 6″-os kopter volt, másodkézből. Erre első próbálkozásból egy 9g-os szervót “szereltem”, amit kézenfekvő módon egy motorkimenetre (PWM) kötöttem. Innen pár paranccsal átkonfiguráltam a BetaFlight kontrollert, hogy ide küldje a servo1, mint camstab gimbal jelét. Még egy aprócska beállítás kellett, hogy kikapcsoljam a kamera stabilizálást (távirányítóról) és áttegyem a kamera forgagtást egy potméterre (távirányítón).

Na most ez eddig szép és jó, meg működik, de valahogy sugárzik róla a tákolmány jelző, vagyis ez az implementáció több sebből vérzik:

• a kamera felfogatása nincs csapágyazva, egyik oldalt a csavar nem tud kiesni a ragasztószalag miatt, másik oldalt egy csavar rögzíti a karhoz, ami kopik a forgatással
• első frontális ütközéskor vagy a szervót gyalulja le egy ág, vagy a kart töri le valami, szóval nem valami strapabíró, ezeket jobb lenne elrejteni valami ütésálló burkolat mögé
• koszolódik a mechanika és nem egyszerű a takarítása
• végül ez a szervó lomha, fejkövetéskor kellemetlen érzés, illetve megtöri az élményt

Rövid kitérő, hogy miket szeretnék elérni, illetve kerülni
(ebben a kontextusban várható igénybevétel)

• frontális ütközések, többnyire csak földbe csapódást, súrlódást jelent (legeltetés), de alkalomadtán betonnak vagy fának csapódást 30-50kmph-val
• mindenféle ütközés, pattanás és a következtében történő károk: kiálló vezetékek elnyíródnak, anetenna letörik és/vagy kiszakad, GPS modul / csavar kiesik, meglazul
• enyhe esőben vagy havazásban repülés, illetve hóba esés, ami miatt a hó megolvad és az elektronikára folyik, ami korrodálhatja azt
• véletlen illetve várt jelvesztés, majd lezuhanás ismeretlen helyen, ilyenkor jó a GPS, videó felvétel, illetve csipogó
• konstans rezgések elfárasztják a vezetékek anyagát így eltörhetnek a vezetékek

Ezek jelentős részére már találtam megoldást, vagy ahogy időm engedi keresek megoldásokat. Röviden: minden kieshet. Ami mozog azt rögzíteni kell! Pl. az antennákat beragasztani, vezetékeket rözíteni, mert a rázkódás fokozatosan elvágja ezeket. Amit csak lehet neonzöldre festeni, hogy este könnyű legyen megtalálni UV lámpával a fűben. Nappal esélytelen a dolog, főleg 30-50 cm-es fűben. Mindig legyen GPS jel, ha fennáll a lezuhanás kockázata (ezzel lehet tervezni). Kell csipogó, ami akkor is működik, ha az akksi kiesett, esetleg villog is. Ami elektromos az legyen vízzáró lakkal lekenve. Csavarokat csavarrögzítővel kenni, illetve rendszeresen ellenőrizni.

Tervek egy kameraforgatóra

Kezdetben a célom az volt, hogy a jelenlegi vázon belül egy szervó forgassa az O3 kameráját, és ami már vázon belül van, az maradjon is belül (ez egy csipogó és egy kapcsolható tápegység). Ezen a ponton nem volt elvárás, hogy gyors legyen a forgató mechanika. A fejkövetés távlati cél, első sorban, mert a Goggles 2 ilyen adatokat nem küld el a drónnak (csak ha pl. Avata van a túloldalt).

Kellett egy megfelelő szervó is: egy AFRC D1302 Ez elég kicsi volt, hogy fektetve elférjen a két első kameratartó konzol között.

A felfogatást szeretném 3d nyomtatni, így jó lenne ha lenne hozzá egy méretarányos 3d modell is. Sajnos a drón váza 3d modellként nem volt sehol sem elérhető, így első lépésként ezt modelleztem le, a motorokkal mással együtt. Az igazat megvallva, az air unit (és kamera) kivételével mindent nekem kellett lemodellezni. Ezt Fusion 360-ban és AutoCAD-ben végeztem. Meglepő mire képes pár fotó és egy tolómérő.

Ha valakinek kellene, itt van a modell: GrabCAD vagy link: SpeedyBee Master 5 HD V1

A motorok bevitele/modellezése nagyobb kihvást jelentettek, mivel alapvetően több a kerekített forma, és AutoCAD-ben kezdtem a rajzolást, mert, hogy úgy fogalmazzak a Fusion ágyúval verébre lett volna. Az AutoCAD erőssége a sok gyorsbillentyű: pár gombnyomással elérhetek bármilyen funkciót, míg ugyanezek a rajzolási funkciók több gombnyomással érhetők el Fusion-ben. Cserébe viszont mikor 3D modellezésre kerül a sor, akkor az AutoCAD elég visszafogott képességekel bír, mivel nem erre készült.

Ha kellene a motor modellje: GrabCAD vagy link: iFlight Xing2 2207

Következő lépés volt magának a mozgató mechnaikának a kiötlése. Az eredmény magáért beszél.

A tervezés után következett az összes többi dolog bezsúfolása a vázba. Ügyelve arra, hogy ami fix az rögzítve legyen, ami meg nem az mozoghasson. Értem ez alatt, hogy megelőzzem a rezgésekből eredő anyagfáradásokat a vezetékeket is rögíteni akartam, főleg az ESC és FC környékén. Első közelítésben a vezetékkötegeket zsugorcsőben vezettem és rögzítettem.

Ennek a váznak egyik tulajdonsága, hogy a stack gumi távtartókon van, ami egy gumi tartóelemre van rögzítve, így elnyeli a legtöbb rázkódást. Ez azért jó, repülésvezérlő IMU-ja, kiváltképp a giroszkóp nagyfrekvenciás rezgéseit (zaját) csillapítja. Ez egy első szintű szűrést biztosít a repülésvezérlőnek, a BetaFlight remek szoftveres szűrését kiegészítve. Ennek a terevzési hozadéka, hogy kellő ráhagyást kell hagyjak minden vezetékre, hogy követni tudja a rezégéseket, vagyis ne a vezetékek rögzítsék a stack-et, mert bármilyen ütközéskor a vezetékekekt és a csatlakozókat / pad-eket feszegetném, ami gyorsan eltörne így. Másrészt a rezgéseket is átvinné. Ennek legfontosabb hozadéka, hogy az ESC kondenzátorát (1mF 35V) nem rögzthettem közvetlenül az ESC pad-re. Helyette az ESC és az XT60 csatlakozó közötti vezetéket csapoltam meg, így a kondit kizvetlenül a vázba rögzíthettem.

Nem sok hely maradt, mint látható.

Közjáték: DJI O3 air unit lencse csere

Elkopott a lencse, mivel nem volt rajta lencsevédő, és a rendszeres ütközések miatt, a por és a gondatlan tisztítás következtében karcos lett a lencse. Gyárilag ugyan nem kapni külön lencsét (ugye DJI…), de kínából mindent is kapni, így utángyártott kameramodulokat is, töredék áron. Viszonyításképpen az eredeti ~160 USD, az utángyártott pedig ~40 USD körül mozog, de az első vásárlás esetén találni 30$ körül is (welcome deal). A teljes modul cseréjének egyetlen hátránya, hogy a kamerában levő IMU-t kalibrálja a gyártó és ezt a kalibrációs eljárást nem teszi elérhetővé külső feleknek. Így ha fontos a képstabilizálás (beépített Rocksteady vagy külső, modjuk GyroFlow), netán zavaró a konstans figyelmeztetés a szemüvegben, akkor érdemes csak a lencsét cserélni.

Lencse cseréhez érdemes kicsit megmelegíteni a ragasztót (forrólevegős pákával, hajszárítóval), majd lekaparni a rögzítő ragasztócseppeket (4 helyen) és ezután kicsavarható a lencse. Az újat ezután természetesen fókuszálni kell szemüvegen keresztül. Ezt érdemes utóellenőrizni egy 4k felvételen keresztül, mivel a szemüvegben csak 1080p kép látható, és előfordul, hogy 4k felvétel kicsit homályos, annak ellenére, hogy a szemüvegben (vagy alacsonyabb felbontáson) már élesnek hat a kép.

Összeszerelés

A nyomtatások viszonylag simán sikerültek. A viszonyítási alap, hogy nedves a filament és nehezen tapad, a rétegek könnyen törnek. Bár prototipusnak, méret ellenőrzésnek még éppen megteszi kategória.

A nyomtatásokat, mivel elég sok komplex alkatrész volt (egyinek sem volt feltűnően lapos oldala) amit lehetett volna a buildplatre fektetni, inkább félbe vágtam az alkatrészeket és két félben nyomtattam. A fél darabokat pedig pillanatragasztóval rögzítettem egymáshoz, majd festettem, mert csak fehér PLA-m volt.

Maga a mechnaika többnyire a vártnak megfelelően működött, egy fatális hibát leszámítva. Ami indolkolja ezen cikk utódját. Erre a végén térek ki.

A szűk hely miatt a vezetékelés és összeszerelés sokkal több idő volt, mint szerettem volna. Elsősorban azért, mert a beeper egyben nem fért el, így minden egyes részét szétszórtam, hogy azért még ergonómikus maradjon: a gomb könnyen elérhető legyen, a rajta levő fényszenzor is kapjon fényt és a ledeket is lehessen látni (este). Minderre ment egy réteg konformális bevonat a víz és sár ellen. A buzzer is kívülre került, hogy ne tompítsa az elhelyezése a hangját.

Másik nehézség, hogy a kamera vezetékét előbb kellett átfűzni az egész tartószerkezeten, és csak utána lehetett behelyezni a kondenzátort, ezért az egész részegységet csak a helyén lehetett összeszerelni, ahol persze korlátozott a hozzáférés.

Maga a szervó rögzítése is problémás volt. A PLA vizesedése miatt, a műanyag csavarok szétfeszítették és eltörték a fogadó furatokat. Az egész tartószerkezet is letört tőből, amit vissza kellett ragasztani. De mivel elvben nincs rajta terhelés, és a szervó sem túl erős, így ez nem feltétlen gond prototípus esetén. A legnagyobb gond, ami fatális hibához vezetett, hogy a kar elakadt a tartószerkezetben, mivel kicsivel nagyobb volt a csavar feje a tervezettnél. Ez forgatásnál elakadt, illetve korlátozta a forgatást. Ez fajult el egyszer, erőltetés hatására maga a motor túlmelegedett és megolvasztotta a teljesen műanyag szervóházat. Mint nyilvánvalóvává vált, ez a 1.7g-os szervó nem csak lassú de gyenge is egy ilyen feladathoz. Látható, hogy a kamera egy öntapadós rézszalaggal van rögzítve a képeken. Mondhatjuk, hogy a célt nem sikerült elérni ezzel a prototípussal.

Konklúzió

Mindezt a mérnöki maszturbációt az indolkolta, hogy nem akartam kidobni az eredeti alu. tartókonzolokat, hanem ezen belül kívántam megoldani a kamera forgatását egy kissebb szervóval. Szembesültem, hogy ezek a pici szervók gyengék és nehezen beszerezhetők, ráadásul még a mechanika megoldása is egy építhesőségi rémálom, rossz a helykihasználása és a karos forgatás sem megfelelő.

A következő ötletem, hogy egy standard 9g-os szervót építek be, úgy, hogy könnyen cserélhető legyen. Magát a forgatást pedig damilosan oldom meg, akár áttétellel is. Az első alu. konzolról lemondok, egy saját ABS nyomtatás / alu betét kombóért cserébe. Ennek előnye a nagyobb tervezői szabadságon túl, hogy a damilos megoldás jobban tűri a rezgéseket, jobban védhető, a koszt is jobban tűri és potenciálisan kisebb a helyigénye.

Másik lehetőség, amire lencse cserekor eszméltem rá, hogy alapvetően a kamera háza elég egyszerű: 4 csavaros felfogatás egy kis hűtéssel hátul. Első sorban egy saját kameraházzal megspórolhatnék négy csavart és egy befogató alkatrészt, habár ez még számomra nem lenne elég indok egy ilyen volumenű beavatkozásra. Ami mellette szól: 3 másik ötlet.

• a lencse közel védtelen, a gyári karima kicsi hatékony védelem biztosítására ütközéskor
  lásd: (enyém máris törött) és cserélni közel lehetetlen, kopóalkatrész létére
• gyenge a lencsevédő felfogatása, egy frontális ütközéskor leesik (vótmá)
• esőben és hóban a víz kirakódik a lencsére, ezzel gátolva a látást és videózást

Tehát a következő terv: egy kameraház tervezése, amiben van egy légcsatorna, ami egy légfüggönyt létestene a lencse és a karima közt, ezzel gátolva a por/eső/hó lencsére (lencsevédőre) kerülését. Másik lehetőség egy erősebb karima tervezése. Ami, mivel én gyártanám, cserélhető lenne. Magát a levegőt egy légcsatornával az első propellerektől vezetném el.

Magát a beeper-t és kapcsolható tápegységet is beépíteném egyetlen lapra. Így belezsúfolhatnék még pár funkciót: egy DJI stílusú bekapcsoló mechanikát és ledes visszajelzést, lassú indítással (akku csatlakozáskor a kisülés elkerülése), esetleg egy saját szervó vezérlést, így egy saját motor /potméter kombóval megspórolhatnám a szervókat, így helyet takarítanék meg és az áttételt és motor erősségét is változtathatnám tesztelés során.

Amint van haladás drón ügyben (jövő tavasszal) jelentkezem a folytatással.