2014年2月10日 星期一

專題研究 RC KITE-2 風箏製作筆記

前言:
    上次因為風太小飛不上去,所以參考影片後,把RC KITE-1增加一顆馬達,主翼因為重心位置改變而向前移
    今天寒假最後一天,天氣很冷但風很大,爸爸下午陪我去試飛
 (一樣沒有風速計,不過風大到branch有被吹動,重要指標之一)
    風大到風箏有被微微吹起,而且此時是增加了無刷馬達、ESC、更大的鋰電池、馬達座等重量,因此我猜測沒有裝動力模組的話,在今天是飛得上去的。

試飛方式:

  1. 飛機綁風箏線 (長約50m) ,線在地面拉直開來,線尾端綁啞鈴,固定於地面。
  2. 油門摧下去,手擲飛機,如擲標槍般,迎著風輕輕往空中射出去。

試飛結果:
    失敗,爬升上去沒多遠,機頭就一整個偏掉,轉了個大彎栽下來,還忘了拍照留念。

試飛結論:

  1. 飛機結構其實不會太重
  2. 可是珍珠板也相當不耐摔,必須使用其他材料製作
  3. 爬升過程相當不穩定,這點必須仔細考慮與分析
機翼材料調整:

用整塊EPP,用鎳鉻絲來切,並且挖洞偷輕後包膜蒙皮

機身結構調整:

採用雙機身


爬升穩定性分析:

水平飛行與垂直受風時的aerodynamic center位置是不一樣的?







2014年2月8日 星期六

專題研究 文獻探討

起降過程:

1. 緩慢放線-》靜止滯空-》轉為垂直盤旋-》靜止滯空-》緩慢收線
    優點:接近一般的風箏,比較輕比較安全,盤旋速度慢,易控制
    缺點:風要足夠,或是飛機要做的夠輕才飛的起來

2. 發射升空-》直接高速轉為盤旋-》斷線-》轉為滑翔降落
    優點:飛機重量可以大一點,高速飛行下維持升力
    缺點:發射不易,馬卡尼用火藥發射W3,W4 (這台有全成人工控制過,之後改為自動控制)
    影片:

    Ampyx Power的影片:
\

3. 垂直停懸緩緩升空-》靜止滯空-》調整舵面(增加受風面積)-》轉為盤旋-》停懸滯空-》緩緩降落
    優點:微風下也能起飛,到高空後高速盤旋,就可以產生足夠升力而不會墜落
    缺點:四軸機停懸轉為盤旋技術門檻高,要有前面幾項基礎才可能達成
    影片:


翼荷重:


製作方法:
TU Delf kiteplane prototype用整塊電熱絲切割的EPP

2014年2月2日 星期日

專題研究 Crosswind Tethered Plane Prototype Construction

//這篇主要是要把學校的專題研究做統整。先把片段的想法,以及目前所做的半成品做個集結,資料持續更新增加中。

前言
    為了確認製作出風箏能達到我要求的運動軌跡,以及符合目前我個人能力所及,因此直接製作一台綁著風箏線的遙控滑翔機,以人工控制來進行飛行載具外形確認。
    其實這個寒假執行的進度內容,在去年五、六月早就構思好專題執行步驟,實驗企劃書也寫好了,投稿中等科學獎助計劃,拿到了一小小筆研究金費。不過這個期間不斷在做大量的文獻查詢,學習基本數學工具、運動學、飛行力學等等。不過到了寒假,因為開學要繳交科展作品說明書給學校,全部理論推導也不太好,總得實作點東西出來才是,才促成這個還學不會走路就想飛的風箏原型設計。

背景知識
    1. 風箏發電發展
          好處
          類型
    2. 質點運動模擬
          Loyd 1980 
          MATLAB 模擬結果
    3. 空氣動力設計
         何謂空氣動力設計?
         為什麼需要空氣動力設計?
         飛機運動方程組
         飛行運動特徵值
         風箏跟一般的飛機有什麼不同?
    4. 自動控制方式
         
設計概念
   由於要簡化到我的能力範圍內,因此我想直接以人工控制數據,加上量測地面風箏線角度變化,分析這兩組數據,希望能用來進行自動控制時使用。
    1. 記錄手動控制的訊號

    2. 量測地面風箏線的角度變化
        球座標系
        座標變換
        位置、速度、加速度
        
    3. 地面站設計
        風速計
        放線滾軸
        風箏起降架

    4. 自動起降流程設計
        起飛流程
        穩定滯空轉為繞圈盤旋
        繞圈盤旋轉為穩定滯空
        降落流程

    5. 意外狀況處理對策
        忽然沒風!

實驗過程
    1. 製作遙控風箏

    2. 利用arduino連接接收器,記錄遙控器控制訊號

    3. 利用可變電阻+arduino製作球座標角度感測計

    4. 利用arduino連接風速計,記錄風速變化

    5. 利用Xxx通訊模組,讓空中與地面數據取樣時間同步
(為什麼不直接量發射器的發射訊號就好了?可以事前做量測發射器與接收機之間的誤差分析啊!)

實驗結果
    1. 遙控風箏試飛結果

    2. 手動控制數據分析
        尾翼角度變化
        副翼角度變化

    3. 球座標角度感測器數據分析
        飛行路徑
        飛行速度

    4. 副翼角度、風速與飛行路徑的關係








2014年2月1日 星期六

專題研究 RC kite-1 風箏製作筆記

與其說是風箏,不如說是綁著風箏線的遙控滑翔機。

材料


設計圖



CATIA 3D cad

機翼製作


1. 版型裁切好後,開始大量生產

2. 切好後插入骨架,前緣厚緣對齊,翼弧度打磨平整。

3. 假組裝,之後先黏木條到蒙皮用的珍珠板上,再黏上肋片和碳纖棒。

4. 骨架與下緣固定後,前緣用筆劃出摺痕
(特別推薦flyer的觸控筆,很傷螢幕但很好壓痕)

 
5. 順一下弧度

6. 骨架上膠後,整面壓下,讓珍珠板順著骨架彎出弧度,並用haliday壓著固定等膠乾。

7. 因為我是用兩片珍珠板所以先黏好一半,注意機翼左右不要扭曲。

8. 主翼完成

尾翼製作
    為了讓整面尾翼轉動,尾部以一根碳纖轉軸貫穿尾翼,這根轉軸順便當成中心骨架。
1. 至於這根轉軸如何跟機身固定?我是用遙控直升機的尾部小螺旋槳零件改裝來固定的。

2. 尾翼的蒙皮珍珠板。

3. 支撐轉軸的軸承合板,特別長的是做為伺服機的曲柄。

4. 尾翼包覆後,黏接軸承片。

5. 左右黏上雙尾翼(這台風箏沒有設計垂直舵面)

6. 用尾翼的轉軸連接尾翼與機身。


機艙製作

1. 設計圖&代切割的航空合板。

2. 切割打磨後的機身零件。

3. 先將底板用AB膠和束帶與機身固定。

4. 用書支撐兩邊,組合機艙。

5. 電子零件測試:發射器、接收機、BEC、servos.....

6. 牽線、整理。
整體組裝

1. 主翼使用兩根碳纖插蕭與機艙固定。

親愛的,妳多重?

2. 起飛重量:600公克
(復古彈簧秤,沒有買電子秤真是天大的敗筆)

小姐妳好重喔,飛得上去嗎?
我等等用學長的code幫妳模擬一下飛行軌跡好了......

3. 最後的調教,重心位置的關係,主翼不得不往後......

結果太後面了..........

風箏題線安裝
1. 去訂做的,蘋果的東西不便宜....

2. 採用四條提線,希望左右兩條現的張力能讓主翼不要過度扭曲斷裂



MATLAB質點模擬

    1. RC kite-1 Simulation Parameter :
        
Parameter
Value
Note
Standard Atmosphere & Earth Parameter
Gravity
9.81 [m/s**2]
Sea level
Air Density
1.225 [kg/m**3]
Sea level
RC kite-1 Plane Design & Assume
Lift coefficient
1

Wing area
0.468 [m**2]
0.21*1.8 + 0.6*0.15 = 0.468
Weight
0.6 [kg]

Lift-drag ratio
14

Custom Set
Bank angle
-0.3 [rad]
Control by aileron
Wire length
30 [m]
Temporary variable parameter
Velocity of wind
10 [m/s]
5級風

     2. Simulation Result :


處女航 
2014/02/06 新莊飛行場 下午

    今天第一次試飛的問題是:無法順利起飛。可能原因:

1. 風速不夠快。可是我沒有風速計來量測今天風多快。先買一台便宜的來用好了。

2. 翼面荷重太大。在地面風速太小無法飛,可是不知道這樣的翼荷重到了高空風速更快是否能靜止飛行於空中。所以事前最基本的起飛重量還是要算一下,起碼把每台風箏的翼面荷重算一下好了(最偷懶最快的方法)。而今天的結果也讓我開始懷疑一些paper他們的飛機是如何起飛的,他們是直接用碳纖維遙控滑翔機來飛,可是那麼重....

3. 起飛姿態不穩定。當拉著風箏線助跑起飛時,機鼻很容易偏掉,就飛歪失速掉下來。因為風箏垂直的姿態時,風向方向並無法使尾翼發揮自然穩定的功能,也難怪Makani的尾翼做那麼高,這樣才可以兼具起飛與垂直盤旋的縱向&橫向穩定。而且風箏提線位置與重心位置也很重要。充氣風箏 (TwingTec & Kiteplane) 重心都在提線後方,起飛容易且穩定;不過其他剛體風箏的重心位置應該位於空氣動力中心 (Aerodynamics Center)的附近,題線位置也跟這兩點接近,可以增加在盤旋時的縱向穩定,但起飛會更加困難,應該參考:How to Launch and Retrieve a Tethered Aircraft

可能解決方式,要分為兩條路同時進行:

1. 買一台空機綁線施放,可以了解起飛穩定性的問題;
    如果順利起飛,更可以了解垂直盤旋穩定性的問題。
    用這些結果略估起飛的最大重量止能到多重才能起飛。

2. 重新設計製作遙控風箏,需要改進&改變的設計:
  • 採用雙機身結構,添加45度支架,增加整體剛性
  • 雙尾翼可以使風箏垂直站力於地面,方便起飛
  • 將尾翼高度提高,增加起飛時的安定性
  • 翼面荷重減小,整台飛機還要更輕
  • 主翼結構重新設計,珍珠板蒙皮太脆易裂,除非別摔機
  • 主翼快拆重新設計,要拆到我騎腳踏車也能攜帶

試飛心得:
無法起飛讓我更快看到問題所在;
摔機更快想出解決問題的可能方法。
失敗為成功之母,共勉之~






2014年1月31日 星期五

3D Printer RepRap Prusa i3 組裝紀錄



源起

    淡江航太系學長
    我這台的印表機的型號為 RepRap Prusa i3。為什麼挑這台?因為台灣相當多人組裝過!也就是說相關資訊最齊全。其實我也不知道為什麼i3會這麼多人組,不過其累積大量的零件採購資訊跟組裝經驗,使i3為初學者很好的入門選擇之一。
    其實像我自己組一台3d printer已經不是什麼困難事,其難易度大概跟自己組一台桌上型PC差不多,有看過一位國小升國中的學弟也組了一台i3,相信大家也可以。首先,許多零件都是現成的(列印件、加熱頭、擴充版...),需要花心思的頂多在於採購、組裝、校正;再來,網路資源豐富,台灣地區已有許多3d printer的組裝經驗,fb上相關的社團也相當興盛:
    Reprap.Taipei
    Taiwan 3D Printing
甚至參考資料只要看中文的就夠了(特別是i3),我因為趕時間+偷懶,沒仔細看這個款式的原文官網(不過大陸有翻譯了大部分):
    RepRap
Builder.jpg
    由於網路上許多前輩已做了很完整的教學文件、blog文章、經驗分享,以我這個才疏學淺的後輩再複製貼上沒什麼意思,所以接下來的內容會有許多我認為不錯的連結,依照我自己購買、組裝、測試.....等等的順序來排列,希望對其他人有所幫助。


More about Reprap
    台北數位藝術節的reprap傳單,借用一下:

材料購買資訊
    3D printer的零件一大堆,剛看到時有點不知所措不知從何購買起,我參考下列前輩的零件列表再加上網拍賣家賣場的商品後:
1. http://diy3dprint.blogspot.tw/2013/10/prusa-i3-3d-diy.html
2. http://diy3dprint.blogspot.tw/2013/11/3d.html
3. http://jimmyeestudio.blogspot.tw/2013/10/3d-printer-3d-prusa-i3-fablab-taipei-diy.html
http://class.ruten.com.tw/user/index00.php?s=jimmyjason&m=2
4. http://blog.xuite.net/diy3dp/main/198872306
5. http://prusa3dprinter.blogspot.tw/2013/12/prusa-i3-2-02-2553-7717-2132-i3500-02.html

    自己打了一份零件列表:
https://docs.google.com/spreadsheet/ccc?key=0AtmaJ4tnmRoIdGN3d3lYREJUTVJvMUFuRE9EamhhYVE#gid=0
供大家參考,不過多少會有些遺漏的項目,請發現的人提醒我吧! 感恩~



工具
    這邊我不多打,只是提醒一下如果買到的列印件精度不夠,這時手邊有台手持的電動打磨機,是一件方便又幸福的事。

硬體組裝

    硬體部分簡單來說,就是:
鎖不完的螺絲;牽不完的線;整理不完的蛇管。
組裝不難,只是耗時而以,不過參考資料還是相當重要的,以下列出幾個我組裝時的參考資料,以及我個人的錯誤經驗。

1. http://dl.dropboxusercontent.com/s/femvh8j5njf4sag/prusa_i3_frame_kit_build_manual.pdf

    有較完整的組裝過程照片,以及詳細的五金零件規格,不過僅限於純機構組裝,並沒有馬達、加熱頭、配線、電路板等安裝連接方式,對於一開始要組整個printer結構來說]還蠻方便的,不過Y軸在裝線性軸承時不能直接照著套進去,因為我的列印件與軸承不可以用束帶事後固定,因此要事先安裝軸承進Y軸列印件。

2. http://diy3dprint.blogspot.tw/2013/10/prusa-i3-3d-diy.html

    沒錯,還是陳亮宇先生。他的部落格我認為是台灣地區最實用的3d printer reference,先爬完他的blogger有一定的好處,而且除了零件資訊齊全外,每個特別提醒的地方還真的很重要,建議要做下個步驟時都再看一下這篇,有沒有他提醒要注意別出錯的小地方,再動手。

3. http://reprap.org/wiki/Prusa_i3_Rework_Introduction

    reprap官網,還有很多其他版本的印表機
組裝過程依下列方式分類:
  1. Introduction
  2. Bill of materials
  3. Y-axis assembly
  4. X-axis assembly
  5. Connecting X-axis and Z-axis
  6. Motor assembly
  7. X and Y-axis motions
  8. Heated bed assembly
  9. Extruder assembly
  10. Electronics and wiring

4. http://blog.xuite.net/diy3dp/main/198689436


    不過每個參考資料的印表機版本還是有些出入,因為每過一些時間總會有修改的更新版本,所以每個步驟都加以比較每個參考資料,知道如何下手後再進行下一步,是最保險的做法。


錯誤經驗:

1. 綁束代時太用力,把列印件用斷裂(用瞬間膠補修)
2. 極限開關腳位焊錯,請參考 : 3D印表機DIY建構筆記
3. 皮帶條很緊後就把剩下的減掉了,事後才看到應該要這樣,利用束帶固定比較好:

圖片來源:http://reprap.org/wiki/Prusa_i3_Rework_X_and_Y_axis_motions


不過也可以這樣......
圖片來源:http://diy3dprint.blogspot.tw/2013/12/blog-post_23.html

我自己的組裝過程:

1. Y軸底架主裝(這是錯的,因為我的列印件必須先將線性軸承打入,才能套進光軸)

2. 安裝上壓克力平台架,光軸用束帶固定(在這裏我太用力,用斷列印件)

3. 組裝Z軸與X軸的光軸和列印件(這張也組錯了,中間的擠出機滑車應該左右方向轉180度裝)

4. 擠出機組裝,圖中因為擠出軸的金屬刻痕位置偏離,所以我用壓克力管調整。

5. 加熱頭jhead,用來加熱使塑膠融化,具有溫度感測器來調整溫度。

6. 安裝Y軸步進馬達,套上皮帶(越緊越好,記得小心別用壞)

7. 另一端的滾輪,這個列印件有新版可以調整皮帶鬆緊度,等製作完再來改裝。

8. 這邊跳了很多步驟。先鎖壓克力架,再把垂直的Z軸和左右的X軸與馬達中在架上,好了以後再與Y軸底座連結固定。

9. 這台印表機的控制板-arduino mega。

10. 組裝過程,用蛇管整理電線,原本想要整理的比其他網友還整齊,實作後才發覺真的很麻煩。

11. 步進馬達與Z軸牙條連接。這個步驟應該之前就做,但我現在才調整
為了減少馬達的負重,牙條懸空與馬達軸分離,再鎖上連結套

12. 利用牙條上方兩個反鎖的螺母,來使X軸與擠出機懸吊於上方的壓克力架。


13. 機構組裝完成。不過別高興的太早,這樣只完成一半。


韌體安裝及設定

    我們使用Marlin,透過arduino IDE燒錄進arduino,來使整個印表機運作。

安裝方法與調整參數:
Marlin的詳細資料:
1. 
Reprap wiki上的說明(以翻成簡體中文)
2. 
臺灣網友的演講介紹ppt


LCD
    一路下來到這裡,老實說我還沒買耗材(用來印出模型的塑膠原料),但是我又想測試已經組裝完的機構,因此先用LCD控制面板玩玩步進馬達
http://diy3dprint.blogspot.tw/2013/12/marlin-lcd.html


PC端軟體安裝

    MAKE TW的簡介:了解你3D印表機的切層與控制軟體

控制軟體:
REPETIER-HOST

切層軟體:
1. KISSlicer
    
2. Cura
    
3. Slic3r(我先嘗試這個)
    http://slic3r.org/  

第一次列印
1. 
組裝完後,為第一次test的事前準備工作
http://diy3dp.pixnet.net/blog/post/72284981

溫度校正

改裝-風扇

為什麼擠出頭的喉管需要散熱?
http://diy3dprint.blogspot.tw/2014/01/blog-post.html

改裝-自動水平補正


http://diy3dprint.blogspot.tw/2013/11/reprap-prusa-i3.html



致謝

特別感謝學長Jimmy在採購上的協助,以及每次我懶的爬文時,他總會用fb聊天室熱心協助我在組裝時的各種大小問題!