Pikkukopterin värähtelyistä

[elvis]

Tuossa ilmakuvaussäikeessä jo totesin että kopterikameran käytössä näyttäisi yksi huolia aiheuttava asia olevan värähtelyt, joiden takia ainakin Hirobon runkoon kiinnitetyllä minikameralla saadut videot ja kuvat ovat varsin suttuisia. Hiukan epäilen että joillakuilla muillakin on saattanut kameran toiminta hyytyä samasta syystä. Tärinää näyttäisi olevan vaikka olenkin tasapainottanut pää- ja pyrstöroottorien lavat mielestäni varsin hyvin, joten epäilin että tärinää tulee merkittävästi jostain muualta, kuten hammasrattaista tai voimansiirrosta. Koska käytössäni on pieni kiihtyvyysanturi ja tiedonkeruulaitteisto, ajattelin selvittää vähän tarkemmin asiaa.

Iskin kiihtyvyysanturin Quarkin nokkaan sähkökotelon päälle mittaamaan pystyiihtyvyyksiä samanlaisen tyynyn päälle kuin minikamerankin (mittausjohto jäi roikkumaan nokasta, mutta silti kopteri pystyi nousemaan matalaan leijuntaan ja mittasin minuutin leijuntasession värinöitä 5kS/s nopeudella. Tuloksia voi vilkaista tuosta:

[edit: Kotisivujen poistumisen takia siirsin tiedoston googleen]

https://docs.google.com/open?id=1R8KsdpIXLVF94g7UaCr0EqprCjyddAaBcVcH5YTH23NrJTy_Lj8F15-yVBjL

Mielenkiintoista oli huomata että tärinätaso nousi selvästi kopterin noustessa ilmaan. Tärinän kiihtyvyys vaihteli välin -1g -- +3g välillä, eli siis varsin kohtuullista tärinää. Kun sitten tein FFT-muunnoksen mittauksista tasaisen leijunnan aikana saatoin todeta suurimman piikin olevan n. 30Hz taajuudella, lisäksi tämän kahdella harmonisella (~60 ja 90 Hz) näytti myös olevan matammat piikit. Muita piikkejä on noin 170 ja 220 Hz taajuuksilla.
Hirobon ohjekirjan mukaan pääroottorin pyörimisnopeus on 1800-1900 RPM, ja 30 Hz vastaakin 1800 RPM nopeutta. Näin ollen suurimmat tärinät näyttäisivät kuitenkin aiheutuvan pääroottorin pyörimisestä. Pääroottoriin liittyy paljon muitakin pyöriviä osia, stabilaattori mm sekä swashplaten ohjainvoimat. Näille ei voi paljon mitään (stabilaattorin tasapainotuskin voisi olla aika hankalaa). Piikit korkeammilla taajuuksilla voivat olla pyrstöroottorin tai esim. moottorien epätasapainon aiheuttamia, ehkä voimansiirrostakin johtuvia.

Isoissa koptereissa käytetään usein kaikenlaisia vaimentimia parantamaan matkustajamukavuutta, mutta tässä tapauksessa lienee helpointa vain hyväksyä tärinät ja yrittää saada kulloinenkin hyötykuorma eristettyä niistä niin hyvin kuin mahdollista.

[JCA]

      

[puisto_kemisti]

Elsiksen on pakko olla diplomi-insinööri

[Trnquill]

Hyvää mittausta!

Kyllähän ne stabbaritkin voi tasapainottaa siinä missä lavatkin. Stabbarin lapojen välillä on merkistä ja tuurista riippuen useidenkin grammojen erot, joten teippiä vaan vaa'an näyttämän mukaan. Hyvä vaihtoehto voi myös olla koko roottorin tasapainottaminen yhtenä könttinä. Eli nuppi akselin kanssa kopterista irti ja sopivaan potkurintasapainotuslait teeseen. Hifisti lykkää samaan läjään myös pää- & autorotaatiorattaat. Perälle sama homma.

Vielä kokeellisempi tapa tasapainottaa kopteri on teippien liimailu summamutikassa sinne tänne ja mittaus aina teipin lisäyksen jälkeen. Jos parani, lisää teippiä ko. kohtaan, muuten teippi pois ja muualle. Tämä käy erityisen helposti sinulta, koska sopiva mittalaitekin löytyy plakkarista.

Pikkukoptereita tasapainotellaan usein strobovalossa. Strobo vilkkumaan hämärässä tai pimeässä huoneessa kohti kopteria ja lavat pyörimään noin leijuntakierroksilla (tai vähän alle). Kun strobon välkyntänopeus natsaa sopivasti roottorin kierrosnopeuteen (eli on hieman sitä suurempi tai pienempi), näkee kopterin värinän huojuntana. Tästä voi sitten päätellä jopa sen, mihin suuntaan teippiä pitää lisätä. En tosin lähtisi kovin suurella kopterilla sisätiloissa testaamaan...

[Mikka]

Tällaista lisää. 

Mittasit siis pystysuuntaisaista värähtelyä, oliko tuo johonkin "kirjoitettua", että pahimmat värähtelyt on sen suuntaisia?

Jos noin, niin oletko ajatellut jatkaa tuota, eli millähän materiaalilla (riittäisikö joku tarpeeksi pehmeä vaahtomuovi tai jonkinlainen pakkausmateriaali) tai järjestelyllä (esim. anturi/kamera kiinnitetty tarpeeksi joustavilla kiinnikkeillä/jousilla/vaahtomuovisuikaleilla sivuilta roikkumaan) tuota 30 Hz piikkiä saisi pienemmäksi (voisiko siihen löytyä jokin yksinkertainen ratkaisu noin pääpiirteissään)?

Minkähäntaajuisen tärinän kompensointiin optisella kuvanvakaimella varustetut kamerat/objektiivit kykenevät (taitaa olla vain muutamia hertsejä, jos sitäkään)?

[Trnquill]

Jos noin, niin oletko ajatellut jatkaa tuota, eli millähän materiaalilla (riittäisikö joku tarpeeksi pehmeä vaahtomuovi tai jonkinlainen pakkausmateriaali) tai järjestelyllä (esim. anturi/kamera kiinnitetty tarpeeksi joustavilla kiinnikkeillä/jousilla/vaahtomuovisuikaleilla sivuilta roikkumaan) tuota 30 Hz piikkiä saisi pienemmäksi (voisiko siihen löytyä jokin yksinkertainen ratkaisu noin pääpiirteissään)?

Värinöiden vaimentaminen on aika triviaali juttu. Heittää kameran vaikka metrin kuminauhan päähän roikkumaan, jollei muuta keksi. Mutta sitten jos ja kun kameran pitäisi pysyä jokseenkin paikallaan (suhteessa kopteriin), alkaakin homma vaikeutua. Kaiken maailman pehmeät ja liikeradaltaan pitkät värinänvaimentimet poistavat värinän, mutta tuovat tilalle holtittoman heilunnan. Kiinnityksen pitäisikin olla samaan aikaan tukeva, mutta myös värinöitä vaimentava.

Esimerkiksi Lord valmistaa värinänvaimennuskumeja erikseen kuorman ja värinän taajuuden mukaan. Mahtaako noita tai muita vastaavia saada mistään Suomesta?

Minkähäntaajuisen tärinän kompensointiin optisella kuvanvakaimella varustetut kamerat/objektiivit kykenevät (taitaa olla vain muutamia hertsejä, jos sitäkään)?

Nimenomaan muutamia hertsejä, eli käytännössä suurin piirtein sillä taajuudella toimivat, jolla ihmisen koura tärisee. Käytännössä siis niistä on ilmakuvauksessakin hyötyä, jos kameran tärinät saa tiputettua taajuudeltaan tuonne muutaman hertsin maastoon.

[ChiKung]

Oma veikkaus värähtelystä: Jos liikutat kameraa tasossa, ei kuva juurikaan muutu. Jos taas kääntelet sitä niin kuva muuttuu paljon. Eli siis kulmavirhe aiheuttaa ongelmia kameraan. Eli esim. lapojen mkp:n epätasapaino aiheuttaisi radiaalisen heilumisen, lapakulmien epätasapaino taas aksiaalisen heilumisen. Myöskään noste ei ole täysin kollektiivinen, joten esimerkiksi lavan ollessa kopterin suuntaisesti voi ilmavirtaus aiheuttaa kopterin kiertymisen myös pystyakselilla vaikuttaen kuvaan. Ensimmäinen piikki voisi johtua esim. lapojen tai stabbareiden epätasapainosta (tai pystysuunnassa todennäköisesti lapakulmasta johtuen), seuraava vaikka tuosta molempien lapojen vaikutuksesta kopteriin (ilmavirta vaikuttaa canopyn puoleen ja perään eri tavalla). Ideaa kehittämällä saattaisi saada uusia tapoja tasapainotukseen; mittaa molemmat suunnat ja yrittää siitä selvittää värähtelyn suunnan ja aiheuttajan.

Fourier-muunnoksen sijaan joku nokkela voisi kokeilla vaikka dynaamisella mikillä (tai pienestä kaiuttimesta rakennetulla anturilla - liimaklöntti lisäpainoksi kuulokkeen kalvoon ja kotelointi estämään ilmavirtaukset) ja yksinkertaisella spektrianalyysillä nauhoitetusta äänestä, jos reaaliaikaiseen tarkasteluun ei ole tarvetta. Voit laittaa vaikka stereona ja kääntää toisen 90 astetta niin saat samalla molemmat suunnat. Riittävän kauaksi keskiakselilta niin kiihtyvyydet riittävät, kun kyse ei ole gyrosta. Gyrollahan tuo pitäisi oikeasti mitata, kun suorat kiihtyvyydet ei niinkään kiinnosta vaan juurikin nuo kulmakiihtyvyydet.

Edit. nyt kun aloin miettimään niin molemmat aiheuttavat heilahtelun kummassakin suunnassa. Akseliin kohdistuva voimahan ei ole kopterin massakeskipisteessä.

Ps. laita kamera kiinni vaahtomuovilla tai vaikka kovalevyissä käytetyillä silikonitassuilla.

[elvis]

Tällaista lisää. 

Mittasit siis pystysuuntaisaista värähtelyä, oliko tuo johonkin "kirjoitettua", että pahimmat värähtelyt on sen suuntaisia?

Jos noin, niin oletko ajatellut jatkaa tuota, eli millähän materiaalilla (riittäisikö joku tarpeeksi pehmeä vaahtomuovi tai jonkinlainen pakkausmateriaali) tai järjestelyllä (esim. anturi/kamera kiinnitetty tarpeeksi joustavilla kiinnikkeillä/jousilla/vaahtomuovisuikaleilla sivuilta roikkumaan) tuota 30 Hz piikkiä saisi pienemmäksi (voisiko siihen löytyä jokin yksinkertainen ratkaisu noin pääpiirteissään)?

Kiitoksia! Eiväthän nuo pahimmat värähtelyt mitenkään välttämättä ole pystysuunnassa, eihän tässä huomioida mitenkään vaikkapa vääntövärähtelyä pystyakselin ympäri jne. Tässä vaiheessa en kuitenkaan alkanut selvittää tilannetta sen tarkemmin, roottoritaajuudella oleva piikki oli kuitenkin selvä. Anturi oli tässä samanlaisen 2-puolisen teippi/vaahtomuovi/kuminauhavirityksen kanssa kyydissä kuin käyttämäni kopterikamerakin (ks

Osittain asiaa saa korjattua kiinnittämällä kameran kopteriin mahdollisimman joustavasti niin että kamera saataisiin eristettyä dynaamisesti rungosta

, ja suunnilleen samanpainoinenkin. Eli nämä tärinät olisivat pystysuunnassa suunnilleen samanlaisia kuin kamerakin joutuu kokemaan. Ilman niitä tärinä olisi kaiketi vielä kovempaakin.

Jokin parempi tärinäneristys olisi paikallaan. Olen ajatellut kokeilla laittaa kameran roikkumaan pelkkien kiristettyjen kuminauhojen varaan jonkinlaiseen telineeseen niin että jousto olisi riittävä. , mahdollisesti kameraan, voisi kiinnittää lisäksi hieman lisämassaakin systeemin ominaistaajuuden alentamiseksi 

Harmi kun käytettävissä ei ole kuin yksi kiihtyvyysanturi melko raskaan kaapelin päässä.

[elvis]

Elsiksen on pakko olla diplomi-insinööri

Höh, mistäs arvasit 

PS. Lehmäkin lentää, kun siihen asentaa riittävän tehokkaan moottorin. (ja tukirakenteita..)
PS2. Jos ihminen olisi luotu lentämään, Jumala olisi antanut ihmiselle paljon rahaa.
PS3. Jos haluat tehdä ilmailulla pienen omaisuuden, on syytä aloittaa suurella omaisuudella.

Ääh, sori, nää on vanhoja.. jatkot LiirumLaarumiin 

[elvis]

Hyvää mittausta!

Kyllähän ne stabbaritkin voi tasapainottaa siinä missä lavatkin. Stabbarin lapojen välillä on merkistä ja tuurista riippuen useidenkin grammojen erot, joten teippiä vaan vaa'an näyttämän mukaan. Hyvä vaihtoehto voi myös olla koko roottorin tasapainottaminen yhtenä könttinä. Eli nuppi akselin kanssa kopterista irti ja sopivaan potkurintasapainotuslait teeseen. Hifisti lykkää samaan läjään myös pää- & autorotaatiorattaat. Perälle sama homma.

Moro,
Tässä tapauksessa tosiaan saattaisi kannattaa kokeilla koko pyörivän roottorikokoonpanon tasapainotusta. Stabilaattorikin kyllä yksinään näyttäisi olevan suht tasapainossa nivelensä suhteen. Kokoonpanossa on kuitenkin vipuja ym, jotka sotkevat tilannetta. Eipä välyksetkään asiaa paranna (vaikka pieniä vielä ovatkin).

Tilanteessa voi olla merkittävä yksi tekijä se, että kopteri ei ole tässä täysin tasapainossa roottorin suhteen, vaan nokkapainoinen kaapelinkin vuoksi ja kopteria piti koko ajan trimmata hieman taakse. Kaksilapaisena kopterina tämä aiheuttaa ainakin toisen harmonisen taajuudella syntyvää värähtelyä lapojen pyrkiessä oikaisemaan kopua aina niiden ollessa edessä ja takana. Voisin joskus keritessäni kokeilla mitä tapahtuu jos perään lisää sopivan vastapainon..

[elvis]

...
Vielä kokeellisempi tapa tasapainottaa kopteri on teippien liimailu summamutikassa sinne tänne ja mittaus aina teipin lisäyksen jälkeen. Jos parani, lisää teippiä ko. kohtaan, muuten teippi pois ja muualle. Tämä käy erityisen helposti sinulta, koska sopiva mittalaitekin löytyy plakkarista.
...

No näinpä meninkin tekemään ja tuloksia alkoikin syntyä- värinä(kiihtyvyydet) tipahtivat alle puoleen alkuperäisestä. Itse asiassa korjaamani epätasapainon voi kyllä jo nähdä otsallaankin katsoessa Quarkin naparakennetta- siinähän swashplatesta ylöspäin menevät (ja akselin mukana pyörivät) työntötangot  ovat epäsymmetrisesti akselin suhteen. Lisäsin pienen vastapainon stabilisaattorin renkaaseen tankojen vastapuolelle, jonka määrää iteroin mittaamalla erisuuruisilla vastapainoilla saatuja värähtelytasoja. Harmi vain että tankojen omalle korkeudelle vastapainon lisääminen ei ihan yhtä helposti onnistu, nythän painojen korkeusero aiheuttaa vielä ainakin momenttivärähtelyä. Varmasti muitakin tasapainotuskohteita löytyisi, mutta tämä nyt oli ainakin melko selvä tapaus.

Edelleenkin värähtelyt ovat siis melko suuria mutta tilanne on parantunut. Pitääpä seuraavaksi tarkastella, riittääkö viritys kamerakuvaukseen vai pitääkö kameran kiinnitys silti miettiä uusiksi.

[Sammy]

Quarkilla kuvailua melko tärinättömästi, kameran sijainti ainakin eri paikassa.
Jotain lätinää näytti olevan ko videon kohdalla tuolla juutuubissa tärinättömyyteen pyrkimisestä
http://www.youtube.com/watch?v=aUwNvy6rRYc&feature=related

[elvis]

Quarkilla kuvailua melko tärinättömästi, kameran sijainti ainakin eri paikassa.
Jotain lätinää näytti olevan ko videon kohdalla tuolla juutuubissa tärinättömyyteen pyrkimisestä
http://www.youtube.com/watch?v=aUwNvy6rRYc&feature=related

Kieltämättä hyvää kuvaa. Kameran asennus kieltämättä on tässä aika mystinen..

[Trnquill]

Kameran tärinät ovat kyllä mystinen juttu. Pokkarilla kun joskus koitin kuvailla videota, ei tärinöistä tuntunut pääsevän millään eroon. Mutta kun löin saman kopterin pohjaan pienen FPV-kameran, näytti homma tältä:

Eli ei tietoakaan värinöistä tai tärinöistä. Aika paljon tekee toki kameroiden polttovälitkin; tuossa FPV-kamerassa on melkoisesti laajempi kuvakulma, kuin pokkarissani. FPV-kamera on vedetty kahdella nippusiteellä kopterin etummaiseen landariin kiinni, suoraan rungon alle. Ei mitään tärinänvaimennuksia. Ja kopteri tärisee sen verran, että pystyvakaajan ylempi siipi pärisee noin 5mm edestakaisin lennossa.

[Mikka]

Elsiksen on pakko olla diplomi-insinööri

Höh, mistäs arvasit  

Ja täällä mekaanikko - yo - insinööri - filosofian maisteri - lonely wolf kopterinsäätäjä yrittää pähkäillä, joskos sillä videon kuvanottotaajuudella olisi jotain vaikutusta...

Ei ole valitettavasti aivan tuoreessa muistissa digitaalisen signaalinkäsittelyn perusteet (hämärästi vain mielessä jotain termejä näytteenottotaajuus, laskostuminen, digitaalisuotimet, jne.).

[elvis]

Ja täällä mekaanikko - yo - insinööri - filosofian maisteri - lonely wolf kopterinsäätäjä yrittää pähkäillä, joskos sillä videon kuvanottotaajuudella olisi jotain vaikutusta...

Ei ole valitettavasti aivan tuoreessa muistissa digitaalisen signaalinkäsittelyn perusteet (hämärästi vain mielessä jotain termejä näytteenottotaajuus, laskostuminen, digitaalisuotimet, jne.).

Heh, koneinsinööri ei tuollaisia kursseja ole käynytkään, säätötekniikkaan ja mekaanisiin värähtelyihin liittyviä kyllä senkin edestä.

Periaatteessa voisi kai olla mahdollista että jos kopun perusvärähtelytaajuus olisi sama kuin kameran kuvanottotaajuus niin kamera räppäisi videoframen aina kun värähdys olisi samassa vaiheessa ja kuva "vakautuisi" tällä tavalla. Kameran kuvanottonopeus on kuitenkin 25 fr/s ja roottoritaajuus 30-32 Hz, joten tästä ei ole apuja ainakaan tässä tapauksessa. Suljinaikakin taitaa olla äärellinen, eli framen valotuksen aikana kamera ehtii kuitenkin liikkua (jos kuvaus tapahtuisi aina äärivaiheessa niin tilanne olisi parempi). Ja onhan mukana paljon korkeampitaajuisempaakin tärinää, joka tosin ei liikuta kameraa yhtä merkittävästi. Mutta eipä silti, jos kuvausnopeutta voisi säätää niin tuostakin voisi olla vähän apua..?

[ChiKung]

Kameran kuvanottonopeus on kuitenkin 25 fr/s ja roottoritaajuus 30-32 Hz, joten tästä ei ole apuja ainakaan tässä tapauksessa.

Eli modulaation tuloksena kuvaan tulisi siis 5-7 Hz taajuudella aaltoilua. Ja myös nuo harmoniset taas voisivat aiheuttaa useamman asteen modulaatiolla häiriöitä.

Muutettava kuvanottonopeus voisi olla hyvä tuossa.

[Trnquill]

Periaatteessa voisi kai olla mahdollista että jos kopun perusvärähtelytaajuus olisi sama kuin kameran kuvanottotaajuus niin kamera räppäisi videoframen aina kun värähdys olisi samassa vaiheessa ja kuva "vakautuisi" tällä tavalla.

Tästä on ollut (mm.) Helifreakissa juttua pari viikkoa sitten. Osa teorisoi, että noin voisi tosiaan käydä. Asiaa käytännössä kokeilleet puolestaan väittävät, että mitään vakautusefektiä ei synny, vaikka nupin pyörintätaajuus olisi kameran frameraten kanssa 1:1. En tosin usko, että he ovat sitä ihan tosissaan ja tarkasti kokeilleet, mutta näin väittävät.

Moni pokkari (tai vaikka Canon 5Dmk2) kuvaa taajuudella 30fps, jolle ~600 koon kopterin 1800 RPM sopisi kuten naula päähän. Kaiken järjen mukaan tuon pitäisi toimia, mutta kokeneempien sanojen mukaan kopterissa on niin paljon muita tärinöitä, että tuosta synkronisoinnista muka ja periaatteessa saatava hyöty jää näkemättä.