Dron

Od mjerenja motora i analize napajanja do prvog funkcionalnog prototipa drona.

Uvod

Mali dron nije samo zabavan projekt nego i odličan način da kroz praksu upoznamo elektroniku, programiranje i osnove leta. U ovom projektu polaznici istražuju kako rade coreless DC motori, kako nastaje uzgon, kako se dimenzionira napajanje i kako se od pojedinih dijelova slaže funkcionalan mini quadcopter.

Naglasak projekta je na istraživanju, mjerenju i donošenju inženjerskih odluka, a ne samo na sastavljanje gotovog modela. Kroz zadatke se uspoređuju nosivost motora, mjeri se potrošnja struje, procjenjuje masu konstrukcije i otkriva što je potrebno da dron bude dovoljno lagan, stabilan i siguran za testiranje.

Poseban fokus je na učenju kroz eksperimente: svaki motor, propeler, baterija i nosač utječu na konačan rezultat, pa se dizajn ne pogađa nego provjerava mjerenjem i analizom. Na taj način projekt povezuje fiziku, tehničku kulturu, elektroniku i Arduino u jednu cjelinu koja pokazuje kako izgleda razvoj stvarnog uređaja od ideje do prototipa.

Istraživanje i analiza

Zadatak 1: Upoznaj motor i njegove granice

Cilj: Razumijevanje osnovnih parametara motora i tipične vrijednosti struje.

Istraži:

• Pretraži podatke za DC 3.7 V 50000RPM 716 Hollow Cup Coreless Motor.
• Zapiši osnovne dimenzije (promjer, duljina, napon, brzina vrtnje).
• Pronađi struju u praznom hodu.
• Pronađi struju pri blokiranom rotoru i objasni zašto je to opasno ako se dogodi u radu.

Analiziraj:

• Izračunaj približnu električnu snagu u praznom hodu
  \[ P = U \times I \]
• Objasni razliku u jačini struje između praznog hoda (no-load) i blokiranog rotora (blocked).
• Raspravi zašto motor visoke brzine ima mali zakretni moment (low torque) i što to znači za dron.

Eksperimentiraj:

• Spoji jedan motor na napajanje (3.7 V) u spoju sa ampermetrom i voltmetrom.
• Izmjeri struju i napon:
  • bez propelera,
  • s malim propelerom u zraku,
  • sa zaustavljenim propelerom (kratko!).
• Usporedi izmjereno s podacima s weba.

Zadatak 2: Strujne karakteristike jednog motora s propelerom

Cilj: Otkrivanje koliko struje motor troši u realnom opterećenju.

Istražiti:

• Nauči što znači CW/CCW za smjer vrtnje i oblik propelera.

Eksperimentiraj:

• Postavi motor fiksiran u držač (3D print, drvo), bez propelera.
• Izmjeri struju pri različitim naponima: 2.9 V, 3.6 V, 4.3 V (koristi diode za pad napona).
• Izmjeri temperaturu na dodir nakon 30–60 s rada na svakom naponu i zabilježi osjećaj (hladan, mlak, topao, vruć).
• Montiraj propeler i ponovi mjerenje struje i temperature.
• Zabilježi koliko su se promijenili struja i temperatura s propelerom u odnosu na prazni hod.

Analiziraj:

• Izračunaj snagu pri tipičnom letu drona (npr. 3.7 V × izmjerena struja).
• Usporedi koliko puta je struja s propelerom veća od praznog hoda.
• Razmisli zašto motor ne smije raditi stalno na 4.2 V (u punom gasu).

Zadatak 3: Procjena nosivosti jednog motora (thrust test)

Cilj: Procjenjivanje koliku masu jedan motor s propelerom može podići.

Istraži:

• Pogledaj primjere mini dronova s 7×16 ili 7×20 mm motorima (micro quad, igračke…)
• Uoči da su takvi dronovi tipično ukupne mase reda 20 – 40 g.

Eksperimentiraj:

• Napravi improviziranu thrust-vagu od držača motora i utega.
• Spoji motor tako da propeler puše prema dolje i pokušava se podići.
• Postepeno dodavaj masu sve dok motor jedva održava teret u zraku.
• Izmjeri masu koju jedan motor diže pri različitim naponima (3.0 V, 3.7 V).

Analiziraj:

• Zapiši dobivene vrijednosti mase za jedan motor.
• Izračunaj teorijsku maksimalnu nosivost za četiri motora: 4 × uzgon jednog motora.
• Uvedi sigurnosni faktor: npr. koristi samo 50 – 60% te vrijednosti kao maksimalnu masu drona (jer treba rezerva za manevriranje i baterija slabi kako se troši).
• Zaključi: npr. 4 motora mogu dići maksimalno X g, ali za siguran let ciljamo na Y g ukupne mase.

Zadatak 4: Dimenzioniranje baterije i vremena leta

Cilj: Povezivanje struje motora s odabirom baterije i procjenom trajanja leta.

Istraži:

• Tipične LiPo baterije za micro dronove: 1S (3.7 V nominalno), kapacitet 150–500 mAh.
• Koncept C-ratinga LiPo baterije (koliko struje može dati bez pregrijavanja).

Analiziraj:

• Uzmi ranije određenu prosječnu struju jednog motora (zadatak 2) pri kružnom letu (ne pun gas).

• Procijeni struju za 4 motora:
  

  \[ I_{total} = 4 \times I_{jedan} \]

• Za odabranu bateriju (npr. 300 mAh) procijeni vrijeme leta:
  

  \[ efektivni\ kapacitet = 70\%\ nominalnog \]
  
  
  \[ vrijeme[h] = 0.7 \times \frac{kapacitet[Ah]}{I_{total}}. \]

• Provjeri je li tražena struja unutar C-ratinga baterije (npr. 300 mAh, 20C znači 6 A maksimum).

Eksperimentiraj:

• Nabavi jednu bateriju i mjeri koliko minuta motor može raditi na srednjem gasu dok napon ne padne ispod, recimo, 3.5 V.
• Usporedi teoriju (vrijeme izračuna) i praksu (izmjereno vrijeme).

Zadatak 5: Električni dizajn – napajanje i zaštita

Cilj: Razumijevanje kako zaštititi motore, bateriju i elektroniku.

Istraživanje:

• Rizici: blokada propelera ⇒ struja do 1.8 – 2 A po motoru.
• Ukupna potencijalna struja u kratkom spoju (4 × 2 A = 8 A + mogućnost kratkog spoja na vodičima).
• Osnovne zaštite: osigurač, zaštita od obrnutog polariteta, debeli vodiči za motore, low ESR kondenzator blizu baterijskog konektora.

Dizajniraj:

• Odredi:
  • presjek žice i konektore koji podnose maksimalnu struju,
  • gdje postaviti osigurač,
  • vrijednost kondenzatora (npr. 100 – 470 µF) na ulazu radi smanjenja naponskih špiceva.
• Napravi jednostavnu shemu: baterija ⇒ osigurač ⇒ prekidač ⇒ distribucija na 4 motora + Arduino.

Eksperimentiraj:

• Simuliraj blokadu jednog motora (vrlo kratko, uz mentorov nadzor) i prati kako raste struja.
• Provjeri zagrijavanje vodiča i konektora.

Zadatak 6: Nosiva konstrukcija i masa drona

Cilj: Polaznik povezuje mehanički dizajn s nosivošću motora.

Istraži:

• Primjere malih dronova (micro quad) i njihovu tipičnu masu (20 – 40 g).
• Materijale za okvir: stiropor, balsa, 3D print (PLA), štapići (bočice, slamke).

Zadatak dizajna:

• Napravi izračun ukupne mase:

  • 4 motora + propelere (poznata masa),
  • okvir,
  • baterija,
  • kontrolna pločica (Arduino/flight controller),
  • dodatna elektronika (prekidač, konektori, žice).

• Cilj je da zbroj bude značajno ispod maksimalne nosivosti iz Zadatka 3 (npr. 50 – 60%).

Eksperimentiraj:

• Izradi nekoliko prototipa okvira različitih masa i testiraj kako utječu na nosivost (ponoviti test uzgona – thrust test – s cijelim dronom bez elektronike).

Zadatak 7: Kontrola motora i pogonski sklop

Cilj: Razumijevanje kako upravljati brushed coreless motorima s Arduinom.

Istraži:

• Razliku između brushless i brushed motora; 716 motor je brushed coreless.
• Tipične H-bridge ili MOSFET driver sklopove za upravljanje DC motorima s PWM kontrolom.

Zadatak dizajna:

• Nacrtaj shemu: Arduino PWM pin ⇒ driver (npr. tranzistor + dioda ili driver modul) ⇒ motor.
• Uoči da treba 4 neovisna PWM kanala + 4 drivera (ili gotov quad motor driver modul).
• Arduinov pin NE smije direktno napajati motor (prevelika struja, induktivne špice).

Eksperimentiraj:

• Napravi eksperiment s jednim motorom i jednim driverom (npr. MOSFET + dioda).
• Mijenjaj duty cycle PWM-a i slušaj/gledaj kako se brzina mijenja.

Zadatak 8: Procjena je li koncept motora dovoljno dobar za pravi dron

Cilj: Kritički pogled na ograničenja 716 motora.

Istraži:

• Usporediti 716 s većim 820 coreless motorima – veći motori daju veću snagu i thrust, struja tipično oko 0.12 A no-load, ali s većim momentom i snagom.
• Prouči vodiče za izbor motora za dronove i vidi kako KV, veličina i masa utječu na nosivost.

Analiziraj:

• Na temelju mjerenja, odgovori:
  • Koja je maksimalna masa drona?
  • Je li dovoljno za bateriju + okvir + elektroniku + minimalni payload (npr. mala LED, senzor)?
  • Ako nije, koja bi bila bolja klasa motora (npr. prijeći na 820 ili brushless)?

Diskusija:

• Jasno razdvoji:
  • Didaktički projekt i demonstracija principa leta (716 može biti ok).
  • Stabilan, funkcionalan dron s korisnim payloadom (vjerojatno traži veće motore i ozbiljniji flight controller).

Razgovaraj na Discord-u. (pridruži se)