Outrunner на тихоход
Всем доброго времени суток, просмотрел уже море тем на этом форуме с вопросами использования аутранеров на лодках, единственное во всех темах обычно предлагают тяговитые и довольно оборотистые аутранеры, по 1000кв, правда и цели преследуют - двигаться как можно быстрее. Все хотят по 100км в час не экономя энергию.
Меня заинтересовала немного другая задача - движение со скоростью 10-15км в час с минимальным энергопотреблением. Учитывая авиационный опыт в голове крепко засели следующие закономерности:
- Энергопотребление и эффективность двигателя обратнопропорционально нагрузке на двигатель, т.е. чем ближе режим двигателя к холостому ходу тем меньший ток он есть и тем больший КПД выдает.
- Чем больше диаметр двигателя тем выше его КПД.
- Чем больше отношение диаметр/длинна двигателя тем выше его КПД.
- Чем больше количество полюсов у двигателя тем выше его КПД.
- Чем выше напряжение тем меньше сила тока нужна для достижения определенной мощности двигателя.
Ну и главные факты судостроения которые успел уже подчерпнуть из форума
- Сопротивляемость вязкой среды имеет кубическую зависимость от скорости
- Чем ниже центр тяжести тем устойчивей судно
- На тихоходах погружные винты, на скоростных полупогружные.
Не претендую на 100%ную верность всего что написано выше. Цели:
Построить лодку, длинной около 1.2-1.5 метра, на солнечных батареях. Ширина около 25 см. Всю палубу надеюсь занять солнечными батареями. Встает вопрос о том какой двигатель лучше использовать. Из первого списка выбор падает на что нибудь вроде:
himodel.com/…/SUNNYSKY_X4112S_320KV_Outrunner_Brus… двигатель с довольно большим моментом и низким токопотреблением, в качестве буферного источника питания предполагается использовать 3s липошку или 12В свинец, второй предпочтительней как более долговечный при правильной эксплуатации. Редуктор использовать не планируется т.к. деталь быстро изнашивающаяся. На вскидку на скорости 10км в час судно должно требовать раз в 500 меньше энергии чем звери развивающие 100 км в час.
Вобщем хочется услышать ваши комментарии по поводу силовой установки.
Также возникает вопрос по виду форштевень. Какой лучше делать чтобы судно не сильно прыгало по волнам, логика подсказывает что прямой или обратный будет рубить волну и судно будет идти более прямо при сравнительно высокой волне.
Ну я напоследок, в качестве управления будет Arduino + NRF24L01 c LNA и внешней антеной, в последствии скорей всего добавится компас и GPS.
Собственно самая главная цель это добиться скорости 10км в час в дневное время суток от половины мощности солнечных батарей чтобы попутно подзаряжать буферный аккумулятор и расходовать его на сон электроники в ночное время суток и если будет возможно то и на силовую установку, возможно габариты понадобятся больше, т.к. не строил судов на бесколлекторниках и нет опыта в использовании солнечных батарей пока сложно оперировать с необходимой энергией и скорсотями.
Вобщем я так понимаю первое что надо сделать это построить первый образец корпуса и замерить ток и обороты с тестируемым винтом на минимально устраивающей скорости а дальше уже думать какая площадь батарей приблизительно нужна под это дело
Заодно вопрос, кто нибудь делал суда на солнечных батареях? 😃
Если кто вдруг забредет в тему, подскажите мне по поводу устройства механики лодки, пока изучаю, в детстве делал но без всяких дейдвудов, втулок и прочего, был просто корпус из тонкого, около 0.5 текстолита, склеенный эпоксидкой, в корме в эпоксидке было сделано тонкое отверстие которое дальше было разработано велосипедной спицой играющей роль вала, все было довольно плотно, вода вобще не просачивалась, но при работе коллекторного двигателя все это гремело гудело и тарахтело страшно. Сейчас изучаю механику лодок которые используют тут:) Я правильно понимаю следующее устройство:
1.Есть дейдвуд, представляет из себя трубку, крепится в корме ну и еще где нибудь 😃 в зависимости от того торчит он снаружи или внутри. Скорей всего как я понимаю везде он наполовину в корпусе наполовину снаружи.
2. В дейдвуд вставляется вал.
3. С двух сторон дейдвуда стоят втулки.
4. Дейдвуд забивается смазкой чтобы через него не затекала вода в корпус. Втулки не дают смазке вытекать.
5. С одной стороны вала крепится гребной винт.
6. С другой стороны вал крепится к двигателю, если двигатель не на одной оси с валом можно поставить либо кардан либо гибкий вал. Также гибкий вал можно поставить чтобы самортизировать гидроудары, резкий газ и т.д.
Все верно? 😃
Всю палубу надеюсь занять солнечными батареями.
А какие батареи применять хотите. Тот движок который Вы присмотрели потребляет 12-18 вольт ну это еще не проблема проблема в потребляемых амперах это до 10 ампер. А если я не ошибаюсь то один модуль выдает 0,6 ампер. И вес такого модуля до 3 кг. Я уже не говорю о габаритах.
Собственно самая главная цель это добиться скорости 10км в час в дневное время суток от половины мощности солнечных батарей чтобы попутно подзаряжать буферный аккумулятор и расходовать его на сон
Если у Вас это получится то будет супер. Но очень много вопросов возникает по этому проекту. С удовольствием буду следить за его реализацией.
Пока вопросов больше чем ответов 😃 сейчас хочется собрать тестовую лодку чтобы понять что да как, все нюансы, в качестве теста пока свинцовый аккум, причем страшно огромный(12Ач 12В, весит 3 кило 😃), скорей всего до воды он не дойдет, буду просто использовать как мобильный источник питания, но у гелевого свинца есть огромный плюс - практически вечный срок службы в любых условиях и низкий ток саморазряда. Токи кстати довольно приличные держит, если не ошибаюсь то это около 0.5С т.е. для 12Ач например 6А. На деле я его гонял 10-20А но он не жалуется 😃 После свинца кажется идет никельметаллгидрид по живучести при разной температуре, а за ним уже литийжелезофосфорные. А вобще для тестов у меня есть свинец и литийполимерные аккумы, 3s, 5s, 6s.
Двигатель SunnySky 4112S 320KV (благо он у меня есть) изначально рекомендуется для коптеров с большими пропеллерами (около 15 дюймов) и напряжением питания 5s-6s, при питании от 6S, на 17дюймовых пропеллерах выдает тягу около 1кг при токе в 5А. Для авиации это очень хороший показатель(особенно с точки зрения КПД) а вот с лодками никогда не сталкивался но учитывая хороший момент думаю он справится)).
Есть еще одна мысль. Пиковые нагрузки возникают обычно при включении двигателя и набирании скорости, учитывая то что регулятором скорости планируется управлять с помощью ардуино то возможно попробую питать все через датчик тока и соответственно включать двигатель плавно, следя за током, как только достигли какого то маленького предела - ждем, лодка плавно набирает скорость и нагрузка на двигатель падает, соответственно он либо сам при снижении нагрузки набирает большие обороты либо определив что потребление снизилось прибавляем немнога газу, но это так все пока теории.
Из плюсов управления с помощью ардуино также ограничение зоны плавания по GPS, возврат к точке и много всяких плюшек.
Но в целом сейчас конечно первостепенная цель это определить потребление лодки при определенном весе, габаритах и скорости с экономичным двигателем чтобы понять возможно ли вобще за адекватный бюджет реализовать что то подобное, но сделать это судя по всему можно только построив свой макет, так что пока разбираюсь с механикой. До пятницы постараюсь найти какой-нибудь чертеж обтекаемой яхты/монолодки. На выходных хотелось бы уже заняться изготовлением болванки из фанеры и обклейкой стеклотканью, благо стеклоткань и фанера уже есть. Плюс еще попутно надо заказать дейдвуд с гребным винтом и валом. Пока видел дешевый комплект www.aliexpress.com/item/…/976854889.html , если правильно понял то в наборе и вал и дейдвуд и винт и кардан т.е. для моих целей потестировать должно хватить, ну разве что еще винтов разного диаметра чтобы посмотреть зависимость скоростей, потребления, оборотов, нагрева.
при токе в 5А. Для авиации это очень хороший показатель(особенно с точки зрения КПД)
Да но воздух не вода, плотность разная.
выдает тягу около 1кг
При той конструкции которую Вы планируете и весе корабля, боюсь что таких моторов понадобится ну не дав точно. и при 5 амперах (хотя я уверен что на воде их будет больше) Вам нужно откуда то получить ну минимум 8 что бы чем то акум заряжать.
Мне просто кажется что с одной стороны вода не воздух, плотность среды больше, да, больше и нагрузка на двигатель, но с другой стороны, вода не воздух! из-за плотности среды и тяга достигается большая при меньших оборотах (не про 1 кг конечно но в целом грубо говоря для 100 грамм тяги в воде нужны меньшие обороты двигателя чем для 100 грамм тяги в воздухе). Ну и плюс это лодка, а не вертолет и соответственно тяга тратится на поддержание определенной скорости а не на поддержание высоты 😃 но в целом да - сомнения большие и надо проводить опыты 😃
К сожалению полных данных по мотору нет, но попробуем посчитать из того, что есть.
Из таблицы нагрузок воздушными винтами вычисляем сопротивление обмотки, получается около 0,3 Ом. (надо измерить)
Ток хх, примем 0,6А (тоже надо измерить)
Тогда для 12 вольт питания ток макс. КПД (73%) около 4,2А при этом токе и скорости 11 км/ч винт 3 лопасти 61,5х71мм (DxH) упор 770 грамм.
Построить лодку, длинной около 1.2-1.5 метра, на солнечных батареях. Ширина около 25 см. Всю палубу надеюсь занять солнечными батареями. Встает вопрос о том какой двигатель лучше использовать
Сначала "Встает вопрос о том ", что мы реально можем иметь с этих солнечных батарей? Т.е. каков среднестатистический поток солнечной энергии в регионе, где планируется использовать аппарат? Какая часть его и как долго будет попадать на панели солнечных батарей?..
в качестве управления будет Arduino + NRF24L01 c LNA и внешней антеной, в последствии скорей всего добавится компас и GPS.
Давно есть готовое и достаточно хорошо отлаженное решение:
rover.ardupilot.com/wiki/gettit/. Там уже и компас, и GPS и инерциальные датчики, без которых показания компаса бесполезны. С машинки на лодку ставится без проблем.
К сожалению пару дней были проблемы с интернетом.
На форуме forums.airbase.ru читал что у людей многокилограммовые лодки плавают со скосротью 2.5м/с при токах в пару ампер.
По поводу:
Давно есть готовое и достаточно хорошо отлаженное решение:
rover.ardupilot.com/wiki/gettit/. Там уже и компас, и GPS и инерциальные датчики, без которых показания компаса бесполезны. С машинки на лодку ставится без проблем.
Инерциальные датчики на мой взгляд для навигации особо не нужны, конечно если лодка безостановочно не будет накреняться на ±90 градусов. В целом пока единственную пользу от гироскопов вижу только в том чтобы измерять волнение воды и при превышении определенного отключать двигатель т.к. против больших волн лодка будет прожигать просто энергию при скорости хрен целых хрен десятых.
Для нафигации же в целом GPS-определение координат. Компас - определение направления движения. Само собой весь поток данных надо сглаживать мат фильтрами.
По поводу ардуровера, штука интересная конечно но пока рано думать.
До конца завтрашнего дня постараюсь определиться с чертежом лодки и в воскресенье начать изготавливать болван для корпуса.
Блин, все мучаюсь с выбором корпуса для первого образца, с одной стороны водоизмещающая яхта с прямым форштевенем с другой стороны глиссирующая яхта швертбот.
Первая будет просто переть как танк не сильно подверженный метеоусловиям, вторая должна быстро переть в солнечную безветренную погоду но при ветре думаю это резко закончится, но с другой стороны широкий корпус второй идеален для размещения солнечных батарей чего не скажешь про узкий корпус водоизмещающей яхты.
Блин, все мучаюсь с выбором корпуса
А три маран не рассматриваете?
боюсь за его остойчивость при сильном волнении и конструкция довольно сложная, если будут батареи между корпусами как бы не побило случайной волной, пока все же склоняюсь к глиссирующей яхте с радиальными сечениями.
все же склоняюсь к глиссирующей яхте с радиальными сечениями
Глиссирование как бы не очень стыкуется с тезисами:
Меня заинтересовала немного другая задача - движение со скоростью 10-15км в час с минимальным энергопотреблением.
Собственно самая главная цель это добиться скорости 10км в час в дневное время суток от половины мощности солнечных батарей
Собственно и 10км/ч сомнительны как скорость экономичного хода для малогабаритного водоизмещающего судна. Больше как то получается около 3 узлов.
И что с балансом энергии?
Где планируется использование, на экваторе или выше средних широт?
Разница большая. Сомневаюсь, что такая посудина будет актуальна хотя бы на Селигере.
Или солнечные батареи уже не актуальны и не рассматриваются?
Инерциальные датчики на мой взгляд для навигации особо не нужны
Для нафигации же в целом GPS-определение координат. Компас - определение направления движения.
Есть нюанс. При такой скорости движения приращение координат соизмеримо с погрешностью их определения GPS, а то и меньше. Ну и “компас”, стантовится компасом, когда известны углы его пространственной ориентации.
По поводу ардуровера, штука интересная конечно но пока рано думать.
При стоимости АРМ, уровне его проработки и возможностях по “допиливанию”, я бы даже не забивал себе голову альтернативным “колхозом”.
Для примера в той же Мск в барахолке
rcopen.com/forum/f126/topic362699
rcopen.com/forum/f126/topic351825
По поводу выбора глиссирующей яхты с радиальными шпангоутами. Сейчас эти яхты рекордсмены по скорости при использовании парусов, также обладают очень хорошей остойчивостью, возможно есть способ сделать и самовосстановление, видел уже как реализуется в моделизме, на практике пока не ра думал как к конкретной модели сделать. Радиальные шпангоуты также позволяют при крене лодки сохранять смачиваемую поверхность и направление задаваемое этой поверхностью. Яхты также делают очень легкими, они практически не погружаются в воду и скользят по поверхности. Глиссирующий режим достигается не за счет больших скоростей а за счет маленького веса и специфического корпуса.
Ну и в дополнении повнимательней еще раз оценил уже известный проект Scout который преодолел более 1000 миль в автономном режиме на солнечных батареях. Лодка имеет вид водоизмещающей яхты с большим килем, на киле поменьше (примерно 1/3 или 1/4 от главного киля) расположен мотор, сравнительно больших размеров винт, низкооборотистый. Корпус лодки довольно высокий, слегка обратный форштевень, верхняя часть лодки примерно в 2.5 раза шире основания для большей площади солнечных батарей. Дно лодки закругленное но главный нюанс в том что при довольно высоком корпусе ватерлиния лодки примерно на 1/4 высоты всей лодки, даже немного ниже, т.е. сама лодка довольно легкая и идет практически в глиссирующем режиме при довольно низких скоростях.
Ну и впринципе пока 100 определения с типом корпуса нет, еще день есть на выбор, с четверга выходные, надо будет начинать пилить.
Солнечные батареи еще актуальны но пока не будет результатов теста не понятно какие токи нужны и чего ожидать, слишком рознятся все данные, копийщики говорят нужны токи в пару ампер для скоростей 2-3 метра в секунду (7-10км в час), любители быстроходок говорят надо ампер 100 чтоб в космос улететь, кому верить непонятно).
По поводу приращения координат, на самом деле все не так плохо как кажется. Например таже DJI NAZA с GPS приемником даже при ветренной погоде держится ±метр а это при расчетной скорости пол секунды хода. Ну и в целом ориентироваться постоянно по GPS слишком накладно по энергии. Достаточно делать замер координат, азимута при старте, определяться с положением, проплывать пару десяток метров для подтверждения а дальше двигаться только по данным с компаса, раз в пол часа включая GPS для ввода поправок и пересчета правильного азимута. Но это конечно если плыть на дальние дистанции, на ближние понятное дело от погрешности в 5-10 метров не избавиться но цели ходить по реке между камышами у меня нет, только большие водоемы метров 100 и выше диаметром). По поводу компаса, трехосевой компас всегда указывает на магнитный полюс земли, обладая даже приблизительными GPS координатами можно определить в каком полушарии находишься и в зависимости от этого довольно точно вычислить текущий азимут на географический полюс земли и дальше от него уже вычислить необходимый азимут до цели ну и если вдруг по пути мимо цели промахнуться то азимут резко изменится, что говорит о том что цель достигнута. Понятное дело надо все фильтровать на волнение моря например.
По поводу мозгов, если буду брать то скорей всего где нибудь в китае но в целом интересно было бы самому поковырять, благо математику знаю, с ардуиной знаком, опыт написания кода есть) вобщем главное начать а там посмотрим, не пойдет брошу, пойдет и слава богу).
Выпилил штук 15 шпангоутов, как же задолбался 😁
Встряну 😃
По поводу глиссирования -
Есть такой коэффициент, число Фруда называется, при чистом глиссировании лодки, число Фруда =3.
При водоизмещении 1 кг, это скорость 10,8 км/ч (3,0 м/с)
При водоизмещении 2 кг, это скорость 12 км/ч (3,3 м/с)
При водоизмещении 4 кг, это скорость 13,3 км/ч (3,7 м/с)
При водоизмещении 8 кг, это скорость 15,4 км/ч (4,3 м/с)
При водоизмещении 16 кг, это скорость 16,9 км/ч (4,7 м/с)
При Фруда =2,2…2,5 режим движения переходный, при нем корпус лодки разводит большую носовую волну и пытается на нее залезть, задрав нос, этот режим глиссирующих лодок называют горбом сопротивления, догадываетесь по чему?
Какой вес у вас получится?
Хотите тратить мало энергии - надо делать узкий хорошо обтекаемый корпус который будет двигаться в водоизмещающем режиме.
Хотите что бы волна не мешала - нужен минимальный надводный объем, что бы гребень проходил безпрепятственно.
Нужна большая поверхность батарей - просится катамаран или тримаран с веретенообразными корпусами которые на 60…80% объема сидят в воде, с палубой-платформой с солнечными панелями на стойках.
Как то так…
И еще по энергетике -
На форуме некоторое время назад в ветке мотопланеров или планеров была тема солнечного электропланера, реализация очень удачная, советую отыскать 😃
Нашел - rcopen.com/forum/f37/topic183673
О !!! есть и коллеги - rcopen.com/forum/f68/topic184677
Спасибо, число Фруда простимулировало меня на очередное гугление, выписал себе с десяток различных факторов и плюшек и на этом причинно следственная связь строящаяся в текстовом файлике не желает останавливаться, завтра пожалуй буду подводить очередные итоги да пытаться собрать скелет судна, киль со шпангоутами уже выпилены, осталось подогнать, ровно закрепить, сделать обводы для пары сантиметров носа из какого нибудь пенопласта, потом обшить чемнибудь легкоподдающимся наждачке и обшить стеклотканью.
вот еще небольшая солнечная радость:
И вот еще случайно попалось, забавная штукенция на элеменьте пельте instructables.com/…/Thermoelectric-Rotational-Orna… (хотя могли бы оптимизировать чтобы воздух не обдувал нижнюю часть, кпд бы выше был 😃
А вобще очень хорошим на мой взгляд языком описаны процессы на сайте: http://www.inter-marine.ru/part1.html прям попорядку можно читать 😃
если вкратце я пришел к выводу что число Фруда может быть гораздо меньше 3 в зависимости от формы и массы но об этом наверное уже завтра 😃
Я выше писал про глиссирование, число Фруда там относительно скорости и водоизмещения, вам больше подойдет ориентироваться на скорость относительно длинны
пока как-то так: 
длина 80см, ширина в самом широком месте 20см, это будущий прототип, понятное дело надо зашкурить подровнять, склеить обшить и т.д.))) ставить скорей всего буду два мотора, для замера тока и скорости, жаль дейдвуд только пару дней назад получил трекномер 😦
по поводу отключения мотора при большом волнении. почитайте на эту тему. если лодка не должна переворачиваться, двигаться придется. причем именно против волны.
т.е. придется измерять не только крен, но и направление ветра.
Я скорее хотел сказать что лодка должна быть:
- Восстанавливающая свое правильное положение из любого состояния, в том числе и перевернутого
- Понятно что в перевернутом положении либо при очень сильном волнении попытка плыть вверх по волне например или в процессе свободного падения с гребня волны нецелесообразна т.е. мотор в такие моменты лучше отключать для экономии энергии и просто болтаться как известно что 😃
- Ну а если качка более менее адекватная и мы в нормальном положении то можно включать мотор и пытаться плыть
Ветер было бы интересно замерить но не представляю как это можно сделать 😦
я про то что корабль, не имеющий скорости (неуправляемый) и парусности (с ЦП далеко от ЦБС), всегда разворачивает боком к волне. при этом, корпус испытывает максимальные нагрузки, как по ударам, так и на переворачивание.
обратите внимание на конструкцию средневековых парусных судов - они имели высокую и узкую надстройку на корме. такая конструкция (безусловно неудачная во время движения под парусами) позволяла судну держаться против ветра без парусов (в сильный шторм). когда, чуть позже (в 18-19 века), требования к быстроходности и управляемости возрасли, от надстройки отказались, но во время шторма рубили и выбрасывали за борт на канате мачту, в качестве плавучего якоря. поверхностное течение и удары волн сносили ее, разворачивая судно против волны.
по поводу “по направлению движения волны” и “против волны” для моторных судов - время перехода через гребень волны должно быть минимально. в это время смешается центр тяжести относительно центра плавучести, что тоже приводит к оверкилю.