Realistické RC modely

Meranie rýchlosti modelu jednoducho !

Rýchlosť letu skutočných lietadiel sa meria pomocou Pitotovej trubice, to je bežné.

Ale dá sa rovnakou metódou merať aj rýchlosť letu modelu, ktorá je podstatne menšia ako u skutočného lietadla?

ÁNO - DÁ !!!

A budete prekvapení, aké je to jednoduché.

autor: Janko O.

Princíp merania rýchlosti letu lietadiel Pitotovou trubicou je založený na princípe náporového (dynamického) tlaku vzduchu v ústí trubice, namierenej proti prúdiacemu vzduchu. Vzniknutý tlak nie je závislý od priemeru trubice, ale je závislý od druhej mocniny rýchlosti.

Kvalita vyhotovenia samotnej trubice nie je kritická (musí však byť tesná), pretože vzduch trubicou neprúdi, len prenáša tlak z ústia trubice k meraciemu členu. Lenže skutočné lietadlá spravidla lietajú pomerne vysokými rýchlosťami, takže náporový tlak je dosť vysoký a jeho vyhodnotenie, čoby rýchlosti, je v podstate bezproblémové. Naproti tomu modely lietajú podstatne pomalšie a vyhodnotenie takého malého náporového tlaku (nechcem použiť výraz "pretlak", pretože mi hneď napadne paradajkový ) je tvrdým orieškom.

Pátral som na internete, posťahoval viacero datasheetov rôznych tlakových senzorov a snažil sa vybrať čo najcitlivejšie. Dobrými parametrami aj "zohnateľnosťou" vynikol výrobok firmy Freescale MPXV5004GP.

Citlivosť 1 Volt na 1 kiloPascal ešte sama o sebe nič nepovie o jeho vhodnosti na meranie rýchlosti modelov. Bolo teda nutné "vytrpieť" nejaké výpočty. Ej, bolo že to veru ťažké spomínanie na hodiny fyziky v škole. Našťastie kolegovia v práci a aj internet priniesli svoje "ovocie". Výsledkom bolo, že by to malo fungovať. Pri meraní výstupného napätia uvedeného tlakového senzora 10-bitovým AD-prevodníkom, ktorý je bežnou súčasťou mikrokontrolérov, by bolo možné začať merať rýchlosť už od 15 km/h. A keďže náporový tlak rastie s druhou mocninou rýchlosti, je meranie vyšších rýchlostí presnejšie. Krátko povedané, čím rýchlejšie, tým presnejšie. To by vôbec nevadilo, pretože väčšina mojich modelov má minimálnu letovú rýchlosť väčšiu ako 15 km/h a navyše väčšinu modelárov zaujíma to, ako ich modely letia najrýchlejšie a nie najpomalšie.

Lenže "šedá je teória a zelený je strom (praktického) života", čiže v preklade: Ak teória a výpočty naznačujú, že to bude fungovať, najistejšie bude overiť to v praxi. A tak som narýchlo na spomínaný tlakový senzor, ktorý som si už skôr zabezpečil prostredníctvom Farnellu, nasadil asi 8-centimetrovú "slámku" na pitie z džúsíku.

Trubica bola hotová, pán Pitot by "zíral". Tento "merač rýchlosti" som gumičkou prichytil na koniec asi 70-centimetrovej drevenej lišty, izolepou prilepil kábliky a na opačný koniec opäť osvedčenou gumičkou upevnil púzdro so štyrmi tužkovými NiMh o napätí 4 x 1,25 Voltu. Kábliky som priviedol k digitálnemu multimetru.

Samotné experimentálne meranie rýchlosti sme uskutočnili s bratom Miroslavom v Banskej Bystrici na nefrekventovanej ceste nad Sásovou s pomocou auta. Brat šoféroval a zapisoval výsledky, ja som cez otvorené okienko "vytŕčal" špeciálnu meraciu lištu tak, aby jej koniec s "Pitotovou trubicou" smeroval dopredu a bol čo najďalej od obrysu auta. Okolo idúci chodci si išli oči vyočiť, niečo také ešte určite nevideli, jednému som takmer sťal hlavu (a to až dvakrát – pozn. mior). Dôvodom "vytŕčania" bolo čo najviac sa trubicou vzdialiť od zrýchleného prúdenia obtekajúceho vzduchu v blízkosti karosérie auta, ktoré zkreslovalo výsledky merania smerom k vyšším hodnotám (pri vyšších rýchlostiach asi 10 až 15 %). Namerané výsledky zreteľne ukazujú, že teória sa presne zhoduje s praxou. Výstupné napätie tlakového senzora verne kopíruje vypočítané a chybou obtekania auta korigované hodnoty, a má nádhernú kvadratickú závislosť od rýchlosti.

Keďže 10-bitový AD-prevodník má citlivosť asi 5 mV na bit a kompiler, ktorý používam pri programovaní mikrokontrolérov PIC, má zabudovanú funkciu SQR (druhá odmocnina), je výpočet rýchlosti z náporového tlaku pre účely telemetrie naozaj jednoduchý. Rýchlosť meria už od 14,4 km/h a s narastajúcou rýchlosťou sa meranie spresňuje tak, že pri rýchlosti 60 km/h meria s presnosťou 1 km/h a pri rýchlosti 150 km/h s presnosťou 0,4 km/h. Samozrejme, že takáto presnosť je zbytočná, pretože nárazový vietor alebo samovoľné pohyby vzduchu (vplyvom teploty) účinne degradujú vynaložené úsilie.

A ako môže Pitotova trubica na modeli vyzerať v praxi, ukazuje predchádzajúci obrázok.

A ešte pophľad na "tlakovú inštaláciu" vo vnútri modelu.

Spôsob zobrazenia rýchlosti na displeji telemetrie

Súvisiace články:

Meranie rýchlosti modelu Pitotovou trubicou - praktické overenie

Fantom vybavený meraním rýchlosti Pitotovou trubicou

Komentáre: 15

.:. MisoeS | mail

To musim mat :-D

Odpoveď | 2010-02-27 21:12:35

.:. Martin Demin | mail

Rad by som podotkol, ze podobny senzor od Freescale som pripojil na 24 bit A/D prevodnik a zistil som, ze senzor je citlivy na tiazovu silu (zrychlenie), ktore na neho posobi. Pri 1g to robi rozdiel okolo +- 20 pascalov a nie je pri malych rychlostiach zanedbatelne. Toto budem kompenzovat pomocou akcelerometra, ktory je tiez na tej dosticke.

Odpoveď | 2010-03-08 11:21:53

.:. Janko

Ďakujem za cennú informáciu. Je zrejmé, že pri 24-bitovom prevode to bude citlivé aj na "kýchnutie". Pre modelárske účely je toto meranie rýchlosti aj tak len orientačné, viac menej "pre radosť". Ale som rád, že s takýmito "hračkami" sa tešíme viacerí.
Dík.
Janko

Odpoveď | 2010-03-08 14:11:04

.:. Richard

Zdravim. Nasiel som doma senzory MPS 2000, pochadzajuce z digi tlakomerov (krvi). Dtasheet vravi o rozsahu 40kPa. Asi privela, kedze ten MPX ma cca 4kPa :-)

Pripojil som to na 5v a voltmeter, a fucal som do vstupnej rurky. Zareagovalo to az ked som (vzduchotesne) tlacil vzduch dnu alebo cucal zo senzora naplno ako som ustami vladal :-D

, a to dalo odchylku len +- 0,01v od strednej hodnoty cca 2,45v. Toto sa asi nehodi na pouzitie ako senzor rychlosti, ze? :-)

Tie MPX su dost drahe (nasiel som za cca 12e + posta) ...

Inak, super stranky, dik ;-)

Riso

Odpoveď | 2010-10-05 13:02:29

.:. Janko O

Ahoj Rišo.
Je to presne tak, ako si napísal. Citlivosť toho tvojho senzora je slabá. A tie MPXV5004 sú zase drahé.
Teoreticky by ti stačil aj ten MPS2000, ale musel by si jeho výstupné napätie zosilniť, alebo použiť viacbitový AD-prevodník. Aspoň 13 až 14-bitový, ak sa taký dáky vôbec vyrába. Potom aby pre zmenu nebol zase veľmi drahý ten prevodník.
Žiaľ, tu lacné, jednoduché a dobré riešenie asi neexistuje.
Skúšali sme s bratom merať rýchlosť aj inak (trochu exotickejšie), ale bolo to konštrukčne o dosť zložitejšie, i keď oveľa lacnejšie. Možno o tom niekedy napíšeme článok.

Odpoveď | 2010-10-05 22:13:28 | Príspevok upravený: 2010-10-05 22:14:42

.:. Richard

Este existuje moznost posunut tlak do "pracovneho bodu" senzoru tym, ze sa pripoji na natlakovanu kovovu nadobku, a vlastne budu sa merat zmeny atmosferickeho tlaku posobiaceho na nadobku. V oblasti tlakov na ktore je navrhnuty (meranie tlaku krvi) je citlivost na zmenu tlaku asi celkom dobra. Operacnym zosilnovacom potom sledovat uzky rozsah napati a az toto pchat do mikroprocesoru.... Mozno skusim ked mi konecne dorazi FrSky system. Exotickejsie meranie sa da aj zeravenim vlakna ziarovky, podobne ako MAF senzor v aute :-D

Odpoveď | 2010-10-07 14:30:40

.:. Richard

Na strankach TME som nasiel barometricke senzory od firmy HOPE, hp02s hp03s, 300-1100hPa, I2C, ADC 16bit, SMD. cena 5 a 10e. Nie zla, keby to slo pouzit aj na rychlost... 8-|

Odpoveď | 2010-10-07 15:03:46

.:. Janko O

Ahoj Rišo.
Tie HOPE senzory by samozrejme boli použiteľné, ak sa na vstup tlaku pripojí Pitotova trubica. Výstup je I2C, čo je rozdiel oproti senzorom MPX. Ale to nevadí, pretože by sa nemusel použiť ADC v procesore, pretože senzor má svoj vlastný viacbitový ADC. Musel by sa prerobiť program pre mikrokontrolér.

Odpoveď | 2010-10-10 08:24:42

.:. LQd | mail

To by som videl aj ako výhodu, vôbec neriešiš prevod a veci s tým spojené, dostávaš priamo digitálnu hodnotu a 16bit prevodník má už veľmi slušné rozlíšenie, také sa do mikrokontrolérov bežne nedávajú pokiaľ viem. I2C je fajn, ak ju vieš efektívne programovať, s lepším kompilérom je to hračka a navyše môžeš do zbernice pripojiť aj iné snímače a ušetríš tak piny mikrokontroléra. Len či 300 hPa nie je zbytočne nízko a 1100 málo.

Odpoveď | 2011-04-27 21:13:42

.:. Richard | www

Ved prave... netusim aky rozsah hPa treba na meranie nasich rychlosti, a navyse ak je to skreslovane pri G-pretazeni, no neviem neviem. Ked to ma byt mozno presne, trocha presne, alebo tak nejak, uvazujem ze tento udaj nema pre mna hodnotu. To uz radsej 10Hz GPS modul a mam rychlost (voci zemi, nie ako z tlaku - voci vetru), vysku, geograficku polohu.... :-)

2011-04-28 13:56:29

.:. Janko O

Myslím si, že vhodnou polohou - orientáciou tlakomera sa dá jeho citlivosť na g-preťaženie eliminovať.
Ten rozsah tlakov sa dá vyčítať z vyššie uvedeného grafu a z datasheetu tlakového senzora MPXV5004. Ja som to pôvodne samozrejme vypočítaval z fyzikálnych jednotiek s pomocou základných vzorcov, ale z toho grafu je to jednoduchšie.
Rýchlosť modelu voči zemi je dosť zavádzajúca, pretože vztlak nosných plôch a vlastne všetka aerodynamika je závislá od vzájomnej rýchlosti telesa - modelu voči okolitému médiu - vzduchu.
Keď bude fúkať dostatočne silný ustálený vietor, tak sa môže stať, že model bude voči zemi stáť (alebo dokonca cúvať) a pritom nespadne. To vtedy, keď poletí proti vetru. Keď poletí po vetre, tak sa môže stať, že rýchlosť modelu voči zemi bude viac ako dostačujúca a cez to všetko sa model prepadne. Pretože jeho rýchlosť voči pohybujúcemu sa vzduchu bude nízka.

Odpoveď | 2011-04-28 17:55:11

.:. MaRtY | www | mail

Ahoj Kluci, díky za vaše super články. Mohli by jste mi prosím poradit, popř. pomoct, jak přepočítat to napětí na rychlost? Nějak si s tím nevím rady. Pořídil jsem si tento čip (MP3V5004GP), ale nejsem schopný to vymyslet..

díky za každou radu..

Odpoveď | 2014-11-25 18:42:31

.:. J O

Priznám sa, že s odstupom času si už presne nespomínam, ako som to vtedy riešil. Pri použití tlakomera MPXV5004 s výstupom 1000mV na 1 kPa a pri použití 10-bitového AD-prevodníka s Uref = 5V som "vyprodukoval" vzorec:
Rychlost [km/h] = Druhá odmocnina z (Počet Bitov z AD-prevodníka * 106)

Odpoveď | 2014-11-27 10:19:18

.:. MxD

Z Bernoulliho rovnice v = odmocnina(2 * delta_p / hustota_vzduchu).
Tlakový rozdíl se měří, hustota vzduchu při 20°C je asi 1,2 kg/m^3. Protože hustota se mění s teplotou a výškou (tlakem), měl by se výpočet korigovat, ale jde jen o procentíčka.
Přepočet napětí na tlak (delta_p = k * U) se dosadí do té první rovnice, většinou k je prostě podíl rozsahů tlaku a napětí senzoru.

Odpoveď | 2015-12-15 18:51:12

.:. J O.

Vďaka za upresnenie.

Odpoveď | 2015-12-16 09:57:33

Pridaj komentár

Pre odoslanie správy môžete aj použiť klávesovoú skratku Alt+S. (Podporujú len niektoré prehliadače)
HTML znaky budú prevedené na entity.
Vyjadrujte sa tu ako doma, aby sme vedeli ako to u Vás vypadá.
Odkazy začínajúce http:// budú automaticky prevedené na odkazy , nepoužívajte však v jednom príspevku viac ako 3 - to robia len spam roboti:-)

Meno
Web
Mail

Kontrola	Zadajte číslo päť
Text
	Tučné \| Podrazené \| Kurzíva \| zdroják \| odkaz