3. ünite / 10

Güç: LiPo, PDB/BEC ve uçuş süresi

ParçaSimülasyonYazılım

Bu ünitenin sonunda

LiPo etiketini (S, mAh, C) okumak ve güvenli kullanım sınırlarını söylemek
Momentum teorisiyle askıda kalma gücünü hesaplamak
Batarya kütlesini hesaba katarak uçuş süresini tahmin etmek
PDB, BEC ve güç modülünün görevlerini ayırt etmek

Ders notları

Bir pervane havayı aşağı iterek itki üretir. Momentum teorisine göre ideal güç itkinin 1,5. kuvvetiyle büyür ve disk alanı büyüdükçe azalır:

P_ideal = T^1,5 / √(2 ρ A) P_elektrik = n · P_ideal / (FM · η_motor+ESC)

Gerçek pervane idealin ancak %50–75'ini verir (başarım katsayısı FM); motor ve ESC'de de %10–30 kayıp vardır. Örnek: 1,0 kg, dört adet 5 inç pervane, FM 0,65, η 0,8 için askıda ≈ 168 W, 4S'te ≈ 11 A çekilir. 1500 mAh'lık paketin %80'i ≈ 6,4 dakika uçuş eder.

Kapasitenin tuzağı

Daha büyük batarya daha ağırdır; güç kütlenin 1,5. kuvvetiyle büyüdüğü için kapasiteyi ikiye katlamak uçuş süresini ikiye katlamaz. Simülasyondaki eğri bir noktadan sonra düzleşir: oradan sonra eklenen her gram, kendini taşımaya gider.

LiPo kuralları

Hücre 3,7 V anma, 4,2 V dolu, 3,8 V depolama; yük altında 3,3–3,5 V altına inme.
C × Ah kuramsal sürekli akımdır; üretici C değerine temkinle yaklaş.
Dengeli şarj, 1C, gözetim altında; şişmiş paketi kullanma.
PDB akımı dağıtır, BEC elektroniğe 5–12 V üretir, güç modülü gerilim ve akımı uçuş kontrolcüsüne ölçtürür.

Simülasyon

Uçuş süresi tahmini: motor, pervane, batarya

Momentum teorisiyle askıda kalma gücü: P = T^1,5 / √(2ρA), pervane başarım katsayısı ve motor × ESC verimiyle bölünür. Batarya büyüdükçe kütlesi de büyür; eğri, kapasiteyi artırmanın neden giderek daha az süre kazandırdığını gösterir.

Simülasyon görevi

Uçuş süresi simülasyonunda X500 benzeri drone'la kapasiteyi 3000'den 12 000 mAh'a çıkar: süre kaç kat arttı? Pervaneyi 10'dan 13 inçe büyüt (motor itkisi aynı): askıda güç ne oldu? Sonra 5" FPV gibi ayarla (0,5 kg, 6S, 1300 mAh, 5 inç) ve C oranını 30'a düşürünce uyarının çıktığını gör.

Kod

Python: momentum teorisiyle uçuş süresi

import math

RHO, G = 1.225, 9.81          # kg/m³, m/s²

def flight_time(dry_kg, cells, mah, prop_in, motors=4, fm=0.65, drive=0.8, avionics_a=0.6, usable=0.8, wh_per_kg=140):
    batt_kg = cells * 3.7 * mah / 1000 / wh_per_kg      # paket kütlesi
    m = dry_kg + batt_kg
    area = math.pi * (prop_in * 0.0254 / 2) ** 2         # disk alanı, m²
    t = m * G / motors                                    # motor başına itki, N
    p_ideal = t ** 1.5 / math.sqrt(2 * RHO * area)        # momentum teorisi, W
    p_elec = motors * p_ideal / (fm * drive)
    amps = p_elec / (cells * 3.7) + avionics_a
    return usable * mah / 1000 / amps * 60, m, amps

for mah in (3000, 5000, 8000, 12000):
    minutes, m, a = flight_time(1.1, 4, mah, 10)
    print(f"{mah:>6} mAh  {m:.2f} kg  {a:5.1f} A  {minutes:5.1f} dk")
# Kapasite 4 katına çıkar, süre 4 katına çıkmaz: paket de taşınır.

Python: gerilim sarkmasını düzelten batarya izleyici

# Yük altında gerilim iç direnç yüzünden düşer: V_dinlenme ≈ V + I·R_iç. PX4: BAT1_R_INTERNAL
CELLS, R_INT = 4, 0.012        # hücre başına iç direnç, Ω
EMPTY, FULL = 3.5, 4.2         # hücre başına V (dinlenme)
LOW, CRIT = 0.25, 0.10         # kalan oran eşikleri

def remaining(v_pack, amps):
    v_cell = v_pack / CELLS + amps * R_INT
    return min(1.0, max(0.0, (v_cell - EMPTY) / (FULL - EMPTY)))

def battery_state(v_pack, amps):
    r = remaining(v_pack, amps)
    if r < CRIT:
        return "CRITICAL", r   # hemen in
    if r < LOW:
        return "LOW", r        # eve dön
    return "OK", r

print(battery_state(14.4, 12.0))   # yük altında 3,6 V/hücre ama aslında yarı dolu

Sık yapılan hatalar

Kapasiteyi artırınca uçuş süresinin orantılı artacağını sanmak.
Yük altındaki gerilim düşüşünü (sag) batarya bitti sanmak ya da tersine, dinlenme gerilimine bakıp aşırı boşaltmak.
Uçuş kontrolcüsünde akım sensörü ölçeğini ayarlamamak: kalan kapasite yanlış hesaplanır, failsafe geç tetiklenir.
Dijital VTX'i 5 V BEC'ten beslemeye çalışmak; 9–12 V ister.

Yazılım mühendisliği bağlantısı

Uçuş süresi tahmini bir modeldir; modelin varsayımlarını yazılı tut ve gerçek veriyle doğrula.

Varsayımlar: FM, verim, özgül enerji, kullanılabilir kapasite. Her biri bir parametre, kodda sabit sayı değil.
SITL ya da gerçek uçuş kayıtlarından (PX4 ULog, battery_status) ölçülen akımla modeli karşılaştır, hatayı rapora yaz.

Kendini sına

6S 1300 mAh 100C bir paketin kuramsal sürekli akımı nedir?
Askıda 12 A çeken bir drone 5000 mAh paketin %80'ini kullanırsa kaç dakika uçar?
Kapasiteyi iki katına çıkarmak uçuş süresini neden iki katına çıkarmaz?
LiPo hücresinin depolama gerilimi kaç volttur?

Bu üniteden sonra bitirme projesinde

Öneri ve gereksinimler: İki sayfa: G1–G6'yı kendi cümlelerinle test edilebilir yaz, parça listesi ve itki/ağırlık, uçuş süresi hesabı (simülasyonlardan), risk ve tehlike listesi. Depo açıldı, CI ilk testi çalıştırıyor.

Bu ünitenin parçaları

3B modelli gerçek Hyvex parçaları: