Úvod do závodních a freestyle koptér pro začátečníky

Jestliže hledáte základní informace k tomu jak začít stavět a létat s vlastními koptérami, pak jste na správném místě! V následujícím textu vás seznámím se vším, co budete potřebovat znát předtím, než se pustíte do samotné stavby. Získáte základní přehled o všech komponentách potřebných ke zprovoznění kvadrokoptéry a to vám pomůže snadněji se v této oblasti orientovat, je to takový dobrý odrazový můstek pro další samostudium. Počítejte však s tím, že se nyní nacházíte na začátku dlouhé, složité a dobrodružné cesty, na které zažijete mnoho nezdaru, odměnou vám však budou neuvěřitelné adrenalinové zážitky a skvělá komunita podobně zapálených lidí. Budete se muset naučit spoustu věcí od pájení a základů elektroniky, přes softwarovou konfiguraci až po samotné létání. Během prvních pokusů budete často řešit dost problémů a strávíte tak u stolu a počítače často více času než létáním. Nenechte se však odradit, odměnou vám bude nepopsatelný pocit při pilotování vlastnoručně postaveného stroje a tomu se nic nevyrovná!

Co znamená FPV?

FPV, neboli First Person View je označení používané pro létání "z vlastního pohledu" při použití FPV kamery a FPV brýlí. Během letu přes brýle vidíte obraz snímaný kamerou na kvadrokoptéře, takže máte pocit, jako kdybyste seděli uvnitř skutečného stroje. Uvidíte svět z ptačí perspektivy, užijete si rychlé průlety mezi stromy, brankami, opuštěnými budovami a čímkoliv dalším co se vám připlete do cesty. Zážitek z takového létání se špatně popisuje, takže, pokud jste to již neudělali, najděte někoho kdo už lítá a pustí vám do brýlí záznam některého ze svých letů. K tomu si přidejte fakt, že dnešní závodní stroje jsou hodně rychlé, perfektně a bez zpoždění reagují na jakýkoliv sebemenší pohyb ovládacích pák na vysílačce a máte nejlepší hobby na světě. Bez nadsázky!

Freestyle létání

Freestyle je podobně jako v některých sportovních disciplínách prostě a jednoduše volný styl. Mezi oblíbená freestyle místa patří opuštěné a zchátralé budovy, okraje lesů se zajímavě uspořádanými stromy, různé skály a lomy, zkrátka jakékoliv vizuálně zajímavé scenerie nebo místa s dostatkem překážek a objektů, kolem kterých se dají dělat triky a průlety. A jsme u nejdůležitější ingredience pořádného freestyle létání - flipy, powerloopy, splity, flipy, průlety úzkými prostory... fantazii se meze nekladou a ti nejlepší freestyle piloti dokáží z kombinace ideálníh lokality a svého pilotního umu vykouzlit opravdu dechberoucí videa. Koukněte se na youtube na nejlepší piloty: VOTR3X, LeDrib, Mr Steele, Ummagawd a spousta dalších.

FPV Racing

Další neméně zajímavou disciplínou je závodní létání. V honbě za nejlepšími časy budete bezhlavě létat plný plyn po trati postavené z malých branek a vlajek. Využít lze samozřejmě také přírodní překážky. Na začátku budete mít problém trefit se do branky a zůstat po jejím průletu ve vzduchu, nicméně po pár měsících trénování budete schopni trať bezproblémů vícekrát proletět a bude mít smysl měřit si časy. Pokud se na to budete cítit, můžete se přihlásit na některý z mnohých závodů, které se v ČR pravidelně konají. V zimě se dá závodit také v halách a tělocvičnách, zejména s menšími tří a čtyřpalcovými stroji. Pokud vás baví chodit mezi lidi, vyměňovat si zkušenosti a poměřovat síly, pak je závodění to pravé pro vás!

Long Range létání

Létání na větší vzdálenosti, řekněme od 1 kilometru dále. A samozřejmě také zpět :) K long range létání doporučuji postupně se dopracovat přes freestyle nebo závodění. Dálky jsou náročnější v tom, že za jakoukoliv chybu můžete draze zaplatit ztrátou stroje, případně jeho obtížným hledáním. Long range se obvykle létá s většími koptérami od 5" po 7", ale výjimkou nejsou ani větší stroje. Mezi doporučenou výbavu takové kvadrokoptéry patří samozřejmě GPS a funkce return to home (návrat domů). Oblíbené jsou dechberoucí destinace jako např. Alpy nebo jiné velehory, pobřeží atd. Největším limitem je kapacita baterie, takže nedolétnete dále než cca 10km. Hlavně pozor na vítr, v protivětru budete na cestu zpět potřebovat více energie...

Jak funguje kvadrokoptéra?

Kvadrokoptéru ovládáte ve třech nezávislých osách - naklánění do stran (roll), naklánění vpřed a vzad (pitch) a otáčení kolem vertikální osy (yaw). No a samozřejmě nesmí chybět plyn (throttle). Tyto celkem 4 vstupy ovládáte pomocí dvou pák na vysílačce. V nejčastěji používaném módu 2 (Mode 2) levá páka ovládá nahoru dolů plyn, do stran pak otáčení yaw. Pravá páka naklání koptéru přesně podle vašeho pohybu, tedy lavá pravá do stran a nahoru dolů vás naklání dopředu a dozadu. Létá se s koptérou v air módu a bez stabilizace, takže když se nakloníte a páku pustíte, vrátí se páka na střed a koptéra zůstane nakloněna. Chce to trochu cviku :) Počítejte s tím, že ovládání je velmi citlivé, stroj rychlý a vaše prsty na začátku poněkud gumové :) Chce to hodně trénovat a po pár týdnech to půjde!

Co se týče letových schopností koptéry, tam je to celkem jednoduché - vstupy z ovladače jsou zpracovány řídící jednotkou (Flight Controller - FC), která následně využívá signálu z gyroskopu k ovládání jednotlivých motorů. Jste vodorovně, chcete se naklonit a řídící jednotka roztočí více motory na opačné straně než je ta, na kterou se nakláníte. Jednoduché a funguje to. Na řídící jednotce běží velmi výkonný algoritmus (PID Loop), který zajišťuje velmi rychlé vyhodnocování aktuální pozice ve všech osách vůči cílové pozici udávané vstupem z ovladače/vysílačky. K tomu jiné algoritmy filtrují vstupy z gyroskopu, na které mají vliv vibrace motorů přenášené rámem až na gyroskopický senzor. To může způsobit vážné problémy v letových vlastnostech a ovladatelnosti stroje, takže je třeba opatrnosti. 

Další důležitou komponentou koptéry je FPV systém. Jedná se o miniaturní kameru, vysílačku videa (VTX) a anténu. Vše je napájeno buď z FC, nebo přímo z baterie a funguje víceméně nezávisle na zbytku koptéry. Zde je třeba podotknout, že velmi pravděpodobně budete řešit problémy s rušením obrazu. Problém jsou většinou motory, které generují značné magnetické pole a ovlivňují tak zpětnou indukcí všechny elektronické komponenty celého systému. Je potřeba správně uzemňovat (GND), zakrucovat kablíky do sebe atd. Pokud je problem solving tím co vás baví, jste vítáni :)

Stavět, nebo koupit postavené?

Toť otázka. Pokud vás baví elektronika, pájení a ruční práce, pak je to jasné. V opačném případě mám pro vás špatnou zprávu - když si koupíte postavenou kvadrokoptéru, stejně ji hned rozbijete. Možná to bude dříve, než byste čekali. Podle mého názoru je dobré začít hezky od začátku vlastní stavbou, na které se naučíte všechny potřebné dovednosti a zvládnete snadněji budoucí opravy. Úplně ideální je začít zkouškou pájení na nějaké staré elektronice. Zkuste něco odpájet a zase napájet zpět. Zjistíte zda to půjde, nebo jste jak se říká "levý" a bude nutné chvíli trénovat. Na to doporučuji levné DIY elektro stavebnice z banggoodu, nebo i z českých kamenných elektroprodejen, Lepší zničit blbost za stovku, než poškodit drahé FC. Rozhodněte se tedy sami, za mě ale určitě stavět - nebudete toho litovat!

Rámy

Rám je základní stavební kámen každé koptéry. Udává především velikost, ale často i účel, ke kterému bude koptéra využívána. Na závodění se používají spíše lehčí, minimalistické rámy, zatímco na freestyle jsou vhodnější robustnější, delší, jak já jim s oblibou říkám "autobusy". Velikost rámu je rozhodující pro výběr dalších komponent, zejména motorů a vrtulí. Například motory jsou jiné pro 2", 3", 5" a je třeba si hlídat rozteč montážních otvorů na rámu a podle nich vybírat vhodný motor. Stejně tak velikost vrtulí, udávaná v palcích, je dána použitým rámem. 2" koptéry jsou dobré s chráničema i do vnitřních prostor, dá se s nima lítat v parcích a podobně. Velmi vhodné na trénování, snadno se sbalí do malého batůžku. Větší 3" jsou už serióznější stroje, kterým nedělá tolik problém lehčí vítr a jsou vhodné jak na halové létání tak na blbnutí venku v přírodě. 4" nejsou příliš populární, hodí se také do větších hal a na ven. 5" kategorie, ve které se nejčastěji závodí venku. Tahle velikost je celkově asi nejoblíbenější mezi race i freestyle piloty, protože nabízí velmi seriózní výkon při stále relativně nízké váze.

Motory

Jak jsem již zmínil, otvory na rámu mají rozměry, které pasují na určitou velikost motorů. Tím je to dané, pokud jde motor namontovat na rám pak je vhodný pro danou kategorii. Obecně lze říci, že pro 2" jsou vhodné motory 11xx, přičemž 11 je průměr startoru v milimetrech a xx je výška startoru udávaná taktéž v milimetrech. Na 2" quad tedy dáte motory velikosti 1104, 1105, 1106 atd. Na 3" jsou vhodné 14xx, na 4" 18xx nebo 22xx, na 5" a větší vybírejte v rozmezí 22xx (spíš race) až 23xx, 24xx, 25xx (spíš freestyle). Zbývá jen vybrat správnou verzi vinutí motorů, to je parametr udávaný jako KV, obvykle v tisících. Vezměme opět příklad motorů pro 2" koptéru, které nesou označení 1104 7600KV. Těch 7600KV znamená, že motor se na každý jeden volt točí teoretickou maximální rychlostí 7600 otáček za minutu. A teď záleží jaké napětí do něj pustíte - podle použité baterky (její max. napětí). Samozřejmě sledujte popis daného motoru, obvykle bývá udáváno maximální doporučené napětí dle počtu článků baterie (2S, 3S, 4S, 5S, 6S...) a použitých vrtulí. Podle toho volte vhodné napětí baterie... Celé je to o kombinaci vhodného KV motorů, správného počtu článků baterky a vrtulí (jejich velikosti a úhlu náběhu, anglicky Pitch).

Vrtule

Bez nich by žádná koptéra neletěla. Vrtule jsou tím co vytváří hybnou sílu pro celý stroj. Složitou aerodynamiku necháme tentokrát stranou a uvažujme o vrtuli jen jako o rotujícím disku, přičemž vrtule mají úhel náběhu (angle) a velikost (diameter). Větší disk logicky vyvine větší tah, stejně tak větší pitch vrtule více "táhne". Není to však zadarmo, jak velikost tak pitch mají dopad na odpor vzduchu a ten čím je větší, tím klade větší nárok na výkon motoru. Motory samozřejmě mají své limity, takže pro strmější pitch vrtulí (nebo jejich větší velikost) jsou vhodnější spíše motory s nižším KV. Pro mírnější vrtule můžete naopak použít vyšší KV. U vrtulí myslete také na materiál. Mám pocit, že dnešní trh prakticky ovládly polykarbonátové (PC) vrtule - ty hodně vydrží a jsou zároveň pevné. Jiný materiál nemá moc smysl, protože se láme. Co do počtu listů vrtule, silně dominují tri-blade props, tedy třílisté vrtule. Občas někteří používají dvou, nebo čtyřlisté vrtule, ale není to tak časté.

Regulátory - ESC

ESC, neboli Electronic Speed Controller, česky regulátory. Slouží k precizně řízenému napájení motorů v pulzech. Jelikož motor má vinutí rozdělené na tři elektricky oddělené okruhy (Delta wiring) vyvedené ven třemi kabely, nelze ho připojit na klasické + a - (červený a černý kabel). To by nemohlo fungovat, protože motor potřebuje přesně řízené pulzy do jednotlivých delta okruhů tak, aby bylo dosaženo rotace. K tomu přesně slouží regulátory, pro každý motor je potřeba jeden a prodávají se buď samostatně nebo na jedné desce označené 4in1. Použijete to, co vám více vyhovuje, nebo co lépe umožní vybraný rám. Regulátor se připojí k napájení (FC nebo PDB), signální kablík pro řídící signál (udává to jak rychle se má motor točit, obvykle jsou podporovány různé protokoly, standard je DSHOT v různých rychlostních variantách, použít lze také MULTISHOT a další) jde na FC. Je samozřejmě také potřeba připájet již zméněné tři kabely motoru.

Nejdůležitějším parametrem regulátorů je maximální proud, který zvládne dodávat motoru předtím než se usmaží. Ten je udáván jako maximální kontinuální proud (continuous current) a regulátor ho zvládne dodávat neomezeně dlouhou dobu. Společně s ním je udáván také špičový proud (burst current, peak current), který obvykle regulátor zvládne dodávat bezpečně po dobu 10 - 15 vteřin. Kde přesně leží ona hranice se nepokoušejte objevovat pokud nejste připraveni na nucené přistání. Je dobré dávat si dostatečnou rezervu, ale zase zbytečně nepřehánět (větší regulátory = větší váha). Roli samozřejmě hraje styl jakým hodláte létat. Na plné plyny a speedruny si pořiďte radeji něco z větší rezervou než na pohodové poletování a pinkání si s koptérou. Je možné celkem snadno se orientovat dle maximálního odběru motoru v ampérech udávaného výrobcem. Testy jsou prováděny na stole za odlišných podmínek než jaké představuje reálný let, takže obvykle je tento parametr o 20% nižší. Jestliže motory berou max 30A tak berte v klidu 30A regulátory. Na 5" koptéry jsou obecně 30A regulátory ideální, na 3" postačí 20A a na 2" kolem 15A. Čím lehčí, tím lepší. Nezapomínejte na max. napětí udávané počtem článků baterie - ten už znáte podle vybrané kombinace motorů a vrtulí.

Řídící jednotka - FC

Flight Controller, neboli řídící jednotka, je mozek celé kvadrokoptéry. Pomocí gyroskopu vyhodnocuje aktuální polohu stroje a kombinuje k ní signál z vysílačky - z obojího pak vypočítává potřebný výkon pro každý z motorů a ten reálně dodává tím, že řídí regulátory. K řídící jednotce se připojuje téměř vše ostatní od regulátorů přes radio přijímač (chytá signál z vysílačky), napájení FPV subsystému, pípák (buzzer) pro hledání spadlého stroje až po LED osvětlení atd. Na řídící jednotce je procesor, dnes nejčastěji typ označovaný jako F4, gyroskop, často také OSD čip pro zobrazování informací v FPV obraze, někdy barometr, blackbox a slot na SD kartu pro záznam letových dat. Důležité je hlídat si podporu firmware, což je software, který se stará o řízení letu celého stroje. Do začátku doporučuji držet se nejrozšířenějšího firmware Betaflight, na případné experimety bude dostatek prostoru později.

Radio přijímač a vysílačka

Pro ovládání koptér používá většina lidí techniku od FrSky. Je možné použít cokoliv, FrSky je ale klasika. Pokud si to můžete dovolit, sáhněte po vysílačce FrSky Taranis Q X7 případně Q X7S s lepšími gimbaly. Tahle vysílačka přežije všechny vaše budoucí koptéry :) Pro příjem je naprosto vynikající maličký přijímač FrSky R-XSR pracující na frekvenci 2.4 GHz s dosahem do cca 1km dle okolního terénu (pozor na stromy, kopce, budovy a jiné překážky částečně bránící prostupu signálu). V nastavení Betaflightu po připojení stačí vybrat správný UART port ke kterému je přijímač připájen a jako protokol SBUS. Pokud toužíte po opravdu solidním spojení a možnosti letět mnohem dále, jedinečnou volbou je systém Crossfire od TBS - o ten lze časem rozšířit vysílačku Taranis Q X7 formou zásuvného modulu s vlastní anténou na nižší frekvenci 868 MHz.

FPV kamera

Vaše orlí oko, jeho výběr rozhodně nepodceňujte. Nejlepší je asi podívat se na youtube, kde najdete spoustu videí a sami si uděláte představu o tom jaký má která kamera obraz v různých podmínkách. Něco jiného se hodí na závodění za slunečného dne, něco jiného na freestyle při západu slunce atd. Pokud si nevíte rady, použitím Runcam Swift nic na začátku nezkazíte. Důležité je zjistit jakou velikost kamery podporuje rám na který ji hodláte připevnit. Existují velikosti micro, mini a standard. Nejoblíbenější výrobci kamer jsou Runcam a Foxeer. Kromě ohniska objektivu (lze vyměnit), je nutné hlídat si ještě rychlost odezvy v milisekundách. 15ms na závody, do 30ms už to je na závodění jak pro koho, vyšší snad jen na long range za úsvitu. Většina aktuálních kamer z nabídky výše zmíněných výrobců je vhodná na většinu běžného létání, stačí sledovat doporučení výrobce. Ohnisko objektivu je většinou lepší nižší (širší rozhled), protože i tak je z koptéry dost omezený výhled. Chce to opět podívat se na videa různých kamer na youtube, neboť každému vyhovuje něco jiného.

Video vysílač - VTX

Jsou dostupné v různých vysílacích výkonech od 25mw až do 800mw i více. Zlatým standardem jsou TBS Unify a ImmersionRC Tramp. Pokud chcete kvalitu a nekompromisní výkon, volte jedno z těchto VTX. Mnoho lidí zapomíná na to, že kvalitní příjem FPV videa nezajistí jen vysoký výkon VTX, ale v první řadě použití kvalitních antén. Toto silně zdůrazňuji, kvalitní anténa = kvalitní příjem i na malém vysílacím výkonu! Vyšší výkon VTX má smysl pokud chcete létat za překážky jako jsou stromy  - ty dost rozptylují signál. Na přímou viditelnost můžete letět i s 200mw vysílačem klidně 1,5km daleko a nebudete mít problém dokud se mezi vámi a koptérou neocitne strom :-D

Při výběru VTX je velmi vhodné popřemýšlet o zapojení, zejména napájení. Chcete-li připojit VTX přímo na napětí baterie, budete potřebovat HV verzi (High Voltage) VTX. Verze neoznačené jako HV jsou obvykle určené pouze pro napájení z 5V větve FC nebo přidaný BEC (stepdown voltage converter), HV verze nabízí větší variabilitu, takže po ní sáhněte v případě nejistoty, nebo pro zachování různých možností napájení - to se může hodit.

FPV Antény

Cirkulární, lineární, LHCP, RHCP, SMA, RP-SMA. Na začátku v tom budete mít možná trochu zmatek. Cirkulární antény jsou nejvhodnější pro celkový příjem, lineární použijete spíše na menších koptérách. Cirkulární jsou takový jakoby květák, často zapouzdřený, takže vypadají jako bambule, koule, šiška... Oblíbené jsou Pagoda antény složené z disků. Lineární antény jsou jen šlahoun odizolovaného coaxiálního drátu, případně s koncem do malého tvaru V. Pokud to situace (stroj) umožňuje, používejte kvalitní cirkulární antény na obou koncích spojení, tedy na koptéře i na brýlích. Pro směrové zlepšení příjmu je vhodné použít na brýlích druhou směrovou anténu - samozřejmě, pokud máte na brýlích diverzitu (připojení dvou antén a přepínání mezi kvalitnějším signálem). To hodně pomůže když se postavíte do směru kterým hodláte letět, není to však nic pro krutiče hlav - musíte stát hezky nehybně jako terminátor :)

RHCP a LHCP je označením polarizace u cirkulárních antén. Budete potřebovat oba kusy ve stejném provedení, na brýlích i na koptéře. Většina lidí používá RHCP polarizaci, takže klidně berte LHCP pokud nechcete být rušeni velkým množstvím RHCP zdrojů třeba na závodech nebo jiné akci kde lítá více lidí najednou. SMA a RP-SMA jsou typy konektorů pro připojení antén - je potřeba vybrat odpovídající verzi antény dle VTX a druhé antény dle brýlí. Pozor na male a female verze konektorů - jsou vlastně celkem 4 typy! Liší se vnějším či vnitřním závitem a to zda mají uvnitř pin nebo zdířku. Na VTX bývá miniaturní U.FL konektor pro připojení pigtailu s příslušnou SMA koncovkou pro anténu - tento kus je možné vyměnit. Některé antény mají přímo U.FL konektor, takže není nutné používat pigtail. V poslední době jsou dostupné také VTX i antény s MMCX konektorem - ten má pevnější spojení než U.FL, ale má i jistá úskalí, zejména nejde ohnout poblíž dlouhého MMCX konektoru a proto se vyrábějí verze s konektorem do tvaru L.

FPV brýle

Tohle je oblast, kde buď významně ušetříte, nebo významně utratíte. Při omezeném rozpočtu na první stavbu doporučuji pořídit levné FPV brýle. Pokud si to můžete dovolit, berte samozřejmě to nejlepší, protože to má velký vliv na celkový zážitek z létání. Lepší obraz vás víc vtáhne, lépe uvidíte více detailů atp. Důležitá je také podpora diverzitního příjmu pro připojení dvou antén - pokud můžete, doporučuji. Před nákupem FPV brýlí rozhodně požádejte někoho o možnost vyzkoušení. Určitě najdete spoustu ochotných lidí, kterí vám rádi brýle půjčí např. k přehrání záznamu jednoho z letů. To jak vám brýle sednou jak dobře uvidíte obraz do značné míry zavisí na vašem zraku, jak daleko máte od sebe vzdálené oči atd. Lepší brýle umožňují nastavovat vzdálenost čoček a je potřeba to před nákupem vyzkoušet. U levnějších jednodisplejových brýlých (typ krabice) je výběr jednodušší, tam je možné relativně střílet od boku, nebo si nechat doporučit.

Baterie

Konečně se na ně dostalo. Nechal jsem ty mrchy na samotný konec, protože představují největší omezení letu. Baterie nikdy nebudou mít neomezenou kapacitu a nikdy nebudou schopné v jednom okamžiku dodat vyšší proud než je jejich C rating a ten se stále nedaří dostatečně rychle navyšovat. Je to tak, baterky jsou brzdou celého hobby :-D Nebýt jejich omezení, létali bychom 50 kilometrů daleko, ale také, nebýt jich, nelétali bychom nikam :-D Buďme tedy rádi za dnešní baterie, není to nakonec až tak zlé. 

Baterie pro kvadrokoptéry prakticky bez výjimky využívají LiPo technologii a proto je nutné dbát na bezpečnost a vždy být přítomen u nabíjející se baterie. Základním parametrem každého packu je počet článků, přičemž jeden plně nabitý článek disponuje napětím 4.2V a vybitý nesmí klesnout příliš pod 3.3V, neboť nízkým napětím se nevratně poškozuje (snižuje se maximální kapacita, tzv. wear-out). Doporučuji přistávat na 3.5V na článek a napětí mít v každém případě zobrazené pomocí OSD v FPV obraze z kamery. 

Množství článků packu je obvykle označováno jako S1, S2, S3 a tak dále. Kapacita je udávána v miliampérhodinách (mAh). Pro 2" koptéry se používají baterie 2S nebo 3S kolem 300mAh. Pro 3" baterie 3S nebo 4S a kapacita 500mAh - 850mAh. Pro 5" jsou ideální buď 1300mAh 4S, nebo 1500mAh 4S. Pokud jdete s dobou a stavíte 6S build, pak sáhněte po kapacitě kolem 1000mAh - 1300mAh 6S.

Závěr

Jestliže jste dočetli až sem, nejspíš vás FPV lítání s kvadrokoptérami zaujalo, jste odhodlaní postavit si vlastní stroj a začít se učit létat. Je to krásná cesta plná strastí a pastí, během jíž budete nuceni vyřešit spoustu problémů - a to je nejčastější důvod proč někdo z hobby vypadne - pokud však udržíte svou motivaci, nenecháte se ničím odradit a všechno vyřešíte, budete odměněni dechberoucími zážitky, které se nedají srovnat s ničím jiným než skutečným létáním. V každém případě se během své cesty naučíte mnoho věcí z různých oborů, které s tímto hobby souvisejí. Myslím si, že létání s koptérami je ideální koníček pro inteligentní, technicky založené lidi, kteří se rádi učí nové věci a objevují nepoznané...

Letu zdar vám přeje Tomáš Frajer!