- Що таке квадрокоптер?
- Як і чому він літає?
- З яких частин складається і навіщо вони потрібні?
Що таке квадрокоптер
Квадрокоптер - це різновид многовінтового вертольота з чотирма роторами і безпілотний літальний апарат, керований по радіо. Він схожий на вертоліт за принципом роботи. Але через особливості конструкції, квадрокоптера економічніші і набагато простіше у виготовленні, особливо невеликого розміру. За рахунок стійкості і високих льотних характеристик, їх часто застосовують для таких завдань, як спостереження з повітря і аерофотознімання.
Розміри квадрокоптера можуть бути різними - від вміщується на долоні апаратів вагою в кілька грамів, до дуже серйозних машин, здатних підняти в повітря пасажира.
Як літає квадрокоптер
У звичайного вертольота є головний ротор, обертання якого забезпечує підйомну силу і невеликий хвостовий гвинт для компенсації аеродинамічного крутного моменту, створюваного несучими лопатями. Без нього вертоліт не може летіти вперед і буде обертатися так само швидко, як основний гвинт, але в протилежну сторону.
На відміну від вертольота, квадрокоптер має чотири гвинта, що працюють одночасно, щоб створити спрямовану вгору тягу. Кожен з цих пропелерів забезпечує чверть необхідної підйомної сили. Тому можна використовувати менш потужні двигуни, які набагато дешевше. Напрямок руху контролюється зміною тяги кожного з роторів.
Гвинти квадрокоптера зазвичай розташовані по квадрату. Два, що знаходяться на протилежних сторонах квадрата, обертаються за годинниковою стрілкою, а інші два в протилежному напрямку. Якщо все ротори повернуться в одному напрямку, літальний апарат стане обертатися точно так же, як звичайний вертоліт без хвостового ротора.
Щоб балансувати в повітрі і зберігати горизонтальне положення, квадрокоптер повинен постійно контролювати стан гироскопических датчиків рівня і коригувати швидкість обертання кожного з роторів. Зазвичай це робиться автоматично за допомогою складної системи управління на основі ПІД-регулятора. Якість роботи комп'ютерного пропорційно-інтегрально-диференціального регулятора є основою будь-якого дрона, забезпечує його стійкість і льотні характеристики.
Подібно до птаха, літаку чи вертольоту, квадрокоптер має три додаткових ступеня свободи. Це описані ще в XVIII столітті Леонардом Ейлером кути тангажа, крену і рискання (pitch / roll / yaw), які визначають будь-яке переміщення в тривимірному просторі.
Коли орієнтація безпілотника змінюється уздовж будь-яких осей, гіроскопи показують кутове відхилення від початкової позиції. Бортовий комп'ютер запам'ятовує вихідне положення літального апарату і за допомогою програмного ПІД-регулятора управляє моторами для того, щоб повернути дрон в це вихідне положення рівноваги.
Якщо квадрокоптер урівноважений, можна вільно змінювати його положення в просторі. Наприклад, для створення крену або тангажу тяга одного з чотирьох роторів зменшується, а протилежної - збільшується на ту ж величину. Це змушує апарат нахилятися.
При нахилі вектор тяги роторів має горизонтальну і вертикальну складові. Це призводить до двох речей:
- квадрокоптер рухається в напрямку, протилежному горизонтальної складової тяги;
- оскільки вектор тяги розділений, його вертикальна складова стала менше і апарат починає втрачати висоту.
Щоб дрон не впав при нахилі або тангажу, необхідно збільшити тягу кожного ротора для компенсації зниження. Зміни по кожній з ступеня свободи, повинні бути скоординовані для руху в потрібному напрямку.
Все це робиться автоматично за допомогою польотного контролера. Єдине, що потрібно від пілота - передати по радіо команду, в якому напрямку розвернутися і куди летіти. Більш досконалі безпілотники, крім радіоуправління, оснащують системою навігації GPS і можуть літати на автопілоті.
Основні вузли і компоненти квадрокоптера
Щоб розуміти пристрій квадрокоптера, потрібно розібратися з його основними складовими частинами і тим, як вони пов'язані між собою і спільно працюють. Їх не багато:
- Рама (frame) - несуча конструкція, яка об'єднує всі інші компоненти. Вона зроблена так, щоб поєднувати в собі механічну міцність, жорсткість на вигин і невелику вагу.
- Двигуни. У конструкції дронів застосовуються бесщеточние або звичайні колекторні мотори постійного струму. Їх завдання - забезпечити необхідну тягу для підйому літального апарату.
- Електронні регулятори швидкості (ESC) для управління обертанням двигунів, по одному ESC на кожен мотор.
- Пропелери - пластикові або дерев'яні повітряні гвинти, що обертаються на валу двигунів.
- Акумулятори - джерело живлення для силової установки квадрокоптера і електронного обладнання.
- Польотний контролер - мозок безпілотника, який координує роботу всіх вузлів і агрегатів.
- Приймач і передавач апаратури радіоуправління.
- Різні додаткові елементи, в залежності від призначення дрона.
Рама являє собою каркасну структуру або скелет, який об'єднує всі компоненти. Зазвичай це плоска пластина з розбіжними в сторони променями. Рами, найчастіше, виготовлені з вуглеволокна, листового алюмінію, міцного пластику або дерева. Вони володіють високою ударною міцністю і повинні мінімізувати виникаючі вібрації.
Стандартна рама квадрокоптера складається з наступних частин:
- центральна пластина, на якій встановлена електроніка;
- чотири кронштейна, прикріплених до центральної пластині, які називають стрілами.
Технології та матеріали для виготовлення:
- фрезерування з листового вуглеволокна;
- штампування або лазерна різка з алюмінію;
- виготовлення з листових матеріалів на основі деревини, таких як фанера або МДФ;
- лиття під тиском з термопластика;
- метод 3D-друку, такий як PLA.
Углеволокно є найпопулярнішим матеріалом для виготовлення рами завдяки міцності, високої жорсткості і малої маси. Для обробки листового матеріалу використовують фрезерні верстати з програмним управлінням, що забезпечують високу точність.
Для великих моделей використовують алюмінієвий профіль відносно невелику вагу і високу жорсткості. Він цілком доступний за ціною, але алюмінієва рама погано гасить вібрацію двигунів, що є серйозною проблемою для датчиків гіроскопів.
Рами з деревних матеріалів, таких як фанера або МДФ, легко зробити самостійно. Вони краще поглинають вібрації, ніж алюміній. На жаль, деревина не дуже жорсткий матеріал і легко ламається при аваріях.
Розмір рами квадрокоптера зазвичай позначається як відстань між осями розташованих діагонально моторів. Така «колісна база» визначає максимальний розмір гвинтів, які можна встановити на дрон. Повинно залишитися досить місця між обертовими пропелерами і обладнанням, щоб вони не заважали один одному. Повне керівництво по вибору рами для гоночного квадрокоптера можна знайти тут.
Двигуни квадрокоптера - це електромотори постійного струму. Вони можуть бути двох типів - звичайні колекторні і бесщеточние. У недорогих Дронь застосовуються більш легкі щіткові моделі, які менше важать, працюють на більш низьких потужностях і значно дешевше. Їх доводиться частіше міняти, тому що вони мають менший термін служби.
Безщітковий мотор схожий на звичайний двигун постійного струму. Його вал теж приводиться в обертання при взаємодії обмотки і постійних магнітів. Але у цього двигуна відсутні щітки на валу, які перемикають напрям харчування в котушках. Замість цього, є три котушки на внутрішньому обертається осерді, який кріпиться до основи.
Зовні є кілька магнітів, встановлених на циліндр, який прикріплений до обертається валу. Таким чином, котушки жорстко закріплені і проводи приєднуються безпосередньо до них, а необхідність в ковзних щітках немає. Ні втрат енергії, а більших обертів досягаються при меншій витраті потужності. Безколекторні двигуни значно ефективніше і надійніше.
У продажу є багато різних моделей електродвигунів, які розрізняються за розміром і споживання енергії, якості та вартості. При виборі відповідного саме для вашого квадрокоптера, потрібно також враховувати його вагу, вантажопідйомність і використовуваний розмір пропелерів. Про те як правильно підібрати двигун, можна почитати тут.
пропелери
Обертові гвинти створюють тягу квадрокоптера, без якої неможливий політ. Вони зазвичай виготовляються з міцного пластику, іноді з вуглецевого волокна або навіть з дерева.
Незважаючи на гадану однаковість, чотири гвинти квадрокоптера насправді різні. Якщо уважно придивитися, напрямок лопатей двох з них одних відрізняється від інших. Це пов'язано з тим, що половина з роторів дрона завжди обертається в протилежному напрямку.
У продажу є повітряні гвинти різного діаметру і з різним кроком (pitch). При виборі обов'язково потрібно враховувати розмір рами квадрокоптера і конкретну модель застосовуваних двигунів. Більш докладно про вибір пропелерів для гоночного квадрокоптера.
Електронний регулятор швидкості
Електронний регулятор швидкості ESC - це пристрій, який контролює частоту обертів бесщеточного двигуна квадрокоптера на підставі команд, отриманих від польотного контролера. На кожен мотор використовується за окремим регулятору. Для звичайних колекторних матових моторів ESC не потрібно. Для управління ними досить звичайних потужних транзисторів, які вбудовують прямо в контролер.
Бесщеточние двигуни є багатофазними, тому пряме харчування постійного струму для них не підходить. Блок ESC постійно генерує три високочастотних сигналу з різними, але контрольованими фазами, щоб забезпечити обертання валу. Найбільш важливим фактором при виборі ESC є максимальний комутований струм.
польотний контролер
Польотний контролер (flight controller) є мозком квадрокоптера. Він складається, в найпростішому варіанті, з мікропроцесора (CPU) і електронного датчика інерції, який також позначають скороченням IMU (Inertial Measurement Unit).
IMU - це електронний сенсор, який вимірює швидкість, напрямок руху і прискорення квадрокоптера. Отримані від нього дані дозволяють керуючої електроніці розраховувати команди для зміни швидкостей обертання двигуна. Типовий датчик IMU зазвичай містить гіроскоп і акселерометр.
Акселерометр вимірює прискорення, а також напрямок сили тяжіння, для визначення верху, низу і рівня авіагоризонту. Оскільки акселерометр оснащений трехосевим датчиком, він допомагає визначити орієнтацію безпілотника щодо поверхні Землі.
Гіроскоп вимірює кутову швидкість руху, з якої відбувається обертання навколо трьох осей. Як пам'ятаєте, це кути тангажа, крену і рискання (pitch / roll / yaw), про які розповідалося на початку статті.
У продажу є велика кількість польотних контролерів для всіх моделей дронів, з різними технічними характеристиками і варіантами прошивок. Вони цілком доступні і коштують від десяти до декількох сотень доларів. Але якщо є бажання і любов до експериментів, можна спробувати побудувати власний, наприклад, на платі Arduino. Це непросте, але дуже захоплююче заняття для справжнього гику.
радіоуправління
Передавачі і приймачі для радіоуправління працюють в строго виділеному для цього діапазоні. Це популярна смуга так званих громадянських частот 2.4GHz, яка застосовується для адаптерів Bluetooth, мереж WIFI і в побутових мікрохвильових печах. Для неї не потрібно отримувати спеціального дозволу. За рахунок невеликої потужності передавача і спеціального кодування, кілька радіокерованих систем 2,4 ГГц можуть працювати одночасно, не створюючи перешкод один одному.
акумулятор
Літій-полімерні акумулятори LiPo є основним джерелом харчування квадрокоптера. Технологія LiPo використовується через високої щільності енергії (ємності на одиницю ваги) і великий розрядний струм. Всі батареї LiPo розраховані на певний номінал напруги, який залежить від кількості елементів, ємність і швидкість розряду.
Для правильної експлуатації літій-полімерних акумуляторів використовуються спеціальні зарядні пристрої, які мають електронне управління. Це пов'язано з необхідністю точного балансування кожного з елементів живлення в комплекті, щоб вони мали однакову напругу. Без хорошої балансування LiPo батареї не витримують високих навантажень і зруйнується. Неправильно заряджений акумулятор може навіть вибухають або спалахнути під час польоту.
Камера FPV
Камера FPV дозволяє пілоту квадрокоптера використовувати спеціальні окуляри (goggles) і спостерігати за польотом апарату від першої особи. На FPV Дронь часто встановлюють відразу дві камери - одну для потокової передачі в реальному часі, а іншу для запису кадрів з якістю HD.
Додаткові компоненти для квадрокоптера - це GPS-модулі, ультразвукові датчики, барометри, стабілізовані підвіси для камер (Gimbal) і багато іншого. Вони можуть підвищити якість вашого безпілотника, принести більше можливостей і зробити його більш досконалим. Плануючи їх використання, необхідно переконатися, що польотний контролер підтримує всі ці додаткові апаратні засоби.
У цьому списку далеко не все, що можна додати для поліпшення безпілотника. Досконалості, як відомо, немає меж.