Квадрокоптер

Есть несколько классов, на которые разделяются летающие устройства: воздушные шары, самолёты, вертолёты и многомоторные платформы. Воздушный шар самое первое и простое летательное средство, огромен, трудно управляемый, подвержен даже самой слабой стихии. Классический самолет является сейчас самым распространённым из-за большой скорости и относительной дешевизны эксплуатации, а так же длительному времени полёта, но он, к сожалению, не может зависать на одном месте и должен всегда двигаться. Проблему с зависанием на одной точки решают вертолёты, эта машина обладает большой свободой в действиях и может двигать в любом направление. Многороторные платформы превосходят вертолёты по маневренности, стабильности полёта, из–за этого они наиболее предпочтительны для наблюдения.

Квадрокоптер

Квадрокоптер

Но, к сожалению, на данный момент в основном могут работать только на электротяге, т.к. этот вид двигателей более прост в эксплуатации и управление. На данный момент нет ни одного доведённого до конца проекта многороторных летающих платформ в нашей авиации из-за их дороговизны эксплуатации, зато последнее время они становятся все популярнее у авиамоделистов и начинают вызывать практический интерес у спецслужб.

Многомоторные платформы в отличие от вертолётов и самолётов не имеют сложных подвижных систем управления: различные рули высоты, направления у самолетов и сложной механизм изменения наклона системы лопастей, как у вертолётов. Управление производится за счёт изменения оборотов двигателей, а, следовательно, тяги двигателей летательного аппарата. Существует множество типов многороторных платформ:

Виды мультикоптеров

Виды мультикоптеров

Отмечу, что стандартными платформами являются мультикоптеры с чётным количеством двигателей. Трикоптер в этом смысле отличен от остальных платформ, у него 3 двигателя, но один из них является наклонным. Винты у коптеров могут располагаться, сверху, снизу и одновременно и сверху, и снизу – соосно.

Рассмотрим принцип работы многороторных платформ на примере самого просторного и классического аппарата этого семейства – квадрокоптера. Квадрокоптер имеет 4 двигателя расположенных на равном удаление, летает, как можно выразится плюсом. Передний и задний двигатели вращаются против часовой стрелки, а боковые по часовой (возможно и наоборот), такое расположение двигателей компенсирует крутящий момент платформы.

Управление полётом квадрокоптера

Управление полётом квадрокоптера

Полёт в одну из сторон происходит за счёт наклона платформы в направление движение, это достигается путём уменьшения оборотов двигателя по направлению полёта и увеличением оборотов противоположному ему двигателя. Поворот осуществляется за счёт крутящего момента: одна пара параллельно расположенных двигателя начинают вращаться быстрее второй. К сожалению, за хорошею полётную стабильность и маневренность приходится платить.

Первое чем мы платим: такой платформой, в отличите от самолётов и вертолётов, невозможно управлять в ручную, попробуйте одновременно управлять тягой 4-х и более двигателей. Для управления платформе обязательно нужен «мозг», который должен содержать минимум 3 гироскопа, которые постоянно следят за положением платформы и выравниваюсь её. С таким контроллером платформа будет держаться в воздухе, но её будет постоянно болтать, для решения этой проблемы контроллеру управлению нужен акселерометр (датчик ускорения) с которым система будет компенсировать болтанку и барометр (точнее вариометр или датчик высоты), что бы платформа держалась заданной высоты. Следующим этапом развития бортового микро компьютера является добавлением системы позиционирования в пространстве, это GPS и/или Глонас на открытом воздухе или сложная система камер и мощный компьютер с способностью распознавания объектов, как сделано в ML (Maschinenlaboratorium) Цюрихском политехническом институте (ETH Zurich) . Там множество небольших летающих квадрокоптеров могут выполнять различные воздушные пируэты.

Вторая плата: много двигателей много потребляют, следовательно, небольшое время полёта, которая редко превышает 20 минут.

Третья проблема: вибрация. Она присуща всем моторным летательным аппаратам, но у многомоторных платформ она особенно актуальна, как раз из-за их много моторности. В итоге приходится по максимуму бороться с вибрацией каждого из двигателей, путём балансировки, как самих двигателей, так и подгонки лопастей, так же плата полётного контроллера требовательна к установке, т.к. не очень любят вибрацию, от которой начинают врать.

Квадрокоптер состоит из нескольких частей: полётный контролер, радиоприёмника, контроллеров бесколлекторных двигателей (ESC) и самих двигателей с винтами, аккумулятора и рамы, на которой всё это крепиться. Все эти детали соединяются в следующую схему включения:

Схема квадрокоптера

Схема квадрокоптера

Принцип работы: команды с приёмника поступают на полётный контроллер, который выравнивает платформу по датчикам и управляет ей по командам с пульта. Бесколлекторными двигателями напрямую управлять нельзя, нужно сформировать трёхфазные сигналы для каждого двигателя (зеленые линии) – это выполняю соответствующие контроллеры бесколлекторных двигателей. На ESC подаётся питание с Li-Poly (литий-полимерного) аккумулятора (тёмно красные линии), который способен выдавать огромные токи. В контроллерах бесколлекторных двигателей находятся стабилизаторы на 5В (BEC), от которых запитывается плата управления и приёмник (красные линии).

Немного об управление. Обычно аппаратом управляет пилот с земли. Управление моделью может происходить как с земли, так и непосредственно с модели, от первого лица (FPV – First Pilot Vision) по средствам монитор или видео очков. Так же управление может осуществляться автоматически. Зачастую это сводиться к указанию координат, куда следует лететь аппарату по GPS. При использование мощного полётного контроллера или внешних вычислительных мощностей и хороших алгоритмов управления в скупе с достаточным набором датчиков, аппарат можно не только заставить двигаться из точки А в точку Б в чистом небе, а так же «научить» находить и обходить всевозможные препятствия стоящие на пути; сопровождать и наблюдать за объектом или обстановкой в целом, выполнять поисковые работы…

5 комментариев »

Alex_EXE | 22.02.2012 | Авиа | 14 372 просмотров

5 комментариев на « Квадрокоптер»

  1. lan пишет 15.03.2012 в 13:42 #

    ЕКАТЕРИНБУРГ!!!
    Приглашаю всех 18 марта 2012 г. в 11:00
    Манеж УрФУ Коминтерна 4.
    Фестиваль зальных моделей 2012.
    http://technohobby66.ru/blog/128/
    Сделайте рассылку народу, кому это интересно.

  2. lan пишет 21.03.2012 в 02:24 #

  3. Саша пишет 01.06.2012 в 18:08 #

    Подскажите пожалуйста схему самодельного контроллера управлением двигателей квадрокоптера. на PIC. заранее благодарен.

  4. Alex_EXE пишет 01.06.2012 в 22:53 #

    Свой контроллер возможно будет, но не скоро, и точно не на пиках.
    Во время написания статьи и съемки видео был Капитан Кук с hobbyking, сейчас MultiWii.

  5. Алексашка пишет 16.03.2014 в 18:26 #

    Красавец, только начинаю вникать в принципы работы, но очень полезный материал.

Комментарии RSS

Оставьте отзыв