Квадрокоптер
Содержание
История развития квадрокоптеров
Квадрокоптер (он же квадролёт, англ. Quadrotor, quadrocopter, четырёхроторный вертолет) — это летательный аппарат с четырьмя несущими винтами, вращающимися диагонально в противоположных направлениях. Обобщённое название аппаратов подобного типа, с произвольным количеством роторов — мультикоптер.
Многовинтовые вертолёты разрабатывались ещё в первые годы вертолётостроения. Недостатком этих аппаратов была сложная трансмиссия, передававшая вращение одного мотора на несколько винтов.
О летающем механизме под названием «квадрокоптер» впервые заговорили в 1922 году, когда в Дейтоне (США) поднялся в воздух вертолет с четырьмя винтами, рисунок 1.
Рисунок 1 – Первый квадрокоптер
Впоследствии он совершил около 100 полетов, но в серийное производство так и не пошел: изобретение попросту опередило свое время – производить столь сложные летательные аппараты в ту пору было технологически нецелесообразно. Автор проекта Георгий Александрович Ботезат, несмотря на успех, к винтокрылым машинам больше не возвращался.
Вновь о квадрокоптерах вспомнили в 1950-х, однако дальше прототипов дело не продвинулось, хотя уже тогда их позиционировали как беспилотные аппараты.
Несмотря на прохладное отношение со стороны большой авиации, квадрокоптеры снискали популярность среди авиамоделистов: простота в постройке и наладке, возможность серийного изготовления простых и недорогих узлов для сборки, появление микроконтроллеров (упростивших управление) сделали их доступными каждому [1]. Квадрокоптеры удобны для недорогой аэрофото- и киносъёмки — громоздкая камера вынесена из зоны действия винтов.
Двухвинтовые вертолёты к квадрокоптерам, как правило, не относят [2].
Принцип действия и устройство
Мультикоптеры имеют чётное (от 4 до 12) число винтов постоянного шага (автомата перекоса, в отличие от одно- и двухвинтовых аппаратов, нет). Каждый винт приводится в движение собственным двигателем. Половина винтов вращается по часовой стрелке, половина — против, поэтому хвостовой винт мультикоптеру не нужен. Маневрируют мультикоптеры путём изменения скорости вращения винтов. Например:
- ускорить все винты — подъём;
- ускорить винты с одной стороны и замедлить с другой — движение в строну;
- ускорить винты, вращающиеся по часовой стрелке, и замедлить вращающиеся против — поворот.
Микропроцессорная система, показанная на рисунке 2, переводит команды радиоуправления в команды к двигателям. Чтобы обеспечить стабильное зависание, мультикоптеры в обязательном порядке снабжают тремя гироскопами, фиксирующими крен аппарата. Как вспомогательный инструмент, иногда, также используется акселерометр, данные от которого позволяют процессору устанавливать абсолютно горизонтальное положение, и бародатчик, который позволяет фиксировать аппарат на нужной высоте. Также, применяют сонар для автоматической посадки и удержания небольшой высоты, а также для облёта препятствий. И самое главное — GPS-приемник, позволяющий записывать маршрут полета заранее, с компьютера, а также, возвращать аппарат в точку взлёта, в случае потери управляющего радиосигнала, или снимать параметры полёта оперативно или после посадки [3].
Рисунок 2 – Полетный контроллер KK2.0
Существуют также трёх- и пятивинтовые вертолёты (три- и пентакоптеры). Один из моторов там располагается на нанизанной на ось подвижной платформе, угол поворота которой изменяется сервоприводом — так и осуществляется поворот аппарата вокруг своей оси. Отдельно стоит отметить экспериментальные аппараты: бикоптеры, квадрокоптеры с изменяемым шагом пропеллеров, квадрокоптеры с двигателями на импеллерах, однако они не получили какого-либо распространения [2].
Составные части квадрокоптера и процесс сборки
Каждый пропеллер квадрокоптера приводится в действие собственным электромотором, питаемым от мощных батарей и управляемых микрокомпьютером. Задача последнего – поддерживать машину в полете, обеспечивая синхронность работы двигателей в зависимости от показаний датчиков, преобразовывать команды оператора в изменения режимов работы двигателей.
Самым главным элементом летательного аппрата является рама. Она должна быть сбалансированной (значим вес каждого винтика), жесткой (чтобы выдерживать нагрузки) и упругой (чтобы гасить колебания и не рассыпаться при неудачном приземлении). Необходимо соблюсти все эти условия, грамотно разместить узлы и дополнительное оборудование, выдержать требования к прочности и виброзащите.
Современные квадрокоптеры используют бесколлекторные электродвигатели и литий-полимерные аккумуляторы в качестве источника энергии.
Поднимаемый полезный груз моделями квадрокоптеров среднего размера и грузоподъемности — от 500 гр. до 2—3 кг., что позволяет поднять в воздух небольшую фото или видеокамеру.
Скорость полета мультикоптера может быть самой разной от нуля (неподвижное висение в точке) до 100-110 км/ч. Запас энергии батарей позволяет отдельным моделям квадрокоптеров улетать на расстояние до 7-12 км.
На практике радиус действия (максимальное расстояние, на которое они способны улететь с последующим возвратом в точку взлета) обычно ограничен прямой видимостью (100 - 200 м при ручном управлении) либо дальностью действия аппаратуры радиоуправления и видеолинка. При этом лучшие образцы подобной аппаратуры, использующие усилители мощности радиосигнала и систему направленных антенн, способны обеспечивать стабильные радиоуправление и видеолинк на расстояния до 100 км [4].
Общая структура квадрокоптера приведена на рисунке 3.
Рисунок 3 – Структурная схема квадрокоптера
Соединив все элементы в единое целое, потихоньку начинает вырисовываться квадрокоптер. После сборки начинается долгий и мучительный процесс настройки полетного контроллера.
Рисунок 4 – Сборка коптера
Рисунок 5 – Настройки полетного контроллера KK2.0
Разумеется, не обойтись без аппаратуры для дистанционного управления.
Рисунок 6 – Аппаратура дистанционного управления
Всегда было интересно как мир выглядит с высоты. Что видят птицы, чего не видно на картах GoogleEarth. Так пришло увлечение заниматься квадрокоптерами, летать под облаками, снимать видео.
Мечта, о полете в облока воплатилась, квадрокоптер героически преодолел высоту в 10 метров и вернулся на землю, став грудой обломков. Рвение полета было неприодалимо огромным и первый провальный полет меня не остановил.
Рисунок 7 – Полет квадрокоптера с фотоаппаратом
Демонстрация полета
Чтобы посмотреть как мир выглядит с высоты птичьего полета предлагаю небольшой видеоролик (если видео внизу не отображается, вот ссылка на него).Ссылки
- Квадрокоптер на основе Arduino. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://makezine.com....
- Википедия. Квадрокоптер. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org....
- Как собрать коптер за 2 часа. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://habrahabr.ru....
- Форум. Квадрокоптеры и другие многороторные системы. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://forum.rcdesign.ru....