Cum este quadrupterul

Ce este un quadrocopter?
Cum și de ce zboară?
Ce părți există și de ce sunt necesare?

Ce este un quadrocopter

Quadrocopter este o versiune a unui elicopter multi-rotor cu patru rotoare și un vehicul aerian fără pilot, controlat prin radio. Arată ca un elicopter de principiul muncii. Dar datorită caracteristicilor de design, quadrocopters-urile sunt mai economice și mult mai ușor de fabricat, mai ales mici. Datorită stabilității și caracteristicilor de zbor înalte, ele sunt adesea folosite pentru sarcini precum supravegherea aeriană și fotografia aeriană.

Dimensiunile quadrocopter pot fi diferite - de a se potrivi pe palma vehiculelor cu o greutate de câteva grame, masini foarte grave, care pot ridica în transportul aerian de pasageri.

Cum zboară Quadroopterul

Într-un elicopter convențional este rotorul principal, a cărui rotație asigură forța de ridicare și un rotor coadă mic pentru a compensa cuplul aerodinamic produs prin realizarea lame. Fără ea, elicopterul poate zbura înainte și se va roti la fel de rapid ca șurubul principal, dar în direcția opusă.

Spre deosebire de un elicopter, quadrocopterul are patru șuruburi care funcționează simultan pentru a crea o împingere în sus. Fiecare dintre aceste elici asigură un sfert din forța de ridicare necesară. Prin urmare, puteți utiliza motoare mai puțin puternice, care sunt mult mai ieftine. Direcția de mișcare este controlată prin modificarea tracțiunii fiecărui rotor.

Șuruburile unui quadrocopter sunt aranjate de obicei într-un pătrat. Două, situate pe laturile opuse ale pătratului, se rotesc în sensul acelor de ceasornic, iar celelalte două în direcția opusă. Dacă toate rotoarele se vor deplasa în aceeași direcție, avionul se va roti ca un elicopter normal fără rotorul coada.

Pentru a echilibra aerul și a menține o poziție orizontală, quadrupter-ul trebuie să monitorizeze constant starea senzorilor de nivel giroscopic și să regleze viteza de rotație a fiecărui rotor. De obicei, acest lucru se face automat folosind un sistem complex de control bazat pe controlerul PID. Calitatea controlerului proporțional-diferențial-calculator-diferențial este baza oricărui pilot, oferă stabilitatea și caracteristicile sale de zbor.

Ca o pasăre, un avion sau un elicopter, un quadrocopter are trei grade suplimentare de libertate. Acest lucru este descris în secolul XVIII de unghiurile Euler Leonhard de smoală, ruliu și girație (smoală / rola / girație), care determină orice mișcare în spațiul tridimensional.

Atunci când orientarea dronului se modifică de-a lungul oricărei axe, giroscoapele prezintă o abatere unghiulară față de poziția inițială. Calculatorul de la bord își amintește poziția de plecare a aeronavei și, cu ajutorul unui controler PID software, controlează motoarele pentru a readuce drona la această poziție inițială de echilibru.

Dacă echilibrul quadrocopter este echilibrat, poziția sa în spațiu poate fi schimbată în mod liber. De exemplu, pentru a crea o rolă sau un pas, tragerea unuia dintre cele patru rotoare scade, în timp ce cea opusă crește cu aceeași valoare. Acest lucru determină înclinarea dispozitivului.

Când este înclinat, vectorul de împingere al rotoarelor are o componentă orizontală și verticală. Acest lucru duce la două lucruri:

Cvadrupterul se mișcă în direcția opusă componentei orizontale a tracțiunii;
deoarece vectorul de împingere este împărțit, componenta verticală devine mai mică și aparatul începe să piardă altitudinea.

Pentru a vă asigura că drona nu cade în timpul rulării sau înălțimii, este necesar să măriți forța fiecărui rotor pentru a compensa căderea. Modificările pentru fiecare grad de libertate trebuie să fie coordonate pentru a vă deplasa în direcția corectă.

Toate acestea se fac automat cu ajutorul unui controlor de zbor. Singurul lucru necesar de la pilot este să difuzeze comanda asupra radioului în ce direcție să se întoarcă și unde să zboare. Dronuri mai avansate, cu excepția sistemelor de comandă radio, dotate cu un sistem de navigație GPS și pot zbura cu pilot automat.

Componente de bază și componente ale unui quadrocopter

Pentru a înțelege structura unui quadrocopter, trebuie să înțelegeți principalele sale componente și modul în care acestea sunt legate între ele și lucrează împreună. Sunt puțini:

Cadrul este o structură purtătoare care combină toate celelalte componente. Este făcută astfel încât să combine rezistența mecanică, rigiditatea îndoirii și greutatea redusă.
Motoare. În proiectarea dronelor se utilizează motoare cu colector DC fără perii sau convenționale. Sarcina lor este de a asigura tracțiunea necesară pentru ridicarea aeronavei.
Regulatoare electronice de turație (ESC) pentru controlul rotației motorului, un ESC pe motor.
Elici - elici din material plastic sau lemn, care se rotesc pe axul motoarelor.
Bateriile - o sursă de energie pentru unitatea de alimentare a unui echipament quadrocopter și electronic.
Controlerul de zbor este creierul dronilor, coordonând activitatea tuturor unităților și a adunărilor.
Receptor și emițător de echipamente de control radio.
Diverse elemente suplimentare, în funcție de scopul dronului.

Cadrul este o structură cadru sau un schelet care unește toate componentele. De obicei, este o placă plană, cu raze divergente în laturi. Ramele, cel mai adesea, sunt realizate din fibră de carbon, foaie de aluminiu, plastic durabil sau lemn. Acestea au o rezistență ridicată la impact și trebuie să minimizeze vibrațiile apărute.

Cadrul standard quadrocopter constă din următoarele părți:

placa centrală pe care este instalată electronica;
patru brațe atașate la placa centrală, numite săgeți.

Tehnologii și materiale pentru producție:

frezare din fibra de carbon;
perforare sau tăiere cu laser din aluminiu;
fabricarea de folii pe bază de lemn, cum ar fi placajul sau MDF;
turnare termoplastică;
o metodă de imprimare 3D, cum ar fi PLA.

Fibra de carbon este cel mai popular material pentru realizarea cadrelor datorită rezistenței, rigidității ridicate și greutății reduse. Pentru prelucrarea materialului foi se folosesc mașini de frezat cu control software care asigură o precizie ridicată.

Pentru modelele mari, utilizați un profil de aluminiu cu greutate relativ mică și rigiditate ridicată. Este destul de accesibil, dar cadrul dural nu atenuează vibrațiile motoarelor, ceea ce reprezintă o problemă serioasă pentru senzorii de giroscopie.

Ramele din materiale din lemn, cum ar fi placajul sau MDF, sunt ușor de făcut de unul singur. Ei absorb vibrațiile mai bine decât aluminiul. Din păcate, lemnul nu este material foarte dur și se rupe cu ușurință în caz de accidente.

Dimensiunea cadrului quadrocopter este de obicei menționată ca distanța dintre axele motoarelor dispuse în diagonală. Acest "ampatament" determină dimensiunea maximă a șuruburilor care pot fi instalate pe dronă. Trebuie să existe spațiu suficient între elicele rotative și echipamentul astfel încât să nu interfereze unul cu celălalt. Ghid complet pentru alegerea unui cadru pentru un quad-copter de curse poate fi găsit aici.

Motoarele quadrocopter-ului sunt motoare electrice de curent continuu. Ele pot fi de două tipuri - colector convențional și fără perii. În dronele cu costuri reduse, se folosesc modele cu perii ușoare, care cântăresc mai puțin, lucrează la capacități mai mici și sunt mult mai ieftine. Ele trebuie schimbate mai des, deoarece au o viață mai scurtă.

Motorul fără perii este similar cu un motor de curent continuu. Arborele său este, de asemenea, condus în rotație prin interacțiunea dintre magneți permanenți și bobinaj. Dar acest motor nu are perii pe arbore, care comută direcția de alimentare în bobine. În schimb, există trei bobine pe miezul rotativ interior, care este atașat la bază.

În exterior, există mai mulți magneți montați pe cilindru, care este atașat la arborele rotativ. Astfel, bobinele sunt fixate rigid și firele sunt atașate direct la ele și nu este nevoie de perii glisante. Nu există pierderi de energie și se realizează turații mari cu un consum redus de energie. Motoarele fără perii sunt mult mai eficiente și mai fiabile.

La vânzare există multe modele diferite de motoare electrice, care variază în funcție de dimensiune și consum de energie, calitate și cost. Atunci când alegeți cea potrivită pentru quadrocopter, trebuie să țineți cont și de greutatea, capacitatea de încărcare și dimensiunea elicelor folosite. Cum de a alege motorul potrivit, puteți citi aici.

elice

Șuruburile rotative creează forța unui quadrocopter, fără care zborul este imposibil. Ele sunt de obicei realizate din plastic durabil, uneori din fibră de carbon sau chiar din lemn.

În ciuda asemănării aparente, cele patru șuruburi ale quadrocopterului sunt de fapt diferite. Dacă vă uitați atent, direcția lamelor celor două este diferită de celelalte. Acest lucru se datorează faptului că jumătate din rotoarele dronului se rotesc întotdeauna în direcția opusă.

În comerț există șuruburi de aer de diferite diametre și cu pitch diferit. Atunci când alegeți, este necesar să luați în considerare dimensiunea cadrului modelului quadrocopter și modelul specific al motoarelor aplicate. Mai multe detalii despre alegerea elicelor pentru curse quadcopter.

Regulator electronic de viteză

Regulatorul electronic de turație ESC este un dispozitiv care controlează viteza motorului fără perii a unui quadrocopter pe baza comenzilor primite de la controlerul de zbor. Pentru fiecare motor se utilizează un regulator separat. Pentru motoarele convenționale pentru colectori, ESC nu este necesară. Pentru a le controla, este suficient să folosiți tranzistori obișnuiți puternici, care sunt construiți direct în controler.

Motoarele fără perii sunt multifazate, deci puterea DC directă nu este potrivită pentru acestea. Unitatea ESC generează în mod constant trei semnale de înaltă frecvență cu faze diferite, dar controlate, pentru a asigura rotația arborelui. Cel mai important factor în alegerea ESC este curentul maxim comutat.

Controller de zbor

Controlerul de zbor este creierul unui quadrocopter. Se compune, în forma cea mai simplă, a unui microprocesor (CPU) și a unui senzor electronic de inerție, denumit și IMU (Unitatea de măsurare inerțială).

IMU este un senzor electronic care măsoară viteza, direcția și accelerația unui quadrocopter. Datele obținute de la acesta permit electronicii de comandă să calculeze comenzile pentru modificarea vitezei de rotație a motorului. Un senzor tipic IMU conține, de obicei, un giroscop și un accelerometru.

Accelerometrul măsoară accelerația, precum și direcția gravitației, pentru a determina vârful, fundul și nivelul orizontului. Deoarece accelerometrul este echipat cu un senzor cu trei axe, acesta ajută la determinarea orientării UAV față de suprafața Pământului.

Giroscopul măsoară viteza unghiulară a mișcării cu care are loc rotirea în jurul celor trei axe. După cum vă amintiți, acestea sunt unghiurile de pitch, roll și turn (pitch / roll / yaw) care au fost menționate la începutul articolului.

La vânzare există un număr mare de controlori de zbor pentru toate modelele de dronă, cu diferite caracteristici tehnice și opțiuni pentru firmware. Ele sunt destul de accesibile și costă de la zece la câteva sute de dolari. Dar dacă există o dorință și o dragoste pentru experimente, puteți încerca să vă construiți propria, de exemplu, pe bordul Arduino. Acesta nu este un exercițiu ușor, dar foarte interesant pentru un adevărat geek.

Control radio

Transmițătorii și receptoarele pentru controlul radio funcționează într-un mod strict alocat pentru această gamă. Aceasta este o bandă populară a așa-numitelor frecvențe civile 2.4GHz, care este utilizată pentru adaptoare Bluetooth, rețele WIFI și cuptoare cu microunde pentru uz casnic. Nu necesită permisiune specială. Datorită puterii reduse a emițătorului și a codării speciale, mai multe sisteme de radiocomandare de 2,4 GHz pot funcționa simultan, fără a interfera unul cu celălalt.

acumulator

Litiu-polimer LiPo baterii sunt principala sursa de putere pentru quadrocopters. Tehnologia LiPo este folosită datorită densității mari de energie (capacitate per unitate de greutate) și a curentului mare de descărcare. Toate bateriile LiPo sunt proiectate pentru o anumită putere de tensiune, care depinde de numărul de celule, capacitatea și rata de descărcare.

Pentru funcționarea corectă a bateriilor cu litiu-polimer se utilizează încărcătoare speciale care au control electronic. Acest lucru se datorează necesității de a echilibra cu exactitate fiecare dintre bateriile din kit, astfel încât acestea să aibă aceeași tensiune. Fără o bună echilibrare a bateriilor LiPo nu poate rezista încărcăturilor mari și se va rupe. O baterie încărcată incorect poate chiar să explodeze sau să se aprindă în timpul zborului.

Camera FPV

Camera FPV permite pilotului quadrocopter să utilizeze ochelari speciali (ochelari de protecție) și să respecte zborul dispozitivului de la prima persoană. Frontierele FPV instalează adesea două camere simultan - una pentru streaming în timp real, iar cealaltă pentru înregistrarea cadrelor cu calitate HD.

Componente suplimentare pentru quadrocopters sunt modulele GPS, senzori ultrasonici, barometre, suspensii stabilizate de cameră (Gimbal) și multe altele. Ele pot îmbunătăți calitatea UAV dvs., aduc mai multe oportunități și a le face mai perfecte. Când planificați utilizarea acestora, trebuie să vă asigurați că controlerul de zbor acceptă toate aceste echipamente suplimentare.

În această listă, nu toate pot fi adăugate pentru a îmbunătăți UAV. Perfecțiunea, după cum se știe, nu există limită.