Что такое квадрокоптер, зачем он нужен, кто его придумал и как он устроен?

Что такое квадрокоптер, зачем он нужен, кто его придумал и как он устроен? Машинки
Содержание
  1. Что такое и зачем он нужен?
  2. Почему именно 4 мотора?
  3. Основы управления
  4. Почему так популярен?
  5. Авантюра
  6. Батарея
  7. Бпла и современное законодательство
  8. Будущее дронов
  9. Виды квадрокоптеров
  10. Виды мультикоптеров
  11. Двигатель
  12. Для чего нужен квадрокоптер
  13. Дополнительные модули
  14. Дроны падают
  15. Дроны с изменяемой геометрией
  16. За и против
  17. Защитные конструкции
  18. И снова ресерч
  19. Из истории создания квадрокоптеров
  20. Из каких элементов состоят квадрокоптеры?
  21. История квадрокоптеров
  22. Квадрокоптер 1956 года
  23. Коптер 1956 года
  24. Купить квадрокоптер
  25. Летает!
  26. Малые бпла и современное российское законодательство
  27. Можно ли собрать квадрокоптер самостоятельно?
  28. Мотор
  29. Мультикоптеры
  30. Область применения
  31. Отказоустойчивый режим
  32. Первый dji phantom в 2021
  33. Первый мультироторный вертолет в 1920 году
  34. Платы управления и полетный контроллер
  35. Подборки лучших квадрокоптеров в различных ценовых диапазонах
  36. Подвес с камерой
  37. Подробнее про конструкцию прототипа
  38. Полётный контроллер
  39. Применение
  40. Применение квадрокоптеров
  41. Принцип действия квадрокоптера
  42. Принцип работы квадрокоптера
  43. Проблемы управления
  44. Регуляторы оборотов
  45. Рекомендации по покупке квадрокоптера
  46. Ресерч
  47. Ручной режим
  48. Рынок бытовых квадрокоптеров
  49. Синергетический эффект
  50. Сложности в управлении
  51. Тенсегрити
  52. Тенсегрити в робототехнике
  53. Тенсегрити-роботы в университете иннополис
  54. Трансмиттер и пульт управления
  55. Удержание высоты
  56. Удержание позиции по gps
  57. Устройство и принцип работы
  58. Устройство квадрокоптера
  59. Чем обусловлено количество моторов на квадрокоптерах?
  60. Заключение

Что такое и зачем он нужен?

Квадрокоптер – англоязычный термин, дословно переводимый на русский, как «четырехвинтовой вертолет». Но что это означает на практике? По сути, это беспилотник (летательный аппарат на ДПУ), оснащенный четырьмя винтовыми пропеллерами. Управление осуществляется посредством специального RC-пульта с земли.

На большинстве современных моделей дронов установлены миниатюрные видеокамеры, обеспечивающие возможности съемки в фото- и видеоформате с воздуха.

https://www.youtube.com/watch?v=MtdSSyrbrSA

Как только первые квадрики появились на прилавках магазинов беспилотной техники на радиоуправлении, их цена едва ли могла привлечь обывателя. Но со временем стоимость таких гаджетов продолжала стремительно падать (собственно, она продолжает падать со времен своего появления до сих пор, а ценовой диапазон – расширяться до бесконечных пределов). Сегодня они доступны многим людям со средним достатком.

Появились и квады с камерой, которые стали настоящим бумом среди широких масс любителей БПЛА. Таким образом, сфера их применения существенно развернулась по всем фронтам, привлекая внимания людей всех возрастов, от школьников и дошколят, до людей пенсионного возраста, любителей и профи в сфере беспилотных полетов, любителей спортивных состязаний на мультикоптерах, журналистов, блогеров, репортеров и даже представителей военно-разведывательных структур.

Современные технологии дроностроения шагнули далеко вперед в последние годы. Но в большинстве случаев на вопрос о том, что такое коптер и каково его предназначение, люди склонны отвечать – это гаджет для развлечения и захватывающих любительских съемок с высоты.

Почему именно 4 мотора?

Испытания вертолета с 4-мя винтами начались под руководством Ботезета в 22-м году. Устройство квадрокоптера на основе четырехвинтовой конструкции еще в те времена было признано наиболее устойчивым и оптимальным с точки зрения полетных характеристик.

Благодаря многовинтовому принципу работы, аппарат становился легко управляемым. Для поворота достаточно было изменить положение носовой части коптера.

В более поздние времена, когда начальные квады на радиоуправлении обзавелись полноприводной винтовой системой, они получили абсолютный баланс и максимальный полетный контроль, а все недостатки квадрокоптеров были минимизированы за счет внедрения новых технологий и электроники. По сей день 4-моторный коптер — лучший и самый надежный с точки зрения конструкции, летных и технических характеристик.

Основы управления

Большинство квадрокоптеров имеют схожие базовые элементы управления, хотя в зависимости от модели, некоторые из них могут немного отличаться. В самом общем плане:

  • Два джойстика на пульте управления отвечают за движение дрона;
  • Вертикальная ось на левой ручке обычно регулирует мощность двигателей и соответственно набор высоты;
  • Горизонтальная ось на левой ручке контролирует движение вправо и влево;
  • Вертикальная ось на правом джойстике отвечает за перемещение дрона назад и вперёд;
  • Горизонтальная ось на правом джойстике управляет креном и тангажом.

В любом случае прежде чем начать использовать дрон, следует внимательно изучить инструкцию и его возможности. Для первых запусков лучше выбирать открытые и по возможности малолюдные пространства.

Почему так популярен?

Ошеломительную популярность эти устройства получили в последние несколько лет, во многом благодаря параллельному развитию мобильных и видеотехнологий. С появлением высокотехнологичных смартфонов и повсеместными селфи, актуальными стали и так называемые селфи-дроны – миниатюрные беспилотники с камерой, позволяющие делать отменные селфи и видео.

Авантюра

Что такое квадрокоптер, зачем он нужен, кто его придумал и как он устроен?Сергей одобряет авантюрный эксперимент. Джефф Безос тоже

Сергей Савин — старший научный сотрудник, доцент, серьезный ученый с кандидатской в 25 лет и множеством рейтинговых публикаций. Он один из отцов-основателей тенсегрити-робототехники в УИ, получил несколько грантов на развитие тенсегрити в робототехнике.


Дмитрий, Олег и Хэни собирают первого тенcодрона (что-то напоминает). Дмитрий Девитт

— научный сотрудник и аспирант Университета и тот, кто применил самые современные технологии — карбоновые трубки и кевларовые нити, 3D-печать карбоном и мягким пластиком, все реализовал и заставил летать. 

Что такое квадрокоптер, зачем он нужен, кто его придумал и как он устроен?
Процесс работы по сборке тенсодронаЧто такое квадрокоптер, зачем он нужен, кто его придумал и как он устроен?
Ура. получилось!

Батарея

АКБ – это сердце квадронов, обеспечивающее зарядом винтовые моторы. Они могут иметь моноблочную или многоблочную структуру, от чего во многом зависит их емкость. Аккумуляторные блоки подсоединяются в электроники посредством специальных клемм и устанавливаются на борт в специальных блоках. Для многих моделей предусмотрена возможность замены АКБ на аналогичные или с большей мощностью.

Чтобы понять, можно ли использовать другую батарею, необходимо внимательно почитать описание или инструкцию к агрегату.

Бпла и современное законодательство

В настоящее время на законодательном уровне действуют определенные ограничения в контексте применения и использования квадрокоптеров. Например, каждый дрон весом 0,25 – 30 кг подлежит регистрации на территории РФ и подразумевает наличие у пилота полетной лицензии.

К тому же придется получать разрешение на полеты, для которого потребуется удостоверение летной пригодности, доступ к эксплуатации воздушного пространства и удостоверение правомерности БПЛА-пилотирования. Если планируется ведение съемки в определенных регионах, то потребуется также соответствующе разрешение.

Будущее дронов

Такие устройства, как дроны и беспилотники, входящие в категорию БПЛА, имеют большое и светлое будущее. Их использование определенно простирается за пределы уже принятых ролей. Многие крупные компании уже изучают возможности применения этой технологии в собственных уникальных целях.

Было проведено исследование, направленное на установление жизнеспособности дронов как средства доставки покупок покупателям, которое оказалось успешным и теперь они используются в этой сфере. Дроны нашли очень важную роль в сохранении дикой природы. С такими проблемами, как браконьерство, отслеживание исчезающих видов животных стало значительно легче, с применением дронов большой дальности.

Продажи квадрокоптеров и других беспилотников, в целом, росли в последнее десятилетие. Количество владельцев и единиц этого вида техники увеличились в геометрической прогрессии за последние несколько лет. С этой тенденцией, были предложения по регулированию воздушного пространства и использования беспилотников. Хотя конкретных результатов не было, ожидается, что регулирование произойдет в ближайшее время.

Это не сдерживающий фактор, а скорее ключевой момент, важный для учета при поиске различных способов использования своего дрона.

Будь то для личного или профессионального использования, рассмотрите возможность стать частью сообщества пользователей дронов. Вы хотите купить квадрокоптер и, но у вас много вопросов? Задайте их нашим консультантам в режиме онлайн.

Виды квадрокоптеров

  1. TriCopter – 3 винта
  2. QuadCopter – 4 винта
  3. XCopter – 4 винта в X-образном положении направления полета
  4. Y4Copter и Y6Copter – 3-х позиционный коптер с допорлнительными винтами, вращающимися в противоположную сторону для большей устойчивости и маневренности
  5. HexaCopter и OctoCopter – 6-ти и 8-ми винтовые коптеры
  6. H6Copter – 6 винтов по 3 параллельных пары
  7. ButterflyCopter и TwinQuadCopter – усложненные конструкции, состоящие из двух независымых винтовых комплексов.

Также квадрокоптеры можно поделить на 3 вида по сборке:

  1. Полностью готовы к запуску. Покупные устройства уже собраны и готовы к полету. Они удобны тем, что достав мультикоптер из коробки, его можно сразу использовать: он настроен, откалиброван, не смещен центр тяжести.

Устройства бывают разных ценовых категорий. Брендовые аппараты имеют высокую цену.  Такие конструкции можно смело назвать «полноценными». Использовать такие устройства уместно для видеосъемки, фото с воздуха. Дорогие брендовые модели оснащены хорошей камерой, GPS-приемником  и многим другим.

  1. Нуждаются в частичной сборке. Такая конструкция практически готова к полету. Обычно это частично собранный аппарат. Иногда некоторые части нужно докупить, укомплектовать и смело пользоваться. Такой комплект обычно стоит дешевле брендового готового устройства.
  2. Комплект для сборки с нуля. Такая конструкция содержит в себе лишь самые необходимые комплектующие. В комплект не входит камера, передатчик. Управление таким устройством осуществляется с земли.

Виды мультикоптеров

Существуют несколько видов мультикоптеров которые различают по количеству винтов/моторов (винты и моторы обычно называют винтомоторной группой или ВМГ).

Помимо квадрокоптера выделяют:

Двигатель

Без двигателей ваш квадрокоптер никуда не полетит, в большой степени именно они определяют лётные возможности устройства. К сожалению их технические характеристики не очень понятны большинству начинающих пилотов.

Большинство квадрокоптеров используют бесщеточные двигатели постоянного тока, хотя в дешевые модели часто устанавливают коллекторные моторы.

Бесщеточные двигатели состоят из якоря с постоянным магнитом и ряда окружающих его катушек. Бесщеточные двигатели могут иметь от 2 до 14 полюсов. Чем больше полюсов, тем точнее можно управлять двигателем.

Ключевая характеристика двигателя квадрокоптера значение kV . kV – это номинальное число оборотов в минуту (об / мин), которое совершит двигатель без нагрузки, когда к нему приложена разность потенциалов в 1 вольт. Двигатели с низким kV развивают большую тягу, их устанавливают на тяжелые коптеры с большим диаметром лопастей. На небольших дронах используют моторы с высоким значением kV.

Еще одним важным фактором является номинальный ток двигателя. Вам нужно будет знать его значение, для выбора ESC и аккумулятора.

Номинальная тяга двигателя зависит от размера пропеллера. Основное эмпирическое правило состоит в том, что комбинация двигателя и пропеллера должна выдавать тягу вдвое превышающую вес дрона.

Для чего нужен квадрокоптер

Активное развитие и внедрение коптеров в гражданскую среду, привели к росту вариантов использования:

  1. Пассажирские перевозки – так, в Дубаи, на международном саммите была продемонстрирована модель беспилотного такси Ehang 184, которое может находиться в воздухе около 30 минут за один полёт. По сути это одноместный восьми-роторный аппарат, который лишен каких-либо органов управления, т.е. фактически человек летит в этом аппарате в качестве пассажира, а не пилота. В небольшой кабине располагается кресло и планшет с сенсорным экраном, используя который вы можете указать пункт назначения. В 2021 году первый тестовый полет совершило аэро-такси Vahana компании Airbus. В феврале этого же года, сообщили о секретном аэро-такси Joby Aviation, стартап проекта уже привлек 100 млн долларов.
  2. Хозяйственная деятельность – дроны берут на себя отдельные функции авиации: проведение аэросъёмки или других видов сбора данных, нужных для сельского хозяйства, контроля ситуаций на дорогах и в любых удалённых участках. С их помощью отслеживают пути миграции животных, находят затерявшиеся суда, выявляют уровень гидрометеорологической опасности, проводят обследование линий электропередач.
  3. Развлекательные / спортивные шоу – такие аппараты чаще всего оснащаются несущими винтами и являются подобием вертолётов, а не самолётов. Данная конструкция наиболее рациональная, поскольку не требует наличия взлётно-посадочной полосы. Развлекательное использование БПЛА недавно расширилось воздушными гонками. Чаще всего для них используются модели самостоятельной сборки или существенно переработанные готовые. В результате они получают возможность набирать скорость выше 150 км/ч, но относятся к аппаратам с малыми габаритами. Отметим, что стартап Alauda Racing запустил на платформе Kickstarter сбор средств на первые в мире гонки на пилотируемых мультикоптерах, которые планируются в 2020 году.
  4. Профессиональная или любительская фотосъемка – все современные модели оснащаются высококачественной камерой и позволяют делать восхитительные снимки там, куда человек не смог бы никогда добраться самостоятельно.
  5. Грузовые перевозки – в 2021 году компания Amazon провела испытания по доставке посылок с помощью коптера и подала заявку на технологию доставки груза при помощи парашюта. В последние месяцы активно появляются новости с концептами больших грузовых беспилотников, способных перемещаться на высоких скоростях и перевозить до нескольких тонн. Как, например, модель Draco-2 компании Sabrewing Aircraft и тестовая сборка компании Boeing.
Смотрите про коптеры:  Пошаговые этапы сборки квадрокоптера своими руками

Дополнительные модули

Современные модели помимо основных модулей содержат ряд вспомогательных таких как:

Дроны падают

Что такое квадрокоптер, зачем он нужен, кто его придумал и как он устроен?

Просто потому что летают. Системы управления, моторы, датчики, автопилоты, бортовые компьютеры и софт — все это разработчики стараются делать как можно надежнее, но риск разбить коптер остается. А если это опытный образец, то сразу нужно изготавливать несколько (штук или десятков?) для отладки. Кроме внутренних факторов, очевидно, остаются и внешние: ветер, пассивные препятствия, активное воздействие.

Вряд ли кто-то будет спорить, дроны падают, сталкиваются, переворачиваются.Можно стараться этого избегать, можно к этому подготовиться. Что лучше? Решать разработчику, пользователю и законодателю.

Я за совместное применение обоих подходов. Но в этой статье сконцентрируемся на том, как избежать последствий падения или столкновения БПЛА.

Дроны с изменяемой геометрией

Другое направление, связанное с идеей защищенного дрона (и не только), — складные дроны и дроны с изменяемой геометрией (foldable и morphing). Имеется ввиду способность дрона изменять свою геометрию в полете. Складные конструкции делают для того, чтобы избежать повреждений дрона (например, дрон может «съежиться» перед ударом), а также дрон может, например, сложиться до компактного размера для пролета в узкие окна.

Возможно, вы видели крутой ролик с дроном с изменяемой геометрией из Швейцарии (да-да, снова ETH EPFL UZH). Нам эта идея тоже интересна и близка, дальше расскажу почему.

Дрон с изменяемой геометрией

За и против

Плюсы четырехвинтового мультикоптера:

  •     Эксплуатация недорогая. Даже при поломке запчасти легко подобрать в магазине и заменить.
  •     Полет очень стабильный.
  •     Емкий аккумулятор. Хорошая батарея обеспечивает длительную работу устройства, возможность перемещать небольшие грузы и производить длительную видеосъемку.

Единственный недостаток – цена. Существуют и бюджетные модели, но качество материалов не всегда самое хорошее. К тому же на нем установлено лишь самое необходимое. Если вам нужен квадрокоптер для профессионального использования, придется выложить немалую сумму.

Защитные конструкции

Наиболее прямолинейный подход избежать последствий падения или столкновения БПЛА — защитная клетка и прочие защитные конструкции. Здесь две задачи — защищать дрон от повреждений и защищать среду, где работает дрон, и людей в ней от дрона.

Базовый вариант конструкции, относящейся скорее к защите людей от дрона, — защита пропеллера.

Что такое квадрокоптер, зачем он нужен, кто его придумал и как он устроен?
Дрон AR.Drone 2.0 с защитой пропеллеров. Источник

Есть еще забавные решения, вдохновленные оригами, со складными гибкими конструкциями защиты пропеллеров (и даже конструкции рамы), развитие которым дала группа профессора Дарио Флореано в EPFL.

Превалирующей конструкцией защиты самого дрона (а вместе с тем и людей от него) является защитная клетка. Сам квадрокоптер находится внутри клетки.

Что такое квадрокоптер, зачем он нужен, кто его придумал и как он устроен?
Дрон Clover от российской COEXhttps://www.youtube.com/watch?v=EfrCLkKuq8Y

Российская компания COEX делает дроны для учебных целей, которые по умолчанию имеют защиту пропеллеров, а опционально — защитную клетку.

Что такое квадрокоптер, зачем он нужен, кто его придумал и как он устроен?
Дрон Flyability ELIOS

Швейцарская (Швейцария — столица дроностроения?) компания Flyability — выпускает, пожалуй, самый коммерчески успешный коптер ELIOS с защитной клеткой для выполнения инспекций внутри помещений. Оригинальность конструкции состоит в креплении защитной клетки к раме коптера на подвижном подвесе с возможностью стабилизации.

Что такое квадрокоптер, зачем он нужен, кто его придумал и как он устроен?
Дрон Dronistics

Стартап Dronistics из EPFL (опять Швейцария, это выходцы из группы Dario Floreano) предлагает дрон со складной клеткой для безопасной доставки грузов.

Недостатком таких дронов является увеличение массы конструкции — нужно носить с собой защитную клетку и элементы крепления к БПЛА. Стремление снизить массу защитной конструкции приводит к снижению ее прочности.

И снова ресерч


Потенциал конструкции тенсегрити-дрона гораздо больше простого дрона. 

Помните Foldable Drone из

выше? А

Так вот, если активно изменять длины стержней или натяжения тросов тенсегрити-дрона, можно управлять его конфигурацией (или, проще говоря, формой)!

Получается Foldable Morphing Tensodrone. Активно ведем исследования в этой области.

Что такое квадрокоптер, зачем он нужен, кто его придумал и как он устроен?
Тенсодрон с изменяемой в полете геометрией Университета Иннополис (концепт)

Применение тенсегрити для летательного аппарата открывает новые исследовательские задачи. Прототип конструкции уже сейчас показывает, что идея работает и её можно применять для защиты БПЛА.

Из истории создания квадрокоптеров

Своим появлением квадрокоптер (квадрон, как называли его в первой половине XX века) обязан российскому авиаконструктору Георгию Александровичу Ботезату. Правда, профессор Петроградского университета создавал его в США, где он тогда жил и трудился. Работу ученого финансировали ВВС Соединенных Штатов.

В 1922 году появился первый квадрон, который не только поднялся над землей и оставался какое-то время в воздухе, но и поднял груз весом более четырехсот килограммов. Однако гениальное изобретение профессора Батезата оказалось преждевременным. В те годы на летательных аппаратах использовались лишь двигатели внутреннего сгорания, а потому на квадрон можно было «посадить» всего один мотор, который передавал крутящий момент всем четырем винтам посредством довольно сложной трансмиссии.

Время квадрокоптеров наступило лишь в XXI веке, когда они (мультикоптеры, дроны, беспилотники, БПЛА) стремительно вошли в нашу жизнь и стали широко применяться не только в армии или для иных государственных нужд, но и в быту. Благодаря уникальным возможностям и ценовой доступности «карманные» квадрокоптеры используются сегодня для съемки различных мероприятий, а также для «присутствия» в таких местах, куда человеку практически невозможно добраться.

Из каких элементов состоят квадрокоптеры?

Концептуально радиоуправляемый коптер состоит из двигателей, регуляторов оборотов, лопастей, рамы, полетного контроллера, батареи, радиоприемника и передатчика. На самом деле в нем гораздо больше модулей, о которых мы поговорим чуть ниже.

Полетный контроллер — это мозг вашего аппарата, именно он отвечает за поведение в полете. Как правило, полетный контроллер представляет собой плату или небольшую коробочку с микросхемой внутри.

Современные полетные контроллеры, это сложные устройства, способные обрабатывать сигналы поступающие со множества различных устройств и самостоятельно принимать решения о выборе наиболее оптимальной траектории полета, а также избегать столкновения с препятствиями. Такие контроллеры установлены на DJI Mavic Pro и DJI Spark.

Как правило полетный контроллер состоит из четырех базовых датчиков:

  • Акселерометр или датчик угловых скоростей;
  • Гироскоп;
  • Магнитометр или компас;
  • Барометр – датчик атмосферного давления, который помогает удерживать высоту.

Управление осуществляется через радиопередатчик, он же пульт управления. Большинство передатчиков работают на частоте 2,4 ГГц, это своеобразный стандарт. Команды с передатчика поступают на радиоприемник который подключен к полетному контроллеру. Полетный контроллер обрабатывает полученный радиоприемником сигнал и передает команды двигателям.

В самом общем случае управляется коптер по 4-м каналам, которые как раз и есть упомянутые нами выше тангаж (pitch), крен (roll), рыскание (yaw) и газ (Throttle). Чтобы понять, как управляется дрон читайте основы управления квадрокоптером.

Познакомьтесь также с простейшей схемой устройства современного квадрокоптера:

История квадрокоптеров

Квадрокоптеры уже активно используются и находятся вокруг нас некоторое продолжительное время. Особенно в последние несколько лет их популярность резко возросла из-за растущего применения в различных сферах. Современные инновации сыграли огромную роль в этом развитии. В начале 20-го века были разработан и созданы первые концепты вертолетов с четырьмя винтами.

Однако они были такими маневренными, как современные квадрокоптеры. Они только преодолевали короткие расстояния и были настоящими вертолетами. Ими нельзя было управлять дистанционно. Они также были очень неэффективными и рудиментарными. Ранние беспилотные летательные аппараты были усовершенствованием этих вертолетов, но их применение было ограничено военными.

Квадрокоптер 1956 года

Первый квадрокоптер в 1956 году

Коптер 1956 года

Первый квадрокоптер

Купить квадрокоптер

Если вы ищите, где купить квадрокоптер, то вы, обнаружите, что на рынке сегодня представлено множество брендов и моделей. Их цены широко варьируются в зависимости от производителя и технических характеристик. Мы сгруппировали несколько самых популярных категорий, которые посещают в нашем интернет-магазине:

При покупке хорошего квадрокоптера лучше всего искать тот, который имеет функции и характеристики, которые вам больше всего подходят. Количество роторов, например, их параметры, аккумуляторные батареи, камеры и варианты хранения и перевозки. Контроллер, зарядное устройство и другие аксессуары тоже очень важны, и небольшое исследование позволит вам принять правильное решение. У вас есть большой выбор лучших квадрокоптеров и дронов для покупки здесь, на этом сайте.

Летает!

Еще Дмитрий — первый актер после тенсодрона в эпичных роликах его полетов. Оцените:

Игра двух актеров в ролях самих себя. Video by DeluuusiOn

Малые бпла и современное российское законодательство

Беспилотники – отнюдь не безобидные игрушки. Используя их, например, можно намеренно и незаметно следить за человеком или же случайно создать аварийную ситуацию в городе. По этой причине, приобретая дрон, нужно знать следующее:

Использование дрона без разрешительных документов может привести к солидным штрафам, а в случае серьезных последствий – даже к тюремному заключению.

Можно ли собрать квадрокоптер самостоятельно?

Обычно такую задачу ставят перед собой опытные специалисты, которых не устраивает дальность полета дрона, продолжительность его нахождения в воздухе или другие параметры. В этом случае мастер либо начинает модернизировать купленный мультикоптер, либо рискует собирать квадрокоптер самостоятельно – с нуля (благо современный рынок запчастей позволяет приобрести практически все, что для этого нужно).

Для такого занятия требуются знание электроники и устройства беспилотников, профессиональные навыки пайки. Не помешают усидчивость и терпение, поскольку подобная работа может занять несколько месяцев.

Но, даже обладая всеми перечисленными качествами, стоит серьезно подумать, прежде чем приступить к выполнению этой нелегкой задачи. Ведь перед вами могут встать непреодолимые препятствия в виде несовместимости компонентов, невозможности что-то достать и так далее.

Смотрите про коптеры:  Бензиновый квадрокоптер | Обзор, рейтинг, советы, фото, магазины где купить, цены

Мотор

Большая часть любительских мультикоптеров оснащена двумя типами электродвигателей – коллекторными и бесколлекторными. Как правило, вторые используются в бюджетных, любительских и наиболее простых вариантах. Их мощности вполне достаточно для поднятия в воздух мало и средне весовых квадронов любительского класса.

Коллекторные двигатели имеют другую, более совершенную конструкцию и несколько иной принцип работы. Они лишены коллекторов и щеток. Магнитные элементы расположены вокруг вала и выполняют непосредственно роторную функцию. Таким образом, двигатель работает с более плавным контролем оборотов у винтов и с большей отдачей, что обеспечивает лучшую тягу, энергорасход и производительность.

Мультикоптеры

Мультикоптер – это альтернативный, вариант квадронов, превосходящий их по количеству моторов. Его несущие винты вращаются диагонально и в противоположных по отношению друг к другу направлениях.

Различаются мультикоптеры между собой количеством моторов. В современной практике помимо трех- и четырехвинтовых моделей встречаются гексакоптеры и октокопторы с 6- и 8-ю пропеллерами, соответственно. Количество винтовых элементов по большому счету определяет возможности пиковых нагрузок аппарата по массе, то есть то, сколько веса он сможет взять с собой на борт.

Область применения

Несмотря на то, что многие до сих пор рассматривают квадракоптеры как игрушку, сфера их профессионального использования очень широка:

Научные исследования: квадрокоптеры-это очень полезный инструмент для исследователей. Он даёт возможность изучать труднодоступные области, позволяя по-новому взглянуть на многие направления, от археологических раскопок до миграции животных в дикой природе.

Чрезвычайные ситуации и спасательные работы: аварийные службы, полиция, пожарные и спасательные команды все чаще обращаются к квадрокоптерам, для координации своих действий, быстрой оценки обстановки, отслеживания подозреваемых и ликвидации последствий стихийных бедствий.

Сельское хозяйство: используя доступные решения, такие как тепловизионные камеры и сканирующее программное обеспечение, сельскохозяйственные компании могут контролировать свои урожаи удаленно.

Картография и геодезия: задачи 3D-картографии и моделирования решаются гораздо быстрее и дешевле чем раньше, благодаря квадрокоптерам и их способности быстро снимать и сшивать фотографии.

Промышленность: квадрокоптеры используются для проверки технического состояния мостов, морских буровых установок, ветряных турбин и других крупных промышленных и инфраструктурных объектов.

Существуют компании, занимающиеся доработкой моделей квадрокоптеров под самые разнообразные нужды. Например, инженеры Axonim из Беларуси.

Отказоустойчивый режим

Включается если дрон вылетел за пределы безопасного расстояния, потерял ориентацию или радиосвязь. При переходе в этот режим, контроллер дрона сам вернёт и посадит его в точку из которой он вылетел.

Первый dji phantom в 2021

Реальное использование квадрокоптеров началось только в 21 веке. Современные дроны способны летать на большие расстояния. Они стали действительно беспилотными транспортными средствами. Технологии и инновации помогли им во всех размерах. Из-за этого их использование значительно расширилось, и сегодня беспилотники используются для самых разных задач.

В них применяются глобальные системы позиционирования и камеры. Благодаря этому многие ограничения были преодолены, а возможности современных беспилотников не имеют себе равных.

Первый мультироторный вертолет в 1920 году

Первый мультироторный квадрокоптер вертолет

Платы управления и полетный контроллер

Контроллерная плата – мозг любого дрона. Она отвечает за все бортовые программные функции, включая контроль оборотов двигателей, съемку интегрированной камерой, позиционирование в пространстве на основе GPS-координат, работу светодиодов, выполнение виражей, прием различных сигналов с ДПУ и многое другое.

Подборки лучших квадрокоптеров в различных ценовых диапазонах

Прежде чем сделать выбор и купить конкретную модель, рекомендуем ознакомиться с квадрокоптерами в разных ценовых категориях.

На нашем сайте представлены цены на квадрокоптеры во всех популярных диапазонах: от 1000 руб. до 1 млн. руб. Выбрать интересующий вас порог стоимости коптера вы можете в соответствующем разделе по ссылке, либо нажав на кнопку «Цены» в верхнем меню сайта.

Ниже представлены ссылки на подборки квадрокоптеров не выше определенной стоимости:

Подвес с камерой

Это важная часть любых мультикоптеров с функцией съемки. Подвесное крепление служит для соединения видеокамеры с корпусом аппаратика. Она может иметь несколько осей (обычно две или три), позволяющих вращать камеру для захвата изображения в различных направлениях.

Нередко подвес оснащается специальными демпферными подушками, которые призваны гасить вибрации и обеспечить качественную стабилизацию видео на аппаратном уровне.

Подробнее про конструкцию прототипа

Конструкция первого прототипа дрона получилась такая:

Что такое квадрокоптер, зачем он нужен, кто его придумал и как он устроен?
Конструкция прототипа тенсодрона Университета Иннополис

Использована базовая шестистержневая конструкция тенсегрити. В отличие от квадрокоптеров с жесткой рамой у нас две пары двигателей с винтами установлены на различных балках. Также ни один из них не соединен жестко с автопилотом, который расположен на нижней балке.

Бортовая электроника и электромеханические компоненты прототипа дрона включают в себя:

Тросы сделаны из кевларового волокна с изготовленными на заказ пружинами. Стержни изготовлены из карбоновых трубок. Торцевые колпачки и другие мелкие детали напечатаны на 3D-принтере.

Полётный контроллер

Полётный контроллер – это мозг квадрокоптера. Это устройство управляет скоростью двигателей, посылая сигналы на ESC.

Продвинутые контроллеры полета имеют больше возможностей и связаны с такими датчиками, как гироскопы, акселерометры, гидролокаторы, GPS и магнитометры. Простые контроллеры полета содержат только гироскопы и их вполне достаточно для большинства новичков.

Применение

Сейчас эта штука летает сама по заданной миссии (в том числе по GPS на улице, а в помещении — будем использовать визуальную одометрию). Для нас очевидно дальнейшее применение для инспекции помещений.

За исключением управления низкого уровня и формы, тенсодрон — это обычный дрон, мы интегрируем в него наши алгоритмы планирования движения для автономного обследования и картографирования помещений (exploration) с обходом препятствий.

Пример выполнения автоматической инспекции. Магистерский проект Виктора (Victor Massague), нашего выпускника и в ближайшем будущем, надеюсь, сотрудника из Барселоны

Применение квадрокоптеров

Применение квадрокоптеров

Среди многих областей, в которых квадрокоптеры стали действительно неотъемлемой частью — это аэрофотосъемка и аэровидеосъемка. Не так давно вертолеты были основным, а скорее даже единственным средством для этого. Хотя они все еще существуют, их применение было ограничено специализированной профессиональной практикой, в то время как квадрокоптеры теперь служат массам.

Успешное добавление новшеств в эти устройства, позволили оснащать их высококачественными и даже профессиональными камерами.

Сами камеры теперь маленькие и достаточно компактные, чтобы их можно было легко прикрепить к различным моделям квадрокоптеров. Вы даже можете найти различные камеры для дронов, которые полностью водонепроницаемы!

Это сильно повлияло на саму сферу фото и видеосъемки. Мобильность и маневренность этих устройств делают их очень удобными для множества других дополнительных действий. Например, способные летать как в помещении, так и на улице, их используют для наблюдения за территориями и объектами, в том числе и в шпионских целях. В дополнение к этому они нашли свое призвание в разведке и стратегиях военных.

Дроны и квадрокоптеры применяются в министерствах по чрезвычайным ситуациям по всему миру. Они эффективны для управления операциями в случае бедствий или для спасения людей. В результате многих стихийных бедствий люди оказываются в недоступных местах.

Принцип действия квадрокоптера

Давайте разберемся с принципом действия подробнее. Квадрокоптер – это аэродинамически абсолютно нестабильный аппарат. Стабильным его полет делает бортовой компьютер или полетный контроллер.Для того, чтобы дрон накренился, необходимо, чтобы два двигатели замедлили вращение, а два противоположных – наоборот увеличили.

Например, если аппарат хочет свернуть влево, он ускоряет два двигателя на правой стороне рамы и замедляет два на левой стороне. Точно так же, если он хочет полететь вперед он ускоряет задние два мотора и замедляет два передних.

Коптер может повернуть (так называемое “рыскание”) влево или вправо, ускоряя два двигателя, которые расположены по диагонали друг к другу, одновременно замедляя два других. Для перемещения доступны 3 оси – тангаж (pitch), крен (roll), рыскание (yaw).

Полезное видео на тему: «Принцип работы квадрокоптера»

Принцип работы квадрокоптера

Четырехвинтовое устройство оборудовано 4 винтами постоянного шага. Такой мультикоптер отличается от одно- и двухвинтового тем, что автомата перекоса у него нет. У каждого пропеллера есть свой двигатель, приводящий устройство в движение.

Всего у четырехвинтового мультикоптера 4 двигателя, каждый из которых имеет собственное зарядное устройство (аккумулятор). 2 винта осуществляют вращение против часовой стрелки, 2 пропеллера – в обратном направлении. Благодаря такой работе основных винтов, мультикоптер не нуждается в хвостовом винте.

Маневрирование квадрокоптера осуществляется путем регулирования скорости пропеллеров и происходит таким образом:

  •     подъем устройства происходит путем ускорения всех четырех винтов;
  •     движение конструкции в сторону происходит, когда с одной стороны увеличивается скорость вращения пропеллеров, а с другой замедляется;
  •     поворот устройства — вращающиеся против часовой стрелки пропеллеры ускоряются, а те, что движутся по часовой стрелке, замедляются.

Проблемы управления

Основная проблема управления по сравнению с обычным жестким дроном — вибрации, которые, во-первых, больше по амплитуде, во-вторых, разные для контроллера и различных двигателей, т.к. они установлены на различных балках (хотя это же может быть и плюсом — виброразвязка).

Ранние тесты тенсодрона на подвесе: вибрации (извините за вертикальное видео)Ранние тесты тенсодрона в полете: вибрации

Мы не одиноки

Оказывается, у нас был конкурент.

Еще в начале (почти год назад), когда мы делали прототип, мы нашли это видео от ребят из Imperial College London:

 

Авторы пришли к той же идее, что и мы: применение тенсегрити для дронов — это интересно. 

Т.к. никаких подробностей по конструкции и, тем более, прототипа представлено не было, свои работы мы продолжили.

Уже потом, когда у нас был летающий образец, мы получили отчет той же группы: 

Что такое квадрокоптер, зачем он нужен, кто его придумал и как он устроен?
Отчет Hayden Cotgrove, Christopher Turner, Zachary Yamaoka Tensegrity Drones. Ссылка уже не работает

Во-первых, прототип у них не полетел. Во-вторых, их конструкция — это жесткий дрон внутри тенсегрити-клетки, у нас же элементы дрона встроены в тенсегрити-структуру, которая тем самым является и фреймом и клеткой одновременно. Таким образом, здесь как концептуальные проблемы, так и проблемы качественной реализации.

Возвращаемся к проблемам управления и вибрации. Вот, что написано в отчете Hayden Cotgrove, Christopher Turner, Zachary Yamaoka:

Results
The drone was able to hover for short periods, thus proving that it is possible for tensegrity drones to fly. However, the propellers struggled to lift the drone for a couple of reasons:

Данные проблемы мы решаем с двух сторон — улучшением конструкции для уменьшения вибраций при полете и разработкой алгоритмов управления и оценивания состояния с целью подавления вибраций и более качественного управления, в том числе с учетом дополнительных данных от IMU датчиков на балках и динамической модели тенсегрити-структуры.

Смотрите про коптеры:  Радиоуправляемые танки с пневмо пушкой

Падение на пол с последующим взлетом, в помещении (без монтажа)

Регуляторы оборотов

Регуляторы оборотов или контроллеры скорости полета отвечают за контроль мощности двигателей. Суммарный рабочий ток этих элементов должен превышать по своим показателям максимальный ток электромоторов. Среди основных параметров, о которых нужно знать, подбирая оборотные регуляторы самостоятельно, стоит отметить максимальный рабочий ток и диапазон рабочих напряжений.

Рекомендации по покупке квадрокоптера

Популярность дронов сегодня растет лавинообразно. Многие люди приобретают их просто для видео-селфи, которые можно выложить в Интернет, чтобы удивить и порадовать своих подписчиков в соцсети.

Сразу предупредим: при покупке беспилотника не соблазняйтесь его слишком низкой ценой. На современном рынке много подделок, которые стоят сравнительно дешево, но ведь и небольшую сумму жалко «выбросить на ветер».

Лидерами по оптимальному соотношению цены и качества являются сегодня квадролеты китайской фирмы DJI. Выбрать можно как профессиональные дроны (скажем, DJI Phantom 4 Pro), так и более простые, но очень качественные модели (к примеру, DJI Mavic Air).

При выборе конкретной модели нужно исходить из тех задач, которые вы хотите решать с помощью БПЛА. Например, видео с беспилотника может передаваться в режиме реального времени или же записываться на флеш-память. Первый вариант, разумеется, предоставляет куда больше возможностей по видеосъемке и видеомониторингу.

Дроны различаются и по количеству каналов управления: чем их больше – тем лучше. Новичкам посоветуем обратить внимание на наличие такой полезной функции гаджета, как Headless Mode, благодаря которой не нужно задумываться, где у квадрокоптера перед, а где зад.

Предпочтительнее также выбрать БПЛА с гироскопом: этот миниатюрный датчик контролирует положение дрона во время полета, обеспечивая ему завидную устойчивость, особенно при сильном ветре. В данном случае коптер просто зависает, благодаря чему уменьшается риск сноса его в сторону и столкновения с препятствием.

И, конечно же, огромное значение для любого дрона имеют дальность полета и продолжительность нахождения в воздухе.

Ресерч

Впереди еще много интересного:

подача заявки на патент,

написание научной статьи с подробными исследованиями, апробирование новых вариантов конструкции (ох, их у нас придумано много).

Ручной режим

В первую очередь используется, когда требуется максимальный контроль для маневрирования. Этот режим предпочитают пилоты с опытом. Некоторые базовые контроллеры полета работают только в этом режиме.

Рынок бытовых квадрокоптеров

Несмотря на огромное разнообразие бытовых беспилотников, их можно разделить на три основные группы:

  • Квадрокоптеры для новичков. С ними легко справляются даже дети, отчего такие БПЛА нередко называют игрушками. Однако данные гаджеты хорошо подходят и для взрослых, только начинающих осваивать дроны. Эти аппараты обычно имеют микропроцессор, в обязательном порядке – 6-осевой гироскоп, а также простейший барометрический сенсор (для удержания высоты);
  • Любительские мультикоптеры. Их, как правило, приобретают уже опытные специалисты, которым дроны нужны для решения конкретных задач, скажем, для съемки свадеб, организации воздушных состязаний и так далее. Такие беспилотники обычно оснащены автономными функциями полета и съемки;
  • БПЛА для профессионалов. Предназначены, как нетрудно догадаться, для использования в профессиональной сфере, и управляют ими только опытные пилоты. С помощью этих устройств выполняются спасательные операции, сложная аэросъемка, мониторинг земельных угодий и многое другое. Обладая всеми основными функциями, присущими современным мультикоптерам, такие аппараты оснащены высококачественными видеокамерами, отличной электронной начинкой, емкими аккумуляторами, что обеспечивает дальность полета и качественную съемку. Правда, и стоят профессиональные беспилотники соответственно.

Синергетический эффект

Что такое квадрокоптер, зачем он нужен, кто его придумал и как он устроен?Вы, наверное, уже понялиI have a drone, I have tensegrity. Ugh! (Tensodrone)

Проходил я как-то в нашем гараже мимо привлекающей глаз странной конструкции:

Спросил: «Что это такое?» Мне сказали: «неубиваемая конструкция — роняй, а она не ломается».

Я сломал (на самом деле просто скукожил — изменил форму, потому что резинки были плохо закреплены и сместились). Но такая конструкция нам для дронов нужна! И мы начали авантюрный эксперимент. 

Видео с тестом тенсегрити на выживаемость

Сложности в управлении

Новичок на этапе обучения может столкнуться с некоторыми трудностями контроля. В основном они связаны с пространственной ориентацией аппаратика и координацией движений стиков, что, надо сказать, по началу действительно очень непривычно.

Однако для таких случаев многие производители (в частности бюджетных модификаций) предусмотрели такую полезную функцию, как Headless Mode. Она меняет ориентацию дрона таким образом, что пилоту не нужно задумываться о том, где у квадрона зад, а где перед.

Тенсегрити

Что такое квадрокоптер, зачем он нужен, кто его придумал и как он устроен?Тенсегрити-стол. Источник

Тенсегрити — способность каркасных конструкций использовать взаимодействия работающих на сжатие цельных элементов с работающими на растяжение составными элементами для того, чтобы каждый элемент действовал с максимальной эффективностью и экономичностью (Вики).

Известно множество современных применений такого подхода в архитектуре, откуда он и появился, прежде всего при проектировании мостов.

Что такое квадрокоптер, зачем он нужен, кто его придумал и как он устроен?
Самый большой в мире мост, выполненный в стиле тенсегрити, Австралия. Источник

Тенсегрити в робототехнике

Одно из старейших направлений робототехники — промышленные манипуляторы — сейчас переживает новую стадию своего развития, связанную с т.н. коллаборативной робототехникой. В речи специалистов в этой области можно с большой частотой услышать два термина — stiffness и compliance.

В промышленной робототехнике термин compliance относится к гибкости и податливости. Неподатливый (non-compliant), жесткий (stiff) робот — это устройство, которое работает независимо от того, какие внешние силы на него воздействуют. Энд-эффектор робота будет каждый раз следовать точно по одной и той же траектории.

С другой стороны, энд-эффектор податливого робота может двигаться по различным траекториям для выполнения задачи и прилагать различные усилия к объекту. Например, робот может схватить яйцо, не раздавив его. Управляемая жесткость лежит в основе коллаборативной робототехники.

Идеи применения тенсегрити в робототехнике идут как раз из коллаборативной и «мягкой» (“soft”) робототехники. Тенсегрити структуры — легкие, ударопрочные и дают возможность контролировать их жесткость (податливость) и конфигурацию (форму).

Тенсегрити-роботы в университете иннополис

В УИ мы разрабатываем математический аппарат для моделирования, проектирования и управления робототехническими системами с напряженно-связанными структурами с переменной жесткостью (это и есть тенсегрити). Это фундаментальная работа, применение которой можно найти в самых разных роботах, например, тенсегрити-манипуляторах или шагающих роботах.

Что такое квадрокоптер, зачем он нужен, кто его придумал и как он устроен?Тенсегрити-манипулятор и выпускник и научный сотрудник УИ Олег Балахнов

Олег первым у нас начал прототипировать тенсегрити-роботов — сначала из деревянных палочек и резинок. Фото конструкции из палочек для суши, пожалуй, тоже еще хранит история чатов.

Трансмиттер и пульт управления

Трансмиттер, то есть передатчик сигнала или пульт управления – это основной контрольный элемент любого квадрика. Контроль осуществляется посредством радиоволн, излучаемых аппаратурой на определенной частоте (как правило, это 2,4ГГц для радиосигнала и 5,8 для AV-видеосигнала с большим радиусом покрытия).

Удержание высоты

Полётный контроллер большинства современных дронов имеет барометрические датчики, которые позволяют ему обнаруживать едва заметные изменения атмосферного давления. Выбор этого режима помогает дрону поддерживать заданную высоту.

Удержание позиции по gps

Этот режим автоматически удерживает нужное положение квадрокоптера в боковом и вертикальном положении и идеально подходит для обучения управлению.

Устройство и принцип работы

Принцип действия современных коптеров предельно прост. Каждый несущий винт приводится в движение электромотором. Одна часть двигателей вращается по часовой стрелке, а вторая – против. Это позволило исключить из конструкции квада хвостовой винт и сложный в плане конструктивной реализации автомат перекоса.

Устройство квадрокоптера

В квадрокоптере 4 винта, каждый из которых работает от собственного двигателя. Все винты работают целостно. Контролировать работу устройства получается благодаря микропроцессорной системе. Команды радиоуправления передаются на устройство и системой переводятся в команды каждому двигателю.

В некоторых случаях на аппарат могут быть установлены акселерометр (позволяет зафиксировать устройство в горизонтальном положении) и бародатчик (помогает установить аппарат на нужной высоте). Для удержания небольшой высоты и посадки в автоматическом режиме, может использоваться сонар.

Он помогает облетать препятствия. На четырехвинтовой мультикоптер устанавливают приемник GPS. Он позволяет заранее записать с компьютера маршрут, по которому устройство будет лететь. Если связь с управляющим будет потеряна GPS-приемник помогает вернуть квадрокоптер к месту старта.

В зависимости от расположения двигателей, устройства делятся на 2 вида:

  •     Крестообразный. У мультикоптеров этого вида двигатели размещены так: по одному двигателю спереди, сзади и по бокам.
  •     В виде буквы «Х». В таких устройствах 2 пропеллера находится спереди, 2 сзади. Вместе они напоминают букву «Х».

Чем обусловлено количество моторов на квадрокоптерах?

Во–первых безопасностью: при выходе из строя одного винта или мотора квадрокоптер рухнет на землю и разобьётся, гексакоптер сядет с минимальными повреждениями, октакоптер – фактически не заметит потерю одного двигателя/винта.

Ниже на видео видно, как гексакоптер садится без существенных повреждений на 5 двигателях.

Во–вторых: полезную нагрузку гексакоптер способен взять бОльшую, за счет большей суммарной мощи двигателей.

Но есть у гексы/окты и минусы:

  1. Выше стоимость – рамы стоят дороже, большее количество двигателей, регуляторов оборотов (ESC) и винтов.
  2. Чтобы обеспечить сопоставимое время полета требуются батареи большей емкости.

На современных БПЛА применяются электромоторы двух типов — бесколлекторные и коллекторные. Последними оснащаются в основном бюджетные (самые дешевые и доступные) варианты моделей, профессиональные же дроны укомплектованы более дорогими и надежными бесколлекторными двигателями.

Заключение

Малые мультикоптеры, и в первую очередь квадролеты, становятся неотъемлемой частью жизни современного россиянина. Популярность их растет из года в год. По прогнозам аналитиков, объем мирового рынка этих беспилотников в 2035 году составит не менее 200 миллиардов долларов США, из которых свыше 40 миллиардов придется на долю России. К этому времени на руках наших соотечественников будет не меньше 100 тысяч БПЛА.

Если вы хотите ознакомиться с лучшими современным квадрокоптерами, рекомендуем вам посмотреть наши популярные обзоры:

1. Обзор и рейтинг ТОП 5 лучших квадрокоптеров с камерой в 2020 году.
2. Обзор и рейтинг ТОП 5 лучших квадрокоптеров с камерой в 2021 году.
3. Обзор и рейтинг ТОП 10 лучших квадрокоптеров с камерой в 2021 году.

 Ниже представлены цены на популярные квадрокоптеры (в списке только надежные и проверенные интернет-магазины с хорошими отзывами на Яндекс.Маркете):

Нажмите на ссылку выбранного вами варианта, чтобы увидеть подробные характеристики и комплектацию квадрокоптера.


 Полезное видео на тему: «Как научиться управлять квадрокоптером»

Оцените статью
Добавить комментарий

Adblock
detector