Краткая история квадрокоптеров

Принцип действия

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).

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.

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. Для стабильного зависания квадрокоптера в воздухе, на них обязательно устанавливают 3 гироскопа. Это позволяет зафиксировать крен мультикоптера.

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.

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».

По принципу управления мультикоптеры бывают[3]:

  • автономные
  • дистанционно-управляемые (беспилотные)

Мультикоптеры имеют 3 или более 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 рулевой 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 сторону;
  • ускорить винты, вращающиеся по часовой стрелке, и замедлить вращающиеся против — поворот в плоскости.

Микропроцессорная система переводит команды радиоуправления в команды 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 полёта заранее, с компьютера, а также, возвращать аппарат в точку взлёта, в случае потери управляющего радиосигнала, или снимать параметры полёта оперативно или потом[4].

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:

  1. ускорить все винты — подъём;
  2. ускорить винты с одной стороны и замедлить с другой — движение в строну;
  3. 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

Немного истории и перспективы развития беспилотников

Краткая история квадрокоптеров

Первые дроны появились в конце 1990-х годов. Тогда они были похожи на миниатюрные вертолеты и были спроектированы компанией Flying-Cam для съемок фильмов, в том числе для фильмов о Джеймсе Бонде. Flying-Cam за свои достижения получили 2 Оскара в 1995 и 2014 году.

Первые дроны, несомненно, были приемлемым вариантом для фотографов и режиссеров, но аренда такой аппаратуры стоила очень дорого. А соорудить какое-либо подобие квадрокоптера, не будучи инженером, было практически нереально.

Смотрите про коптеры:  Подборка самых маленьких квадрокоптеров в мире

Но уже в начале 2000-х развитие дронов начало набирать обороты: в Китае энтузиастами была создана компания DJI, которая создавала беспилотные аппараты практически из всего, что было под рукой, а в 2010 году во Франции были презентованы первые коммерческие модели дронов.

Сегодня компания DJI владеет около 50% всего потребительского рынка беспилотников, а ее основатель Фрэнк Ван Тао входит в сотню самых богатых людей мира.

2016 год был действительно прорывом в истории квадрокоптеров. Год начался с яркого представления нового дрона от DJI — Phantom 4, который вобрал в себя массу новых функций, в первую очередь, уклонение от препятствий: дрон ощущает окружающие предметы и останавливает полет, если посчитал, что авария неизбежна.

Краткая история квадрокоптеров

Популярность DJI не давала покоя еще одной компании с мировым именем – GoPro, которые в ответ выпустили своего беспилотника – Karma. Это портативный дрон, который всегда удобно взять с собой благодаря своей компактности. Из-за этого Карма стала популярной моделью среди путешественников и тех, кто привык к активным съемкам.

Не желая отставать, уже через неделю DJI выпустили свой складной квадрокоптер DJI MAVIC, который стал еще меньше и быстрее, чем аналог от GoPro. Кроме того интересной стала новая функция – управление жестами. Теперь оператор может буквально управлять дроном в небе простым взмахом руки.

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.

Краткая история квадрокоптеров

Двухвинтовые вертолёты к квадрокоптерам, как правило, не относят [2].

Мультикоптеры-игрушки

Современное применение мультикоптеров весьма разнообразно: от игрушек, доставки товаров, любительских средств для фото- и видеосъёмки до пассажирских и грузовых транспортных средств и боевых роботов[6][7][8][9].

В любительских и профессиональных мультикоптерах используются коллекторные и бесколлекторные электродвигатели и литий-полимерные аккумуляторы в качестве источника энергии[10]. Винты могут быть установлены непосредственно на вал двигателя, либо через редуктор.

Это накладывает определённые ограничения на их полётные характеристики: типичная масса мультикоптера составляет от 1 до 4 кг, при времени полёта от 10 до 30 минут[11][12] (30—50 минут у уникальных единичных экземпляров). Поднимаемый полезный груз моделями мультикоптеров среднего размера и грузоподъёмности — от 500 г до 2—3 кг, что позволяет поднять в воздух небольшую фото или видеокамеру (обычно экшн-камера в более дешёвых моделях, либо зеркальные камеры в профессиональных).

Существуют и достаточно крупные модели мультикоптеров, с количеством роторов порядка 6-8 (гекса и октокоптеры), способные поднять в воздух груз массой до 20-30 кг. Для увеличения грузоподъёмности применяют соосное расположение несущих роторов, что в случае гексакоптера, например, даёт 12 моторов и 12 пропеллеров, расположенных попарно на 6 несущих лучах.

Смотрите про коптеры:  Купить квадрокоптер в Москве в интернет-магазине Copterdrone

Скорость полёта мультикоптера может быть от нуля (неподвижное висение в точке) до 100—110 км/ч. Запас энергии батарей позволяет отдельным моделям мультикоптеров улетать на расстояние до 7-12 км, на практике же радиус действия (максимальное расстояние, на которое они способны улететь с последующим возвратом в точку взлёта) обычно ограничено 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. Таким образом, наибольшее ограничение на радиус действия мультикоптеров накладывает именно время полёта.

Эти ограничения приводят к тому, что мультикоптеры обычно используются как аппараты «ближнего радиуса действия»: для любительских полётов недалеко от себя, для фото-видеосъёмки близко расположенных объектов и так далее. Для сравнения, беспилотные самолёты с аккумулятором аналогичной ёмкости могут улетать на 10—15 км при высоте полёта 1—2 км.

В последнее время появились миниатюрные квадрокоптеры, умещающиеся на ладони (Walkera Ladybird, WLtoys V929, Blue Arrow nano Loop и пр). Они практически безопасны (масса аппарата мение 100 г), в то же время, позволяют получить основные навыки полёта на мультироторном аппарате, так как принцип их управления ничем не отличается. Квадрокоптеры такого размера возможно запускать дома, не рискуя нанести вред людям или предметам.

Демонстрация полета

В отличие от самолёта, который способен планировать с выключенным двигателем, или вертолёта, который способен сесть с помощью авторотации, мультикоптер при отключении моторов или электропитания, полностью неуправляем. Квадрокоптер при отказе одного из двигателей может сохранять стабилизацию. Гексакоптер или октокоптер помимо этого могут совершить мягкую посадку с одним неработающим мотором, однако не во всех случаях (например, при разрыве хотя бы одной лопасти вибрация из-за дисбаланса увеличивается настолько, что контроллер перестаёт работать, и аппарат переходит в неуправляемое падение). Но уже существуют экспериментальные квадрокоптеры, которые могут стабилизировать полёт и совершить посадку при потере одного из двигателей[13].

Учитывая то, что мультикоптер имеет немалую массу, жёсткий корпус и быстро вращающиеся пропеллеры, его столкновение с людьми или автотранспортом может привести к негативным последствиям. Поэтому полёты над людьми или автодорогами не рекомендуются. Желательно планировать траекторию полёта так, чтобы в случае необходимости (например, при разрядке батареи) внизу было место для безопасной посадки.

Важен и человеческий фактор. Современный полётный контроллер по сложности настройки и количеству полётных режимов почти не уступает настольному компьютеру. Невнимательное чтение документации, отсутствие выполнения необходимых действий (например, калибровки компаса при настройке) могут привести к неуправляемому полёту и потере аппарата. Вылет аппарата за радиус действия пульта при отсутствии режима GPS-возврата также является одной из причин потерь аппаратов.

В целях безопасности некоторые модели дистанционно управляемых мультикоптеров оборудуют дублирующими системами навигации и позиционирования, элементами интеллектуальной роботизации способствующими самостоятельному определению летательным аппаратом препятствии на маршруте полёта и их облёту, защитными кожухами винтов или всего летательного аппарата, самостоятельным возвратом к месту пуска при утере сигнала управления[14][15][7][10].

Чтобы посмотреть как мир выглядит с высоты птичьего полета предлагаю небольшой видеоролик (если видео внизу не отображается, вот

на него).

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.

Смотрите про коптеры:  Как собрать квадрокоптер своими руками: инструкция по сборке квадроптеров и дронов

Краткая история квадрокоптеров

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

История развития дронов

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

Законодательное регулирование

В Российской Федерации установлен разрешительный порядок на полёты всех без исключения беспилотных воздушных аппаратов. Статья 33 Воздушного Кодекса РФ, определяет, какие БВС подлежат регистрации, а какие учёту, но в настоящее время не существует каких-либо правовых последствий за отсутствие у граждан учета/регистрации беспилотных воздушных аппаратов.

За полёты без разрешения на использование воздушного пространства (ИВП) предусмотрена ответственность по ст. 11.4 КоАП — для физических лиц штраф до 5 000 руб., до 50 000 руб. для должностных лиц и до 500 000 руб. для юридических лиц. Для получения разрешения на ИВП в пределах населённых пунктов надлежит заранее подать заявку на ИВП в местный орган самоуправления, в которой указать план полёта.

При этом имеются ограничения — по времени и по территории (запретные зоны и зоны ограничения полетов). Например, безусловно запрещены полёты возле аэропортов, военных и других охраняемых объектов, исправительных учреждений, а на время проведения чемпионата мира по футболу 2018 г.Росавиация вводила ограничения на ИВП над городами проведения чемпионата с 1 июня по 17 июля 2018 г. [16]

Отдельно регулируется фото- или видеосъёмка с использованием беспилотных аппаратов. Съемка с воздуха относится к авиационным работам, даже если речь идёт о получении художественных фотографий. В соответствии с текущим законодательством, для проведения подобных съемок требуется:

  • Разрешение на съемку Генерального штаба вооруженных сил РФ;
  • Разрешение на съемку оперативного управления штаба военного округа, в зоне ответственности которого находится снимаемый объект;
  • Разрешение территориальных органов безопасности ФСБ;

После завершения съемки, заснятый материал передается в региональное УФСБ для рассекречивания для последующего использования в открытом доступе.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector