Как спроектировать собственный квадрокоптер — «Хакер»

Как спроектировать собственный квадрокоптер — «Хакер» Квадрокоптеры

Бортовой компьютер и сенсоры

Выбор полетных контроллеров для коптеров очень велик — начиная от простого и дешевого KapteinKUK и нескольких open source проектов под Arduino-совместимые контроллеры до дорогого коммерческого DJI Wookong. Если ты настоящий хакер, то закрытые контроллеры тебя не должны сильно интересовать, в то время как открытые проекты, да еще и основанные на популярной ардуинке, привлекут многих программистов. О возможностях любого полетного контроллера можно судить по используемым в нем датчикам:

• гироскоп позволяет удерживать коптер под определенным углом и стоит во всех контроллерах; • акселерометр помогает определить положение коптера относительно земли и выравнивает его параллельно горизонту (комфортный полет); • барометр дает возможность удерживать аппарат на определенной высоте.

На показания этого датчика очень сильно влияют потоки воздуха от пропеллеров, поэтому стоит прятать его под кусок поролона или губки; • компас и GPS вместе добавляют такие функции, как удержание курса, удержание позиции, возврат на точку старта и выполнение маршрутных заданий (автономный полет).

К установке компаса стоит подойти внимательно, так как на его показания сильно влияют расположенные рядом металлические объекты или силовые провода, из-за чего «мозги» не смогут определить верное направление движения; • сонар или УЗ-дальномер используется для более точного удержания высоты и автономной посадки; • оптический сенсор от мышки используется для удержания позиции на малых высотах; • датчики тока определяют оставшийся заряд аккумулятора и могут активировать функции возврата на точку старта или приземление.

Сейчас существует три основных открытых проекта: MultiWii, ArduCopter и его портированная версия MegaPirateNG. MultiWii самый простой из них, для запуска требует Arduino с процессором 328p, 32u4 или 1280/2560 и хотя бы одним датчиком-гироскопом. ArduCopter — проект, напичканный всевозможным функционалом от простого висения до выполнения сложных маршрутных заданий, но требует особого железа, основанного на двух чипах ATmega.

Смотрите про коптеры:  Раскладной квадрокоптер Mavic Pro

MegaPirateNG — это клон ArduCopter, который способен запускаться на обычной ардуине с чипом 2560 и минимальным набором датчиков из гироскопа, акселерометра, барометра и компаса. Поддерживает все те же возможности, что и оригинал, но всегда догоняет в развитии.

Продвинутый девяти- канальный пульт
Продвинутый девяти-
канальный пульт

С железом для открытых проектов аналогичная ситуация, как и с рамами для коптера, то есть ты можешь купить готовый контроллер или собрать его самостоятельно с нуля или на основе Arduino. Перед покупкой стоит всегда обращать внимание на используемые в плате датчики, так как развитие технологий не стоит на месте, а старье китайцам как-то надо распродать, к тому же не все сенсоры могут поддерживаться открытыми прошивками.

Наконец, стоит упомянуть еще один компьютер — PX4, отличающийся от клонов Arduino тем, что у него есть UNIX-подобная операционная система реального времени, с шеллом, процессами и всеми делами. Но надо предупредить, что PX4 — платформа новая и довольно сырая. Сразу после сборки не полетит.

Настройка полетных параметров, как и программы настройки, очень индивидуальна для каждого проекта, а теория по ней могла бы занять еще одну статью, поэтому вкратце: почти все прошивки для мультикоптеров основаны на PID-регуляторе, и основной параметр, требующий вмешательства, — пропорциональная составляющая, обозначаемая как P или rateP.

Безопасность

Все новички, думая о безопасности, вспоминают AR.Drone и его защиту винтов. Это хороший вариант, и он работает, но только на мелких и легких аппаратах, а когда вес твоего коптера начинает приближаться к двум килограммам или давно перевалил за эту цифру, то спасти может только прочная железная конструкция, которая будет весить очень много и, как ты понимаешь, сильно уменьшит грузоподъемность и автономность полета. Поэтому лучше сперва тренироваться подальше от людей и имущества, которое можно повредить, а уже по мере улучшения навыков защита станет и не нужна. Но даже если ты пилот со стажем, то не забывай о технике безопасности и продумывай возможные негативные последствия твоего полета при нештатных ситуациях, особенно при полетах в людных местах. Не стоит забывать, что сбой контроллера или канала связи может привести к тому, что аппарат улетит от тебя далеко, и тогда для поиска может пригодиться GPS-трекер, установленный заранее на коптер, или же простая, но очень громкая пищалка, по звуку которой ты сможешь определить его местоположение. Настрой и заранее проверь функцию fail safe твоего полетного контроллера, которая поможет приземлиться или вернуть коптер на точку старта при потере сигнала с пульта.

Лм 15-12 по стандарту: серия ии 65

Лестничные марши ЛМ 15-12 – это обязательные составляющие межэтажной лестницы. Визуально имеют вид монолитной плоской плиты, на одной стороне которой сделан ряд бетонных армированных ступенчатых уступов. Ступеньки выполняются в стандартном размере 150 на 130 мм. При этом марши изготавливаются с шириной 1150, 1350, 1750 мм. Они являются незаменимым связывающим элементом между двумя соседними лестничными площадками в многоэтажных панельных либо кирпичных домах различного назначения. Бетонные армированные лестничные марши ЛМ 15-12 фиксируются в рабочем положении с помощью несущих балок. В проектной Серии ИИ 65 можно посмотреть разнообразные варианты типовых изделий этого типа с габаритными размерами.

1. Варианты маркировки

После изготовления каждый лестничный маршЛМ 15-12 обозначается условной кодировкой по определенным правилам буквенно-цифровой символики. В Серии ИИ 65 приведены варианты маркировки для данного вида изделий из железобетона. Этот документ рекомендует, что на каждой балке надо указывать: наименование произведенной продукции, высоту подъема и ширину марша, выраженные в дециметрах, дату изготовления, массу.

1. ЛМ 15-12;

2. ЛМ 15-14;

3. ЛМ 15-18.

2. Основная сфера применения

Последнее время все больше железобетонных предприятий осваивают выпуск маршевых изделий в широком ассортименте. Из большого перечня такой продукции большой востребовательностью пользуются лестничные маршиЛМ 15-12 широко применяемые при возведении высотных каркасно-панельных зданий производственного либо общественного назначения. Они очень популярны при строительстве домов с высотой этажей от 3,6 до 6,0 метров с междуэтажным интервалом в 0,6 метра. С их помощью обустраивается быстрое обустройство перемещение между этажами. Этому способствует то, что бетонные армированные лестничные маршиЛМ 15-12 изготавливаются со стандартной шириной марша – 1150 мм. Современные межэтажные лестничные сооружения отличаются повышенной устойчивостью к износу и безукоризненной геометрической точностью. Их прекрасная водонепроницаемость и морозостойкость гарантирует продолжительную и надежную эксплуатацию. В строительном проектном документе – Серия ИИ 65 можно найти особенности грамотного подбора лестничных маршей, порядок и условия их монтажа.

3. Обозначение маркировка изделия

На железобетонные лестничные маршиЛМ 15-12 в соответствии с требованиями Серии ИИ 65 наносятся условные обозначения по буквенно-цифровой системе. Они кратко предоставляют информацию о наименовании вида продукции, его габаритных размерах. Например, если займетесь расшифровкой символов условной маркировки на боковой поверхности лестничных маршейЛМ 15-12, то можем получить следующую информацию:

1. ЛМ – бетонный армированный лестничный марш;

2 15 – высота подъема в дециметрах;

3. 12 – ширина лестничного марша в дециметрах.

Планируя возведение межэтажных переходов в промышленных либо общественных зданиях с использованием лестничных маршейЛМ 15-12 изготовленных из железобетона, желательно обратить внимание на их габаритные параметры, которыеимеют следующие значения:

Длина = 3558;

Ширина = 1150;

Высота = 1500;

Вес = 1650;

Объем бетона = 0,66;

Геометрический объем = 6,1376.

4. Изготовление и основные характеристики

Любое предприятие, занимающееся выпуском железобетонной продукции, при изготовлении лестничных маршейЛМ 15-12 стараются применять передовые технологии. Вследствие этого заливку этих армированных бетонных изделий выполняют в специальных стальных кассетах, используя при этом рабочие смеси на основе бетонов тяжелых марок, к примеру, М200 либо М300. Для улучшения эксплуатационных параметров в формовочный раствор добавляют особые присадки. Подъемные межэтажные сооружения должны обладать повышенной прочностью и надежностью, поэтому в их структуру в обязательном порядке закладывают арматурные усиливающие сетки, собранные в пространственный каркас. Для их сборки применяют стальную напряженную проволочную арматуру класса АI. Соединение армирующих элементов рекомендуется выполнять с помощью контактной сварки либо специальной обвязочной проволоки. В Серии ИИ 65 представлены тонкости технологического процесса изготовления лестничных маршейЛМ 15-12. Там же в этом проектном документе описаны правила приемки и условия испытаний произведенной бетонной армированной продукции.

5. Транспортировка и хранение

Перевозку и складирование лестничных маршейЛМ 15-12 рекомендуется выполнять максимально аккуратно. Во время их перемещения необходимо исключить случайные механические удары и возможные падения, так как это может привести к нарушению целостности структуры. Специалисты рекомендуют складывать межэтажные марши на боковые грани. При этом между ними нужно прокладывать деревянные рейки толщиной не менее 25 см. В Серии ИИ 65 можно подробнее ознакомиться с различными возможными вариантами их транспортировки и хранения.

Уважаемые покупатели! Сайт носит информационный характер.
Указанные на сайте информация не являются публичной офертой (ст.435 ГК РФ).
Стоимость и наличие товара просьба уточнять в офисе продаж или по телефону 8 (800) 500-22-52

Моторы и пропеллеры

Из-за вращения моторов в разные стороны приходится использовать разнонаправленные пропеллеры: прямого вращения (против часовой) и обратного вращения (по часовой). Обычно используются двухлопастные пропеллеры, их легче балансировать и найти магазинах, в то время как трехлопастные дадут больше тяги при меньшем диаметре винта, но доставят много головной боли при балансировке.

Плохой (дешевый и неотбалансированный) пропеллер может развалиться в полете или вызвать сильные вибрации, которые передадутся на датчики полетного контроллера. Это приведет к серьезным проблемам со стабилизацией и вызовет сильное смазывание и «желе» на видео, если ты снимаешь что-то с коптера или летаешь с видом от первого лица.

Регулятор скорости,  он же ESC
Регулятор скорости,
он же ESC

У любого пропеллера есть два основных параметра: диаметр и шаг. Их обозначают по-разному: 10 × 4.5, 10 × 45 или просто 1045. Это означает, что диаметр пропеллера 10 дюймов, а его шаг 4,5 дюйма. Чем длиннее пропеллер и больше шаг, тем большую тягу он сможет создавать, но при этом повысится нагрузка на мотор и увеличится потребление тока, в результате он может сильно перегреться и электроника выйдет из строя.

Поэтому винты подбираются под мотор. Ну или мотор под винты, тут как посмотреть. Обычно на сайтах продавцов моторов можно встретить информацию о рекомендуемых пропеллерах и аккумуляторах для выбранного мотора, а также тесты создаваемой тяги и эффективности.

Также чем больше винт, тем больше его инерция. Если нужна маневренность, лучше выбрать винты с большим шагом или трехлопастные. Они при том же размере создают тягу в 1,2–1,5 раза больше. Понятно, что винты и скорость их вращения нужно подбирать так, чтобы они смогли создать тягу большую, чем вес аппарата.

А вот и моторчик  на 850 kV
А вот и моторчик на 850 kV

И наконец, бесколлекторные моторы. У моторов есть ключевой параметр — kV. Это количество оборотов в минуту, которые сделает мотор, на поданный вольт напряжения. Это не мощность мотора, это его, скажем так, «передаточное число». Чем меньше kV, тем меньше оборотов, но выше крутящий момент.

Чем больше kV при той же мощности, тем больше оборотов и ниже момент. При выборе мотора ориентируются на то, что в штатном режиме он будет работать при мощности 50% от максимальной. Не стоит думать, что чем kV больше — тем лучше, для коптеров с типичной 3S-батареей рекомендуемое число находится в диапазоне от 700 до 1000 kV.

Питание и контроллеры питания

Капитан подсказывает: чем больше мощность мотора, тем больше батарейка ему нужна. Большая батарейка — это не только емкость (читай, время полета), но и максимальный ток, которая она отдает. Но чем больше батарейка, тем больше и ее вес, что вынуждает скорректировать наши прикидки относительно винтов и моторов.

На сегодняшний день все используют литий-полимерные батарейки (LiPo). Они легкие, емкие, с высоким током разрядки. Единственный минус — при отрицательных температурах работают плохо, но если их держать в кармане и подключать непосредственно перед полетом, то во время разряда они сами слегка разогреваются и не успевают замерзнуть. LiPo-элементы вырабатывают напряжение 3,7 В.

При выборе батареи стоит обращать внимание на три ее параметра: емкость, измеряемую в миллиампер-часах, максимальный ток разряда в емкостях аккумулятора (С) и число ячеек (S). Первые два параметра связаны между собой, и при их перемножении ты узнаешь, сколько тока сможет отдавать этот аккумулятор продолжительное время.

Например, твои моторы потребляют 10 А каждый и их четыре штуки, а батарея имеет параметры 2200 мА · ч 30/40C, таким образом, коптеру требуется 4 • 10 A = 40 A, а батарея может выдавать 2,2 A • 30 = 66 A или 2,2 А • 40 = 88 А в течение 5–10 секунд, что явно будет достаточно для питания аппарата.

Также эти коэффициенты напрямую влияют на вес аккумулятора. Внимание! Если тока будет не хватать, то в лучшем случае батарея надуется и выйдет из строя, а в худшем загорится или взорвется; это же может произойти при коротком замыкании, повреждении или неправильных условиях хранения и зарядки, поэтому используй специализированные зарядные устройства, аккумуляторы храни в специальных негорючих пакетах и летай с «пищалкой», которая предупредит о разрядке.

Число ячеек (S) указывает на количество LiPo-элементов в батарее, каждый элемент выдает 3,7 В, и, например, 3S-аккумулятор будет отдавать примерно 11,1 В. Стоит обращать внимание на этот параметр, так как от него зависят скорость оборотов моторов и тип используемых регуляторов.

Элементы батареи объединяют последовательно или параллельно. При последовательном включении увеличивается напряжение, при параллельном — емкость. Схему подключения элементов в батарее можно понять по ее маркировке. Например, 3S1P (или просто 3S) — это три последовательно подключенных элемента.

Однако моторы подключаются к батарее не напрямую, а через так называемые регуляторы скорости. Регуляторы скорости (они же «регули» или ESC) управляют скоростью вращения моторов, заставляя твой коптер балансировать на месте или лететь в нужном направлении.

Большинство регуляторов имеют встроенный стабилизатор тока на 5 В, от которого можно питать электронику (в частности, «мозг»), можно использовать отдельный стабилизатор тока (UBEC). Выбираются контроллеры скорости исходя из потребления мотором тока, а также возможности перепрошивки.

Обычные регули довольно медлительны в плане отклика на поступающий сигнал и имеют множество лишних настроек для коптеростроительства, поэтому их перепрошивают кастомными прошивками SimonK или BLHeli. Китайцы и тут подсуетились, и часто можно встретить регуляторы скорости с уже обновленной прошивкой.

Не забывай, что такие регули не следят за состоянием аккумулятора и могут разрядить его ниже 3,0 В на банку, что приведет к его порче. Но в то же время на обычных ESC стоит переключить тип используемого аккумулятора с LiPo на NiMH или отключить уменьшение оборотов при разрядке источника питания (согласно инструкции), чтобы под конец полета внезапно не отключился мотор и твой беспилотник не упал.

Моторы подключаются к регулятору скорости тремя проводами, последовательность не имеет значения, но если поменять любые два из трех проводов местами, то мотор будет вращаться в обратном направлении, что очень важно для коптеров.

Два силовых провода, идущих от регулятора, надо подключить к батарейке. НЕ ПЕРЕПУТАЙ ПОЛЯРНОСТЬ! Вообще, для удобства регуляторы подключают не к самой батарейке, а к так называемому Power Distribution Module — модулю распределения энергии. Это, в общем-то, просто плата, на которой припаяны силовые провода регуляторов, распаяны разветвления для них и припаян силовой кабель, идущий к батарее.

Разработка математической модели бпла на базе квадрокоптера с рамой dji f-450

Разработка математической модели БПЛА на базе квадрокоптера с

рамой БЛ Р-450

В.С. Лазарев, А.А. Лащев Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону

Аннотация: В статье разрабатывается трехмерная математическая модель БПЛА на базе квадрокоптера как наиболее распространенного типа БПЛА на данный момент. Квадрокоптер базируется на раме БЛ Б-450. При разработке модели учитывались кинематические и динамические характеристики, тяга приводов и матрицы поворота в трехмерной системе координат.

Ключевые слова: квадрокоптер, БПЛА, модель кинематики, модель динамики, трехмерная среда, БЛ Б-450, двигатель, матрицы поворота, тяга, подвижный объект.

1. Введение

История применения БПЛА насчитывает более полувека. На сегодняшний день актуально использование беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) для решения широкого круга задач: как военных, так и гражданских [1]. Например, в задачах, связанных с групповым управлением подвижных объектов [2,3].

Но при том, что в нашей стране и мире разрабатывается и исследуется большое число различных видов БПЛА [4], обычно объектом исследования зарубежных [5-7] и отечественных [8, 9] ученых выступает квадрокоптер. Этому есть несколько причин. Одна из них – дешевизна в производстве по сравнению с другими типами БПЛА. Например, расчетная стоимость при массовом производстве может достигать 10 долларов за единицу [10]. В том числе и снижение стоимости малоразмерных БЛА при их массовом производстве сделает экономически целесообразным их групповое применение. В работе [10] предложено выделять несколько этапов создания и применения БПЛА, первым из которых является разработка отдельных БПЛА. Создание таких систем невозможно без построения математических моделей каждого квадрокоптера.

2. Описание модели квадрокоптера и принятые допущения

Внешний вид квадрокоптера на базе рамы БЛ Б-450 представлен на рис. 1 а. Согласно рис.1 а, каждый двигатель создает тягу и момент вращения. Моменты двигателей 1 и 3, компенсируются моментами 2 и 4.

а б

Рис. 1- Квадрокоптер: а) с системой координат, б) углы ориентации

Приняты следующие допущения: рама квадрокоптера и его винты абсолютно жесткие; каждый двигатель располагается на концах лучей рамы; тяга, создаваемая каждым винтом, перпендикулярна плоскости OXY.

На рис. 1 б приведено изображение инерциальной системы координат, относительно которой будет вращаться связанная система координат квадрокоптера. В ней использованы углы Эйлера из рис.2. Связь между двумя системами координат осуществляется с помощью матрицы [4]:

сy • св су•sф• se-sy • сф су • сф^в s^sy

Л(ф,в,у)= sy• св s^sy• se сф-су sy• сф-se-су• sф , (1) – se sф■cв сф-св

Где sin- s и ms- с соответственно.

Двигатели 1-4 являются электроприводами постоянного тока.

Параметры двигателей: Jr – момент инерции вала; Ь – коэффициент вязкого

трения; К- коэффициент ЭДС; К^ – момент вращения двигателя; Я –

электрическое сопротивление цепи; L – индуктивность.

На основе 2-го закона Ньютона и закона напряжений Кирхгофа мы можем записать следующее матричное уравнение (2):

с Ж

Ж

-ь К1_

Jг,

г г

– Ке Я

г Тг

с ” 0 ” 1 ■ и

1 _ •1г _

(2)

Находим тягу винтов квадрокоптера (3): р = ст -Р-А(с-ВгаЖ)2,

(3)

где Ст – коэффициент тяги; р – плотность воздуха; А – площадь диска, который образует пропеллер; ^ – радиус ротора.

З.Движение квадрокоптера в связанной системе координат

Уравнения кинематики(4) и динамики(5) в общем виде выглядят так: у = Я(ф,в,¥)х (4)

х = М-1 (( ^ ^) (5)

где, у = [рг вР]т – вектор внешних, базовых, неподвижных, земных координат (положение робота), х = [ут £оПг – вектор внутренних координат, ¥и – вектор управляющих сил и моментов, ^ – вектор внешних сил и моментов, ¥у – вектор гравитационных сил и моментов, М матрица массо-инерционных параметров. Раскроем модель кинематики (5), используя (1):

х0

У 0

¿0 ф

в V

~А(ф,в,¥) 0

0 А№ (ф,вV

К у.

Сх

С

с,

(5)

Где, А (ф,в,щ) =

1 8Шф- Щв 008 ф- Щв

0 008ф – 8Шф

0 8Шф 008 ф

008>в 008в Раскроем модель динамики квадрокоптера (6):

“V*”

Ку

V;

0 *

0 у

0 ;

тх

о

о

ту

о о

о о о о

о о

о о

о о

т2 о

о Jx

о о

о о

3

о

о о о о о о

о о о

– т{о>Уу -(уК )- С,

р*-

V2

/ V2

– Щ^хК ) Су ря —

( V2

– т {сОуУх-®Уу) С2 ря—

– 3у К( тР,У-/ ч V2

-(х – )(х(; ту ря — -(у – 3х К°у

Г р 1 их

– тозЫзтф)

Ри Кх – С05(9)с05(ф) о

Ку о

_ К; _ о

Тогда управляющие силы и моменты будут равны (7) и (8).

(7)

Р =

о о

СТ -р- АЯгас12(12 ®22 ®32 (2)

Ыр =

СТ ■р-АЯГас1 21 008(рк )( СТ -р- АКШ2/вт(<рк%

ь(- (

2 2,2 2 ( -®4 ®2 -®1 j

2222 ( -®1 ( -®3 )

– ( (о – (£>1 0)1

)

(8)

тщ

(6)

4. Заключение

В статье разработана трехмерная математическая модель БПЛА на базе квадрокоптера, с рамой БЛ Б-45о при некоторых допущениях. Для описания движения квадрокоптера в пространстве использовались 2 системы координат. При этом учитывались: кинематика и динамика движения; силы и моменты, действующие на БПЛА. Приведена математическая модель двигателей (электроприводов постоянного тока) 1-4. Разработанная математическая модель будет использована при разработке систем группового управления движением БПЛА.

Благодарности

Работа выполнена при поддержке проекта НИР СП-4658.2021.5 (Конкурс СП-2021).

Литература

1. Кульченко А.Е. Структурно-алгоритмическая организация автопилота робота-вертолета // Инженерный вестник Дона, 2021, №1 URL: http://ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2021/330/.

2. Белоглазов Д.А., Гайдук А.Р., Косенко Е.Ю., Медведев М.Ю., Пшихопов В.Х., Соловьев В.В., Титов А.Е., Финаев В.И., Шаповалов И.О. Групповое управление подвижными объектами в неопределенных средах. М.: Физматлит, 2021. 304 с.

3. Иванов Д.Я. Пространственные формации в группах беспилотных летательных аппаратов // Материалы конференции «Управление в технических, эргатических, организационных и сетевых системах» (УТЭОСС-2021). СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2021. С. 1226-1229.

4. Кульченко А.Е., Лазарев В.С., Медведев М.Ю. Метод управления движением гексакоптера в трехмерной среде с препятствиями на базе динамических отталкивающих сил // Инженерный вестник Дона, 2021, №4 (43) URL: http:// ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2021/3828.

5. Madani T., Benallegue A. Backstepping control for a quadrotor helicopter // Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2006. pp. 3255-3260.

6. Castillo P., Dzul A., Lozano R. Real-time stabilization and tracking of a four-rotor mini rotorcraft// IEEE Transactions on Control Systems Technology. -2004. № 12 (4). pp. 510-516.

7. Gong X., Hou Z.-C., Zhao C.-J., Bai Y., Tian Y.-T. Adaptive Backstepping Mode Trajectory Tracking Control for a Quad-rotor // International Journal of Automation and Computing, 2021. № 9 (5). pp. 555-560.

8. Огольцов И.И., Рожнин Н.Б., Шеваль В.В. Математическая модель квадрокоптера аэромобильного лидара // Известия ТулГУ. Технические науки. 2021. № 1. C. 47-55.

9. Петраневский И.В., Борисов О.И., Громов В.С., Пыркин А.А. Управление квадрокоптером с компенсацией ветровых возмущений // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. №6 С. 1045-1053.

10. Соколов В.Б., Теряев Е.Д. Беспилотные летательные аппараты: некоторые вопросы развития и применения (обзор по материалам публикаций в Интернете) // Мехатроника. Автоматизация. Управление. 2008. № 2. C. 12-23.

References

1. Kulchenko A.E. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2021, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2021/330/.

2. Beloglazov D.A., Gajduk A.R., Kosenko E.Ju., Medvedev M.Ju.,Pshihopov V.Kh., Solovjev V.V., Titov A.E., Finaev V.I., Shapovalov I.O. Gruppovoe upravlenie podvizhnymi objektami v neopredelennyh sredah[Vehicles group control in uncertain environments]. M.: Fizmatlit, 2021. 304 p.

3. Ivanov D.Ya. Materialy konferentsii «Upravleniye v tekhnicheskikh, ergaticheskikh, organizatsionnykh i setevykh sistemakh» (UTE0SS-2021). [Proc. Symp. Management in technical, ergatic, organizational and network systems -2021]. Saint-Petersburg, 2021. pp. 1226-1229

4. Kulchenko A.E., Lazarev V.S., Medvedev M.Yu. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2021, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2021/3828.

5. Madani T., Benallegue A. RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2006. pp. 3255-3260.

6. Castillo P., Dzul A., Lozano R. IEEE Transactions on Control Systems Technology. 2004. № 12 (4). pp. 510-516.

7. Gong X., Hou Z.-C., Zhao C.-J., Bai Y., Tian Y.-T. International Journal of Automation and Computing. 2021.№ 9 (5). pp. 555-560.

8. Ogolcov I.I., Rozhnin N.B., Sheval V.V. Izvestija TulGU. Tehnicheskie nauki. 2021. № 1. pp. 47-55.

9. Petranevskij I.V., Borisov O.I., Gromov V.S., Pyrkin A.A. Nauchno-tehnicheskij vestnik informacionnyh tehnologij, mehaniki i optiki. 2021. №6 pp.1045-1053.

10. Sokolov V.B., Teryayev Ye.D. Mekhatronika. Avtomatizatsiya. Upravleniye. 2008. № 2. pp. 12-23..

Сборка


Через несколько дней все детали были на месте, и можно было приступать к сборке.

Сборка коптера в 23 картинках

Детали разложены на столе, сборка начинается. Порядок долго не продержался…

image

Для начала пилим трубки под нужную длину — 22см и 28см, все четыре пилятся из одной метровой трубки. Пилкой для металла с мелкими зубьями идет очень хорошо.

image

Примеряем зажимы к нижнему центру.

image

Центр собран для проверки, все ли стыкуется как надо. Вроде да.

image

Прикрутил все остальные части рамы. Похоже, что почти готово? Как бы не так.

image

Оси моторов нужно обрезать — они выступают с задней стороны, и мешают установке сверху трубок. Обклеиваем мотор клейкой лентой, дабы не допустить попадания металлических опилок внутрь…

image

… и Дремелем его, Дремелем. Дремель режет 3-миллиметровую ось как нож масло. Главное защитные очки нe забыть.

image

Снимаем термоусадку с контроллеров моторов, чтобы припаять новые провода.

image

Провода нарезаны под нужную длину. Припаиваем разъмы для моторов. По три фазы на мотор, паять надо дофига — и это всeго лишь квад.

image

Размещаем контроллеры на нижней полураме.

image

Прикручиваем мотор и проводим кабеля через трубку. Всe собирается, как запланировано!

image

Изолируем контроллеры новой термоусадкой, когда все кабеля на месте.

image

Устанавливаем контроллеры моторов на их окончательную позицию. Проводов многовато, но достаточно чисто.

image

Разводка проводов от аккумулятора, методом RCExplorer. Сначала собираем провода от контроллеров пучком…

image

… стягиваем тонкой медной проволокой…

image

… спаиваем, и изолируем термоусадкой. Соединение получается механически крепкое, и хорошо проводящее.

image

Примеряем итоговую сборку: все совпадает! Верхняя полурама еще не прикручена, просто лежит сверху.

image

Верхняя полурама с управляющей электроникой в центре (контроллер и GPS) и виброизолированными трубками с камерой и аккумулятором.

image

Видеооборудование нa нижней стороне верхнего центра: видеокабель из камеры идет в MinimOSD, там на него накладывается информация из полетного контроллера, и дальше в видеопередатчик.

image

Нижняя полурама готова к установке верхней. Моторы приподняты, чтобы зажимы в центре не распались, когда будут откручены временные гайки.

image

Устанавливаем и прикручиваем верхнюю полураму. Затягиваем гайки, соединяем всe провода…

image

… готово!

Результат сборки:

Вот такой коптер получился. Единственное, чем я недоволен — это вес. Облегчить конструкцию не удалось, за счет зажимов для трубок и огромного количества винтов с гайками общий вес поднялся до 1950 грамм. Однако это еще вполне в рамках мощности привода — мои сомнения были полностью развеяны во время первого полета.

Создание сельскохозяйственного квадрокоптера «агро 500»

Актуальность

Одной из самых острых экологических проблем сельского хозяйства во многих регионах России является широкое распространение борщевика Сосновского, который наносит вред ландшафтам и крайне опасен для здоровья человека. Для борьбы с борщевиком традиционно используются наземные методы с применением сельскохозяйственной техники и ручного труда. Наземные методы трудозатратны, возможен непосредственный контакт с растением, что несёт в себе риски для здоровья. Кроме того, с помощью наземных методов невозможно обработать труднодоступные места при прорастании борщевика между заборами, около воды, в заболоченной местности.

До сих пор в нашей стране не нашел широкого применения метод распыления гербицидов с воздуха. Сдерживающими факторами выступают высокая стоимость и внушительные габариты существующих беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).

Цель

Создать беспилотный летательный аппарат – квадрокоптер с устройством распыления жидкости, позволяющий распылять гербициды в автономном режиме, доступный по стоимости и габаритам для широкого применения на малых предприятиях агропромышленного комплекса и в личном подсобном хозяйстве.

Задачи

  1. Произвести выбор рамы и комплектующих квадрокоптера «Агро 500» согласно требуемой полезной нагрузке и собрать квадрокоптер «Агро 500».
  2. Разработать в программе «Fusion 360» 3D-модель устройства для распыления жидкости.
  3. Создать в программе «Компас 3D» чертежи устройства распыления жидкости и напечатать на 3D-принтере детали. 
  4. Установить готовое устройство на квадрокоптер и провести лётные испытания.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • ноутбук с установленным ПО (Autodesk Fusion 360, Python)
  • 3D-принтер «Ultimaker 3», паяльная станция «Lukey 702»
  • модифицированная плата Arduino Mega
  • насос мембранный R385 и радиоуправляемым переключателем RC-switch
  • для квадрокоптера (рама ReadyToSky Martian II, полётный контроллер PX4 Autopilot PixRacer R15, моторы EMAX ECO 2306)
  • различные компоненты и расходные материалы, непосредственно использованные в устройстве

Описание

Создание сельскохозяйственного квадрокоптера «Агро 500». Согласно требуемой полезной нагрузке автором был произведен выбор рамы и комплектующих, после чего был собран квадрокоптер на 500 раме.

Для создания устройства распыления жидкости в программе «Fusion 360» автором была разработана 3D-модель устройства, созданы чертежи устройства и напечатаны на 3D-принтере детали.

Устройство распыления жидкости состоит из следующих деталей:

Как спроектировать собственный квадрокоптер — «Хакер»

  • напечатанный на 3D-принтере бак для жидкостей объемом 1 литр;
  • напечатанный на 3D-принтере быстросъёмный крепеж;
  • насос мембранный R385;
  • 4 силиконовые трубки;
  • 4 регулируемые форсунки.

Бак устанавливается на квадрокоптер «Агро 500» с помощью быстросъёмного крепежа, который в свою очередь прикручивается к раме. Четыре форсунки закреплены на четырёх лучах. Мембранный насос, работающий от 12 вольт, питается от платы распределения питания на квадрокоптере. Насос включается радиоуправляемым переключателем RC-switch вручную с пульта либо программным методом. Форсунки регулируются, позволяя менять размер капель в зависимости от цели.

Детали устройства распыления жидкости были созданы с помощью аддитивной технологии FDM.

Устройство распыления жидкости можно напечатать на 3D-принтерах с размером стола не менее 200х200х210 мм. В проекте используется принтер Ultimaker 3.

Время изготовления всех печатаемых деталей около суток (~26 часов) при толщине слоя 0,2 мм и заполнении 10 %. Используется 30 м ABS пластика. Общий вес напечатанных на 3D-принтере деталей устройства распыления жидкости составляет 224 грамма. Готовое устройство распыления жидкости было установлено на квадрокоптер. Затем для проверки работоспособности и надежности системы автором были проведены лётные испытания. Квадрокоптер «Агро 500» пилотируется как в ручном, так и в автономном режиме. После установки и подготовки устройства создается план облёта территории. Оператор, управляющий БПЛА, запускает программу, созданную с помощью планировщика заданий (Qgroundcontroll, Mission Planer). Квадрокоптер «Агро 500» автономно облетает территорию, опрыскивая растения. После того как закончится миссия, квадрокоптер возвращается в точку взлёта и заканчивает полёт.

Как спроектировать собственный квадрокоптер — «Хакер»

В результате проектной работы был создан сельскохозяйственный квадрокоптер «Агро 500», который имеет следующие технические характеристики:

  • габаритный размер 400х400х250 мм
  • масса без полезной нагрузки – 1,5 кг
  • максимальный взлетная масса – 2,5 кг
  • ёмкость бака – 1 литр, для обработки гербицидами 0,1 га
  • дальность радиоуправления – 1 км
  • максимальная скорость полета без полезной нагрузки ~65 км/ч
  • максимальная производительность насоса – 1,6 л/мин
  • дальность приема радиотелеметрии ~ 500 м
  • время висения в идеальных условиях ~25мин
  • время полета ~15 мин
  • стоимость квадрокоптера «Агро 500» (стоимость комплектующих) – 29150 руб.

Результаты работы/выводы

Созданный сельскохозяйственный квадрокоптер «Агро 500» позволяет бороться с борщевиком путём распыления гербицидов с воздуха полностью в автономном режиме. Квадрокоптер может также использоваться для распыления пестицидов, фунгицидов, жидких удобрений, орошения растений.

Квадрокоптер «Агро 500» имеет низкую стоимость и небольшие размеры, что позволяет использовать его в личном подсобном хозяйстве и на малых предприятиях агропромышленного комплекса.

Перспективы использования результатов работы

В перспективе возможно добавление опций автоматического распознавания растений и автономного обхода препятствий.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

МАИ, ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»

Награды/достижения (в каких конкурсах и с какими результатами выставлялась ранее эта работа)

  • Победитель – Московский городской конкурс исследовательских и проектных работ обучающихся;
  • Победитель – XLVII Международная молодежная научная конференция «Гагаринские чтения» МАИ;
  • Участник – Московский международный фестиваль творческих открытий и инициатив «Леонардо»;
  • Победитель конкурса лучших роликов – 2021 «Леонардо»;

Призёр – XXX Открытая московская инженерная конференция школьников «Потенциал».

Теория полета

В теории полета (аэродинамике) принято выделять три угла (или три оси вращения), которые задают ориентацию и направление вектора движения летательного аппарата. Проще говоря, летательный аппарат куда-то «смотрит» и куда-то двигается. Причем двигаться он может не туда, куда «смотрит».

Три эти угла принято называть крен, тангаж и рыскание. Крен — это поворот аппарата вокруг его продольной оси (оси, которая проходит от носа до хвоста). Тангаж — это поворот вокруг его поперечной оси (клюет носом, задирает хвост). Рыскание — поворот вокруг вертикальной оси, больше всего похожий на поворот в «наземном» понимании.

schema
Основные маневры (слева направо): движение по прямой, крен/тангаж и рыскание

В классической схеме вертолета основной винт при помощи автомата перекоса лопастей управляет креном и тангажем. Так как основной винт обладает ненулевым сопротивлением воздуха, у вертолета возникает вращающий момент, направленный в сторону, противоположную вращению винта, и, чтобы его скомпенсировать, у вертолета есть хвостовой винт.

Изменяя производительность хвостового винта (оборотами или шагом), классический вертолет управляет своим рысканием. В нашем же случае все сложнее. У нас есть четыре винта, два из них вращаются по часовой стрелке, два — против часовой. В большинстве конфигураций используются винты с неизменяемым шагом и управлять можно только их оборотами.

Если мы увеличим обороты одного винта, вращающегося по часовой стрелке, и уменьшим обороты другого винта, вращающегося по часовой стрелке, то мы сохраним общий момент вращения и рыскание по-прежнему будет нулевым, но крен или тангаж (в зависимости от того, где мы сделаем ему «нос») изменятся.

А если мы увеличим обороты на обоих винтах, вращающихся по часовой стрелке, а на винтах, вращающихся против часовой стрелки, уменьшим (чтобы сохранить общую подъемную силу), то возникнет вращающий момент, который изменит угол рыскания. Понятное дело, что все это будем делать не мы сами, а бортовой компьютер, который будет принимать сигнал с ручек управления, добавлять поправки с акселерометра и гироскопа и крутить винтами, как ему надо.

Для того чтобы спроектировать коптер, необходимо найти баланс между весом, временем полета, мощностью двигателей и другими характеристиками. Все это зависит от конкретных задач. Все хотят, чтобы коптер летал выше, быстрее и дольше, но в среднем время полета составляет от 10 до 20 минут в зависимости от емкости аккумулятора и общего полетного веса.

Стоит запомнить, что все характеристики связаны между собой и, к примеру, увеличение емкости аккумулятора приведет к увеличению веса и, как следствие, к уменьшению времени полета. Чтобы узнать, сколько примерно твоя конструкция будет висеть в воздухе и сможет ли вообще оторваться от земли, существует хороший онлайн-калькулятор ecalc.ch.

Но прежде чем вбивать в него данные, нужно сформулировать требования к будущему аппарату. Будешь ли ты устанавливать на аппарат камеру или другую технику? Насколько быстрым должен быть аппарат? Как далеко тебе нужно летать? Давай посмотрим на характеристики различных компонентов.

PX4 — бортовой ком- пьютер с полноценной UNIX-системой
PX4 — бортовой компьютер с полноценной UNIX-системой

Универсальный способ изготовления корпусов судомоделей | моделист-конструктор

«Являюсь вашим давним подписчиком и слежу за публикациями, посвященными моделизму. Сам более 20 лет строю стендовые модели, интересуюсь историей техники, — пишет нам А.Коровяковский из г. Петропавловска-Камчатского. — Хочу поделиться с моделистами через ваш журнал своими секретами изготовления судомоделей».

Думаю, что он подойдет для постройки авиа-, авто — и других моделей, где используются шпангоуты. Рассмотрим этот способ на примере постройки корпуса модели корабля. На теоретическом чертеже имеются шпации и контуры шпангоутов, а также точки пересечения линий ДП и КВЛ. Изготовление корпуса начните с подготовки шаблонов шпангоутов из дюралюминия или жести толщиной 0,2—0,5 мм (можно из текстолита, гетинакса, электрокартона или фанеры) с двумя отверстиями в точках пересечения: первое ДП и КВЛ, второе — ДП и ВЛ. Просверлите их или проколите шилом. Затем нарежьте из пенопласта пластины толщиной, равной шпации. Наложите шаблон на пластину и тонким сверлом сделайте два отверстия в пенопласте. В них вставьте тонкие резьбовые шпильки, с другой стороны пластины наденьте на них шаблон соседнего шпангоута и стяните этот блок гайками.

Торцы шпангоутов зачерните простым карандашом. Теперь если раскаленной нихромовой проволокой провести по шаблонам шпангоутов, то получится соответствующая часть корпуса. Разберите этот блок и соберите следующий из смежных шпангоутов и т.д. Для носовой и кормовой бобышек используйте прямоугольные куски плотного пенопласта. Обработайте их вручную по шаблонам носа и кормы, также используя первый и последний шпангоуты. Их лучше обрабатывать ножом, острой бритвой и наждачной бумагой. Для облегчения работы советую блок разрезать пополам вдоль ДП.

При сборке пенопластового корпуса для фиксации блоков в отверстия вставьте длинные спицы или тонкие трубки (если длина корпуса большая) и все блоки соберите на клее ПВА. Если при обработке блоков раскаленной нихромовой проволокой пенопласт дал усадку, то после склейки корпуса эти места залейте парафином и доведите до требуемых очертаний, при этом можно получить и плавные обводы.

Если усадки не произошло, то полученный корпус может страдать таким недостатком, как угловатость, но здесь на помощь приходит наждачная бумага. Вышкурите корпус, добейтесь плавности обводов. Теперь он готов к обшивке. Небольшое уменьшение корпуса при вышкуривании только на руку, так как при оклейке он войдет в нужный размер.

Разбивка корпуса на шпации.
Разбивка корпуса на шпации.
Обрезка пенопластового блока по шаблонам.
Обрезка пенопластового блока по шаблонам.
Крепление шаблонов к пенопластовому блоку.
Крепление шаблонов к пенопластовому блоку.
Готовые части корпуса.
Готовые части корпуса.
Пенопластовый блок для носовой части.
Пенопластовый блок для носовой части.

Наилучшей обшивкой, как известно, пока является обтяжка стеклотканью (капроном) с пропиткой эпоксидной смолой. При наличии сложных обводов типа тел вращения или корпусов с погибью оклеивать желательно весь корпус, а потом вырезать люки для установки механизмов. Для увеличения жесткости модели фанерные (или картонные) шпангоуты можно вклеить в пенопластовый корпус.

Изготовление дефлекторных вентиляторов

В литературе по судомоделизму авторы, когда доходит дело до изготовления этой «мудреной» детали, чаще всего предлагают лить ее из свинца, точить из металлического прутка и т.п. В то время как детали надстройки плавающей модели должны быть легкими и прочными, например, из тонкой фанеры, электрокартона, алюминия, оргстекла.

Из всех перечисленных материалов при изготовлении дефлекторов я предпочитаю оргстекло. Во-первых, оно точится на станке, во-вторых, более чем в два раза легче алюминия (к тому же широкий диапазон толщин, начиная от 0,8 мм) и, в-третьих, легко склеивается. Дефлектор я делаю из двух деталей: одна — конус, другая — цилиндр. Такое упрощение позволяет выточить их на токарном станке.

Дефлектор.
Дефлектор.
Изготовление дефлектора.
Изготовление дефлектора.
Кондуктор.
Кондуктор.

Сначала изготовьте пруток диаметром раструба и просверлите его насквозь вдоль оси. Затем выточите пруток под вертикальную трубу и просверлите отверстие, как показано на рисунке. Горизонтальный раструб установите в кондуктор и просверлите отверстие, равное диаметру вертикальной трубы. Обрежьте заготовки, если это необходимо, и скрепите их между собой клеем на основе дихлорэтана.

Используя шаблон, напильником придайте раструбу заданную форму и расточите его на конус. Если раструб другой формы, то ручной работы будет больше, тогда его лучше изготавливать вакуумформованием.

Гребные валы для небольших моделей кораблей советую делать из спиц импортных зонтов — металл упругий, прочный, да еще и никелированный.

А.КОРОВЯКОВСКИЙ

г.Петропавловск-Камчатский

Оцените статью
Добавить комментарий

Adblock
detector