👆Как упростили нашу жизнь квадрокоптеры | Квадрокоптеры и гексакоптеры | Блог | Клуб DNS

Что мы имеем в распоряжении?

На данный момент в легкой доступности имеем стандартный набор сенсоров:

  • довольно хорошие 3-х осевые гироскопы.
  • средние по качеству 3-х осевые акселерометры
  • средний по качеству 3-х осевой магнетометр
  • средний или плохой барометр

Такой набор в сборе с Arduino-подобным процессором или в виде отдельной платки можно найти за сумму 70-100$

У каждого датчика свои возможности и слабые стороны. По отдельности ни один из них не может решить ни одну и перечисленных выше задач, поэтому системы ИНС всегда строятся из комбинации датчиков, и самое интересное тут — это вычислительные алгоритмы, позволяющие соединить сильные стороны каждого из датчиков для устранения их недостатков.

Первая задача — стабилизация ориентации — довольно успешно решается гироскопами. Гироскопы очень точно меряют угловую скорость и после интегрирования можно получить углы. Но у них есть проблема — показания уплывают со временем. Для коррекции этого дрифта применяется акселерометр, который всегда (ну или почти всегда в долгосрочной перспективе) знает, где земля.

Но акселерометр ничего не почувствует, если его крутить вокруг оси Z, поэтому нам нужен магнетометр, который всегда знает, где север.Вторая задача — нахождение высоты — частично решается барометром. Если обнулить показания на земле, то при подъеме на каждый метр мы знаем, насколько изменятся его показания (естественно, если мы не летаем 12 часов и не начала меняться погода).

На помощь барометру может прийти сонар, который меряет высоту с очень высокой точностью (даже тот, что я приобрел за 5$, выдает точность ± 3мм по заявлению производителя). Но сонар способен работать только невысоко над землей (2-10м), меряет долго (до 200мс), чувствителен к качеству поверхности, к углу наклона, и может терять сигнал.

Третья задача — определение координат — не решается никак указанными выше датчиками. Акселерометр в комбинации с гироскопом может выдать линейные горизонтальные ускорения, но тут есть две проблемы: постоянно действующий огромный (по сравнению с тем, что будем измерять)

Во всех любительских полетных контроллерах задача нахождения ориентации решена хорошо и на ней останавливаться не буду. Задача довольно простая и расписана в интернете (один, два). В MultiWii используется красивое решение без сложностей типа кватернионов и матриц DCM (не забываем, что считать все это будет простенький 16-Мегагерцовый процессор), на основе упрощений для малых углов и комплементарного фильтра.

Итак, ориентацию аппарата в пространстве мы знаем с высокой степенью точности. Теперь можно перейти к основной теме статьи, т. е. постараться улучшить результаты, которые выдает барометр (или сонар), чтобы их можно было скормить ПИД-регулятору.

Для этого показания должны поступать без задержек, быть точными в короткой перспективе и не сильно уплывать со временем. Тема ПИД-регуляторов заслуживает отдельного пристального изучения, так как он широко используются в системах управления процессами. Я рекомендую сначала ознакомиться с их определением, чтобы лучше понять рассуждения, изложенные ниже.

Автономная навигация

Коммерческое применение дронов обычно требует автономного полета, а не ручного управления. Связано это с тем, что часто коммерческие полеты надо выполнять регулярно в одном и том же месте и по одному и тому же полетному плану, который можно запрограммировать и снизить издержки на пилота.

Для автономного управления дрону надо как минимум знать с высокой точностью свои координаты в пространстве. На открытом пространстве можно использовать GPS — точность достигается в несколько метров. Дополнительная наземная станция и технология GPS RTK увеличат точность до нескольких сантиметров.

Но наземную станцию не всегда возможно использовать, и это очень дорого. Обычного GPS хватает для задания маршрута полета над сельхозполями, стройками, трубопроводами, и дроны в этих случаях летают автономно. Эта функция есть у любого современного дрона, который можно найти в продаже.

В таком режиме безопасно летать только в открытом небе без препятствий. Если речь идет об обследовании зданий, трубопроводов или применении внутри помещений, то тут не обойтись без дополнительных сенсоров, определяющих расстояние до объектов. Тут используют одномерные сонары, лидары, двумерные лидары, 3D-лидары и камеры глубины.

Есть еще одна важная проблема: если мы летаем в замкнутом пространстве или между высокими зданиями, то сигнал GPS будет недоступен и необходимо иметь другой источник координат дрона в пространстве. Можно определять свои координаты на борту, обрабатывая видеопоток с бортовых камер — лучше использовать стереокамеры или камеры глубины. Такой алгоритм называется SLAM (Simultaneous Localization and Mapping).

В потоке кадров с камеры алгоритм ищет особые точки (features), которыми могут быть маленькие уголки, какие-то неоднородности. Точкам присваиваются дескрипторы таким образом, что, если мы найдем эту же точку в последующих кадрах, когда камера уже успела переместиться в пространстве, ей будет присвоен такой же дескриптор и алгоритм сможет сказать: «Вот на этом кадре есть такая же точка, что и на предыдущем».

Алгоритм не знает 3D-координаты особых точек и координаты камеры в моменты съемок кадров — эти параметры ему как раз и надо вычислить. Он отслеживает изменения пиксельных координат особых точек между кадрами и пытается подобрать такие параметры, чтобы, если спроецировать особые точки в плоскость кадра, получались наблюдаемые или измеренные пиксельные координаты.

В итоге получается оценка перемещения камеры в пространстве. Обычно алгоритм SLAM очень требователен к вычислительным ресурсам, но есть камера Intel RealSense T265 с микросхемой, реализующей вычисления SLAM на аппаратном уровне.

Для организации автономного управления дроном необходимо решить три задачи.

  1. Определить координаты дрона в пространстве. Использовать для этого GPS-приемник или вычислять на борту координаты, обрабатывая видеопоток алгоритмом SLAM. А лучше использовать оба подхода, чтобы знать как глобальные, так и локальные координаты дрона
  2. Построить 3D-карту окружения дрона с помощью сенсоров типа стереокамер, камер глубины, лидаров.
  3. Добавить софт для планирования маршрута с учетом цели полета, текущих координат и карты окружения.

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.

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.

Смотрите про коптеры:  Как собрать крутую машину своими руками или Что такое Kit Car? Радиоуправляемые автомобили как хобби Как сделать радиоуправляемые машины своими руками

Выбор полетного контроллера

Так как мне нужно транслировать видео и телеметрию через интернет, то сразу приходит на ум поставить на дрон микрокомпьютер с 4G модемом и камерой, и сделать из этого комплекта web-трансляцию. Нашлись вот такие решения:

. Это обычные одноплатники с внешним USB 4G модемом и камерой. Для кодирования и трансляции видео используется

. Но эти штуки сами по себе дроном управлять не умеют, их нужно использовать совместно с полетным контроллером.

Полетный контроллер — это мозг дрона. Он следит за состоянием датчиков положения (гироскоп, акселерометр, компас), GPS-координатами, положением ручек на пульте управления и, исходя из этих данных, управляет моторами, чтобы висеть в одной точке или куда-то лететь.

Полетный контроллер нужно будет как-то связать с бортовым компьютером, чтобы можно было загрузить полетное задание или указать произвольную точку куда лететь и когда включать камеру. В продаже можно найти много разных контроллеров сильно отличающихся друг от друга по цене и функционалу.

С Ardupilot я игрался еще на 8-битных атмегах, в которых не было USB-bootloader’а, а прошивались они на программаторе. С тех пор с ним не сталкивался и был приятно удивлен, когда узнал, что сейчас он может работать на 64-битных компьютерах с Linux, у него огромное сообщество пользователей как хобби, так и профи, длинный список поддерживаемых “из коробки” датчиков и расписанные планы на 2021-2021 годы. За это время он успел перерасти в проект DroneCode, а потом и отсоединиться от него.

На первый взгляд в нем как раз реализованы все необходимые функции: автоматический взлет и посадка, загрузка полетных заданий, есть desktop и мобильные приложения под все основные семейства ОС. Программы управления (GCS — Ground Control Station) общаются с бортовым контроллером короткими сообщениями по открытому протоколу MAVLink через комплект радиомодемов (дрон шлет телеметрию, GCS шлет команды управления). Подозреваю, что эти сообщения получится пустить через интернет.

Взглянем на список поддерживаемых контроллеров и что-нибудь подберем. Вариантов там полтора десятка от мала до велика и с разными характеристиками.

Из всего того многообразия контроллеров мне понравилось несколько вариантов:

Полетный контроллерErle PXFMiniEmlid EdgeNavio 2Erle Brain 3PixHawk 2 Cube
Доп компьютерRaspberry Pi Zero WнетRaspberry Pi 3нетRaspberry Pi 3
Вес комплекта, г849798145150
Процессоры, общее кол-во12213
ОС, одновременно работающих11112
IMU датчики, комплектов12213
Датчик воздушного давления12111
Резервирование питаниянетнет
GPS, Глонассвнешний модуль
с доп магнитометром
внешний модуль
с доп магнитометром
встроенный приемник, внешняя антеннавнешний модуль
с доп магнитометром
внешний модуль
ВидеовходCSI на Raspberry HDMICSI на RaspberryCSICSI на Raspberry
WiFiестьесть
Long Range 2км
52 г
естьестьесть
Стоимость комплекта, $212700215341331

Самый легкий комплект (84 г) получается из микрокомпьютера

(9 г), контроллера

(15 г), родного внешнего GNSS модуля (46 г) и дополнительного

(14 г).

👆Как упростили нашу жизнь квадрокоптеры | Квадрокоптеры и гексакоптеры | Блог | Клуб DNS

Рабочий процессор в этом комплекте один — на Raspberry Pi. На нем висит управление ШИМ регуляторов моторов, считывание показаний датчиков, ОС Linux со всеми потрохами и декодирование видео с камеры. Так как в Pi Zero не предусмотрены USB порты, то в этом варианте приходится использовать внешний концентратор. IMU датчики и вход питания без резервирования.

Следующий комплект (97 г) от гонконгской компании с русскими фамилиями в команде разработчиков — контроллер Emlid Edge (59 г) с GNSS модулем (38 г). GNSS модуль работает по протоколу UAVCAN и дополнительно оснащен магнитометром и датчиком воздушного давления. За ШИМ здесь отвечает отдельный процессор ARM Cortex-M3, ОС Linux крутится на основном ARM Cortex-A53 quad-core.

В контроллере имеется HDMI видеовход, что позволяет подключить к нему напрямую любую камеру с таким выходом, например GoPro 4 или 5. Относительно высокая стоимость объясняется дальнобойными wifi-приемопередатчиками в комплекте (до 2 км с трансляцией HD-видео).

Следующий вариант (98 г) состоит из знаменитого микрокомпьютера Raspberry Pi 3 (45 г) с контроллером-шилдом Navio 2 (23 г) от той же Emlid и внешней GNSS-антенны (30 г). На контроллере стоит отдельный процессор Cortex-M3 для управления ШИМ на 14 каналах и расшифровки входящих SBUS и PPM сигналов от приемника. Он, в свою очередь, управляется через драйвер в ядре ОС Linux, которая крутится на Raspberry.

Контроллер оснащен парой раздельных IMU датчиков (акселерометр, гироскоп, магнитометр) MPU9250 и LSM9DS1, одним датчиком воздушного давления и GNSS-модулем U-blox NEO-M8N, который видит GPS, Глонасс и BeiDou с внешней антенной через разъем MCX.

Дополнительные соображения

  • Подвес — чаще всего используется для стабилизации камеры (FPV/Аэросъёмка). Как правило устанавливается под рамой в соответствии с центром тяжести БПЛА. Может крепиться напрямую к раме, либо посредством направляющих. Для стабилизации изображения рекомендуется использовать двух, либо трёх осевые подвесы. Требует увеличения длинны посадочных опор.

👆Как упростили нашу жизнь квадрокоптеры | Квадрокоптеры и гексакоптеры | Блог | Клуб DNS

  • Полезная нагрузка (транспортировочная) — в любительской сфере является чем-то вроде роскоши, так как любой дополнительный вес не только сокращает время полёта, но и приводит к отказу в использовании дополнительных элементов, которые могли бы добавить беспилотнику ключевых функций. При проектировании следует понимать, что транспортировочный кейс должен быть максимально лёгким и в тоже время прочным, а также сам груз должен жёстко крепиться, исключая любое перемещение в полёте.

👆Как упростили нашу жизнь квадрокоптеры | Квадрокоптеры и гексакоптеры | Блог | Клуб DNS

  • Посадочные опоры — несмотря на то, что некоторые БПЛА приземляются непосредственно на раму (как правило исключаются для снижения веса), применение в конструкции посадочных опор обеспечит зазор между нижней частью БПЛА и неровной поверхностью, а также в случае жёсткой посадки принимают удар на себя, увеличивая шансы на спасение таких важных элементов дрона как камера, подвес, АКБ и рама.

👆Как упростили нашу жизнь квадрокоптеры | Квадрокоптеры и гексакоптеры | Блог | Клуб DNS

  • Монтаж — несмотря на то, что проектировать и изготавливать беспилотник значительно проще, чем обычный вертолёт, расположение каждого элемента следует продумать в самом начале процесса проектирования.

Общие рекомендации по монтажу:

  1. При создании рамы с нуля, важно, обеспечить точное расположение четырёх монтажных отверстий посредством которых осуществляется крепёж моторов к раме.
  2. Большинство моторов для рам размером от 400 — 600мм имеют одинаковую схему монтажных отверстий, что позволяет использовать раму от одного производителя, а моторы от другого.
  3. Расположение всех дополнительных компонентов в идеале должно быть симметрично относительно одной оси, что в последствии поможет облегчить поиск и регулировку центра масс беспилотника.
  4. В идеале контроллер полёта должен быть расположен в центре круга (и как таковой в центре масс) соединяющего все моторы.
  5. Контроллер полёта обычно крепится к раме при помощи стоек, резиновых демпферов или двухстороннего скотча.
  6. Многие производители используют одинаковое расположение монтажных отверстий для контроллера полёта (например, квадрат 35мм либо 45мм), но как токового «промышленного стандарта» не существует.
  7. АКБ достаточно тяжелая, и если центр масс вашей сборки немного сдвинулся, вы можете отрегулировать его переместив слегка батарею.
  8. Убедитесь, что крепление АКБ немного «играет», но в тоже время обеспечивает надёжную фиксацию батареи.
  9. Ремни с липучей основой часто используются для фиксации АКБ, тем не менее не будет лишним добавить двухсторонний скотч между батареей и рамой.

👆Как упростили нашу жизнь квадрокоптеры | Квадрокоптеры и гексакоптеры | Блог | Клуб DNS

Из каких компонентов состоит мультикоптер или квадркоптер?

  1. Рама
    Рама это скелет квадрокоптера, платформа, на которой все компоненты соединяются в одно целое.
    Что такое квадрокоптер или мультикоптер, виды и типы
  2. Регуляторы оборотов
    ESC — electronic speed controller, переводится как электронный контроллер скорости. В русскоязычном сообществе принято называть их как «регуляторы оборотов», в простонародье «регули» или «регуляторы».
    Регуляторы оборотов управляют скоростью вращения бесколлекторных (бесщеточных) двигателей. Раньше почти у всех квадрокоптеров ESC были индивидуальными, внешними, размещались на лучах рамы, а сейчас все чаще пилоты собирают квадрокоптеры на ESC 4 в 1, они компактнее и удобнее. Конечно, такое не получится с мультикоптерами и там по прежнему применяются отдельные регуляторы оборотов.
    Полетный контроллер и регуляторы оборотов
  3. Двигатели
    Двигатели бывают щеточные и бесщёточные (бесколлекторные). Первые применяются в игрушках и очень дешевых квадрокоптерах, а вторые устанавливаются на бюджетные и профессиональные мультикоптеры. Бесколлекторные двигатели не используют щетки и имеют другую конструкцию. В них используются неодимовые магниты, которые расположены в колоколе и сердечник, вокруг которого крутится колокол с магнитами. В середине сердечника установлен подшипник, в том числе в самом низу корпуса, на них крутится колокол с валом. У таких двигателей очень большой КПД.
    Двигателей может быть 3, 4, 6, 8, 10 и больше. Все они работают парно, то есть, половина двигателей крутится по часовой стрелке, а половина против часовой стрелки. Так достигается стабильность конструкции в воздухе при одновременной работе двигателей, не нужно устанавливать хвостовой двигатель, как у вертолетов, чтобы он компенсировал вращение по оси.
    Что такое квадрокоптер или мультикоптер, виды и типы
  4. Пропеллеры
    Это то, что крутит двигатель. Пропеллеры создают тягу, с помощью которой дрон может находиться в воздухе.
    3-лопастной пропеллер
  5. Полетный контроллер
    Мозг мультикоптера. Управляет всеми компонента и соединяет их в одно целое. В полетный контроллер загружается прошивка (программа), которая всем и управляет.
    Что такое квадрокоптер или мультикоптер, виды и типы
  6. Курсовая камера
    Это та самая камера, которая устанавливается в передней части и с помощью которой вы видите видео от первого лица.
    Что такое квадрокоптер или мультикоптер, виды и типы
  7. Видеопередатчик
    Обычно это аналоговый передатчик, но сейчас все чаще можно увидеть цифровой. Кодирует сигнал с камеры и передает его на любое принимающее устройство, например, в FPV шлем.
    AKK Race VTX статус светодиоды
  8. Антенны
    Помогают видеопередатчику передать сигнал, преобразовывая осциллирующую электрическую энергию в электромагнитное излучение и наоборот.
    Что такое квадрокоптер или мультикоптер, виды и типы
  9. Приемник
    Приемник принимает сигнал с аппаратуры управления, декодирует его и отправляет информацию в полетный контроллер, который в свою очередь координирует действия остальной периферии, в том числе командует регуляторами оборотов.
    Что такое квадрокоптер или мультикоптер, виды и типы
  10. Аккумулятор
    Аккумулятор питает энергией всю систему мультикоптера и выбор правильного аккумулятора очень важен.
    На первый взгляд, у аккумулятора на 100С нет никаких визуальных отличий от обычного аккумулятора с рейтингом 95С

Какие бывают дроны

Дроны бывают разные. По конструкции различают несколько типов дронов:

  • мультироторный — коптеры;
  • самолетный — fixed wing;
  • гибридный — он взлетает вертикально, потом использует крылья.
Смотрите про коптеры:  В российскую армию в будущем поступят боевые квадрокоптеры - Shazoo

Также дроны делятся на потребительские (consumer) и коммерческие (commercial).

Потребительские, как ты понимаешь, — это те, которые можно купить в магазине и использовать как летающую камеру. DJI Phantom и Mavic — хорошие модели. Есть и менее дорогие, но они определенно уступают по качеству. Такие квадрокоптеры используют для съемки разных мероприятий, зданий, исторических объектов.

Как правило, такие дроны летают на ручном управлении, реже по миссии в автономном режиме по GPS-координатам. Рынок потребительских квадрокоптеров больше чем наполовину принадлежит одной компании — DJI. С ней очень сложно конкурировать, поскольку там делают реально крутой продукт: доступный, функциональный, удобный.

Хотя в области квадрокоптеров для селфи DJI начинает теснить компания Skydio со своим дроном R2. Фишка этого дрона в том, что он может летать автономно, например за мотоциклистом в лесу. При этом беспилотник видит все препятствия и прокладывает автономный безопасный маршрут в реальном времени так, чтобы человек всегда оставался в кадре. Реально крутая штука.

Коммерческие дроны используются в компаниях для решения определенной задачи. Одни следят за состоянием сельхозполей, летая над ними регулярно и делая фотографии, другие умеют распылять удобрения точечно. Дроны используют на стройках, в карьерах. Каждый день они облетают строительный объект, делают фотографии, по которым создается 3D-модель в облаке, и уже она помогает отслеживать ежедневные изменения.

Пример российской компании, которая активно работает с этой технологией на рынке США, — Traceair.

Другой способ применения — осмотр трубопроводов дронами. Это особенно актуально для России: у нас газовые трубопроводы тянутся на тысячи километров, и надо контролировать утечки и врезки.

Ну и конечно, у всех на слуху доставка товаров дронами. Не знаю, заработает ли когда-нибудь сервис Amazon Prime Air, но уже сейчас компания Matternet доставляет товары в Цюрихе и некоторых городах США, а компания Zipline давно отправляет медикаменты в полет над просторами Африки.

Компании Volocopter и Ehang уже имеют летающие прототипы такси, а компания с российскими корнями Hoversurf разрабатывает летающий байк.

В помещениях тоже есть задачи для коммерческих дронов, но пока они не сильно распространены, в этой области идут интенсивные R&D-исследования. Возможные применения для такого вида дронов:

Поживем — увидим, какие проекты будут реализованы и задисраптят нашу жизнь. Глобальная цель — сделать систему управления дроном, которой герой фильма «Бегущий по лезвию 2049» мог бы сказать: «Сфотографируй тут все!»

Материалы исполнения бпла/конструкция

Ниже приведены наиболее распространенные материалы исполнения используемые для изготовления рам мультироторных дронов, соответственно список не полный. В идеале рама должна быть жёсткой с минимально возможной передачей вибрации.

Поролон (Пена) — как единственный материал для изготовления рам БЛА используется редко, и, как правило, в комбинации с жёстким каркасом или усиленной конструкцией. Также может применяется в стратегических целях; в качестве защиты несущих винтов (пропеллеров), шасси, не редко выступает в качестве демпфера. Поролон может быть разных типов от мягкого до относительно жёсткого.

👆Как упростили нашу жизнь квадрокоптеры | Квадрокоптеры и гексакоптеры | Блог | Клуб DNS

Дерево — если в приоритете дешевизна конструкции, то дерево — это отличный вариант, который значительно сократит время сборки и изготовления запасных частей. Древесина достаточно тверда и является проверенным временем материалом. Важно чтобы при изготовлении рамы использовалась идеально прямая древесина (без изгибов и деформации).

👆Как упростили нашу жизнь квадрокоптеры | Квадрокоптеры и гексакоптеры | Блог | Клуб DNS

Пластик — для большинства пользователей доступен только в виде пластиковых листов. Имеет тенденцию к изгибу и как таковой не идеален. Отлично подходит для изготовления защитного каркаса или шасси. Если вы рассматриваете возможность 3D печати, следует учитывать временной интервал изготовления (возможно проще купить комплект дооснащения UAV frame kit). 3D печать деталей отлично себя зарекомендовала при создании небольших квадрокоптеров.

👆Как упростили нашу жизнь квадрокоптеры | Квадрокоптеры и гексакоптеры | Блог | Клуб DNS

Алюминий — доходит до потребителя в различных формах и размерах. Вы можете использовать листовой алюминий для исполнения корпуса, либо экструдированный алюминий для реализации лучей дрона. Алюминий не такой лёгкий, по сравнению с углеродным волокном или G10, зато цена и долговечность выступают главными преимуществами материала. Вместо разрушения или трещин, алюминий имеет склонность к изгибу. Для работы с материалом требуется только пила и дрель.

👆Как упростили нашу жизнь квадрокоптеры | Квадрокоптеры и гексакоптеры | Блог | Клуб DNS

G10 (разновидность стекловолокна) — не смотря на то, что внешний вид и основные свойства практически идентичны с карбоном (углеродным волокном), является менее дорогим материалом. В основном доступен в листовом формате и используется для реализации верхних и нижних пластин рамы. Также в отличии от углеродного волокна, G10 не блокирует радиочастотные волны.

👆Как упростили нашу жизнь квадрокоптеры | Квадрокоптеры и гексакоптеры | Блог | Клуб DNS

PCB (Печатная плата – пластина из диэлектрика) — по сути аналог стекловолокна, но в отличии от последнего всегда плоские. Иногда используется в качестве верхних и нижних пластин рамы, с целью уменьшения количества используемых деталей (например, плата распределения питания часто встроена в нижнюю панель). Рамы нано/мини квадрокоптеров могут быть исполнены из одной печатной платы включающей в себя всю электронную начинку.

👆Как упростили нашу жизнь квадрокоптеры | Квадрокоптеры и гексакоптеры | Блог | Клуб DNS

Углеродное волокно — самый востребованный материал из-за лёгкого веса и высокой прочности. Процесс изготовления по прежнему исключительно ручной. Как правило серийно производятся простые формы, такие как плоские листы, трубчатые комплектующие; исполнение сложных трехмерных форм осуществляется на заказ.

👆Как упростили нашу жизнь квадрокоптеры | Квадрокоптеры и гексакоптеры | Блог | Клуб DNS

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.

Собираем бюджетный fpv квадрокоптер — подробнейшая инструкция

Смотрите про коптеры:  Как с нуля изготовить летающую модель самолета

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

Типы рам бпла

Трикоптер

👆Как упростили нашу жизнь квадрокоптеры | Квадрокоптеры и гексакоптеры | Блог | Клуб DNS

Квадрокоптер

👆Как упростили нашу жизнь квадрокоптеры | Квадрокоптеры и гексакоптеры | Блог | Клуб DNS

Гексакоптер

  • Описание: «Гексакоптер» имеет шесть лучей, каждый из которых соединен с мотором. Передней частью гексакоптера принято считать сторону стыка двух лучей, но также передом может считаться и продольный луч.
  • Преимущества: При необходимости, конструкция гексакоптера позволяет легко добавить два дополнительных луча и мотора, что позволит увеличить суммарную тягу, в следствии чего дрон сможет поднять больше полезной нагрузки. В случае отказа одного из моторов, допускается вероятность, что дрон сможет осуществить мягкую посадку, а не разбиться. Модульная конструкция рамы. Почти все полётные контроллеры поддерживают эту конфигурацию.
  • Недостатки: Громоздкая и дорогостоящая конструкция. Дополнительные двигатели и детали увеличивают вес коптера, соответственно чтобы получить туже продолжительность полёта, что и у квадрокоптера, необходимо устанавливать более ёмкие АКБ.

👆Как упростили нашу жизнь квадрокоптеры | Квадрокоптеры и гексакоптеры | Блог | Клуб DNS

Y6

  • Описание: Конструкция Y6 представляет собой тип гексакоптера у которого в основе не шесть лучей, а три, каждый из которых соединён с парой соосно установленных моторов (итого 6 моторов). При этом стоит обратить внимание, что нижние пропеллеры проецируют тягу вниз.
  • Преимущества: Меньшее количество компонентов по сравнению с гексакоптером. Поднимает больше полезной нагрузки по сравнению квадрокоптером. При использовании винтов с встречным вращением исключается гироскопический эффект, как у Y3. В случае отказа одного из моторов, допускается вероятность, что дрон сможет осуществить мягкую посадку, а не разбиться.
  • Недостатки: Более дорогой по сравнению с квадрокоптером из-за использования дополнительных деталей, равноценных по стоимости деталям гексакоптера. Дополнительные моторы и детали увеличивают вес коптера, а значит, чтобы получить то же время полёта, что и у квадрокоптера, необходимо будет использовать АКБ большей ёмкости. Как показывает практика, тяга полученная на Y6, немного ниже чем у обычного гексакоптера, вероятно, потому, что нижний винт влияет на тягу верхнего винта. Не все полётные контроллеры поддерживают такую конфигурацию.

👆Как упростили нашу жизнь квадрокоптеры | Квадрокоптеры и гексакоптеры | Блог | Клуб DNS

Октокоптер

  • Описание: У октокоптера восемь лучей, каждый из которых соединен с мотором. Передней частью гексакоптера принято считать сторону стыка двух лучей.
  • Преимущества: Больше моторов = больше тяги, и соответственно повышенная избыточность, позволяющая дрону уверенно перемещаться с тяжёлыми и дорогостоящими DSLR камерами.
  • Недостатки: Больше моторов = более высокая цена и большой АКБ. Ввиду своей дороговизны актуален только для профессиональной сферы.

👆Как упростили нашу жизнь квадрокоптеры | Квадрокоптеры и гексакоптеры | Блог | Клуб DNS

X8

  • Описание: Конструкция X8 по-прежнему является октокоптером, только не с восемью, а с четырьмя лучами, каждый из которых соединён с парой соосно установленных моторов (итого 8 моторов).
  • Преимущества: Больше двигателей = больше тяги, и соответственно повышенная избыточность. Больше шансов мягко посадить дрон в случае отказа мотора.
  • Недостатки: Больше моторов = более высокая цена и большой АКБ. Ввиду своей дороговизны актуален только для профессиональной сферы деятельности.

👆Как упростили нашу жизнь квадрокоптеры | Квадрокоптеры и гексакоптеры | Блог | Клуб DNS

Размер бпла

Беспилотники бывают разных размеров, от «Нано», которые меньше ладони, до крупногабаритных, которые можно перевозить только в кузове грузовика. Для большинства пользователей, которые только начинают познавать беспилотное хобби, оптимальный диапазон размеров, предлагающих наибольшую универсальность и ценность, находится в пределах от 350мм до 700мм. Размером рамы является диаметр наибольшего круга пересекающего каждый из моторов. Запчасти для БПЛА таких размеров имеют широкий спектр цен и самый большой выбор доступных продуктов.

👆Как упростили нашу жизнь квадрокоптеры | Квадрокоптеры и гексакоптеры | Блог | Клуб DNS

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector