Разработка квадрокоптеров: готовая бизнес-идея- Компания KLONA

Введение

Теперь, когда вы выбрали все основные компоненты для вашего БПЛА, вы можете приступать к сборке. В этом руководстве будут рассмотрены распространенные ошибки при сборке многороторного БПЛА, а также приведены некоторые полезные советы по настройке. Этот урок не будет охватывать такие элементы, как камера/FPVсистема, дальнобойные устройства или другие аксессуары (рассмотрим на 7 уроке).

Компоненты, которые вы должны иметь на этом этапе:

1. Рама (купленная или исполненная вручную)
2. Моторы, ESC, пропеллеры, аккумулятор, зарядное устройство
3. Плата распределения питания/соединительные жгуты
4. Контроллер полёта и устройство связи (предложено радиоуправление)

Силовая установка

Для достижения целей этого урока, силовая установка вашего БПЛА будет включать следующие компоненты:

• Моторы
• ESC
• Распределение питания (плата или соединительные жгуты)
• Аккумуляторная батарея
• Полётный контроллер

Обратите внимание, что пропеллеров в списке нет. Не устанавливайте пропеллеры на данном этапе! Несущие винты будут подключены только на 6 уроке. Поскольку это ваш первый беспилотник, мы рекомендуем выполнить «безрамное» подключение электрической части, перед тем, как установить всё на раму; с целью проверить все соединения и устранить выявленные неисправности.

Аккумулятор. распределение питания

Соединение между аккумулятором и системой распределения питания должно быть относительно простым, если они оба имеют одинаковый тип разъёма. Если это так, то переходите к следующему шагу. Если же разъёмы разные, то не в коем случае не перерезайте провода аккумулятора для отделения разъёма; это может вызвать короткое замыкание и неприятный удар током! Вместо этого вы можете подобрать переходник и использовать его между разъёмом на АКБ и разъёмом платы распределения питания. Другим вариантом может выступать поиск ответного разъёма к разъёму АКБ, и его покупка; затем отрежьте существующий разъём от распределителя питания и припаяйте купленную замену, предварительно убедившись в отсутствии связи между положительным и отрицательным контактами.

Важно отметить, что большинство мультироторных БЛА не имеют переключателя вкл/выкл, поэтому питание подаётся и отключается путем подключения и отсоединения основной батареи от разъёма распределителя питания, поэтому их разъемы должны быть надёжно закреплены, а провода/точки пайки хорошо изолированы посредством термоусадочной трубки и/или изолентой.

Прежде чем продолжить, отсоедините аккумулятор от распределителя питания.

Мотор. esc. распределение питания

Плата распределения питания (ПРП) или проводное распределение в первую очередь служат для распределения питания от основной батареи к каждому ESC. Напряжение подается на ESC «как есть», поэтому нет необходимости повышать (увеличивать) или понижать (уменьшать) напряжение. Если ваш беспилотник имеет четыре двигателя, то у вас должно быть четыре ESC, и, следовательно, ваша распределительная плата/проводное распределение должны в конечном итоге разделить основную батарею на четыре соединения. Если же ваша ПРП имеет шесть подключений, а вы собираете квадрокоптер, то вам просто не нужно подключать последние два. Если вы строите гексакоптер, ваша ПРП должна распределить питание от основной батареи на шесть соединений. ESC включает в себя следующие провода:

• Один 3-проводной 0.1-дюймовый шлейф с R/C разъёмом, в числе которых чёрный контакт обычно является заземлением, красный обеспечивает 5В выход (через BEC*), а жёлтый/белый является входом сигнала.
• Три раздельных провода служат для подключения к трём проводам на бесколлекторном моторе постоянного тока (обычно поставляются с разъёмами типа «пуля» с внутренней резьбой, которые либо уже припаяны, либо включены в комплект).
• Два входных разъёма для подключения аккумулятора к PDB (некоторые включают паяные разъёмы с пайкой, какие-то входят в комплект, а бывает вообще не входят).

*ESC обычно имеют встроенную цепь устранения батареи (или BEC), которая преобразует напряжение основной батареи в 5В для последующего питания приёмника и контроллера полёта. 5В обычно подаётся через RC разъём от ESC (обычно центральный/красный контакт). Вам потребуется только один BEC для питания контроллера полёта.

Если плата распределения питания использует разъёмы, которые не совпадают с разъёмами на ESC или АКБ, то вам нужно будет, либо приобрести переходники (адаптеры), либо приобрести новые разъёмы и заменить их на ESC или ПРП. Преимущество остаётся за платой распределения питания, разъёмы которой совпадают с разъёмами АКБ и ESC. Чаще всего литий-полимерная аккумуляторная батарея БЛА может иметь DEANS разъём, XT60 или EC3.

Если вы хотите запитать дополнительную слаботочную электронику (светодиодную систему освещения, подвесное устройство и т.д.), но на вашей плате распределения питания нет запасных соединений, вы можете использовать зарядный кабель аккумуляторной батареи. Белый зарядный разъём обычно имеет один контакт для заземления и по одному контакту для каждой банки (1S, 2S, 3S и т.д.) используемой в сборке LiPo АКБ. Несмотря на то, что этот разъём действительно предназначен только для зарядки батареи, он может обеспечивать выходное напряжение равное 3.7В от каждого контакта и может использоваться для питания слаботочной электроники, такой как подвесная система или светодиоды.

1. Удалите красный повод у каждого 3-контактного R/C разъёма регулятора скорости, за исключением одного. Рекомендуется это сделать таким образом, чтобы при необходимости вы всегда могли подключить их обратно. Замотайте конец каждого исключённого провода изолентой или используйте для изоляции термоусадочную трубку, чтобы в последствии они не смогли контактировать с другими элементами электроники. Тот единственный красный провод, что остался не тронутым, будет питать используемый в сборке полётный контроллер.
2. Подключите два питающих провода каждого ESC к распределительной плате, убедившись, что красный провод подводится к плюсу ( ), а чёрный провод к минусу (-).
3. Если используемая вами плата распределения питания имеет свои R/C разъёмы, то в данном случае решать вам, подключать R/C выводы каждого ESC к R/C разъёмам на этой плате или подключать их напрямую к полётному контроллеру.
4. Подсоедините каждый из трёх разъёмов моторов к трём разъёмам регуляторов скорости (ESC). На данный момент порядок подключения этих разъёмов не важен (если повлияет на направление вращения, то будет исправлено по мере необходимости позднее).

Обратите внимание, что если вы решите на данном этапе убрать или скрыть проводку, позднее вам может потребоваться доступ к некоторым соединениям в соответствии с процедурой, описанной в 6 уроке, в частности, поменять местами соединения между ESC и мотором, чтобы двигатель вращался в противоположном направлении.

Esc. контроллер полёта.

Сейчас вы можете подключить R/C входы регуляторов скорости к контроллеру полёта. Выбранный вами контроллер полёта должен иметь схему, в которой показано, к каким контактам контроллера подключаются моторы вашей мультироторной сборки. Также в этой схеме должно быть показано направление вращения каждого мотора, но, опять же, пока вам не нужно учитывать направление.

1. Ознакомьтесь со схемой подключения между моторами/ESC и полётного контроллера в руководстве по эксплуатации ПК.
2. Подключите R/C разъёмы каждого ESC к соответствующим контактам полётного контроллера, убедитесь, что провод заземления (обычно чёрный) подключается к контакту заземления контроллера полёта, а сигнальный контакт (белый или желтый) подключается к сигнальному контакту на контроллере полёта.
3. Только один из RC разъёмов будет по-прежнему иметь красный (питающий) контакт.

Связь

Приёмник. полётный контроллер.

Предположим, что на этом уроке вы сделали выбор в пользу радиоуправления в качестве устройства ввода. Если вы хотите использовать WiFi, Bluetooth или другой способ ввода, пожалуйста, прочитайте инструкцию по контроллеру полёта и найдите последовательный ввод; в этом разделе будет описано, как/куда подключить устройство последовательного ввода к контроллеру полёта. Скорее всего, вам потребуется найти и подключить передающее (Tx), принимающее (Rx), напряжение (5В) и GND-контакты от беспроводного устройства к передатчику, обеспечивая Rx от одного к Tx другого, и наоборот.

Ваш RC передатчик должен приходить в комплекте с соответствующим RC приёмником. Приёмник должен быть привязан к передатчику, чтобы вы могли удалить перемычку привязки с приёмника (если она есть). В комплект также может входить держатель АА батарейки, которая предназначена для питания приёмника, но мы не будем использовать её, поскольку BEC будет питать как приёмник, так и контроллер полёта. Чтобы узнать, какие каналы RC приёмника подключаются к каким контактам на контроллере полёта, вам нужно взглянуть на руководство пользователя как контроллера полёта, так и RC системы.

В руководстве к контроллеру полёта будут указаны местоположения следующих контактов, которые должны быть согласованы и подключены к приёмнику:

• Throttle
• Pitch
• Yaw
• Roll
• Вспомогательные (Aux) переключатели 1, 2, 3 и т.д.

Теперь вы можете сделать следующие подключения:

1. Прочитайте руководство к контроллеру полёта, чтобы увидеть, какой входной R/C контакт связан с какой из перечисленных выше функций.
2. Прочтите руководство к передатчику, чтобы узнать, какой канал связан с каждой из функций.
3. Некоторые RC передатчики могут быть перепрограммированы для изменения функций каждого контакта. Если вы решите изменить какой нибудь вход (джойстик или переключатель), делайте это лишь после того, как убедитесь, что знаете, какой канал на приёмнике соответствует какой функции. Throttle, Pitch, Yaw, и Roll всегда должны быть связаны с двумя стиками/джойстиками, а не с переключателями или кнопками.
4. Подключите канал Throttle на приёмнике к входу Throttle на контроллере полёта.
5. Подключите канал Pitch на приёмнике к входу Pitch на контроллере полёта.
6. Подключите канал Yaw на приёмнике к входу Yaw на контроллере полёта.
7. Подключите GND на контроллере полёта (обычно третий ряд контактов) к GND на приёмнике (обычно третий ряд контактов).
8. Если будет использоваться вспомогательный вход, подключите Aux 1 на приёмнике к Aux 1 на контроллере полёта и так далее.

Вы можете использовать 3-контактные серво провода для каждого из каналов, но только один из каналов (может быть любым) должен иметь напряжение и заземление; остальным нужен только сигнальный провод. Все соединения могут иметь GND к GND, хотя требуется только одно. Еще раз, приёмнику не нужна отдельная батарея, поскольку он будет получать питание от контроллера полёта, который получает питание от BEC от одного из ESC.

Сборка рамы

Если вы строите свою собственную раму, вы можете собрать её на этом этапе. Если вы приобрели рамный комплект, следуйте инструкции по сборке. Обратите внимание, что вам может потребоваться разобрать определенные участки, чтобы облегчить подключение или убрать (скрыть) элементы электрики. Цель заключается в том, чтобы гарантировать, что ничто не ослаблено, все провода надёжно закреплены, и ничто не может выпасть из рамы или запутаться.

Монтаж

Размещение акб.

Батарея, используемая для питания, часто является самым тяжелым элементом на БПЛА и может составлять от 1/4 до 1/2 его общего веса. Поэтому, место её установки очень важно. Идеальное расположение основного аккумулятора должно быть в центре коптера, чтобы все двигатели могли выдерживать примерно одинаковую нагрузку. Если аккумулятор расположен ближе к задней части коптера, задние моторы должны будут обеспечивать большую тягу, чем моторы спереди, и, соответственно, максимальная общая тяга будет ограничена (когда задние двигатели находятся на полной тяге, на моторах спереди тяги не будет). Принимая во внимание, что обычный подход в мультироторной конструкции состоит в том, чтобы коптер был симметричен относительно центральной оси (или, по крайней мере, одной оси), поэтому батарею следует размещать вдоль этой центральной линии, а не смещать ее в одну или другую сторону.

Далее вам нужно будет решить, на какой высоте разместить аккумулятор. Есть несколько мест, где батарея может быть установлена:

1. Под рамой (коптер будет тяжелым снизу, более стабильным и менее акробатичным).
2. Прямо под моторами (обычно внутри рамы); возможно, одно из лучших мест.
3. На той же высоте, что и двигатели или несущие винты (например, устанавливается в верхней части рамы).
4. Над пропеллерами (БПЛА будет сверху тяжелым и более склонным к перевороту).

Для достижения наилучших лётных характеристик, в идеале АКБ должна быть расположена в положении 3, описанном выше. Положение 4 создает эффект перевернутого маятника, и, если БПЛА наклонится за пределы определенного угла, то дрон будет стремиться к перевороту. Положение 1 создаст достаточно стабильную платформу, которая по своей природе склонна оставаться на одном уровне, но при этом крайне не годится для акробатики. Поэтому большинство разработчиков выбирают положение 2 и размещают аккумулятор либо непосредственно под рамой, либо внутри нее. Такой подход освобождает пространство под рамой для полезной нагрузки, такой как система подвеса, а пространство выше для контроллера полёта и другой электроники, чтобы они были максимально доступны.

Монтаж батареи

Существует множество общепринятых способов крепления батареи к раме, которые включают в себя:

• Ремни с липучкой
• Самоклеющаяся липучка (одна сторона клеится на АКБ, а другая на раме)
• В раме

Ремни с липучкой являются наиболее распространенными для пользовательских дронов среднего «стандартного» размера, тогда как заключение в раме чаще всего встречается на коммерческих беспилотниках, рамы таких БЛА зачатую отливаются под давлением и оставляют внутри пространство специально под определенный аккумулятор. Липучки в идеале следует использовать только в том случае, если батарея относительно лёгкая; вместо одного короткого отрезка в центре, рекомендуется клеить одну полосу по всей длине батареи. Если вы используете ремни на липучке и обнаруживаете, что батарея склонна к выдвиганию из-за отсутствия сцепления, рекомендуется добавлять резиновые полоски в места, где батарея контактирует с ремнями. Не рекомендуется использовать клей для крепления аккумулятора к раме. Если вы не используете БЛА, извлеките АКБ и храните её в безопасной LiPo сумке (LiPo safe bag) или керамическом резервуаре.

Зарядка акб

Весьма вероятно, что вы выбрали литий-полимерный (LiPo) или другой литиевый аккумулятор. Большинство LiPo аккумуляторов свыше 3.7В имеют для зарядки отдельный кабель с многоконтактным разъёмом, в то время как силовой кабель можно определить по наличию двухконтактного разъёма с более крупными проводами, способными выдерживать большой ток разряда. Разъём для зарядки обычно имеет по одному контакту для каждой банки батареи, а также общий контакт заземления.

Из-за опасностей, связанных с LiPo батареями (водород и электричество), обычной практикой является полное извлечение батареи из дрона, когда она не используется, и помещение ее в безопасную сумку «LiPo Safe». Эта же сумка используется при зарядке батареи (подключите батарею к зарядному устройству, поместите батарею в сумку (оставив зарядное устройство вне сумки) и закройте её (обычно в ней есть клапан с липучкой).

Размещение и монтаж контроллера полёта

В идеале контроллер полёта должен быть расположен в центре дрона на той же высоте, что и моторы. Если это невозможно, то контроллер можно поставить чуть выше или ниже. Не стоит устанавливать контроллер полёта больше в направлении левой или правой стороны, и избегайте установки его со сдвигом вперед или назад. Если вы приобрели раму для БПЛА, то у таких зачастую есть монтажные отверстия для контроллера полёта, которые находятся в оптимальном месте. Контроллер полёта может быть закреплен любым из следующих основных способов:

• Винты/Гайки /Стойки (основные)
• Двухсторонняя клейкая лента (убедитесь, что она достаточно прочная)
• Двусторонняя клейкая пена (для достижения демпфирующего эффекта)
• Резиновые демпфирующие втулки (для значительного демпфирования)

Некоторые полётные контроллеры либо имеют, либо могут иметь опционально защитный кейс. Этот корпус защищает печатную плату от пыли и нескольких капель дождя и может принять на себя удар в случае краша. В некоторых случаях используются резиновые демпферы/втулки, которые уменьшают вибрацию, вызванную несбалансированными моторами/пропеллерами. Идеальная сборка — макс. жесткая рама с идеально сбалансированной силовой установкой и хорошо изолированным от вибраций контроллером полёта.

Размещение и монтаж esc

ESC подключаются между моторами, распределительной платой/кабелем и контроллером полёта. Стандартная длина проводов ESC и моторов, как правило не требует их удлинения в процессе сборки мультиротора. ESC должны обеспечивать высокий ток и, соответственно могут сильно нагреваться в процессе эксплуатации. Идеальное расположение регулятора находится непосредственно под лопастями несущего винта на опорном луче; такой подход обеспечит ему хорошее охлаждение. ESC может быть прикреплен к опоре с помощью стяжек (по одной на каждой стороне ESC), ленты или почти любым другим способом, который не будет препятствовать отводу тепла. ESC не должны устанавливаться в месте, ограничивающем рассеивание тепла (например, в закрытой металлической коробке), и должны располагаться на расстоянии от чувствительной электроники, такой как контроллер полёта или приёмник.

Rc приёмник и антенна

Сам RC приёмник может быть расположен почти в любом месте на беспилотнике. Исключением являются места находящиеся в непосредственной близости с силовыми проводами (подальше от АКБ и ESC). Приёмники, входящие в состав RC-систем, как правило, не имеют какого-либо конкретного способа монтажа, поэтому качественный двухсторонний клей является лучшим вариантом.

Антенна, которая крепится к приёмнику, обычно представляет собой гибкий провод. Этот провод должен быть расположен таким образом, чтобы ничего не мешало приёму сигнала. Её можно закрепить либо вдоль опорного луча (с противоположной стороны от ESC), либо вдоль посадочной опоры. На 6 уроке мы поговорим больше о тестировании дальности, которое должно быть сделано, чтобы узнать максимальное расстояние, на котором приёмник принимает сигнал от передатчика. Тестирование дальности может потребовать, чтобы вы поэкспериментировали с разными местами расположения приёмника и антенны.

Размещение и монтаж gps-антенны

В отличие от проводной антенны приёмника, антенна GPS приёмника имеет тенденцию быть либо «Duck» антенной (жёсткий пластиковый зафиксированный столбик, 90 градусов или навесной), либо прямоугольной и относительно плоской. Некоторые GPS устройства имеют встроенную антенну (то есть антенна является частью печатной платы). В любом случае GPS антенна должна быть установлена в верхней части БПЛА, чтобы спутниковые сигналы не блокировались. Монтаж прямоугольной антенны обычно выполняется с помощью двухсторонней ленты, а монтаж «Duck» антенны обычно включает в себя сверление монтажных отверстий. Если «Duck» антенна подключается непосредственно к контроллеру полёта, то никакого дополнительного монтажа не требуется.

На данном этапе у вас должен быть полностью собранный и подключённый БПЛА, за исключением пропеллеров. 6 урок включает настройку и тестирование передатчика, программного обеспечения контроллера полёта, предполётную проверку и первый полёт.

«выгулять, так сказать, песика!»

Д. Д.: Всего существует восемь стадий разработки дрона. В целом квадрокоптер, беспилотный самолет и беспилотный автомобиль — это всё роботы, у них схожие структуры и везде нужно применять алгоритмы управления. Сенсорика при этом не всегда схожа.

Р. Ф.: Двигатели, которые стоят в дронах, обычно бесщеточные. У них есть отдельный блок управления, который представляет собой многоуровневую структуру. У двигателя установлен ESC — электронный speed-контроллер. Мы задаем желаемую тягу, а он отрабатывает, как нужно управлять двигателем, как переключать обмотку и так далее.

Следующее звено — это автопилот, сложная штука с контроллером и множеством датчиков: GPS, инерциальная навигационная система, барометр и прочие. Внутри автопилота выполняется логика управления движением. Также есть функциональные отдельные блоки — блок регулятора, планирования движения, простого движения из точки в точку и блок совмещения данных от разных сенсоров.

Р. Ф.: Автопилот в дроне — это низкоуровневая базовая вещь. Для дальнейшего и более интеллектуального управления используется уже бортовой компьютер, камеры, сенсоры и другие дополнительные устройства.

Р. Ф.: Разработка дрона начинается с концептуальных расчетов. Проектируется облик аппарата, его система управления: какие нужны тяги, какая будет аэродинамика и так далее. Затем выполняется математическое моделирование. По сути, это работа без «железа».

Следующим этапом является разработка системы управления, именно алгоритмики. Для симуляции используются различные подходы и пакеты, например, MATLAB, либо уже готовые симуляторы — Gazebo, Microsoft FS. В Университете Иннополис есть свой симулятор — Innopolis Simulator.

В нем есть не только визуальная демонстрация, но и симуляция всех датчиков, то есть он дает такие же данные, как датчики GPS, датчики персепшна, камеры и лидары. Это позволяет отрабатывать многоуровневые высокоинтеллектуальные технологии управления.

Когда мы отладили всё в симуляторе (а там оно обычно хорошо работает), можно перейти к самому интересному — к тестам, изготовлению тестового образца и летным тестам. В рамках нашего сотрудничества с Казанским авиационным институтом строятся производственные помещения для изготовления БПЛА, где будут применяться технологии изготовления дронов из углеволокна. Если говорить об аддитивной технологии, то это мы можем делать прямо в Иннополисе.

Д. Д.: Первым делом мы тестируем систему управления, чтобы она была максимально устойчивой. Допустим, нужно проверить, как квадрокоптер сопротивляется ветру. Это можно имитировать — например, Роман пытается его дергать и пускать в разнос, по сути, выступая внешним возмущением.

Но это не совсем летные тесты, это так называемые тесты на подвесе. Мы смотрим, как аппарат себя стабилизирует. Проводим и безумные эксперименты — в летающем коптере включаем маршевый двигатель, самолетный, и смотрим, как он себя ведет. То есть держит ли он так же правильно свою ориентацию, как и должен в коптерном режиме. Когда мы в душе уже уверены, что эта штука не упадет, можно запускать ее. Выгулять, так сказать, песика!

Р. Ф.: Главная проблема в разработке летательных аппаратов, которые не являются дирижаблями, заключается в том, что малейшая ошибка может привести к падению. С дирижаблем попроще — к нему можно там подключиться и даже что-нибудь перезапустить. А вот с самолетом и коптером малейшая погрешность, неточность в настройке, и всё.

Габаритные размеры дронов

Средняя масса квадрокоптера колеблется от одного до четырех килограмм. При этом они могут транспортировать груз до нескольких килограмм – профессиональные камеры или небольшие посылки.

Встречаются крошечные модели, которые легко помещаются на ладони. Их длина не превышает 20 сантиметров и производство таких квадрокоптеров существенно дешевле, чем изготовление крупногабаритных аппаратов. Они удобны для домашнего использования и превращаются в безопасную игрушку для детей.

Моделирование и визуализация прибора от KLONA помогут вам оценить его функциональность еще до запуска производства.

Квадрокоптер Cheerson CX-10 размером всего со спичечный коробок, но при этом он сохранил все функции стандартных квадрокоптеров. Он уверенно держится в воздухе и легко выполняет сложные трюки. Несмотря на совсем крошечный размер, квадрокоптер способен поднять с собой небольшую экшн-камеру.

Квадрокоптеры средних размеров от 20 до 50 сантиметров уже могут поднять профессиональную камеру для качественной аэросъемки. Кроме того, умелый тюнинг квадрокоптера способен значительно повысить его характеристики – снизить вес за счет смены аккумулятора, усиление сигнала, увеличение дальности полета и пр.

Услуга 3D печати квадрокоптеров и их деталей от компании KLONA помогает пользователям усовершенствовать недорогие беспилотные аппараты до уровня профессиональных устройств.

Длина крупногабаритных квадрокоптеров превышает 50 сантиметров, и они отличаются особой прочностью. Они способны удерживать равновесие в любых неблагоприятных условиях, выдерживают падения и лобовые столкновения. Такие квадрокоптеры используются для доставки грузов на дальние расстояния, для съемок отдаленных объектов (например, извержение вулкана).

Обычно они имеют мощную батарею, что увеличивает время полета, а также радиус их радиосигнала составляет несколько километров. Совершать полеты с такими квадрокоптерами в помещении не рекомендуется, так как это может быть небезопасно для людей. Поэтому их применяют только на улице.

Квадрокоптер SteadiDrone Q4D-X имеет грузоподъемность около 8 килограмм, а время его полета составляет 60 минут.

Главные тренды в разработке дронов

Р. Ф.: Основной тренд робототехники, которым мы занимаемся, — увеличение автономности. Раньше беспилотник был простым носителем полезной нагрузки, то есть довольно тупым и передвигающимся из точки в точку. Это тоже нелегко. Из точки в точку летал, но ничего не знал о препятствиях, о работе в городских условиях и сенсорах.

А если сенсоры на нем и были, то просто записывали данные и собирали фотографии. Сейчас идет тренд отказа от носителя полезной нагрузки к более умному роботу. То есть он не только снимает данные, а сразу анализирует их и использует для собственного управления.

Р. Ф.: Главный тренд, с точки зрения конструкции дрона, — энергоэффективность. Мы используем самые лучшие батареи, но, как правило, квадрокоптер не может летать больше часа (даже самый лучший). Поэтому есть различные варианты, как с этим бороться для конечного применения.

И они распадаются обычно на две составляющие. Это либо какие-то станции автоматического обслуживания дрона, которые позволяют расширить его автономное функционирование за счет смены батарей или автоматической зарядки на посадочной станции. И другое направление — это гибридные конструкции.

То есть более эффективные аппараты, которые для своих режимов используют различные принципы движения. Кроме того, на дронах есть возможность с текущим развитием сенсорики применять различные крутые сенсоры, которые раньше весили много и стоили дорого. Это лидары, мультиспектральные камеры и другие крутые камеры.

https://www.youtube.com/watch?v=1hkQos9kayw

Д. Д.: Сейчас в мире активно занимаются системами облета препятствий. Чаще всего это работа в помещениях, сложных и зашумленных местах. В основном это нужно для анализа разрушенных зданий. Над такими системами, способными работать в условиях ЧС, активно сейчас работают Цюрих и ведущие лаборатории США, MIT, а также «Сколтех».

Мы тоже этим занимаемся — себя инспектировали, пытались облететь подвал. И задач тут очень много — это навигация без GPS, использование только сенсоров для движения и само планирование, то есть как нам нужно двигаться, чтобы получить максимум информации о данной местности.

Сегодня порядка 20 лабораторий соревнуются между собой в качестве и скорости, потому что важно не просто совершить облет, но и сделать это за меньшее время. Это один из вызовов и по сенсорике, и по обработке, и по алгоритмам. Сейчас самый активный разработчик — это Швейцарская высшая техническая школа Цюриха.

Они разработали свою собственную камеру, по сути, это вообще новый тип камер, схож по своей структуре с физиологией человеческого глаза и может давать не кадры в секунду, а разницу между кадрами. Из-за этого мы получаем частоту — миллионы кадров в секунду.

Д. Д.: Очень активно развивается система инспектирования, даже запущены соревнования у DARPA — SupT Challenge. Команды пытаются разными типами роботов инспектировать тоннели. Стоит понимать, что в тоннеле просто ужасный электромагнитный фон.

Само собой, никакой радионавигации мы не можем применять. А значит, необходимо развить технологии автономного планирования и навигации. Это очень интересная задача. Применять ее можно просто в колоссальных областях. Банально — в условиях пожара. Зачем отправлять человека, если можно отправить дрон с радаром.

Д. Д.: На рынке сегодня главный производитель дронов — DJI. Можно даже сказать, что DJI умеет всё. Китайская компания делает очень качественный и отлаженный продукт. Даже система облета препятствий у них гарантирует, что дрон остановится и не пролетит в любой точке на бешеной скорости.

То есть главное — это безопасность аппарата и окружающих. Последние передовые разработки, которые они интегрировали, уже продают. Например, дрон Skydio 2 из MIT. Такое устройство за $1 000 будет облетать препятствия по лесу. По автономности это круче DJI, оно имеет круговой обзор и умеет проводить анализ и построение карты, а также избегать столкновений.

Р. Ф.: Есть интересные решения и с точки зрения конструкции, например, когда дрону нужно пролететь сквозь отверстие, он может складываться и делать это динамично. Мы тоже работаем сейчас над интересной конструкцией. Она и складная, и неубиваемая отчасти.

Это так называемый тензор-дрон. Здесь применяется принцип тенсегрити, который используется в архитектуре. Это дрон, у которого рама и конструкция защитной клетки объединены и реализованы как тенсегрити-структура, позволяющая ему выживать при падениях. Мы его кидали с 20 метров, бросали о стену. Сломать его смогли только школьники на экскурсии.

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.

• 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.

• 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.

• 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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

Мотор. esc. распределение питания

Плата распределения питания (ПРП) или проводное распределение в первую очередь служат для распределения питания от основной батареи к каждому ESC. Напряжение подается на ESC «как есть», поэтому нет необходимости повышать (увеличивать) или понижать (уменьшать) напряжение.

Если ваш беспилотник имеет четыре двигателя, то у вас должно быть четыре ESC, и, следовательно, ваша распределительная плата/проводное распределение должны в конечном итоге разделить основную батарею на четыре соединения. Если же ваша ПРП имеет шесть подключений, а вы собираете квадрокоптер, то вам просто не нужно подключать последние два.

• Один 3-проводной 0.1-дюймовый шлейф с R/C разъёмом, в числе которых чёрный контакт обычно является заземлением, красный обеспечивает 5В выход (через BEC*), а жёлтый/белый является входом сигнала.
• Три раздельных провода служат для подключения к трём проводам на бесколлекторном моторе постоянного тока (обычно поставляются с разъёмами типа «пуля» с внутренней резьбой, которые либо уже припаяны, либо включены в комплект).
• Два входных разъёма для подключения аккумулятора к PDB (некоторые включают паяные разъёмы с пайкой, какие-то входят в комплект, а бывает вообще не входят).

*ESC обычно имеют встроенную цепь устранения батареи (или BEC), которая преобразует напряжение основной батареи в 5В для последующего питания приёмника и контроллера полёта. 5В обычно подаётся через RC разъём от ESC (обычно центральный/красный контакт). Вам потребуется только один BEC для питания контроллера полёта.

Если плата распределения питания использует разъёмы, которые не совпадают с разъёмами на ESC или АКБ, то вам нужно будет, либо приобрести переходники (адаптеры), либо приобрести новые разъёмы и заменить их на ESC или ПРП. Преимущество остаётся за платой распределения питания, разъёмы которой совпадают с разъёмами АКБ и ESC.

Если вы хотите запитать дополнительную слаботочную электронику (светодиодную систему освещения, подвесное устройство и т.д.), но на вашей плате распределения питания нет запасных соединений, вы можете использовать зарядный кабель аккумуляторной батареи.

Белый зарядный разъём обычно имеет один контакт для заземления и по одному контакту для каждой банки (1S, 2S, 3S и т.д.) используемой в сборке LiPo АКБ. Несмотря на то, что этот разъём действительно предназначен только для зарядки батареи, он может обеспечивать выходное напряжение равное 3.

1. Удалите красный повод у каждого 3-контактного R/C разъёма регулятора скорости, за исключением одного. Рекомендуется это сделать таким образом, чтобы при необходимости вы всегда могли подключить их обратно. Замотайте конец каждого исключённого провода изолентой или используйте для изоляции термоусадочную трубку, чтобы в последствии они не смогли контактировать с другими элементами электроники. Тот единственный красный провод, что остался не тронутым, будет питать используемый в сборке полётный контроллер.
2. Подключите два питающих провода каждого ESC к распределительной плате, убедившись, что красный провод подводится к плюсу ( ), а чёрный провод к минусу (-).
3. Если используемая вами плата распределения питания имеет свои R/C разъёмы, то в данном случае решать вам, подключать R/C выводы каждого ESC к R/C разъёмам на этой плате или подключать их напрямую к полётному контроллеру.
4. Подсоедините каждый из трёх разъёмов моторов к трём разъёмам регуляторов скорости (ESC). На данный момент порядок подключения этих разъёмов не важен (если повлияет на направление вращения, то будет исправлено по мере необходимости позднее).

Обратите внимание, что если вы решите на данном этапе убрать или скрыть проводку, позднее вам может потребоваться доступ к некоторым соединениям в соответствии с процедурой, описанной в 6 уроке, в частности, поменять местами соединения между ESC и мотором, чтобы двигатель вращался в противоположном направлении.

От китайских фонариков к беспилотникам

Р. Ф.: Первые летательные аппараты — это китайские фонарики. Дальше можно привести в пример монгольфьер — воздушный шар. Но самым известным из первых аппаратов стал самолет братьев Райт с мотором. Свои первые летательные аппараты они делали как планеры, но в 1903 году был зафиксирован еще не автоматический, но управляемый полет.

Но на самом деле история спорная, потому что в 1901 году уже летали дирижабли. В начале прошлого века самолеты и дирижабли сильно конкурировали. Дирижабли совершали трансатлантические полеты. Они были огромные, удобные, красивые, практически как лайнеры сейчас. Но в итоге самолеты, можно сказать, победили. Хотя дирижабли остаются и всё равно находят свою нишу.

Р. Ф.: Существует три принципа создания подъемной силы. Есть дирижабли — и это аэростатический принцип. Как надувной шарик за счет силы Архимеда поднимается и держится в воздухе. Есть аэродинамический способ — с фиксированным крылом или вращающимся ротором.

Р. Ф.: Мы работаем с гибридом двух из перечисленных технологий создания подъемной силы — конвертопланом. Это аппарат, который имеет возможность вертикального взлета и посадки, а также движения за счет крыла. Если говорить о применении беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), то сегодня самое популярное — это хобби, фото- и видеосъемка.

Причем речь идет уже о вполне конкурентном и сформированном рынке. Следующее применение — вооруженные силы и финансы. Если говорить о военном применении, то Россия сегодня занимает 15% из общемировой практики применения воздушной робототехники. Еще один сегмент, в котором применяют дроны, — это мониторинг.

Сегодня активно развиваются решения для доставки и задач «последней мили». Также на подъеме точное земледелие, промышленные задачи и телекоммуникация. Один из кейсов — Google Ballon — аэростаты, которые раздают интернет. Ведущий производитель дронов — китайская компания DJI — с налетом более миллионов часов и уже более чем 70% от всего мирового рынка.

Р. Ф.: Одна из задач точного земледелия — мониторинг посевов. Кроме того, анализ вегетативного индекса и определение проблемных мест. Конечно, можно опрыскивать всё поле трактором, это дешевле на единицу площади, но не очень эффективно. Задача стоит — найти проблемные места, очаги распространения каких-то вредителей и прочее с помощью дронов, оснащенных специализированными инфракрасными камерами.

Еще один вариант применения — орошение и опрыскивание. Ребята из Казани сделали классный проект BRAERON — агродрон российского производства. Это такой огромный аппарат, у него два винта, которые работают за счет ДВС. Они создают основную подъемную силу. И есть коптерная схема, которая создает подруливающей силой момент для управления движением.

Р. Ф.: Еще один вариант применения БПЛА ради хобби — гонки дронов. Drone Racing League (DRL) — самая популярная из организаций, которые проводят эти соревнования. Есть и виртуальные гонки на основе симуляторов.

Приёмник. полётный контроллер.

Предположим, что на этом уроке вы сделали выбор в пользу радиоуправления в качестве устройства ввода. Если вы хотите использовать WiFi, Bluetooth или другой способ ввода, пожалуйста, прочитайте инструкцию по контроллеру полёта и найдите последовательный ввод; в этом разделе будет описано, как/куда подключить устройство последовательного ввода к контроллеру полёта.

Ваш RC передатчик должен приходить в комплекте с соответствующим RC приёмником. Приёмник должен быть привязан к передатчику, чтобы вы могли удалить перемычку привязки с приёмника (если она есть). В комплект также может входить держатель АА батарейки, которая предназначена для питания приёмника, но мы не будем использовать её, поскольку BEC будет питать как приёмник, так и контроллер полёта.

В руководстве к контроллеру полёта будут указаны местоположения следующих контактов, которые должны быть согласованы и подключены к приёмнику:

• Throttle
• Pitch
• Yaw
• Roll
• Вспомогательные (Aux) переключатели 1, 2, 3 и т.д.

Теперь вы можете сделать следующие подключения:

1. Прочитайте руководство к контроллеру полёта, чтобы увидеть, какой входной R/C контакт связан с какой из перечисленных выше функций.
2. Прочтите руководство к передатчику, чтобы узнать, какой канал связан с каждой из функций.
3. Некоторые RC передатчики могут быть перепрограммированы для изменения функций каждого контакта. Если вы решите изменить какой нибудь вход (джойстик или переключатель), делайте это лишь после того, как убедитесь, что знаете, какой канал на приёмнике соответствует какой функции. Throttle, Pitch, Yaw, и Roll всегда должны быть связаны с двумя стиками/джойстиками, а не с переключателями или кнопками.
4. Подключите канал Throttle на приёмнике к входу Throttle на контроллере полёта.
5. Подключите канал Pitch на приёмнике к входу Pitch на контроллере полёта.
6. Подключите канал Yaw на приёмнике к входу Yaw на контроллере полёта.
7. Подключите GND на контроллере полёта (обычно третий ряд контактов) к GND на приёмнике (обычно третий ряд контактов).
8. Если будет использоваться вспомогательный вход, подключите Aux 1 на приёмнике к Aux 1 на контроллере полёта и так далее.

Вы можете использовать 3-контактные серво провода для каждого из каналов, но только один из каналов (может быть любым) должен иметь напряжение и заземление; остальным нужен только сигнальный провод. Все соединения могут иметь GND к GND, хотя требуется только одно.

Типы рам бпла

Трикоптер

Квадрокоптер

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.

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.

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.

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.

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.