Часть 1. Что такое квадрокоптер

Принцип работы квадрокоптера

Элементы для дрона можно приобрести по отдельности или даже сделать собственными руками. Однако для того чтобы конструкция поднялась в воздух нужно понимать принципы, по которым построено устройство квадрокоптера. Винты, поднимающие его в воздух, управляются парными синхронными двигателями, которые могут быть коллекторными и бесколлекторными.

Расположенные по крайним противоположным точкам диагоналей пропеллеры двигаются в одном направлении (по часовой стрелке или наоборот). Два другие аналогичные элемента двигаются в противоположную сторону. За их работу отвечает блок управления (плата) и аккумулятор, питающий их. Посредством приемника управляющая плата получает сигналы от дистанционного пульта.

В зависимости от того, сколько двигателей приостанавливают или усиливают свою деятельность, меняется характер и траектория движения дрона. Он может:

• Подниматься вверх;
• Спускаться;
• Двигаться по горизонтали:
  • Вперед;
  • Назад;
  • Влево;
  • Вправо.

Аналогично тому, как происходит движение, также производится и наклон аппарата. Кроме того, некоторые модели могут кружиться на месте и даже выполнять т.н. флипы – перевороты вокруг оси на месте.

Выбор датчиков.

Схема подключения MPU 6030 к Arduino Uno. Нажмите, чтобы открыть полный размер

Для управления квадрокоптером необходим акселерометр и гироскоп. Этого будет достаточно, если вы стоите устройство с простой конструкцией для полетов на небольшое расстояние. Для постройки сложного аппарата с множеством модулей, функций, поддержкой GPS придется установить дополнительные датчики. Для первой модели мы рекомендуем выбрать плату MPU-6050 — она содержит все необходимые датчики.

Рама квадрокоптера

Эта составная часть выполняет роль основы, на которую крепятся все остальные элементы от аккумулятора до двигателей и светодиодов. Иногда рама может быть совмещена с наружной обшивкой – корпусом для уменьшения нагрузки на двигатели, путем снижения веса общей конструкции.

Ее изготавливают из полимеров или сплавов прочных, но легких. Кроме них широко используются стекловолокно, карбон и им подобные материалы, обеспечивающие максимальную жесткость конструкции. Несбалансированная рама будет портить траекторию не хуже сгоревшего двигателя, поэтому на нее нужно обращать пристальное внимание.

Чаще всего это крестовина по крайним точкам которой крепятся двигатели, а по центру – управляющий блок. Сверху и снизу она обычно укрывается корпусом, но есть модели, которые обходятся без него. Поэтому на нее будут крепиться все остальные элементы, в том числе и опорные шасси.

Управление квадрокоптером

Одним из самых интересных компонентов, которое имеет устройство квадрокоптера, является плата управления квадрокоптером. От работы этой маленькой запчасти зависит стабильность полета, и, по сути, она является мозгом летающего аппарата. Его программируют и в результате получают систему управления, работающую под руководством оператора.

Набор датчиков подключается именно сюда. Акселерометр, барометр и даже GPS передают ей свои показания, которые она должна обрабатывать. Здесь же формируется и обратная связь с оператором через передатчик, установленный на корпусе.

Особых сложностей в работе с аппаратом не возникает, если это хорошо спроектированное устройство с продуманной системой обработки сигналов, большим количеством датчиков и системой стабилизации на основе многоосевого гироскопа. Чем больше у него осей, тем аккуратнее будет управление и послушнее устройство квадрокоптера.

Купить квадрокоптеры DJI вы можете в нашем магазине — бесплатная доставка по России и СНГ, хорошие цены!

Структурная схема коптера фактически продиктована особенностями управления полетом. Например, моторы обязательно должны попарно вращаться навстречу друг другу. В противном случае платформа начнет закручиваться. Становится очевидна необходимость использования полетного контроллера. Когда оператор двигает стик газа вверх происходит одновременное увеличение оборотов всех двигателей.

Для поворота носа платформы необходимо отклонить один стик горизонтально, а полетный должен увеличить обороты одной пары двигателей и замедлить для второй.Теоретически можно подключить регуляторы непосредственно к приемнику. Каждый стик будет управлять тягой одного двигателя. Но совершенно невозможно вообразить себе каким мастерством должен обладать оператор совершить какое-нибудь подобие управляемого полета.

Выбираем тип и размер квадрокоптера

При сборке квадрокоптера выберите подходящий размер аппарата. Бывают такие:

• Мини квадрокоптер – маленькая модель, с небольшим радиусом действия. Помещается в ладонь, подходит для полетов в помещениях.
• Трикоптер — модель беспилотника,у которого только три пропеллера. Это делает его легче и маневреннее, однако теряется крутящий момент. Вместо этого используется механизм наклона заднего ротора. Сложно сделать своими руками.
• Обычный квадрокоптер – простой и недорогой беспилотник. Диагональный размер в среднем 35 см (без пропеллеров). Состоит из минимального набота деталей с целью уменьшения веса устройства. Характеризуется большой скоростью передвижения и маневренностью.
• Складной квадрокоптер берут в поездки, путешествия, когда важен размер и вес устройства. Складная рама облегчает транспортировку устройства. В самостоятельном изготовлении сложен.
• Большой квадрокоптер – самый дорогой и тяжелый тип беспилотника. Способен летать на дальние расстояния, оборудован емким аккумулятором, несет сложное фото- и видеооборудование. Делайте самостоятельно только если уже владеете навыками изготовления подобных устройств.

Двигатели квадрокоптера

Ввиду того что основная нагрузка приходится на двигатели, они являются одним из расходных материалов, которые обычно стоят на втором месте по «убиваемости» после винтов (пропеллеров). Если конструкция коптера разборная, то заменить их несложно, нужно лишь найти соответствующую модель, и молиться, чтобы подобные еще были в наличии. В противном случае придется менять сразу несколько, дабы не ухудшить полетные характеристики.

Больше всего проблем возникает с механическими частями двигателей. Если они открытые, внутрь может попасть мусор, например, песок при посадке, и повредить аппарат.

К каждому двигателю (всего 4) присоединяются пропеллеры по одному сверху или снизу в зависимости от конструкции.

Проводка

Управление коптером осуществляется при помощи пульта управления, который передает команды радиоприемнику. Мы используем пульт Turnigy 9x. Сами модули радиоканала могут быть приобретены отдельно и установлены в совместимый пульт, но гораздо чаще используются готовые решения пульт с радиомодулем приемник.

Пульт питается от батареек, а радиоприемник получает питание от Полетного контроллера. Связь односторонняя, только от пульта к приемнику. Обычно приемник подключается к полетному контроллеру четырьмя проводами, по которым передаются сигналы поворота вокруг трех осей и команда «газа».Задача полетного контроллера — переводить команды от пульта управления в сигналы задающие обороты двигателя.

Также в нем установлены инерциальные измерительные датчики, позволяющие следить за текущим положением платформы и выполнять автоматические регулировки. Мы используем полетный контроллер DJI NAZA. который состоит из двух блоков. В первом из них находится стабилизатор питания и светодиод, отображающий статус.

Во втором (основном) — непосредственно управляющая электроника. Разделение частей полетного контроллера обусловлено тем, что второй блок при установке должен быть размещен в строго определенном месте, а второй блок там, где оператору будет видно светодиод статуса.ESC — это регуляторы оборотов электродвигателей.

Дело в том, что в квадрокоптерах используют специальные бесколлекторные, которые способны работать на очень больших оборотах. Для управления этими двигателями необходимо формировать трехфазное напряжение и относительно большие токи, чем и занимаются регуляторы оборотов. Для каждого двигателя необходим свой регулятор оборотов.

Для управления регуляторами оборотов принят такой же сигнал как и для сервоприводов, то есть импульсы следующие с частотой 50Гц и длительностью, меняющейся от 0,8 до 2,1мс. Чем длиннее управляющий импульс, тем выше обороты двигателя. Все четыре регулятора оборотов подключаются к полетному контроллеру.

Питаются регуляторы непосредственно от аккумулятора. Обычно регуляторы имеют встроенный стабилизатор на 5В, который в коптерах используется редко. Этот стабилизатор необходим, когда нужно подключить регулятор напрямую к приемнику, в тех случаях когда двигатель только один (например, в авиамоделях).

Каждый двигатель подключен к своему регулятору оборотов тремя проводами. Последовательность подключения проводов определяет направление вращения двигателя.Аккумулятор питает регуляторы и полетный контроллер. В строительстве коптеров применяют специализированные литий-полимерные аккумуляторы, о которых мы отдельно потом расскажем позже.

Теперь пришло время перейти к проводке. Из четырех регуляторов скорости нужно спаять «паука», припаяв провода прямо в гнезда переходников.

Согласно номерам моторов на плате, подключаем сигнальные провода драйверов. Если используется «плюсовая» схема полета, подключать их нужно к штырям М1-М4 (когда научитесь управлять, прошивку можно изменить).

В результате получится такой квадрокоптер, сделанный своими руками, весом один килограмм. Можно проводить тестовый полет.

Но, прежде, необходимо зарядить батарею, подключить ее и передатчик. Теперь время нажать вправо и вниз ручку газа. На плате должен загореться красным цветом СИД. Следующий момент – ручка газа передвинута вперед. Двигатели должны заработать, а квадрокопрет «отправиться» в полет.

Схема проводки. Нажмите для увеличения

Собранная своими руками модель квадрокоптера требует правильного подсоединения проводки, иначе устройство вряд ли взлетит в воздух. Сначала сделайте параллельное соединение четырех проводов питания. Понадобятся разъемные соединения в месте подключения батареи к проводам. Во всех остальных местах необходимо сделать спайку.

Аккумулятор квадрокоптера

Среди любителей и профессионалов многороторных систем наиболее распространены литий-полимерные аккумуляторы, как основные источники питания бортовой электроники и моторов. Их различают по емкости, напряжению и максимальной токоотдаче. Емкость, как обычно, измеряется в ампер-часах или миллиампер-часах.

Напряжение измеряется в количестве «банок» аккумулятора. Одна «банка» — в среднем 3.7 вольт. Полностью заряженая «банка» — 4.2 вольта. Наиболее распространеты аккумуляторы с количеством банок от трех до шести. Максимальная токоотдача измеряется в амперах, а маркируется, например вот так: 25C. C — емкость аккумулятора, 25 — множитель.

Каждая банка является отдельным аккумулятором. Все они спаяны последовательно. Для того чтобы равномерно заряжать все банки предусматривается баллансировочный разъем с доступом к каждой банке отдельно, и использутся специальные зарядные устройства.

Важный элемент коптера – его аккумулятор. От его емкости (выражается в миллиампер часах) зависит, как высоко сможет подняться летательный аппарат, как долго и как далеко он сможет лететь. Миниатюрные модели держатся в воздухе не более 3-5 минут. Более продвинутые от 8 до 15. Абсолютного максимума достигает емкость у тех моделей, которые могут поднять в воздух 3-х или 4-баночный аккумулятор. Их полет продлится до 20 минут и более. При этом устройство также может питать камеру, подключенную к нему и не имеющую собственного аккумулятора.