Купить Твой первый квадрокоптер теория и практика по доступной цене в интернет-магазине Radio-KIT

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.

Купить Твой первый квадрокоптер теория и практика по доступной цене в интернет-магазине Radio-KIT

Квадрокоптеры , которым посвящена эта книга, являются частным случаем мультикоптеров — многороторных устройств, которые держатся в воздухе, управляются и перемещаются только за счет несущих пропеллеров. В этом мультикоптеры схожи с вертолетами. Для простоты и краткости в обиходной речи мультикоптеры часто называют просто коптерами . Мы тоже будем использовать этот термин в случаях, когда количество роторов не играет роли.

Классический квадрокоптер представляет собой крестообразную раму, на концах лучей которой вертикально закреплены моторы (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема конструкции простейшего квадрокоптера

Воздушные винты, расположенные на диагональных лучах рамы, создают суммарную вертикальную тягу. Синхронно регулируя обороты моторов, можно заставить квадрокоптер подниматься вверх, зависать или опускаться. Если изменить обороты моторов неравномерно, то квадрокоптер отклонится от горизонтального положения и полетит в сторону отклонения.

Очевидно, что при наклоне рамы за счет появления горизонтальной составляющей вектора тяги V x уменьшится вертикальная составляющая V y и квадрокоптер начнет терять высоту. Это явление иногда называют «соскальзыванием», потому что коптер начинает двигаться вниз по диагональной траектории (рис. 1.

Рис. 1.2. Векторы тяги квадрокоптера

Вращающиеся винты создают реактивный крутящий момент, который старается развернуть квадрокоптер в сторону, противоположную вращению винта. Поэтому в квадрокоптере два винта вращаются по часовой стрелке и два против часовой стрелки, взаимно уравновешивая реактивные моменты. Если увеличить обороты моторов, вращающихся по часовой стрелке, и в равной мере уменьшить обороты у вращающихся против часовой стрелки, то суммарная вертикальная тяга не изменится, однако реактивный момент раскомпенсируется и рама начнет поворачиваться против часовой стрелки. Аналогично можно заставить квадрокоптер поворачиваться по часовой стрелке.

Угловые отклонения по осям следовало бы называть «тангаж», «крен» и «рыскание», но на практике прижились англоязычные термины, которые читателю следует запомнить: Pitch (наклон вперед-назад), Roll (наклон вправо-влево), Yaw (вращение в горизонтальной плоскости) и Throttle (общий газ) — рис. 1.3.

Структурная схема квадрокоптера

Купить Твой первый квадрокоптер теория и практика по доступной цене в интернет-магазине Radio-KIT

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.

Смотрите про коптеры:  Квадрокоптер XK X250 купить - обзор, отзывы, характеристики, цена, инструкция

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.

Купить Твой первый квадрокоптер теория и практика по доступной цене в интернет-магазине Radio-KIT

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.

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

Рама квадрокоптера

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.

Плата управления квадрокоптером

Управление перемещением квадрокоптера

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.

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.

Купить Твой первый квадрокоптер теория и практика по доступной цене в интернет-магазине Radio-KIT

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!

Смотрите про коптеры:  Почему квадрокоптер не взлетает и что с этим делать?

Стабилизация полета

Помимо преобразования команд оператора в команды двигателя полетный контроллер стабилизирует полет платформы. Стабилизация необходима по нескольким причинам:

  • неидентичность винтомоторных групп (ВМГ)
  • неидентичность регуляторов оборотов
  • неравномерность распределения нагрузки на двигатели из-за смещения центра тяжести
  • «сдувание» ветром

Для компенсации этих воздействий в составе полетного контроллера есть инерциальная измерительная система, которая включает в себя акселерометр, гироскоп, магнитометр и барометр. В более дорогих моделях дополнительно используют GPS-приемники. Даже в те моменты когда оператор пытается просто удерживать коптер на месте полетный контроллер продолжает активно менять двигатель тягу двигателей компенсируя все возможные ускорения и вращения.

Ссылки на остальные части цикла статей о квадрокоптерах:Часть 2. Элементы квадрокоптераЧасть 3. Все об аккумуляторах для квадрокоптеровЧасть 4. Рама квадрокоптераЧасть 5. Подсветка коптераЧасть 6. Подключение элементов квадрокоптераЧасть 7. Настройка пульта Turnigy9x для коптераЧасть 8. Настройка регуляторов оборотов бесколлекторного двигателяЧасть 9. Настройка полетного контроллера DJI NAZAЧасть 10. Гиростабилизированный подвес для камеры SJ4000

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.

Аккумулятор квадрокоптера

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.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector