Углубимся в историю: откуда растут ноги у квадрокоптеров / Хабр

Что такое квадрокоптер, как выглядит и для чего предназначен

Квадрокоптер — это сравнительно небольшой летательный аппарат, управляемый оператором с земли при помощи пульта или мобильного устройства. Внешне дрон больше всего напоминает миниатюрный вертолет, поскольку тоже обладает продолговатым корпусом, пропеллерами и посадочными полозьями. Однако винтов у коптера чаще всего сразу несколько — от четырех до двенадцати штук.

При очень разных фото предназначение у квадрокоптеров в основном универсальное. Прежде всего, их можно использовать в качестве интересной и увлекательной игрушки, для этого подходят любые модели. Пилотировать коптер, задавать ему направление полета и даже делать виражи в воздухе нравится и детям, и взрослым. Некоторые дроны подходят для гонок.

Наибольший интерес представляют квадрокоптеры со встроенной или внешней камерой. Они позволяют делать снимки и записывать видео с высоты. Их применяют профессиональные фотографы и любители, а дорогие модели используют в промышленности для подробного осмотра строений и крупных объектов.

Вертолет

Кто не хочет себе вертолетик? Самые дешевый и забавный вариант получить радиоуправляемую модель! На самом деле, видов вертолетов очень много, от 300-400 рублей за вертолетик, до десятков или сотен тысяч за вертолет (тоже на радиоуправлении)! Дорогие вертолеты обычно имеют бензиновый или керосиновый двигатели.

Виды квадрокоптеров

Летающие дроны можно разделить на несколько категорий:

1. Дроны без камеры. Характеристики у квадрокоптеров бюджетного сегмента невысокие, модели поддерживают малую дальность полета и способны оставаться в воздухе около десяти минут. Проводить съемку с их помощью нельзя, но можно просто получать удовольствие от пилотирования и выполнять маневрирование.
   

   

2. Коптеры с камерой. Стоят такие модели дороже, зато предоставляют возможность снимать видео и фото в процессе полета.
   

   

3. Для новичков. Недорогие, но очень прочные модели способны переживать многократные падения. Оснащаются коллекторными двигателями, дальность полета составляет около 100 м, часто есть встроенный акробатический режим.
   

   

4. Для любителей. Такие модели поддерживают съемку с разрешением не менее 720р и стабилизацию, способны удаляться на 1 км от оператора и удерживаются в полете до 25 минут. Обычно способны развивать скорость до 70 км в час.
   

   

5. Для профессионалов. Самые функциональные дроны поддерживают спутниковую навигацию, ведут съемку в формате 4К. Изображение передают на смартфон с расстояния в несколько километров или записывают на карту памяти. Оснащены многочисленными датчиками, в том числе для отслеживания препятствий, стоят довольно дорого.
   

   

6. Гоночные. Такие модели предназначены в первую очередь для маневрирования. Видео об устройстве квадрокоптеров гоночного типа показывают, что камера в них может быть довольно скромной, а вот скорость дроны развивают вплоть до 120 км в час. Удаляются обычно на 1 км от владельца, многие модели поддерживают управление через видео-очки.
   

   

При выборе летающего дрона следует учитывать, для каких именно целей он нужен — для съемки или акробатических трюков.

Гоночные полетные контроллеры

Обычно имеют минимум расширенных функций, так как всякие компасы и барометры просто не используются при гонках.

Naze32, также на базе этого контроллера есть SP Racing F3:

На нем присутствуют все стандартные датчики – гироскоп и акселерометр, а в расширенной версии DELUXE также есть барометр и компас.

Гироскоп и акселерометр определяют текущее расположение дрона в пространстве. Барометр определяет высоту по давлению (чтобы удерживать высоту, например), компас для удержания направления полета.

На сегодня, полетные контроллеры серии F4 являются самыми популярными полетными контроллерами для мини и гоночных квадрокоптеров, так как прекрасно работают с такими программами, как CleanFlight, Betaflight и Raceflight. На их смену уже выходит серия F7, становясь все более популярной.

Разработка прошивок для полетного контроллера F3 уже прекратилась из-за ограничения ресурсов, поэтому выбирайте для покупки F4 или F7:

Betaflight прекращает разработку ПО для полетных контроллеров F3 c STM32F3

Также еще два популярных контроллера:

KISS – прошивать своей прошивкой нельзя. Имеет графический интерфейс с минимумом настроек.

LUX – такой же гибкий, как Naze32, но все же уступает ему. Прошивать можно.

Дальнейшее развитие и перспективы

Благодаря совершенствованию бортовой электроники и использованию модулей GPS, модели научились удерживать свое положение в пространстве и постоянную высоту. На мультикоптеры стали ставить телеуправление, которое по-английски называется FPV — First Person View, вид от первого лица.

Проводятся гонки на мультикоптерах, чему способствует система управления с видом от первого лица.

Гонки на дронах с управлением с FPV, 2023 год

Позже одна компания при каком-то технологическом институте стала разрабатывать систему автоматического контроля не одного, а множества мультикоптеров и добилась впечатляющих результатов: они не только смогли заставить летать рой электрических устройств по заданным траекториям, не сталкиваясь.

Голограмма из дронов, 2023 год

Уже в 2023 году построили прототип мультикоптера, способного поднять над землей человека. Сейчас это направление активно развивается. Ведь для перевозки людей здесь есть преимущества перед вертолетами. Это и удобство управления, и более компактные размеры, и электричество в качестве топлива, и безопасность из-за наличия нескольких пропеллеров вместо одного-двух.

Первый мультикоптер с человеком на борту, 2023 год

Устройство дронов продолжает совершенствоваться, для них появляется все больше сфер применения. Мультикоптеры совершенствуют многие авиапроизводители, включая Boeing. Да что там Boeing — сама Почта России уже во всю экспериментирует с доставкой грузов по воздуху.

Полет на квадрокоптере с видом от первого лица, от которого захватывает дух, 2023 год.

Возможно, скоро нас ждут аэротакси, огромные пространственные трехмерные скульптуры из дронов на любом большом празднике, доставка посылок и корреспонденции вне зависимости от того, где вы находитесь, а пиццы — всего лишь за три минуты!

Из каких компонентов состоит мультикоптер или квадркоптер?

1. Рама
   Рама это скелет квадрокоптера, платформа, на которой все компоненты соединяются в одно целое.
   
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.
   
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.
   
4. Пропеллеры
   Это то, что крутит двигатель. Пропеллеры создают тягу, с помощью которой дрон может находиться в воздухе.
   
5. Полетный контроллер
   Мозг мультикоптера. Управляет всеми компонента и соединяет их в одно целое. В полетный контроллер загружается прошивка (программа), которая всем и управляет.
   
6. Курсовая камера
   Это та самая камера, которая устанавливается в передней части и с помощью которой вы видите видео от первого лица.
   
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.
   
8. Антенны
   Помогают видеопередатчику передать сигнал, преобразовывая осциллирующую электрическую энергию в электромагнитное излучение и наоборот.
   
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.
   
10. Аккумулятор
    Аккумулятор питает энергией всю систему мультикоптера и выбор правильного аккумулятора очень важен.
    

Из каких элементов состоит дрон

Новичков также интересует вопрос что это такое квадрокоптер, и особенности его конструкции. Итак, из чего состоит квадрокоптер:

• рама, составляющими элементами которой считаются пластиковая крестовина и четыре алюминиевых луча. Она является достаточно важной слагающей, поскольку именно от рамы зависит внешний вид коптера и расстановка узлов;
• плата-контроллер считается самым важным элементом дрона. Ведь именно она определяет функциональные возможности устройства. Плата должна быть расположена на одном уровне с винтами. Кроме того, она должна чувствовать виброизоляцию от рамы. Чем лучше расположена плата, тем стабильнее будет полет квадрокоптера;
• мотор. Подойдут любые бесколлекторные модели с мощностью от 800 до 1200 kV;
• электронный регулятор хода, сокращенно ESC. Этот элемент должен соответствовать некоторым требования. Прежде всего, изменение газа должно сопровождаться минимальным временем отклика. Кроме того, некоторые модели оснащены защитой от помех. Нередко они воспринимают резкие скачки сигнала в качестве помехи и автоматически прекращают работу. Поэтому рекомендуется приобретать уже проверенные на практике ESC;
• пропеллеры. Для дрона требуется по два парных пропеллера. В отличие от авиационных они достаточно узкие и имеют небольшой шаг винта;
• соединительные провода. У квадрокоптера большое количество разнообразной коммутации. Чтобы разместить ее красиво и одновременно функционально понадобится специальная плата, на которой уже есть разведенные дорожки питания;
• приемник;
• навигационные огни, помогающие определить местоположение дрона в темное время суток;
• датчики. Их минимальный набор состоит из трех гироскопов, которые дают возможность уравновесить аппарат в процессе движения. Если у модели предусмотрен акселератор, то дрон самостоятельно может принять горизонтальное положение в процессе полета. Существуют также и другие датчики, определяющие высоту, скорость полета, интенсивность ветра, расстояние до предметов и т. д.;
• полезные мелочи. К ним можно причислить девайс, который облегчает поиск упавшего квадрокоптера;
• корпус, обеспечивающий защиту платы от внешнего воздействия;
• крепеж для видеокамеры.

Следует заметить, что все элементы, из чего состоит квадрокоптер, необходимо грамотно расположить, чтобы обеспечить максимальную устойчивость устройства.

Как работает и летает квадрокоптер

Принцип работы квадрокоптера довольно простой. Двигатели в количестве четырех штук и более, расположенные на лучах рамы аппарата, создают при включении подъемную силу, и дрон отрывается от земли. Режимов действия у моторов предусмотрено несколько:

• одновременный запуск всех двигателей — непосредственно для взлета;
• наклон в стороны — скорость вращения левой или правой пары моторов при этом меняется;
• снижение оборотов двигателей для уменьшения подъемной силы, в таком режиме дрон идет на посадку;
• набор скорости достигается за счет изменения вращения задней или передней пары моторов.

В целом схема устройства дрона очень похожа на вертолетную. Но если большая летательная машина маневрирует за счет наклона вала лопастей, то коптер изменяет положение в пространстве благодаря разнице воздушных потоков по бокам. Для вращения на месте нужно уменьшить обороты одной из пар двигателей, в таком случае возникнет обратный момент, и вся конструкция сможет закрутиться вокруг оси.

Как работает квадрокоптер с камерой

https://www.youtube.com/watch?v=ntDBB_O1vgE

Наибольший интерес представляют дроны со встроенной или подвесной камерой, их возможности самые широкие. По внутреннему устройству такие аппараты практически не отличаются от простейших моделей. Разница состоит в том, что в основном блоке на силовой раме предусмотрен еще и небольшой видеодатчик либо крепления для фиксации внешней фототехники.

Камеры дронов из разных ценовых категорий отличаются по возможностям. Речь идет не только о качестве изображения, но и о функционале. Например, дорогие камеры оснащаются настраиваемым фокусом, а также поворотным механизмом. Их можно направлять в разные стороны, при этом не меняя положение самого дрона в пространстве.

Бюджетные коптеры с камерой отправляют фото и видео непосредственно на мобильное устройство оператора. Более дорогие модели поддерживают карты памяти, позволяющие не только сохранять изображения, но и программировать маршрут и схему поведения дрона.

Совет! Если нужен квадрокоптер с камерой для проведения профессиональной съемки, лучше выбирать устройство с внешней фототехникой на подвесе.

Как устроен и из чего состоит квадрокоптер

Основной частью конструкции квадрокоптера является силовая рама — на ней закреплены все остальные элементы. В центре расположен корпус дрона с электронной начинкой и камерой. От середины отходят фиксированные или поворотные лучи с зафиксированными на них двигателями.

Важно! Рама дрона выполняет не только практические, но и декоративные функции. Поэтому судить по ее форме и размерам об электронной начинке коптера нельзя.

Внутри корпуса расположены электронные элементы, отвечающие непосредственно за летательные возможности. Среди них:

• литий-ионная батарея, предоставляющая дрону энергию;
• радиомодули и трансмиттеры для поддержки дистанционного управления;
• преобразователи напряжения;
• микросхемы и провода;
• датчики — гироскоп, акселерометр, сонар, GPS.

Набор сенсоров может меняться в зависимости от модели дрона и его стоимости. Большинство устройств оснащаются гироскопом, он отвечает за стабилизацию коптера в полете и его крен, позволяет удерживать высоту.

Какие бывают?

В настоящее время рынок бытовых беспилотников предлагает огромное количество мультикоптеров (дронов), но в целом их можно разделить на три большие группы: Для Новичков/Любительские/Профессиональные.

Для новичков – подходят как детям, так и взрослым с целью первого ознакомления и обучения. Как правило, оснащены микропроцессором,  6-осевым гироскопом и простейшим барометрическим сенсором для обеспечения удержания высоты.

Любительские – для пилотов уже имеющих опыт владения БПЛА. Больше подходят для конкретного применения. Например для аэросъемки, либо для спортивных состязаний, таких как дрон-рейсинг. Дроны этой группы могут иметь автономные функции полёта и съёмки.

Профессиональные – подходят исключительно для опытных пилотов, которые используют возможности мультикоптеров (дронов) в профессиональной сфере. Например, профессиональная фото и видео съёмка, геодезия, мониторинг угодий, трафика, в спасательных операциях и т.д.

В большинстве случаев дроны имеют автономные функции полёта и съёмки. Электронная начинка собирается из высокоточных современных систем обеспечивающих удаление на большие расстояния, а питание позволяет проводить значительно большее времени в полёте. Характерным отличием таких мультикоптеров является их цена.

Для более полного ознакомления с беспилотными системами рекомендуем тему «Что такое дрон?».

Краткий гайд по квадрокоптерам для fpv. часть четвёртая – поговорим о мозгах?

Направление двигателя для рыскания

На квадрокоптере, таком как DJI Mavic Pro или последняя версия Mavic 2 Pro, рыскание управляется правой ручкой управления на пульте дистанционного радиоуправления. Перемещение джойстика влево или вправо приведет к повороту квадрокоптера влево или вправо.

Движение на пульте передают сигналы на полетный контроллер, который отправляет данные на регуляторы скорости квадрокоптера, управляющие конфигурацией и скоростью каждого двигателя.

Чтобы увидеть, как это на самом деле работает, взгляните на диаграмму конфигурации пропеллеров выше. На схеме изображен квадрокоптер DJI Phantom 3, вид сверху с роторами, обозначенными от 1 до 4.На приведенной схеме, вы можете видеть конфигурацию двигателя квадрокоптера:

Угловой момент является вращательным эквивалентом линейного импульса и рассчитывается путем умножения угловой скорости на момент инерции. Какой момент инерции? Это похоже на массу, но только он имеет дело с вращением. Угловой момент зависит от того, как быстро вращаются роторы.

Концептуально момент инерции можно рассматривать как представление сопротивления объекта изменению угловой скорости.

Если на двигателях квадрокоптера крутящий момент отсутствует, то общий угловой момент должен оставаться постоянным, равным нулю. Чтобы понять угловое движение вышеуказанного квадрокоптера, представьте, что 2-й и 4-й ротор, имеют положительный угловой момент, а 1-й и 3-й имеют отрицательный угловой момент. Назначим каждому двигателю значение -4, 4, -4, 4, что в сумме равно нулю.

Чтобы повернуть дрон вправо, нужно уменьшить угловую скорость двигателя 1, чтобы иметь угловой момент -2 вместо -4. Если бы ничего не случилось, общий момент импульса квадрокоптера теперь был бы 2. Так вот, этого не может быть. Дрон теперь будет вращаться по часовой стрелке, так что его корпус имеет момент импульса -2.

Уменьшение вращения ротора 1 действительно привело к вращению дрона, но также вызывает проблему. Это также уменьшило тягу от двигателя 1. Теперь направленная вверх сила не равна силе гравитации, и квадрокоптер опускается.

Кроме того, тяга двигателя квадрокоптера не одинакова, поэтому квадрокоптер становится неуравновешенным. Квадрокоптер наклонится вниз в направлении двигателя 1.

Чтобы вращать дрон без создания вышеуказанных дисбалансов, необходимо уменьшить вращение двигателей 1 и 3 с увеличением вращения вращающихся роторов 2 и 4.

Угловой момент вращения роторов по-прежнему не равен нулю, поэтому корпус дрона должен вращаться. Однако общая сила остается равной силе гравитации, и дрон продолжает зависать. Поскольку нижние упорные роторы расположены по диагонали друг от друга, дрон может оставаться в равновесии.

Радиус действия квадрокоптера

Максимальная дальность полета дрона колеблется в очень широких пределах. Самые бюджетные модели коптеров способны улетать не более чем 50-100 м от владельца. У них есть свои преимущества — такие аппараты чутко отзываются на команды с пульта, их сложно потерять.

Более дорогие дроны, обычно с ценником от 5000 рублей и выше, удаляются на расстояние до 500 м. Возможности фото- и видеосъемки у них более широкие, хотя местность для полета нужно подбирать внимательно и следить за тем, чтобы вокруг было поменьше препятствий.

Посторонние твердые объекты влияют на качество сигнала и могут осложнять процесс управления дроном. И, наконец, премиальные модели летающих аппаратов могут улетать на расстояние вплоть до 5-20 км, стоят они очень дорого, и покупают их обычно для профессиональных целей.

Управление

Некоторые недорогие модели не имеют пульта ДУ в комплекте и управляются со смартфона – это сильно снижает цену квадрокоптера, но и радиус действия его будет ограничен зоной уверенного приема WiFi. Функциональность таких дронов невысока. Хотя для селфи-дронов, например, этого достаточно.

Впрочем, возможность управления со смартфона или планшета есть и у многих «серьезных» моделей – если запускать дрон планируется в зоне уверенного приема WiFi, то можно не таскать с собой габаритный пульт, а воспользоваться смартфоном. Только не забудьте убедиться, что ОС вашего смартфона есть в списке совместимых операционных систем квадрокоптера.

Режим Headless Mode (или «новичок») используется при управлении дроном на визуальном контроле (а не с камеры FPV). В этом режиме система координат дрона связана с пультом, и он всегда будет удаляться от вас, когда вы наклоняете рычаг управления (стик) от себя и приближаться, когда вы наклоняете его к себе.

Если дрон не улетает от оператора дальше 100 м, управление обычно не вызывает сложностей – тем более, если оператор занят только управлением, не отвлекаясь на съемку. Если же квадрокоптер имеет больший радиус действия или оператору нужно больше внимания уделять съемке, а не управлению, то становятся необходимы некоторые вспомогательные функции:

Функции автовзлета и автопосадки позволяют поднимать и сажать дрон не в ручном управлении, а нажатием кнопки (или комбинацией кнопок). Это упрощает взлет и посадку, кроме того, функция автопосадки может помочь при потере связи с пультом или при потере визуального контакта с дроном – многие квадрокоптеры с автопосадкой при разрыве связи автоматически выполняют посадку.

Удержание позиции позволяет дрону зависать на одном месте при отпускании рычагов управления. Если этой функции у дрона нет, при отпускании стиков он может продолжать перемещаться с небольшой скоростью в произвольном направлении. Кроме того, удержание позиции позволяет дрону в некоторой степени компенсировать влияние ветра.

Реализуется удержание позиции с помощью пары датчиков: высоты и положения. Датчик положения может быть оптическим (когда контроллер анализирует изменение местности, снимаемой отдельной маленькой камерой) и на основе GPS-модуля. Высоту дрон также может получать с датчика высоты (барометрического или ультразвукового)

или также от GPS-модуля. GPS-модуль предоставляет дрону куда больший функционал, чем просто удержание позиции. Однако следует помнить, что корректно функции GPS работают только после калибровки магнитного датчика (компаса). Если не калибровать компас перед запуском дрона, он может неправильно определить стороны света и не будет понимать, в какую сторону двигаться, чтобы достичь нужной точки.

Функция «возврат домой» позволяет дронам с GPS-модулем при потере сигнала с пульта автоматически вернуть квадрокоптер в точку взлета.

Функция «полет по точкам/маршруту» также доступна только при наличии GPS. Эта функция позволяет ввести в дрон координаты точек на местности и после взлета квадрокоптер автоматически последует по заданному маршруту; оператор при этом может сосредоточиться на съемке, не отвлекаясь на управление.

Тип двигателя. Двигатель в квадрокоптере может быть коллекторным и бесколлекторным. Коллекторные дешевле, бесколлекторные имеют большую мощность и больший ресурс. В профессиональных и гоночных дронах применяются бесколлекторные двигатели.

Вес дрона также имеет значение – и не только для ношения его в сумке. С 2023 года были утверждены поправки в Воздушный кодекс РФ, обязывающие регистрировать все беспилотные летательные аппараты массой более 250 грамм. Поправка должна была вступить в силу в 2023 году, но этого пока так и не произошло.