Бензиновые квадрокоптеры и мультикоптеры. краткий обзор
Квадрокоптеры неожиданно ворвались в нашу жизнь и распространились повсеместно. Они получили свой второй шанс на жизнь, впервые появившись в первой половине прошлого века. Однако их основная проблема так до сих пор и не решена, — над чем и бьются множество компаний и отдельных энтузиастов.
Мультикоптер (англ. Multirotor, multicopter, многороторный вертолёт, многолёт) — летательный аппарат, построенный по вертолётной схеме, с тремя и более несущими винтами
Многовинтовые вертолёты разрабатывались ещё в первые годы вертолётостроения. Один из первых квадрокоптеров (англ. quadcopter, четырёхроторный вертолёт), который реально оторвался от земли и мог держаться в воздухе, был создан Георгием Ботезатом и испытан в 1922 году.
Источник картинки: wikipedia.org
Новое рождение мультикоптеры получили в XXI веке, уже как беспилотные аппараты. Благодаря простоте конструкции квадрокоптеры часто используются в любительском моделировании, также удобны для недорогой аэрофото- и киносъёмки.
В последнее время появились миниатюрные квадрокоптеры, умещающиеся на ладони (Walkera Ladybird, WLtoys V929, Blue Arrow nano Loop и пр). Они практически безопасны (масса аппарата менее 100 г), в то же время позволяют получить основные навыки полёта на мультироторном аппарате, так как принцип их управления ничем не отличается. Квадрокоптеры такого размера возможно запускать дома, не рискуя нанести вред людям или предметам. Некоторые модели разгоняются до впечатляющих 26 м/с[13], имеют высокое качество съёмки и управляются на расстоянии более 3,5 км.
По принципу управления мультикоптеры существуют:
Мультикоптеры имеют 3 или более винтов постоянного шага (автомата перекоса, в отличие от одно- и двухвинтовых аппаратов, нет). Каждый винт приводится в движение собственным двигателем. Половина винтов вращается по часовой стрелке, половина — против, поэтому рулевой винт мультикоптеру не нужен. Маневрируют мультикоптеры путём изменения скорости вращения винтов. Например:
Микропроцессорная система переводит команды радиоуправления в команды двигателям. Чтобы обеспечить стабильное зависание, мультикоптеры в обязательном порядке снабжают тремя гироскопами, фиксирующими крен аппарата. Как вспомогательный инструмент, иногда, также используется акселерометр, данные от которого позволяют процессору устанавливать абсолютно горизонтальное положение, и бародатчик, который позволяет фиксировать аппарат на нужной высоте. Также применяют сонар для автоматической посадки и удержания небольшой высоты, а также для облёта препятствий. Использование GPS-приёмника позволят записывать маршрут полёта заранее, с компьютера а также возвращать аппарат в точку взлёта, в случае потери управляющего радиосигнала, или снимать параметры полёта оперативно или потом.
Винты могут быть установлены непосредственно на вал двигателя, либо через редуктор.
В любительских и профессиональных мультикоптерах используются коллекторные и бесколлекторные электродвигатели и литий-полимерные аккумуляторы в качестве источника энергии. Это накладывает определённые ограничения на полётные характеристики: типичная масса мультикоптера составляет от 1 до 4 кг, при времени полёта от 10 до 30 минут (30—50 минут у уникальных единичных экземпляров). Запас энергии батарей позволяет отдельным моделям мультикоптеров улетать на расстояние до 7—12 км, на практике же радиус действия (максимальное расстояние, на которое они способны улететь с последующим возвратом в точку взлёта) обычно ограничено прямой видимостью (100—200 м при ручном управлении) либо дальностью действия аппаратуры радиоуправления и видеолинка. При этом лучшие образцы подобной аппаратуры, использующие усилители мощности радиосигнала и систему направленных антенн, способны обеспечивать стабильные: радиоуправление и видеолинк на расстояния до 100 км. Таким образом, наибольшее ограничение на радиус действия мультикоптеров накладывает именно время полёта.
Эти ограничения приводят к тому, что мультикоптеры обычно используются как аппараты «ближнего радиуса действия»: для любительских полётов недалеко от себя, для фото-видеосъёмки близко расположенных объектов и так далее (для сравнения, беспилотные самолёты с аккумулятором аналогичной ёмкости могут улетать на 10—15 км при высоте полёта 1—2 км).
Поднимаемый полезный груз моделями мультикоптеров среднего размера и грузоподъёмности — от 500 г до 2—3 кг, что позволяет поднять в воздух небольшую фото- или видеокамеру (обычно экшн-камера в более дешёвых моделях, либо зеркальные камеры в профессиональных).
Существуют и достаточно крупные модели мультикоптеров, с количеством роторов порядка 6—8 (гекса- и октокоптеры), способные поднять в воздух груз массой до 20—30 кг. Для увеличения грузоподъёмности применяют соосное расположение несущих роторов, что в случае гексакоптера, например, даёт 12 моторов и 12 пропеллеров, расположенных попарно на 6 несущих лучах.
Скорость полёта мультикоптера может быть от нуля (неподвижное висение в точке) до 100—110 км/ч.
Существуют также трёх- и пятивинтовые вертолёты (три- и пентакоптеры). Один из моторов там располагается на нанизанной на ось подвижной платформе, угол поворота которой изменяется сервоприводом — так и осуществляется поворот аппарата вокруг своей оси. Отдельно стоит отметить экспериментальные аппараты: бикоптеры, квадрокоптеры с изменяемым шагом пропеллеров, квадрокоптеры с двигателями на импеллерах, однако они не получили какого-либо распространения.
Большое количество энтузиастов занимается самостоятельной сборкой коптеров.
Часто для этих целей они используются широко известный недорогой полётный контроллер KK Multicopter, который имеет несмотря на свою низкую цену, достаточно широкие возможности и позволяет управлять системой, содержащий до 6 роторов включительно.
Источник картинки: www.quad-copter.ru
Следует упомянуть, что большая часть современных мультироторных систем представляет собой электрические машины, где тяговыми двигателями выступают электродвигатели, а в качестве источника энергии для них используются, в основном, литий-полимерные аккумуляторные батареи.
Исходя из всего вышесказанного, проистекает основная проблема мультироторных электрических систем: малое время работы (ввиду гораздо меньшего соотношения ёмкости аккумуляторных батарей к их весу, то есть энергоёмкости, по сравнению с любыми топливными системами) и невозможность подзарядки аккумуляторов в полевых условиях, ввиду отсутствия такой возможности.
Кроме того, грузоподъёмность мультироторных систем оставляет желать лучшего. Они вполне годятся для перевозки небольших грузов, однако стоимость системы, которая сможет стать полноценным средством передвижения или перевозки пассажиров, будет достаточно внушительной. Справедливости ради, однако, следует отметить, что в последнее время начинают практически реализовываться идеи некоего летающего городского такси, которое как раз будет построено на основе мультироторной электрической системы.
Однако, как уже было сказано ранее, мультироторные системы появились не вчера, изначально они представляли собой исключительно системы на двигателях внутреннего сгорания.
И не так давно, в середине 2023-х годов появилось достаточно интересная система, которая «возвращалась к истокам» и представляла собой квадрокоптер бензинового типа — Nitro Stingray.
В отличие от своих электрических собратьев, эта система в своей основе имела в качестве силовой установки двигатель внутреннего сгорания, от которого крутящий момент передавался на все четыре несущих ротора:
Этот квадрокоптер отличался тем, что он имел один центральный двигатель, а присущая мультикоптерам подвижность,- обеспечивалась четырьмя винтами, с изменяемым шагом:
Ввиду высокой энергоёмкости сжигаемого топлива, этот квадрокоптер имел относительно небольшой вес, если сравнивать его с электрическими собратьями, высокую удельную грузоподъёмность, а также подвижность, о чём было сказано ранее.
В это же десятилетие отметились несколько известных проектов, которые пытались решить проблему недостаточной грузоподъёмности электрических устройств таким же путем, — использованием центрального двигателя и передачи крутящего момента, в то время как управление осуществлялось регулировкой шага винтов.
Одним из таких проектов является проект Incredible HLQ (Heavy Lift Quadcopter), который даже запускал свою кампанию на kickstarter com.
Вот что говорили о нём его создатели:
«Мы — группа студентов-механиков, работающих над нашим главным проектом в Государственном университете Сан-Хосе в Сан-Хосе, Калифорния. В состав группы входят 4 участника: Ник Коновер, Крис Фулмер, Карлос Герреро и Габриэль Теллез. Каждый из нас обладает особым набором навыков и специализируется в 2 различных дисциплинах: мехатроника и конструирование.
Мы проектируем и строим квадрокоптер с большой грузоподъёмностью (HLQ), который мы называем Incredible HLQ (звучит как «Халк»). Как и супергерой, HLQ сможет поднимать и транспортировать огромное количество веса для своего размера и стоимости. HLQ сможет автономно извлекать и доставлять 50 фунтов (~22,7 кг) полезной нагрузки.
Чтобы достичь цели в 50 фунтов, HLQ будет использовать трансмиссию, приводимую в действие двумя бензиновыми двухтактными двигателями мощностью около 12,5 л.с. каждый. Подъём будет осуществляться с помощью четырёх головок несущего винта коммерческого радиоуправляемого вертолёта с четырьмя лопастями диаметром 435 мм. Выбор этих лопастей был основан на реальных испытаниях подъёмной силы на нашем испытательном стенде, которые показаны в видео. Управление достигается за счёт использования управления переменным шагом винтов для изменения подъёмной силы каждого ротора.
Управление полётом будет использовать модуль DIYDrone Ardupilot APM2.5 . Ardupilot — это плата управления на базе Arduino с открытым исходным кодом для БПЛА. Он широко используется для многих летательных аппаратов с неподвижным крылом, вертолётов и многороторных летательных аппаратов и имеет подтверждённый послужной список.
Кроме того, мы будем использовать систему компьютерного зрения для идентификации и отслеживания полезной нагрузки с помощью библиотеки OpenCV на Roboard RB-110. RB-110 — это полноценный компьютер на одной плате. Он имеет 486-совместимый процессор с тактовой частотой 1 ГГц и может работать под Windows, Linux или Dos.
HLQ — дорогостоящий проект для большинства старших инженерных проектов в SJSU (Государственный университет Сан-Хосе). Затраты выходят за рамки того, что мы, студенты, можем себе позволить, и поэтому ваша поддержка имеет решающее значение для нашего успеха».
У проекта есть свой канал на YouTube, где они публикуют последние новости о разработках.
Несмотря на большое количество затраченного времени, в данный момент проект всё также находится в стадии разработки, последнее видео о новостях проекта вышло в мае 2020 года:
Ещё одним достаточно известным проектом является Goliath Mkll.
Проект стартовал примерно в то же время, что и первый, также в 2023 году и имеет свой канал на YouTube, но так же как и первый проект, — до сих пор находится в стадии разработки:
Достаточно долгое время идея бензиновых грузоподъёмных мультироторных систем пребывала в запустении, в течение всего десятилетия 2023-х. По крайней мере, не было ничего особо заметного, что бы громко заявило о себе в блогосфере или интернете в целом.
Однако, в последние 3-4 года, ситуация похоже сдвинулась с мёртвой точки, — разработчики похоже учли сложность создания системы с изменяемым шагом винтов, и пошли другим путём: один за другим стали появляться проекты, которые сочетают в себе преимущества двух подходов,- электрического и бензинового.
Как правило, эти проекты построены приблизительно по одной и той же схеме: классическая мультироторная система, где несущие роторы базируются на основе электрических двигателей, в то время как источником энергии для питания системы являются не аккумуляторы, а используется портативная бортовая электростанция внутреннего сгорания — для выработки электроэнергии.
Такого типа дроны позиционируются как средства для опыления полей от вредителей. Ввиду своей грузоподъёмности и большого времени работы, они могут брать на борт большой бак с жидкими инсектицидами и работать долгие часы, проходя большую площадь.
Хотя, кое-кто развивает и альтернативные технологии. Как, например, проект ниже, о котором, к сожалению, ничего не известно, кроме технических характеристик, показанных в видео. Мультикоптерная система, предположительно, имеет синхронизирующие валы между парами отдельных двигателей, для выравнивания их скоростей, проходящие внутри труб — каркаса. А управление осуществляется наклоном каждого конкретного двигателя:
В качестве заключения:
Некоторое время назад, вышло видео, где сноубордист, прицепленный к квадрокоптеру, катается на фоне заснеженных ландшафтов:
Неожиданный подход, продемонстрированный в видео, произвёл впечатление на многих и широко разошёлся по блогосфере. Однако любой, более-менее близко знакомый с технической стороной «коптеростроения», понимает, что построение подобного коптера, — обойдётся в круглую сумму!
Но благодаря продемонстрированному строителями сельскохозяйственных коптеров подходу, данная затея уже не кажется такой безумной!
Предположим некий мультикоптер, который может поднимать человека, построенный по электрической схеме, и питающийся от бортовой электростанции. Ввиду мультироторной схемы, такой коптер будет обладать высокой подвижностью, в то же время, обладая высокой грузоподъёмностью, что позволит использовать его для такого интересного применения как дрон-бординг (катание за дроном, на прицепе)! Или скажем, в качестве манёвренного мощного дрона, для доставки грузов.
Для снижения шума от работы двигателя бортовой электростанции, дрон может лететь на большой высоте, поэтому это не будет проблемой.
Стартап? Why not…
Доп. информация
- Подвес — основная функция, это стабилизация камеры. Монтируется под рамой (ориентируясь на центр тяжести). Устанавливается на раму, либо благодаря направляющим. Чтобы добиться максимальной стабилизации изображения, лучше применять 2х-3х осевые подвесы. Для этого нужно будет удлинить посадочные опоры.
- Грузоподъёмность – роскошь для простого обывателя, каждый дополнительный грамм влияет на время полета и исключает применения доп. элементов (для важных функций) Проектируя нужно учитывать, что бокс для транспортировки должен быть исполнен из сверх легкого материала, с повышенной прочностью, плюс нужно четко продумать крепёжную систему для груза.
- Посадочные опоры — для уменьшения веса, многие снимают посадочные опоры и приземляют дрон на раму. Но благодаря опорам увеличивается расстояние между нижней частью конструкции и поверхностью (на которую вы приземляетесь) и компенсируют жесткую посадку, беря весь удар на себя. Так вы увеличите шансы успешно посадить дрон и сохранить в целостности все его элементы.
Сборка — конечно разработать проект и собрать дрон куда проще, чем вертолет, но это не исключает необходимости продумать все нюансы, перед тем, как приступить к сборке.
Советы по сборке:
1. Важно рассчитать точное расположение отверстий, для последующего крепления двигателей к раме.
2. Вы сможете миксовать рамы одного производителя с двигателями другого, вы сможете, если размер рам вписывается в диапазон 40-60см.
3. Распределять доп. компоненты следует симметрично 1й оси.
4. Контроллер полета нужно размещать в центре соединения всех двигателей.
5. Крепление контролера полета осуществляется посредством стоек, демпферов и двустороннего скотча.
6. Нет стандартов для крепления контроллеров, но многие производители используют одно и то же расположение отверстий.
7. Аккумулятор тяжелый, если центр массы сдвинут, откорректировать его можно, сместив батарею.
8. Крепеж аккумулятора должен быть надежно зафиксирован, но одновременно немного «играть».
9. Как правило аккумулятор крепится ремнями с липкой основой, но желательно зафиксировать батарею к раме двухсторонним скотчем.
Если сомневаешься — ставь больше пропеллеров!
Почти сразу после появления моделей вертолетов начались попытки создания многопропеллерных, если можно так выразиться, машин.
Чем больше пропеллеров было в модели, тем труднее было согласовывать их работу. Тот же вертолет Chinook с картинки выше, без гироскопа колбасило при полете так, что становилось сомнительным применение двух пар винтов. Для полета же моделей с тремя и более количеством двигателей требовалась электроника, на порядок сложнее вертолетной.
Поначалу стали экспериментировать с количеством электромоторов. Это сейчас почти всегда ставится знак равенства между дроном и квадрокоптером, но на заре их появления было совсем не так.
Изначально многомоторные модели собирали исключительно энтузиасты. Почти сразу же возникла идея ставить на модели компактные камеры, которых в то время было не много, а GoPro появилась уже позже, и удачно вписалась в тренд. Камеры собирали из собственноручно припаянных контроллеров к камерам от мобильных телефонов и так далее.
Конструкторы мультикоптеров подбирали материалы для их рам, экспериментировали с разными электродвигателями, стали паять различные модули для согласованного управления пропеллерами, писать для этого ПО и обмениваться удачными находками друг с другом. Получалось с переменным успехом.
Пока не было надежной электроники для согласования моторов и не появились миниатюрные гироскопы, смотреть на полеты таких устройств жутковато. Здесь были и поломанные рамы, и потерянные видеокамеры, и утонувшие в водоемах дорогостоящие электронные модули. Однако год от года стабильность, дальность полета, простота управления и качество снимаемых видео постоянно возрастали.
Появились коптеры с двумя, тремя, четырьмя, пятью, шестью, восемью и более пропеллерами — соответственно, бикоптеры, трикоптеры, квадро-, пента-, гекса- и октакоптеры.
Один из первых трикоптеров, 2023 год
И вот, после долгих экспериментов, модели стали уже летать стабильно. Можно было не бояться, что она завалится в воздухе на бок или что вибрация при полете будет мешать управлению.
Бикоптер
Поначалу все ставили себе столько пропеллеров, сколько хотели, но позже каждой схеме, все же, нашлось свое применение.
Пролет квадрокоптера с камерой GoPro Hero 3 на борту через фейерверк, лучше смотреть в HD, 2023 год
Машины с тремя и четырьмя моторами стали чаще применяться для развлекательных полетов, для съемки видео, а увеличенное число пропеллеров пригодилось в коптерах для перевозки грузов, а также в тех случаях, когда от мультикоптера требуется надежность. Ведь если при отказе одного из моторов в модели вертолета неизбежно происходит его крушение, то в случае моделей с несколькими двигателями нагрузку вышедшего из строя мотора можно распределить на другие и удержать машину в воздухе.
Октакоптер, специально предназначенный для перевозки грузов, 2023 год
Материалы дронов/конструкция
Рассмотрим самые популярные материалы, для изготовления дронов. Идеальная рама, это жесткая основа, которая может передавать вибрацию.
Пена – как моно материал практически не применяются. Зачастую миксуется с жесткой конструкцией. Либо используется, как защита.
Дерево — отличный вариант для тех, кому важна минимальная стоимость. Вы сможете сократить расходы и время. Но выбирайте идеальную древесину (ровную и не деформированную)
Пластик — идеален для защиты каркаса или шасси. Если вы хотите использовать его, для 3D принтера, лучше изготавливать маленькие дроны (экономия времени), более габаритные проще приобрести в версии kit.
Алюминий — приятная цена, но более большой вес в сравнении с углеродным волокном. Не разрушается, все проблемы которую могут возникнуть, это изгиб материала. Чтобы работать с ним достаточно пилы и дрели.
Стекловолокно (G10)– внешне практически идентичен с карбоном, но стоимость намного приятней. Продается листами, применяется для изготовления верхней и нижней части рамы. Не препятствует прохождению радиоволн.
Печатная плата – аналогичен стекловолокну. Применяют для создания верхней и нижней пластины рамы, чтобы уменьшить кол-во деталей конструкции. Можно сделать раму (будет вся электронная начинка) из одной печатной платы.
Углеродное волокно — один из самых популярных материалов, благодаря легкому весу и повышенной прочности. Все детали, так же нужно делать вручную. Продаются плоские листы, если необходимы трехмерные формы, сделать их смогут только по спец. заказу.
Строим квадрокоптер. часть 1. детали.
«В настоящее время рядом с нами их (азербайджанцев) проживает человек 150-200, и каждый месяц еще появляется человек десять… Мы боимся за жизнь своих детей и внуков… Мы обращались и к местной власти, и в милицию, но там нам сказали, что выселить их может лишь миграционная служба. Но, наверное, пока не грянет гром, как у нас обычно бывает, ничего не произойдет… Просим принять срочные меры к гражданам Азербайджана, которые проживают у нас в селе, пока не случилась трагедия. Они угрожают нашим жизням и жизням наших детей и внуков».
Функции квадрокоптера
Рассмотрим базовые и специфические функции, которые помогут вам получить более детальные представления о возможностях устройства. Но в конкретных моделях присутствуют лишь некоторые из представленных ниже функций.
Функция удержания высоты и съемки
. При наличии функции удержания высоты квадрокоптер способен как бы зависать в одной точке на определенной высоте. Она чаще всего используется для получения качественных фотографий, если на дроне есть камера.
Функция возврата домой
. Эта возможность есть далеко не у каждого квадрокоптера, хотя без нее есть риск потерять агрегат. Были неоднократные случаи, когда дроны просто улетали от своих хозяев настолько далеко, что те не могли их найти. При наличии функции возврата коптер вернется в точку взлета, даже если потерял связь с пультом управления (в том числе по причине разряда аккумулятора).
Полет по определенной траектории
. Такая функция позволяет вам задавать маршрут коптера. Это удобно во многих случаях, когда нет возможности управлять аппаратом или хочется лучше сконцентрироваться на съемке местности.
Функция автовзлета и автопосадки
. При наличии такой возможности вам не нужно всякий раз управлять устройством до набора высоты и беспокоиться о том, что он улетит. Автопосадка — это все та же функция возврата домой, при которой дрон приземляется на месте старта.
Функция разных летных режимов
. Дроны умеют подниматься по разным траекториям, что удобно для выполнения конкретных задач. Так, в режиме «Круг» (Circle) дрон облетит объект по кругу заданного диаметра в заданном направлении и вернется на место. Тем самым можно обеспечить, например, круговой обзор во время съемки.
В режиме «Ракета» (Rocket) коптер стремительно взмывает вверх по прямой с направленной вниз камерой, в режиме «Спираль» (Helix) он будет подниматься над объектом, двигаться вокруг него по спирали, а в режиме «Дрони» (Dronie) — устройство поможет сделать селфи с воздуха.
Любителям игр понравится режим «Воздушный бой» (Infrared Battle), правда, он есть лишь на некоторых моделях. Дроны с таким режимом способны стрелять в противника инфракрасными лучами и подсчитывать «ранения». В результате команды могут соревноваться по достижению наибольшего числа очков в воздушных схватках.
Функция разных режимов съемки
. Здесь уже многое зависит от возможностей видеокамеры дрона. Режим Tripod обеспечивает плавную съемку без рывков, TapFly — это фактически полет по прикосновению, когда вы на смартфоне нажимаете конкретное место на картинке, например на горы, и коптер отправляется туда, облетая на пути все препятствия.
Active Track — это такой режим, в котором вы обводите рамкой конкретный объект съемки, после чего дрон все время держит его в кадре, используя так называемое компьютерное зрение, способность распознавать объекты и машинное обучение. Создать эффектные ролики поможет функция QuickShots, при включении которой съемка ведется в описанных выше режимах «Ракета», «Спираль» и других. Есть и другие режимы съемки, которые зависят от возможностей установленной на борту дрона видеокамеры.
Функция «Следуй за мной» (Follow me).
Если у квадрокоптера есть эта функция, он может отслеживать координаты пульта управления или смартфона по GPS или держать в фокусе своей камеры движущийся объект и лететь вслед за ним (по технологии Active Track). В этом режиме дрон держится на определенном расстоянии, чтобы не мешать происходящему, и может вести его записи.
Функция управления дроном со смартфона
