mirror of
https://github.com/CopterExpress/clover.git
synced 2026-05-26 21:19:35 +00:00
171 lines
22 KiB
Markdown
171 lines
22 KiB
Markdown
Урок №1: «Знакомство. Принципы проектирования и строение мультикоптеров»
|
||
========================================================================
|
||
|
||
Первые беспилотники
|
||
-------------------
|
||
|
||
Толчком к появлению дистанционно управляемых машин стало открытие электричества и изобретение радио. Австрийская армия использовала управляемые по проводам воздушные шары для бомбардировки Венеции 22 августа 1849 года. В 1892 году компания «Электрические торпеды Симса-Эдисона» представила управляемую по проводам противокорабельную торпеду. В 1897 году британец Эрнест Уилсон запатентовал систему для беспроводного управления дирижаблем, но сведений о постройке такого механизма нет.
|
||
|
||
В 1899 году на выставке в Мэдисон-Сквер-Гарден инженер и изобретатель Никола Тесла продемонстрировал миниатюрное радиоуправляемое судно. Несмотря на то, что общественность в первую очередь заинтересовало военное применение его изобретения, сам Тесла указывал на потенциально гораздо более широкое применение дистанционного управления (названного изобретателем «телеавтоматикой»), например, в человекоподобных автоматонах.
|
||
|
||
|
||
|
||
### «Жук» Кеттеринга
|
||
|
||
Экспериментальная беспилотная «воздушная торпеда», один из первых проектов предшественников современных крылатых ракет. Разработана изобретателем Чарльзом Кеттерингом по заказу Армии США в 1917 году. Предназначалась для обстрела с дистанции до 120 км городов, крупных промышленных центров и мест сосредоточения войск противника. Отличался простотой конструкции и очень низкой ценой. Хотя аппарат сравнительно успешно прошёл испытания, Первая мировая война закончилась и снаряд так и остался опытным.
|
||
|
||
|
||
|
||
### Вертолёт Ботезата
|
||
|
||
Многовинтовые вертолёты разрабатывались ещё в первые годы вертолётостроения. Один из первых квадрокоптеров (англ. quadcopter, четырёхроторный вертолет), который реально оторвался от земли и мог держаться в воздухе, был создан Георгием Ботезатом и испытан в 1922 году. Недостатком этих аппаратов была сложная трансмиссия, передававшая вращение одного мотора на несколько винтов. Изобретение хвостового винта и автомата перекоса положило конец этим попыткам. Новые разработки начались в 1950-е годы, но дальше прототипов дело не продвинулось.
|
||
|
||
|
||
|
||
Типы БПЛА
|
||
---------
|
||
|
||
Беспилотный летательный аппарат (БПЛА) - летательный аппарат, выполняющий полет без пилота (экипажа) на борту и управляемый в полете автоматически, оператором с пункта управления или сочетанием указанных способов. Основные классы таких аппаратов – это БПЛА самолетного и вертолетного типов.
|
||
|
||
БПЛА самолетного типа
|
||
---------------------
|
||
|
||
Этот тип аппаратов известен также как БПЛА с жестким крылом. Подъемная сила данных аппаратов создается аэродинамическим способом за счет напора воздуха, набегающего на неподвижное крыло. Аппараты такого типа, как правило, отличаются большой длительностью полета, большой максимальной высотой полета и высокой скоростью.
|
||
Существует большое разнообразие подтипов БПЛА самолетного типа, различающихся по форме крыла и фюзеляжа. Практически все схемы компоновки самолета и типы фюзеляжей, которые встречаются в пилотируемой авиации, применимы и в беспилотной.
|
||
|
||
Применение БПЛА самолетного типа
|
||
--------------------------------
|
||
|
||
БПЛА самолетного типа способны охватывать гораздо большие площади, чем обычные коптеры, благодаря возможности длительно находиться в воздухе и развивать большие скорости, но их цена существенно превышает цену типовых коптеров. Главный недостаток таких устройств (кроме цены) - качество изображения может пострадать из-за скорости, такие летательные аппараты зачастую не могут зафиксировать трехмерные/топографические детали съемки.
|
||
Сферы использования:
|
||
|
||
* Аэрофотосъемка местности (при необходимости отснять рельеф поверхности земли на протяженном расстоянии);
|
||
* Военная сфера (тяжёлые БПЛА большой продолжительности полёта – взлётная масса более 1500 кг, дальность действия около 1500 км);
|
||
* Сельское хозяйство (распространение удобрений, мониторинг полей);
|
||
* Охрана и мониторинг местности.
|
||
|
||
Применение коптеров
|
||
-------------------
|
||
|
||
Беспилотный летательный аппарат (БПЛА) - летательный аппарат,
|
||
выполняющий полет без пилота (экипажа) на борту и управляемый в полете
|
||
автоматически, оператором с пункта управления или сочетанием указанных
|
||
способов. Имеет широкое применение в различных сферах:
|
||
|
||
* Телекоммуникационная сфера (использование двусторонней видео/аудио связи);
|
||
* Транспортная сфера (транспортировка грузов);
|
||
* Спасательные работы (исследование труднодоступных зон при стихийных бедствиях, терактах, поиск находящихся под завалами людей, транспортировка медикаментов, оказание первой помощи при несчастных случаях);
|
||
* Рекламные кампании (применение робота для привлечения внимания на крупных выставках и т.п.);
|
||
* Сфера СМИ (аэросъемка различных событий);
|
||
* Видео/фото-съёмка (съёмка фильмов или рекламных роликов с высоты птичьего полёта);
|
||
* Продовольственная сфера (доставка продуктов питания).
|
||
|
||
Виды и конфигурация
|
||
-------------------
|
||
|
||
Есть множество способов конфигурации двигателей: трикоптер,
|
||
гексакоптер, октокоптер, но самый простой из них в сборке и управлении, это квадрокоптер, то есть мультироторная платформа с четырьмя двигателями. В
|
||
свою очередь квадрокоптер может иметь + и х конфигурацию. У «+»-коптера
|
||
один из лучей направлен вперед, у «х»-платформ основное направление
|
||
находится между двумя соседними лучами.
|
||
|
||
|
||
|
||
Управление
|
||
----------
|
||
|
||
Управление коптером осуществляется при помощи пульта управления, который передает команды радиоприемнику. Пульт питается от батареек, а радиоприемник получает питание от Полетного контроллера. Связь зачастую односторонняя, только от пульта к приемнику. Приемник подключается к полетному контроллеру минимум пятью проводами, по которым передаются сигналы поворота вокруг трех осей, команда «газа» и полетный режим.
|
||
|
||
|
||
|
||
**Throttle** — переводится как «дроссель», «тяга» или «газ» в обиходе. Газ мультикоптера — среднее арифметическое между скоростями вращения всех моторов. Чем больше газ, тем больше суммарная тяга моторов, и тем сильнее они тащат коптер вверх (проще говоря «Тапок в пол» здесь означает наискорейший подъем). Обычно измеряется в процентах: 0% — моторы остановлены, 100% — вращаются с максимальной скоростью. Газ висения — минимальный уровень газа, который необходим, чтобы коптер не терял высоту.
|
||
|
||
Оси коптера: углы тангажа, крена и рыскания (pitch, roll, yaw) — углы, которыми принято определять и задавать ориентацию мультикоптера в пространстве.
|
||
|
||
**Yaw** – «рыскание». Поворот носа мультикоптера. условно - вращение вправо влево.
|
||
|
||
|
||
|
||
**Pitch** - «тангаж». В коптерах манипуляции с этим моментом силы позволяет коптеру двигаться вперед или назад за счет наклона носа в соответствующем направлении.
|
||
|
||
|
||
|
||
**Roll** - «крен». Наклон мультикоптера влево вправо. Коптер за счет крена может двигаться боком в соответствующую сторону.
|
||
|
||
|
||
|
||
Газ, тангаж, крен, рыскание — если вы можете управлять этими четырьмя параметрами, значит вы можете управлять квадрокоптером. Их еще иногда называют каналами управления. Режимов полета существует много. Используется и GPS, и барометр, и дальномер, так же режим стабилизации (stab, stabilize, летать в «стабе»), в котором квадрокоптер держит те углы, которые ему задаются с пульта не зависимо от внешних факторов. В этом режиме при отсутствии ветра квадрокоптер может висеть почти на месте. Ветер же придется компенсировать пилоту.
|
||
Направление вращения винтов выбирается не случайно. Если бы все моторы вращались в одну сторону, квадрокоптер вращался бы в противоположную из-за создаваемых моментов. Поэтому одна пара противостоящих моторов всегда вращается в одну сторону, а другая пара — в другую. Эффект возникновения моментов вращения используется, чтобы изменять угол рыскания: одна пара моторов начинает вращаться чуть быстрее другой, и вот уже квадрокоптер медленно поворачивается к нам лицом:
|
||
|
||
LFW — left front clockwise rotation (левый передний, вращение по часовой стрелке)
|
||
|
||
RFC — right front counter clockwise rotation (правый передний, вращение против часовой стрелке)
|
||
|
||
LBC — left back counter clockwise rotation (левый задний, вращение против часовой стрелке)
|
||
|
||
RBW — right back clockwise rotation (правый задний, вращение по часовой стрелке)
|
||
|
||
|
||
|
||
Элементы коптера
|
||
----------------
|
||
|
||
Как правило, когда речь заходит об управлении моделью катера или самолёта, оператор имеет абсолютный, точный контроль над работой мотора. Нажатие на джойстик пульта приводит к пропорциональному увеличению скорости вращения винтов (в об./мин). Отличие многовинтовых летательных аппаратов (вне зависимости от того, достоинство это или недостаток) в том, что ни один человек не в состоянии одновременно контролировать скорость вращения трёх и более моторов достаточно точно, чтобы сохранять баланс аппарата в воздухе.
|
||
Именно здесь в игру вступают Полетные контроллеры.
|
||
|
||
|
||
|
||
**Полетный контроллер** - самая важная часть. Стабильность полета и управляемость на девяносто процентов зависит от способностей полетного контроллера.
|
||
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.
|
||
|
||
|
||
|
||
**ESC** — это регуляторы оборотов электродвигателей. Дело в том, что в мультикоптерах используют специальные бесколлекторные электродвигатели, 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. Все регулятора оборотов подключаются к полетному контроллеру. Питаются регуляторы непосредственно от аккумулятора. Каждый двигатель подключен к своему регулятору оборотов тремя проводами. Последовательность подключения проводов определяет направление вращения двигателя.
|
||
|
||
|
||
|
||
**Электродвигатель**. В конструкциях коптеров используются бесколлекторные электродвигатели. Они обладают выдающимися характеристиками и живучестью в связи с отсутствием трущихся узлов (щеток) посредством которых передается ток. В отличие от обычного электродвигателя, у которого имеется подвижная часть - ротор и неподвижная - статор, у бесколлекторного двигателя подвижной частью является как раз статор с постоянными магнитами, а неподвижной частью - ротор с обмотками трех фаз. Для того, чтобы заставить вращаться такую систему, необходимо осуществлять в определенном порядке смену направления магнитного поля в обмотках ротора - тогда постоянные магниты статора будут взаимодействовать с магнитными полями ротора и подвижный статор придет в движение. Это движение основано на свойстве магнитов с одноименными полюсами полюсами отталкиваться, а с противоположными - притягиваться.
|
||
|
||
|
||
|
||
**Аппаратура радиоуправления**. Представляет собой передатчик с пультом и приемник. Отличаются друг от друга количеством каналов и частотой. Большинство передатчиков имеют частоту 2,4ГГц, так же на рынке представлен ряд других частот.
|
||
|
||
**Пропеллер** - лопасть, приводимая во вращение двигателем и предназначенная для преобразования мощности (крутящего момента) двигателя в тягу. Лопасти винта, вращаясь, захватывают воздух и отбрасывают его в направлении, противоположном движению. Перед винтом создаётся зона пониженного давления, за винтом - повышенного. Таким образом создается подъемная сила.
|
||
Воздушный винт имеет следующие характеристики:
|
||
|
||
1. Диаметр;
|
||
|
||
2. Шаг винта - одна из основных технических характеристик воздушного или гребного винта, зависящая от угла установки его лопастей относительно плоскости вращения при их круговом движении в газовой или жидкостной среде — это расстояние, пройденное поступательно винтом, ввинчивающимся в твёрдую среду, за один полный оборот (360°);
|
||
|
||
3. Материал.
|
||
|
||
### Аккумулятор
|
||
|
||
Питает регуляторы и полетный контроллер. В строительстве коптеров применяют специализированные литий-полимерные аккумуляторы.
|
||
Основные характеристики аккумулятора:
|
||
|
||
* Емкость (мА*ч);
|
||
|
||
* Максимальный токоразряд (20С);
|
||
|
||
* Количество банок (2S,3S, 4S);
|
||
|
||
* Вес.
|
||
|
||
### Силовая рама
|
||
|
||
Изготавливается, как правило, из пластика или композитных материалов.
|
||
|
||
### Контрольные вопросы
|
||
|
||
1. В какое время появился первый квадрокоптер, и в чём был его недостаток?
|
||
2. В каких сферах можно использовать коптеры?
|
||
3. Какие конфигурации квадрокоптеров бывают?
|
||
4. Перечислите название осей коптера.
|
||
5. По какому принципу вращаются винты коптера?
|
||
6. За что отвечает полётный контроллер?
|
||
7. Для чего нужен ESC?
|
||
8. Какой вид электродвигателей применяется в коптерах? В чём их преимущество?
|
||
9. Какими тремя параметрами обладают воздушные винты?
|
||
10. Может ли квадрокоптер летать в вакууме?
|