Устройство и принцип работы квадрокоптера

Сегодня понятие дрон уже знакомо огромной молодежной аудитории. Эти функциональные устройства используются в разнообразных профессиональных сферах деятельности. В частности, сегодня дроны применяются при съемке телевизионных шоу, заменяя дорогие роботизированные подвесы для камер. Но как же устроен такой аппарат? Проведем краткий ликбез для тех, кто не совсем понимает, как устроен квадрокоптер, как он летает, и в чем его предназначение.

Содержание

Небольшое разъяснение понятий

Что такое квадрокоптер или мультикоптер? Так называется летающее устройство с несколькими источниками подъемной силы. Это могут быть винтовые или реактивные двигатели. В случае с квадрокоптером — это четыре двигателя, у мультикоптера их число может доходить до 12.

Четырехугольная конструкция механически прочна и может быть сделана из легких материалов. А общее снижение массы коптера означает, что его аппаратную платформу можно сделать экономичнее, автономнее, улучшая функциональность аппарата. Сегодня это наиболее простая с точки программирования движения и технического построения схема.

Общие принципы построения

Квадрокоптер с камерой или самая простая модель строится на силовой раме. Это основная часть конструкции. На ее углах расположены ноги с крепящимися на них двигателями. Для удобства пользователей, на некоторых квадрокоптерах применяются поворотные блоки. Такие колена в основании ног обеспечивают электрический контакт и одновременно предлагают удобства владельцу механизма: дрон можно компактно сложить для легкости переноски.

Для облегчения посадки на раме снизу крепятся полозья. Их конструкция может быть самой разной. Дорогой квадрокоптер выглядит как вертолет, с прочными, металлическими полозьями. Дешевые модели могут оснащаться только тонкими насадками из резины, наклеенными прямо на раме.

Совет! Если квадрокоптер нужен для специальных работ с точным позиционированием и посадкой на неровную поверхность — рекомендуется выбрать изделие с тонкими ножками.

Силовая рама выполняет и декоративную функцию. Именно она является самой видимой частью конструкции. Форма рамы создает общий облик квадрокоптера. Каждый производитель старается, чтобы его устройство было не только функциональным, но и выглядело стильно, красиво, и хорошо продавалось при первом взгляде на фото. Поэтому рамы делаются самых разных форм, иногда с размерами, которые никак не говорят о габаритах внутренней начинки.

Конструкция коптера

Как это летает

Принцип работы квадрокоптера достаточно прост: четыре двигателя на вынесенных ногах создают подъемную силу. Есть несколько стандартных режимов работы:

подъем с одновременным пуском двигателей;
наклон в стороны с изменением оборотов левой и правой пары двигателей;
спуск при подъемной силе меньше веса конструкции;
набор скорости по прямой изменением режимов работы передней и задней пары двигателей.

Уже по перечисленным пунктам понятно, что квадрокоптер работает по вертолетной схеме. Только вместо наклона вала лопастей, как это делается в крылатой машине, для формирования бокового вектора силы используется разница в показателях воздушных потоков по бокам дрона.

Сложнее понять, как квадрокоптер вращается на месте. Здесь снова поможет большой вертолет. Его основная лопасть, вращаясь в одну сторону, передает момент на корпус в обратном направлении. Чтобы компенсировать паразитное вращение, большой вертолет имеет лопасть на хвосте.

Коптер использует тот же принцип формирования обратного момента для собственного вращения. Его четыре винта работают парами. Двойки лопастей вращаются в разные стороны. При одинаковых оборотах возникающие моменты компенсируются. Когда нужно повернуть дрон вокруг оси — уменьшаются обороты двигателя одной из пар. Возникающий момент вращает всю конструкцию.

Основные функциональные элементы

Квадрокоптер достаточно прост по конструкции. Внутри декоративного корпуса на силовой раме расположены:

литий-ионная батарея;
электронная начинка;
радиомодули, трансмиттеры для работы с сигналами дистанционного управления;
блок датчиков;
блоки преобразования напряжения (уровня или частоты).

Главные, самые заметные узлы квадрокоптера распложены на выносных ногах. Это электродвигатели. В зависимости от класса модели это могут быть бесколлекторные частотно управляемые изделия. В простых коптерах применяются классические коллекторные двигатели. На их валах устанавливаются лопасти, формирующие нисходящий воздушный поток.

Электродвигатель

Умная начинка

Как гласит распространенное мнение в среде специалистов по аэродинамике, заставить летать сегодня можно даже кирпич. И квадрокоптер точно соответствует данному утверждению. Модель полностью управляется электроникой. Без нее добиться предсказуемого поведения летающей конструкции в воздухе было бы невозможно.

Главную роль в работе электронной системы управления квадрокоптером играет гироскоп. Именно этот датчик определяет крен в воздухе. На основании его показаний регулируется работа двигателей для стабилизации коптера в полете. Современные гироскопы способны определить изменение позиции конструкции в 6 степенях свободы.

Начинка гироскопа

Немалую роль играют и другие датчики системы. Именно они обеспечивают удобство управления летающей машиной и полезный функционал.

Акселерометр. При помощи контроля ускорения дрон отслеживает свое смещение. Это дает возможность машине зависать в заданной оператором точке, поддерживая высоту. Дорогие модели способны отслеживать смещение ветром, возвращаясь на исходную позицию.
Барометр. Очень полезный датчик для устройств с хорошей высотой подъема и автономностью. Оператору достаточно задать высоту полета (минимум или максимум) или зависания.
Сонар. Пара из ультразвукового излучателя и приемника, устанавливаемая в дорогих моделях, значительно снижает аварийность. Дрон может самостоятельно контролировать процесс автоматизированной посадки, обходить препятствия, останавливаться перед стенами. Сонар может работать в паре с акселерометром, помогать соблюдать точную высоту зависания.
GPS модуль. Присутствует в моделях специального назначения или дорогих развлекательных устройствах. По сигналам этого датчика дрон определяет свое местоположение. Оператор может задать траекторию полета, формировать модель патрулирования и многое другое.
Камера. Сегодня популярность такого оснащения непрерывно растет. Современные камеры при малом энергопотреблении могут предложить хорошее качество картинки. В зависимости от стоимости коптера, предлагается разный функционал. Камера дрона может смотреть только вперед или оснащаться поворотным и фокусирующим механизмом.

Коптер с камерой

Все данные, поступающие с датчиков, обрабатываются центральным процессором. Большинство солидных производителей коптеров создают собственные решения. В дешевых дронах устанавливаются простые чипы, вся программа в которые записывается без возможности изменения.

Дорогие модели строятся с использованием флеш памяти. Владелец в некоторой степени может программировать коптер, задавая модели поведения, схемы движения и многое другое.

Средства управления коптером

Когда уже понятно, как такая штука, как квадрокоптер, устроена и летает, необходимо остановиться на операторе. Ведь летающей машинкой нужно управлять. И желательно это делать комфортно, удобно и точно. Сегодня оператору предлагается несколько вариантов.

Пульт управления, работающий по радиоканалу. Такое устройство не предусматривает обратной связи с дроном. С его помощью регулируют высоту и повороты в полете. Для этого на пульте установлены два отдельных джойстика. Один предназначен для уменьшения и увеличения высоты, другой — для плавного управления поворотами. На пульте также размещаются несколько функциональных кнопок. Например, зависание, автоматическая посадка, разворот. Главное достоинство радиопульта в большой дальности работы, а недостаток – сигнал можно перехватить или заглушить.
Смартфон. Управлять дроном с мобильного телефона можно только в пределах действия WiFi трансмиттера. Для обычных смартфонов дальность составляет до 100 метров без преград на пути сигнала. Если в области полета есть устойчивый прием беспроводной сети глобальных провайдеров интернета, дальность управляемого полета дрона может быть неограниченной. Программы управления со смартфона могут также получать видеосигнал с камеры квадрокоптера.

Важно! Для дронов специального назначения создаются собственные программные комплексы. Они предусматривают максимальную обратную связь. Можно не только составить график полета и описать выполнение задач, но и получать данные в реальном времени об их исполнении. Конечно, такие программные комплексы отображают картинку с камеры коптера.

Сегодня в розничной продаже легко купить дрон любого класса. Это может быть недорогая игрушка размером с ладонь для развлечений в помещении. И даже такой маленький квадрокоптер сегодня оснащается веб-камерой, общается со смартфоном и умеет зависать. Легко приобрести и дорогую, грузоподъемную и функциональную модель. Главное — правильно очертить круг ее задач и приготовиться к денежным тратам.