Як влаштований дрон, Новини Інтернету речей
У кожної людини, яка починає серйозно цікавитися дронами, виникає бажання дізнатися про те, як вони працюють і літають. Про внутрішній пристрій дронів та принципи їх функціонування – у матеріалі iot.ru.
З яких частин складається дрон?
Сучасні моделі дронів можуть мати як просту конструкцію, призначену в основному для розваг, так і складатися зі складних складових елементів, що дозволяють перетворити ці летальні апарати на справді професійні пристрої.
Незважаючи на те, що внутрішній пристрій дрону може відрізнятися від моделі до моделі, його базові елементи завжди незмінні. У загальному вигляді кожному дроні можна виділити такі частини (див. малюнок нижче):
Основні елементи дрону. Джерело: rc-like.ru
Рама є основою дрону, до якої прикріплюються всі його елементи. Головне завдання розробників при виготовленні рами - перетворити дрон на ударостійкий, легкий і довговічний пристрій.
Рама дрону. Джерело: kvadrokopters.com
Для виготовлення рами зазвичай використовують полімери або міцні, але легкі сплави. Крім цього, активно застосовується карбон, скловолокно та інші матеріали, які зможуть забезпечити максимальну жорсткість конструкції.
В основному рама складається з багатьох деталей (рідше цільної), що дозволяє досягти більшої маневреності апарату та легкості в управлінні. Також у ній є отвори, якими прокладається електропроводка. Вона з'єднує прогоновий контролер з усіма іншими частинами дрону.
Політний контролер – це «мозок» дрону. Він запрограмований на обробку різних сигналів, що надходять з дистанційного пульта оператора та встановлених на ньомудатчиків. Чим більше сигналів контролер може обробляти, тим універсальнішим є дрон. За допомогою шлейфу польотний контролер з'єднаний з кожним із чотирьох двигунів, що дозволяє подавати на них сигнали, що управляють (запрограмовані команди).
З'єднання польотного контролера зі складовими частинами дрону. Джерело: kvadrokopters.com
Оскільки від роботи польотного контролера залежить стабільність всього польоту, то при створенні дронів розробники активно застосовують різні методи, що дозволяють ці елементи максимально віброізолювати. Як правило, чим краще віброізольований контролер, тим стабільніше літатиме дрон. Останнім часом польотні контролери високого класу випускаються вже із вбудованою віброізоляцією.
До польотного контролера підключається набір різних датчиків (GPS, гіроскопи, барометр, акселерометр тощо), які передають свої показання. Зворотний зв'язок з оператором здійснюється через встановлені на корпусі спеціальні передавачі. Залежно від отриманих показань оператор змінює параметри польоту дрону. Якщо польотний контролер дрону досить «розумний», він, виходячи з показань датчиків і алгоритмів зашитої у нього програми, може самостійно змінити параметри польоту безпілотника, не вдаючись у своїй допомоги оператора.
Остаточний склад польотного контролера залежить від вартості дрона. Найбільш прості дрони можуть лише контролювати обертання двигунів в залежності від команд, що надходять, в той час, як найбільш просунуті можуть, наприклад, самостійно повернутися в точку запуску. Базовий склад польотного контролера наступний:
Головний процесор - відповідає за обробку команд
Гіроскоп – датчик визначення положення дрону у просторі
Борометр - пристрій, що визначає висоту положення апарату
Акселерометр - пристрій, що аналізує прискорення пристрою в трьох площинах (x, y, z).
Стрілка напряму – вказує напрям, у якому має летіти дрон (перебуває у одному з кутів підстави плати)
GPS-навігатор – визначає місце розташування дрона
Двигуни квадрокоптера, пропелери та регулятори оборотів
Кожен двигун (їх всього 4) приєднується до одного пропелера і приводить його в рух зі швидкістю, що генерується регуляторами обертів. Регулятор оборотів задає швидкість, з команд, які від польотного контролера.
Варто відзначити, що пропелери і двигуни є частинами дрону, що швидко зношуються, оскільки при його польоті основне навантаження лягає саме на них. При цьому у разі виникнення різних аварійних ситуацій, включаючи падіння безпілотників, відкриті частини конструкції, до яких саме ставляться пропелери, ламаються першими. Тому новачкам розробники дронів рекомендують купувати апарати, оснащені спеціальним захистом пропелерів. Це можуть бути дуги або кожухи, стійкі до ударів і пропелери, що уберегають від поломок.
Двигуни дрону. Джерело: kvadrokopters.com
Акумулятори дрону
Ще одним важливим елементом дрона, як і будь-якого автономного пристрою, є акумуляторна батарея. Від її ємності (вираженої в міліампер на годину) залежить максимальна висота, яку дрон може піднятися, і навіть дальність і час польоту. Виходячи з цього, акумулятор розробники дронів також приділяють досить велику увагу.
Акумулятор дрона. Джерело: kvadrokopters.com
Усі акумулятори дронівє відносно важкими, тому конструкція для їхнього кріплення повинна бути досить міцною (ще одна причина, чому рама повинна виконуватися з надійних та міцних матеріалів).
Внаслідок малої ємності та малих розмірів акумулятора, мініатюрні дрони поки що можуть триматися в повітрі не більше 3-5 хвилин. Аматорські моделі здатні перебувати в повітрі близько 12-15 хвилин. Тривалість польоту професійних дронів в автономному режимі – не більше півгодини. Як бачимо, час польоту дронів, що залежить від розмірів та ємності акумуляторів, є зараз одним із найбільш проблемних факторів розвитку індустрії, проте розробники та виробники дронів обіцяють, що вирішення цієї проблеми – справа найближчого майбутнього.
Як літає дрон?
Характер руху дрона контролюється за допомогою дистанційного пульта управління, сигнали з якого надходить на бортовий комп'ютер літального апарату. До цих сигналів можуть бути додані необхідні корекції від встановлених датчиків.
Пульт керування дроном Turnigy 9x
Кожен пульт керування дроном налаштований на певну кількість каналів. Мінімальна кількість каналів для дрону – 4 (визначається кількість осей, що знаходяться під керуванням). На малюнку вище визначено найпопулярнішу апаратуру управління дроном - Turnigy 9x. Популярна вона тим, що має порівняно невисоку ціну (близько 5 000 рублів), але при цьому досить функціональна – 4 канали базового управління та 5 додаткових програмованих каналів.
Обробивши сигнали, польотний контролери дрона відправляє відповідні інструкції регуляторам оборотів, а ті, у свою чергу, змінюють параметри обертання пропелерів апарату.
Для того, щоб дрон літав збалансовано та добрекерувався, його пропелери при польоті обертаються в різні боки (одна пара за годинниковою стрілкою, інша проти неї). Від параметрів обертання пропелерів залежить характер польоту дрону:
Якщо всі гвинти обертаються з однією швидкістю літальний апарат злітає
Якщо один із пропелерів обертається швидше – дрон нахиляється та рухається у відповідний бік
Якщо пара пропелерів почала рухатися швидше – дров повертається в цей бік.
Схема роботи пропелерів при польоті дрону. Джерело: kvadrokopters.com
Загалом і в цілому, виходячи з характеру та траєкторії руху дрону, він може:
Пересуватися по горизонталі
Рухатися вперед і назад
Рухатися вліво та вправо
При цьому деякі моделі вміють кружляти на місці і навіть виконувати так звані фліпи – перевороти на місці навколо своєї осі.
Якщо говорити про швидкісні характеристики дрона, то вони коливаються в залежності від моделі пристрою. На даний момент ці показники дорівнюють від нуля (зависання на місці) до 100-150 км/год.
Усі сучасні апарати оснащені програмним забезпеченням безпечного польоту. Якщо акумулятор почне сідати, то дрон сповістить про це оператора, і коли зарядка наблизиться до нуля, система контролю направить безпілотник у те місце, звідки був здійснений запуск (за орієнтацію в просторі тут відповідає вбудований Gps навігатор). Також ПЗ безпеки дає можливість не виходити дрону за межі зони дії пульта управління (зараз, ця зона може становити до кількох кілометрів залежно від моделі дрона)
Відеозйомка
Управління дроном за допомогою окулярів. Джерело: kvadrokopters.com
УЗараз різновиду дронів на ринку вражають. Це можуть бути і маленькі для дітей, і аматорські з камерою, і з функціями інтелектуального польоту, професійні та гоночні. Маса дронів може коливатися від кількох сотень грама до десятка кілограмів, а розміри – від 3 см до 2 метрів у діаметрі. Однак, незважаючи на все різноманіття, загальні принципи функціонування дронів, як ми переконалися, досить прості. Настільки прості, що зараз велика кількість радіоаматорів збирають дрони в домашніх умовах.
Однак, все ж таки для створення дрона своїми руками необхідні хороші інженерні навички. Попередньо необхідно виконати розрахунки, які дозволять знайти оптимальний баланс між масою апарату, ємністю батареї, потужністю двигунів та рядом інших важливих параметрів. Всі характеристики дрону взаємопов'язані один з одним. Наприклад, якщо необхідно збільшити політний час, то треба встановити потужніший акумулятор, що вимагатиме від дрона більшої вантажопідйомності та більшої витрати енергії.