Особистий квадрокоптер (зроби собіFAN)
Стаття є частиною посібника з будівництва особистого кадрокоптера а з загальнодоступних матеріалів. В подальшому буде описана послідовність складання та програмне забезпечення, необхідне для польотів.
Проведення самостійних досліджень завжди стомлююче (незважаючи на радість пізнання і зростаюче НСВ), спробуємо звести все до простого посібника з підбору матеріалів і будівництва апарату.
Квадрокоптер — справа непроста, що вимагає часу і значних зусиль, і якщо ви не чекаєте зеленого на перехресті, то краще за нього не братися. Також, не починайте будівництво, якщо ви зневажаєте електроніку, а слово «матан» і «програмізм» викликає у вас легке здивування та/або відторгнення. У будь-якому випадку, вам простіше буде накопичити грошей на спеціальний конструктор для самостійного складання і з моменту розпакування до першого польоту пройде всього кілька хвилин (я гарантую це). Однак мушу вам сказати, що найпростіший шлях – не найкращий. Ви втратите безліч цікавих моментів, пов'язаних безпосередньо зі складанням і конструюванням (відбитими пальцями). Від підбору матеріалів до складання електросхеми та програмування, ви повністю будете занурені впроцес створення вашого власного квадрокоптера – і це зробить вас рівним Мілю та Камову ПРИКІЛЬКИ!
Стаття складається з трьох розділів:
— що таке квадрокоптер, і як воно взагалі може піднятися у повітря
- Опис компонентівквадрокоптера
ЩО ТАКЕ КВАДРОКОПТЕР І ЯК ВІН ЛІТАЄ?
Квадкоптер називається гелікоптер з чотирма роторами, який також іноді називають квадротором (Жириновський Style - чотиривінт). Сама конструкціяквадрокоптера, відмінна від вертольотів класичної схеми, визначає його велику польотну стабільність, що ідеально підходить для повітряного спостереження та аерофотографія що і визначає популярність досліджень методів використання квадрокоптерів, що зростає останнім часом, як безпілотних літальних апаратів.
Існуючі в даний час квадрокоптери мають розміри від крихт, здатних здійснити посадку на CD - диск або долоню, до апаратів розміром з пральну машину та розмахом хрестовини близько метра.
У класичній вертолітній схемі взаємодіють два гвинти (пропелери) – один великий, який забезпечує підйомну силу, і маленький хвостовий, який призначений для компенсування аеродинамічного моменту, що крутить головного. Без компенсуючого гвинта, гелікоптер просто обертався б зі швидкістю, майже рівною швидкості обертання головного гвинта, але, у протилежному напрямку. (Ті, хто цікавиться, можуть побачити цей цікавий момент у фільмі «Black hawk down»).
У квадрокоптері ж, для створення підйомної сили діють одночасно чотири гвинти, кожен з яких відповідно піднімає лише ¼ частину корисного навантаження. Це дозволяє використовувати більш дешеві малопотужні двигуни. Рух і положення квадрокоптера керується шляхом зміни відносної тяги кожного двигуна.
Концепція квадрокоптера передбачає розміщення двигунів з гвинтами на вершинах квадрата, причому кожна пара протилежних по діагоналі гвинтів обертається в бік, протилежний іншій парі (див. зображення). Якщо ж всі чотири гвинти почнуть обертатися в одному напрямку, квадрокоптер поведетьсяподібно до класичного вертольоту, у якого відмовив хвостовий гвинт – почне обертатися у бік, протилежний напряму обертання несучих гвинтів. Механізм управління переміщеннями та положенням квадрокоптера наступний. Як відомо, нишпорення по курсу (Yaw) викликається розбалансуванням аеродинамічної тяги несучих гвинтів і для збереження поточного положення та напрямку руху, аеродинамічна тяга однієї пари несучих гвинтів квадрокоптера повинна повністю компенсуватися аеродинамічною тягою іншої пари.
Аеродинамічний баланс квадрокоптера зберігається постійним зчитуванням показань сенсорів та внесення відповідних змін до швидкості обертання кожного ротора. Зважаючи на те, що ручне керування чотирма окремими двигунами вкрай утруднене, за підтримку балансу квадрокоптера відповідає відповідна автоматична контрольна система.Управління квадрокоптером здійснюється за 4-ма осями: нишпорення по курсу (Yaw), крен щодо поздовжньої осі (Roll), тангаж (Pitch), висота польоту. Кожна вісь управляється зміною тяги наКОЖНОМдвигуні квадрокоптера.
- Ризикання за курсом (YAW, повороти вліво-вправо без втрати висоти) керується додаванням обертів роторам, які обертаються у бік повороту, та зниженням обертів у роторів протилежного обертання. Враховуючи симетричне збільшення та зменшення потужності на кожній парі моторів, набір висоти при повороті по курсу не проводиться. Головна проблема управління нишпоренням по курсу - вибір моторів, яким потрібне збільшення та/або зменшення потужності.
- Крен (ROLL) – нахили ліворуч/праворуч управляється збільшенням потужності одного з роторів із симетричним зменшенням протилежного.
- Тангаж (PITCH, нахили вгору або вниз, кут поперечної осі квадрокоптера щодо поверхні) управляється подібно до крену, але з використанням іншої пари двигунів. Треба відзначити, що крен і тангаж для квадрокоптера є поняттям повністю відносним і залежить тільки від вибору напрямку руху і плеча хрестовини, яку пілот визначив для себе як «передню».
Наприклад, для зміни кута крену/тангажу тяга одного з роторів має бути знижена, тоді як тяга іншого – збільшена. Результатом стане зміна поздовжнього чи поперечного кута нахилу щодо горизонтальної поверхні. Коли квадрокоптер нахиляється, це призводить до поділу вектора сили (в ідеальному стані, що проходить через центр хрестовини), на вертикальну та горизонтальну складові. Це призведе до зміни горизонтального та вертикального напрямків руху – квадрокоптер почне рухатися у бік крену, втрачаючи при цьому висоту (викликане силою земного тяжіння, яка більше не компенсується несучою силою гвинтів). Щоб уникнути падіння квадрокоптера, для компенсації вертикальної складової тяга на всіх роторах повинна бути відповідно збільшена.
Описане вище ілюструє, кожен маневр квадрокоптера є результатом узгоджених симетричних впливів кожної осі, що досягається зміною тяги двох або більше двигунів.
Незважаючи на те, щобудівля квадрокоптера з дистанційним керуванням проста і відносно дешева, через високу стабільність польоту і простоту управління, все більшої популярності набуває створення повністю самоврядних абонапівавтономних квадрокоптерів.