В данной конфигурации два двигателя вращаются по часовой стрелке (CW), а следующие два — против часовой стрелки (CCW). Эта специфическая комбинация позволяет компенсировать вращательный момент, что является необходимым условием для обеспечения стабильного полета квадрокоптера.
Квадрокоптеры — как все начиналось?
Современные квадрокоптеры, такие как хексакоптеры и октакоптеры, представляют собой мощные вычислительные устройства, которые управляются с помощью смартфонов через WiFi, позволяя пользователю зависать на месте или следовать по определенному заданному маршруту. В настоящее время любой желающий может приобрести подобное устройство. Но как же все это началось?
Для понимания инженерных решений, стоящих за созданием квадрокоптеров, важно разобраться в принципах их полета. В первую очередь, квадрокоптеры представляют собой нестабильные системы. Если просто подключить четыре двигателя к аккумулятору без системы управления, квадрокоптер не сможет взлететь, так как тяга двигателей не будет одинаковой, что приведет к падению. Здесь важнейшую роль играет электроника. Квадрокоптеры оснащены центральной платой управления, в которой наиважнейшим элементом является модуль датчиков. В своей базовой конфигурации это может быть трехосевой гироскоп, который считает угол наклона в пространстве.
Микроконтроллер постоянно считывает данные с гироскопа. Как только он обнаруживает наклон по одной из осей, контроллер передает соответствующее сообщение на двигатель, указывая ему увеличить или уменьшить скорость работы, чтобы компенсировать этот наклон и вернуть устройство в вертикальное положение. Эта логика управления достаточно проста, но в действительности включает в себя множество нюансов, таких как ПИД-регуляторы, теория управления и фильтры Калмана. Для пользователей вся эта сложная механика практически неощутима — они просто управляют квадрокоптером, зная, что управление осуществляется через изменение скорости работы двигателей, где вращение в ту или иную сторону приводит к созданию необходимых углов наклона. Но вернемся к истории создания этих малых летающих машин.
MikroKopter
Легендарная немецкая компания MikroKopter считается первопроходцем в этой области, разработав первое устройство в 2006 году. В нем использовался процессор Atmega644 с объемом памяти 4 КБ и тактовой частотой до 20 МГц, а также три гироскопа на каждую ось, акселерометр для стабилизации полета и барометр для контроля высоты (барометр MPX4115A имеет точность ±1 м). Со временем были добавлены дополнительные устройства, такие как GPS для определения местоположения.
На YouTube можно найти видеозаписи, показывающие их полеты, датируемые 2007 годом.
В целом, этот проект был весьма успешен, хотя их продукция никогда не отличалась низкой ценой — стартовая стоимость составляла примерно 1500 евро. Компания продолжает существовать и по сей день, она производит профессиональные модели, сохраняя разумный ценовой диапазон. Интересно отметить, что первоначально создатели MikroKopter опубликовали исходный код своей разработки. Однако вскоре началось появление множества клонов, собранных, в том числе, и в России, что отрицательно сказалось на продажах компании, и исходный код был закрыт. Тем не менее, именно этот момент дал значительный импульс для дальнейшего развития различных типов мультикоптеров. В нашей стране MikroKopter изначально не завоевал популярности из-за высокой цены, и его владельцев было немного. Тем не менее, мировое сообщество стало активно развивать эту технологию, и вскоре возникло множество новых систем.
KaptainKuk
KaptainKuk — одна из самых простых систем, которая производилась в различных версиях с 2010 года. Плата управления этого дрона состоит всего из трех гироскопов, параметры которых устанавливаются с помощью обычных переменных резисторов. На момент написания этой статьи такая плата стоит около 15 долларов. Как видно, на плате почти ничего нет, кроме гироскопов и простого процессора. Исходный код прошивки KK можно найти в открытом доступе в интернете; например, достаточно ввести в поисковик «kk2_1V1.zip», чтобы скачать файл размером около 90 КБ. Это, возможно, первая и последняя версия прошивки, написанная на ассемблере.
Кто придумал и изобрел?
Первые прототипы квадрокоптеров начали разрабатываться в 1900 году. Известный американский инженер Георгий Александрович Ботезат сконструировал летательное устройство с четырьмя пропеллерами, приводимыми в движение единственным двигателем. Во время испытательных полетов квадрокоптер сумел пролететь 1 км и поднялся на высоту до 15 метров. Тем не менее, эта разработка была отложена по ряду причин.
Совершенно новым взглядом на квадрокоптеры стал современный дрон, который был разработан в 2006 году и представлен компанией MikroKopter. Этот дрон был оснащен микроконтроллером, который обрабатывал данные с гироскопа, акселерометра и барометра. После некоторого времени было добавлено GPS-устройство для определения местоположения. В то время дрон был ориентирован на профессионалов, был высоко ценовым, но благодаря открытого программного обеспечения возникли много доступных клонов, что негативно сказалось на доходах компании. После этого исходный код был закрыт, но было уже слишком поздно. Эта модель стимулировала других производителей электроники на создание гражданских беспилотников различного класса и размеров.
С появлением легких и прочных полимеров, малогабаритных электрических двигателей, и особенно достижения в микроэлектронике, стало возможно создание надежных, высокоэффективных и многофункциональных беспилотных систем.
Зачем и для чего нужен квадрокоптер?
Практические применения современных беспилотных летательных аппаратов разнообразны и охватывают множество сфер, как развлекательных, так и профессиональных:
- воздушные гонки и развлекательные мероприятия;
- профессиональная видеосъемка;
- видеонаблюдение и охрана объектов;
- спасательные операции;
- археологические исследования и картографирование;
- сельское хозяйство;
- охота и рыбалка;
- доставка небольших грузов.
В последние годы лучшие квадрокоптеры находят применение в решении многих нестандартных производственных задач. Они часто используются в условиях, где присутствие человека нежелательно или опасно, например, в шахтах, на карьерах, во время инспекции трубопроводов и небоскребов, в вулканах или для наблюдения за погодными явлениями. Для этих целей, как правило, необходим квадрокоптер с камерой.
Как летает квадрокоптер?
Принципы работы квадрокоптера основаны на использовании четырех электродвигателей и аналогичного количества пропеллеров. Для достижения стабильного полета два диагональных пропеллера вращаются по часовой стрелке (CW), а два других — против часовой стрелки (CCW). Интенсивность вращения этих пропеллеров определяет скорость и направление движения дрона.
Если правые двигатели начинают вращаться с большей скоростью, чем левые, то это вызывает наклон дрона влево, и, соответственно, он начинает двигаться влево. Аналогичным образом, если задние двигатели вращаются быстрее, чем передние, дрон будет наклоняться вперед и двигаться в том же направлении. Если же задние двигатели вращаются медленнее, то передняя часть дрона поднимется вверх. Для маневров вокруг вертикальной оси одновременно наращиваются обороты двигателей CW и замедляются двигатели CCW, а обратное действие дает поворот в другую сторону. Постоянное вращение двигателей позволяет дрону взлетать или опускаться.
Главным электронным компонентом является полетный контроллер. Он отвечает за выполнение команд, полученных от приемника, и передает соответствующие задания на регуляторы скоростей, которые определяют реперный момент и скорость работы двигателей. Стабильность полета в свою очередь обеспечивается гироскопом, который измеряет углы наклона, крена и рысканья.
Из истории создания квадрокоптеров
Своим возникновением квадрокоптер (или квадрон, как его называли в первой половине XX века) обязан русскому авиаконструктору Георгию Александровичу Ботезату. Стоит отметить, что он разработал его в США, где на тот момент жил и работал. Проект финансировался американскими военно-воздушными силами, которые искали способ создания самолета, способного взлетать и приземляться вертикально. Изобретение Ботезата оказалось крайне актуальным для своего времени.
В 1922 году был представлен первый квадрон, который не только смог подняться в воздух и задерживаться в нем на некоторое время, но также умел поднимать вес более 400 кг. Но, увы, гениальная задумка Ботезата оказалась преждевременной. В то время в самолетах использовались только двигатели внутреннего сгорания, что заставляло квадрон работать на одном двигателе, который передавал крутящий момент на четыре винта через довольно сложный редуктор. В итоге квадрон мог нормально летать только при встречном ветре, что сделало его менее привлекательным в сравнении с традиционными вертолетами, использующими дополнительный хвостовой винт.
Первый квадрокоптер, который можно считать предшественником современных моделей.
Эра квадрокоптеров начинается лишь в XXI веке, когда они, также известные как мультикоптеры или дроны, стремительно вошли в повседневную жизнь и начали использоваться не только для военных или государственных задач, но и для личных. Благодаря своим уникальным возможностям и доступной цене, «карманные» квадрокоптеры стали популярны для записей значимых событий, а также для доступа в труднодоступные места.
Виды мультикоптеров
Существуют различные типы квадрокоптеров, которые отличаются количеством пропеллеров или моторов. Эти элементы также часто обозначаются как винтомоторные группы или ВМГ.
Кроме квадрокоптеров, существуют также:
- Трикоптеры — с тремя пропеллерами;
Чем обусловлено количество моторов на квадрокоптерах?
Существует несколько важных факторов, которые объясняют необходимость определенного количества моторов на квадрокоптерах. Во-первых, в случае отказа одного из пропеллеров или двигателя квадрокоптер может просто разбиться о землю, в то время как гексакоптер способен приземлиться с минимальными повреждениями, тогда как октокоптер может продолжить полет, даже если один двигатель или пропеллер выходит из строя.
В следующем видеоролике показана посадка гексакоптера с пятью работающими двигателями без серьезных повреждений.
Во-вторых, гексакоптер может нести большую полезную нагрузку, благодаря большей совокупной мощности своих двигателей.
Однако у моделей с шестью и восемью двигателями есть и свои недостатки:
- Увеличенная стоимость — рамы более дорогих аппаратов стоят дороже, количество двигателей, регуляторов скорости (ESC) и винтов также увеличивается, что сказывается на цене.
- Для достижения сопоставимого времени полета необходимо использовать аккумуляторы с большей емкостью, что также влияет на общие затраты.
В современных беспилотных летательных аппаратах применяются два типа электродвигателей — бесколлекторные и коллекторные. Коллекторные двигатели преимущественно используются в более доступных моделях, в то время как профессиональные дроны, как правило, оснащены более надежными и дорогими бесколлекторными инверторными двигателями.
Типы современных двигателей для квадрокоптеров.
Почему так популярен квадрокоптер?
Подавляющая популярность квадрокоптеров возросла в последние годы, во многом благодаря совместному развитию мобильных технологий и видеосъемки. С появлением высококачественных смартфонов и распространением селфи стало популярным использовать так называемые selfie-дроны — миниатюрные беспилотники с камерами, которые могут делать отличные снимки и видео.
Новички на этапе обучения управлению квадрокоптером могут столкнуться с несколькими трудностями, которые часто связаны с пространственной ориентацией устройства и координацией действий с пультом управления. Это может показаться довольно необычным в самом начале.
Чтобы помочь начинающим пилотам, многие производители (особенно тех, что выпускают недорогие модели) внедрили такую полезную функцию, как режим «headless». Этот режим изменяет ориентировку дрона так, что пользователю не нужно догадываться о том, где вперед, а где назад — что значительно упрощает управление.
БПЛА и современное законодательство
На сегодняшний день существует множество законодательных нормативов, регламентирующих использование квадрокоптеров и их развертывание. Например, в России любой беспилотный летательный аппарат массой от 0,25 до 30 кг подлежит регистрации, а управляющему устройством необходимо иметь лицензию пилота.
Необходимо также получить лицензию на пилотирование, что требует наличия сертификата о годности к полетам, доступа к воздушному пространству и сертификации легальности для оператора дрона. Если вам нужно снимать в определенных местах, для этого также потребуется отдельное разрешение.
Будущее дронов
Что еще может и зачем людям нужны квадрокоптеры, кроме развлечений?
Уже сегодня дроны успешно используются для помощи в строительстве сложных конструкций, в сельском хозяйстве, для съемок документальных фильмов, таких как производственные проекты BBC и даже для транспортировки людей.
Последний пункт представляет собой особенно интригующую и революционную перспективу в мире беспилотных летательных аппаратов. О том, как развиваются большие беспилотные системы, мы намерены рассказать в отдельной статье на нашем сайте.
Надеемся, что данная статья оказалась полезной и информативной. Если это так, не забудьте подписаться на наши обновления, а также поделиться статьей с друзьями в социальных сетях. Успехов вам в освоении ваших первых дронов!
Рейтинг лучших квадрокоптеров
Невозможно выделить однозначный рейтинг квадрокоптеров, поскольку у разных потребителей могут быть разные запросы и требования к функционалу беспилотников. Объем спроса также можно рассматривать лишь частично, так как наибольшее количество продаж происходит среди самых недорогих моделей, тогда как высококачественные варианты покупаются реже. Тем не менее, не стоит недооценивать их, поскольку в большинстве случаев более дорогие дроны значительно превосходят бюджетные по всем характеристикам. Обзор брендов может запутать неопытного покупателя, который может легко ошибиться с выбором модели и после этого почувствовать себя обманутым.
На сегодняшний день наименования компаний-производителей квадрокоптеров могут не представлять существенной ценности для рядового покупателя, поскольку такие компании зачастую не занимаются производством иной техники. Исключения из этого правила безусловно существуют, однако в случае с большим брендом ассортимент БПЛА может быть не столь обширным, что не позволяет пользователю действовать на основе дифференцированного выбора с учетом необходимых характеристик.
По этой причине рекомендуется заранее определить для себя необходимые параметры, отобрать несколько подходящих моделей, а затем сравнить их отзывы на нейтральных ресурсах, которые не занимаются продажей подобного товара.
Если вы предпочитаете обращать внимание на бренд при выборе техники, то стоит обратить особое внимание на китайского производителя DJI. Хотя продукция из Китая зачастую окружена предвзятым мнением среди российских покупателей, в этом случае ситуация совершенно иная — этот бренд действительно сумел предложить широкий ассортимент различных моделей, которые являются оптимальным решением в соотношении цены и качества.
В числе конкурентов компании DJI можно отметить несколько производителей, предлагающих более дешевые модели для любителей:
Как выбрать квадрокоптер?
При выборе квадрокоптера необходимо учитывать несколько ключевых аспектов:
- Прежде всего, нужно четко определиться с целью покупки. Понимание того, какие задачи ставятся перед устройством, позволит подобрать модель с оптимальными характеристиками.
- Не стоит переплачивать за функции, которые не окажутся вам нужными. Пренебрежение сравнением и оценкой различных параметров может привести к тому, что устройство не будет соответствовать вашим ожиданиям — к примеру, дальности полета может не хватить для реализации задуманной съемки, а объемный кейс будет неудобен в транспортировке во время поездок.
- Никогда не стоит ориентироваться исключительно на цену при выборе квадрокоптера — важно понимать, почему цена конкретной модели такая, а не иная. Некоторые производители могут запрашивать доплату за узнаваемый бренд, тогда как другие предлагают аналогичное качество по более низкой цене. В большинстве случаев более высокая стоимость говорит о более мощных возможностях БПЛА или наличии дополнительных аксессуаров, так что стоит перепроверить, нужны ли таковые вам.
- Попытки найти самую дешевую модель могут быть актуальны, если вы только начинаете учиться управлению, но важно помнить, что плохое качество управления может просто не позволить вам научиться летать — или же дрон будет очень подвержен влиянию ветра из-за недостаточной мощности.
Как правильно пользоваться квадрокоптером?
Эксплуатация любой техники начинается с внимательного изучения инструкции по использованию, и квадрокоптер в этом плане не является исключением. Часто такие устройства продаются в виде комплектов для сборки, которые вы должны собрать самостоятельно. Даже если вам кажется, что процесс сборки необременителен, помните, что малейшая ошибка может привести к проблемам во время эксплуатации, включая отсутствие взлета или отклонение в полете. Если квадрокоптер не сможет взлететь или будет уходить в одну из сторон, это значительно усложнит обучение безопасному управлению, что в худшем случае может закончиться его поломкой при первом полете.
При управлении дроном важно учитывать последствия своей неосторожности, так как даже легкий дрон, упавший с высоты, способен нанести ощутимый ущерб — например, разбить окно или даже навредить человеку. Конечно, вы можете попробовать обучиться самостоятельному управлению, но это возможно только при условии строгого соблюдения инструкций по эксплуатации.
Для тренировок лучше всего определиться с местом, где вы сможете летать без помех для других, и где возможное падение дрона приведет лишь к его утрате, без каких-либо критичных последствий.
Важно понимать, что производители квадрокоптеров крайне не рекомендуют заниматься ремонтом своих устройств, чтобы избежать ухудшения характеристик или потери управления. Это касается любых проблем, начиная от подключения пульта до двигателя, и даже если вам не устраивает работа одного из моторов, лучше оставить устройство в ремонте соответствующим специалистам. Вмешательство в конструкцию квадрокоптера может привести к тому, что он станет небезопасен в управлении, что может вызвать несчастные случаи и последующие последствия для вас, включая имущественные, административные и даже уголовные ответственности.
Теоретически, риск неправильного использования дронов был признан правительством, поэтому в России существуют регуляции, касающиеся безопасного использования этих устройств, защитившие потенциальные жертвы от действий неосторожных пользователей.
Лишь очень легкие дроны весом до 250 граммов могут использоваться без каких-либо специальных разрешений, тогда как другие устройства требуют обязательной регистрации в государственных органах, а также маркировки RFID. Управляющему дроном необходимо получить лицензию на ведение полетов. Полеты над зонами с ограничением доступа запрещены, а съемка во время публичных мероприятий требует специального разрешения.
Даже если технические параметры вашего дрона позволяют ему подниматься на высоту свыше 150 метров, это может считаться незаконным, поскольку любые потери управления могут быть чреваты серьезными последствиями при падении с такой высоты на землю.
