Два двигателя вращаются по часовой стрелке (CW), а вторая пара — против часовой стрелки (CCW). Эта комбинация предназначена для компенсации вращательного момента и обеспечения постоянной стабильности.
Квадрокоптеры — как все начиналось?
Современный квадрокоптер (Hexa, Octo) — это достаточно мощное «вычислительное устройство», которым можно управлять со смартфона через WiFi, зависая в точке, пролетая маршрут и т.д. Теперь любой желающий может приобрести такое устройство. Как все это началось?
Чтобы понять суть инженерного выбора, следует немного разобраться в том, как летает квадрокоптер. По сути, квадрокоптер — это нестабильная система. Если взять 4 двигателя и просто подключить их к батарее, квадрокоптер никуда не полетит, он просто упадет, потому что тяга двигателей никогда не будет одинаковой. Здесь в дело вступает электроника. Квадрокоптер имеет на борту центральную «плату управления», наиболее важной частью которой является модуль датчиков. В своей простейшей форме это трехосевой гироскоп. Микроконтроллер непрерывно считывает данные с гироскопа, и как только гироскоп «обнаруживает» наклон по одной из осей, контроллер сообщает соответствующему двигателю, что нужно немного увеличить или уменьшить скорость, чтобы компенсировать наклон. Это практически вся логика — кроме ряда вещей (ПИДы, теория управления, фильтры Калмана) здесь нет ничего сложного (шучу). Теперь для пользователя все очень прозрачно. В квадрокоптере нет никаких движущихся частей, кроме двигателей, все управление осуществляется исключительно за счет изменения вращения двигателя (вращая его в одну сторону — меняя скорость вращения, вы получаете крутящий момент). А теперь вернемся к истории.
MikroKopter
Легендарная немецкая компания, инженерам которой приписывают создание первого устройства в 2006 году. Он содержал процессор Atmega644 с памятью 4 КБайт и частотой до 20 МГц, 3 гироскопа по каждой оси, акселерометр (для ровного полета) и барометр для контроля высоты (барометр MPX4115A имеет точность около 1 м). Позже были добавлены дополнительные устройства, например, GPS для определения местоположения.
На youtube теперь есть видео, показывающее, как они летали (2007).
В целом, программа была очень успешной. Их продукция никогда не была дешевой, цена начиналась примерно с 1500 евро. Компания существует и сегодня, она производит профессиональные машины, а ценовой диапазон является разумным. И еще один важный момент: первоначально изобретатели микромашины раскрыли исходный код. Конечно, через некоторое время появились различные клоны (в том числе и произведенные в Российской Федерации), что, естественно, негативно сказалось на продажах, и тогда код был закрыт. Тем не менее, я считаю, что это послужило большим толчком для развития различных типов мультикоптеров. В нашей стране MikroKopter не был популярен из-за своей цены, и его владельцев было не так много. Однако мировое сообщество дало толчок, и возникли различные системы.
KaptainKuk
Одна из самых простых систем, выпускаемых (в разных версиях) с 2010 года. Плата управления имеет только 3 гироскопа, параметры которых задаются обычными переменными резисторами. (Фото с сайта Hobbyking.com)
Сейчас такая доска стоит всего около 15 долларов. Как видите, на плате нет практически ничего, кроме гироскопов и слабого процессора. Исходный код прошивки KK находится в свободном доступе в интернете, вы можете скачать его, набрав в поиске Google «kk2_1V1.zip» (размер файла около 90 КБ). Возможно, это первая и последняя версия прошивки вертолета, написанная на ассемблере.
Кто придумал и изобрел
Первые квадрокоптеры были разработаны в 1900 году. Американец Георгий Александрович Ботезат сконструировал машину с четырьмя пропеллерами, приводимыми в движение одним двигателем. Во время испытаний квадрокоптер пролетел 1 км и поднялся на высоту до 15 метров. Однако, к сожалению, разработка была отложена из-за различных проблем.
Первый современный квадрокоптер был разработан в 2006 году. Этот аппарат был представлен немецкой компанией MikroKopter. Дрон был оснащен микроконтроллером, который оценивал информацию от гироскопа, акселерометра и барометра. Через некоторое время было добавлено устройство GPS. Дрон был ориентирован на профессионалов и стоил дорого, но программное обеспечение с открытым исходным кодом привело к появлению на рынке дешевых клонов. Это повлияло на доходы компании. Код был закрыт, но было уже слишком поздно. Эта модель подстегнула других производителей электроники к разработке гражданских беспилотников различных размеров и классов.
С появлением прочных и легких полимеров, небольших электродвигателей и особенно с удивительными достижениями в области микроэлектроники стало возможным создание надежных и эффективных многоцелевых беспилотных систем.
Зачем и для чего нужен
Предполагаемое использование современных беспилотных летательных аппаратов очень широко и разнообразно. Он используется в самых разных областях, как для отдыха, так и для работы:
- воздушные гонки и развлечения;
- профессиональная видеосъемка;
- видеонаблюдение и охрана объектов;
- спасательные операции;
- археология и картография;
- сельское хозяйство;
- охота и рыбалка;
- доставка небольших грузов.
В последние годы лучшие квадрокоптеры используются для решения многих нетрадиционных производственных задач. В основном они используются там, где присутствие человека нежелательно или опасно — в шахтах и карьерах, при осмотре трубопроводов и небоскребов, в вулканических кратерах, при исследовании погодных явлений и т.д. Этим моделям мы посвятили отдельный раздел. Для таких целей необходим квадрокоптер с камерой.
Как летает квадрокоптер
Принципы работы
Беспилотный самолет оснащен 4 электродвигателями и таким же количеством пропеллеров. Два диагональных пропеллера вращаются по часовой стрелке (CW), два других (CCW) — против часовой стрелки. Интенсивность вращения и подъема определяет скорость и направление движения нашего дрона.
Если два правых двигателя вращаются быстрее, чем левые, они будут наклоняться и двигать дрон влево. В противном случае это приведет к обратному результату. Если задние пропеллеры вращаются быстрее, чем передние, дрон клюнет и полетит вперед. В противном случае голова автомобиля взлетит вверх. Маневры относительно вертикальной оси выполняются с одновременным ускорением винтов CW и соответствующим замедлением винтов CCW. Поворот в противоположном направлении требует ускорения группы CCW и замедления группы CW. Постоянное вращение заставляет дрон взлетать или опускаться.
Наиболее важным электронным компонентом является полетный контроллер. Он отвечает на все команды, полученные через приемник, и отдает команды блокам управления, которые определяют тягу и скорость двигателей. Стабильность обеспечивается гироскопом, который измеряет углы тангажа, крена и рысканья.
Из истории создания квадрокоптеров
Своим появлением квадрокоптер (квадрон, как его называли в первой половине XX века) обязан русскому авиаконструктору Георгию Александровичу Ботезату. Однако профессор Петербургского университета создал его в США, где он в то время жил и работал. Работа ученого финансировалась ВВС США. В то время американцы планировали создать самолет, который мог бы взлетать и садиться вертикально. Изобретение Батезата появилось в нужное время.
В 1922 году появился первый квадрат, который не только поднялся над землей и оставался в воздухе некоторое время, но и поднял вес более четырехсот килограммов. Однако гениальное изобретение профессора Батезата оказалось преждевременным. В то время в самолетах использовались только двигатели внутреннего сгорания, поэтому Quadron мог иметь только один двигатель, который передавал крутящий момент на все четыре винта через довольно сложную коробку передач. Он мог летать только при встречном ветре. Поэтому в итоге предпочтение было отдано вертолету с дополнительным хвостовым винтом.
Первый квадрокоптер — предтеча квадрокоптера
Эра квадрокоптеров началась только в XXI веке, когда они (мультикоптеры, дроны, БПЛА) быстро вошли в нашу жизнь и стали широко использоваться не только в военных или других государственных целях, но и в повседневной жизни. Благодаря своим уникальным характеристикам и доступной цене «карманные» квадрокоптеры сегодня используются для записи различных событий, а также для «присутствия» в труднодоступных для человека местах.
Виды мультикоптеров
Существуют различные типы квадрокоптеров, отличающиеся количеством пропеллеров/моторов (пропеллеры и моторы обычно называют винтомоторной группой или ВМГ).
В дополнение к квадрокоптерам существуют:
-
Трикоптеры — 3 пропеллера,
Чем обусловлено количество моторов на квадрокоптерах?
Во-первых, при отказе пропеллера или двигателя квадрокоптер разбивается о землю, гексакоптер приземляется с минимальными повреждениями, октокоптер не замечает потери двигателя/пропеллера.
В следующем видеоролике показана посадка гексакоптера с 5 двигателями без серьезных повреждений.
Во-вторых, гексакоптер может нести большую полезную нагрузку благодаря большей суммарной мощности двигателей.
Но у «шестерки/восьмерки» есть и недостатки:
- Выше стоимость – рамы стоят дороже, большее количество двигателей, регуляторов оборотов (ESC) и винтов.
- Чтобы обеспечить сопоставимое время полета требуются батареи большей емкости.
В современных БПЛА используются два типа электродвигателей — бескоммутаторные и коммутаторные. Последние в основном используются в недорогих (самых дешевых и доступных) версиях моделей, в то время как профессиональные дроны оснащаются более дорогими и надежными инверторными бесколлекторными двигателями.
Типы современных двигателей для квадрокоптеров
Почему так популярен?
Подавляющая популярность этих устройств возросла в последние годы, во многом благодаря параллельному развитию мобильных телефонов и видеотехнологий. С появлением высокотехнологичных смартфонов и повсеместным использованием селфи стали популярны и так называемые selfie-дроны — крошечные беспилотники с камерой, способные снимать отличные селфи и видео.
У новичка на этапе обучения могут возникнуть некоторые трудности с управлением. В основном они связаны с пространственной ориентацией инструмента и координацией движений палочек, что действительно очень необычно в начале.
Для таких случаев многие производители (особенно недорогих модификаций) предусмотрели такую полезную функцию, как режим headless. Он изменяет ориентацию дрона таким образом, что пилоту не нужно думать о том, где квадрон находится сзади, а где спереди.
БПЛА и современное законодательство
В настоящее время существуют определенные законодательные ограничения на использование и развертывание квадрокоптеров. Например, любой беспилотный летательный аппарат весом 0,25-30 кг подлежит регистрации на территории Российской Федерации, а пилот должен иметь лицензию пилота.
Также необходимо получить лицензию пилота, для чего требуется сертификат летной годности, доступ в воздушное пространство и сертификат легальности для пилота дрона. Если вы хотите фотографировать в определенных местах, вам также необходимо разрешение.
Будущее дронов
Что может и зачем людям нужен вертолет, кроме как для развлечения?
Уже сейчас такие самолеты с большим успехом используются для помощи строительным бригадам в монтаже сложных, запутанных конструкций, в сельском хозяйстве, для съемок документальных фильмов BBC и даже для перевозки людей.
Последний пункт можно рассматривать как особенно интересную, революционную перспективу в мире БПЛА. Отдельную статью об этих больших беспилотниках можно найти на страницах нашего сайта.
Мы надеемся, что статья была полезной и информативной. Если да, подпишитесь на наши обзоры и сообщите об этом своим друзьям/знакомым в социальных сетях. Успехов вам в освоении ваших первых дронов!
Рейтинг лучших
Невозможно дать объективную оценку квадрокоптерам, так как каждого потребителя интересуют разные характеристики. Также на объем спроса в данном случае ориентироваться нельзя, поскольку в основном активно продаются, как и ожидалось, самые дешевые модели, а вот самые дорогие покупают редко, хотя нет сомнений, что они гораздо лучше по всем параметрам. Подробный обзор брендов также может только запутать покупателя, который, будучи новичком, может легко ошибиться в выборе модели и почувствовать себя обманутым.
Сегодня названия компаний, производящих квадрокоптеры, ничего не значат для рядового потребителя, поскольку эти компании обычно не производят другую технику. Из этого правила могут быть исключения, но в данном случае ассортимент БПЛА от известного бренда слишком мал, чтобы сделать дифференцированный выбор с точки зрения подходящих характеристик.
Поэтому рекомендуется решить для себя, какие параметры вам нужны, выбрать несколько подходящих моделей, а затем сравнить их отзывы на нейтральных сайтах, которые не продают такой товар.
Если вы привыкли обращать внимание на бренд при выборе товаров, то вам стоит обратить особое внимание на китайского производителя DJI. Продукция из Китая обычно встречается российскими покупателями с предубеждением, но здесь ситуация принципиально иная — бренду действительно удалось предложить рынку огромный выбор различных моделей, которые считаются оптимальными с точки зрения цены и качества.
В число ее конкурентов входят несколько компаний, выпускающих более дешевые модели для любителей:
Как выбрать?
При выборе такой машины необходимо учитывать несколько аспектов.
- В первую очередь нужно определиться с целью такой покупки. Только четкое понимание тех задач, которые вы ставите перед приобретаемой техникой, позволит подобрать оптимальную по параметрам модель.
- Не стоит переплачивать за функции, которые на самом деле вам не нужны. Учитывайте, что пренебрежительное отношение к оценкам любых параметров может привести к тому, что коптер окажется неудачным – например, дальности полета не хватит для съемки задуманной панорамы, а большой кейс будет неудобно возить с собой в путешествия.
- Ни в коем случае не стоит при выборе оптимального квадрокоптера ориентироваться только на цену – вы должны понимать, почему ценник на данную модель именно такой, а не выше или ниже. Понятно, что некоторые производители хотят доплаты за бренд и доброе имя, а другие способны предложить почти то же качество чуть дешевле, но в большинстве случаев более высокая цена означает, что БПЛА более мощный или имеет дополнительные аксессуары, только надо этот факт перепроверить и понять, нужны ли эти «бонусы» лично вам.
- Погоня за самой дешевой моделью еще актуальна, если вы только учитесь управлению, но опять же – чему можно научиться, если агрегат элементарно не будет слушаться управления, или его постоянно будет сносить ветром из-за слишком малой мощности.
Как пользоваться?
Эксплуатация любой техники должна начинаться с внимательного изучения инструкции по эксплуатации, а коптер идет чуть ли не первым — хотя бы потому, что обычно покупается комплект для сборки, который предполагается собрать самому. Даже если у вас сложилось впечатление, что сборка не сложная, следует помнить, что малейшая ошибка может привести к проблемам во время эксплуатации, если устройство не взлетает, тянет в одну сторону и т.д. При таких обстоятельствах вы не сможете научиться безопасно управлять устройством, а в худшем случае оно разобьется во время испытательного полета из-за ошибок сборки.
Управляя дроном, следует учитывать все возможные последствия собственной безответственности или некомпетентности: разбитое окно или падение с большой высоты — даже легкий дрон может не только нанести большой ущерб, но и поставить под угрозу здоровье людей. Вы, конечно, можете научиться летать самостоятельно, но только если будете точно следовать инструкциям.
Кроме того, для таких упражнений лучше выбрать место, где вы никому не будете мешать, а возможное падение дрона приведет только к потере дрона и ни к чему другому.
Обратите внимание, что производители квадрокоптеров настоятельно не рекомендуют самостоятельно ремонтировать неисправное устройство. Это относится к любой проблеме, независимо от того, не можете ли вы заставить пульт работать, подключить его к определенному дрону или вам просто не нравится звук одного из двигателей. Если вы вмешиваетесь в сложные механизмы квадрокоптера, вы рискуете изменить настройки, вмешаться в управление полетом и т.д., что может привести к несчастному случаю и последующим имущественным, административным или даже уголовным последствиям.
Поскольку теоретическая опасность дрона в чужих руках также признается правительством, в России существуют правила использования дронов, которые регулируют этот момент и защищают потенциальных жертв от ваших неосторожных действий.
Только очень легкие дроны весом до 250 граммов могут использоваться без каких-либо специальных документов, в то время как все остальные требуют обязательной регистрации в государственных органах и маркировки RFID, а пилот должен иметь лицензию на полеты. Полеты над запретными зонами запрещены, а съемка общественных мероприятий, не носящих частный характер, разрешена только со специального разрешения.
Даже если технические характеристики дрона позволяют ему летать на высоте более 150 метров, это незаконно — любая потеря управления и последующее падение с такой большой высоты чревато значительным ущербом для земли.
