Личный квадрокоптер (сделай себе FAN). Часть 1 - Введение в теорию

Статья является частью пособия по постройке личного кадрокоптера из общедоступных материалов. В последующем будет описана последовательность сборки и программное обеспечение,  необходимое для полетов.

Проведение  самостоятельных исследований всегда утомительно (несмотря на радость познания и растущее ЧСВ), попробуем свести все к простому пособию по подбору материалов и постройке аппарата.

Квадрокоптер -  дело непростое, требующее времени и значительных усилий, и если вы не ждете зеленого на перекрестке, то лучше за него не браться. Также, не начинайте постройку, если вы презираете электронику, а слово «матан» и «программизм» вызывает у ваc легкое недоумение и/или отторжение. В любом случае, вам проще будет скопить денег на специальный конструктор для самостоятельной сборки и с момента распаковки до первого полета пройдет всего несколько минут (я гарантирую это). Однако должен вам сказать, что простейший путь – не самый лучший. Вы потеряете уйму интересных моментов, связанных непосредственно со сборкой и конструированием (отбитыми пальцами). От подбора материалов до сборки электросхемы и программирования, вы полностью будете погружены в процесс создания вашего собственного квадрокоптера – и это сделает вас равным Милю  и Камову ПРИКОЛЬКО!

СТАТЬЯ СОСТОИТ ИЗ ТРЕХ РАЗДЕЛОВ:

- что такое квадрокоптер, и как оно вообще может подняться в воздух

- описание компонентов квадрокоптера

- заключение

ЧТО ТАКОЕ КВАДРОКОПТЕР И КАК ОН ЛЕТАЕТ?

Квадкоптером называется геликоптер с четырьмя роторами, который также иногда называют квадротором (Жириновский Style – четыревинт). Сама конструкция квадрокоптера, отличная от вертолетов классической схемы,  определяет его большую полетную стабильность, что идеально подходит для воздушного наблюдения и аэрофотографии что и определяет растущую в последнее время популярность исследований методов использования квадрокоптеров в качестве беспилотных летательных аппаратов.

Существующие в настоящее время квадрокоптеры имеют размеры от крох, способных совершить посадку на CD – диск или ладонь, до аппаратов размером со стиральную машину и размахом крестовины около метра.

Вот размером со стиральную машину

А вот наладонный

В классической вертолетной схеме взаимодействуют два винта (пропеллера) – один большой, который обеспечивает подъемную силу, и маленький хвостовой, который предназначен для компенсирования аэродинамического крутящего момента главного. Без компенсирующего винта, вертолет просто вращался бы со скоростью, почти равной скорости вращения главного винта, но, в противоположном направлении. (Интересующиеся могут увидеть этот интересный момент в фильме «Black hawk down»).

В квадрокоптере же, для создания подъемной силы действуют одновременно четыре винта, каждый из которых, соответственно поднимает только ¼  часть полезной нагрузки. Это позволяет использовать более дешевые маломощные двигатели. Движение и положение  квадрокоптера управляется путем изменения относительной тяги каждого двигателя.

Работа роторов в состоянии покоя (висение)

Концепция квадрокоптера предполагает размещение двигателей с несущими винтами на вершинах квадрата, причем каждая пара противоположных по диагонали винтов вращается в сторону, противоположную другой паре (см. изображение). Если же все четыре винта начнут вращаться в одном направлении, квадрокоптер поведет себя подобно классическому вертолету, у которого отказал  хвостовой винт – начнет вращаться в сторону, противоположную направлению вращения несущих винтов. Механизм управления перемещениями и положением квадрокоптера следующий. Как известно, рысканье по курсу (Yaw) вызывается разбалансировкой аэродинамической тяги несущих винтов и  для сохранения текущего положения и направления движения, аэродинамическая тяга одной пары несущих винтов квадрокоптера должна полностью компенсироватся аэродинамической тягой другой пары.

Оси свободы летательного аппарата

Аэродинамический баланс квадрокоптера сохраняется постоянным считыванием показаний сенсоров и внесение соответствующих изменений в скорость вращения каждого ротора. Учитывая, что ручное управление четырьмя отдельными двигателями крайне затруднено, за поддержание баланса квадрокоптера отвечает соответствующая автоматическая контрольная система. Управление квадрокоптером осуществляется по 4-м осям: рысканье по курсу (Yaw),  крен относительно продольной оси (Roll), тангаж (Pitch), высота полета. Каждая ось управляется изменением тяги на КАЖДОМ двигателе квадрокоптера.

• Рысканье по курсу (YAW, повороты влево-вправо без потери высоты) управляется добавлением оборотов роторам, которые вращаются в сторону поворота, и снижением оборотов у роторов противоположного вращения. Учитывая симметричное увеличение и убавления мощности на каждой паре моторов, набор высоты при повороте по курсу не производится. Главная проблема управления рысканьем по курсу – выбор моторов, которым требуется увеличелие и/или уменьшение мощности.
• Крен (ROLL) – наклоны влево/вправо управляется увеличением мощности одного из роторов с симметричным уменьшением противоположного.
• Тангаж (PITCH, наклоны вверх или вниз, угол поперечной оси квадрокоптера относительно поверхности) управляется подобно крену, но с использованием другой пары двигателей. Надо отметить,  что крен и тангаж для квадрокоптера являются понятием полностью относительным и зависят только от выбора направления движения и плеча крестовины, которую пилот определил для себя как «переднюю».

Рысканье по курсу

Например, для изменения угла крена/тангажа тяга одного из роторов должна быть снижена, в то время как тяга другого – увеличена. Результатом станет изменение продольного или поперечного угла наклона относительно горизонтальной поверхности. Когда квадрокоптер наклоняется, это приводит к разделению вектора силы (в идеальном состоянии проходящую через центр крестовины), на вертикальную и горизонтальную составляющие. Это приведет к изменению горизонтального и вертикального направлений движения – квадрокоптер начнет двигаться в сторону крена, теряя при этом высоту (вызвано силой земного тяготения, которая больше не компенсируется несущей силой винтов). Чтобы избежать падения квадрокоптера, для компенсации вертикальной составляющей, тяга на всех роторах должна быть соответственно увеличена.

Изменение угла тангажа для движение вперед

Описанное выше иллюстрирует, каждый манёвр квадрокоптера является результатом согласованных симметричных воздействий по каждой оси, что достигается изменением тяги двух или более двигателей.

Несмотря на то, что постройка квадрокоптера с дистанционным управлением проста и относительно дешева, из-за высокой стабильности полета и простоты управления, все большую популярность приобретает создание полностью самоуправляемых или полуавтономных квадрокоптеров.

• Как сделать квадрокоптер своими руками - 2
• Как сделать квадрокоптер своими руками - 3
• Как сделать квадрокоптер своими руками - 4
• Как сделать квадрокоптер своими руками - 5

(A-Z )