Что такое квадрокоптер?

Квадрокоптер — это самый простой вид мультикоптера, который приводится в движение 4-мя двигателями, с установленными на них винтами. Двигатели, которые расположены на лучах рамы напротив друг друга, вращаются в разные стороны – 2 по часовой стрелке, два – против. Таким образом создается подъемная тяга.

Принцип действия

Давайте разберемся с принципом действия подробнее. Коптер это аэродинамически абсолютно нестабильный аппарат. Стабильным его полет делает бортовой компьютер или полетный контроллер.
Для того, чтобы дрон накренился необходимо, чтобы два двигателя замедлили вращение, а два противоположных — наоборот увеличили. Например, если аппарат хочет свернуть влево, он ускоряет два двигателя на правой стороне рамы и замедляет два на левой стороне. Точно так же, если он хочет полететь вперед он ускоряет задние два мотора и замедляет два передних.

Коптер может повернуть (так называемое «рыскание») влево или вправо, ускоряя два двигателя, которые расположены по диагонали друг к другу, одновременно замедляя два других. Для перемещения доступны 3 оси — тангаж (pitch), крен (roll), рыскание (yaw). А также газ (Throttle).

Мультикоптеры

Существуют несколько видов мультикоптеров которые различают по количеству винтов/моторов (винты и моторы обычно называют винтомоторной группой или ВМГ). Помимо квадрокоптера выделяют – трикоптеры  — 3 винта, гексакоптеры – 6 винтов, октокоптеры – 8 винтов.

Чем обусловлено количество моторов?

Во – первых безопасностью: при выходе из строя одного винта или мотора коптер рухнет на землю и разобьётся, гексакоптер сядет с минимальными повреждениями, окта – фактически не заметит потерю одного двигателя/винта.

Ниже на видео видно, как гексакоптер садится без существенных повреждений на 5 двигателях.

Во – вторых: полезную нагрузку гексакоптер способен взять бОльшую, за счет большей суммарной мощи двигателей.

Но есть у гексы/окты и минусы:

  1. Выше стоимость – рамы стоят дороже, большее количество двигателей, регуляторов оборотов (ESC) и винтов.
  2. Чтобы обеспечить сопоставимое время полета требуется батареи большей емкости.

Из каких элементов состоят?

Концептуально радиоуправляемый коптер состоит из двигателей, регуляторов оборотов, лопастей, рамы, полетного контроллера, батареи, радиоприемника и передатчика. На самом деле в нем гораздо больше модулей, о которых мы поговорим чуть ниже.

Схема подключения дрона

Полетный контроллер — это мозг вашего аппарта, именно он отвечает за поведение в полете. Как правило, полетный контроллер представляет собой плату или небольшую коробочку с микросхемой внутри. Современные полетные контроллеры, это сложные устройства, способные обрабатывать сигналы поступающие с множества различных устройств и самостоятельно принимать решения о выборе наиболее оптимальной траектории полета и избегать столкновения с препятствиями. Такие контроллеры установлены на DJI Mavic Pro и DJI Spark.

Полетный контроллер

Как правило полетный контроллер состоит из четырех базовых датчиков:

  • Акселерометр или датчик угловых скоростей;
  • Гироскоп;
  • Магнитометр или компас;
  • Барометр — датчик атмосферного давления, который помогает удерживать высоту.

Управление осуществляется через радиопередатчик, он же пульт управления. Большинство передатчиков работают на частоте 2,4 ГГц, это своеобразный стандарт. Команды с передатчика поступают на радиоприемник который подключен к полетному контроллеру. Полетный контроллер обрабатывает полученный радиоприемником сигнал и передает команды двигателям. Таким образом можно сказать, что полетный контроллер управляет вращением двигателей, но делает это не напрямую, а через регулятор оборотов или ESC (Electric speed controller — электронный контроллер скорости).

В самом общем случае управляется коптер по 4-м каналам, которые как раз и есть упомянутые нами выше тангаж (pitch), крен (roll), рыскание (yaw) и газ (Throttle). Чтобы понять, как управляется дрон читайте основы управления.

Дополнительные модули

Современные модели помимо основных модулей содержат ряд вспомогательных таки как:

  • GPS компас, для определения местоположения аппарата
  • курсовая камера и видео передатчик для передачи изображения на экран пилота или на полетный шлем (так называемый полет от первого лица или FPV)
  • гироскопический 2-х или 3-х подвес с камерой – который стабилизирует камеру, защищая ее от вибраций
  • телеметрия или OSD (OnScreenDisplay) которая отвечает за вывод характеристик полета на экран монитора или полетного шлема
  • датчики контроля высоты и облета препятствий
  • wi-fi и Bluetooth модули

Различные расширения

Для чего нужен квадрокоптер

Активное развитие и внедрение их в гражданскую среду, привели к росту вариантов использования:

  1. Пассажирские перевозки — так, в Дубаи, на международном саммите была продемонстрирована модель беспилотного такси Ehang 184, которое может находиться в воздухе около 30 минут за один полёт. По сути это одноместный восьми-роторный аппарат, который лишен каких-либо органов управления, т.е. фактически человек летит в этом аппарате в качестве пассажира, а не пилота. В небольшой кабине располагается кресло и планшет с сенсорным экраном, используя который вы можете указать пункт назначения. В 2018 году первый тестовый полет совершило аэро-такси Vahana компании Airbus. В феврале этого же года, сообщили о секретном аэро-такси Joby Aviation , стартап проекта уже привлек 100 млн долларов.
  2. Хозяйственная деятельность — дроны берут на себя отдельные функции авиации: проведение аэросъёмки или других видов сбора данных, нужных для сельского хозяйства, контроля ситуаций на дорогах и в любых удалённых участках. С их помощью отслеживают пути миграции животных, находят затерявшиеся суда, выявляют уровень гидрометеорологической опасности, проводят обследование линий электропередач.
  3. Развлекательные / спортивные шоу — такие аппараты чаще всего оснащаются несущими винтами и являются подобием вертолётов, а не самолётов. Данная конструкция наиболее рациональная, поскольку не требует наличия взлётно-посадочной полосы. Развлекательное использование БПЛА недавно расширилось воздушными гонками. Чаще всего для них используются модели самостоятельной сборки или существенно переработанные готовые. В результате они получают возможность набирать скорость выше 150 км/ч, но относятся к аппаратам с малыми габаритами. Отметим, что стартап Alauda Racing запустил на платформе Kickstarter сбор средств на первые в мире гонки на пилотируемых мультикоптерах, которые планируются в 2020 году.
  4. Профессиональная или любительская фотосъемка — все современные модели оснащаются высококачественной камерой и позволяют делать восхитительные снимки там, куда человек не смог бы никогда добраться самостоятельно.
  5. Грузовые перевозки — в 2016 году компания Amazon провела испытания по доставке посылок с помощью коптера и подала заявку на технологию доставки груза при помощи парашюта. В последние месяцы активно появляются новости с концептами больших грузовых беспилотников, способных перемещаться на высоких скоростях и перевозить до нескольких тонн. Как, например, модель Draco-2 компании Sabrewing Aircraft и тестовая сборка компании Boeing.