Беспилотные технологии считаются чуть ли не чудом техники XXI века, хотя появились они не сегодня и не вчера. Однако именно в наше время самые разные модели дронов (воздушных и подводных) стали постепенно менять многие вещи в окружающем человека мире. Помимо военных беспилотниками стали активно пользоваться ученые, специалисты различных отраслей промышленности, пожарные, полиция, любители и профессионалы в области фото- и видеосъемки.
Огромное количество беспилотников создается не только для профессионалов, но и любителей. И если вы собираетесь вступить в быстро растущее сообщество коптероводов, то наверняка хотите побольше узнать о том, что представляет собой летательный аппарат, управляемый дистанционно, из каких компонентов он состоит и для чего они нужны машине.
Рассмотрим основные элементы квадрокоптера на примере модели DJI Inspire 1
Стандартные пропеллеры
Стандартные пропеллеры отвечают за направление движения дрона и располагаются в передней части летательного аппарата. Хотя с момента появления беспилотников для изготовления пропеллеров использовались самые разные материалы, сегодня большинство серийных машин получают пропеллеры либо из пластика, либо из композитных материалов (углеволокна).
Инженеры до сих пор работают над наиболее эффективной формой пропеллеров, чтобы обеспечить стабильность полета, хорошее маневрирование и устойчивость летательного аппарата к воздействию ветра или других погодных условий. Пилоту необходимо перед каждым полетом в обязательном порядке проверять состояние пропеллеров, так как малейшее повреждение может вызвать аварию или нестабильный полет. Вот почему рекомендуется всегда иметь с собой во время полетов запасные пропеллеры.
Законодательные акты по дронам
Если вы подумываете о покупке квадрокоптера, вам потребется знать несколько вещей о них, дабы не попасть в неприятную ситуацию. В первую очередь не стоит запускать их вблизи любых аэропортов. Во-вторых, в некоторых регионах могут накладываться некоторые ограничения на высоту полетов. И последнее – не стоит практиковать запуск на пространствах массового скопления людей в целях их личной безопасности. Все эти правила в той или иной степени описаны во многих государствах на законодательном уровне. В некоторых государствах имеются даже особые зоны, например национальные парки, где использование подобных технологий категорически запрещается.
Толкающие пропеллеры
Толкающие пропеллеры отвечают за передвижение летательного аппарата в воздухе вперед и назад. Название пропеллеров как раз и показывает принцип их работы. Поэтому располагаются они в задней части дрона, ведь их задачей является подавление крутящих моментов двигателя дрона во время обычного полета коптера, чтобы последний двигался либо вперед, либо назад в зависимости от команд с пульта управления.
Низкошумные пропеллеры модели 8743 для квадрокоптеров серии DJI Mavic 2
С технологической точки зрения, толкающие пропеллеры не отличаются от стандартных. Их изготавливают из пластика или композитных материалов. Они также могут иметь разные размеры в зависимости от модели дрона, а также иметь специальную защиту, которая спасет конструкцию от аварии и защитит людей от случайного касания краями винтов. Толкающие пропеллеры также необходимо постоянно проверять перед полетом на предмет их общего состояния и наличия или отсутствия повреждений.
История
В целом вертолеты с несколькими винтами разрабатывали еще в начале вертолетостроения. Попыток создать многовинтовой вертолет было много, но первый квадрокоптер, который смог взлететь и держался в воздухе, был разработан Георгием Александровичем Ботезатом (русско-американский конструктор). Испытания конструкции проходили в 1922 году.
У первых аппаратов был один недостаток: вращение мотора передавалось сразу на 4 винта. После того как был создан автомат перекоса и хвостовой винт разработка и испытания квадрокоптеров завершились. В 1950-х годах начали проводиться новые разработки, но успехов достигнуть так и не удалось.
XXI век изменил все. Квадрокоптеры получили новую жизнь, но аппараты были созданы для беспилотного использования. Конструкция квадрокоптера отличается простотой, поэтому нередко этот аппарат используют любители для моделирования. На квадрокоптеры обычно устанавливают камеру, но она не мешает устройству работать и летать, так как располагается вдалеке от зоны работы винтов. Четырехвинтовой мультикоптер может использоваться для малозатратной киносъемки и фото с воздуха.
Бесколлекторные двигатели
Все производимые в последнее время дроны используют бесколлекторные двигатели, которые считаются более эффективными с точки зрения производительности и эксплуатации по сравнению с коллекторными двигателями. В любом типе техники конструкция мотора не менее важна, чем все остальные компоненты, ведь эффективный двигатель не только обеспечивает отличное пилотирование (в случае с беспилотником), то сокращает ваши расходы на обслуживание и покупку дополнительного оборудования. Чем мощнее двигатель, тем больше длится время автономной работы дрона и дольше его полет. Мощность двигателя также влияет на параметры полезной нагрузки, которую может нести дрон: камера и другое оборудование.
Различия между коллекторным и бесколлекторным двигателем
Отличным примером является разработка компанией DJI серии своих дронов промышленного назначения: Inspire 1, Inspire 2, серии дронов Matrice и Agras. Конечно, у DJI в этом плане тоже есть конкуренты, стремящиеся выпускать летательные аппараты с мощными двигателями, однако пока китайская компания идет на шаг впереди, создавая не только мощные, но и экономичные, а также малошумные агрегаты.
Насколько сложно управлять
Многие люди стараются держаться подальше от подобных устройств, ошибочно считая их слишком сложными в управлении. Но это слишком далеко от правды. Большая часть моделей, предназначенных для массового использования, являются чрезвычайно простыми в управлении.
Как правило, дешевые квадрокоптеры более сложны в управлении, в то время как устройства стоимостью от 500USD усложняют управление лишь дополнительными функциями. Но с достаточными навыками контроль становится просто забавой.
Иногда дроны настолько умны, что ими не так уж сложно управлять.
Начните свое знакомство с квадрокоптерами с моделей в роде Parrot Bebop. Это простой дрон по сносной цене с наилучшими функциями необходимыми для получения базовых навыков.
Что касается окружения, то лучшее место для первых полетов – это открытые площадки без людей, деревьев и линий электропередач.
Посадочное шасси
Наличие шасси у беспилотника не всегда обязательно. Некоторые небольшие модели сконструированы таким образом, чтобы можно было без проблем приземлиться на нижнюю панель или что-то вроде нее. Другие модели, и их большинство, оснащаются различными вариантами шасси. У кого-то они напоминают вертолетные лыжи, у других замысловатые “ножки”. Все зависит от конкретной модели, ее назначения и оснащения. Например, беспилотники, использующиеся для воздушной съемки, а значит, оборудованные подвесной камерой, как правило, получают высокое шасси с большим клиренсом. Такими шасси изначально оборудуются все модели DJI Phantom с первой до последней версии. Высокие шасси есть и у промышленных дронов линейки Matrice, также разрабатываемой DJI.
А вот у дронов серии Inspire и Mavic шасси представляют собой что-то вроде ножек, установленных под двигателями на концах “рук” рамы. При этом из-за низко расположенной камеры шасси Inspire при посадке опускаются ниже, а в полете немного поднимаются вверх, улучшая при этом обзор для камеры. У Mavic из-за особенностей расположения камеры такое решение не требуется, но зато у него шасси складываются вместе с “руками” и пропеллерами, превращая дроны этой серии в одни из самых компактных и удобных для перевозки.
Квадрокоптер DJI Inspire 1 с поднимающимися в полете “лучами” и шасси
Назначение дрона и возможность подвесить дополнительную полезную нагрузку под нижней панелью (например, камеру или груз), влияют на технические решения для шасси. В одних случаях они делаются фиксированными (как у той же серии Phantom), а в других случаях шасси могут убираться, предоставляя камере обзор на 360 градусов, что важно для специализированных беспилотников (для инспекции, пожаротушения, поиска и спасения и т.п.).
Аккумулятор
При выборе аккумулятора квадрокоптера нужно учитывать его вес и отдачу. Но, как правило, чем меньше вес тем меньше ёмкость. И наоборот. Поэтому нужно найти компромисс. Сначала нужно определить токоотдачу, а после уже выбирать вес, чтоб не получилось так что квадрокоптер не сможет подняться.
Большим успехом пользуются литий-полимерные (LiPo) аккумуляторы. Отличаются они низким уровнем саморазрядки, возможностью пользования в большом диапазоне температур и стабильным разряжением.
Электронные регуляторы скорости (Electronic Speed Controllers / ESC)
Электронный регулятор скорости (ESC) (другие названия: электронный регулятор скорости, электронный регулятор хода) представляет собой электрическую цепь, которая призвана контролировать скоростной режим беспилотника (впрочем, и других типов летательных аппаратов, так как это устройство в различных модификациях есть и у самолетов). По сути, это важное устройство передает энергию от батареи к двигателю бесколлекторного типа, преобразуя постоянный ток источника питания в переменный ток, который нужен мотору.
Схема работы электронного регулятора хода предполагает подачу (на входе) напряжения с батареи и поступление сигналов с полетного контроллера (бортового компьютера дрона). А вот на выходе от регулятора поступает на привод управляющее напряжение. Отсюда понятно, что регуляторы хода должны быть совместимы с полетным контроллером, когда проектируется и собирается конкретная модель беспилотника. Кроме того, они должны потреблять тока меньше, чем отдавать. Расчет же тока для привода производится, исходя из характеристик мотора и пропеллера плюс 20-30%.
О регуляторах можно рассказывать долго, а их важность для беспилотников бесспорна. Об этом говорит тот простой факт, что современные дроны полностью зависят от этого вида устройств для нормального полета и выполнения всех задач, которые ставятся перед конкретным видом летательного аппарата. Поэтому DJI и другие производители дронов на электрической тяге много работают над совершенствованием электронных регуляторов хода. При выходе каждой новой модели беспилотника DJI старается внести усовершенствования и в ESC, о чем обязательно информирует будущего потребителя, например, о снижении энергопотребления и более высокой производительности.
Специальные регуляторы скорости для гоночных дронов DJI Takyon Z14120
Где же устанавливаются электронные регуляторы ходы? Как правило, эти устройства располагают в раме летательного аппарата. У дронов DJI они, как правило, располагаются в “руках” ближе к двигателям. Многие современные модели беспилотников оснащаются достаточно продвинутыми ESC, которые могут работать в различных режимах. А это невозможно без качественного программного обеспечения (прошивки). Прошивка должна регулярно обновляться для исправления ошибок в кодах управления, а также для повышения эффективности работы устройства (снижения потребления тока и т.п.). Если вы приобретаете одну из моделей коптера бренда DJI, то вам не придется принудительно обновлять ПО, потому что при выходе новой версии прошивки, все происходит в автоматическом режиме. Поэтому вам лично не придется вносить какие-либо изменения в работу ESC.
Какие задачи выполняет устройство?
Сегодня коптеры применяют в самых разных сферах, включая многие полезные задачи. Без этого оборудования телепередачи о путешествиях были бы скучными, а видеоблогеры не смогли бы показать и десятой доли тех красот, которые вы имеете возможность посмотреть. Специально настроенные дроны, оснащенные тепловизорами, сильно облегчают работу спасателей.
Основные сферы использования летательной техники:
- съемка видео с высоты птичьего полета, получение уникальных кадров с минимальными вложениями;
- спорт – существует серия гоночных дронов, которые развивают огромную скорость, участвуют в соревнованиях;
- спасательные, поисковые операции – беспилотники применяют для поиска потерявшихся людей;
- охота – выслеживание диких зверей в любой местности в любое время суток;
- геодезия – создание плана местности, проверка границ, прочие задачи кадастра;
- курьерская доставка – это применение активно развивается мировыми лидерами в сфере доставки товаров;
- программирование – некоторые модели коптеров можно обучать, внедряя собственный код.
Многие потенциальные покупатели задаются вопросом, зачем нужен квадрокоптер. В большинстве случаев покупают устройства для съемки из воздуха. Также есть модели, которые хорошо защищены от влияния влаги и могут делать съемку под водой или при дождливой погоде. Развитие сферы производства дронов приносит новые возможности покупателям.
Полетный контроллер
Полетный контроллер выполняет роль материнской платы или даже бортового компьютера беспилотника. Если несколько упростить его задачи, то полетный контроллер отвечает за передачу всех команд, которые пилот передает на борт дрона. А если точнее, то в задачи контроллера входит интерпретация входящих данных от ресивера (приемника), модуля GPS, монитора батареи и бортовых датчиков. Кроме этого, полетный контроллер взаимодействует с электронными регуляторами хода и тем самым следит за работой двигателя и регулировку скорости, что является частью задач по управлению коптером. Но это, разумеется, далеко не все. Любые команды – запуск и работа камеры, управление режимом автопилота и другие автономные функции, – все они направляются полетным контроллером. Как правило, пользователю не нужно вносить какие-либо изменения в работу устройства, поскольку это может негативно повлиять на характеристики беспилотника.
Полетный контроллер DJI A3 взаимодействует с блоком IMU и системой геопозиционирования для обеспечения высокой точности данных во время пилотирования и съемки
За и Против
Плюсы четырехвинтового мультикоптера:
- Эксплуатация недорогая. Даже при поломке запчасти легко подобрать в магазине и заменить.
- Полет очень стабильный.
- Емкий аккумулятор. Хорошая батарея обеспечивает длительную работу устройства, возможность перемещать небольшие грузы и производить длительную видеосъемку.
Единственный недостаток – цена. Существуют и бюджетные модели, но качество материалов не всегда самое хорошее. К тому же на нем установлено лишь самое необходимое. Если вам нужен квадрокоптер для профессионального использования, придется выложить немалую сумму.
Передатчик
Передатчик – это устройство, отвечающее за передачу радиосигналов от контроллера к дрону для выдачи команд о направлении полета и других связанных с этим параметров. Как и приемник, передатчик должен иметь не менее четырех каналов для работы с беспилотником, но обычно также рекомендуется 5. Так же, как и в ситуации с ресиверами, на рынке сегодня представлено много модификаций приемников от различных производителей. Этот факт будет, скорее всего, интересен тем, кто хотел бы собрать собственный дрон, так как в случае замены устройства на моделях от DJI, используется фирменная продукция и продукция тех брендов, которые имеют партнерские отношения с китайским производителем. Приемник и передатчик должны использовать один радиосигнал для связи с дроном во время полета. Каждый радиосигнал имеет стандартный код, который помогает отличать в эфире свой сигнал от чужих.
Последняя модель передатчика DJI Lightbridge 2
Как управляется квадрокоптер
Управлять квадрокоптером можно несколькими способами. Бюджетные модели поддерживают только один вариант пилотирования, более дорогие могут предлагать режимы на выбор.
Управление через радиопульт
Этот способ является основным — параметры полета задаются при помощи специального джойстика, внешне похожего на компьютерный. Посредством пульта можно регулировать обороты двигателей, уменьшать и увеличивать высоту, заставлять коптер замирать на месте или вращаться.
Главное достоинство управления с пульта — поддержка максимальной дальности сигнала
Управление через смартфон
Многие дроны могут пилотироваться с мобильного — на смартфон в таком случае нужно установить специальное приложение. На экране устройства появится панель управления с точно такими же кнопками, как и на обычном джойстике. Связь с коптером осуществляется через Wi-Fi, аппарат может в режиме реального времени передавать фото и видео на смартфон.
Минус управления дроном со смартфона — малая дальность в пределах около 100 м или немного больше
Управление через G-сенсор
Интересный способ пилотирования также требует использовать мобильное устройство. Но в данном случае оператору не нужно нажимать на кнопки, предложенные специальным приложением. Дрон меняет направление полета за счет наклона смартфона. Метод очень удобен для скоростного маневрирования.
При управлении через наклон смартфона дрон повторяет пространственную ориентацию мобильного
Модуль спутниковой навигации (GPS, ГЛОНАСС, Бэйдоу).
Многие современные беспилотники оснащаются модулями спутниковой навигации. Чаще всего это модуль GPS, однако на многих последних дронах от DJI можно встретить двойную систему навигации, которая может включать комбинации GPS и ГЛОНАСС или же GPS и Бэйдоу. В зависимости от установленной комбинации такой беспилотник может эффективно эксплуатироваться в тех или иных регионах мира. Примером может быть серия промышленных беспилотников DJI Matrice 200.
Модуль (или комбинация модулей) спутниковой навигации обеспечивает бортовой компьютер дрона данными о местонахождении аппарата (долгота, широта и высота). Подобная, достаточно сложная, система навигации необходима прежде всего специализированным беспилотникам, которые выполняют полеты на большие расстояния и/или выполняют достаточно сложные задачи в области безопасности, военные задачи или работают в сфере промышленности.
Модуль GPS и плата IMU для DJI Mavic 2 Pro/Zoom
Однако задачи модуля спутниковой навигации вышеописанными не ограничиваются. С его помощью летательный аппарат не только ориентируется в пространстве во время полета, но и может в автоматическом режиме точно приземлиться на “базу”, даже если его визуальные датчики и штатная камера не работают, а связь с пультом дистанционного управления утеряна. Таким образом, модуль спутниковой навигации поможет обеспечить безопасность полета.
Стабилизация полета
Помимо преобразования команд оператора в команды двигателя полетный контроллер стабилизирует полет платформы. Стабилизация необходима по нескольким причинам:
- неидентичность винтомоторных групп (ВМГ)
- неидентичность регуляторов оборотов
- неравномерность распределения нагрузки на двигатели из-за смещения центра тяжести
- «сдувание» ветром
Для компенсации этих воздействий в составе полетного контроллера есть инерциальная измерительная система, которая включает в себя акселерометр, гироскоп, магнитометр и барометр. В более дорогих моделях дополнительно используют GPS-приемники. Даже в те моменты когда оператор пытается просто удерживать коптер на месте полетный контроллер продолжает активно менять двигатель тягу двигателей компенсируя все возможные ускорения и вращения. Ссылки на остальные части цикла статей о квадрокоптерах: Часть 2. Элементы квадрокоптера Часть 3. Все об аккумуляторах для квадрокоптеров Часть 4. Рама квадрокоптера Часть 5. Подсветка коптера Часть 6. Подключение элементов квадрокоптера Часть 7. Настройка пульта Turnigy9x для коптера Часть 8. Настройка регуляторов оборотов бесколлекторного двигателя Часть 9. Настройка полетного контроллера DJI NAZA Часть 10. Гиростабилизированный подвес для камеры SJ4000
Мы будем очень рады, если вы поддержите наш ресурс и посетите магазин наших товаров shop.customelectronics.ru.
Батарея
Поскольку многие современные дроны летают при помощи бесколлекторных двигателей, то есть на электрической тяге, то аккумуляторная батарея является одной из основных частей дрона. Без нее невозможно запустить дрон и выполнить все поставленные полетные задачи. Впрочем, если вы управляете дроном с пульта (джойстика), то нужно помнить, что он тоже работает от своей батареи. Батарея на борту дрона чаще всего называется полетной (бортовой) и может иметь разные параметры (тип, емкость, мощность, наличие или отсутствие интеллектуальных функций и т.п.).
Батарея с функцией самоподогрева для работы при температурах ниже 0 для дронов серии DJI Mavic 2
Понятно, что у разных моделей беспилотников разные требования не только к силовой установке, но и к батарее, как к источнику питания. Небольшие и любительские дроны оснащаются батареями небольших размеров с небольшой емкостью и мощностью, что в конечном итоге влияет на полетное время и рассчитанную полезную нагрузку. Для сравнения:
- DJI Spark – 1480 мА/ч – 16 минут полета
- Ryze Tello – 1100 мА/ч – 13 минут полета
- DJI Mavic Air – 2375 мА/ч – 21 минута полета
- DJI Mavic 2 Pro – 3850 мА/ч – 31 минута полета
- DJI Inspire 2 – 4280 мА/ч – 27 минут полета в зависимости от нагрузки
- DJI Phantom 4 V2.0 – 5870 мА/ч – 30 минут полета
Специализированные (промышленные дроны и платформы) требуют более емкой и мощной батареи ввиду сложности и большого объема решаемых задач. Отсюда и иные параметры источников питания, а также вытекающие отсюда полетное время и вес полезной нагрузки. Для сравнения:
- DJI Matrice 100 – 4500 мА/ч (дополнительная 5700 мА/ч) – в зависимости от полезной нагрузки и количества батарей время полета и зависания от 20 до 40 минут
- DJI Matrice 600 Pro – 4500 мА/ч (дополнительная 5700 мА/ч) – в зависимости от полезной нагрузки и количества батарей время полета и зависания до 38 минут
Компания DJI, как и ее конкуренты, постоянно ведет исследования в области совершенствования полетных аккумуляторов. Например, мониторинг состояния батареи сегодня стал уже довольно обычным явлением. Теперь пилот вовремя узнает не только об уровне заряда батареи, но и сможет получить информацию о том, когда следует вернуть беспилотник на базу, чтобы он не потерпел аварию из-за полного разряда батареи. Кроме того, DJI стала выпускать специальные аккумуляторы с подогревом, позволяющие эксплуатировать ее дроны при низких температурах, что ранее было просто невозможно.
Сложности в управлении
Новичок на этапе обучения может столкнуться с некоторыми трудностями контроля. В основном они связаны с пространственной ориентацией аппаратика и координацией движений стиков, что, надо сказать, по началу действительно очень непривычно.
Однако для таких случаев многие производители (в частности бюджетных модификаций) предусмотрели такую полезную функцию, как Headless Mode. Она меняет ориентацию дрона таким образом, что пилоту не нужно задумываться о том, где у квадрона зад, а где перед.
Камера
В этом отношении наблюдается некоторое разнообразие. Если первые дроны поставлялись без камер и в лучшем случае имели некоторые аксессуары для крепления обычных камер, используемых на земле, то теперь ситуация изменилась. Часть дронов поставляется во встроенной камерой (яркий пример: серия Mavic, Spark, Ryze Tello). В других случая беспилотник может быть оборудован подвесной камерой, которую можно снимать (и даже устанавливать другие совместимые) или же вы можете купить коптер без камеры, к которому можно позже докупить штатную подвесную камеру. Преимущества аппаратов с камерами очевидны, ведь тогда они превращаются в “летающие камеры”, с помощью которых можно вести как любительскую, так и профессиональную съемку с воздуха.
Фильм “Riders”, снятый с помощью квадрокоптера DJI Inspire 2 и подвеса с камерой DJI Zenmuse X7, – один из ярких примеров динамичной воздушной съемки
MultiWii
Следующей вехой в развитии коптеров стала система MultiWii. Название пошло от игрового манипулятора Nintendo Wii и Wii Nunchuk, которые умельцы разбирали, и выпиливали оттуда плату с датчиками. В качестве центрального процессора использовалась Arduino Nano. Внешний вид платы получался примерно такой (фото с сайта rcgroups, 2010 год):
Впрочем, за несколько лет система эволюционировала, и последние платы (они продаются и сейчас, цена вопроса 20-30$) выглядят где-то так:
(фото с сайта Hobbyking.com)
Последние версии MultiWii имеют вполне неплохие датчики, умеют зависать в точке по GPS, удерживать высоту и возвращаться домой. Т.к. Multiwii был написан для Arduino, все платы так и остались Arduino-совместимыми, исходный код можно скачать на Github. Одним из недостатков MultiWii является слабый процессор, что ограничивает вычислительные возможности алгоритмов, позже стали появляться клоны на STM32, однако погоды они не сделали, т.к. в плане «железа» любой квадрокоптер достаточно прост, 95% сложности заключается именно в коде. В то же время, я уверен что именно исходники MultiWii стали основой всех сегодняшних коммерческих систем.
Научные исследования
Беспилотник нужен и для проведения научных исследований, сбора данных в местах со сложным доступом. Например, его назначением может быть видеосъёмка. Исследователь может подлететь в ту область, куда не доберется своим ходом.
Съемка в труднодоступных местах
Такое применение дроны нашли в археологии, картографии, биологии. Если модель оборудована «рукой» для захвата предметов, ученные могут брать анализы и пробы растений, грунта или воды.
