За счет чего летает квадрокоптер
Квадрокоптеры — как все начиналось?
Современный квадро (гекса, окто) коптер — это достаточно мощное «вычислительное» устройство, способное управляться со смартфона по WiFi, зависать в одной точке, летать по маршруту и пр. Купить такой аппарат сейчас может любой желающий. А с чего все начиналось?
Как летает квадрокоптер?
Чтобы понимать суть технических решений, разберемся немного как вообще квадрокоптер летает. По сути, квадрокоптер — это неустойчивая система. Если взять 4 мотора, и просто подключить их к батарейке, квадрокоптер никуда не полетит, он просто перевернется т.к. сила тяги моторов никогда не будет идентичной. И тут вступает в действие электроника. На борту квадрокоптера есть центральная «плата управления», ключевой частью которой является блок датчиков. В простейшем случае, это трехосевой гироскоп. Микроконтроллер постоянно считывает данные с гироскопов, и как только гироскоп «чувствует» наклон по какой-либо оси, контроллер дает соответствующему двигателю команду чуть-чуть увеличить или уменьшить обороты, чтобы компенсировать наклон. В общем-то и вся логика — за исключением кучи всего (ПИД-регуляторов, теории управления, фильтров Калмана), ничего сложного тут нет (шутка). Ну а для пользователя все действительно прозрачно. Никаких движущихся частей кроме моторов, в квадрокоптере нет, все управление происходит исключительно изменением вращения оборотов моторов (с поворотами аналогично — изменяем скорости вращения, получаем вращающий момент). А теперь вернемся к истории.
MikroKopter
Легендарная немецкая компания, благодаря инженерам которой в 2006 году появился первый аппарат. Контроллер имел на борту процессор Atmega644 c 4Кбайт памяти и частотой до 20МГц, 3 гироскопа по каждой из осей, акселерометр (для возможности горизонтального полета) и барометр для удержания высоты (точность барометра MPX4115A около 1м). Позже появились дополнительные модули, например GPS для удержания позиции.
Сейчас в youtube можно найти видео, как примерно все это летало (2007 год).
В целом система оказалась весьма удачной. Их продукция никогда не была дешевой, ценник начинался где-то от 1500Евро. Фирма существует и сейчас, они производят профессиональные аппараты, ценовая категория соответствующая. И еще один важный момент — первоначально, создатели Микрокоптер сделали исходный код открытым. Разумеется, уже в скором времени стали появляться различные клоны (в том числе производимые и в РФ), это конечно негативно сказалось на продажах, и код потом закрыли. Но все-таки, думаю это послужило большим толчком к созданию различного вида мультикоптеров.
У нас MikroKopter не был популярен из-за цены, и владельцев было не так уж много. Однако толчок мировому сообществу был дан, и различные системы стали появляться.
KaptainKuk
Одна из самых простых систем, выпускаемых (в различных версиях) с 2010 года и до сих пор. Плата управления имеет только 3 гироскопа, для регулировки параметров используются обычные переменные резисторы. 
(Фото с сайта Hobbyking.com)
Такая плата сейчас стоит всего около 15$, как можно видеть, на борту кроме гироскопов и слабого процессора, в общем-то ничего и нет. Прошивки в исходных кодах для KK свободно доступны в Интернете, желающие могут скачать их, набрав в поиске гугла имя файла «kk2_1V1.zip» (размер всего 90Кб). Наверное, это первая и последняя версия прошивки какого-либо коптера, написанная на ассемблере.
MultiWii
Следующей вехой в развитии коптеров стала система MultiWii. Название пошло от игрового манипулятора Nintendo Wii и Wii Nunchuk, которые умельцы разбирали, и выпиливали оттуда плату с датчиками. В качестве центрального процессора использовалась Arduino Nano.
Внешний вид платы получался примерно такой (фото с сайта rcgroups, 2010 год): 
Впрочем, за несколько лет система эволюционировала, и последние платы (они продаются и сейчас, цена вопроса 20-30$) 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.
ArduCopter
Еще одна система, основанная на Arduino, пошла дальше всех. Сейчас это система с возможностью программируемого полета по точкам, поддержкой радиомодемов и передачи телеметрии, хранения различных логов и пр.
Их софт выглядит примерно так: 
Платы эволюционировали от таких: 
до таких 
Платы продаются и сейчас, цена вопроса от 50$ (за клоны) до 250$ за оригинальные версии. Исходные коды Ardupilot так же полностью доступны на github, и судя по количеству коммитов, проект активно развивается. Эта система по возможностям не уступает профессиональным аппаратам, качество полета можно посмотреть на видео:
Здесь все классно, за исключением одного «но» — это Open Source, со всеми вытекающими последствиями. Система открытая, дорабатывается энтузиастами, и никто ничего не гарантирует, в том числе и отсутствия багов в софте. Если квадрокоптер упадет на чей-то BMW, жаловаться будет некому.
Бесколлекторные подвесы (brushless gimbal)
Видно что коптер качается, а ось камеры нет.
Сейчас этим уже никого не удивить, а тогда это был настоящий прорыв в качестве видеосъемки.
Коммерческие системы
Про них писать не так интересно, т.к. принцип здесь простой, «заплати и лети». Первым был вышеупомянутый MicroKopter, следующей (и не очень удачной) попыткой был XAircraft, в бюджетном секторе были популярны аппараты марки Gaui (это был первый бюджетный аппарат ценой около 400$ за готовый коптер). И наконец, самой успешной компанией является DJI, про которую не писал только ленивый, так что повторяться здесь смысла нет. Они вышли на рынок с контроллерами DJI Naza (ценой 200-400$, с возможностью удержания позиции, возврата домой), была отдельная профессиональная серия DJI Wookong (ценой около 1000$ и большей стабильностью полета). Наконец, DJI вышла на рынок устройств готовых к полету (RTF, Ready To Fly), ну про них уже все знают.
И последние видео.
Первый бюджетный квадрокоптер Gaui 330. Цена вопроса 400$, 2010 год, никаких доп.функций.
Dji Naza v2, цена вопроса те же 400$, возможность удержания позиции, возврата домой, полета любой стороной к пилоту (режим carefree).
Dji Phantom 3 — со встроенным подвесом камеры, управлением со смартфона и прочими плюшками.
На этом пока все, sorry за большое количество видео, но без них никак, иначе было бы неинтересно. Посмотрим что будет дальше, лет через 5…
Как работает и почему летает квадрокоптер?
Почему летает квадрокоптер?
Приветствуем, читатели! Для многих уже не секрет, что сегодня недостаточно просто уметь фотографировать или снимать видео. Нужно стараться находить новые подходы для интересной, красивой и необычной съемки. Но как это сделать? Нужно ли для этого покупать дорогостоящую технику профессионального класса? Достаточно купить квадролет, чтобы полностью раскрыть полет для творчества!
Что это такое квадрокоптер и как он работает?
Современный квадрокоптер представляет собой технологичный и футуристический вертолет, который обладает четырьмя винтами-пропеллерами. Как правило, такие летательные аппараты поставляются с видеокамерой, а также располагают пультом дистанционного управления. Это позволяет беспилотникам элегантно маневрировать в воздухе, осуществляя невероятный съемочный процесс. Что касается цены, то подобные устройства можно приобрести за 40-50 долларов и дороже. Продвинутые же модели могут стоить и вовсе тысячи долларов.
История создания квадрокоптера
Еще в 1922 году Георгий Ботезат сумел создать полностью рабочий вариант квадрокоптера, который был пригоден для полетов человека на небольшой высоте. К сожалению, до серийных разработок дело все-таки не дошло из-за чрезвычайно сложной трансмиссии. Так, единственный мотор реализовывал вращение всех винтов. Это позволяло аппарату свободно отрываться от земли, но дальнейшего прогресса не последовало. После войны какие-то разработки в данном направлении проводились, только ничего толкового у инженеров не получалось.
А вот в 2000-х дело сдвинулось с мертвой точки! Немецкая компания MikroKopter сумела не просто сделать небольшой беспилотный аппарат, но и поставить это дело на поток. Да, продажи не могли быть рекордными хотя бы из-за высокой стоимости таких моделей, начинка была слишком уж слабая. Но именно немцы дали серьезный толчок всем остальным будущим производителям. Более того, в MikroKopter решили открыть исходный код своего детища для всех желающих. Это позволило фирмам из разных стран мира создавать свои дроны квадролеты на любой вкус и цвет.
Принцип работы квадрокоптера
Как вообще работают эти фантастические приборы? Все довольно сложно и просто одновременно! Принцип полета квадрокоптера следующий. Два пропеллера вращаются против часовой стрелки, а два других — по часовой стрелке. Происходит вращение в противоположные стороны, что позволяет устройству спокойно и четко лететь. При наклонах, поворотах, снижении и взлете нагрузка на винты меняется соответствующим образом, чтобы осуществлялось необходимое действие. Благодаря этому аппараты обладают отличной стабилизацией и управляемостью.
А вот как устроены современные дроны:
В некоторых случаях производители оснащают свои модели стабилизационными подвесами, навигационными огнями и камерами.
Виды и типы квадрокоптеров
На сегодня существуют квадрокоптеры двух типов:
Тут все довольно понятно. В первом случае вам придется искать источник съемки, которым может выступить смартфон, компактная фото или видеокамера и так далее. А вот модели с камерой избавляют пользователя от необходимости искать дополнительный прибор для съемки, но и стоят они дороже.
Также существуют три глобальные группы, на которые делятся нынешние дроны:
Если более детально рассмотреть данный вопрос, то любительские модели на радиоуправлении отлично подходят для конкретного применения людьми, которые уже сталкивались в своей жизни с беспилотными гаджетами. Это хороший вариант не только для непринужденной аэросъемки, но и для различных спортивных состязаний.
Экземпляры для новичков подходят как взрослым, так и детям. Новички будут довольствоваться самым обычным железом без каких-то дополнительных функций. Что касается профессиональных решений, то они имеют высококачественную электронную начинку, возможность автономного полета и многое другое. Это дорогое удовольствие, которое будет актуально в определенной профессиональной сфере.
Заключение
Такие беспилотные устройства теперь может купить абсолютно каждый человек. Вы можете быть фотографом, спасателем, геодезистом, архитектором, инженером или обычным поклонником какой-нибудь социальной сети, но данный летательный аппарат обязательно пригодится в повседневных делах. С этими беспилотными системами получится снять потрясающий ролик, либо же создать необыкновенные фотографии.
На этом все, но не забывайте подписываться на наши новые статьи!
Квадракоптеры: как они устроены и почему летают
Пилоты управляют квадрокоптерами (ещё их называют дронами) с помощью пультов дистанционного управления, содержащих передатчики, которые изменяют скорость несущих винтов и обеспечивают маневренность в воздухе. Большинство современных моделей, также поддерживают управление через приложение мобильного телефона. Эта функция работает через Wi-Fi, который раздаёт смартфон.
Приемник дрона обрабатывает команды и сигналы пилота поступают на датчики высоты квадрокоптера. После интерпретации этих данных, встроенный контроллер полета сигнализирует ESC (электронный регулятор оборотов), который передают команды двигателям.
Из чего состоит квадрокоптер
Двигатель
Без двигателей ваш квадрокоптер никуда не полетит, в большой степени именно они определяют лётные возможности устройства. К сожалению их технические характеристики не очень понятны большинству начинающих пилотов.
Большинство квадрокоптеров используют бесщеточные двигатели постоянного тока, хотя в дешевые модели часто устанавливают коллекторные моторы.
Бесщеточные двигатели состоят из якоря с постоянным магнитом и ряда окружающих его катушек. Бесщеточные двигатели могут иметь от 2 до 14 полюсов. Чем больше полюсов, тем точнее можно управлять двигателем.
Еще одним важным фактором является номинальный ток двигателя. Вам нужно будет знать его значение, для выбора ESC и аккумулятора.
Номинальная тяга двигателя зависит от размера пропеллера. Основное эмпирическое правило состоит в том, что комбинация двигателя и пропеллера должна выдавать тягу вдвое превышающую вес дрона.
Пропеллеры бывают самых разных диаметров и размеров и могут быть изготовлены из пластика, углеродного волокна или даже дерева. Пропеллеры диаметром менее 15 сантиметров используют на небольших и быстрых дронах. Пропеллеры диаметром более 20 сантиметров используют с низкооборотистыми двигателями, в дронах предназначенных для подъема тяжелых полезных нагрузок.
Шаг, это расстояние которое проходит винт за один полный оборот. Чем больше шаг, тем меньше сопротивление воздуха и выше скорость подъема. Маленький шаг позволяет развить больше тяги, но быстрее сажает аккумулятор.
Электронный регулятор скорости
Устройство управляющее бесколлекторными двигателями постоянного тока, называется электронным регулятором скорости или ESC. На каждый двигатель устанавливается по одному экземпляру.
ESC должен быть рассчитан на максимальный ток, потребляемый двигателем. Всегда лучше выбрать ESC, номинальный ток которого превышает максимальный ток двигателя.
Полётный контроллер
Продвинутые контроллеры полета имеют больше возможностей и связаны с такими датчиками, как гироскопы, акселерометры, гидролокаторы, GPS и магнитометры. Простые контроллеры полета содержат только гироскопы и их вполне достаточно для большинства новичков.
Каркас квадрокоптера изготавливается из различных материалов: дерево, пластик, углеродное волокно. Рамы из углеводородного волокна очень хрупкие и неопытные владельцы часто разбивают дроны при посадке или столкновении с препятствием.
Квадрокоптеры из древесины подвержены деформации под воздействием влаги и погодных условий. При нарушении геометрии каркаса, значительно снижается управляемость дрона.
Область применения
Несмотря на то, что многие до сих пор рассматривают квадракоптеры как игрушку, сфера их профессионального использования очень широка:
Научные исследования: квадрокоптеры-это очень полезный инструмент для исследователей. Он даёт возможность изучать труднодоступные области, позволяя по-новому взглянуть на многие направления, от археологических раскопок до миграции животных в дикой природе.
Чрезвычайные ситуации и спасательные работы: аварийные службы, полиция, пожарные и спасательные команды все чаще обращаются к квадрокоптерам, для координации своих действий, быстрой оценки обстановки, отслеживания подозреваемых и ликвидации последствий стихийных бедствий.
Сельское хозяйство: используя доступные решения, такие как тепловизионные камеры и сканирующее программное обеспечение, сельскохозяйственные компании могут контролировать свои урожаи удаленно.
Картография и геодезия: задачи 3D-картографии и моделирования решаются гораздо быстрее и дешевле чем раньше, благодаря квадрокоптерам и их способности быстро снимать и сшивать фотографии.
Промышленность: квадрокоптеры используются для проверки технического состояния мостов, морских буровых установок, ветряных турбин и других крупных промышленных и инфраструктурных объектов.
Существуют компании, занимающиеся доработкой моделей квадрокоптеров под самые разнообразные нужды. Например, инженеры Axonim из Беларуси.
Основы управления
Большинство квадрокоптеров имеют схожие базовые элементы управления, хотя в зависимости от модели, некоторые из них могут немного отличаться. В самом общем плане:
В любом случае прежде чем начать использовать дрон, следует внимательно изучить инструкцию и его возможности. Для первых запусков лучше выбирать открытые и по возможности малолюдные пространства.
Основные режимы полета
Ручной режим
В первую очередь используется, когда требуется максимальный контроль для маневрирования. Этот режим предпочитают пилоты с опытом. Некоторые базовые контроллеры полета работают только в этом режиме.
Удержание высоты
Полётный контроллер большинства современных дронов имеет барометрические датчики, которые позволяют ему обнаруживать едва заметные изменения атмосферного давления. Выбор этого режима помогает дрону поддерживать заданную высоту.
Удержание позиции по gps
Этот режим автоматически удерживает нужное положение квадрокоптера в боковом и вертикальном положении и идеально подходит для обучения управлению.
Отказоустойчивый режим
Включается если дрон вылетел за пределы безопасного расстояния, потерял ориентацию или радиосвязь. При переходе в этот режим, контроллер дрона сам вернёт и посадит его в точку из которой он вылетел.
Устройство и принцип работы квадрокоптера
Сегодня понятие дрон уже знакомо огромной молодежной аудитории. Эти функциональные устройства используются в разнообразных профессиональных сферах деятельности. В частности, сегодня дроны применяются при съемке телевизионных шоу, заменяя дорогие роботизированные подвесы для камер. Но как же устроен такой аппарат? Проведем краткий ликбез для тех, кто не совсем понимает, как устроен квадрокоптер, как он летает, и в чем его предназначение.
Небольшое разъяснение понятий
Что такое квадрокоптер или мультикоптер? Так называется летающее устройство с несколькими источниками подъемной силы. Это могут быть винтовые или реактивные двигатели. В случае с квадрокоптером — это четыре двигателя, у мультикоптера их число может доходить до 12.
Четырехугольная конструкция механически прочна и может быть сделана из легких материалов. А общее снижение массы коптера означает, что его аппаратную платформу можно сделать экономичнее, автономнее, улучшая функциональность аппарата. Сегодня это наиболее простая с точки программирования движения и технического построения схема.
Общие принципы построения
Квадрокоптер с камерой или самая простая модель строится на силовой раме. Это основная часть конструкции. На ее углах расположены ноги с крепящимися на них двигателями. Для удобства пользователей, на некоторых квадрокоптерах применяются поворотные блоки. Такие колена в основании ног обеспечивают электрический контакт и одновременно предлагают удобства владельцу механизма: дрон можно компактно сложить для легкости переноски.
Для облегчения посадки на раме снизу крепятся полозья. Их конструкция может быть самой разной. Дорогой квадрокоптер выглядит как вертолет, с прочными, металлическими полозьями. Дешевые модели могут оснащаться только тонкими насадками из резины, наклеенными прямо на раме.
Силовая рама выполняет и декоративную функцию. Именно она является самой видимой частью конструкции. Форма рамы создает общий облик квадрокоптера. Каждый производитель старается, чтобы его устройство было не только функциональным, но и выглядело стильно, красиво, и хорошо продавалось при первом взгляде на фото. Поэтому рамы делаются самых разных форм, иногда с размерами, которые никак не говорят о габаритах внутренней начинки.
Как это летает
Принцип работы квадрокоптера достаточно прост: четыре двигателя на вынесенных ногах создают подъемную силу. Есть несколько стандартных режимов работы:
Уже по перечисленным пунктам понятно, что квадрокоптер работает по вертолетной схеме. Только вместо наклона вала лопастей, как это делается в крылатой машине, для формирования бокового вектора силы используется разница в показателях воздушных потоков по бокам дрона.
Сложнее понять, как квадрокоптер вращается на месте. Здесь снова поможет большой вертолет. Его основная лопасть, вращаясь в одну сторону, передает момент на корпус в обратном направлении. Чтобы компенсировать паразитное вращение, большой вертолет имеет лопасть на хвосте.
Коптер использует тот же принцип формирования обратного момента для собственного вращения. Его четыре винта работают парами. Двойки лопастей вращаются в разные стороны. При одинаковых оборотах возникающие моменты компенсируются. Когда нужно повернуть дрон вокруг оси — уменьшаются обороты двигателя одной из пар. Возникающий момент вращает всю конструкцию.
Основные функциональные элементы
Квадрокоптер достаточно прост по конструкции. Внутри декоративного корпуса на силовой раме расположены:
Главные, самые заметные узлы квадрокоптера распложены на выносных ногах. Это электродвигатели. В зависимости от класса модели это могут быть бесколлекторные частотно управляемые изделия. В простых коптерах применяются классические коллекторные двигатели. На их валах устанавливаются лопасти, формирующие нисходящий воздушный поток.
Умная начинка
Как гласит распространенное мнение в среде специалистов по аэродинамике, заставить летать сегодня можно даже кирпич. И квадрокоптер точно соответствует данному утверждению. Модель полностью управляется электроникой. Без нее добиться предсказуемого поведения летающей конструкции в воздухе было бы невозможно.
Главную роль в работе электронной системы управления квадрокоптером играет гироскоп. Именно этот датчик определяет крен в воздухе. На основании его показаний регулируется работа двигателей для стабилизации коптера в полете. Современные гироскопы способны определить изменение позиции конструкции в 6 степенях свободы.
Немалую роль играют и другие датчики системы. Именно они обеспечивают удобство управления летающей машиной и полезный функционал.
Все данные, поступающие с датчиков, обрабатываются центральным процессором. Большинство солидных производителей коптеров создают собственные решения. В дешевых дронах устанавливаются простые чипы, вся программа в которые записывается без возможности изменения.
Дорогие модели строятся с использованием флеш памяти. Владелец в некоторой степени может программировать коптер, задавая модели поведения, схемы движения и многое другое.
Средства управления коптером
Когда уже понятно, как такая штука, как квадрокоптер, устроена и летает, необходимо остановиться на операторе. Ведь летающей машинкой нужно управлять. И желательно это делать комфортно, удобно и точно. Сегодня оператору предлагается несколько вариантов.
Важно! Для дронов специального назначения создаются собственные программные комплексы. Они предусматривают максимальную обратную связь. Можно не только составить график полета и описать выполнение задач, но и получать данные в реальном времени об их исполнении. Конечно, такие программные комплексы отображают картинку с камеры коптера.
Сегодня в розничной продаже легко купить дрон любого класса. Это может быть недорогая игрушка размером с ладонь для развлечений в помещении. И даже такой маленький квадрокоптер сегодня оснащается веб-камерой, общается со смартфоном и умеет зависать. Легко приобрести и дорогую, грузоподъемную и функциональную модель. Главное — правильно очертить круг ее задач и приготовиться к денежным тратам.
Популярные квадрокоптеры 2019 года
Квадрокоптер DJI Mavic Air на Яндекс Маркете
Квадрокоптер DJI Mavic Air Fly More Combo на Яндекс Маркете
Квадрокоптер DJI Mavic 2 Pro на Яндекс Маркете