Современные беспилотные летающие аппараты
Рис.3.6. Схема конструкции простейшего квадрокоптера
Воздушные винты, расположенные на диагональных лучах рамы, создают суммарную вертикальную тягу. Синхронно регулируя обороты моторов, можно заставить квадрокоптер подниматься вверх, зависать или опускаться. Если изменить обороты моторов неравномерно, то квадрокоптер отклонится от горизонтального положения и полетит в сторону отклонения. Например, при увеличении оборотов двух задних моторов его задняя часть приподнимется и квадрокоптер полетит вперед. За счет неравномерного изменения оборотов всех моторов квадрокоптер способен лететь в произвольном направлении. Очевидно, что при наклоне рамы за счет появления горизонтальной составляющей вектора тяги Vx уменьшится вертикальная составляющая Vy и квадрокоптер начнет терять высоту. Это явление иногда называют «соскальзыванием», потому что коптер начинает двигаться вниз по диагональной траектории, рис. 3.7, словно скользя по склон у. Поэтому для поддержания высоты при наклоне квадрокоптера обороты всех моторов должны возрасти на некую одинаковую компенсирующую величину.
Вращающиеся винты создают реактивный крутящий момент, который старается развернуть квадрокоптер в сторону, противоположную вращению винта. Поэтому в квадрокоптере два винта вращаются по часовой стрелке и два против часовой стрелки, взаимно уравновешивая реактивные моменты. Если увеличить обороты моторов, вращающихся по часовой стрелке, и в равной мере уменьшить обороты у вращающихся против часовой стрелки, то суммарная вертикальная тяга не изменится, однако реактивный момент компенсируется, и рама начнет поворачиваться против часовой стрелки.
Рис.3.7. Векторы тяги квадрокоптера
Аналогично можно заставить квадрокоптер поворачиваться по часовой стрелке. Оборотами моторов в режиме реального времени управляет специальная вычислительная система на основе достаточно быстродействующего микроконтроллера, так называемый полетный контроллер. Он постоянно опрашивает встроенные гироскопы, акселерометры, барометр, сигналы от приемника радиоуправления и на основе полученных данных рассчитывает управляющие сигналы для каждого мотора в отдельности.
Квадрокоптеры держатся в воздухе только за счет несущих пропеллеров и этим похожи на вертолет. По сравнению с вертолетом механическая часть даже у большого профессионального квадрокоптера предельно проста и не зависит от размеров модели. Это жестко закрепленные на лучах рамы моторы, на валы которых надеты воздушные винты.
3.2. Конструкция рамы
Рассмотрим раму для конструкции «квадрокоптер» — самой распространенной в настоящее время. Прочие мультикоптеры строятся и функционируют по похожему принципу. Рама состоит из двух частей: фюзеляжа (корпуса) и лучей, рис.3.8.
В фюзеляже размещается электронная начинка коптера: полетный контроллер, плата распределения питания, аккумулятор. А вот антенны радиоаппаратуры (от приемника пульта ДУ и FPV-передатчика) стараются выносить подальше от корпуса и размещать на лучах.
Камера и другие полезные нагрузки в небольших моделях также размещаются в корпусе коптера, однако в более серьезных моделях они выносятся за его пределы и монтируются на стабилизированном подвесе. Также продвинутый БПЛА может быть оснащен системой сенсоров для детектирования препятствий, которые встраиваются непосредственно в корпус.
Рис. 3.8. Пример рамы квадрокоптера
В серийных моделях корпус выполняется методом литья из пластика. В типовых моделях для самостоятельной сборки корпус представляет собой две пластины, нижнюю и верхнюю, соединенные стойками на винтах.
Лучи нужны для установки моторов и регуляторов. В серийных моделях регуляторы интегрированы в единую плату и находятся внутри корпуса. Лучи должны быть достаточно прочными и жесткими, чтобы выдержать вес конструкции квадрокоптера, минимизировать вибрации, возникающие в полете, а также быть достаточно устойчивыми к ударам и падениям.
Форма рамы. По расположению моторов относительно направления полета выделяют два основных типа рам: «+» и «X». Подвидом рамы типа «X» является рама типа «Н. Рама типа «Х» или «True-X», рис. 3.9.
Фюзеляж этой рамы делается коротким, в виде квадрата, вся электроника собирается в центре, а лучи располагаются четко по углам квадрата. Рама получается одинаковая по длине и ширине, так как вес сосредоточен в центре, вес распределен равномерно, коптер становится более маневренным. Но, несмотря на данное преимущество, ограниченное место в центре делает сборку более сложной. Все компоненты приходится размещать «бутербродом», друг под другом, что не всегда удобно.
Рис. 3.9. Рама типа «Х»
Также очевидное преимущество такой рамы — удобное расположение видеокамеры, когда лучи рамы не попадают в кадр. У рамы типа «X» более высокая устойчивость к мелким авариям. Наиболее частой аварией, особенно в период обучения, является цепляние земли при быстром наклонном пролете или «заруливании», либо падение под углом.
Рама типа «+» В случае «+»-образной рамы весь удар чаще приходится на один луч, который сильно страдает, тогда как при распределении удара на два луча ущерб обычно ограничивается сломанными пропеллерами.
Кроме того, большинству пилотов психологически комфортнее управлять именно типом «X». В свою очередь, квадрокоптер с рамой типа «+» несколько быстрее и острее реагирует на команды «вправо-влево» и «вперед-назад», поэтому больше подходит любителям динамичного пилотирования.
Рама типа «+» не стала такой распространенной, как рама типа «Х» еще и из-за переднего пропеллера, который попадает в поле зрения камеры, что многим не нравится.
Рама типа «H» По сравнению с рамой «Х», центральная часть данной рамы более длинная, что делает сборку и ремонт проще и удобнее. Крепление лучей к фюзеляжу спереди и сзади делает раму похожей на букву «Н», рис. 3.10.
Рис. 3.10. Рама типа «Н»
Камеру и аккумулятор в такой раме размещают по верхней пластине, распределяя все по одному направлению, что приводит к неравномерному распределению момента инерции, особенно по тангажу. То есть, наклоны вперед и назад будут тратить больше энергии, чем наклоны влево-вправо.
Гибридная рама «Х». Гибридная рама «Х» имеет фюзеляж от рамы «Н», а лучи соединены как в раме «Х», рис. 3.11. С точки зрения физики, распределение веса осталось таким же, как и в раме «Н», что делает ее похожей на обычную раму «Н», но разница будет в распределении точек передачи вибраций от моторов к полетному контроллеру.
Рис. 3.11. Рама типа гибридный «Х»
Рама типа «Квадрат». Представьте раму «Х», где между лучами добавили соединяющие их ребра, рис. 3.12. За счет жесткости соединений получается рама, которую непросто сломать. Минус такой конструкции в повышенном воздушном сопротивлении и большем весе. Подходит для обучения начинающих пилотов, но не походит для маневренных полетов.
Рис. 3.12. Рама типа «Квадрат»
Unibody рамы или цельные рамы, составляют единую конструкцию с лучами, рис. 3.13. Делается так для того, чтобы упростить сборку, уменьшить вес и количество элементов крепления. Минус подобной рамы в не ремонтопригодности, так как при поломке одного луча придется менять раму целиком, а также полностью разбирать коптер.
Рис.3.13. Рама типа «Unibody»
Материал рамы. Рамы квадрокоптеров изготавливаются из самых разных материалов: пластик, дерево, текстолит, стекловолокно, алюминий и др. Однако фаворит среди рам для самостоятельной сборки –карбон (он же углепластик), рис. 3.14. Карбон во всех его вариациях является почти идеальным материалом для летающих устройств. Наполняющим и силовым элементом материала являются карбоновые волокна, а связующим веществом — полиэфирные композиции горячего либо холодного отверждения. Карбоновым волокнам присуща чрезвычайно высокая удельная прочность при малом весе.
Рис.3.14. Серийная рама из карбона
Рамы для совсем маленьких квадрокоптеров могут быть даже напечатаны на 3D принтере, рис. 3.15. В результате получится монолитная конструкция (которую, опять же, можно усилить ребрами жесткости). Однако для крупной конструкции с сильно выдающимися лучами такой способ производства рамы не подойдет из-за высокой гибкости пластика.
Рис.3.15. Рамы, напечатанные на 3D принтере
Защита квадрокоптера. Защитная конструкция квадрокоптеру нужна для защиты лопастей и моторов, потому что в случае падения удар приходится на винты, моторы и лучи, что приводит к их частой поломке. Конечно, наличие защиты приводит к увеличению веса и сопротивления воздуху, но именно она является гарантией безопасности квадрокоптера и его долговечности. Существует множество вариаций защиты, некоторые из них приведем ниже:
Дуговая защита. Являются самым простым и легким вариантом защиты, рис.3.16.
Рис.3.16. Пример дуговой защиты
Крепятся на лучах под моторами и защищают винты и моторы за счет своей упругости. Недостаток такой защиты в том, что если на пути коптера будет ветка или объект, который проходит между лучами, то коптер может врезаться собственным корпусом, что приведет к поломке электроники. Так же дуги плохо защищают моторы от попадания в них объектов сверху.
Корпусная защита. Корпусная защита крепится по всему корпусу квадрокоптера, защищая не только моторы, но и раму в целом, рис.3.17. По сравнению с предыдущим вариантом, данная защита более эффективна при прямых столкновениях коптера с объектами и стенами.
Рис.3.17. Пример корпусной защиты
Подвес и крепления к раме посадочного шасси. Когда речь заходит о коптере, на котором установлен подвес, например, с камерой, расположение шасси становится критическим вопросом. Опоры должны быть достаточно упругими, чтобы амортизировать приходящую на них нагрузку и вибрации после посадки, а их расположение на раме должно не приводить к поломке корпуса. Подвесы часто располагаются по центру рамы, либо выдвинутыми вперед. Есть насколько вариантов расположения шасси:
1.Крепление двух опор к фюзеляжу под углом. Популярный метод для больших грузоподъемных квадрокоптеров. Обычно расположены под углом относительно корпуса (около 30 градусов относительно вертикальной оси), создавая таким образом амортизационную подушку при посадке. Опоры крепятся по ширине фюзеляжа для равномерного распределения массы с обеих сторон, рис.3.18.
Рис. 3.18. Вариант широких посадочных опор
2.Крепление 4-х посадочных стоек к раме. Используются на средних коптерах, располагаются либо по 4-м сторонам фюзеляжа относительно крепления лучей, либо непосредственно под моторами, рис.3.19. Минус второго способа, что при достаточно жестком падении, такое расположение стоек приводит к поломке лучей. Поэтому расположение стоек непосредственно под корпусом рамы обладает большими шансами на предотвращение поломки рамы.
Рис. 3.19. Пример посадочных стоек
3.3. Винтомоторная группа
Винтомоторная группа, (ВМГ) – установка, создающая тягу, под воздействием которой винтовой летающий аппарат движется в требуемом направлении. В ВМГ входят двигатель, воздушный винт. Применительно к мультироторным БПЛА в ВМГ входят моторы и пропеллеры.
Мотор— это устройство, которое преобразует какой-либо вид энергии в механический и наоборот. Квадрокоптеры используют два вида моторов —коллекторные и бесколлекторные.
Коллекторные моторы. Коллекторные моторы используются в основном на слабых дронах начального уровня. Дело в том, что они не могут развивать значительные обороты и мощность, а это значит у них будет маленькая подъемная сила. Они громоздкие и склонны к поломкам, так как у таких моторов больше трущихся деталей, рис, 3.20.
Рис. 3.20. Устройство коллекторного мотора
Коллекторный мотор состоит из корпуса, внутри него находятся магниты – плюс и минус, корпус неподвижен, а в движение приводится ротор с обмоткой с помощью щеток, которые подают электричество на обмотку. Преимущества: низкая стоимость, простота конструкции.
Недостатки: высокий уровень шумов при работе. Особенно на высоких скоростях. Щетки трутся о коллектор, дополнительно создавая шумы. Трение щёток приводит к их искрению и последующему износу. Нестабильность показателей при изменении нагрузки. Высокая частота отказов из-за наличия коллектора и щёток, малый срок службы этого узла, КПД около 65%
Бесколлекторные моторы. Все бесколлекторные (бесщеточные) моторы состоят из 4 компонентов: статор (обмотка), корпус, вал, неодимовые магниты, рис. 3.21.
Неодимовые магниты. Эти магниты из редкоземельных металлов генерируют фиксированное магнитное поле, они маленькие, но создают очень сильное магнитное поле. Они приклеены эпоксидной смолой или цианокрилатом к корпусу мотора (в сфере пилотов БПЛА прижился термин «колокол»).
Рис.3.21. Бесколлекторный мотор
Корпус двигателя защищает магниты и обмотку. Обычно он изготовлен из легкого металла, такого как алюминий. Более продвинутые двигатели имеют корпусы, которые сделаны как вентиляторы, т.е. при вращении нагоняют воздух на обмотку сердечника, чтобы охлаждать ее. Вал мотора жестко прикреплен к верхней части. Это рабочий компонент мотора, который передает крутящий момент на пропеллеры.
Бесколлекторный мотор бывает двух видов:
1.Inrunner. Мотор имеет расположенные по внутренней поверхности корпуса обмотки, и вращающийся внутри магнитный ротор.
2.Outrunner. Мотор имеет неподвижные обмотки, (внутри) вокруг которых вращается корпус с помещенным на его внутреннюю стенку постоянными магнитами (статор).
При сборке квадрокоптеров чаще всего применяется именно Outrunner.
Мотор Outrunner. В бесколлекторных моторах коммутация катушек происходит при помощи специальной электронной схемы — регулятора оборотов (Electronic Speed Controller, ESC). Независимо от количества катушек и схемы их внутренней коммутации бесколлекторный мотор всегда имеет три провода, подключаемые к регулятору. Таким образом, из конструкции мотора удаляется довольно сложный требующий обслуживания тяжелый и искрящийся узел — коллектор. Регулятор подает поочередно и в определенное время на эти провода питающее напряжение со сдвигом по фазе. Поскольку выводы катушек подключены к регулятору неразрывно, то катушки смонтированы неподвижно и являются статором, а вращается ротор с прикрепленными к нему постоянными магнитами. Направление вращения зависит от подключения выводов мотора к регулятору. Для изменения направления вращения достаточно поменять местами два любых вывода. В такой конструкции износу подвергаются только подшипники. И их можно менять.
Преимущества:
-частота вращения изменяется в широком диапазоне;
-возможность использования во взрывоопасной и агрессивной среде из-за отсутствия искр;
-большая перегрузочная способность по моменту;
-высокие энергетические показатели (КПД более 90 %);.
-большой срок службы, высокая надёжность и повышенный ресурс работы за счёт отсутствия скользящих электрических контактов.
Недостатки:
-относительно сложная система управления мотором;
-выше стоимость мотора, обусловленная использованием дорогостоящих материалов в конструкции ротора (магниты, подшипники, валы).
Пропеллеры. Пропеллеры нужны для того, чтобы создать подъемную силу с помощью мотора, они непосредственно влияют на то, как себя будет вести квадрокоптер в воздухе. При выборе пропеллеров, нужно учитывать 4 основных момента: размер, шаг, конфигурация пропеллеров, материал (долговечность).
Размер - диаметр окружности, описываемой лопастями. Большой пропеллер будет проталкивать собой больше воздуха и будет тратить много энергии для вращения. Он будет затягивать изменение скорости вращения моторов, потому что большой и тяжелый. Преимущество больших пропеллеров заключается в хорошей тяге благодаря большой площади лопастей, он будет лучше держать дрон в воздухе.
Пропеллеры малого размера быстрее реагируют на изменение скорости вращения моторов. Они проталкивают через себя меньше воздуха, соответственно тратят меньше энергии при изменении скорости вращения. Пропеллеры должны соответствовать моторам, потому что, если мы поставим 3-дюймовые пропеллеры на двигатель, который рассчитан на 5 дюймовые пропеллеры, то это приведет к чрезвычайно высоким оборотам и большому потреблению энергии из-за маленькой нагрузки от пропеллеров, при этом тяга будет небольшая. Это не только неэффективно, но и очень быстро выведет мотор из строя (попутно прихватив с собой и регуляторы оборотов), так как он не рассчитан работать на таких оборотах.
Шаг — это угол наклона каждой лопасти пропеллера. Данный параметр прописывается производителем в дюймах и рассчитывается, как расстояние, которое может пройти винт за один оборот. Чем больше угол атаки (шаг) лопасти, тем больше это расстояние. Соотношение диаметра и шага винта должно быть сбалансированным. Меньший шаг винтов приведет к созданию большего крутящего момента и снижению потребляемой двигателями мощности. Если вы планируете использовать ваш квадрокоптер для аэробатики, вам просто необходимы пропеллеры с большим крутящим моментом. Они обеспечат большую скорость и меньшую нагрузку на источник энергии. Кроме того, пропеллеры с меньшим шагом увеличивают стабильность полета.
Пропеллер с большим шагом перемещает больший объем воздуха, что может вызвать турбулентность и привести к вибрации из-за ударов воздушных потоков от пропеллеров по лучам. Если это происходит, просто выберите несущие винты с меньшим шагом.
Пропеллер с большим шагом будет медленно реагировать на газ, потреблять больше энергии и будет максимально эффективным на больших оборотах.
Низкий шаг обеспечивает большой крутящий момент на малых оборотах, но у него небольшая тяга и максимальная конечная скорость.
Угол атаки-угол наклона лопасти относительно горизонтальной плоскости. Если конец лопасти будет иметь тот же угол атаки, что начало лопасти, то винт будет загребать воздух неравномерно, разбалансируя работу всей ВМГ и создавая вибрации.
Тяга лопастей -подъёмная сила, которая создаётся винтом. Масса воздуха, пройдя обметаемую площадь, получает ускорение, под действием силы, создаваемой винтом.
Конфигурация пропеллеров. Стандартные пропеллеры, используемые в квадрокоптерах, бывают: 2-лопастные, 3-лопастные, 4-лопастные, 5-лопастные, рис. 3.22.
Увеличение числа лопастей компенсирует размер пропеллера, особенно в микросборках. ведь если на маленький дрон на раме 100 мм поставить 2-лопастные пропеллеры, он вряд ли будет адекватно летать и это приведет к большим оборотам двигателей и их перегреву. Поэтому в микросборках всегда 4-лопастные пропеллеры, а на дронах чуть больше — уже 3-лопастные.
Рис. 3.22. Конфигурация пропеллеров
Из-за сложной физики и аэродинамики увеличение количества лопастей не так эффективно, как увеличение размера. Винт с удвоенным количеством лопастей не будет работать так же хорошо, как винт с удвоенным размером, но он обеспечивает большую тягу за счет большей мощности. Увеличение количества лопастей приведет к увеличению тяги и сцепления в воздухе за счет отзывчивости и увеличения потребляемой энергии. Меньшее количество лопастей предпочтительнее, если требуется более быстрый отклик двигателя, а тяга не так важна.
Материал, используемые для изготовления несущих винтов (пропеллеров), могут оказывать умеренное влияние на лётные характеристики, но безопасность должна быть главным приоритетом. Наиболее популярны пластиковые пропеллеры. Они отличаются пластичностью, низкой ценой, широким ассортиментом и высокой степенью доступности. С одной стороны, гибкость лопастей повышает их устойчивость к повреждениям, с другой – вызывает проблемы с балансировкой.
Углеродное волокно. Пропеллер изготовленный из углеродного волокна сложнее сломать или согнуть, и, следовательно, при краше, он нанесёт больший ущерб всему, с чем соприкоснётся. Одновременно с этим, карбоновые винты, как правило, хорошо сделаны, более жёсткие (обеспечивают минимальные потери в эффективности), редко требуют балансировки и имеют более лёгкий вес по сравнению с любыми другими материалами исполнения. К недостаткам материала можно отнести высокую стоимость.
Композит. Внутри пластик, снаружи покрытие из углеродного волокна. Дешевизна пластика, жёсткость и износостойкость соотносима с карбоновыми пропеллерами.
Фиброармированный полимер (углеродное волокно, нейлон, усиленный карбоном и т.д.)— является «передовой» технологией во многих отношениях.
Выбор материала пропеллеров зависит и от времени года. Пластмассы для пропеллеров термопластичны, то есть, их жесткость и пластичность зависит от температуры. Зимой лучше ставить пропеллеры из АБС-пластика (полимеризация акрилонитрила, бутадиена и стирола), так как поликарбонат на холоде дубеет и становится хрупким. В жару лучше использовать пропеллеры, армированные стекловолокном для хорошей жесткости, так как АБС и поликарбонат будут становиться мягкими под действием жары от солнца и дрон потеряет тягу.
Схема установки пропеллеров. Прежде, чем устанавливать пропеллеры на квадрокоптер, нужно узнать, в правильную ли сторону будут крутиться моторы. Большинство квадрокоптеров летает на классической конфигурации, где передние пропеллеры крутятся в сторону камеры. Классическая схема кручения пропеллеров представлена на рис.3.23.
Рис. 3.23. Классическая схема кручения пропеллеров
В России всё чаще используется реверсивная схема — это когда передние пропеллеры вращаются наружу. Такая конфигурация защищает камеру от дорожной пыли во время взлета и посадки коптера.
3.4. Источники энергии БПЛА.
Эффективность двигательной установки БПЛА во многом зависит от типа установки:
-аккумуляторный КПД более 70%,
-КПД топливного элемента – около 45%,
-КПД двигателя внутреннего сгорания – около 40%.
Аккуляторные батареи.Более 95% современных коммерческих конструкций БПЛА действуют на энергии батарей – литий-полимерных (Li-Po) или литий-ионных (Li-Ion). Литий-полимерные (LiPo) аккумуляторы остаются основным источником энергии для большинства коммерческих дронов. Их популярность обусловлена высокой удельной энергоемкостью (до 260 Вт·ч/кг), способностью отдавать большие токи и относительно низкой стоимостью массового производства. Ключевое преимущество литий-полимерных аккумуляторов является их высокая энергетическая плотность. Это означает, что они способны хранить большое количество энергии на единицу массы, что позволяет дронам работать на длительные расстояния и продолжительное время без необходимости частой замены или перезарядки аккумуляторов. Еще одним важным преимуществом литий-полимерных аккумуляторов является их небольшой вес. Это особенно важно для дронов, где каждый лишний грамм может повлиять на их маневренность, скорость и время полета.
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.
Аккумуляторная батарея состоит из нескольких аккумуляторов. Номинальное напряжение одного аккумулятора составляет 3,7 вольт. Это условная постоянная величина которой часто пользуются для упрощения расчетов. На аккумуляторах указывается именно номинальное напряжение, а не напряжение полностью заряженного аккумулятора. Реальное же напряжение аккумулятора зависит от степени его заряда: полностью заряженный аккумулятор имеет напряжение 4,2 вольт, а полностью разряженный 3 вольт.