за счет чего летает квадрокоптер
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!
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…
Что такое и для чего предназначен квадрокоптер с камерой
Квадрокоптер позволяет получать удовольствие от управления летающим аппаратом или делать снимки с высоты птичьего полета. Чтобы как следует оценить устройство, стоит изучить его особенности и виды.
Что такое квадрокоптер, как выглядит и для чего предназначен
Квадрокоптер — это сравнительно небольшой летательный аппарат, управляемый оператором с земли при помощи пульта или мобильного устройства. Внешне дрон больше всего напоминает миниатюрный вертолет, поскольку тоже обладает продолговатым корпусом, пропеллерами и посадочными полозьями. Однако винтов у коптера чаще всего сразу несколько — от четырех до двенадцати штук.
Качественные дроны способны развивать скорость, сравнимую с автомобильной
При очень разных фото предназначение у квадрокоптеров в основном универсальное. Прежде всего, их можно использовать в качестве интересной и увлекательной игрушки, для этого подходят любые модели. Пилотировать коптер, задавать ему направление полета и даже делать виражи в воздухе нравится и детям, и взрослым. Некоторые дроны подходят для гонок.
Наибольший интерес представляют квадрокоптеры со встроенной или внешней камерой. Они позволяют делать снимки и записывать видео с высоты. Их применяют профессиональные фотографы и любители, а дорогие модели используют в промышленности для подробного осмотра строений и крупных объектов.
Как устроен и из чего состоит квадрокоптер
Основной частью конструкции квадрокоптера является силовая рама — на ней закреплены все остальные элементы. В центре расположен корпус дрона с электронной начинкой и камерой. От середины отходят фиксированные или поворотные лучи с зафиксированными на них двигателями. Снизу располагаются ноги или полозья, металлические, как у вертолета, или резиновые, представляющие собой простые накладки.
Многие модели дронов оснащены подсветкой для вечернего времени суток
Внутри корпуса расположены электронные элементы, отвечающие непосредственно за летательные возможности. Среди них:
Набор сенсоров может меняться в зависимости от модели дрона и его стоимости. Большинство устройств оснащаются гироскопом, он отвечает за стабилизацию коптера в полете и его крен, позволяет удерживать высоту.
Как работает и летает квадрокоптер
Принцип работы квадрокоптера довольно простой. Двигатели в количестве четырех штук и более, расположенные на лучах рамы аппарата, создают при включении подъемную силу, и дрон отрывается от земли. Режимов действия у моторов предусмотрено несколько:
В целом схема устройства дрона очень похожа на вертолетную. Но если большая летательная машина маневрирует за счет наклона вала лопастей, то коптер изменяет положение в пространстве благодаря разнице воздушных потоков по бокам. Для вращения на месте нужно уменьшить обороты одной из пар двигателей, в таком случае возникнет обратный момент, и вся конструкция сможет закрутиться вокруг оси.
Чем меньше лопастей у винтов дрона, тем он быстрее
Как работает квадрокоптер с камерой
Наибольший интерес представляют дроны со встроенной или подвесной камерой, их возможности самые широкие. По внутреннему устройству такие аппараты практически не отличаются от простейших моделей. Разница состоит в том, что в основном блоке на силовой раме предусмотрен еще и небольшой видеодатчик либо крепления для фиксации внешней фототехники.
Камеры дронов из разных ценовых категорий отличаются по возможностям. Речь идет не только о качестве изображения, но и о функционале. Например, дорогие камеры оснащаются настраиваемым фокусом, а также поворотным механизмом. Их можно направлять в разные стороны, при этом не меняя положение самого дрона в пространстве.
Передавать видео и фото в реальном времени дроны могут на небольшое расстояние до 1 км
Бюджетные коптеры с камерой отправляют фото и видео непосредственно на мобильное устройство оператора. Более дорогие модели поддерживают карты памяти, позволяющие не только сохранять изображения, но и программировать маршрут и схему поведения дрона.
На какой частоте работает квадрокоптер
Почти все дроны поддерживают управление через радиопульт. Существует несколько типов передатчиков и приемников и основных частот:
Как правило, при покупке коптера приходится выбирать между дальностью и качеством сигнала. Чем шире радиус действия дрона, тем выше вероятность, что связь с ним прервется при возникновении на пути каких-либо препятствий.
Радиус действия квадрокоптера
Максимальная дальность полета дрона колеблется в очень широких пределах. Самые бюджетные модели коптеров способны улетать не более чем 50-100 м от владельца. У них есть свои преимущества — такие аппараты чутко отзываются на команды с пульта, их сложно потерять. Однако и возможности устройств ограничены, с их помощью не получится записать видео или сделать фото в труднодоступной местности с большой высоты.
Премиальные дроны поддерживают функцию возвращения в точку взлета при потере сигнала
Более дорогие дроны, обычно с ценником от 5000 рублей и выше, удаляются на расстояние до 500 м. Возможности фото- и видеосъемки у них более широкие, хотя местность для полета нужно подбирать внимательно и следить за тем, чтобы вокруг было поменьше препятствий. Посторонние твердые объекты влияют на качество сигнала и могут осложнять процесс управления дроном. И, наконец, премиальные модели летающих аппаратов могут улетать на расстояние вплоть до 5-20 км, стоят они очень дорого, и покупают их обычно для профессиональных целей.
Радиус действия квадрокоптера с камерой
Дальность действия квадрокоптера обычно не зависит от наличия или отсутствия у него камеры. Значение имеет класс дрона в целом. Бюджетные модели, способные удаляться на 100-500 м, могут быть оснащены встроенным видеодатчиком, но разрешение у него редко превышает 2 Мп. Более дорогие дроны с хорошими камерами на 5 Мп и более улетают в среднем на 500-800 м. Профессиональные аппараты с высокой стоимостью и качественным внешним фотооборудованием поддерживают радиус действия вплоть до 20 км.
Виды квадрокоптеров
Летающие дроны можно разделить на несколько категорий:
При выборе летающего дрона следует учитывать, для каких именно целей он нужен — для съемки или акробатических трюков.
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
Заключение
Квадрокоптер — интересное и функциональное устройство, представленное многочисленными дорогими и бюджетными моделями. Использовать его можно как для развлечения, так и в профессиональных целях.
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.