Энциклопедия Технологий и Методик - Базовые принципы полета квадрокоптера

Базовые принципы полетов любой техники описывает аэродинамика и квадрокоптеры не являются исключением. Три оси вращения абсолютно однозначно задают ориентацию квадрокоптера в пространстве и направление его полета. Причем направление движения никак не зависит от расположения самого квадрокоптера в воздухе.

Любой летательный аппарат имеет курсовое смещение, что касается даже сверхзвуковых самолетов. А, как известно, вертолеты вообще без проблем могут летать боком.

Три оси или угла полета принято правильно называть тангажом, креном и рысканьем. Разберем их более подробно.

Под тангажом понимают поворот аппарат вокруг продольной оси, рысканием – вокруг вертикальной оси, а креном – продольной оси.

Любой квадрокоптер, как и другой летательный аппарат совершает во время полета строго определенный список маневров. Это движение, тангаж/крен и рыскание – именно они и определяют параметры полета квадрокоптера.

Если брать в рассмотрение вертолет, то его главный винт имеет влияние на тангаж и крен, а хвостовой винт компенсирует вращающий момент и от того, с какой скоростью он вращается и в каком положении находится, зависит рыскание.

В пилотировании квадрокоптера все обстоит иначе. Здесь имеются целых четыре винта, два из которых вращаются по часовой стрелке, а два других в противоположном направлении.

Для большинства квадрокоптеров устанавливают двигатели с неизменным шагом и управление ими заключается в повышении или понижении числа оборотов.

Соответственно если все из винтов квадрокоптера имеют одинаковую скорость вращения, то все параметры будут скомпенсированы. При увеличении скорости вращения одного из винтов квадрокоптера баланс нарушается. При этом, если скорость винта с обратным направлением вращения будет пропорционально уменьшена, то рыскание сохранение нулевого рыскания, но изменится тангаж или крен.

Если же увеличивать обороты одновременно на обоих винтах, которые вращаются в одном направлении и уменьшить на других, ту угол рыскания будет изменен.

Управление двигателями квадрокоптера, а, следовательно, и скоростью вращения его винтов, осуществляется с пульта дистанционного управления, сигнал с которого поступает на бортовой компьютер квадрокоптера и к ним добавляются необходимые коррекции от гироскопа, акселерометра и так далее.

Есть много терминов, обозначающих оси и вращающие моменты коптера (и любого другого летающего аппарата). Все многообразие возможных движений коптера мы попытались собрать на одной иллюстрации:

Отличную анимацию на эту тему можно посмотреть здесь. Термины для обозначения пришли из авиации.

Throttle — переводится как «дроссель», «тяга» или «газ» в обиходе. В планерах «газ» определяет скорость движения вперед, то есть вектор силы приложен вдоль оси X. В коптерах он управляет подъемом платформы, то есть вдоль оси «Z».

Rudder, или «руль направления». У крылатых аппаратов это часть хвостового оперения, которая позволяет самолету поворачивать. В коптерах этим словом также обозначают управление носом платформы.

Elevator, или «руль высоты». В самолетах также находится в хвосте и позволяет задрать или опустить нос и, тем самым, снизиться или набрать высоту. В коптерах манипуляции с этим моментом силы позволяет коптеру двигаться вперед или назад.

Aileron, или «элероны». Часть конструкции крыла которая позволяет управлять креном самолета. Коптер за счет крена может двигаться боком влево или вправо.

Все эти термины применяются одновременно, но наиболее корректны названия моментов вращения Yaw, Pitch, Roll. Эти обозначения используются при работе с матрицами вращения.

Полет контролируется стиками пульта. Выше показано соответствие движений стиков, движениям коптера. Однако важно понимать, как именно достигается движение в том или ином направлении. А происходит это за счет изменения тяги двигателей. Пояснить это проще всего при помощи рисунка:

Структурная схема коптера фактически продиктована особенностями управления полетом. Например, моторы обязательно должны попарно вращаться навстречу друг другу. В противном случае платформа начнет закручиваться. Становится очевидна необходимость использования полетного контроллера. Когда оператор двигает стик газа вверх происходит одновременное увеличение оборотов всех двигателей. Для поворота носа платформы необходимо отклонить один стик горизонтально, а полетный должен увеличить обороты одной пары двигателей и замедлить для второй.

Теоретически можно подключить регуляторы непосредственно к приемнику. Каждый стик будет управлять тягой одного двигателя. Но совершенно невозможно вообразить себе каким мастерством должен обладать оператор совершить какое-нибудь подобие управляемого 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.

При проектировании и создании квадрокоптера следует выполнить все необходимые расчеты с целью нахождения оптимального баланса между массой аппарата, мощностью установленных на него двигателей и целого ряда других факторов.

В квадрокоптере каждый их параметров и характеристик тесно связан друг с другом. Так, например, если вы захотите увеличить полетное время, то нужно будет установить аккумулятор большей емкости, а, следовательно, станет больше и масса, что повлечет увеличение расхода энергии.

Расчет квадрокоптера требует хорошей инженерной подготовки. Если вы хорошо знаете и понимаете каждый из параметров квадрокоптера, то можете попробовать выполнить расчет на онлайн калькуляторе, на сайте ecalc.ch.

Также можно скачать уже готовые расчеты из сети Интернет, и уже базируясь на их данных создать макет собственного квадрокоптера.