Юрий Почанин
Современные беспилотные летающие аппараты

Введение

Современные беспилотные летательные аппараты (БПЛА, дроны) имеют множество преимуществ перед традиционными летательными аппаратами. Они обладают более высокой маневренностью, могут летать на меньших высотах и в труднодоступных местах, а также могут использоваться для различных задач. БПЛА постепенно становятся главной продукцией многих авиационных фирм. Это происходит по ряду причин. БПЛА гораздо дешевле пилотируемых самолетов и вертолетов. Отсутствие пилота позволяет исключить бортовые системы жизнеобеспечения, уменьшить массу и габариты БПЛА, а также увеличить диапазон допустимых перегрузок и влияющих факторов. Большое значение имеет и фактор безопасности- потери беспилотных аппаратов не ведут к потери пилотов. Диапазон существующих и разрабатываемых аппаратов очень широк: от микро- и мини- БПЛА до тяжелых многотонных аппаратов, а также БПЛА, способных выполнять сверхдальние и сверхвысотные полеты длительностью в несколько месяцев. Стремительно расширяется военная область и сферы гражданского применения. Взрывной рост количества разработок БПЛА связано с серьезными технологическими успехами в разных областях:

–появление новых легких и прочных материалов, особенно композитных;

–быстрое развитие микроэлектронной компонентной базы: микроконтроллеров, микросистемных навигационных датчиков, приемопередатчиков радиосигналов, различных СВЧ-устройств, микроэлектронных драйверов сильноточных потребителей, миниатюрных видеокамер и т.д.;

–появление и быстрое развитие высокоэффективных возобновляемых источников питания на основе литий-полимерных аккумуляторов и топливных элементов и др.;

–разработки в области высокоресурсных бесколлекторных электродвигателей, а также реактивных и поршневых двигателей;

–развитие спутниковых систем глобального позиционирования;

–общее развитие вычислительной техники, включая появление специальных операционных систем, интерфейсов, математического и алгоритмического обеспечения.

Разработками в области беспилотной авиационной техники занимаются в разных странах как крупные фирмы, так и небольшие специализированные предприятия.

В современном мире беспилотные летательные аппараты становятся все более популярными и востребованными. Они нашли применение в различных сферах, таких как гражданская авиация, военная промышленность, аграрный сектор, мониторинг окружающей среды и многие другие. БПЛА обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными пилотируемыми самолетами, такими как возможность выполнения задач в опасных или недоступных для человека условиях, более длительное время в полете, более точное выполнение заданных миссий и другие. Однако, одной из основных проблем, с которой сталкиваются разработчики БПЛА, является ограниченность энергетических ресурсов. Традиционные источники энергии, такие как батареи или генераторы, имеют ограниченную емкость и требуют регулярной замены или заправки. Это ограничивает время полета и дальность БПЛА, что сильно ограничивает их эффективность и применимость в различных сферах. В связи с этим, использование солнечной энергии для питания БПЛА становится все более актуальным и перспективным. Разработка БПЛА самолетного типа с питанием от солнечных батарей представляет собой одну из перспективных областей и требует учета различных факторов, таких как энергетическая эффективность, автономность, функциональность и легкость конструкции.

Одним из основных направлений развития БПЛА является улучшение их автономности. Современные БПЛА обладают возможностью автономного взлета, посадки и выполнения миссий без участия оператора. Это достигается благодаря использованию передовых систем автономного управления, которые включают в себя алгоритмы навигации, планирования маршрута, управления полетом и обработки данных с сенсоров. Важным аспектом развития БПЛА является улучшение их функциональности. Современные БПЛА оснащены различными типами сенсоров, такими как камеры, радары, тепловизоры, лидары и другие, что позволяет им выполнять широкий спектр задач, включая разведку, наблюдение, поиск и спасение, аэрофотосъемку и т.д. В конструкции беспилотного аппарата есть спутниковый навигатор и программируемый модуль. Если БПЛА используется для получения, сохранения и передачи информации на пульт оператора, в нем дополнительно устанавливаются карта памяти и передатчик. Конструкция и функциональность меняются в зависимости от назначения аппарата. Есть модели дронов, которые умеют принимать команды человека и реагировать на них. Важно отметить, что развитие и применение БПЛА в гражданской авиации требует разработки соответствующих нормативных и правовых актов, а также внедрения систем безопасности и обеспечения конфиденциальности данных. Еще одним аспектом развития сферы БПЛА является создание более компактных и легких конструкций. Современные технологии позволяют создавать БПЛА из легких композитных материалов, что способствует уменьшению веса и увеличению энергетической эффективности. Кроме того, развитие 3D-печати и других методов производства позволяет создавать сложные формы и интегрировать различные компоненты в одну конструкцию.

Современные технологии и материалы позволяют создавать все более совершенные и эффективные БПЛА, что открывает новые возможности для их применения и развития. Основным преимуществом БПЛА является существенно меньшая стоимость их создания и эксплуатации при условии равной эффективности выполнения поставленных задач.

ГЛАВА 1 КЛАССИФИКАЦИЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАЮЩИХ АППАРАТОВ

Принцип работы беспилотника основан на комбинации сенсорных систем, автопилота и программного обеспечения. Сенсоры, такие, как камеры, радары, лидары и система навигации, собирают информацию об окружающей среде и положении аппарата. Эти данные передаются в автопилот, который обрабатывает информацию и принимает решения о дальнейшем движении и поведении беспилотника, управляя вращением двигателей и отклонением аппарата от заданной траектории.

Принцип и методы управления беспилотником могут отличаться в зависимости от его конкретного назначения. Некоторые беспилотники могут быть полностью автономными и способны выполнять задачи самостоятельно без участия человека. Другие дроны могут быть дистанционно управляемыми, где оператор на земле управляет аппаратом с помощью пульта управления или компьютерного интерфейса. Большинство современных аппаратов, как гражданских, так и военных, могут управляться и оператором, и летать самостоятельно.

БПЛА можно разделить на классы по различным признакам: дальности полета, грузоподъемности, радиусу действия, взлетной массе и т.д., но, пожалуй, наиболее удачной является классификация по взлетной массе, которая позволяет точней и удобней разделить БПЛА на классы. Такой подход позволяет объединить аппараты, схожие по техническим решениям, выполняемым задачам, находящиеся в достаточно узком диапазоне других технических характеристик.

В настоящее время Международной ассоциацией по беспилотным системам AUVSI (Association for Unmanned Vehicle Systems International) разработана методика классификации БПЛА, которая помимо систем управления БПЛА, конструкционных особенностей учитывает множество лётных характеристик, таких как взлетная масса, дальность, высота и продолжительность полета, размеры аппарата и т.д.

1. Система управления БПЛА

Беспилотные летательные аппараты можно квалифицировать по методу управления. Их существует три вида.

а). Дистанционно-пилотируемые летательные аппараты (ДПЛА). К данной категории относятся БПЛА, целиком управляемые оператором с земли. Наиболее распространённым видом управления ДПЛА является передача сигнала по радиочастотному каналу, но в виду возможного присутствия большого количества как наведённых, так и естественных помех в этом диапазоне, такой метод управления наименее надёжен, поэтому сейчас для руководства действиями малых БПЛА всё чаще используется канал 5G. ДПЛА с большим радиусом действия как правило управляются по спутниковым каналам, а беспилотники, действующие в прямой зоне видимости, могут управляться по различным оптическим каналам связи.

б). Автоматические БПЛА с полностью автономной системой управления. Поскольку такие аппараты выполняют запрограммированное полётное задание, то им необходимо иметь встроенный микропроцессор при этом желательно оснащённый нейросетевыми алгоритмами. Другим условием, без которого невозможно самостоятельное ориентирование БПЛА в полёте, является наличие бортового навигационного оборудования. Чаще всего его роль выполняет одно или двух антенный ГНСС приёмник, обеспечивающий получение спутникового сигнала с уточнением координат по RTK (Real Time Kinematic). Однако на случай потери связи со спутником, рекомендуется также включить в состав навигационного комплекса инерциальный измерительный модуль (IMU), который позволяет поддерживать точность курса в автономном режиме. Примером такой интегрированной навигационной системы может служить BW-GI100/200.

в). Гибридная система управления БПЛА, когда оператор с земли может в любой момент подключится к управлению автономным беспилотником или когда, наоборот, БПЛА, потерявший по какой-то причине связь с оператором, способен продолжить полёт в автоматическом режиме. Обычно такую дублирующую систему управления имеют средние и тяжёлые БПЛА с большой дальностью действия.

2.Основные лётные характеристики

Из таблицы 1.1, в которой представлены взлетная масса и дальность действия БПЛА можно выделить четыре основные группы беспилотников (мини БПЛА, лёгкие БПЛА, средние и тяжёлые БПЛА).

Таблица 1.1. Взлетная масса и дальность действия

Категория

Взлетная

масса, кг

Дальность действия, км

Микро и мини БПЛА ближнего действия

0 – 5

25 -40

Легкие БПЛА малого радиуса действия

5 – 50

10 – 70

Легкие БПЛА среднего радиуса действия

50 – 100

70 – 150 (250)

Средние БПЛА

100 – 300

150 – 1000

Средне – тяжелые БПЛА

300 – 500

70 – 300

Тяжелые БПЛА среднего радиуса действия

500 – 1500

70 – 300

Тяжелые БПЛА большой продолжительности

полета

Более 1500

1500

Беспилотные боевые самолеты

Более 500

1500

Последние две категории БПЛА подразумевают специальное применение, поэтому их разработка и производство является почти исключительной прерогативой крупных авиастроительных корпораций, а широкому кругу пользователей более известна первая и вторая категории дронов.

Однако, наиболее перспективной и бурно развивающейся на данный момент категорией считаются лёгкие БПЛА, поскольку потенциальная сфера их применения очень широка (от аэрофотосъёмки и картографирования до перевозки различных грузов в труднодоступной местности, что обходится дешевле использования пилотируемых средств).

3.Виды дронов по способу управления

3.1. Управление по Wi-Fi. Осуществляется с помощью приложения на смартфоне и специального передатчика сигнала внутри квадрокоптера. Чаще используется на бюджетных моделях коптеров. Дальность полета в этом случае не превышает 100-150 м, т.к. радиус действия беспроводной сети небольшой. Самый большой минус технологии – возможны задержки картинки при удалении дрона от пилота, что неудобно при трансляции видео в режиме реального времени. Такие модели оптимальны для съемки селфи, т.к. при этом не требуется большого расстояния между камерой и пользователем. Управление производится с помощью сенсорных кнопок, имитирующих физические стики. Также смартфон удобен для регулировки угла поворота камеры, настройки параметров съемки, просмотра и монтажа уже отснятого материала. Дополнительный плюс – не нужно носить с собой габаритный пульт дистанционного управления.

3.2. Управление по радиоканалу. Позволяет увеличить дальность полета квадрокоптера до нескольких километров и все это время транслировать видео с камеры на экран пульта или смартфона. Частота, на которой чаще всего работают дроны – 2,4 и 5,8 ГГц. Диапазон 2,4 ГГц менее популярен, т.к. картинка здесь более подвержена шумам и размытию (на этой частоте работает много других приборов, создающих помехи для сигнала). Трансляция на частоте 5,8 ГГц происходит с минимальной задержкой картинки, но цена на устройства с этим диапазоном существенно выше. При использовании радиосигнала необходима полноценная аппаратура в виде пульта управления с мощным передатчиком, стиками и кнопками. Возможно также сочетание пульта с телефоном: большинство коптеров имеет соответствующие гнезда и крепления, позволяющие управлять полетом с помощью пульта, а изображение выводить на экран мобильного устройства.

3.3. По выводу изображения с камеры. Вывод картинки с камеры также может происходить разными путями.

3.3.1. FPV. Модели с данной функцией (First Person View – с англ. «вид от первого лица») выводят на экран видео шлема, очков или смартфона все, что снимает камера, установленная в коптере, в режиме реального времени. Трансляция изображения на экран шлема или очков позволяет увидеть то, что «видит» дрон и буквально почувствовать себя в воздухе. Также функция необходима при дальних полетах, т.к. на расстоянии свыше 100 метров дрон уже трудно различим глазами и направлять его придется именно по видео. Применяют технологию не только для развлечения, но и для решения профессиональных задач: осмотра труднодоступных объектов, охраны территории, сельского хозяйства.

3.3.2. На экран телефона или пульта. Также изображение с камеры может выводиться на экран пульта управления или смартфона. Во втором случае необходимо установить на телефон специальное приложение, рекомендованное производителем дрона.

Самые простые модели не транслируют изображение во время полета, а просто записывают его на карту памяти. Посмотреть фото и видео можно будет после того, как коптер приземлится.

4.Конструкция лётной системы БПЛА. Если прибегнуть к классификации БПЛА согласно их конструкционным особенностям, то можно выделить их следующие типы:

–Аэростатические БПЛА;

–Реактивные БПЛА;

–БПЛА самолетного типа (с фиксированным крылом);

-БПЛА вертолетного типа (однороторные);

–Мультикоптерные (мульти роторные) БПЛА;

–Гибридные БПЛА (конвертопланы).

По скорости БПЛА:

–мало скоростные (от 50 до 400 км/ч),

–скоростные (от 400 км/ч до числа М*),

–сверхзвуковые (более числа М).

* М – число Маха, скорость звука в воздухе (у поверхности земли – 1224 км/ч, на высоте 11 км – 1062 км/ч.

По высоте полета БПЛА:

–предельно малых высот (от 0 до 200 м,)

–малых высот (от 200 до 1000 м),

–средних высот (от 1 до 4 км),

–больших высот (от 4 до 12 км),

–стратосферные (более 12 км).

По продолжительности полета:

–менее 2 часов,

–от 2 до 8 часов,

более 8 часов.

Беспилотные летательные аппараты отличаются по назначению, но составные части у них схожи:

–корпус (фюзеляж);

–источник энергии (аккумулятор, солнечные батареи, топливные элементы);

–двигательная установка (на основе различных типов двигателей: электрический, внутреннего сгорания, воздушно-реактивный);

–навигационная система (датчики: гироскоп, акселерометр, альтиметр, ГЛОНАСС/GPS);

–система управления (контроллер, бортовой компьютер, автопилот);

–система связи (радиоприемник, ретранслятор, радиопередатчик);

–съемочная аппаратура (камера, тепловизор);

Ряд других приборов, подбираемых под конкретный БПЛА и его задачи.

ГЛАВА 2 МУЛЬТИРОТОРНЫЕ ДРОНЫ

Мультироторные дроны – наиболее распространенные типы дронов, которые представляют собой летающую платформу с бесколлекторными моторами и пропеллерами. Так дрон с тремя моторами носит название Трикоптер, рис.2.1, с четырьмя моторами носит название – Квадракоптер, рис.2.2, с шестью – Гексакоптер, рис.2.3. с восемью – Октокоптер, рис.2.4. В полете дрон держит горизонтальное положение относительно поверхности земли и может зависать над определенным местом, перемещаться влево, вправо, вперед, назад, вверх и вниз, а также, поворачиваться вокруг своей оси. Все действия совершаются путем изменения тяги на каждом моторе. Преимущества дронов: вертикальный взлет, возможность зависать над объектом.

Обычно трикоптер движется двумя винтами вперед, а третий является хвостовым. Первые два винта имеют противоположные направления вращения и взаимно компенсируют реактивные закручивающие моменты, у хвостового же винта пары нет, поэтому для компенсации его реактивного момента ось вращения этого винта немного наклоняют в сторону, противоположную направлению закручивания. Это делают с помощью специального сервопривода и тяги, которые используются для стабилизации или управления положением аппарата по курсу.

Рис. 2.1. Пример трикоптера

Рис.2.2. Квадрокоптер

Рис. 2.3. Гексакоптер

Рис.2.4. Октокоптер

Гексакоптеры и октокоптеры обладают гораздо большей грузоподъемностью по сравнению с квадрокоптерами и обычно используются для доставки грузов либо на сельхоз- работах для опыления посевов. Преимуществом большого количества роторов является и то, что такие машины способны сохранять устойчивый полет при выходе из строя одного двигателя. Такие аппараты отличаются также меньшим уровнем вибраций, что особенно важно для видеосъемки.

Хотя мультикоптерные дроны просты в изготовлении и относительно дешевы, они имеют много недостатков. Основные из них – ограниченное время полета, ограниченная грузоподъёмность и небольшая скорость. Они не подходят для крупномасштабных проектов, таких как аэрофотосъемка больших площадей. Основная проблема мультикоптеров заключается в том, что им приходится тратить огромную часть своей энергии на борьбу с гравитацией и стабилизацию аппарата в воздухе. В настоящее время большинство многороторных беспилотных летательных аппаратов способны летать всего 20-30 минут с минимальной полезной нагрузкой, такой как видеокамера.

Рассмотрим основные элементы квадрокоптера как наиболее используемого дрона. модели DJI Inspire. Пилотирование квадрокоптера осуществляется с помощью радиоуправления посредством пульта и смартфона. Предусмотрен также режим автопилота. Практически все квадрокоптеры имеют камеры для записи видео и трансляции в реальном времени.

Современный дрон состоит из множества высокотехнологичных компонентов, которые должны слаженно работать друг с другом, рис.2.5.

Рис.2.5. Состав оборудования квадрокоптера

Типовой состав оборудования квадрокоптера для аппаратов с другим количеством роторов он аналогичен.

Команды, принятые приемником, поступают в полетный контроллер в виде широтно-импульсного сигнала. Здесь они с учетом текущей навигационной информации (получаемой в самом полетном контроллере от встроенных микросистемных гироскопов и акселерометров), а также с учетом сигналов с модуля GPS (опционально) преобразуются в широтно-импульсные сигналы управления двигателями, которые подаются на контроллеры частоты вращения двигателей (т.н. ESC – Engine Speed Control). Назначение модулей ESC – преобразование управляющих широтно-импульсных сигналов в синусоидальные трехфазные напряжения для обмоток бесколлекторных электродвигателей. Типовой источник питания для бортовой сети мультикоптеров – это батарея литий-полимерных аккумуляторов. Потребляемые токи – от единиц до сотен ампер в зависимости от размеров аппарата.

Основой любого аппарата являются следующие компоненты:

–силовая рама;

–двигатели и винты;

–системы управления и навигации;

–устройство управления;

–электронные компоненты.

Поговорим про каждый компонент отдельно на примере квадрокоптера.

2.1. Принцип работы квадрокоптера

Квадрокоптеры держатся в воздухе, управляются и перемещаются только за счет несущих пропеллеров. Классический квадрокоптер представляет собой крестообразную раму, на концах лучей которой вертикально закреплены моторы, рис. 2.6.

Рис.2.6. 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. 2.7, словно скользя по склон у. Поэтому для поддержания высоты при наклоне квадрокоптера обороты всех моторов должны возрасти на некую одинаковую компенсирующую величину.

Рис.2.7. Векторы тяги квадрокоптера

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.

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.

2.2. 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.2.8.

Рис. 2.8. Пример рамы квадрокоптера

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.

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. 2.9.

Рис. 2.9. Рама типа «Х»

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. 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. 2.10.

Рис. 2.10. 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. 2.11. 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. 2.11. Рама типа гибридный «Х»

Рама типа «Квадрат». Представьте раму «Х», где между лучами добавили соединяющие их ребра, рис 2.12. 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. 2.12. Рама типа «Квадрат»

Unibody рамы или цельные рамы, составляют единую конструкцию с лучами, рис. 2.13. 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.2.13. 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 2.14. 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.2.14. Серийная рама из карбона

Рамы для совсем маленьких квадрокоптеров могут быть даже напечатаны на 3D принтере, рис. 2.15. 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.2.15. 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.2.16. 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

Рис.2.16. Пример дуговой защиты

Корпусная защита. Корпусная защита крепится по всему корпусу квадрокоптера, защищая не только моторы, но и раму в целом, рис.2.17. По сравнению с предыдущим вариантом, данная защита более эффективна при прямых столкновениях коптера с объектами и стенами.

Рис.2.17. 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.2.18.

Рис. 2.18. 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.2.19. 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. 2.19. Пример посадочных стоек

2.3. 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, 2.20.

Рис. 2.20. 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. 2.21.

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.2.21. 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.

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:

1.частота вращения изменяется в широком диапазоне;

2.возможность использования во взрывоопасной и агрессивной среде из-за отсутствия искр;

3. большая перегрузочная способность по моменту;

4.высокие энергетические показатели (КПД более 90 %);

5.большой срок службы, высокая надёжность и повышенный ресурс работы за счёт отсутствия скользящих электрических контактов.

Недостатки:

1.относительно сложная система управления мотором;

2.выше стоимость мотора, обусловленная использованием дорогостоящих материалов в конструкции ротора (магниты, подшипники, валы).

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.

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. 2.22.

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. 2.22. 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.2.23.

Рис. 2.23. 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.

2.4. Источники энергии БПЛА

В настоящее время электродвигатели являются самым распространённым решением для малых БПЛА, источниками энергии для которых обычно являются электрические аккумуляторы, фотоэлектрические модули, топливные элементы.

Большинство небольших БПЛА, особенно квадрокоптеров, работают на батарейных системах. Решения на базе аккумуляторов способны закрыть основные потребности гражданского сегмента в плане длительности полёта, стоимости и гибкости. Наибольшее время полёта (до 1,5 ч) обеспечивают литий-полимерные аккумуляторы, которые, к примеру, для микро-беспилотников весят менее 2 кг. Также применяются литий-ионные, никель-кадмиевые, никель-марганцевые, литий-серные, свинцово-кислотные и иные накопители. Эти аккумуляторы уступают литий-полимерным по плотности энергии, экономии массы и другим характеристикам.

Недостатками аккумуляторного типа энергоснабжения являются ограничения по накопленному запасу энергии, что значительно сужает время функционирования БПЛА. Для устранения этой проблемы и обеспечения возможности выполнять длительные миссии используется несколько решений, связанных с различными способами подзарядки аккумуляторов. Так, подзарядка аккумуляторов БПЛА методом подкачки может проводиться средствами либо холодной подкачки, либо горячей замены. Оба этих способа предполагают посадку БПЛА на наземную зарядную станцию, но при холодной подкачке аккумулятор подключается к зарядке, и сам аппарат остаётся на месте на всю продолжительность этого процесса, а при горячей замене разряженный аккумулятор извлекается из продолжающего работать БВС, и на его место устанавливается полностью заряженный, заранее подготовленный на станции.

Таким образом, при расположении зарядных станций вдоль траектории движения БВС появляется возможность обеспечения длительного времени полёта, но существуют определённые риски безопасности аппаратов при взлёте со станций посадке на них. Эти риски устраняются при использовании беспроводной лазерной подзарядки, которая, однако, ограничивает расстояние и высоту полёта зоной вокруг радиуса распространения светового луча, передаваемого лазерным генератором на наземной станции.

Лазеры большой мощности используют лазерный луч для передачи энергии от наземной части комплекса на борт БПЛА. Автоматика комплекса должна следить за беспилотником и направлять луч точно на его солнечную панель, обеспечивая постоянное энергоснабжение и подзарядку батареи.

В настоящий момент развиваются несколько направлений технологии беспроводного энергоснабжения, но одной перспективной для беспилотной летательной техники является технология беспроводной передачи электрической энергии инфракрасным излучением. Основные преимущества – высокая эффективность тракта передачи энергии (до 40%), возможность использования небольших по размерам приемников (до 100 мм в диаметре), масса которых может не превышать 0,1 кг.

В настоящее время разработана система беспроводной зарядки в воздухе, которая может заряжать сразу несколько дронов. Создание достаточного количества этих станций может привести к появлению целой армии беспилотников, Зарядное устройство выглядит достаточно просто: это шестиугольная рама из проводов на опорах диаметром примерно 10 метров. При включении оно создает электромагнитное поле в воздухе в площади станции. Дрон, оснащенный специальными антеннами, заряжается, пролетая в зону действия энергетического облака. Такое зарядное устройство может передать до 12 киловатт мощности при КПД около 80 процентов – восьми минут зарядки будет вполне достаточно для того, чтобы дрон продержался в воздухе около получаса.

Фотоэлектрические модули. Установка модулей солнечной генерации непосредственно на летательные аппараты позволяет энергии солнца обеспечивать полёт в течение периодов максимальной солнечной активности, а аккумуляторы с накопленной в эти периоды энергией – в отсутствие инсоляции. Такая система увеличивает время полёта. Однако, она имеет такие ограничения, как:

–сложность системы, приобретаемая вследствие необходимости установки на БВС преобразователей, контроллеров, сенсоров и иного оборудования;

–непостоянный характер выработки энергии от солнечной радиации

–непригодность для малых БВС, во многом из-за потребности в увеличении размеров крыла для того, чтобы на них можно было расположить достаточное количество фотоэлектрических модулей.

Топливные элементы. Беспилотные воздушные суда, использующие водородные топливные элементы, могут работать в течение нескольких часов вместо нескольких минут у аккумуляторных БВС. Топливные элементы превосходят батареи по удельной мощности, поэтому их следует рассматривать как предпочтительное решение для обеспечения большей «выносливости» при ограниченной массе. Кроме того, процесс дозаправки осуществляется практически мгновенно, что снимает проблему простаивания БВС, а энергопотери при передаче энергии сокращаются.

При применении топливных элементов существует несколько негативных факторов, которые необходимо учитывать:

–водород имеет плотность всего 0,089 кг/м3 при стандартной температуре и давлении –соответственно, чтобы БВС мог перевозить достаточное количество топлива, баки должны быть очень громоздкими;

–нестабильность напряжения при возникновении резких изменений в мощности;

–более низкая эффективность (60%), чем у литий-ионных батарей (90%);

–необходимость установки дополнительного оборудования, усложняющая систему.

Гибридные варианты электроснабжения БВС являются перспективными вариантами для осуществления энергопитания БПЛА. Такой подход позволит сочетать преимущества и характеристики различных источников энергии и уравновешивать их ограничения. Так, объединение топливного элемента с батареей для формирования гибридной системы энергоснабжения представляется вариантом, который позволит двигательной установке БПЛА воспользоваться преимуществами обоих источников и сбалансировать их недостатки. Батарея в этом случае может использоваться в периоды пиковой нагрузки (взлёта и набора высоты), т.к. имеет более высокую эффективность и плотность мощности, а также не подвержена нестабильности напряжения. Топливный элемент, в свою очередь, может быть основным источником во время полёта и заправки. Также батареи либо топливные элементы могут быть объединены с любой другой энергетической установкой. Тем не менее, гибридные варианты электроснабжения БПЛА требуют установки систем управления энергопотреблением (контроллеры и инверторы), которые дополнительно увеличивают массу и сложность устройства.

2.4.1. Аккумуляторные батареи

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.).

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.

Аккумуляторная батарея представлена на рис.2.24, а последовательное и параллельное соединения аккумуляторов в батарее показано на рис. 2.25.

Рис. 2.24. Аккумуляторная батарея

При последовательном соединении аккумуляторов, образующих батарею, итоговое напряжение будет равно сумме напряжений всех входящих сборку элементов или банок.

Разъем это провод образует силовой вывод аккумулятора, к которому впоследствии и будут подключаться потребители энергии.

Рис.2.25. Виды соединения аккумуляторов в батарее.

Также к выводам отдельных аккумуляторов припаивают провода, из которых образуется так называемый балансировочный разъем —он необходим для контроля напряжения на каждой банке, рис.2.26.

Рис. 2.26. Балансировочный разъем

Емкость аккумулятора показывает, как долго батарея может отдавать номинальный ток. Емкость измеряется в миллиампер*часах (мАч) или Ампер*часах (Ач), в зарубежном написании mAh или Ah. Чем выше емкость, тем дольше от одной зарядки может работать квадрокоптер.

При последовательном включении аккумуляторных элементов суммируется напряжение, при параллельном – суммируется ток. Если ячейки включатся только последовательно (без параллельного включения), то надпись 1P может исключаться. Конечно, чем больше емкость, тем больше энергии сможет отдать аккумулятор, и тем больше пролетит квадрокоптер. Однако и тем больше весит батарея, что совершенно не нужно. Батарея, которая весит 170 грамм, для коптера является существенным весом.

Аккумулятор, конечно же, не может обеспечивать совершенно любую силу тока. Одной из самых важных характеристик аккумулятора является максимальный разрядный ток или токоотдача. Токоотдача указывается на аккумуляторах в единицах «С».1С = емкость аккумулятора в мАч (C– Capacity, то есть ёмкость). Чтобы узнать максимальный разрядный ток (токоотдачу) в амперах необходимо значение в единицах С умножить на емкость аккумулятора. Например, у данного аккумулятора токоотдача 70 С. Значит, максимальная сила тока с таким аккумулятором составляет 91 ампер. Однако указанные на аккумуляторах параметры далеко не всегда соответствуют действительности. Поэтому следует применять только проверенные аккумуляторы, чтобы не получить падение в середине полета.

Моторы квадрокоптера требуют большой силы тока, когда работают на полной мощности, поэтому и токоотдача (единицы С) аккумулятора должна быть как можно больше. Рекомендуется выбирать батареи таким образом, чтобы расчетный рабочий ток не превышал 70 процентов от номинальной токоотдачи батареи.

При повышении максимального тока разряда, то есть, когда нагрузка больше, чем может обеспечить аккумулятор, неминуемо следует перегрев аккумулятора, при котором внутри него происходят необратимые химические реакции и, как следствие, аккумулятор деградирует. В итоге он вздуется, что свидетельствует о выделении водорода из полимерного геля. А это может привести к возгоранию.

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, стала выпускать специальные аккумуляторы с подогревом, позволяющие эксплуатировать ее дроны при низких температурах, что ранее было просто невозможно.

2.5. Управление полетом БПЛА

Полётный контроллер – это «мозг» любой мультироторной системы. Удерживать мультироторную машину в воздухе в заданном положении довольно сложная задача – требуется очень быстро реагировать на стремительно изменяющееся силы, действующие на воздушный аппарат, и молниеносно принимать решения какой мотор ускорить, а какой притормозить. Этим занимается полетный контроллер.

Полетный контроллер – электронное устройство, представляющее из себя вычислительную систему, работающую по сложным алгоритмам, и управляющая полетом беспилотного летательного аппарата. Если несколько упростить его задачи, то полетный контроллер отвечает за передачу всех команд, которые пилот передает на борт дрона. 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 дроном. Но это, разумеется, далеко не все. Любые команды – запуск и работа камеры, управление режимом автопилота и другие автономные функции, – все они направляются полетным контроллером.

Команды, принятые приемником, поступают в полетный контроллер в виде широтно-импульсного сигнала. Здесь они с учетом текущей навигационной информации (получаемой в самом полетном контроллере от встроенных микросистемных гироскопов и акселерометров), а также с учетом сигналов с модуля GPS (опционально) преобразуются в широтно-импульсные сигналы управления моторами, которые подаются на контроллеры частоты вращения двигателей (т.н. ESC – Engine Speed Control).

Он имеет множество входов и выходов для получения управляющего сигнала, его обработки и передачи различным исполнительным устройствам, рис. 2.27.

На полетном контроллере установлены датчики, которые регистрируют информацию о малейших изменениях углов ориентации квадрокоптера. Эти сведения передаются в сердце полётного контроллера – микропроцессор.

Рис.2.27. Полетный контроллер

Микропроцессор. Производит сложные математические расчеты и определяет, с какой скоростью сейчас следует крутится каждому из моторов. Чем быстрее процессор справляется с вычислениями, тем чаще он считывает данные о текущем положении квадрокоптера с датчиков, а значит быстрее реагирует на малейшее их изменения.

Полетные контроллеры квадрокоптеров строятся на базе микропроцессоров STM32. На самом процессоре после обозначения STM32 можно прочесть, к какому поколению он относится. Обозначение «F1» имеет скорость 72 мегагерца. Это самый медленный процессор. Данный процессор сможет выполнять максимум 2000 расчетов в секунду. Тысячи обозначим буквой «К» = 2К расчетов в секунду. Следующий процессор в линейке – «F3». Он будет делать 4К расчетов в секунду. Микропроцессор «F4» имеет скорость 168 мегагерц и способен обеспечить более 8К расчетов за одну секунду. Процессор F7 имеет скорость 216 мегагерц – выдает 32 К.

Процессор получает информацию от следующих датчиков:

–акселерометр – измеряет ускорение в любом направлении;

–гироскоп – измеряет вращение;

–барометр – измеряет высоту;

–магнитометр – корректирует информацию, полученную с акселерометра и гироскопа, так как фиксирует перемещение дрона относительно магнитного поля земли;

–GPS-приемник – необходим для возврата дрона в точку взлета, а также ограничивает возможность полета над запрещенными объектами.

Назначение модулей ESC – преобразование управляющих широтно-импульсных сигналов в синусоидальные трехфазные напряжения для обмоток бесколлекторных электромоторов.

Регуляторы оборотов. ESC —electronic speed controller, переводится как электронный контроллер скорости. В русскоязычном сообществе принято называть их как «регуляторы оборотов», в простонародье «регуляторы».

Принцип действия ESC. Контроллер полета посылает данные регулятору оборотов, что нужно прибавить или убавить скорость вращения пропеллеров. Но мотору квадрокоптера нельзя просто подать напряжение, так как он трехфазный и требуется попеременно подавать напряжение на определенные участки обмотки. Этим и занимается регулятор оборотов (ESC), рис. 2.28.

Рис. 2.28. Схема ESC

В зависимости от требуемой скорости вращения регулятор будет в строго заданной последовательности с определенной скоростью подавать на обмотки двигателя напряжение, что будет вызывать вращение ротора. Обмотки бесколлекторного мотора соединены между собой по специальной схеме. Имеют три вывода. К электронному регулятору нужно подключить эти выводы обмоток мотора, а также подвести питание от аккумулятора.

Сигнальный вывод ESC. Выбирая регулятор для квадрокоптера, вы столкнетесь со следующими параметрами.

Максимальный ток. Это та сила тока, которую выходные транзисторы контроллера могут держать продолжительное время.

Иногда указывают величину кратковременного пикового тока, допустимого в течение нескольких секунд. Также на регуляторе указывается максимальное рабочее напряжение. Важно убедиться, что регулятор рассчитан на то количество банок, которые содержатся в вашем аккумуляторе.

Чем быстрее передаются в регулятор сведения о скорости вращения мотора, тем выше реакция силовой установки на расчеты полетного контроллера и тем лучше квадрокоптер ведет себя в воздухе. Поэтому постоянно разрабатываются все новые и новые протоколы, позволяющие все быстрее и быстрее доставлять данные в регулятор.

Самый медленный и поддерживаемый всеми регуляторами протокол обозначается буквами PWM или если по-русски ШИМ, широтно-импульсная модуляция. Виды и скорость протоколов передачи данных в ESC. В настоящее время повсеместно внедряется принципиально новый тип протокола, цифровой, который называется DSHOT. Цифровой протокол отличается более точной и помехоустойчивой передачей данных и высоким разрешением. Для выполнения команд пилота к полетному контроллеру подключается радиоприемник. Он, в свою очередь, принимает сигналы от пульта управления и передает их на полетный контроллер, рис.2.29.

Для усиления сигнала могут использоваться антенны. Радиоприемник работает на нескольких каналах для более устойчивого сигнала и повышения дальности.

Микросхемный модуль OSD (On-Screen Display) передает информацию о состоянии квадрокоптера на пульт управления или поверх видеосигнала с камеры. Он отображает информацию:

–заряд аккумулятора;

–потребление тока;

–высота;

–скорость;

–скороподъемность;

–GPS-координаты;

–уровень сигнала.

Рис.2.29. Схема приема и передачи сигналов на полетный контроллер

На полётном контроллере любого мультикоптера установлен чип MPU, который объединяет в себе трёхосевой гироскоп, трёхосевой акселерометр и цифровой процессор обработки движения (DMP), который способен обрабатывать комплексные алгоритмы по 9 осям. Элементы с motion fusion алгоритмами по 9 осям обладают доступом к внешним магнитометрам или другим датчикам через дополнительную I2C шину, позволяя устройству собирать полный набор данных датчиков без вмешательства системного процессора. Проще говоря, чип MPU является основным элементом, участвующем в формировании полёта квадрокоптера.

Также, наряду с чипом MPU, на полётном контроллере установлен ещё один не менее важный чип – STMF4, который является командным центром для всех систем полётного контроллера. В нём хранится прошивка – программная часть полётного контроллера.

К функциям полётного контроллера относится:

–стабилизация аппарата в воздухе;

–удержание высоты при помощи барометрического высотомера или иных датчиков;

–удержании позиции при помощи GPS/ГЛОНАСС;

–автоматический полёт по заданным заранее точкам -(опционально);

–передача на землю текущих параметров полёта с помощью радиомодема или Bluetooth (опционально);

–обеспечение безопасности полёта (возврат в точку взлёта при потере сигнала, авто посадка);

–остановка перед препятствием (для мультикоптеров) или облет препятствий (для самолётов) при наличии датчиков;

–подключение дополнительной периферии: OSD, светодиодной индикации и т.д.

Поскольку каждый индивидуальный ESC питается от основной батареи, основной разъем АКБ должен быть как-то разделен на четыре ESC. Для этого используется плата распределения питания или жгут распределения питания.

Плата распределения питания. Плата имеет специальные площадки-контакты силовой линии питания, к которым припаиваются провода от регуляторов оборотов. Внутри этой платы все плюсовые и все минусовые контакты соединены между собой. И выведены в отдельное место для подсоединения разъёма аккумулятора, рис. 2.30.

Рис.2.30. Плата распределения питания

Получается аккуратный монтаж без всяких скруток и навесных спаек. Часто полетный контроллер уже имеет места для подключения ESC.

Дополнительно может быть установлен датчик расстояния, рис. 2.31. В отличие от других он выведен наружу корпуса из-за особенностей работы.Принцип работы похож на ориентацию в пространстве летучих мышей: одно отверстие испускает высокочастотный звук, а другое принимает его. Датчик фиксирует время, необходимое для возвращения звука, после чего происходит расчет расстояния до ближайших объектов.

Рис. 2.31. Датчик расстояния

Вместе с ними могут использоваться лидары. Принцип работы аналогичен, только вместо звуковой волны лидар использует лазер, и помимо определения расстояния, может строить более подробную карту окружающего пространства. Эти устройства необходимы для точного управления и позиционирования квадрокоптера в пространстве. Они могут быть встроены в плату или подключаться отдельно. При этом корректная работа возможна только при совокупности получаемой информации.

На новых моделях квадрокоптеров этот модуль встроен в плату, но в старых моделях есть возможность подключить его отдельно.

Важным модулем является камера с видеопередатчиком. Видео передатчик отвечает за отправку сигнала. Аналоговая передача осуществляется по 5,8 Ггц каналу. Это уменьшает задержку и дает возможность использования FPV-режима, но у данного стандарта есть недостатки в виде низкого разрешения (максимум – 480р) и наличия помех. Они увеличиваются с расстоянием, но сигнал прерываться не будет.

Wi-Fi передача данных распространена на недорогих дронах и может конфликтовать с сигналом от пульта, так как они находятся на одних частотах (2,4 и 5 Ггц). Качество видео при этом будет высоким, однако, заметная задержка, которая увеличивается с расстоянием, сильно усложняет возможность полета в режиме FPV. При этом можно передавать видеосигнал на экран смартфона.

Напряжение. На питание электронных компонентов квадрокоптера требуется подать определенное напряжение. Например, для работы электроники полётного контроллера требуется 5 вольт. Напряжение аккумулятора, конечно же, больше. Поэтому необходимо какое-то устройство для понижения бортового напряжения до нужного стабильного значения. Такое устройство называется регулятор напряжения («UBEC», порусски Бек).

Инерциальный измерительный блок (IMU) включает трёхосевой акселерометр, трёхосевой гироскоп и трёхосевой магнитометр, обеспечивающий в общей сложности 9 осей измерения.

Принцип работы интегрального гироскопа. Гироскоп (от греч. «gyros» – круг и «skopeo» – смотрю, наблюдаю) – это устройство, которое способно реагировать на изменение углов ориентации объекта и определять его положение в пространстве. Чувствительным элементом интегрального гироскопа являются две подвижные массы (грузики), которые находятся в непрерывном движении на упругом подвесе в противоположенных направлениях, рис.2.32.

Рис.2.32 Устройство интегрального гироскопа

Источником колебаний подвижной массы является гребенчатые электростатические двигатели. Подвижная масса, вместе с электродами, расположенная на подложке, образуют конденсаторы, входящие в состав дифференциальной схемы, вырабатывающей сигнал, пропорциональный разности емкостей конденсатора. Линейное ускорение одинаково воздействует на обе подвижные массы и подложку, поэтому сигнал на выходе дифференциальной схемы не появляется. Как только произойдет изменение угловой скорости относительно оси вращения, то на подвижные массы начинает действовать сила Кориолиса, отклоняя подвижные массы в противоположных направлениях.

Соответственно, емкость одного конденсатора увеличивается, а другого уменьшается, что порождает разностный сигнал, пропорциональный величине углового ускорения. Таким образом, осуществляется преобразование угловой скорости гироскопа в электрический параметр, величина которого детектируется специальным датчиком.

Для того, чтобы мультикоптер определял положение в пространстве относительно трех ортогональных направлений х, y, и z, внутри одного корпуса микросхемы располагаются три датчика перпендикулярно осям. Отсюда происходит название – трехосевой гироскоп.