IX школьная научно-практическая конференция памяти Н.А.

Невского. Рыбинск, Ярославская область, школа №1 с

углубленным изучением английского языка, 2016

Михаил Колодочка, 10 А.

Дроны. Основы полета.

Текст выступления

"Ученые изучают то, что уже есть; инженеры создают то, чего

никогда не было".

Альберт Эйнштейн

Моё знакомство с мультикоптерами произошло почти год назад

в начале апреля 2015 года. Посмотрев видео с квадрокоптера, я

захотел произвести свою собственную аэрофотосъёмку и

совершить полет при помощи камеры в режиме реального

времени.

Перед тем как показать, свои скромные достижения в этой

области-я хотел бы более подробно рассказать вам о

мультикоптерах.

Давай те же узнаем где применяются мультироторные

системы и чем они могут быть полезны для человека!

В первую очередь это аэрофотосъёмка. Также мультироторные

системы стали активно применяться при военных действиях и

чрезвычайных ситуациях. Мультикоптеры могут

использоваться в агропромышленном комплексе и при доставке

грузов.

Квадрокоптер используются и в развлекательных целях, то есть

в гонках.

Первые чертежи устройства, напоминающего сегодняшний

вертолёт, создал гений да Винчи. Но реальный, а потому и

первый проект вертолёта вынес на обсуждение Российской

Академии наук Михайло Ломоносов

первым действующим прототипом такой машины (и заодно

всех ныне существующих вертолетов) был вертолет Ботезата,

поднявшийся в воздух в далеком 1922 году. Более того, в рамках

одного из экспериментальных полетов этот аппарат смог

поднять на высоту в 4 метра груз весом 450 кг.

Первыми получили распространение самодельные трикоптеры в

90-ых годах ,благодаря тому что для реализации такой схемы не

нужно было никакого специфического контролера (т.е.

микрокомпьетра который управляет мультикоптером)

Появление немецкого полетного контролера для

мультикоптеров от Mikrokopter позолило достичь совершенно

новых возможностей. С этими чипами мультикоптеры были

способны удерживать позицию по GPS, делать автономную

посадку и автовозврат в случае потери сигнала.

Следующий шаг после немцев, как ни странно, совершили

китайцы в лице компании DJI-Innovations. Революция заключалась

в том, что их полетный контролер был вполне оформленным

продуктом, элементы которого нужно было лишь соединить

коннекторами между собой без какой-либо пайки, а программа

настройки была легка и понятна практически каждому.

Еще один значимый шаг в истории развития мультикоптеров

совершили опять же DJI-Innovations, которые на этот раз

выпустили дешевый, надежный и доступный многим контролер

для мультикоптеров.

Мультикоптеры бывают самых разных форм и видов. Обычно их

классифицируют по количеству несущих моторов, например,

коптер с тремя моторами это трикоптер, с четырьмя

квадрокоптер, а мультикоптер с восемью моторами именуется

октокоптер.

Давате же разберемся из чего же состоит мультикоптер.

Прежде всего это несущая часть мультикоптера -рама

Вторым важнейшим элементом является полетный

контроллер, то есть управлющий элемент мультикоптера

также необходимы электродвигатели c пропеллерами и

регуляторы скорости к ним. Также будет нужна

радиоаппаратура управления с приемником и аккумулятор.

Аэрофотосъёмка обычно ведется при помощи экшэн камер, а для

стабилизации картинки используются электроподвесы.

Как я уже рание сказал для питания мультироторной системы

используются литий-полимерные аккумуляторы. Для повышения

мощности и напряжения, элементы батареи соединяют

последовательно.

Принцип работы

Разберем принцип работы коптера формы «X», потому что она

на мой взгляд самая простая. У каждой конструкции свои плюсы и

свое предназначение. Разберемся, как наш квадрокоптер устроен

внутри, и чем же должен заниматься полетный контроллер.

Углы тангажа, крена и рыскания (pitch, roll, yaw) — углы,

которыми принято определять и задавать ориентацию

квадрокоптера в пространстве.

Полет квадрокоптера в необходимом направлении достигается

изменением этих трех углов. Например, чтобы полететь вперед

квадрокоптер должен наклониться за счет того, что задние

моторы закрутятся чуть сильнее передних:

Газ квадрокоптера — среднее арифметическое между

скоростями вращения всех моторов. Чем больше газ, тем

больше суммарная тяга моторов, тем сильнее они тащат

квадрокоптер вверх. Обычно измеряется в процентах.

Газ, тангаж, крен, рыскание — если вы можете управлять этими

четырьмя параметрами, значит вы можете управлять

квадрокоптером

Направление вращения винтов выбирается не случайно. Если бы

все моторы вращались в одну сторону, квадрокоптер вращался

бы в противоположную из-за создаваемых моментов. Поэтому

одна пара противостоящих моторов всегда вращается в одну

сторону, а другая пара — в другую. Эффект возникновения

моментов вращения используется, чтобы изменять угол

рыскания: одна пара моторов начинает вращаться чуть

быстрее другой, и вот уже квадрокоптер медленно

поворачивается.

Скоростью вращения моторов управляет полетный контроллер.

Обычно это небольшая плата или коробочка с множеством

входов и выходов. Существует огромное количество различных

контроллеров с разным набором возможностей, разными

прошивками, разными задачами.

Обобщенной задачей полетного контроллера является несколько

десятков раз в секунду выполнять цикл управления в который

входит: считывание показаний датчиков, считывание каналов

управления, обработка информации и выдача управляющих

сигналов моторам, чтобы выполнять команды пилота.

В начале этого года в Лас-Вегасе-прошла выставка CES (consumer

electronic show)

Ehang 184. Этот гигант с восемью винтами позиционируется

как личный транспорт! Октокоптер (именно так называется

схема летательного аппарата с восемью винтами) приводится в

движение и обладает полногабаритной пассажирской кабиной.

Аппарат полностью автоматический: нужно задать пункт

назначения на специальном планшете и спокойно наслаждаться

полётом. Аккумулятора странного транспортного средства

хватит на 20 минут или 35 километров на высоте до 3,5 км.

Про Фантом (самый высокотехнологичный продаваемый

квадрокоптер это Фантом 4) Поступивший в продажу лишь

неделю назад!!!

На борту квадрокоптера имеются 3 камеры, отвечающие за

ориентацию беспилотника в пространстве, т.е. это первый

доступный каждому дрон с искусственным интеллектом! Он

способен развивать скорость до 75 км/ч

На полученное финансирование более двух миллионов евро от

Федерального министерства экономики и технологий Германии,

в середине 2012 года компанией e-volo был построен

двухместный VC 200, который оснащен 18 отдельными

двигателями. В апреле 2014 года на авиасалоне Aero

Friedrichshafen компания представила прототип.

Планируются тестовые полёты. После завершения программы

испытаний будет проведена сертификация и начато серийное

производство, намеченное на 2016 год.

Моим первым дронам стала Syma x 5 такой аппарат будет не

так жалко повредить во время обучения полетам, и он более

прост в управлении и ремонте. В конце концов мой выбор

остановился на таком варианте, как syma x5sw, данная модель

была более усовершенствованной версией уже ставшего

легендой syma x5, многие квадролюбители начинали с него.

Основное отличие моей модели заключается в том, что в

комплекте присутствует камера, передающая видеосигнал по

WiFi, подключиться к которому можно было со смартфона,

скачав приложение для syma. Но вскоре я разочаровался в данной

возможности камеры, т к wifi передаётся на частоте 2.4 гц,

которая совпадает с частотой передатчика (пульта

радиоуправления). Именно, по этой причине я вскоре перестал

летать с камерой. Ещё одной значимой проблемой этого

квадрокоптера, стал маленький радиус управления с

передатчика (в районе 20 метров). Причина оказалась в том, что

антена в передатчике была расположена слишком близко к

микросхеме и имела малую длину. Я решил данную проблему

допаяв туда медные провода, и получив радиус - уже в 80 метров.

В то время пока я учился управлять своим первым БПЛА, я начал

покупать запчасти для сборки собственного квадрокоптера.

Свой второй аппарат я уже собирал самостоятельно из

отдельных комплектующих. Мой выбор остановился на

концепте гоночного квадрокоптера на раме 250 размера

(измеряется расстоянием по диагонали между моторами), на

zmr 250. Мултикоптеры собранные специально из отдельных

комплектующих, в большинстве случаев не имеют корпуса, а все

детали размещаются на раме, зато такие аппараты имеют ряд

преимуществ. Во-первых, они могут обладать лучшеми

техническими характеристиками нежели их конвейерные

собратья, во-вторых такие «коптеры» как правило дешевле, и в-

третьих они настраиваются и собираются по предпочтениям

своего пилота, в то время как у готовых БПЛА обычно нет таких

возможностей.

Вернёмся к сборке моего «квадрокоптера», как я уже ранее сказал

это будет маленький аппарат. Главной особенностью

мультикоптеров такого размера является их скорость и

манёвренность, т к это гоночный вид коптера для развлечений и

FPV полетов (полетов по камере в режиме реального времени.

Итак, первым делом я заказал раму, затем контроллер полета

сс3д (микрокомпьютер), который будет управлять

стабилизацией и полетом моего аппарата. После этого я

приобрел силовую установку (моторы Multistar 2204 и

регуляторы favorite на 12 ампер-всего по 4 штуки). В это же

время я заказал себе два литий полимерных аккумулятора

формата 3s (с напряжением в 12 вольт) на 2150 мАч , с

токоотдачей 20 С. В последствие как оказалось такие Батареи

плохо работают с данным видом коптера т к требоавалась

большая токоотдача-где то от 35 С.В следствии чего я купил

две батареи с токоотдачей 40 C на 1.5 А . С такими

аккумуляторами я смог летать уже в районе пяти минут.

В процессе сборки данного мультикоптера у меня скопилось

множество лишних комплектующих, так как я неоднократно

менял решения по поводу его комплектации. Из всех этих

комплектующих я решил собрать квадрокоптер для

аэрофотосъёмки, оставалось приобрести раму и контроллер

полета. В качестве контроллера полета я выбрал APM 2.8 -этот

контроллер обладает самым большим набором функций на

сегодняшний день, однако его трудно настроить. В качестве

рамы для данной мультироторной системы я выбрал

F450(расстояние между лучами 450 мм) от компании DJI. В

процессе сборки я столкнулся с рядом проблем, связанных с

настройкой контроллера полёта, на сегодняшний день большую

часть из них я смог решить. К тому же были предотвращены

возможные проблемы с питанием APM 2.8 при помощи

подключения линейного стабилизатора. Этот квадрокоптер

имеет частичную влага-защиту, поэтому при попадании в

небольшой дождь аппарат сможет вернуться в точку взлета.

В настоящее время разработки в сфере беспилотных

летательных аппаратов (БЛА) мультироторного типа активно

ведутся по всему миру, в том числе и в Российской Федерации. К

сожалению, на отечественном рынке представлено не так

много моделей БЛА.

В России созданы образцы ударных мультикоптеров, которые

можно вооружить ручными гранатометами и огнеметами. Об

этом во вторник, 22 декабря, в интервью ТАСС сообщил

генеральный директор «Объединенной приборостроительной

корпорации» (ОПК; входит в «Ростех») Александр Якунин.

В будущем я планирую продолжить заниматься беспилотными

летательными аппаратами и улучшать свои собственные

разработки. В перспективе я хотел бы учиться на факультете,

связанном с мультироторными системами, у нас в стране

подобные факультеты есть только в МАИ (Московский

авиационный институт): «Робототехнические и

интеллектуальные системы».

Я надеюсь, что смогу учиться в этой сфере и в будущем смогу

связать свою жизнь с мультикоптерами, став хорошим

инженером.