В. Яценко - Твой первый квадрокоптер: теория и практика

Рама, которую мы условно обозначили "Quad Xv", имеет несимметричные лучи. Такая рама часто используется при фото- и видеосъемке с воздуха. Дело в том, что для любого квадрокоптера должно соблюдаться условие симметрии по весу . Иначе говоря, центр тяжести конструкции должен находиться в точке пересечения диагоналей квадрата, образованного осями моторов . Если вы крепите в передней части рамы тяжелую фото- или видеокамеру, то удлиненные задние лучи играют роль противовеса. Однако и в этом случае моторы, как правило, расположены по диагоналям воображаемого квадрата.

Что будет, если центр тяжести смещен? Разумеется, полетный контроллер постарается поддерживать раму в строго горизонтальном положении за счет различия в оборотах моторов. Если дисбаланс невелик, то в статичном режиме, без внешних воздействий, квадрокоптер достаточно долго будет висеть ровно. Но при этом моторы будут работать в разных режимах нагрузки. У более нагруженных моторов останется меньший динамический запас оборотов и мощности, чтобы отработать "команды" полетного контроллера на компенсацию порывов ветра или управляющие сигналы с пульта. В результате появится некомпенсированное отклонение от горизонтали и квадрокоптер начнет дрейфовать в сторону смещенного центра тяжести. Подготовленные пользователи могут применить специальные настройки программы контроллера для компенсации негативного эффекта от смещенного центра тяжести, но в общем случае асимметрии следует избегать.

Даже если рама полностью симметрична, у квадрокоптера всегда есть условное направление "вперед" , в котором он по умолчанию полетит при отклонении рукоятки пульта по оси Pitchвперед. Это направление привязано к полетному контроллеру, который монтируется на раме в строго определенном положении.

Рама может быть как со складными, так и с фиксированными лучами. На летные качества это не влияет, при выборе конструкции нужно исходить из соображений простоты изготовления, стоимости, удобства транспортировки, при условии соблюдения достаточной прочности. Рамы миниатюрных "наладонных" квадрокоптеров иногда представляют собой единое целое с печатной платой полетного контроллера и целиком изготавливаются из текстолита.

Поскольку в случае квадрокоптеров аэродинамика корпуса или рамы не имеет значения, на первый план выходят противоречивые требования минимального веса и максимальной прочности. Наиболее прочными и легкими являются цельноформованные пустотелые рамы из карбона, так называемые "скорлупки" или "корки", но они и самые дорогие. На втором месте рамы, детали которых изготовлены из листового карбона и карбоновых трубок. Далее идут рамы из всевозможных сочетаний различных материалов, включая сосновые рейки и фанеру. Обсуждению конструкционных материалов будет посвящен отдельный раздел, а сейчас настало время поговорить про "мозг" квадрокоптера.

Зачем вообще нужен специальный полетный контроллер — вычислительная система, работающая в реальном времени по довольно сложным алгоритмам? Очевидно, что квадрокоптер необходимо непрерывно стабилизировать, парируя порывы ветра и неоднородность воздушных масс, а возможностей человеческого организма для этого недостаточно. Современный полетный контроллер оснащен набором миниатюрных интегральных сенсоров, непрерывно отслеживающих положение рамы в пространстве, воздействующие на нее угловые ускорения, атмосферное давление и направление силовых линий магнитного поля.

Классическим устройством для стабилизации объекта в пространстве либо измерения угловых ускорений является гироскоп. Все мы из школьных уроков физики знаем про механический гироскоп-волчок либо про вращающийся в свободном подвесе маховик. При попытке изменить угловое положение оси вращающегося маховика возникает противодействующая сила. В трехмерном пространстве произвольное изменение положения рамы квадрокоптера можно разложить на вращение по трем взаимно ортогональным осям. Соответственно, возникают мгновенные угловые ускорения по каждой из этих осей. Эти ускорения могут быть измерены я использованы для выработки компенсирующей реакции в системе с обратной связью, которой в нашем случае является квадрокоптер, оснащенный полетным контроллером.

Современные датчики положения и ускорений представляют собой интегральные микросхемы размерами в несколько миллиметров. Внутри у них находится сложная электромеханическая структура из упругих подвесов, грузиков, пружин, конденсаторов и электронной части для усиления и обработки сигналов. Такие устройства принято обозначать аббревиатурой МЭМС (MEMS — MicroElectroMechanical System ).

Принцип работы интегрального гироскопа

Чувствительным элементом интегрального гироскопа обычно являются два миниатюрных грузика, колеблющихся на упругом подвесе в противоположных направлениях (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Устройство интегрального гироскопа

Источником колебаний грузиков являются гребенчатые электростатические двигатели. Грузики, вместе с электродами, расположенными на подложке, образуют конденсаторы, входящие в состав дифференциальной схемы, вырабатывающей сигнал, пропорциональный разности емкостей конденсаторов. Линейное ускорение одинаково воздействует на оба грузика и подложку, поэтому сигнал на выходе дифференциальной схемы не появляется. Когда возникает вращательное ускорение по оси со, то на грузики начинает действовать сила Кориолиса FC, отклоняя грузики в противоположных направлениях. Соответственно, емкость одного конденсатора увеличивается, а другого уменьшается, что порождает разностный сигнал, пропорциональный величине углового ускорения. Изначально, при включении, разностный сигнал на выходе гироскопа не нулевой, поэтому требуется процедура стартовой калибровки, когда микроконтроллер опрашивает показания гироскопов в состоянии покоя и принимает их за нулевые. Во время прохождения калибровки нельзя двигать коптер.

Но почему в конструкции квадрокоптера нельзя обойтись простейшей системой стабилизации на основе гироскопов, по одному на каждую ось вращения? Зачем нужны другие датчики и микроконтроллер со сложной программой? В реальных условиях квадрокоптер не отклоняется идеально лишь по одной оси. В общем случае отклонение комбинированное, с неким соотношением между осями. По этой причине необходимо устройство, которое будет обрабатывать сигналы от всех гироскопов и формировать управляющие сигналы для регуляторов оборотов моторов.

Например, под влиянием случайного порыва ветра квадрокоптер отклонился по диагонали назад вправо. Значит, управляющая система должна увеличить обороты правого заднего мотора и уменьшить левого переднего, отклоняя раму вперед влево. Но моторы, регуляторы и пропеллеры не идеально одинаковые, и команду они отработают по-разному. Возникнет некомпенсированный реактивный крутящий момент. Следовательно, одновременно с выравниванием квадрокоптера в горизонт полетный контроллер должен оперативно внести коррективы в обороты другой пары моторов, чтобы скомпенсировать вращение по курсу. И это самый простой пример, в котором мы не учитываем, что в то же самое время с пульта могут поступать сигналы управления. Впрочем, с вычислительной задачей для системы с тремя гироскопами способен справиться недорогой микроконтроллер начального уровня. Сейчас по такому принципу устроены простые игрушечные квадрокоптеры-"НЛО". Такие игрушки неплохо летают в помещении, но для управления ими необходимо постоянно визуально контролировать, в каком положении находится квадрокоптер.