В. Яценко - Твой первый квадрокоптер: теория и практика

Уважаемый читатель!

Автор не ставил перед собой задачу создать исчерпывающую энциклопедию или настольный справочник. Вы держите в руках руководство для новичков, назначение которого — помочь вам построить свой первый квадрокоптер, обойдясь без нелепых технических ошибок и чрезмерных денежных затрат. Интеллектуальная цена вхождения в это сложное хобби весьма высока. Автор постарался сберечь для вас главную ценность — время.

В книге плотно переплетаются теория и практика, иначе в авиамоделизме нельзя. Материал не обязательно читать по порядку. Обращайтесь к нужным главам и разделам по мере работы над своей конструкцией. Рекомендуем, прежде всего, ознакомиться с общими принципами работы квадрокоптера и определиться с набором компонентов, которые необходимо приобрести. Поскольку наиболее выгодный путь для покупки компонентов — это заказ в интернет-магазинах, то с момента заказа до получения может пройти несколько недель. Пока заказанные компоненты находятся в пути, вы можете более подробно изучить теорию и установить на компьютер необходимое программное обеспечение.

Это важно: автору пришлось пойти на сознательные упрощения и сокращения некоторых сегментов информации, чтобы сделать ее более доступной. Далее вы самостоятельно будете развиваться в наиболее интересном для вас направлении: видеосъемка, FPV, развлекательные полеты, маршрутные полеты по GPS и т. д. Все, о чем вы прочтете, проработано и проверено автором на практике.

Подбор компонентов и программного обеспечения для первого квадрокоптера основан на опыте тысяч ваших предшественников из разных стран и означает лишь, что собранный по нашим рекомендациям аппарат будет недорогим, надежным, простым в управлении и полетит сразу после окончания сборки. Зачастую выбор компонентов и программного обеспечения является поводом для ожесточенных "религиозных войн" на форумах. Пока воздержитесь от участия в них и не воспринимайте слишком серьезно противоречивые мнения сторон.

Квадрокоптеры , которым посвящена эта книга, являются частным случаем мультикоптеров — многороторных устройств, которые держатся в воздухе, управляются и перемещаются только за счет несущих пропеллеров. В этом мультикоптеры схожи с вертолетами. Для простоты и краткости в обиходной речи мультикоптеры часто называют просто коптерами . Мы тоже будем использовать этот термин в случаях, когда количество роторов не играет роли.

Классический квадрокоптер представляет собой крестообразную раму, на концах лучей которой вертикально закреплены моторы (рис. 1.1).

Рис. 1.1. 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 V x уменьшится вертикальная составляющая V y и квадрокоптер начнет терять высоту. Это явление иногда называют "соскальзыванием", потому что коптер начинает двигаться вниз по диагональной траектории (рис. 1.2), словно скользя по склону. Поэтому для поддержания высоты при наклоне квадрокоптера обороты всех моторов должны возрасти на некую одинаковую компенсирующую величину.

Рис. 1.2. 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 раскомпенсируется и рама начнет поворачиваться против часовой стрелки. Аналогично можно заставить квадрокоптер поворачиваться по часовой стрелке.

Угловые отклонения по осям следовало бы называть "тангаж", "крен" и "рыскание", но на практике прижились англоязычные термины, которые читателю следует запомнить: Pitch(наклон вперед-назад), Roll(наклон вправо-влево), Yaw(вращение в горизонтальной плоскости) и Throttle(общий газ) — рис. 1.3.

Рис. 1.3. Соответствие отклонений коптера рычагам на пульте

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.

Теперь, когда мы рассмотрели общие принципы работы квадрокоптера, можно проанализировать достоинства и недостатки этого типа летательных аппаратов.

Достоинства

• Простота конструкции и низкая стоимость ущерба при аварии.

Как мы уже говорили, квадрокоптеры держатся в воздухе только за счет несущих пропеллеров и этим похожи на вертолет. Однако полноценная модель вертолета имеет весьма сложную и точную механическую часть — автомат перекоса, позволяющий управлять положением вертолета в пространстве. Кроме этого, вертолет оснащен механизмом отбора мощности на хвостовой винт и узлом переменного шага этого винта. Только простые и дешевые маленькие модели вертолетов не имеют автомата перекоса, но и управляются они намного хуже. 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.