Ну что ж, откываю новый раздел - Мультикоптеры. На самом деле заниматься я в основном планирую квадрокоптерами, как самой простой конструкцией в этом семействе, но чем черт не шутит, может быть как-нибудь дойду и до гекса- или октакоптеров, поэтому пусть будет называться "Мульти". Эта статья - вступительная. В ней я постараюсь рассказать об основных моментах в построении мультикоптеров для тех кто с ними не знаком. Хочу сразу предупредить, что все мои знания - это пока что голая теория. Собственный квадрик я еще не построил, а только собираюсь к этому приступить на днях. Информации по этой теме много, поэтому не обсессудьте если я где-нибудь ошибусь - в этом случае прошу меня поправить или дополнить. 

Что представляет собой мультикоптер? Это многороторный летальный аппарат в котором управление моторами осуществляется специальной платой электроники на основе сигналов с датчиков. Эта плата (в обиходе, "мозги" мультикоптера) автоматически контролирует скорость вращения каждого мотора в зависимости от положения аппарата в воздухе, внешних воздействий и сигналов управления. Бывают также и "безмозглые" мультикоптеры, но их строят скорее ради забавы, чем реальных полетов. Количество роторов мультикоптера может быть самым разным - от трех и более. В соответствии с этим количеством, мультикоптер получает приставку: три- квадро - пента- хекса - окта- и т. д. 

Самая простая и распространенная конструкция - квадрокоптер. Трикоптер чуть посложнее, т. к. в его конструкции приходится делать задний винт с управляемым с помощью сервы наклоном, но зато он значительно маневренней. Количество винтов более четырех служит обычно для повышения надежности и грузоподъемности.  Октакоптеры бывают как с 8 лучами, так и с 4, если винты расположены по соосной схеме - сверху и снизу, при этом эффективность их работы несколько уменьшается.

Итак, в чем прелести квадрокоптера и чем квадрокоптеры лучше вертолетов?

1. Простота и надежность конструкции, неприхотливость в эксплуатации.  В квадрокоптере нет никаких лишних движущихся частей - только электроника и моторы, ни одной сервы. При этом масса и момент инерции каждого винта значительно меньше, чем у лопастей вертолетов. Благодаря этому мультикоптеры на порядок дешевле вертолетов в эксплуатации. При аварии страдают обычно винты и рама (реже моторы), причем если рама сделана с умом и в ней предусмотрены специальные легко восстановимые зоны разрушения, то винты остаются единственной необходимой запчастью при авариях. Еще один плюс мультикоптеров - это их неприхотливость. Они без проблем летают в любую погоду.
2. Свобода для творчества.  Мультикоптеры не только дешевле в эксплуатации, но и предоставляют огромный простор для полета творческой мысли. На самом деле это очень важный пункт. Я знаю многих людей, которые забросили другие виды моделизма и полностью ушли в мультикоптеры просто потому, что им очень нравится их конструировать. Так что конструирование мультикоптеров - это еще одно из больших удовольствий от модельного хобби, наряду с ремонтом и, собственно, полетами. В отличие от вертолетов, где все более-менее стандартизировано и заточено под готовые рамы, здесь можно размахнуться по полной - самому выбрать формат, размер, компоновку, самому сделать раму, самому сделать мозги надергав датчиков из китайских джойстиков и прошив какой-нибудь подходящий микроконтроллер (если есть желание) и в итоге получить полностью уникальный аппарат, какого точно ни у кого больше нет, причем его летные качества можно постоянно совершенствовать экспериментируя с различными деталями и компонентами. Впрочем, если в Вас нет конструкторской жилки, можно просто купить комплект для сборки, или даже готовый вариант.
3. Потрясающая стабильность и превосходные летные качества. Квадрокоптер с хорошими мозгами в полете стабильней даже чем соосник, при этом он гораздо более скоростной и маневренный, а также куда лучше справляется с ветром. Умные мозги позволяют по полной использовать самые различные дополнительные датчики, так что собрать беспилотный летательный аппарат на этой платформе проще чем на чем бы то ни было. Если же хочется экстрима - можно отключить стабилизацию и оторваться по полной!
4. Большая эффективность конструкции. Вся тяга винтов идет на удержание модели в воздухе, каждый винт работает максимально эффективно, поэтому аккумулятора хватает на большее чем у вертолетов время, а также модель может нести больше полезного груза.
5. Малые вибрации. Винтов много и они маленькие, поэтому вибраций у мультикоптера гораздо меньше, чем у среднестатистического вертолета. Это, а также два предыдущих пункта сделали мультикоптеры очень распространенным решением для съемки видео и ближних FPV полетов. Профессиональные мультикоптеры уже давно используются при съемках фильмов и репортажных фотографий с воздуха. Да даже некоторые "продвинутые" свадебные фотографы уже обзавелись этой техникой чтобы делать красивые облеты при съемке видео для свадьб. 🙂

В чем же недостатки многороторных систем?

•  Во-первых, мультикоптеры больше похожи на НЛО или какого-нибудь насекомого, чем на привычный всем летающий аппарат. Не всем нравится управлять абстрактным непонятным летающим "нечто", к тому же у мультикоптеров часто возникают проблемы с определением положения носа.
• Во-вторых, большие габариты. Для улицы это не страшно, но очень неудобно при транспортировке. Проблему частично решают складные рамы.
• Ну и в третьих, обычные квадрокоптеры не могут летать в инверте по причине отсутствия коллективного шага лопастей, но это сложно назвать недостатком, т. к. каждому свое и мультикоптерам это просто не нужно, для этого есть вертолеты.

Купить квадрокоптер или собрать самому?

Я изначально планировал купить готовый комплект для сборки, но оказалось что собрать квадрик на простеньких хоббикинговских мозгах где-то в 2 раза дешевле, чем готовые решения и в итоге жаба перевесила. Вернее я решил что для начала сойдет и такой, а в дальнейшем уже видно будет. Продвинутые дорогие мозги для квадрокоптера тоже стоят недешево.

Итак, для тех кто стоит перед выбором какой купить квадрокоптер, могу озвучить 2 общепризнанных в народе лидера:

1. Квадрокоптер Gaui Квадрокоптер (Quad Flyer 330X-S) (в народе ласково именуемый "Гайкой") 

Небольшой квадрокоптер (диаметр по расстоянию до моторов - 330 мм), достаточно старая модель (хоть ее и обновили недавно, после чего она получила свою приставку -S). Достаточно простые мозги без акселлерометров и обилия датчиков, причем вряд ли их будут в дальнейшем дорабатывать и развивать. Тем не менее, этот коптер полюбился многим по причине своей неприхотливости, адской крашеустойчивости и, как ни странно (с учетом простых мозгов), весьма приличных полетных качеств.

2. Квадрокоптер Xaircraft X450

 Младший брат квадрика Xaircraft X650, использующий те же самые мозги. Хороший качественный квадрокоптер с весьма продвинутыми мозгами, которые позволяют расширить его до восьмироторного аппарата и подключить большое количество дополнительных датчиков. Кроме того, работа над проектом еще продолжается и постоянно выходят новые версии и добавляются новые фичи. Для этого квадрокоптера в продаже имеется куча опциональных аксессуаров - складные рамы, подвесы для камер и наборы для апгрейда на старшую модель.

И тот и другой квадрокоптеры стоят приблизительно одинаково - в районе 400 долларов. Есть, конечно, и другие модели - Валкеровская серия "UFO", китайские квадрокоптеры Lotus и FeiYu, но их популярность значительно ниже и я не нашел про них никакой полезной информации на форумах.

Еще, как вариант, можно посмотреть в сторону Blade mQx или Parrot AR Drone первой или второй версии, но эти модели очень сильно отличаются по своему формату от того, что я сейчас рассматриваю, поэтому я и не включил их в список лидеров.

Если же Вы все же решились собрать квадрокоптер своими силами (а я предполагаю что ничего сложного в этом нет), то давайте посмотрим что нам для этого потребуется.

Из чего состоит конструкция квадрокоптера

 Первым делом нужно определиться с форматом будущей модели (размер, число роторов, расположение, компоновка) и мозгами (от этого зависят возможности стабилизации, поддержка датчиков, возможности расширения, летные качества). Если Вы планируете использовать квадрик для съемки и FPV и точно знаете сколько и какого оборудования будете на нем таскать - неплохо бы сразу рассчитать конструкцию на перенос определенного полезного веса. 

Рама

 Достаточно важный элемент коптера, ведь от нее зависит компоновка узлов, внешний вид, эстетика, крашеустойчивость и удобство ремонта. Раму можно сделать самому, или купить готовый комплект для сборки, китайцы сейчас предлагают великое множество самых разнообразных рам. Рама квадрокоптера состоит из четырех лучей и крестовины на которой крепятся мозги. Материал лучей - обычно алюминиевые профили, карбоновые трубки, или дерево. Материал крестовины - пластик, карбон, текстолит или даже фанера. В самом наипростейшем случае можно собрать раму из двух деревянных реек и фанерки (слышал что такая конструкция даже летает 🙂 ). На мой взгляд самый простой и хороший вариант - алюминиевые профили и крестовина из текстолита выпиленного лобзиком. Рамы бывают также складные, это когда лучи сдвигаются друг к другу для переноски. Самый хороший вариант с точки зрения крашеустойчивости - когда лучи сдвигаются при падении и рама просто складывается без значительных поломок. Еще рамы бывают симметричными и со смещенной крестовиной. Несимметричные рамы позволяют вынести видеокамеру ближе к носу, делается это с той целью, чтобы в кадр не попадали пропеллеры передних лучей. Снизу рамы обычно монтируют какие-нибудь лыжи или ножки.

 Мозги

Самый важный элемент мультикоптера, от них напрямую зависит поведение коптера в воздухе и его летные возможности. Сейчас существует огромное количество различных проектов, как профессиональных, так и основанных простыми энтузиастами. Я думаю обзор самых популярных систем электроники для коптеров займет слишком много времени, поэтому постараюсь как-нибудь уделить этому отдельную статью. Важный момент по установке мозгов - обычно они требуют размещения приблизительно на одном уровне с плоскостью вращения винтов в центре воображаемого круга проведенного через оси моторов. Другой важный момент - мозги обязательно требуют виброизоляции от рамы. Чем удачней она будет выполнена, тем проще им будет работать и тем стабильней будет летать квадрокоптер.

Моторы

Тут особых требований нет, подойдут любые бесколлекторные аутраннеры требуемой мощности с kV 800-1200 (меньше - для спокойных полетов, больше - для отжигов).  Тем не менее больше всех популярны несколько конкретных моделей моторов, список которых можно найти на форумах.

Особо котируются низкопрофильные моторы (к сожалению не знаю как такой конструктив называется), правда они и стоят значительно дороже.

ESC ( Electronic Speed Controller, Электронный регулятор хода)

Вот к ESC предъявляются определенные требования. Во-первых, очень важно чтобы у наших ESC время отклика на изменение газа было минимальным - ведь от этого зависит точность контроля полета автоматикой. Во-вторых, у некоторых моделей ESC имеется защита от помех и при быстрых осцилляциях газа от платы управления ESC может принять скачки сигнала за помеху и просто отрубиться. В общем, тут просто лучше использовать проверенные на квадрокоптерах модели. Перед первым полетом необходимо провести специальную процедуру калибровки регуляторов. Как моторы, так и регуляторы лучше брать с запасом по количеству, поскольку нежелательно использовать на одной модели регуляторы и моторы разных серий. К сожалению, качество китайских регуляторов хода не всегда идеальное, а т. к. на квадрокоптере их стоит 4 штуки - вероятность выхода из строя одного из регуляторов многократно повышается. В случае отказа одного из регуляторов шансы плавно посадить квадрик не очень большие. В случае с гекса- и октакоптерами эта проблема практически исчезает. При подборе мощности регуляторов надо помнить что лишний запас мощности - это и лишний вес умноженный на 4. Поэтому лучше ограничиться минимально достаточным значением.

Пропеллеры

 Для квадрокоптера нужны 2 парных пропеллера (2 пропеллера будут вращаться по часовой стрелке, 2 - против часовой). Особенность пропеллеров многороторных систем в том, что в отличие от пропеллеров самолетов, наши пропеллеры работают в условиях низкой скорости набегающего потока воздуха, поэтому пропеллеры для квадрокоптеров - узкие и с небольшим шагом винта. Лучше если они будут разных цветов - для обозначения переда и зада модели.

Крепить пропеллеры на моторы можно различными способами, о них я также расскажу чуть позже.

Соединительные провода, коммутация 

 У мультикоптеров очень много проводов, уложить их красиво - непростая задача. Немного облегчить этот процесс помогает специальна текстолитовая плата с разведенными дорожками питания на которую можно припаять все силовые провода и проводку бортовых огней. Также понадобятся соединительные провода для подключения приемника к мозгам.

Приемник

Упомянул просто чтобы не забыли что он нужен. 🙂

Опознавательные маркеры, навигационные огни

Симметричные квадрики выглядят со всех сторон одинаково, поэтому надо как-то помечать то место где у них перед. В светлое время суток для этого используют пропеллеры разных цветов, специальный шарик-маркер спереди аппарата и раскраску рамы. В темное (да и в светлое тоже, если солнце не сильно ярко светит) - специальные огни на раме. Вообще, огни на квадрокоптере - очень важный и эффектный элемент дизайна. Кроме того что они помогают определить положение аппарата в пространстве, они еще и придают ему НЛО-подобные визуальные свойства. 😀

 Датчики, датчики, датчики 

Минимально необходимый для полета комплект датчиков, который имеют все мозги - это 3 гироскопа. Они помогают удерживать модель от поворота по всем трем осям. Если мозги также имеют акселлерометры, тогда квадрик уже может самостабилизироваться в горизонт. Остальные датчики опциональны и перечисление их возможностей - также потянет на отдельную статью. Сейчас все зависит от ваших потребностей и финансов. Можно поставить датчики измеряющие высоту, температуру, давление, скорость относительно земли, скорость относительно ветра, положение горизонта, направление на север, направление на пилота, расстояние до предметов, сдвиг относительно привязки к изображению, координаты по GPS. Может и еще что-то, я эту тему пока не очень хорошо изучил. Комплекты OSD, телеметрии и автопилота - еще одна подробная тема для разговора.

Полезные мелочи 

Сюда можно отнести, например, индикатор разряда аккумулятора (если нет OSD и телеметрии), а также какую-нибудь девайсину для поиска упавшей вдалеке модели .

Корпус (защитная крышка) 

Мозги квадрика - это обычная электронная плата (или даже несколько), поэтому ее очень желательно защитить от внешних воздействий. Для этих, а также для эстетических целей и служит защитная крышка-корпус. Тут все зависит от фантазии владельца, используют все, что попадется под руку - коробки от CD дисков, пластиковую посуду, обрезки канистр и т. д. 😀

Крепеж (подвес) камеры

Если на вашем квадрике будет установлена камера, то надо подумать о ее крепеже. В простейшем варианте - это, конечно, просто жесткая фиксация. В более сложном - управляемый подвес, в еще более сложном - управляемый подвес с отдельной электроникой для автостабилизации. Этот узел обычно размещают снизу между лыжами мультикоптера, которые при этом значительно удлиняются в высоту. 

Вот вроде бы и все что понадобится. Какие моменты я еще забыл упомянуть? Квадрокоптеры бывают двух схем: + и х. У квадрокоптера схемы + перед модели приходится аккурат на один из винтов, у квадрокоптера схемы х - на середину между винтами. Для съемки видео по понятным причинам используется x-конфигурация, поэтому себе я буду собирать именно ее.

При компоновке деталей квадрика нужно стремиться к тому, чтобы центр тяжести также приходился на середину диаметра круга моторов и был как можно больше собран в одну точку, чтобы уменьшить момент инерции лучей аппарата. Чем меньше вибраций будет создавать аппарат, тем стабильней он будет держаться в воздухе, поэтому моторы желательно также крепить не жестко, а через какой-нибудь промежуточный элемент гасящий вибрации, а сами моторы и пропеллеры динамически балансировать.

Резюме

 Если большие уличные вертолеты слишком сложны и дороги для Вас, если в Вас горит тяга к творчеству и съемке красивых видео, если руки чешутся собрать что-нибудь самому и если Вас не пугает управление непонятным жукообразным НЛО - попробуйте квадрокоптеры. 🙂 Причем, данный класс радиоуправляемых летающих моделей можно рекомендовать даже для абсолютных новичков в пилотировании.

8 комментариев к записи “Начинаем знакомство с квадрокоптерами”