Categories
Різне

Квадрокоптер

Квадрокоптер (Quadcopter) – мультироторний вертоліт, який піднімається і рухається за допомогою чотирьох роторів. Квадрокоптер відносять до вертолітної техніки, тому що їх підйом породжується набором роторів, вертикально орієнтованих гребних гвинтів.

Управління рухом транспортного засобу досягається шляхом зміни швидкості обертання одного або декількох дисків ротора, тим самим змінюючи навантаження крутного моменту і тяги.

Квадрокоптер
Коаксіальний квадрокоптер – спостерігач OnyxStar FOX-C8 XT Observer від AltiGator

Безпілотний літальний апарат (БПЛА) квадрокоптер став популярним зовсім недавно. Ці транспортні засоби для стабілізації використовують електронну систему управління і електронні датчики літаків. З маленьким розміром і гнучкою маневреністю квадрокоптери можуть підніматися в приміщенні і на відкритому повітрі.

Квадрокоптер
Прототип літаючого дрона Parrot AR. Drone

У квадрокоптерів в порівнянні з масштабними вертольотами є декілька переваг. По-перше, квадрокоптери обертаються, не вимагаючи механічних зв’язків варіювання кута нахилу леза ротора. Це спрощує конструкцію і обслуговування транспортного засобу. По-друге, використання одразу чотирьох роторів дозволяє кожному окремому мати менший діаметр, що робить транспортний засіб більш безпечним при тісній взаємодії і дає можливість витрачати меншу кінетичну енергію під час польоту. Деякі малі квадрокоптери мають каркас, який огороджує ротори і дозволяє рейси в більш складних умовах і з більш низьким ризиком пошкодження.

Квадрокоптер
Взліт Parrot AR. Drone 2.0, Nevada, 2012

Із історії будівництва. В 1907 році відбулися перші спроби запустити Breguet-Richet Gyroplane – вертоліт з чотирма роторами, розроблений Луї Бреге. Це був перший роторний літак, який підняв себе з землі на висоту декількох футів. У 1908 році було повідомлення, що цей літак пролетів кілька разів.

Квадрокоптер
Квадракоптер Д-ра Ботезата

В 1920-і роки Етьєн Oehmichen експериментував з конструкцією Rotorcraft. Його вертоліт №2 мав чотири ротора і вісім гвинтів, приводився в дію одним двигуном. Каркас був зроблений із сталевих труб з двома лопатевими роторами. Кут цих лопатей міг бути змінений шляхом деформації. П’ятий з гвинтів (спінінг) в горизонтальній площині направляв машину вбік. Інший гвинт було встановлено на носі для рульового управління і пару гвинтів встановили для руху вперед. Для свого часу цей гвинтокрил мав значний ступінь стійкості і керованості, в середині 20-х років зробив більше тисячі випробувальних польотів. До 1923 року він вже був в змозі залишатися в повітрі протягом кількох хвилин.

14 квітня 1924-го – перший в історії FAI (Flight Ambulance International) рекорд дальності для вертольотів – 360 м (390 ярдів), продемонстровано круговий хід довжиною в 1 км – політ із замкнутим контуром.

Квадрокоптер
Найпростіший квадракоптер

У 1922 – д-р George de Bothezat та Ivan Jerome розробили літальний апарат з шістьма лопатевими роторами наприкінці X-подібної структури. Два маленьких гвинти зі змінним кроком були використані для керування тягою і поворотом. В транспортному засобі використовувалося колективне управління по тангажу (фр. tangage — кильова хитавиця, кутовий рух літального апарата).

Побудований Повітряною службою перевезень США, цей вертоліт здійснив свій перший політ у жовтні 1922 року (до кінця 1923 року було здійснено близько 100 польотів). Незважаючи на демонстрацію доцільності, вертоліт був недостатньо потужним, механічно складним і сприйнятливий до проблем надійності. Під час спроби бічного руху робоче навантаження пілота було занадто високим.

Модель A Quadrotor Convertawings 1956 року – унікальний вертоліт, мав стати прототипом лінії набагато більших цивільних і військових вертольотів. Мав два двигуни, що керували чотирма роторами через систему ременів v. Мав вдосконалений дизайн, жодного хвостового ротора не було. Управління відбувалося шляхом зміни тяги між роторами. В середині 1950-х років успішно здійснив велику кількість вильотів. Це перший чотирьохроторний вертоліт, який продемонстрував прямолінійний політ. Проте, через відсутність комерційних замовлень проект був припинений.

Компанія Convertawings запропонувала модель E: максимальна вага 19 т з корисним навантаженням 4,9 т, дальність польоту 300 миль зі швидкістю 278 км за годину.

1958 рік – Curtiss-Wright VZ-7 був літаком VTOL, розроблений компанією Curtiss-Wright для армії США. VZ-7 контролювався зміною тяги кожного з чотирьох гвинтів. На початку 1960-х років у компанії Lockheed California Томасом Ф. Хансоном, який раніше працював у Convertawings над конструкцією ротора та системами керування квадроротом, було завершено роботу над ротором без підшипників.

В останні десятиліття потреба в літальних апаратах з більшою маневреністю і здатністю до зависання призвела до зростання досліджень. Конструкції з чотирма роторами є відносно простими, але дуже надійними та маневреними. Дослідження тривають. Деякі сучасні програми включать концепцію Боїнга Quad Tiltrotor (концепція фіксованого квадрокоптера з нахилом ротора від військового C-130). Якщо всі ці розвинені якості об’єднають разом, квадрокоптери можна буде застосовувати до передових автономних місій, які зараз поки що неможливі для будь-якого іншого літального апарату.

Квадрокоптер
Дрон своїми руками 1

Aermatica Spa Anteos – перший гвинтокрил РПА (безпілотний літак), що отримав офіційний дозвіл на польоти в повітряному просторі італійської цивільної авіації (ENAC).

Квадрокоптер
Дрон своїми руками

AeroQuad і ArduCopter – апаратні і програмні проекти з відкритим вихідним кодом на основі Arduino для DIY-виробництва квадрокоптерів.

Parrot AR.Drone – невеликий радіокерований квадрокоптер з підключеною до нього камерою, побудований Parrot SA, розроблений для керування зі смартфонів або планшетних пристроїв.

Дослідження платформи Quadcopters є корисним інструментом для університетських дослідників для перевірки і оцінки нових ідей в ряді різних областей, теорій управління польотом, навігацій в реальних системах часу і робототехніці. В останні роки багато університетських розробок для виконання все більш складних повітряних маневрів квадрокоптерів введено в експлуатацію. Полчища квадрокоптерів тепер можуть зависати в повітрі, автономно формувати і виконувати складні сальто або літати групами через вікна і хулахуп.

Квадрокоптер
Дрон своїми руками 3

Існують численні переваги в використанні квадрокоптерів в якості універсальних тестових платформ. Вони відносно дешеві, доступні в різних розмірах і їхня механічна конструкція може бути сконструйована навіть любителями.

Quadcopters-проекти, як правило, є спільною роботою для фахівців з інформатики, електротехніки та машинобудування. Сучасні квадрокоптери маневрені, здатні до автономного польоту, можуть бути корисними в різних ситуаціях і умовах. В даний час деякі інженерні дослідні лабораторії світового класу працюють над розвитком більш передових методів управління квадрокоптерів. До них в основному належать Aerospace Массачусетського технологічного інституту і GRASP Laboratory Пенсильванського університету.

Безпілотні квадрокоптери використовуються військовими та правоохоронними органами для спостереження та розвідки, а також для пошуково-рятувальних місій. Один з таких прикладів є Aeryon Scout, створений канадською компанією Aeryon Labs, який являє собою невеликий БПЛА, може спокійно парити на місці і використовувати камеру для спостереження за людьми та об’єктами на землі. Компанія стверджує, що безпілотник грає ключову роль в контролюванні наркоторгівлі в глибоких джунглях Центральної Америки. В США квадрокоптери найбільше використовувалися для аерофотозйомок.

В США законність використання БПЛА в комерційних цілях була предметом дискусій. 6 березня 2014 р. в судовій справі між Pirker і ФАУ суддя виніс рішення проти претензій ФАУ, підтверджуючи, що на модель літального апарата не поширюються правила FAA.

У грудні 2013 року Deutsche Post привернули увагу міжнародних засобів масової інформації до проекту Parcelcopter, в якому компанія проводила випробувальну дрон-доставку і відвантаження виробів медичного призначення. Використаним Microdrones md4-1000 пакети були доставлені в аптеку через річку Рейн. Це була перша цивільна пакет-доставка.

Квадрокоптер
Схема розташування пропелерів квадрокоптера

Принципи роботи квадрокоптера. Кожен ротор виробляє тягу і крутний момент навколо центру обертання, а також силу опору, направлену в протилежному від напрямку польоту літального засобу.

Квадрокоптер
Рівна тяга на всіх 4-х роторах квадрокоптера при регулюванні висоти

Якщо всі ротори обертаються з однаковою кутовою швидкістю, перший і третій ротори обертаються за годинниковою стрілкою, другий і четвертий – проти годинникової стрілки, відбувається чистий аеродинамічний момент, і, отже, кутове прискорення навколо осі нишпорення, в точності дорівнює нулю, звідки випливає, що відхилення від курсу стабілізації ротора звичайних вертольотів не потрібно.

Квадрокоптер
Quadrotor регулює подачу або крен шляхом застосування більшої тяги до одного ротора і менше тяги до діаметрально протилежного ротора

Відхилення викликається невідповідністю балансу аеродинамічних моментів (тобто шляхом виключення функції кумулятивної тяги команд між протилежно обертовими парами лопатей).

Квадрокоптер
Ротори обертаються в одному напрямку (квадрокоптер застосовує велику тягу при регулюванні відхилення від курсу)

Основні механічні компоненти, необхідні для приладу, це рама, гвинти (зі змінним або фіксованим кроком) і електродвигуни. Для кращої продуктивності і найпростіших алгоритмів управління. Двигуни і повітряні гвинти повинні бути поміщені на однаковій відстані.

Квадрокоптер
Динаміка польоту квадрокоптера

Останнім часом завдяки своїй легкості і структурній жорсткості стали популярні композити з вуглецевого волокна. Електричні компоненти, необхідні для створення робочого квадрокоптера, схожі на ті, які необхідні для сучасних вертольотів: електронний блок управління з частотою обертання, бортовий комп’ютер або плата контролера, батареї, передавач.

Квадрокоптер
Квадрокоптери в дії

Квадрокоптери та інші мультикоптери часто можуть літати автономно. Багато сучасних диспетчерів використовують програмне забезпечення, яке дозволяє користувачеві визначити точку шляху на карті, до якої полетить квадрокоптер, і виконувати завдання, такі як посадка або набирання висоти.

Квадрокоптер
Фото телескопа ALMA (Атакама), отримане за допомогою Quadcopter

Інші додатки включають контроль за натовпом між декількома квадрокоптерами, де візуальні дані від пристрою використовуються для прогнозування, куди натовп буде рухатися, і, в свою чергу, до тієї точки направити квадрокоптер.