Элементы мультикоптера, бортовой электроники и наземного оборудования

Рама мультикоптера

Рама мультикоптера — конструкция, состоящая, как правило, из нескольких лучей, на которых крепятся двигатели, основной площадки, на которой располагается вся электроника и верхней площадки, защищающей все электронные компоненты.

Рамы изготавливают из различных материалов, от дерева, до композитных, таких как карбон (углепластик).

Полётный контроллер

Полётный контроллер — это «мозг» любой мультироторной системы. Он имеет множество входов и выходов для получения управляющего сигнала, его обработки и передачи различным исполнительным устройствам.

На полётном контроллере любого мультикоптера установлен чип MPU, который объединяет в себе трёхосевой гироскоп, трёхосевой акселерометр и цифровой процессор обработки движения (DMP), который способен обрабатывать комплексные алгоритмы по 9 осям. Элементы с motion fusion алгоритмами по 9 осям обладают доступом к внешним магнитометрам или другим датчикам через дополнительную I2C шину, позволяя устройству собирать полный набор данных датчиков без вмешательства системного процессора. Проще говоря, чип MPU является основным элементом, участвующем в формировании полёта квадрокоптера.

Также, наряду с чипом MPU, на полётном контроллере установлен ещё один не менее важный чип — STMF4, который является командным центром для всех систем полётного контроллера. В нём хранится прошивка — программная часть полётного контроллера.

К функциям полётного контроллера относится:

● Стабилизация аппарата в воздухе;

● Удержание высоты при помощи барометрического высотомера или иных датчиков;

● Удержании позиции при помощи GPS/ГЛОНАСС;

● Автоматический полёт по заданным заранее точкам (опционально);

● Передача на землю текущих параметров полёта с помощью радиомодема или Bluetooth (опционально);

● Обеспечение безопасности полёта (возврат в точку взлёта при потере сигнала, автопосадка);

● Остановка перед препятствием (для мультикоптеров) или облет препятствий (для самолётов) при наличии датчиков;

● Подключение дополнительной периферии: OSD, светодиодной индикации и т.д.

Количество функций зависит от наличия на борту мультикоптера соответствующей периферии, в недорогих контроллерах ряд функций может отсутствовать.

В качестве микропроцессорной основы полётных контроллеров чаще всего используются популярные 8-битные микроконтроллеры фирмы Atmel семейства ATMega, а с середины 2010-х годов — и более производительные AVR32 и STM32 на основе микропроцессорного ядра ARM7. В состав полётного контроллера обязательно входят датчики ускорений и датчики угловой скорости.

Оснащённый таким минимальным набором датчиков полётный контроллер способен обеспечить устойчивость аппарата в воздухе, однако не способен обеспечить его удержание в заданной точке, полёт по заданной траектории и возврат в точку старта. Тем не менее, для мультикоптеров-игрушек и гоночных мультикоптеров этого достаточно.

Для мультикоптеров, несущих полезную нагрузки, а также для БПЛА самолётного типа, применяют более сложные полётные контроллеры, содержащие большее количество датчиков. Магнитометрический датчик позволяет стабилизировать ориентацию аппарата относительно магнитного меридиана. Барометрический датчик обеспечивает стабилизацию барометрической высоты полёта аппарата и выполнение его автоматической посадки в точке старта. Ультразвуковые, лазерные или радиотехнические высотомеры дают возможность удерживать высоту с большей точностью, совершать автоматическую посадку в любой точке, облетать препятствия. Приёмник GPS/ГЛОНАСС позволяет стабилизировать положение аппарата, осуществлять автоматический полёт по маршруту и автоматический возврат в точку старта. С целью повышения безопасности эксплуатации или выполнения специальных операций могут применяться и другие датчики.

Электродвигатель

На всех рассматриваемых нами мультикоптерах используются электродвигатели постоянного тока, подразделяемые на коллекторные и бесколлекторные.

Коллекторный электродвигатель — простейший по реализации электродвигатель, имеющий в своём составе ротор с обмотками, статор с постоянными магнитами, положительными с одной стороны и отрицательными — с другой, коллектор (две металлические пластины, подключённые к статору) и щётки, контактирующие с коллектором.

Чтобы запустить такой двигатель, достаточно подать на него постоянный ток, при изменении напряжения будет изменяться частота вращения ротора. При невысокой стоимости и простоте, этот тип дигателя отличается меньшим КПД, высоким электрическим шумом и малым ресурсом. По этим причинам коллекторный двигатели обычно применяются лишь на самых простых и миниатюрных мультикоптерах.

Бесколлекторный электродвигатель отличается высоким КПД и большим сроком службы при соблюдении условий эксплуатации, в нём отсутствуют коллектор и щётки, соответственно, из трущихся деталей остаются лишь шариковые подшипники, трение в которых минимально. Трёхфазный двигатель, применяемый на мультикоптерах, имеет три обмотки, в каждый момент времени напряжение подаётся на две из них, третья при этом выключена, происходит постоянное переключение между обмотками, что формирует вращающиеся магнитное поле. Для синхронизации вращения, положение ротора определяется по обратной ЭДС от выключенной обмотки. Чтобы запустить такой двигатель, не достаточно просто подключить источник постоянного тока — необходимо использовать специальный регулятор оборотов, речь о котором пойдёт ниже.

В отличие от коллекторного двигателя, у бесколлекторного вращается ротор с магнитами, а статор с обмотками неподвижен. Различают инраннеры (с внутренним ротором) и аутраннеры (с внешним). Вторые как правило используются для мультикоптеров ввиду большего крутящего момента и как следствие — отсутствия необходимости в понижающем редукторе.

Основные параметры бесколлекторного электродвигателя, как правило, зашифрованы в его названии. Рассмотрим пример на иллюстрации выше.

X2204-16 KV: 2300

● 22 мм — диаметр статора;

● 4 мм — высота статора;

● KV: 2300 — этот параметр означает число оборотов ротора электродвигателя за одну минуту без нагрузки при напряжении 1 вольт, в нашем случае — 2300 Об/В.

Другие технические характеристики, важные при проектировании и постройке БПЛА, рассчитываются производителем или выводятся им экспериментально, после чего вносятся в таблицы следующего вида:

Как мы можем видеть, в таблице приведены не только расчётные данные, но и результаты практических тестов с различными воздушными винтами и аккумуляторами.

Электронный регулятор оборотов

Регуляторы оборотов (ESC, также встречаются названия «регулятор хода» и «регулятор скорости») — устройство для передачи энергии от аккумулятора к электродвигателям мультикоптера и изменения частоты вращение ротора. Также от подключения к регулятору зависит направление вращение двигателей, неоторые регуляторы позволяют менять направление вращения в процессе работы.

Принцип работы отличается в зависимости от типа двигателя: изменение напряжения при использовании коллекторного электродвигателя, либо поочерёдное включение и выключение обмоток для бесколлекторного.

Регулятор для бесколлекторных электродвигателей, как правило, представляет собой программируемое устройство. Он позволяет не только менять обороты и направление вращения двигателя, но и обеспечивать в зависимости от необходимости плавный или резкий старт, ограничение по максимальному току, функцию "тормоза" и ряд других тонких настроек двигателя под нужды пользователя. Для настройки такого регулятора используются специальные программаторы, либо устройства для подключения регулятора к компьютеру, в полевых условиях это также можно сделать при помощи ручки передатчика (может быть доступен не полный перечень настроек).

Также регулятор оборотов подключается к полётному контроллеру через сигнальные (управляющие) кабели, по которым он получает команды оператора, обработанные системой автоматического управления.

Большинство современных регуляторов для рассматриваемых нами БПЛА используют прошивку BLHeli, она специально разработана для мультикоптерных регуляторов, главное преимущество которых — обеспечение минимального времени реакции ВМГ мультикоптеров на управляющие сигналы пилота и изменяющиеся условия окружающей среды в целях достижения максимального качества стабилизации.

Основные характеристики регулятора оборотов, как правило, указываются в виде наклейки на корпусе устройства.

На иллюстрации выше мы видим следующие параметры:

● Рабочий ток — до 20 А;

● Работает с аккумуляторами от 3 до 4S (о том, что это означает, мы расскажем ниже);

● Установлена прошивка BLHeli S;

● Поддерживаемый протокол передачи данных между регулятором и двигателем Dshot.

Воздушный винт

Поскольку во вступительной части мы достаточно подробно рассмотрели теорию воздушного винта, здесь мы остановимся на вопросов его практического применения для мультикоптеров.

Установившийся на сегодня стандарт — указывать диаметр и шаг воздушного винта в дюймах — пришёл из авиамоделизма. Эти параметры могут присутствовать в названии как прямым текстом, так и в виде четырёхзначного индекса, рассмотрим примеры:

● 5x3”: диаметр винта — 5 дюймов, шаг — 3 дюйма;

● 5030: аналогично;

● 1147: диаметр винта — 11 дюймов, шаг — 4,7 дюйма.

Также в названии воздушного винта некоторых производителей могут присутствовать такие буквы, как E, W, SF и т.д. Они означают тип воздушного винта, который характеризуется его геометрией, круткой, жёсткостью лопасти и массой.

Для мультикоптеров применяют винты, имеющие две и более лопасти. Следует заметить, что с точки зрения КПД оптимальным будет однолопастной воздушный винт, однако его реализация на практике затруднительна ввиду большого потребного диаметра и сложностей с балансировкой. При увеличении количества лопастей появляется возможность при сохранении диаметра винта использовать более мощные двигатели, однако КПД винтомоторной группы в этом случае снижается. Также следует отметить, что многолопастные винты менее шумные, что важно при решении многих задач.

Воздушные винты выбирают исходя из рекомендаций производителей двигателей, которые указываются в таблицах, аналогичных приведённой выше. Также популярны такие программы, как eCalc, рассчитывающие параметры ВМГ. Их использование полезно для подбора винтов, однако они не способны полностью заменить результаты практических измерений.

В общем идеальном случае, увеличивая диаметр воздушного винта, мы повышаем его статическую тягу, а увеличивая шаг — скорость потока, соответственно, повышая КПД винта на высокой скорости полёта. Однако стоит заметить, что просто увеличить оба значения невозможно — в этом случае возрастёт нагрузка на двигатель и резко снизится эффективность ВМГ. Именно по этой причине подбор винта — сложная компромиссная задача.

Общие понятия аэродинамики винта

Воздушный винт (пропеллер) — лопастной агрегат, работающий в воздушной среде, приводимый во вращение двигателем и являющийся движителем, преобразующим мощность (крутящий момент) двигателя в силу тяги. Воздушные винты, выполняющие (помимо функций движителя), дополнительные, либо иные функции, имеют специальные названия: ротор, маршевый винт, несущий винт (винтокрылых летательных аппаратов), рулевой винт, фенестрон, импеллер, вентилятор, ветряк, винтовентилятор и т.д.

Воздушный винт, работающий в качестве движителя, в сочетании с двигателем образуют винтомоторную группу (ВМГ), входящую в состав силовой установки.

Воздушный винт применяется в качестве движителя для мультикоптеров, самолётов, автожиров, цикложиров (циклокоптеров) и вертолётов с поршневыми, турбовинтовыми и электрическими двигателями, а также для экранопланов, аэросаней, аэроглиссеров и судов на воздушной подушке. У автожиров и вертолётов воздушный винт применяется также в качестве несущего винта, а у вертолётов и в качестве рулевого винта. В зависимости от наличия возможности изменения шага (угла установки) лопастей, воздушный винт подразделяются на винты фиксированного и изменяемого шага. В зависимости от расположения относительно конструкции летательного аппарата или наземного транспортного средства, воздушные винты делятся на тянущие и толкающие.

Вращаясь, лопасти винта захватывают воздух и отбрасывают его в направлении, противоположном движению аппарата. Перед винтом создаётся зона пониженного давления, за винтом — повышенного.

Вращение лопастей воздушного винта приводит к разворачивающему эффекту, воздействующему на летательный аппарат, причины которого в следующем:

● Реактивный момент винта. Любой воздушный винт, вращаясь в одну сторону, стремится накренить самолёт или развернуть вертолёт в противоположную сторону. Именно из-за этого возникает асимметрия в поперечном управлении самолётом. Например, самолёт с винтом левого вращения совершает развороты, перевороты и бочки вправо гораздо легче и быстрее, чем влево. Этот же реактивный момент является одной из причин неуправляемого увода самолёта вбок в начале разбега.

● Закручивание струи винта. Воздушный винт закручивает воздушный поток, что вызывает несимметричный обдув плоскостей и хвостового оперения справа и слева. Несимметричность потока хорошо видна при авиационных химработах по рассеиванию распыляемого вещества.

● Гироскопический момент винта. Любое быстровращающиеся тело имеет гироскопический момент (эффект волчка), заключающиеся в стремлении сохранить своё положения в пространстве. Если принудительно заставить ось вращения гироскопа наклониться в какую-либо сторону, например вверх или вниз, то она не только будет противодействовать этому отклонению, но и уходить в направлении, перпендикулярном произведённому воздействию, то есть в данном случае вправо или влево. Так, при изменении в установившемся горизонтальном полёте угла тангажа, самолёт будет стремиться самостоятельно изменить курс, а при начале разворота возникает стремление к самостоятельному изменению угла тангажа.

Все три причины отклонений — реактивный момент, закручивание струи и гироскопический момент винта всегда действуют в одну сторону: при винте левого вращения разворачивают летательный аппарат вправо, а при винте правого вращения — влево. Этот эффект проявляется особенно сильно на одномоторных самолётах с мощным двигателем при взлёте, когда самолёт движется с небольшой поступательной скоростью и эффективность воздушных рулей низкая. С ростом скорости разворачивающий момент ослабевает ввиду резкого увеличения эффективности рулей и большего воздействия аэродинамических сил по сравнению с инерционными.

Для компенсации разворачивающего момента все одномоторные самолёты с одним винтом делают несимметричными — как минимум, отклоняют руль направления от строительной оси самолёта, либо устанавливают двигатель под углом к строительной оси (применяют выкос). Данного недостатка лишены соосные воздушные винты (два винта вращаются на одной оси в противоположной направлениях). Реактивный и гироскопический момент также присущ, хоть и в меньшей степени, всем турбореактивным двигателям и учитывается в конструкции самолёта. Для компенсации реактивного момента несущего винта вертолёта классической схемы приходится применять рулевой винт, предотвращающий вращение фюзеляжа.

Технические параметры воздушного винта

Определяющими параметрами являются диаметр и шаг винта. Шаг винта соответствует воображаемому расстоянию, который прохоит винт в несжимаемой среде за один оборот. Существуют винты с возможностью изменения шага как на земле, так и в полёте. Последние получили распространение в 1930-х годах и применяются на большинстве самолётов, за исключением многих легкомоторных, а также на всех вертолётах. В первом случае изменение шага требуется из-за необходимости получения большой тяги в широком диапазоне скоростей при незначительно изменяющихся или постоянных оборотах двигателя, соответствующих максимальной мощности, а во втором — из-за невозможности быстрого изменения оборотов несущего винта большого диаметра.

КПД воздушного винта

КПД (коэффициентом полезного действия) воздушного винта называют отношение полезной мощности, затрачиваемой на преодоление сопротивления движению летательного аппарата, к мощности двигателя. Чем ближе КПД к 1 (100% мощности двигателя преобразуется в полезную мощность), тем большую скорость, тяговооружённость (отношение тяги, создаваемой ВМГ к массе летательного аппарата) и грузоподъёмность может иметь летательный аппарат при той же мощности двигателя.

Аккумулятор

Аккумулятор (аккумуляторная батарея) — источник энергии любого электродвигателя, применяемого для БПЛА. Именно достижения в области аккумуляторной химии позволили довести идею мультикоптера не только до воплощения в жизнь, но и до практического применения в самых разных областях. Для современных БПЛА обычно применяются литий-полимерные (LiPo) аккумуляторы. Один элемент такого аккумулятора имеет номинальное напряжение 3,7 В (полностью заряженный элемент — 4,2 В, полностью разряженный — 3В). Также с недавнего времени получили распространения LiHV (высоковольтные) аккумуляторы, которые также относятся к разновидностям литий-полимерных, однако номинальное напряжение элемента составляет 3,85 В.

При параллельном соединении элементов увеличивается ёмкость аккумуляторной батареи, а при последовательном — напряжение. Производители аккумуляторов обозначают последовательное соединение элементов латинской буквой S, параллельное — P. Например, 3S2P означает две соединённых параллельно сборки из соединённых последовательно трёх элементов. На иллюстрации ниже указано, какие характеристики будет иметь аккумуляторная батарея при последовательном и параллельном соединении двух элементов ёмкостью 3500 мАч.

Характеристики аккумуляторов в большинстве случаев указываются производителями на наклейке. На иллюстрации выше мы видим батарею со следующими характеристиками:

● 1300 mAh — номинальная электрическая ёмкость аккумулятора в миллиампер-часах;

● 75C — токоотдача, параметр, выражаемый в безразмерном коэффициенте, умноженном на номинальную ёмкость аккумулятора. Обозначает максимальную силу тока, которую может отдавать аккумулятор в миллиамперах. В нашем случае 40×800 = 32000 мА = 32 А;

● 11.1V — номинальное напряжение аккумулятора составляет 7,4 В, также может обозначаться как 2S (два элемента последовательно);

● 14.4Wh — количество производимой электроэнергии в ватт-часах. Редко используется для расчётов, однако может иметь значение при законодательном регулировании перевозки аккумуляторов воздушным транспортом.

Аппаратура радиоуправления

Система радиоуправления БПЛА состоит из радиопередатчика, находящегося в руках оператора, и радиоприёмника, расположенного на борту аппарата.

Передатчик (также часто называемым пультом) имеет две ручки управления, отвечающие за контроль по основным четырём каналам (крен, тангаж, рысканье (курс) и обороты двигателей). Дополнительные тумблеры, кнопки и ручки могут использоваться как для команд различном дополнительным устройствам и функциональному оборудованию, так и для переключения настроек и активации различных автоматических режимов. На экране передатчика отображаются текущие настройки, а также, при наличии обратной связи с летательным аппаратом, данные о полёте, качестве сигнала и состоянии различных бортовых систем (данные телеметрии).

Приёмник, находящийся на борту мультикоптера, получает команды оператора, обработанные микропроцессором передатчика в зависимости от выбранных настроек, по беспроводному каналу. Сигнал от приёмника поступает либо непосредственно к исполнительным устройствам, таким как сервоприводы и регуляторы оборотов (такой способ применяется на авиамоделях), либо на полётный контроллер для последующей обработки.

Для радиоуправления используются различные частотные диапазоны, самый распространённый на сегодняшний день — от 2400 до 2483,5 МГц, для краткости также называемый 2,4 ГГц. Он используется для сетей WiFi и по этой причине хорошо освоен производителями оборудования. Выбор свободного радиоканала происходит автоматически, у большинства современных систем — по методу ППРЧ (псевдослучайная перестройка рабочей частоты) (в зарубежных источниках — FHSS).

FPV-оборудование

FPV (first person view) — вид от первого лица. Передача изображения с борта в БПЛА в реальном времени не только делает управление более удобным для оператора, но и позволяет выполнять полёты на большие расстояния, когда визуальный контроль положения мультикоптера невозможен. Кроме того, эта функция необходима для съёмки с воздуха. Рассмотрим основные компоненты FPV-оборудования.

Видеокамера небольшого размера и массы служит для того, чтобы видеть образ полёта глазами воображаемого пилота на борту аппарата. Зачастую такая камера имеет собственный накопитель для съёмки фото и записи видео. В большинстве случаев применяются CMOS и CCD матрицы и объективы со стандартной резьбой М8, различные по углу обзора и фокусному расстоянию.

На многих промышленных БПЛА применяется несколько видеокамер для кругового обзора, а также устанавливаются на управляемых гиростабилизированных подвесах отдельные камеры для аэрофотосъёмки и видеосъёмки. В этом становится доступным изображение не только репортажного, но и кинематографического качества.

Видеопередатчик, как следует из его названия, передаёт изображение с борта летательного аппарата оператору по беспроводному каналу. Как правило используется узкополосная передача в частотном диапазоне 5,725-5,850 МГц (5,8 ГГц). Количество доступных для выбора радиоканалов всегда указывается производителем видеопередатчика, например, 48CH — 48 каналов.

Монитор, видеошлем или видеоочки служат для вывода изображения. Могут использоваться как бытовые устройства, так и специализированные для FPV. Видеоприёмник подключается к монитору, либо интегрирован в его конструкцию.

OSD (on screen display) — аналог индикатора на лобовом стекле в кабинах современных самолётов и вертолётов. Позволяет не только получать изображение с борта, но и видеть показания «приборов»: скорость, высоту, удаление от оператора, уровень сигнала, положение аппарата в пространстве и другие необходимые параметры.

Антенны — очень важная составляющая для качественной передачи и приёма видеосигнала. Делятся на антенны линейной и круговой поляризации. Для достижения лучшего качества сигнала рекомендуется использовать один тип антенн.

При FPV-полётах важно избежать пересечения частот передачи видео с другими операторами. Производители указывают доступные для выбора частоты в таблицах (частотных сетках) приведённого ниже образца, где по горизонтали — полосы частот, а по вертикали — номера каналов.

Организаторами соревнований гоночных квадрокоптеров как стандарт принят специальный набор радиоканалов Race Band, исключающий пересечения частот и создание помех другим участникам.

Дополнительное оборудование

Перечисленные в этом разделе устройства не являются обязательными для обеспечения полёта мультикоптера, однако их применение может повысить уровень автоматизации, безопасность и позволяет выполнять специальные задачи.

GPS-приёмник устанавливается на мультикоптеры для реализации функции удержания позиции по GPS-координатам и автоматического полёта по заранее запрограммированному маршруту (в последнее время для обеспечения ещё большей точности также принимаются сигналы российской навигационной системы ГЛОНАСС и европейской Галилео). Использование такого оборудования также даёт возможность возврата в точку взлёта в случае потери сигнала радиопередатчика. Как правило, вместе с антенной GPS на плате установлен магнитометр, это обусловлено особенностью влияния на приёмник наводок, создаваемых силовыми кабелями. Антенну GPS обычно выносят на дополнительной стойке подальше от источников помех.

Ультразвуковой сонар устанавливается на мультироторные летательные аппараты для более точного зависания на малых высотах или для обнаружения препятствий. Для аналогичных целей также применяют инфракрасные и оптические датчики. Многие из современных БПЛА для профессионального применения имеют полный набор датчиков для кругового обзора, исключающих возможность столкновения аппарата с какими-либо объектами.

Гиростабилизированный подвес камеры необходим для осуществления качественной видеосъёмки. Он имеет имеет три небольших бесколлекторных двигателя и специальную плату для его работы с собственным гироскопом. Благодаря подвесу, камера всегда находится в горизонтальном положении, независимо от движений носителя (летательного аппарата). Также многие трёхосевые подвесы дают возможность отдельного управления положением камеры, некоторые профессиональные БПЛА по этой причине нуждаются в наземном экипаже из двух операторов, делящих между собой обязанности управления аппаратом и съёмки.

Инструменты для сборки и обслуживания

Вы можете пропустить этот раздел, если ваш набор состоит из готовых к полёту мультикоптеров, однако в случае, если вы в дальнейшем хотите развивать профессиональные навыки, мы в любом случае рекомендуем ознакомиться с ним.

Залогом качественного соединения всех электронных компонентов является пайка. Выбор конкретной модели паяльника зависит от ваших предпочтений, рекомендуется использовать прибор мощностью 60 Вт. Это оптимальный вариант, достаточный для того, чтобы аккуратно припаять тонкие провода, например от видеопередатчика или сигнальные кабели регулятора оборотов, а также для того, чтобы достаточно качественно прогреть силовые кабели и разъёмы аккумулятора. Необходимо иметь свинцово-оловянный припой и флюс.

Для того, чтобы не обжигать пальцы при пайке, рекомендуется использовать пинцет, желательно тонкий. Им достаточно удобно манипулировать в условиях нехватки места и работы с небольшими компонентами и деталями.

Чтобы жилы проводов не торчали в разные стороны, их аккуратно подрезают бокорезами. Также ими удобно зачищать конец провода от изоляции для последующей пайки. С зачисткой тонких проводов могут быть проблемы, для начала потренируйтесь на ненужном куске. Термоусадочная трубка потребуется для изоляции паяных соединений.

Сборка узлов рамы и установка двигателей требует наличия отвёрток, как правило все винты имеют в шляпке шестигранные внутренние шлицы, по этой причине рекомендуется набор шестигранных ключей или отвёрток от 1.5 до 3 мм. Для установки воздушных винтов может потребоваться торцевой или рожковый ключ, по размеру соответствующий гайке.

И наконец, главный инструмент для работы — это ваши руки и опыт, полученный в результате регулярных практических занятий.