Конструирование мультикоптерных аппаратов

1.

Конструирование
мультикоптерных аппаратов

2.

Что такое мультикоптер?
Определение
Мультикоптер — летательный аппарат с несколькими
несущими винтами. Удерживается в воздухе и управляется
вращением пропеллеров.
Характеристики
Компактный размер, высокая маневренность и
возможность зависания на месте. Простая механическая
конструкция.
Преимущества
Вертикальный взлет и посадка. Отсутствие необходимости
в аэродроме. Возможность полетов в ограниченном
пространстве.

3.

История развития мультикоптеров
Братья Бреге создали первый
квадрокоптер. Аппарат
поднялся на 1,5 метра.
1907 г.
Конвертоплан с вертикальным взлетом
совершил первый полный переход от
вертикального полета к горизонтальному.
1920-е г.
Этьен Эмишен разработал четырехвинтовой
вертолет. Совершил первый устойчивый
полет на мультикоптере.
1956 г.
2000-е г
Развитие электроники привело к созданию
современных мультикоптеров. Появились
коммерческие и любительские модели.

4.

Типы мультикоптеров
Квадрокоптеры
Четыре мотора. Наиболее распространенный тип.
Оптимальный баланс между простотой и надежностью.
Гексакоптеры
Шесть моторов. Повышенная грузоподъемность и
надежность. Сохраняют управляемость при отказе мотора.
Октокоптеры
Восемь моторов. Максимальная грузоподъемность и
отказоустойчивость. Применяются для профессиональной
съемки.
Трикоптеры
Три мотора. Компактные и маневренные. Требуют
сервопривод для управления.

5.

Основные компоненты мультикоптера
Скелет дрона
Рама — это основа всей конструкции с точными
монтажными отверстиями. На раме фиксируются лучи,
моторы, контроллеры и электроника.
Материалы. Карбон (углепластик) — лёгкий и прочный
материал для профессиональных дронов. Алюминий
обеспечивает доступную надёжность. Стекловолокно
используется в бюджетных моделях. Нейлон и ABS-пластик
применяют для защитных компонентов и микродронов.
Рама обеспечивает жёсткость с коэффициентом прочности
до 20G при ударе. Она гасит вибрации от моторов (повышая
точность датчиков), защищает электронику от влаги и пыли,
а также определяет аэродинамику всего мультикоптера.

6.

Основные компоненты мультикоптера
Моторы
Бесколлекторные двигатели
Современные дроны используют
бесколлекторные моторы. Они эффективнее и
долговечнее коллекторных.
Характеристики моторов
КV (обороты на вольт) — это предельная частота
оборотов двигателя при заданном напряжении,
определяет скорость вращения при заданном
напряжении.

7.

Основные компоненты мультикоптера
Пропеллеры
Размер и шаг
Измеряются в дюймах. Больший размер создает
большую тягу, но снижает маневренность.
Материал
Пластик для обычных полетов. Карбон для высоких
нагрузок и скоростей.
Направление вращения
CW (по часовой) и CCW (против часовой).
Обеспечивают стабильность дрона в полете.
Лопасти
Двух-, трех- и четырехлопастные. Больше лопастей выше тяга, но ниже эффективность.

8.

Основные компоненты мультикоптера
Полетный контроллер
Полетный контроллер — устройство управления дроном, представляющее собой печатную плату, на которой
размещены органы управления и датчики.
Виды полётных контроллеров:
Для съёмки фото и видео. В таких контроллерах упор делается на
максимальную стабилизацию и простоту использования.
Для автономных полётов. Контроллеры для таких дронов
дополнительно оснащаются датчиком GPS, компасом и
барометром.
Для гоночных дронов. Как правило, гоночные коптеры
собираются вручную, а полётные контроллеры для них имеют
минимальный набор функций и датчиков.
Основные элементы полётного контроллера: процессор,
электронные микросхемы, средства подключения датчиков.

9.

Основные компоненты мультикоптера
Аккумулятор
Аккумулятор обеспечивает питание всех систем.
От него зависит длительность полета дрона.
LiPo аккумуляторы используются чаще всего.
Они легкие и обеспечивают высокую токоотдачу.
Емкость аккумулятора измеряется в мАч.
Напряжение зависит от количества ячеек.

10.

Основные компоненты мультикоптера
Приемник и передатчик
Передатчик
Пульт управления в руках пилота отправляет
команды на приемник, установленный на дроне.
Радиосигнал
Команды передаются по радиоканалу.
Используются частоты 2,4 ГГц или 900 МГц.
Приемник
Принимает сигналы с передатчика. Преобразует
их в команды для полетного контроллера.

11.

Основные компоненты мультикоптера
Дополнительное оборудование
Камера и видеопередатчик
Позволяют пилоту видеть от первого лица (FPV).
Передают изображение на очки или монитор.
GPS модуль
Обеспечивает навигацию и возможность
автономных полетов. Помогает дрону
возвращаться домой.
Дополнительные датчики
Датчики высоты, давления и температуры
повышают точность полета. Улучшают
автономность дрона.

12.

Принципы полета мультикоптера
Вертикальное перемещение
Увеличение или уменьшение оборотов всех двигателей
одновременно. Обеспечивает подъем и снижение.
Наклон вперед/назад
Разница между оборотами передних и задних двигателей.
Создает движение вперед или назад.
Боковое перемещение
Разница между оборотами левых и правых двигателей.
Обеспечивает движение влево или вправо.
Поворот вокруг оси
Изменение баланса между моторами, вращающимися по и
против часовой стрелки. Создает вращение аппарата.

13.

Проектирование рамы мультикоптера
Материалы
Карбон: легкий и прочный, но дорогой. Алюминий:
хорошее соотношение цена/качество. Пластик: доступный,
подходит для начинающих.
Геометрия
X-образная: универсальная. H-образная: для съемки.
Гоночная: компактная, аэродинамическая. Складная: для
транспортировки.
Прочностные расчеты
Учет нагрузок при маневрах. Запас прочности при ударах.
Жесткость для предотвращения вибраций.
Модульность
Возможность замены компонентов. Простота сборки и
разборки. Универсальность крепления оборудования.

14.

Выбор и расчет двигателей
Тип
двигателя
Тип двигателя
Особенности
Особенности
Применение
Применение
Бесколлекторные
Бесколлекторные
Коллекторные
Высокий КПД, долговечность
Высокий КПД, долговечность
Дешевые, простые
Основной тип для дронов
Основной тип для дронов
Бюджетные микрокоптеры
Коллекторные
Высокооборотистые
Малый размер,
меньшие
Дешевые,
простые
пропеллеры
Бюджетные
микрокоптеры
Гоночные дроны
Высокооборотистые
Низкооборотистые
Малый
размер,
меньшие
Большая
тяга, большие
пропеллеры
пропеллеры
Гоночные
Грузовыедроны
дроны
Низкооборотистые
Большая тяга, большие
пропеллеры
Грузовые дроны
Расчет тяги: общая тяга должна вдвое превышать вес дрона для хорошей маневренности.

15.

Системы управления мультикоптером
Пульт дистанционного управления. Самый
распространённый способ взаимодействия
оператора с мультикоптером. Обычно пульт имеет
минимум два рычага (джойстика). Левый джойстик
отвечает за набор высоты и повороты вдоль
вертикальной оси, а правый джойстик задаёт углы
тангажа и крена.
Системы управления жестами. Такие системы
основаны на технологии компьютерного зрения. Они
обрабатывают поток изображений и видеоряда,
записываемого видеокамерой. Обработка данных
ведётся в режиме реального времени.
Системы спутниковой навигации. Например,
GPS или ГЛОНАСС. С их помощью мультикоптер
определяет своё положение в пространстве.
Оператор при помощи компьютера или иного
устройства передаёт координаты точек маршрута,
по которым должен двигаться летательный аппарат.
Такой вид управления позволяет сделать полёт
мультикоптера практически автономным.
Полётный контроллер. Электронное устройство,
которое работает в соответствии со сложными
алгоритмами. Контроллер представлен в виде
печатной платы, на которой размещены
специальные датчики. На основе полученной
информации контроллер способен регулировать
скорость вращения мотора.

16.

Энергетическая система мультикоптера
Расчет энергопотребления
Определение емкости
Учитывает статическую тягу (50-70%
мощности), динамическую нагрузку при
маневрах (до 100% мощности) и
энергопотребление электроники (5-10 Вт)
Стандартные значения: 1300-2200 мАч для
гоночных, 4000-6000 мАч для съемочных, 1000030000 мАч для грузовых дронов
Выбор типа аккумулятора
Параметр C-rate (10-25С для Li-Ion, 45-90С для
LiPo), должен обеспечивать пиковый ток до 120А
для квадрокоптера среднего размера
LiPo (высокая токоотдача, 3.7В/ячейка), Li-Ion
(повышенная емкость, меньший вес) или LiHV
(4.35В/ячейка, увеличенная энергоплотность)
Расчет токоотдачи
Формула времени полета: t = (C × 0.8 × 60) / (I × n), где C – емкость в мАч, I – ток одного мотора (обычно 5-30А в
крейсерском режиме), n – число моторов. Пример: аккумулятор 5000 мАч при 4 моторах потребляющих по 10А
обеспечит t = (5000 × 0.8 × 60) / (10 × 4) = 60 минут полета.

17.

Программирование мультикоптера
Этап калибровки
Полетные режимы
Настройка акселерометра, гироскопа и компаса.
Критично для стабильного полета.
Программирование различных режимов:
стабилизация, удержание высоты, возврат домой.
Настройка PID
Миссии
Подбор коэффициентов пропорциональной,
интегральной и дифференциальной
составляющих.
Создание автономных маршрутов с заданными
точками и действиями.

18.

Заключение
Создание мультикоптера от чертежа до полета — сложный
технический процесс, требующий знаний в механике, электронике
и программировании.
Правильный подход к конструированию обеспечивает
стабильность, надежность и эффективность летательного аппарата.