презентация 2

1.

Сибирский
государственный
индустриальный
университет
Институт информационных технологий и
автоматизированных систем
Кафедра электротехники, электропривода
и промышленной электроники
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
Разработка квадрокоптера
тема выпускной квалификационной работы
Выполнил: обучающийся
гр. К-МЭП-22
Кустов Влас
Александрович
Руководитель:
преподаватель
Филенко Александр
Сергеевич
Новокузнецк, 2026

2. Цель и задачи выпускной квалификационной работы

Цель ВКР – Разработка беспилотного летательного аппарата (БПЛА) на
основе полетного контроллера F722
Задачи ВКР:
–
Изучить нормативную базу, регулирующую эксплуатацию
беспилотных летательных аппаратов, и определить перечень
обязательных требований к БПЛА массой до 30 кг;
– Спроектировать и изготовить раму квадрокоптера из авиационной
фанеры с применением лазерной резки;
– Разработать структурную и принципиальную схему взаимодействия
бортовых электронных компонентов;
– Разработать корпус устройства;
– Выполнить расчёт и выбор элементной базы: полётного контроллера,
двигателей, регулятора хода, аккумуляторной батареи, пропеллеров и
видеосистемы;
2

3. Общие сведения об квадрокоптерах

Квадрокоптер — это беспилотный летательный аппарат
мультироторного типа, оснащённый четырьмя несущими
винтами, вращаемыми индивидуальными электродвигателями.
Управление квадрокоптером осуществляется дистанционно
оператором с пульта по радиоканалу либо в автоматическом
режиме по спутниковым координатам GPS. В отличие от
вертолёта, квадрокоптер не имеет сложной механики (автомата
перекоса, редуктора, хвостового винта) — изменение положения
в пространстве достигается исключительно дифференциальным
изменением частоты вращения двигателей.
В современной инженерной и хозяйственной практике
квадрокоптеры находят наиболее массовое применение
благодаря своей мобильности и способности выполнять задачи
в труднодоступных или опасных для человека местах. К
ключевым сферам эксплуатации относятся: мониторинг
промышленных объектов и ЛЭП, сельское хозяйство (контроль
состояния посевов), картография и геодезия, поисковоспасательные
работы,
а
также
специализированное
видеонаблюдение и охрана территорий в тёмное время суток.
3

4. Конструкция квадрокоптера

1. Несущая конструкция (рама) — основа аппарата, состоящая
из верхней и нижней пластин, а также лучей. Выполняется из
прочных и лёгких материалов (карбон, авиационная фанера).
Обеспечивает жёсткое крепление всех узлов и принимает на
себя механические и вибрационные нагрузки в полёте.
2. Система управления — интеллектуальное ядро
квадрокоптера. Включает полётный контроллер (обрабатывает
данные с гироскопа и управляет стабилизацией) и
радиоприёмник, который принимает управляющие команды по
протоколу ExpressLRS от пульта оператора.
.
3. Винтомоторная группа — исполнительный механизм, состоящий из
бесколлекторных двигателей и электронных регуляторов скорости (ESC).
Регуляторы преобразуют постоянный ток от аккумулятора в трёхфазный сигнал для
вращения моторов, которые вращают пропеллеры и создают подъёмную силу.
4. Система видеонаблюдения (FPV) — комплекс бортового оборудования,
включающий курсовую камеру ночного видения и видеопередатчик с антенной.
Обеспечивает непрерывную передачу видеосигнала в реальном времени на
монитор или очки пилота.
4

5. Гражданское применение квадрокоптеров

Квадрокоптеры занимают важное место в современной инженерной и хозяйственной
практике, находя применение в деятельности служб безопасности, агропромышленных
холдингов, строительно-монтажных организаций, а также поисково-спасательных и
мониторинговых центров. Их основное назначение — дистанционный сбор данных, оперативное
патрулирование территорий и выполнение инспекционных работ в труднодоступных или
опасных для человека зонах без привлечения дорогостоящей пилотируемой авиации и риска
для персонала.
Необходимость применения мультироторных систем обусловлена современными
требованиями к повышению эффективности мониторинга, безопасности проведения работ и
снижению эксплуатационных расходов. Согласно актуальным методикам технического надзора
и охраны объектов, использование БПЛА позволяет проводить детальную аэрофотосъемку
местности, тепловизионный аудит энергетических сетей и круглосуточное наблюдение за
охраняемым периметром. В процессе эксплуатации такие системы фиксируют реальное
состояние инфраструктуры, выявляют технологические аномалии или факты
несанкционированного доступа, передавая видеосигнал высокого разрешения оператору в
режиме реального времени.
5

6. Общее описание проекта

Настоящий дипломный проект посвящён разработке, сборке и настройке беспилотного
летательного аппарата мультироторного типа — квадрокоптера, построенного на базе
высокопроизводительного полётного контроллера F722 с процессором STM32F722. Аппарат
спроектирован для выполнения задач скрытого видеонаблюдения в условиях недостаточной
освещённости: на его борту установлена специализированная FPV-камера ночного видения,
передающая изображение оператору в режиме реального времени. В ходе проектирования была
изучена нормативная база, регламентирующая эксплуатацию БПЛА массой до 30 килограммов,
выполнен аналитический обзор существующих конструктивных решений и обоснован выбор схемы с
четырьмя несущими винтами. Практическая часть работы включала расчёт и подбор элементной базы
— бесколлекторных двигателей Emax 2213, электронного регулятора скорости формата «4-в-1»,
аккумуляторной сборки 6S, пропеллеров диаметром 10 дюймов, GPS-модуля и радиоканала
ExpressLRS. Рама аппарата была спроектирована и изготовлена методом лазерной резки из
авиационной фанеры. Произведена полная коммутация бортовых модулей, выполнена пайка UARTпортов и настройка полётного контроллера в среде Betaflight с подбором оптимальных коэффициентов
PID-регулятора. Итогом проекта является полностью готовый к эксплуатации квадрокоптер,
прошедший серию лётных испытаний, с подтверждённым временем полёта свыше 20 минут и
способностью к автономному возврату домой при потере радиосигнала.
6

7. Компоненты квадрокоптера

Arduino Uno R3
LCD 2004 с интерфейсом I²C
Датчик тока ACS712
Матричная клавиатура 3×4
7

8. Основные компоненты

В основе системы управления лежит полётный контроллер F722 на базе
высокопроизводительного процессора STM32F722. Он выполняет роль «мозга» аппарата: опрашивает
инерциальные датчики (гироскоп и акселерометр), обрабатывает команды от приёмника и по сложному
PID-алгоритму вычисляет необходимые обороты для каждого двигателя. Высокая тактовая частота
процессора позволяет реализовать быстрые циклы обратной связи, что критически важно для
стабилизации тяжёлого дрона с 10-дюймовыми пропеллерами.
Силовая часть реализована на базе электронного регулятора скорости (ESC) «4-в-1» с рабочим током до
60 А. Взаимодействие между полётным контроллером и ESC осуществляется по цифровому
протоколу DShot600, который обеспечивает высокую точность управления без необходимости калибровки.
Исполнительными механизмами являются четыре бесколлекторных двигателя Emax 2213, преобразующие
электрическую энергию аккумулятора в механическую тягу винтов.
Приём управляющих сигналов осуществляется по современному радиоканалу ExpressLRS 2.4 ГГц,
отличающемуся высокой помехоустойчивостью и большой дальностью связи. Для выполнения задач
наблюдения в тёмное время суток установлена FPV-камера ночного видения, передающая видеосигнал
через мощный передатчик (VTX) на частоте 5.8 ГГц.
Навигационный стек включает в себя GPS-модуль, позволяющий аппарату удерживать позицию в
пространстве и выполнять автоматический возврат в точку взлёта (RTH). Питание всей бортовой
электроники и силовой установки осуществляется от литий-полимерной аккумуляторной батареи
конфигурации 6S (22.2 В), обладающей высокой энергоёмкостью для обеспечения длительного времени
полёта.
8

9. Сборка компонентов

Сборка квадрокоптера выполняется в два этапа: монтаж винтомоторной группы на
несущую конструкцию и коммутация электронной системы управления.
В корпусе, изготовленном из авиационной фанеры, размещаются четыре бесколлекторных
двигателя Emax 2213. К их силовым каналам подключается электронный регулятор скорости
(ESC) формата «4-в-1», преобразующий энергию аккумулятора в трехфазный ток для
управления оборотами. Силовая часть оснащается разъемом XT60 для подключения литийполимерной батареи конфигурации 6S. Трансформаторные эффекты в силовой цепи
минимизируются за счет установки электролитического конденсатора большой емкости.
Управление собирается на базе полётного контроллера F722. К нему по интерфейсам UART
подключаются: GPS-модуль для позиционирования, радиоприёмник ExpressLRS, а также
видеосистема, состоящая из камеры ночного видения и видеопередатчика (VTX). Питание
слаботочных узлов происходит от стабилизированных источников (BEC), встроенных в
полетный контроллер и регулятор. После завершения монтажа проверяется работоспособность
всех функциональных узлов и правильность вращения двигателей через конфигуратор
Betaflight.
9

10. Сборка компонентов

Силовая и управляющая части объединяются в единую систему. Полётный
контроллер F722 обрабатывает пространственные данные со встроенных инерциальных
датчиков (гироскопа), а также принимает сигналы управления с радиоприёмника ExpressLRS и
координаты с GPS-модуля. Управляющий сигнал с микроконтроллера по цифровому протоколу
DShot передаётся на электронный регулятор скорости (ESC), который коммутирует токи и
управляет вращением бесколлекторных двигателей.
Все сигнальные и слаботочные соединения выполняются гибким многожильным силиконовым
проводом стандарта 28–30 AWG, а основная силовая линия батареи — толстым кабелем 12–14
AWG с коннектором XT60. После монтажа проверяется правильность подключения всех UARTпортов, надёжность пайки и изоляция открытых контактов термоусадочными трубками.
Завершающим этапом становится проверка работы квадрокоптера во всех полётных режимах
через конфигуратор Betaflight и тестирование вывода телеметрии на OSD (экранное меню)
.
10

11. Принципиальная схема

11

12. Настройка устройства

Программная настройка
Для конфигурирования полетного контроллера F722 и настройки
всех систем БПЛА использовано специализированное
программное обеспечение с открытым исходным кодом Betaflight
Configurator.
1. Программная настройка выполняет:
2. Инициализацию портов связи (UART) для корректного
взаимодействия с GPS-модулем, приемником ExpressLRS и
видеопередатчиком;
3. Конфигурирование цифрового протокола DShot600 для
управления регуляторами скорости (ESC) и задание частоты
работы PID-контроллера;
4. Калибровку инерциальных датчиков (акселерометра и
гироскопа) для обеспечения точной стабилизации аппарата в
воздухе;
.
12

13.

Настройка устройства
5. Настройка режимов полета (Arm, Angle, Horizon) и
программирование логики безопасности Failsafe для
предотвращения аварий при потере связи;
6. Программирование экранного меню (OSD) для
вывода параметров телеметрии, напряжения АКБ и
полетного времени в режиме реального времени;
7. Настройку навигационной системы и функции
автономного возврата в точку старта (GPS Rescue)
по спутниковым координатам.

14. Структурная схема взаимодействия

После включения питания и
самодиагностики бортовых
систем полётный контроллер
непрерывно принимает команды
оператора с пульта управления,
сопоставляет их с данными
инерциальных датчиков и по PIDалгоритму формирует цифровые
сигналы для регулятора скорости
(ESC), который динамически
изменяет обороты каждого
двигателя для стабилизации
аппарата в воздухе.
14

15. Заключение

В ходе выполнения выпускной квалификационной работы была достигнута
поставленная цель — разработан и практически реализован проект беспилотного летательного
аппарата мультироторного типа на базе полетного контроллера F722. В рамках проекта
спроектирована и изготовлена облегченная несущая рама из авиационной фанеры, выбрана
высокоэффективная силовая установка на базе бесколлекторных двигателей Emax 2213 и
аккумулятора 6S, обеспечивающая время полета свыше 20 минут. Реализована система
передачи видеосигнала в режиме реального времени с использованием камеры ночного
видения, а также интегрирован навигационный модуль GPS для обеспечения функций
стабилизации и автоматического возврата в точку взлета.
Предлагаемое техническое решение ориентировано на применение в задачах дистанционного
мониторинга территорий, охраны объектов и проведения поисково-спасательных операций в
условиях недостаточной освещенности. Разработанный проект может служить основой для
дальнейшего совершенствования конструкции, интеграции дополнительного полезного
оборудования (тепловизоров, систем сброса груза) и внедрения алгоритмов полностью
автономного выполнения миссий в соответствии с современными требованиями эксплуатации
беспилотных систем.
15

16.

Спасибо за внимание!
16