Как устроен дрон?

У каждого человека, начинающего всерьез интересоваться дронами, возникает желание узнать о том, как они работают и летают. О внутреннем устройстве дронов и принципах их функционирования – в материале iot.ru.

Из каких частей состоит дрон?

Современные модели дронов могут иметь как простую конструкцию, предназначенную в основном для развлечений, так и состоять из сложных составных элементов, позволяющих превратить эти летальные аппараты в по-настоящему профессиональные устройства.

Несмотря на то, что внутреннее устройство дрона может отличаться от модели к модели, его базовые составляющее всегда неизменны. В общем виде каждом дроне можно выделить следующие части (см. рисунок ниже):

1. Двигатели

2. Регуляторы оборотов

3. Пропеллеры

4. Полетный контроллер

5. Рама

Основные элементы дрона. Источник: rc-like.ru 

Рама дрона

Рама является основой дрона, к которой прикрепляются все составляющие его элементы. Главная задача разработчиков при изготовлении рамы – превратить дрон ударопрочное, легкое и долговечное устройство.

Рама дрона. Источник: kvadrokopters.com

Для изготовления рамы обычно используются полимеры или прочные, но легкие сплавы. Помимо этого, активно применяется карбон, стекловолокно и другие материалы, которые смогут обеспечить максимальную жесткость конструкции.

В основном рама состоит из многих деталей (реже цельной), что позволяет добиться большей маневренности аппарата и легкости в управлении. Также в ней имеются отверстия, через которые прокладывается электропроводка. Она соединяет пролетный контроллер со всеми остальными частями дрона. 

Полетный контроллер

Полетный контроллер - это «мозг» дрона. Он запрограммирован на обработку различных сигналов, поступающих с дистанционного пульта оператора и установленных на нем датчиков. Чем больше сигналов контроллер может обрабатывать, тем более универсальным является дрон. При помощи шлейфа полетный контроллер соединен с каждым из четырех двигателей, что позволяет подавать на них управляющие сигналы (запрограммированные команды).

Соединение полетного контроллера с составными частями дрона. Источник: kvadrokopters.com

Поскольку от работы полетного контроллера зависит стабильность всего полета, то при создании дронов разработчики активно применяют различные методы, позволяющие эти элементы максимально виброизолировать. Как правило, чем лучше виброизолирован контроллер, тем стабильнее будет летать дрон. В последнее время полетные контроллеры высокого класса выпускаются уже со встроенной виброизоляцией.

К полетному контролеру подключается набор различных датчиков (GPS, гироскопы, барометр, акселерометр и т.д.), которые передают ему свои показания. Обратная связь с оператором осуществляется через установленные на корпусе специальные передатчик. В зависимости от полученных показаний оператор изменяет параметры полета дрона. Если полетный контроллер дрона достаточно «умен», то он, исходя из показаний датчиков и алгоритмов зашитой в него программы, может самостоятельно изменить параметры полета беспилотника, не прибегая при этом к помощи оператора.

Окончательный состав полетного контроллера зависит от стоимости дрона. Наиболее простые дроны могут лишь контролировать вращение двигателей в зависимости от поступающих команд, в то время, как наиболее продвинутые могут, например, самостоятельно вернуться в точку запуска. Базовый состав полетного контроллера следующий:

• Главный процессор – отвечает за обработку команд

• Гироскоп – датчик определения положения дрона в пространстве

• Борометр – устройство, определяющее высоту положения аппарата

• Акселерометр – устройство, анализирующее ускорение устройства в трех плоскостях (x, y, z).

• Стрелка направления – указывает направление, в котором должен лететь дрон (находится в одном из углов основания платы)

• GPS-навигатор – определяет местоположение дрона

• Wi-Fi. – для связи с внешними устройствами (планшетом, смартфоном, ПК)

• ОЗУ

Двигатели квадрокоптера, пропеллеры и регуляторы оборотов

Каждый двигатель (их всего 4) присоединяется к одному пропеллеру и приводит его в движение со скоростью, генерируемой регуляторами оборотов. Регулятор оборотов задает скорость, исходя из команд, поступающих от полетного контроллера.

Пропеллеры дрона

Стоит отметить, что пропеллеры и двигатели являются самыми быстроизнашиваемыми частями дрона, поскольку при его полете основная нагрузка ложится именно на них. При этом в случае возникновения различных аварийных ситуаций, включая падения беспилотников, открытые части конструкции, к которым как раз и относятся пропеллеры, ломаются первыми. Поэтому новичкам разработчики дронов рекомендуют покупать аппараты, оснащенные специальной защитой пропеллеров. Это могут быть дуги или кожухи, устойчивые к ударам и уберегающие пропеллеры от поломок.

Двигатели дрона. Источник: kvadrokopters.com

Аккумуляторы дрона

Еще одним важным элементом дрона, как в принципе и любого автономного устройства, является аккумуляторная батарея. От ее емкости (выраженной в миллиампер на час) зависит максимальная высота, на которую дрон может подняться, а также дальность и время полета. Исходя из этого, аккумулятору разработчики дронов также уделяют достаточно большое внимание.

Аккумулятор дрона. Источник: kvadrokopters.com

Все аккумуляторы дронов являются относительно тяжелыми, поэтому конструкция для их крепления должна быть достаточно прочной (еще одна причина, почему рама должна выполняется из надежных и крепких материалов).

По причине малой емкости и малых размеров аккумулятора, миниатюрные дроны пока могут держатся в воздухе не более 3-5 минут. Любительские модели способны находиться в воздухе порядка 12-15 минут. Длительность полета профессиональных дронов в автономном режиме – не более получаса. Как видим, время полета дронов, зависящее от размеров и емкости аккумуляторов, является сейчас одним из наиболее проблемных факторов развития индустрии, однако разработчики и производители дронов обещают, что решение данной проблемы – дело ближайшего будущего.

Как летает дрон?

Характер движения дрона контролируется с помощью дистанционного пульта управления, сигналы с которого поступает на бортовой компьютер летательного аппарата. К этим сигналам могут добавляться необходимые коррекции от установленных датчиков.

Пульт управления дроном Turnigy 9x

Каждый пульт управления дроном настроен на определенное количество каналов. Минимальное количество каналов для дрона – 4 (определяется количество осей, находящихся под управлением). На картинке выше определена самая популярная аппаратура управления дроном - Turnigy 9x. Популярна она тем, что имеет сравнительно невысокую цену (около 5 000 рублей), но при этом достаточно функциональна – 4 канала базового управления и 5 дополнительных программируемых каналов.

Обработав поступившие сигналы, полетный контроллеры дрона отправляет соответствующие инструкции регуляторам оборотов, а те, в свою очередь, изменяют параметры вращения пропеллеров аппарата.

Для того, чтобы дрон летал сбалансированно и хорошо управлялся, его пропеллеры при полете вращаются в разные стороны (одна пара по часовой стрелке, другая – против нее). От параметров вращения пропеллеров зависит характера полета дрона:

• Если все винты вращаются с одной и той же скоростью летательный аппарат взлетает

• Если один из пропеллеров вращается быстрее – дрон наклоняется и двигается в соответствующую сторону

• Если пара пропеллеров стала двигаться быстрее – дров поворачивается в эту сторону

Схема работы пропеллеров при полете дрона. Источник: kvadrokopters.com

В общем и целом, исходя из характера и траектории движения дрона, он может:

• Взлетать вверх

• Спускаться вниз

• Перемещаться по горизонтали

• Двигаться вперед и назад

• Двигаться влево и вправо

• Наклоняться

При этом, некоторые модели умеют кружиться на месте и даже выполнять так называемые флипы – перевороты на месте вокруг своей оси.

Если говорить о скоростных характеристиках дрона, то они колеблются в зависимости от модели устройства. В настоящий момент эти показатели равняются от нуля (зависание на месте) до 100- 150 км/ч.

Все современные аппараты оснащены программным обеспечением безопасного полета. Если аккумулятор начнет садиться, то дрон оповестит об этом оператора, и, когда зарядка приблизится к нулю, система контроля направит беспилотник в то место, откуда был осуществлен запуск (за ориентацию в пространстве здесь отвечает встроенный Gps навигатор). Также ПО безопасности дает возможность не выходить дрону за пределы зоны действия пульта управления (в настоящий момент, эта зона может составлять до нескольких километров в зависимости от модели дрона)

Видеосъемка

В настоящий момент, на рынке имеется целый сегмент профессиональных дронов, оснащенных специализированным видеооборудованием. Для установки видеокамеры у дрона имеются специальный подвесы, представляющие собой подвижные механизмы шарнирного типа. Подобные механизмы позволяют обеспечить надежную фиксацию видеокамеры и практически полностью избавить ее от вибрации.

Дрон с видеокамерой

Полученные с помощью видеокамеры изображения с помощью специальной технологии FPV (дословный перевод – «взгляд от первого лица») транслируются на пульт управления, смартфон, планшет или другое устройство вывода. Радиуправляемый дрон, оснащенный видеокамерой, позволяет с помощью FPV руководить процессом съемки не вслепую, как это обычно делается, а ориентируясь на получаемую картинку.

Видеокартинка передается в большинстве случаев по сети Wi-Fi. Для этого дрон оснащен специальным передатчиком, а пульт управления – приемником. При этом, в таких устройствах, как смартфон и планшет, подобные приемники, как известно, встроены изначально. Дальность связи при использовании технологии FPV может составлять до 5 километров (в этом случае, надо иметь передатчик соответствующей мощности и дополнительные усилители сигналов). В среднем, видеокартинка передается без потери качества на расстояние 500-1000 метров.

Управление дроном с помощью очков. Источник: kvadrokopters.com

Для более реалистичного управления дроном и съемкой, видеокартинка может передаваться на специализированные очки. Однако, стоит отметить, что их использование не всегда практично, поскольку, если у оператора имеются проблемы со зрением, то более удобно будет смотреть на экран, расположенный на некотором расстоянии.

Что в итоге?

В настоящий момент разновидности дронов на рынке впечатляют. Это могут быть и маленькие для детей, и любительские с камерой, и с функциями интеллектуального полета, и профессиональные, и гоночные. Масса дронов может колебаться от нескольких сот грамма до десятка килограмм, а размеры – от 3 см до 2 метров в диаметре. Однако, несмотря на все многообразие, общие принципы функционирования дронов, как мы убедились, достаточно простые. Настолько простые, что сейчас большое количеств радиолюбителей собирают дроны в домашних условиях.

Однако, все же для создания дрона своими руками необходимы хорошие инженерные навыки. Предварительно необходимо выполнить расчеты, которые позволят найти оптимальный баланс между массой аппарата, емкостью батареи, мощностью двигателей и рядом других важных параметров. Все характеристики дрона взаимосвязаны друг с другом. Например, если необходимо увеличить полетное время, то надо установить более мощный аккумулятор, что потребует от дрона большей грузоподъемности и большего расхода энергии.

Для специалистов с хорошими инженерными знаниями имеется специализированный ресурс (ecalc.ch), позволяющий в режиме онлайн выполнить все необходимые расчеты на этапе проектирования дрона. Новичкам же можно найти в сети Интернет уже готовые расчеты, и создать макет дрона, опираясь на них.

Справка об Агентстве «Цифровая Россия»

Агентство «Цифровая Россия», которое организовал медиаресурс iot.ru – это сообщество экспертов и профессионалов, представляющих лучшие высокотехнологичные компании на рынке. Агентство предлагает заказчикам любого масштаба цифровые решения и продукты для оптимизации процессов и разработки новых бизнес-моделей. В практическом смысле это выражается в определении «цифровой» потребности клиента и интеграции наиболее подходящих решений.

Для кого работает Агентство?

Для всех, кому необходима цифровизация. Оборудовать дом умными счетчиками по сбору данных, установить датчики на производстве, оцифровать документооборот в компании, поставить умные остановки и умные фонари на улицах и многое другое – если перед вами стоит одна из подобных задач, то мы работаем для вас!

Все подробности и возможность оставить заявку - https://agency.iot.ru/