Квадрокоптер

ВВЕДЕНИЕ
	Квадрокоптер–– это устройство, летающее на четырех винтах от аккумулятора и управляемое дистанционно с помощью радиоаппаратуры.На роторах или двигателях, которые установлены на углах аппарата, располагаются винты. Винты стоят попарно и вращаются они в противоположные друг другу стороны.В природе он бывает не только с четырьмя винтами, но и с тремя – трикоптер, а также шестью, восемью, двенадцатью винтами – это уже мультикоптеры.Если сравнивать квадрокоптер с обычным радиоуправляемым вертолетом, то первый обладает лучшей плавностью движения, а также большей маневренностью. Кроме того, коптер отличается низкими показателями шума, он не создает сильных потоков воздуха. Это позволяет использовать устройство не только для съемок в воздухе, но и в помещении.
     Предназначения квадрокоптера могут быть весьма разные.Всё зависит от технической оснащенности и целей эксплуатации .Одно из распространенных применений это фото- и видео-сьёмка .Например в журналистике важным фактором является то, что сьёмка происходит из центра событий без угроз для жизни оператора, особенно при съемке в зонах повышенной опасности, например, во время боевых действий или на зараженных территориях. Так же квадракопетры  используются для транспортировки медикаментов и предметов первой необходимости или в оказание помощи поисково-спасательным командам.
     Дизайн квадрокоптеров никогда не был популярным в промышленном самолетостроении — в основном из-за проблем со стабильностью. Однако,квадрокоптеры в последнее время стали очень популярны в секторе производства радиоуправляемых самолетов, и в частности дронов.Последние достижения технологий нацелены на решение проблем, таких как: плохая стабильность, ограниченный контроль и громоздкость конструкции.Квадрокоптеры стабилизируются целым рядом устройств, но основным является гироскоп. Наиболее популярными являются 3-х осевые гироскопы  (также в сочетании с 3-х осевыми акселерометры и 3-х осевыми магнетометрами).Такая бесплатформенная инерциальная навигационная система (БИНС) автоматически определяет углы тангажа,рыскания и крена.  При таком оснащении коптерстановится «статически устойчивым» и способен противостоять порывам ветра и даже стабилизироваться после незначительного контакта с каким-либо объектом.
     Целью данной разработки является изучение работы и построение системы управления квадрокоптером .
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     1. Обзор аналогов
     Квадрокоптеры — это особый вид летательных аппаратов, которые летают посредством 4 несущих винтов, расположенных горизонтально на расстоянии друг от друга и вращающихся в строго противоположном направлении. Существует большое количество разновидностей таких аппаратов, однако самую большую популярность снискал квадрокоптер на радиоуправлении. Помимо этого, на рынке постоянно появляются новые более совершенные модели подобных летательных аппаратов. Таким образом, для неподготовленного пользователя представляет чрезвычайно сложную задачу из всего этого многообразия выбрать такую модель, которая будет отвечать всем необходимым требованиям.
     В зависимости от своего прямого предназначения, выпускается несколько видов таких радиоуправляемых летательных аппаратов.
     Профессиональные модели:
     ––  Такие летательные устройства в основном применяются для решения самого большого спектра всевозможных задач, таких как выполнение аэрофотосъемки, транспортировка негабаритных и легких грузов на небольшие расстояния и многое другое.
     Игрушечные квадрокоптеры:
     ––  Подобные модели представляют собой отличное средство, способное надолго привлечь внимание любого ребенка. Наряду с доступной стоимостью, главным преимуществом таких летающих игрушек является наличие достаточно прочного корпуса, изготовленного из высокопрочного материала. Такой ударопрочный корпус позволяет квадрокоптеру не разлететься на части и продолжить функционировать даже после самого жесткого падения.
     
     
     Карманные устройства:
     ––  Маленькие или «домашние» модели получили такое название из-за своих компактных размеров. Такие устройства могут в прямом смысле слова поместиться в обычном кармане.
     Летательные аппараты с камерами:
     ––  Благодаря своим широким возможностям, подобные аппараты пользуются повышенным спросом для проведения качественной видео- и фотосъемки, как у обычных потребителей, так и у различных специалистов и журналистов, фотографов или сотрудников правоохранительных органов и госбезопасности.
     По типу комплектации квадрокоптеры бывают:
      — со встроенной камерой (имеют функциональную направленность на фото/видео съемку); 
—без камеры (ориентированы на поднятие груза).
 По типу производства: 
—квадрокоптерызаводские, изготовленные специалистами; 
— сконструированные самостоятельно. 
По размерным характеристикам квадрокоптеры бывают: 
—Наномодели от 4,5 до 10 см. Они хороши для новичков. За счет малых размеров, управление ими может расстроить даже небольшой порыв ветра, потому их лучше использовать в помещении. В основном они оснащены камерой 0,3 — 2 мегапикселя. Пример: квадрокоптерBladeNano QX.
 — Модели среднего размера от 10 до 30 см в диаметре лопастей. Наиболее распространены среди любителей. Камера крепится отдельно или встроена, оптимальной считается 10-15 мегапикселей. Такие устройства устойчивые к ветру, прочные. Пример: квадрокоптерSyma x5c.
     — Большие коптеры размером от 30 см. Часто используются в профессиональной деятельности и имеют грузопереносную направленность. Дальность их полета до нескольких км, потому часто обладают большей емкостью батареи. Пример: DJ Phantom 2 Vision.
     В данной работе будет рассмотрено несколько  аналогов: Align M480L —квадрокоптер с автоматически убирающимся шасси от компании Align; 3DR SoloDrone — «умный» дрон от 3DR Robotics ;BladeNano QX –– от компанииBlade. 
      Align M480L –– данная модель вышла осенью 2014 года. Она имеет некоторые отличия от своего предшественника .Этот квадракоптер  считается моделью среднего размера с камерой. Имеет следующий вид:

     Рисунок 1.1 ––  Внешний вид
     Типквадрокоптера:  ARF Kit/Super Combo Kit.Рама M480L в диаметре 800 мм. Также в более, чем полтора раза, была увеличена высота квадрокоптера — с 266 мм до 430 мм . Увеличение размеров коптера привело к увеличению пропеллеров — в длину они теперь не 179 мм, а все 190. Общий вес без батареи также увеличился на 200 грамм и составляет 2700 г. Кроме того, у M480L есть одна особенность, что больше всего отличает его от «меньшего брата» — складывающиеся шасси во время полета, что не загораживают обзор камере и мелькают в кадре во время видеосъемки с воздуха. Данные особенности можно увидеть на следующем рисунке :

Рисунок 1.2 ––  Обзор рамы
     В остальном, это коптер идентичный прошлой модели Align М470: на него устанавливается все тот же полетный контроллер APS-M, что оснащен GPS, поддерживает несколько режимов полета, функции FPV и OSD (телеметрии). Полетное время, уменьшилось на 2 минуты, если устанавливать один и тот же аккумулятор на два коптера. Увеличение размеров привело к увеличению стоимости — Align M480L стоит на сотню-другую (в зависимости от магазина) больше, чем M470.Соеденение шасси и установку полётного контроллера можно увидеть на следующих рисунках: 
      
     Рисунок 1.3 ––  Крепление шасси
      
     Рисунок 1.4 ––  Соединение аккумулятора с полётным контроллером
     
     Комплектация данного устройства включает в себя следующие устройства:
     —  Непосредственно раму коптера;
     —  Полетный контроллер APS-M;
     —  GPS-модуль;
     —  GPS LED-индикатор;
     —  Систему управления питанием;
     —  4 мотора;
     —  4 регулятора скорости;
     —  2 сервопривода;
     —  4 пропеллера;
     Среди других коптеров M480L выделяется большой скоростью и грузоподъемностью. M480L достаточно большой, может выдержать вес зеркальной камеры (с 3-осевым подвесом), и это никак не сказывается на скорости. Полетный контроллер APS-M, разработанный компанией Align, невероятно стабилен и точен, совместим с GPS, имеет функцию автоматического возврата в точку взлета, что обеспечивает большую безопасность полету. Шасси легко убираются, что предоставляет полный обзор в 360° для камеры. Светодиодные индикаторы отображают статус коптера, бесколлекторный двигатель и пропеллеры аэродинамической формы обеспечивают большую длительность полета и плавность управления. С батареей 6S 5200 мА/ч длительность полета составит 20 минут (без загрузки) или 9 минут с полной загрузкой (3-осевой подвес и зеркальная камера).
     При создании коптера использовалось матовоеуглеволокно. Оно не только улучшает внешний вид и уменьшает вес модели, но и предотвращает появление бликов на камере. Складные пропеллеры и лучи облегчают транспортировку и хранение коптера. Выдвижные шасси –– данная функция необходима при съемке, так как обеспечивает обзор в 360° для камеры. Совершенно новый блок управления обладает отличной производительностью, использует высокоточные датчики и современную систему управления подпрограммами. Поддерживает квадро-, гекса- и октокоптеры. Доступны следующие полетные режимы: стабилизация;  GPS; «умный» и ручной. Кроме того доступна функция автоматического возврата в точку взлета, предупреждение о низком заряде батареи (с помощью светодиодных индикаторов), управление подвесом. Крепления двигателей обладают прочностью и легким весом, поглощают вибрацию. В крепление встроен регулятор скорости (40 А), с помощью которого можно изменить движение пропеллеров на обратное. Также установлены светодиодные индикаторы для улучшения ориентации в полете. Вы можете выбрать белый или красный цвет индикатора или настроить, чтобы они показывали предупреждение о низком заряде батареи. Панель управления состоит из кнопки питания, индикаторов GPS и заряда батареи. Процесс включения максимально упрощен, достаточно нажать одну кнопку. Индикатор батареи указывает уровень заряда. Совершенно новый бесколлекторный двигатель BL4213 создан специально для мультикоптеров. Он обеспечивает превосходную мощность, отличный вращающий момент, при этом не нагревается. С батареей 6S 5200 мА/ч двигатель обеспечивает 20 минут полета (без загрузки) либо 9 минут полета с 3-осевым подвесом и камерой Panasonic GH4.
     Технические данные:
     ––  Диаметр платформы: 800 мм;
     ––  Длина основной лопасти: 190 мм;
     ––  Диаметр основного винта: 416 мм;
     ––   Высота: 430 мм;
     ––  Полетный вес (без батареи): около 2700 г;
     ––  Батарея: 1 батарея 6S 6000 мА/ч / 1 батарея 6S 12000 мА/ч / 2 батареи 6S 6000 мА/ч;
     Технические данные APS-M:
     ––  Входное напряжение: 4,5-8,4V;
     ––  Энергопотребление: не более 250 мА, 4,8V;
     ––   Рабочая температура: -20° ~ 65°C;
     ––   Точность зависания: по горизонтали / по вертикали ±1 м;
     ––   Максимальная скорость полета: горизонтальная 15 м/с, вертикальная 6 м/с;
     ––  Максимальная высота: 700 м над точной взлета;
     –– Максимальная угловая скорость: элерон/руль высоты 115°/с, руль направления 145°/с;
     ––  Максимальный угол наклона: 30°;
     ––  Поддержка внешних устройств: подвес, видеопередатчик;
     ––  Размеры: 49 мм ? 34,3 мм ? 20 мм;
     Технические данные блока управления:
     ––  Входное напряжение: 13,2-25,2V (4S~6S Li-Po) ;
     ––  Размеры: 62 мм ? 35 мм ? 26 мм;
     
     Технические данные ESC (регулятор скорости):
     ––  Входное напряжение: 13,2-25,2V (4S~6S Li-Po) ;
     ––  Максимальный ток: 40 A;
     ––  Размеры: 74,2 мм ? 27 мм ? 12,7 мм;
     Технические данные двигателя BL4213 (370KV):
     ––  Входное напряжение: 22,2V;
     ––  Максимальный ток: 25A;
     ––  Максимальная мощность: 550 Вт;
     ––  Вес: 185 г;
     Комплект требует:
     ––  Пульт управления 8 каналов или выше, например Spektrum DX9;
     ––  3-х осевой подвес для камеры, например Align G3-GH Gimbal (3-осевой) для GH3/GH4/Sony A6000;
     ––  Адаптер Bluetooth для настройки контроллера;
     ––  Передатчик OSD + FPV Video;
     ––  Li-Po аккумулятор 6S 5000-5500 mAh, например PulsarLi-pol 22.2V 5000mAh, 50C, 6s1p, EC5;
     Рассмотрим квадрокоптер для воздушной съемки — 3DR Solo. Считается профессиональным, среднего размера. Данныйквадракоптерумеет транслировать видео с разрешением 720p HD (с задержкой в 180 милисекунд) и летать на автопилоте. Однако есть и кое-какие отличия от модели рассмотренной ранее.Внешне SmartDrone не напоминает своих предшественников — IRIS+ и X8. Создатели коптера решили разработать совершенно новый уникальный дизайн и можно с уверенностью сказать, что они справились с этой задачей — новый дрон выглядит уникально и непохож ни на любую другую модель, дизайн и пульт управления показан на следующем рисунке :
     
      
     Рисунок 1.5 ––  Внешний вид и пульт управления
     3DR Solo не имеет встроенной камеры, поэтому в этом отношении у владельцев дрона более широкий выбор — от рекомендованногоGoPro Hero4 до любой другой модели со схожими размерами и весом. Благодаря встроенному в подвеску (стабилизирующую колебания камеры по трем осям пространства) интерфейсу, 3DR Solo позволяет дистанционно останавливать и возобновлять съемку, менять угол обзора, скорость съемки (частоту кадров в секунду), делать фотоснимки и т.д. Правда, это относится только к камерам GoPro (начиная с Hero 3).Система автопилота 3DR Solo более изощренная. 3DR Solo предлагает несколько режимов, позволяющих снимать заданный объект, облетая его по дуге (вплоть до полного круга) с указанным вами радиусом, или по прямой линии, и даже следовать за ним. Воображаемая траектория проводится либо в самом кадре, либо, что более вероятно, на карте. Во всяком случае, о распознавании образов говорить не приходится — бортовой процессор на базе ядра Cortex-A9 с тактовой частотой 1 ГГц на дроне и пульте управления (с операционной системой Linux) таких возможностей никак предоставить не может. 
     Судя по отсутствия соответствующего упоминания, у 3DR Solo нет сенсоров, позволяющих уклоняться от столкновения с препятствиями — подобно тому, как это умеет делать DJI Phantom 3. У обоих дронов примерно одинаковое время автономной работы (20-25 минут), хотя у 3DR Solo более емкая батарея: 5,200 мАчvs 4,480 мАч. Он может летать быстрее, но на более короткие дистанции. Так же 3DR Solo оснащен встроенным симулятором для обучения пилотированию.3DR Solo легче, чем M480L— 1.5 кг сам квадрокоптер, 1.8 кг — вместе с подвеской и камерой.
     Технические характеристики:
     ––  Вес (без камеры и подвески) 1500 г;
     ––  Полный вес 1800 г;
     ––  Размеры (от мотора к мотору) 460 мм;
     ––  Моторы  880 kV;
     ––  Макс. скорость 89 км/ч;
     ––  Макс. скорость взлета 10 м/с;
     ––  Макс. дальность полета 8 км;
     ––  Макс. высота 260 м;
     ––  Макс. полетное время (без загрузки) 25 мин.;
     ––  ПО APM:Copter;
     ––  Автопилот Pixhawk 2;
     ––  Аккумулятор	Литий-полимерный, 5200 mAh, 14.8V;
     ––  Время зарядки 90 мин;
     ––  Требуемая ОС мобильного устройства;	
     ––  iOS 8.0 или выше;
     ––  Android 4.3 или выше;
     ––  Качество онлайн-видео 720p;
     BladeNano QX  внешне выглядит так: обтекаемый корпус сделан из легкого, но прочного материала, а лучи не заканчиваются моторами: они идут вверх и образовывают защитные кожухи для пропеллеров коптера. Длина Nano QX — 140 мм, а вес всего 16 с половиной грамм.Дизайн устройства показан на следующих рисунках:
      
     Рисунок 1.6 ––  Внешний вид BladeNano QX
     
      
     Рисунок 1.7 ––  Вид сверху 
     
     Диаметр роторов на рисунке 1.7  — 50 мм, а мощные 6-мм моторы обеспечивают плавный, но в то же время мощный подъем дрона вверх.
      
     Рисунок 1.8––  6-мм моторы BladeNano QX
     BladeNano QX —оборудован технологией что получила название SAFE: именно она отвечает за поведение квадрокоптера в воздухе и согласно тестам, Nano QX — резкий, но хорошо управляемый мини-дрон. Кстати, эту технологию можно отключить и тогда квадрокоптер будет летать еще быстрее, правда от этого увеличиваются шансы врезаться им в стену или во что-нибудь еще.Литий-полимерный аккумулятор емкостью в 150mAh обеспечивает от 6 до 10 минут полета, в зависимости от условий где вы запускаете квадрокоптер. Заряжается он в течении 20-30 минут от USB-кабеля, что идет в комплекте.
     Данная модель идет в двух комплектациях: RFT и BNF. Первая включает в себя:
––  Квадрокоптер;
––  Аккумулятор;
––  Зарядное к нему;
––  4 запасных пропеллера;
––  пульт управления;
––  Видеоочки Fat Shark Teleporter V4;
––  Литий-полимерный аккумулятор для видео очков и зарядное к ним;
     Технические характеристики:
––  Размеры 140 х 140 мм;
––  Диаметр пропеллеров 50 мм;
––  Размеры моторов 6 мм;
––  Вес16,5 г;
––  Источник питания литий-полимерный аккумулятор E-flite® 1S 3.7V 150mAh;
––  Время полета	до 10 минут;
––  Пульт управления Spectrum DSMX;
––  Рабочая частота пульта ДУ 2.4Ghz;
––  BladeNano QX FPV;
––  Размеры 140 х 140 мм;
––  Диаметр пропеллеров 50 мм;
––  Размеры моторов 6 мм;
––  Вес 22 г;
––  Источник питания литий-полимерный аккумулятор E-flite® 1S 3.7V 150mAh;
––  Время полета	до 6-7 минут;
––  Пульт управления Spectrum DSMX;
––  Рабочая частота пульта ДУ 2.4Ghz;
––  Частота передачи видео 5.8Ghz;
––  BladeNano QX 3D;
––  Размеры 130 х 130 мм;
––  Вес 27 г;
––  Источник питания литий-полимерный аккумулятор E-flite® 1S 3.7V 200mAh;
––  Время полета	около 10 минут;
––  Пульт управления Spectrum DSMX;
––  Рабочая частота пульта ДУ 2.4Ghz
     Со времени создания первых мультикоптеров прошло почти столетие. За это время мультикоптеры значительно эволюционировали и стали именоваться беспилотными летательными аппаратами, или дронами. Количество используемых винтов устаканилось на четырех, шести и восьми, а самыми популярными признаны четырехвинтовые модели – квадрокоптеры. Сфера их использования весьма обширна. Начиная от миниатюрных игрушек для детей и взрослых до профессиональных моделей, способных производить доселе невиданную съемку, например, извержений вулканов. Популярность дронов растет с каждым днем, они становятся доступнее для обычного человека, желающего получить новые впечатления и от управления полетом, и от качественной съемки с «высоты птичьего полета».С каждым годом растет количество производителей квадрокоптеров в мире, что ориентированы как на гражданские, так и военные нужды. 
	
     
.......................