Мультикоптеры: от расчетов к полётам. Всё, что нужно знать, чтобы собрать себе квадрокоптергексакоптероктакоптер

Всем привет! После выхода первого же ролика, снятого с собранного мной гексакоптера, народ стал одолевать вопросами и просьбами помочь в постройке аппарата.
В наше время нет дефицита информации, напротив, есть её переизбыток, который очень сложно фильтровать.

Хочу в своей статье ответить на те вопросы, которые поступают практически каждый день от моих знакомых.
А именно:
— Какой коптер лучше и чем они отличаются? (квадро-, три-, гекса-, октакоптер)
— Купить готовый, или собрать самому?
— Какие комплектующие подобрать? Как рассчитывать? Каков минимальный набор для полёта?
— На что снимать – на GoPro или камеру потяжелее?
Думаю, что для начала этих вопросов хватит, чтобы заставить закипеть мозг тех, в чьих головах пока есть только желание разобраться с основами, но нет опыта за плечами.

Прошу не принимать всё написанное за единственно верную истину. Как раз хочу объяснить, что я человек с творческо-техническим складом ума, но не живу в своем ограниченном мире коптеростроения. Напротив, я новичок в этом вопросе и пишу статью потому, что загоревшись желанием построить дрона для аэросъемки, столкнулся с тем, что очень много разных мнений и выбрать верный путь очень сложно. Мой первый опыт был не совсем удачным, от этого и хочу всех уберечь, выделив самое важное и акцентируя внимание на важные детали, о которых мало говорят.
Итак, чем же отличаются коптеры и откуда такие названия? Квадрокоптер – это четырехвинтовой аппарат. Этот тип БПЛА (беспилотных летательных аппаратов) на сегодняшний день является самым распространенным и уже фактически стал именем нарицательным для народа, если речь идет о мультироторных системах. Самый известный четырехмоторный дрон выпустила компания DJI, практически все о нем слышали. Это тот самый Phantom. Но разбирать все модификации бессмысленно. Единственное, я надеюсь, что после прочтения этой статьи вы сами сможете просчитать параметры и понять, почему полетное время между первым и вторым поколениями Phantom’ов изменилось почти вдвое.
Гексакоптер — это шестимоторный, а октакоптер, соответственно, восьмимоторный аппарат. Есть еще трикоптеры и так называемые соосные. И тут много споров на тему, как правильно назвать аппарат с 8-мью моторами, но 4-мя лучами, соосный квадрокоптер или всё-таки октакоптер. Моторы располагаются на одной оси один над другим. У такого расположения есть одно преимущество — размеры. Но на практике те же 8 моторов на октакоптере будут давать более высокий КПД, чем установка на одной оси парных двигателей.

Как вы понимаете, вся разница в количестве винтов, сказывается в первую очередь на подъемной силе и стабильности аппарата. То есть логично, что при всех равных условиях маленькому квадрокоптеру будет сопротивляться с ветром намного сложнее, чем большому октакоптеру. Во-первых, больший вес сложнее сдвинуть с места, во-вторых, большая длина рычага (луча рамы, на конце которой установлен мотор с пропеллером) говорит о том, что один и тот же порыв ветра способен накренить аппарат большего размера на меньший угол относительно горизонта. Следовательно, многомоторные системы более устойчивы к худшим погодным условиям.
Хочу коснуться еще одной темы — основ понимания физики поведения мультикоптеров. Эти аппараты управляются легче, чем любые другие летающие модели: самолёты, вертолёты, планеры и т.д. Для полётов коптера необходимо минимум 4 канала аппаратуры управления.
1 канал — Элероны (aileron) — это канал, который отвечает за направление влево-вправо.
2 канал — Элеватор (elevator) — это канал, отвечающий за движение вперед-назад.
3 канал — Газ (throttle) — это канал газа. Отвечает за набор и снижение высоты.
4 канал — Рысканье (rudder) – отвечает за вращение вокруг своей оси.
Остальные каналы в аппаратуре (моделисты любят использовать слово «аппа»- это тот самый пульт-передатчик в руках «пилота» и приемник на борту аппарата) используются для управления осями подвеса камеры, для складывания шасси, надстройки уровня чувствительности аппарата к внешним условиям (PID параметры в полётном контроллере, отвечающие за силу и скорость реакции коптера на сигналы управления, сопротивление погодным условиям), для переключения режимов полёта (к примеру GPS, Attitude, Manual, Failsafe, Home lock, Course Lock). Как говорят опытные авиамоделисты, много каналов не бывает, поэтому у них есть одно важное правило – покупать сразу хорошую надёжную аппу известных брендов. Лучшими считаются производители: Futaba, Spectrum, JR.

Время летит, поэтому добавляю в статьи свежие строки, актуальные на сегодняшний день, спустя несколько лет после написания статьи. Буду помечать их курсивом и добавлять ссылки на примеры комплектующих в проверенных магзинах, в которых сам совершал покупки.
Из бюджетных, но проверенных временем аппаратур управления пользуется популярностью FRSky Taranis Q X7. И старший брат — FrSky Taranis X9D Plus

Одна и та же хорошая аппаратура способна хранить в себе настройки одновременно десятков моделей. То есть, однажды приобретая её, можно пользоваться ею фактически всю жизнь и управлять RC самолётами, вертолётами, машинами, мультикоптерами, просто выбирая в меню аппаратуры нужную модель (но закладывать настройки каждой модели нужно самому вручную). Так вот, для чего же на практике люди используют дополнительные каналы? Если вы планируете заниматься аэросъемкой, то минимум 2 канала нужно на управление трех-осевым подвесом – канал YAW отвечает за рысканье (поворот вокруг своей вертикальной оси, горизонтальное панорамирование), PITCH – канал тангажа, то есть наклон камеры вверхвниз. Как правило наклон оси ROLL (горизонта) регулировать не нужно, так как сложно придумать ситуацию, когда на видео нужно нарочно завалить горизонт. Иногда люди используют дополнительную курсовую камеру на сервоприводах, которой вообще можно управлять движениями головы. Лично я реализовал такое управление своим подвесом с камерой GoPro, которая одновременно является и курсовой и основной камерой. Для этого устанавливается датчик head tracker в видео очки или FPV-шлем (First person view – вид от первого лица), который соединяется с аппаратурой управления, а та в свою очередь передает сигналы на каналы управления нужных осей подвеса камеры. Для дополнительных каналов управления также можно придумать другие предназначения: от сброса транспортируемых коптером предметов до поджигания фитиля установленных на него ракетниц-фейерверков, тут всё ограничивается лишь полётом фантазии.
_
Еще важно разобраться с тем, как мультикоптер работает в целом. Понятно, что при движении стика газа вверх на аппаратуре управления, коптер просто прибавляет обороты на всех двигателях и происходит набор высоты. Чтобы полететь вбок, аппарат кренится в нужную сторону, увеличивая обороты двигателей с одной стороны и снижая с другой. При этом, за счет датчиков, соединенных с ПК (полётным контроллером), аппарат кренится только до ограниченного в прошивке контроллера угла, чтобы не перевернуться. Вперед и назад летает, соответственно, тем же принципом. А вот вращение вокруг своей оси происходит за счет того, что двигатели через один крутятся в противоположные стороны и пропеллеры должны быть соответствующие — одни загребают воздух под себя, вращаясь по часовой стрелке, другие — против. Получается, чтобы аппарат развернулся в нужную нам сторону, он увеличивает обороты двигателей вращающихся в одну сторону и ровно настолько же уменьшает обороты двигателей, вращающихся в противоположную.
_
Что касается «начинки», то мультикоптер состоит из рамы, на которую устанавливаются двигатели. Сигналы на вращение двигателей идут из полётного контроллера (ПК), но мощности этих сигналов не достаточно, поэтому перед каждым двигателем стоит регулятор оборотов (в простонародье «регуль», ESC).

Также на борту стоит приемник сигналов управления, который передает их в ПК.

Современные полётные контроллеры такие, как распространенный DJI Naza-m v2 представляют собой целые наборы.

Контроллер уже включает в себя виброразвязку, поэтому его не нужно ставить на демпферную площадку, а нужно крепить прямо на корпус. Также у него на борту находится гироскопический, барометрический датчики, магнитометр, компас и дополнительно подключается модуль GPS, чтобы аппарат мог вернуться на точку взлета сам, если потеряет связь с аппаратурой управления, но это не единственная функция. К данному полётному контроллеру в комплекте идет модуль PMU и LED, а также может подключаться модуль bluetooth и OSD телеметрия. Также на борту стоит батарея, питающая всю систему и может стоять дополнительная батарея для приемника аппаратуры управления. Данный полётный контроллер установлен в современных квадрокоптерах DJI Phantom 2, но его возможности намного шире рамок этого небольшого аппарата.
Выше перечислен минимальный набор, который можно назвать мультикоптером. Он может взлететь, если имеется «аппа», но этого не достаточно для съемок. Пишу это к тому, что многие, узнав бюджет на весь мой аппарат с камерой и дополнительным оборудованием, удивляются и спрашивают, почему я не купил за эту сумму готовый более серьезный аппарат. Ответ в том, что дополнительное оборудование для управления, съемки, стабилизации и контроля стоит намного больше, чем сам мультикоптер.
И всё-таки, собрать самому, или купить готовый? На этот вопрос вы ответите сами себе, прочитав всю статью и осознав все за и против. Многие, как я уже написал, критикуют меня в том, что я потратил большую сумму на сборку аппарата, который фактически умеет то же самое, что DJI Phantom 2. Сумма со всеми допами подбирается к 200 тысячам рублей. Но сюда входит и стоимость аппаратуры управления Futaba 10J с заводским режимом мультикоптеров, в паре с родным передатчиком работающей до 4 км и имеющей очень надежную помехоустойчивость. Сюда же вошла и камера GoPro 4 black, подвес Fy-G3, очень мощный FPV-передатчик и приемник на 1000 мВатт 1,2 Ггц с изготовленными под заказ клеверными антеннами, покрывающими расстояние до 12 км и фильтром, чтобы срезать частоты, наиболее влияющие на аппаратуру управления, чтобы не забить ненароком сигнал приемника. Также в этой сумме FPV-видеошлем eYebox с потрясающей цветопередачей, детализацией и углом обзора (а до него были очки Fatshark BASE SD, которые мне не понравились в сравнении со шлемом и я решил их продать).
Говоря о вопросе покупки готового собранного аппарата – можно однозначно ответить – покупайте проверенные, если Вы планируете использовать их только для того, для чего они созданы. То есть если Phantom 2 создан, чтобы поднимать GoPro, вы не повесите на него зеркалку, вы не увеличите время его полёта, из него выжат максимум очень грамотными специалистами.
Собирать коптер самостоятельно – это выбор тех, кому нравится решать сложные задачи. То есть для людей, которые получают удовольствие от самого процесса расчетов и сборки. Преимущества собранного своими руками аппарата в том, что он подлежит апгрейду, на него можно вешать любое дополнительное оборудование. Но важно понимать, что аппарат изначально рассчитывается под определенный полётный вес, время полёта. А вот, так сказать, запас тяги может привести к плачевным последствиям.
Конфигурация моего нынешнего гексакоптера такова:
1. Рама: Tarot fy-680.
2. Контроллер: dji naza-m v2 c gps.
3. Моторы: sunnysky v3508 kv580
4. Регуляторы: Hobbywing Platinum PRO 30A OPTO ESC(2-6s).
5. Пропеллеры: карбон 1255.
6. Батареи: lipo 4S turnigy 5000 mah 30-45C и 8000 mah 20-30 C (вес 500 и 800 грамм).
7. Аппаратура управления и приемник: Futaba 10J.
8. Подвес для gopro3 : Feiyu Tech fy G3 gimbal.
9. OSD телеметрия DJI iOSD mini.
10. BAC трансформатор с выводом на 5V для подпитывания камеры во время полёта.
Снаряженный вес без батареи 2600 грамм.
Изначально была немного иная конфигурация. Аппарат летал на батареях 3S, двигателях sunnysky 2216 kv800 и пропеллерах 1045 и 1238 (но на 1238, которые прислал продавец по ошибке, аппарат разбился).

Читать также:  Печь для бани своими руками, чертежи и порядовки

Если вы всё-таки решились собирать мультикоптер самостоятельно, попробую объяснить основные принципы. Важно сразу понять, какой снаряженный вес будет в итоге у аппарата и вести расчеты, отталкиваясь от него. Можно найти готовые конфигурации на форумах и перепроверить их на специальном калькуляторе, о котором я расскажу далее. Важен также такой момент, что этот калькулятор не знает, возможно ли физически установить пропеллеры расчетного размера на вашу раму и можно ли их вообще ставить на заданные двигатели.
1. Поэтому первым делом определяемся с рамой, узнаем её вес, максимальный размер пропеллеров, которые возможно установить.
2. Подбирая моторы, сразу смотрим на сайте производителя таблицы характеристик с рекомендуемыми пропеллерами. К примеру я использую моторы SunnySky v3508 kv580

И тут хочу акцентировать внимание на параметры мотора. В названии мотора зашифрованы его основные параметры V3508 kv580, где v — это серия, 35мм — диаметр статора, 8 мм — это длина статора. А параметр KV говорит об оптимальных для данного мотора оборотах висения летательного аппарата. То есть, имея оптимальные обороты висения и вес аппарата, нам придется под них подбирать пропеллеры с нужными параметрами, чтобы добиться оптимальных показателей. В таблице видно, что для данных моторов производителем рекомендуются 3 вида пропеллеров: 1238, 1447 и 1555. Во втором столбце видим, что везде значение напряжения стоит 14.8 вольт. То есть данные моторы используются только с 4S батареями. Для одних и тех же моторов в таблице могут даваться показания для разного вольтажа, и нужно быть очень внимательным, ведь моторы, которые работают и с 11.1 вольтовыми 3S батареями и с 14.8 вольтовыми 4S батареями, как правило, допускают максимальный размер пропеллеров при 3S батареях меньше, чем при 4S, так как мотору может просто не хватить мощности раскручивать тяжелые для него пропеллеры, и есть вероятность перевернуть коптер вверх ногами прямо в полёте. (Со мной такое случалось). Вот пример таблицы для моторов SunnySky 2216 kv800

Из этой таблицы видно, что с моторами 2216 при использовании 11.1 вольтовых батарей можно ставить пропеллеры максимального размера 1147, а при 14.8 вольтовых максимум 1047-е пропеллеры. Теперь, чтобы сложить картину воедино, следует пояснить маркировку пропеллеров. На самом деле, размер обозначает только первое двузначное число, а второе означает шаг. Размеры даются в дюймах. Маркировка 1047 означает, что пропеллеры 10-тидюймовые, а шаг на один оборот составляет 4,7 дюйма.
Выше я уже привел ссылку на видео случая из моей первой конфигурации, когда я на моторы 2216 kv800 установил пропеллеры 1238. На видео с 17й секунды видно, что при снижении, либо порыве ветра аппарат начинает амплитудно раскачиваться. Закончилось это тем, что коптер перевернулся в воздухе и приземлился вверх ногами на асфальт. Во-первых, моторы перегреваются и могут вообще перегореть в полёте, во-вторых, у них банально не хватает силы резко раскручивать нужные пропеллеры для стабилизации положения коптера, в итоге аппарат себя раскачивает все сильнее и сильнее.
Также, прежде чем перейти к этапу расчетов, важно пополнить свои знания информацией о литий-полимерных батареях. Они встречаются сейчас повсеместно — в телефонах, планшетных компьютерах, ноутбуках и других устройствах. Эти батареи имеют максимальную ёмкость относительно веса и максимальную токоотдачу, минимальное время заряда. Но при этом батареи токсичны и даже взрывоопасны.

Они непременно взрываются при сильном механическом повреждении, при чрезмерном перезаряде, при замыкании. Эту информацию важно знать и тем, кто не планирует собирать себе коптер.
Li-Po батареи нужно заряжать, транспортировать и хранить в специальных огнеупорных конвертах.

Теперь давайте разберем параметры в описании батареи.

К примеру :
ONBO 5200mAh 4S 45C Lipo Pack:
• Емкость: 5200mAh
• Напряжение: 4S1P / 4 Cell / 14.8V
• Ток разряда: 45C продолжительный / 90C пиковый
• Вес: 485г (включая провода, разъемы и корпус)
• Размеры: 160x50x32мм
• Балансировочный разъем: JST-XH
• Силовой разъем: T-connector

Что же означают эти 2S, 3S, 4S? 6S и на что они влияют?
Параметр S означает количество ячеек, либо банок. Каждая ячейка представляет собой отдельную батарею указанной ёмкости, но её номинальное напряжение 3.7 вольта, а напряжение полностью заряженной ячейки составляет 4.2 вольта. Поэтому номинальное и полное напряжение 2S аккумулятора составляет 7,4-8,4 вольта, 3S – 11,1-12,6 вольт, 4S – 14,8-16,8 вольт и т. д.
У аккумулятора имеется балансировочный разъем, к которому можно подключить индикатор напряженияи следить как за общим уровнем заряда батареи, так и за уровнем заряда в каждой ячейке.

Подобный индикатор настраивается на определенный уровень напряжения, по достижении которого на любой из ячеек он начинает сигнализировать громким писком. Это очень удобно, если отправлять аппарат в полёт с подключенным устройством, которое настроено на 3,4 вольта. Чтобы знать, что пора приземлять коптер. Ведь важно знать, что порог, до которого можно разряжать Li-Po аккумулятор, чтобы он прослужил долгое время, составляет 3.3 вольта на банку. При полной разрядке аккумулятора, он теряет значительную часть своей ёмкости.
А для правильной его зарядки требуется специальное зарядное устройство, которое умеет балансировать ячейки до равного напряжения и при этом не перезаряжать, чтобы не допустить возгорания.

Подобная зарядка также способна заряжать (либо разряжать) до номинального напряжения для хранения батарей, ведь хранение полностью заряженных батарей тоже негативно сказывается на их ресурсе.
Возвращаясь к описанию параметров батарей, хочу разобрать параметр “C” – обычно встречаются цифры 10C, 20C, 30C и т. д. Данный параметр равен ёмкости элемента. Грубо говоря, 1С — 5000 mah составляет 5A за 1 час, а если батарея с током разряда 20C, то она способна полностью отдать свой заряд в 20 раз быстрее часа, то есть за 3 минуты. Но в то же время рекомендуемый ток заряда для большинства батарей не должен превышать 1С. Но значение максимального тока заряда указывается в описании к каждой батарее. Тем не менее, более качественный и щадящий заряд идет именно током 1С – то есть, если емкость батареи 2000 mah, то заряжать её желательно током не более 2 ампер. А если емкость батареи 4000 mah, то тот же 1С для такой батареи уже составит 4 ампера.
Если вы осилили всю эту теорию, переходим к самому интересному. Давайте научимся пользоваться калькулятором для расчета мультикоптеров.
Скажу сразу, он «буржуйский», поэтому просит внести лепту. Но мы- россияне, поэтому есть легальный способ пользоваться всеми функциями сего ресурса без финансовых вложений. Заключается он в перезагрузке сайта, если не находите в списке нужных двигателей или аккумуляторов в базе. При каждом заходе база обновляется. Но могу добавить, что многие двигатели являются аналогами, поэтому можно подобрать двигатель другого производителя с такими –же размерами и параметром KV.
Вот пример моей конфигурации в полном снаряжении:

Синим я пометил параметры, которые менял в таблице с параметров по умолчанию после загрузки страницы, а зеленым – наиболее важные строки, на которые стоит обращать особое внимание при расчетах. Как видно, газ висения подобран практически идеально. Для полётного контроллера naza желательно подбирать значения в пределах от 40% до 60%. Газ висения не означает, что если вы оставите стик газа на управлении ровно посередине, мультикоптер начнет подниматься при переизбытке тяги, или опускаться при её недостатке. Нет, на самом деле полётный контроллер сам регулирует обороты двигателя, для того, чтобы оставаться на заданной высоте при положении стика газа ровно посередине. Но если газ висения будет более 60%, значит аппарат перегружен, нужно пробовать пропеллеры с большим шагом, либо большего размера (если это позволяет рама и характеристики двигателей).
Для примера я посчитал эту же конфигурацию, если установить пропеллеры 1447.

Видим, что совсем незначительное увеличение времени полёта ощутимо сказалось на нагрузке аккумулятора, которая возросла с 11 до 15С и нагрузке на мотор. В максимальном режиме даже выводится предупреждение о превышении допустимой нагрузки. Но при этом полезная нагрузка возросла почти вдвое, а газ висения снизился до 34%, то есть образовался небольшой избыток тяги. Такая конфигурация подошла бы, если бы я захотел повесить на свой коптер не GoPro, а камеру типа Panasonic GH4K или sony nex. Но тогда время полёта ощутимо сократится, ведь возрастет вес. Для полётов с такими камерами я приведу расчет в самом конце, а пока привожу пример, если на такой-же конфигурации использовать батарею большой ёмкости – 16000 mah. Её вес 1 кг (10С), она относительно недорогая – на сегодняшний день можно купить ее за 7300 руб с доставкой по РФ. Но и пропеллеры в расчетах уже ставлю не 1255, а 1355, так как возрастет вес аппарата.

Читать также:  Самодельный обратный клапан: подробно о том, как сделать обратный клапан своими руками

Расчетное время полёта в полном снаряжении уже составляет порядка 22 минут, а время висения подбирается к 30 минутам. На самом деле эти расчеты дают лишь приблизительное время полёта. В теории, в самой первой конфигурации расчетное время полёта 11 минут, а на практике оно составляет 16, а время висения 19 минут до звукового сигнала о достижении на одной из ячеек аккумулятора напряжения в 3,4 вольта под нагрузкой. И обратите внимание, нагрузка на аккумулятор составляет всего 6.76С. То есть, чем больше емкость аккумулятора, тем меньше нужно обращать внимание на эту цифру. Я бы даже сказал тем лучше, если эта цифра будет не в пределах 30-40, так как данный параметр скажется лишь на весе аккумулятора. Если расчетная нагрузка имеет запас почти в полтора раза, а пиковая нагрузка на аккумулятор и так обычно превышает почти вдвое заявленный параметр долгосрочной нагрузки (10-20С) (30-45С), нет смысла покупать более дорогой и тяжелый аккумулятор.
Если же нужно собрать настоящий грузоподъемный «долголёт», то тут нужны низко-оборотистые мощные двигатели такие как SunnySky kv380 и 6S батарея.

Что касается известного всем DJI Phantom 2, то его полётный вес составляет 1400 грамм, моторы dji 2312 kv960 (у первого «фантома» 2212 kv920), пропеллеры 9450 (у первого 9443), батарея 3S 5200 mah (у первого 2200 mah), регуляторы примерно на 20 ампер. Думаю, что вам будет интересно посчитать самим и понять, что будет с полётным временем и другими параметрами, если довесить на готовый аппарат 200 граммовый комплект FPV: видеопередатчик, с антенной и бортовой 2S-3S батареей. Скажу сразу, в среднем время полёта сократится на 5-7 минут. А вот 200 грамм для гексакоптера уже не так значительны. К тому же, многие задаются вопросом, есть ли в этом смысл, или даже устраивают дорогостоящие бессмысленные эксперименты без расчетов, по установке двух не оригинальных батарей большей ёмкости под лучи «фантома» вместо одной оригинальной. Смысла в этом совершенно нет, так как запас грузоподъемности у таких аппаратов очень мал. Теперь, понимая, как пользоваться калькулятором, советую вам посчитать самостоятельно.

Надеюсь, что моя статья будет для вас полезной. К вопросу о покупке деталей и запчастей для сборки, я пользуюсь известными всем иностранными торговыми площадками ebay и aliexpress, hbbyking и подобными.

Квадрокоптер своими руками

Мечта полета преследует каждого человека с детства. Редко у кого не было желания оторваться от земли и устремиться в небо. К сожалению, в природе люди не умеют летать. Им приходится применять для этого специализированные аппараты. Приблизиться к мечте поможет собранный квадрокоптер своими руками.

Человека он, конечно, не поднимет, но даст понять принципы пилотирования, на которых строится авиация, а также возможность управлять, пусть маленьким, но летательным аппаратом.

Сфера применения

Использовать quadrocopter можно и для серьезных целей. Оснащенный видеокамерой и передатчиком, он может передавать изображения с воздуха отслеживаемых объектов. К примеру, местонахождение голов скота на пастбище или состояние крыш и высоких памятников.

В его силах разведывать ледовые или сплавные заторы рек, передавать информацию о пробках и ситуации на дорогах. квадрокоптер используется и при лесных пожарах, давая обзор направления движения огня. В общем, везде, где есть необходимость получения панорамной картинки с высоты – он первый помощник. Включая сферы спасения жизни и поиска людей.

Квадрокоптер с грузом

Из остальных очевидных методов применения дрона – переноска им по воздуху каких-либо грузов. Летательному аппарату не страшны плохие дороги или их полное отсутствие, а удаленное управление позволяет использовать его в любую погоду без риска для жизни пилота. Квадрокоптер с грузом

Есть и не очевидные способы применения квадрокоптеров. К примеру, в некоторых крупных торговых центрах летательные аппараты подобного типа производят замену ламп освещения под потолком. Захват выполняется в специальный держатель, после чего дрон вращается, выкручивая светильник, и транспортирует его на землю. В него устанавливают целую лампу, которая перемещается вместе с аппаратом по воздуху обратно и вкручивается. В результате – нет риска для персонала, а работа выполнена.

Самодельный квадрокоптер

Можно, конечно, купить дрон в сборе, но это не так интересно, как создать его своими руками, пусть уже и из готовых комплектующих, поставляемых наборами от производителя. К тому же, далеко не каждая готовая сборка будет соответствовать нуждам покупателя.

Использование дронов на законных основаниях

Самый захватывающий вариант получения квадрокоптера – индивидуальный расчет конфигурации и подборка соответствующих ему комплектующих, с монтажом всего этого в одну конструкцию. Приобрести же необходимые элементы можно, к примеру, на торговой площадке E-Bay или AliExpress, сделав заказ через интернет. Использование дронов на законных основаниях

Один из нюансов, учитываемый при изготовлении самодельного квадрокоптера, – ограничения, введенные законодательно на сверхлегкие летательные аппараты. К которым относятся и дроны.

В сущности, они касаются только документальной регистрации квадрокоптеров весом свыше 250 грамм. Если аппарат имеет большую массу, но меньшую 30 килограмм, то ему требуются разрешительные бумаги от Федерального агентства воздушного транспорта. Получить их можно и по почте, отправив фотографию беспилотного летательного аппарата и его характеристики в Росавиацию.

Какие есть варианты?

Квадрокоптер в полете

Итак, рассмотрим все возможные варианты приобретения или самостоятельного изготовления маленького летательного аппарата, годного как в качестве игрушки, так и для выполнения вполне серьезных задач. Квадрокоптер в полете

Ready to fly (готовый к полету)

Под определение попадают все квадрокоптеры, продаваемые в собранном состоянии. После покупки, для их использования достаточно подать питание на узлы аппарата и пульт радиоуправления. Самый простой способ приобщения к пилотированию.

Almost Ready to Fly (почти готовый к полету)

Товарная номенклатура подобных моделей весьма велика. Производитель может представлять как все необходимые детали в наборе, так и только некоторые части дрона. К примеру, раму или контроллер работы двигателей. Сборка и покупка недостающих полностью осуществляется силами владельца такого комплекта.

Квадрокоптер Almost Ready to Fly

Приобретение подобного квадрокоптера рекомендуется начинающим пользователям. Он позволит ввести человека в основы создания летательного аппарата, при этом достаточно прост в сборке. Один из вариантов комплектов сборки

Полная сборка с нуля

Один из самых интересных вариантов, с относительно низкими затратами труда и времени. При выборе компонентов летательного аппарата производят расчеты в зависимости от желаемых характеристик и доступной номенклатуры в продаже.

Имеется в виду, к примеру, что для большого квадрокоптера нужны и габаритные, а также мощные запчасти. Их характеристики непосредственно зависят от планируемого веса дрона. Чем крупнее рама – тем больше масса аппарата, а значит, он должен быть оснащен более высоко оборотистыми двигателями, крупными пропеллерами, а также соответствующей системой питания всей силовой и обычной электроники на борту.

Один из видов полетных контроллеров

Важной деталью служит и выбор контроллера, который управляет всем этим хозяйством. Он задает скорость вращения винтов, не допуская перекосы аппарата во время полета. К его функциям относится и управление движением дрона, в зависимости от команд оператора на земле. Один из видов полетных контроллеров

Не лишним будет контроль характеристик передатчика пульта и устанавливаемого приемника в аппарат. Чем они мощнее, тем на большем расстоянии можно управлять квадрокоптером.

Ну и в конце, навесное оборудование. Без него дрон – не более чем летающая игрушка. А вот смонтировав на его раму камеру с передатчиком, можно найти квадрокоптеру более практичное применение.

Опять же, важна дальность беспроводного функционирования подвеса, его потребляемая мощность (а значит и запас хода батарей всего аппарата). Управляемая камера, с настраиваемым увеличением и яркостью, также даст свой плюс к использованию дрона.

Самодельный дрон из подручных материалов

  1. Несущая рама. Собственно, «корпус», к которому крепятся двигатели с подъемными винтами, аккумуляторы, системы управления, контроллер и подвесное оборудования. Может быть как покупной, так и изготовленной самостоятельно из дерева, ПВХ труб, пластмассы или алюминия. Единственные к ней требования – легкость и прочность.
  1. Подъемные винты. Приобретаются уже готовые или изготавливаются самостоятельно. Могут обладать любым количеством лопастей и углами их наклона. Каждый вид конфигурации пропеллера дает свои плюсы и имеет определенные минусы. К примеру, большее количество лопастей приведет и к увеличению расхода батареи, но тяговая функция у них лучше.
  1. Сами двигатели, по количеству лучей квадрокоптера. Мощности каждого из них должно хватать для необходимой скорости раскрутки винта с целью возникновения подъемной силы у дрона. Существуют редукторные, без коллекторные и щеточные варианты. Первые обеспечивают большую скорость раскрутки, но греются в процессе работы. Вторые считаются лучше подходящими для беспилотников. Третий вариант наиболее дешев, но и достаточно часто выходит из строя из-за износа щеток на коллекторе.
  2. Полетный контроллер. Основное управляющее устройство БПЛА. В своей сущности он – мини компьютер, поддерживающий необходимую частоту оборотов на каждом винте, чтобы не допустить перекосов аппарата. Он же управляет процессом перемещения, замедляя винты одной стороны квадрокоптера и ускоряя другую, чтобы добиться небольшого угла наклона дрона в ту сторону, куда требуется произвести движение. Информацию о текущем положении он получает от специализированных сенсоров – GPS, компаса и акселерометра.
    В самодельных конструкциях можно использовать Arduino или любой другой универсальный микроконтроллер с дополнительными модулями необходимых датчиков.
  1. Электронный регулятор скорости (ESC). Посредник между контроллером и двигателем. Именно он задает необходимое питание для нужной скорости вращения.
  2. Приемник и передатчик. Первый устанавливается в дрон для получения команд от оператора с земли. Второй — в пульт, оснащенный двумя джойстиками, с помощью которых и управляют квадрокоптером. Полученные сигналы преобразуются в команды для контроллера, который уже обеспечивает последовательность действий по их выполнению.
  3. Защита винтов. Казалось бы, второстепенная вещь, но без этого кожуха вокруг пропеллера, при любом столкновении он выйдет из строя.
    Некоторые варианты несущей рамы подразумевают такое расположение винта, которое убережет его при аварийной ситуации. В таких случаях отдельная защита не нужна.
  1. Аккумуляторная батарея достаточной емкости, чтобы обслуживать питание всех компонентов летательного аппарата в течение требуемого времени. Для этой части устройства очень важен вес, который непосредственно зависит от ее типа. К примеру, литиевый намного легче, сравнительно с аналогичным той же емкости на основе свинца.
  2. Навесное оборудование. Самая «вкусная» часть квадрокоптера. Непосредственно от него зависит сфера применения летательного аппарата. Конечно же, как и для всего установленного, тут важен вес.
    Кроме того, обязательно нужно уделить внимание потребляемой мощности навесным оборудованием, обеспечив необходимую подачу энергии от отдельного источника или увеличив емкость центрального аккумулятора БПЛА.
    В качестве добавочных устройств зачастую используются различный крепеж для транспортировки грузов или видеокамеры с передатчиком изображения.
Читать также:  Как построить пирамиду на даче: чертежи и размеры

Как собрать квадрокоптер своими руками: инструкция для начинающих

Чтобы упростить покупку первого квадрокоптера, но дать основы его создания, стоит брать комплекты дронов, в которые уже включены все необходимые детали аппарата. Их прочность, мощность и возможности уже выбраны согласно строению и весу итогового БПЛА.

Подбор материалов и комплектующих

Готовые комплекты, с элементами, подобранными производителем, рассчитаны на определенные характеристики аппарата. Среди них – максимальная дальность полета и нахождения от оператора, потолок высоты и скорости. Обязательно указывается полезный вес нагрузки – грузоподъемность дрона.

Ориентируясь по ним, и производят выбор комплекта.

Детали с Али экспресса

Один из бюджетных вариантов, представленный на Aliexpress для самостоятельной сборки, без ухудшения функциональности квадрокоптера – Flysky i6 F450. Его цена находится в районе 12086 рублей.

Комплектующие для сборки дрона

В наборе находятся все компоненты, позволяющие создать собственного дрона, кроме аккумулятора и навесного оборудования – камеры, хотя ее крепление предусмотрено конструкцией рамы устройства. Что идет в комплекте

Квадрокоптер — это не только весело и интересно. Такое устройство можно использовать для аэрофотографии, доставки небольших грузов, выполнения задач патрулирования, участия в соревнованиях. Именно для последней цели множество профессионалов предпочитает покупать не готовые модели, а собирать квадрокоптер своими руками. Сделать это можно и в домашних условиях. Главное — правильно подобрать комплектующие.

С чего начинать

Первое, что стоит уяснить начинающему, который решил сделать квадрокоптер своими руками: обойтись без покупки специальных комплектующих не получится. Летающая четырехвинтовая машина представляет собой достаточно сложную компьютеризированную систему. Поэтому приобретение специальной управляющей платы, сигналы с которой будут стабилизировать и направлять мультикоптер — является обязательным.

Квадрокоптер самодельный

Несколько советов помогут собрать дрон с высокими шансами на положительный результат.

  1. Не стоит делать самодельный квадрокоптер большим. Разумно начать с надежной, устойчивой и прочной модели.
  2. Двигатели для дрона нужно выбирать с запасом. Во-первых, этим достигается большая свобода при сборке рамы. Мощные двигатели компенсируют ошибки, связанные с недостаточной грузоподъемностью. Во-вторых, характеристики большинства моторов китайского производства завышены.
  3. Минимальное количество проводки и соединений позволит как уменьшить массу, которую будет иметь самодельный дрон, так и минимизировать наводки и потери на сопротивление.

И главное — не стоит сразу пытаться делать квадрокоптер с камерой. Это устройство (если хочется получать качественное изображение) не только громоздкое и довольно тяжелое, но и неизбежно разбалансирует дрон.

Готовые комплекты

Профессиональные спортсмены, использующие гоночные дроны, предпочитают покупать готовые наборы для сборки. Это так называемые комплекты ARF. В них входит минимальный набор компонентов, чтобы сделать дрон своими руками с предсказуемыми характеристиками. При этом владельцу предлагается некоторая свобода в модификации параметров изделия путем замены лопастей, батарей и других комплектующих.

комплект ARF

  • детали рамы,
  • основная печатная плата,
  • двигатели,
  • лопасти,
  • батареи,
  • соединительные шлейфы,
  • крепежные элементы.

После того, как самодельный квадрокоптер собран, на него устанавливают систему управления. Ее можно купить отдельно.

Еще одно достоинство комплектов ARF — широкие возможности модификации летных характеристик дрона. Можно собрать квадрокоптер с большим радиусом действия, подключая его к соответствующей системе управления. Или обеспечить хорошие характеристики маневренности, используя специальные пульты.

Сборка в домашних условиях

Квадрокоптер можно собрать самому, в домашних условиях. Без покупки сложных электронных компонентов обойтись не получится. А вот силовую раму с ногами двигателей можно сделать из подручных материалов. Есть несколько вариантов сборки. Раму можно сделать из пластиковых труб водопроводной сети или собрать конструкцию из тонкого алюминиевого профиля квадратного сечения.

Рама из фанеры

Металлическая рама

Промышленная рама

Самый простой способ — выполнить раму из фанеры. Для этого потребуется квадрат, размеры которого подбираются под габариты будущего коптера. К основанию рамы из фанеры будут крепиться ноги двигателей. Это может быть как готовое изделие промышленного производства, так и вручную изготовленные детали. Пошаговая сборка силовой рамы выглядит следующим образом.

  1. Делается чертеж конструкции, вид сверху. Соблюдается угол 90 градусов между ногами, равное расстояние между двигателями по диагонали.
  2. Определяется габарит центральной части из фанеры или профиля, путем разметки необходимых мест крепления ног.
  3. Если ноги двигателей сделаны из подручных материалов, например, низкого профиля — необходимо предусмотреть надежное место для крепления двигателей.

Сделать всю работу самостоятельно получится только у людей с высоким уровнем навыка моделирования и использования ручных инструментов. Требуется максимальная точность и минимальное количество материала.

Сборка квадрокоптера

Двигатели

Рекомендуется приобретать для сборки коптера в домашних условиях готовый комплект двигателей с системой управления. Это избавит от возможных отклонений в оборотах и других сложностях балансировки. Если же хочется все собрать самому, включая систему подъемных двигателей, следует ориентироваться на:

  • диаметр пропеллеров, который вычисляется по размерам рамы,
  • габариты посадочного пространства для двигателя (площадь и высота боковой опоры-стенки).

Двигатель

Далее делается выбор двигателя по его маркировке. Производитель всегда указывает диаметр статора и высоту двигателя. К каждому изделию приводится тип и размер лопастей, рекомендуемых к применению. После этого, основываясь на массе беспилотника и оборотах двигателя при зависании (указывается в паспорте) — подбирается конкретная марка пропеллера.

Выбор лопастей

Лопасти — одна из простых деталей, которым мало уделяют внимания начинающие. От конструкции данного элемента зависят летные характеристики дрона в целом. Рекомендации по выбору лопастей следующие.

  1. Если собирается квадрокоптер с камерой, нужно добиться минимальных вибраций при движении. Это позволяют сделать двухлопастные пропеллеры.
  2. Трехлопастные пропеллеры дают больше тяги, но для приведения их в действие требуется большая мощность двигателя.

Трехлопастной пропеллер

Второй главный фактор выбора лопастей — материал, из которого они изготовлены. Для начинающих, при сборке первых моделей, можно купить пластиковые пропеллеры. Но стоит помнить, что они не отличаются прочностью. Пластик деформируется, высыхает (меняет жесткость). Кроме этого, в ходе эксплуатации лопасти повреждаются пылью и другими взвесями в воздухе, из-за чего растет их аэродинамическое сопротивление.

Лопасти пропеллера

Металлические пропеллеры — оптимальный выбор, если хочется получить долговечный дрон со стабильными характеристиками. Стоят такие изделия дороже пластика, но служат гораздо дольше, показывая стабильные характеристики. Стоит помнить, что металлические пропеллеры неизбежно потребуют двигатели большей мощности для своего вращения.

Винты

Третий тип материалов, используемых для изготовления лопастей — композитные полимеры, многослойная конструкция. Такие пропеллеры легкие и прочные. Их цена высока, однако в области спортивных дронов композитные материалы лопастей не имеют конкурентов.

Важно! Если сборка квадрокоптера в домашних условиях планируется впервые, то при покупке лопастей не стоит экономить. Нужно внимательно изучать приводимую производителем разницу в массах отдельных пропеллеров в комплекте. На практике, покупая набор лопастных блоков дороже всего на 10% от средней цены, можно избавиться от работ по балансировке системы.

Комплект

Система управления

Система управления, рекомендованная к покупке для начинающих, состоит из пульта и приемника, устанавливаемого на коптере. Сегодня на рынке представлено великое множество комплектов, предлагающих разный функционал. Например, может быть реализована:

  • система взаимодействия по радио или Wi-Fi каналу,
  • GPS для ориентирования и движения по маршруту,
  • схема позиционирования, работающая не в 2, а в 6 и более степенях свободы,
  • система автоматического гашения инерции, позволяющая дрону висеть полностью неподвижно и сразу останавливаться при поступлении команды баз паразитных раскачиваний.

Пульт

От класса решения напрямую зависит стоимость системы управления. Поэтому рекомендуется тщательно проанализировать сферу применения и задачи коптера перед выбором того или иного комплекта его электроники.

Алгоритм сборки

Сборка квадрокоптера не представляет большой сложности.

  1. Делается рама, сборкой готового комплекта или создания конструкции из подручных материалов.
  2. На центральную пластину рамы крепится электроника управления. Это плата, регулирующая обороты двигателей и обрабатывающая сигналы с пульта.
  3. К плате управления присоединяется приемник радиосигнала. Его можно закрепить на раме термоклеем.
  4. Строго на равных расстояниях от центра рамы до оси привода, на ногах сверлятся отверстия для крепления двигателей.
  5. Прокладываются провода, силовая сеть управления двигателями. Если покупался комплект оборудования, в нем есть все нужные проводники и инструкция. В случае, когда работа делается своими руками, стоит помнить: проводка соединяется в соответствии с типом управляющей платы, схема подачи питания параллельная.

Завершается сборка тщательным изолированием мест соединения проводов термоусадкой. При необходимости защиты плат управления от влаги, они накрываются кожухами. После этого можно присоединять аккумулятор и тестировать коптер в работе.

Коптер с электроникой

В качестве заключения

Если не экономить на покупке комплектующих, собрать самодельный дрон не составит труда. Достаточно действовать аккуратно, в соответствии с инструкциями производителя тех или иных компонентов. Как правило, после первой удачно собранной модели у начинающих появляются амбиции и желание собрать дрон с улучшенным функционалом. Чтобы минимизировать траты, следует предусмотреть такой вариант заранее. Например, купить плату управления, поддерживающую прямое подключение камеры или передачу сигнала на смартфон по протоколу Wi-Fi.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями: