Твой первый квадрокоптер: теория и практика - [3]

Рама

На рис. 2.1 изображены основные варианты конструкции рамы. На практике возможны различные вариации и гибриды, но в любом случае рама состоит из лучей и, в большинстве случаев, центральной несущей части. Иногда встречаются рамы, состоящие только из трубчатых деталей, а также миниатюрные рамы, изготовленные из листового текстолита, одновременно являющегося печатной платой для электронных компонентов. Моторы всегда крепятся на концах лучей. Основным показателем размера квадрокоптера является расстояние между осями моторов по диагонали.

Рис. 2.1. Варианты конструкции рамы квадрокоптера

По расположению моторов относительно направления полета выделяют два основных типа рам: "+" и "X". Подвидом рамы типа "X" является рама типа "Н".

Наиболее популярны рамы типа "X". Очевидное преимущество такой рамы — удобное расположение видеокамеры, когда лучи рамы не попадают в кадр. У рамы типа "X" более высокая устойчивость к мелким авариям. Наиболее частой аварией, особенно в период обучения, является цепляние земли при быстром наклонном пролете или "заруливании", либо падение под углом. В случае "+"-образной рамы весь удар чаще приходится на один луч, который сильно страдает, тогда как при распределении удара на два луча ущерб обычно ограничивается сломанными пропеллерами. Кроме того, большинству пилотов психологически комфортнее управлять именно типом "X". В свою очередь, квадрокоптер с рамой типа "+" несколько быстрее и острее реагирует на команды "вправо-влево" и "вперед-назад", поэтому больше подходит любителям динамичного пилотирования.

Рама типа "Н" удобна при построении миниатюрных коптеров, а также полноразмерных конструкций из карбоновых трубок и часто используется при построении специализированных коптеров для видеосъемки и полетов по GPS, т. к. предоставляет больше места для монтажа оборудования.

Необходимо подчеркнуть, что для полетных контроллеров, с точки зрения системы стабилизации полета, конструкция рамы вообще не имеет значения. Достаточно лишь указать в настройках тип рамы и угол, под которым смонтирована плата контроллера относительно направления полета.

Рама, которую мы условно обозначили "Quad Xv", имеет несимметричные лучи. Такая рама часто используется при фото- и видеосъемке с воздуха. Дело в том, что для любого квадрокоптера должно соблюдаться условие симметрии по весу. Иначе говоря, центр тяжести конструкции должен находиться в точке пересечения диагоналей квадрата, образованного осями моторов. Если вы крепите в передней части рамы тяжелую фото- или видеокамеру, то удлиненные задние лучи играют роль противовеса. Однако и в этом случае моторы, как правило, расположены по диагоналям воображаемого квадрата.

Что будет, если центр тяжести смещен? Разумеется, полетный контроллер постарается поддерживать раму в строго горизонтальном положении за счет различия в оборотах моторов. Если дисбаланс невелик, то в статичном режиме, без внешних воздействий, квадрокоптер достаточно долго будет висеть ровно. Но при этом моторы будут работать в разных режимах нагрузки. У более нагруженных моторов останется меньший динамический запас оборотов и мощности, чтобы отработать "команды" полетного контроллера на компенсацию порывов ветра или управляющие сигналы с пульта. В результате появится некомпенсированное отклонение от горизонтали и квадрокоптер начнет дрейфовать в сторону смещенного центра тяжести. Подготовленные пользователи могут применить специальные настройки программы контроллера для компенсации негативного эффекта от смещенного центра тяжести, но в общем случае асимметрии следует избегать.

Даже если рама полностью симметрична, у квадрокоптера всегда есть условное направление "вперед", в котором он по умолчанию полетит при отклонении рукоятки пульта по оси Pitch вперед. Это направление привязано к полетному контроллеру, который монтируется на раме в строго определенном положении.

Рама может быть как со складными, так и с фиксированными лучами. На летные качества это не влияет, при выборе конструкции нужно исходить из соображений простоты изготовления, стоимости, удобства транспортировки, при условии соблюдения достаточной прочности. Рамы миниатюрных "наладонных" квадрокоптеров иногда представляют собой единое целое с печатной платой полетного контроллера и целиком изготавливаются из текстолита.

Поскольку в случае квадрокоптеров аэродинамика корпуса или рамы не имеет значения, на первый план выходят противоречивые требования минимального веса и максимальной прочности. Наиболее прочными и легкими являются цельноформованные пустотелые рамы из карбона, так называемые "скорлупки" или "корки", но они и самые дорогие. На втором месте рамы, детали которых изготовлены из листового карбона и карбоновых трубок. Далее идут рамы из всевозможных сочетаний различных материалов, включая сосновые рейки и фанеру. Обсуждению конструкционных материалов будет посвящен отдельный раздел, а сейчас настало время поговорить про "мозг" квадрокоптера.

Полетный контроллер

Зачем вообще нужен специальный полетный контроллер — вычислительная система, работающая в реальном времени по довольно сложным алгоритмам? Очевидно, что квадрокоптер необходимо непрерывно стабилизировать, парируя порывы ветра и неоднородность воздушных масс, а возможностей человеческого организма для этого недостаточно. Современный полетный контроллер оснащен набором миниатюрных интегральных сенсоров, непрерывно отслеживающих положение рамы в пространстве, воздействующие на нее угловые ускорения, атмосферное давление и направление силовых линий магнитного поля.