Квадрокоптер
Квадрокоптер, также называемый квадроторным вертолетом или квадротором , - это многороторный вертолет, который поднимается и приводится в движение четырьмя роторами . Квадрокоптеры классифицируются как винтокрылые летательные аппараты , в отличие от самолетов с неподвижным крылом, поскольку их подъемная сила создается набором винтов (вертикально ориентированных пропеллеров ).
Квадрокоптеры обычно используют две пары одинаковых неподвижных тангажных винтов; два по часовой стрелке (CW) и два против часовой стрелки (CCW). Эти используют независимое изменение скорости каждого ротора для того чтобы достигнуть управления. Путем изменять скорость каждого ротора возможно специфически произвести пожеланную полную тягу; обнаружить местонахождение для центра тяги и сбоку и продольно; и создать пожеланный полный вращающий момент , или поворачивая усилие.
Квадрокоптеры отличаются от обычных вертолетов, которые используют роторы, которые способны динамически изменять шаг своих лопастей, когда они перемещаются вокруг ступицы винта. В первые дни полета квадрокоптеры (тогда их называли либо "квадроторами", либо просто "вертолетами") рассматривались как возможные решения некоторых постоянных проблем в вертикальном полете. Вопросы регулирования крутящего момента (а также вопросы эффективности, возникающие из рулевого винта, который не производит никакой полезный подъем) может быть исключен встречным вращением, и относительно короткие лезвия гораздо легче построить. Ряд пилотируемых конструкций появился в 1920-е и 1930-е гг. Эти машины были одними из первых успешных аппаратов вертикального взлета и посадки (СВВП) тяжелее воздуха. однако, ранние прототипы страдали от низкой производительности, и последние прототипы требовали слишком большой рабочей нагрузки пилота, из-за плохого увеличения стабильности и ограниченного органа управления.
В конце 2000-х годов достижения в области электроники позволили производить дешевые легкие полетные контроллеры, акселерометры ( иду), глобальную систему позиционирования и камеры. Это привело к тому, что конфигурация квадрокоптера становится популярной для небольших беспилотных летательных аппаратов . Благодаря своим небольшим размерам и маневренности, эти квадрокоптеры могут летать как в помещении, так и на открытом воздухе.
При небольших габаритах квадрокоптеры дешевле и долговечнее обычных вертолетов благодаря своей механической простоте. их более малые лезвия также выгодны потому что они обладают меньше кинетической энергией, уменьшая их способность причинить повреждение. Для небольших квадрокоптеров это делает транспортные средства более безопасными для тесного взаимодействия. Также можно установить квадрокоптеры с ограждениями, которые окружают роторы, что еще больше снижает вероятность повреждения. Однако, по мере увеличения размеров, неподвижные пропеллеры квадрокоптеров развивают недостатки по сравнению с обычными вертолетами. Увеличение размера лезвия увеличивает их импульс. Это означает, что изменение скорости лопасти занимает больше времени, что отрицательно сказывается на контроле. Вертолеты не испытывают этой проблемы, так как увеличение размеров диска несущего винта не оказывает существенного влияния на возможность регулирования шага лопасти.
Благодаря своей простоте конструкции и управления, самолеты quadcopter часто используются в качестве любительских моделей самолетов проектов
История[править]
Ранние попытки[править]
Автожир Breguet-Richet (1907)
- Четырехроторный вертолет, разработанный Louis Breguet . Это был первый винтокрылый самолет, поднявшийся над землей, хотя и только в привязном полете на высоте нескольких футов. В 1908 году сообщалось, что он летал "несколько раз", хотя подробности скудны.
Oehmichen No.2 (1920)
- Этьен Омичен экспериментировал с винтокрылыми конструкциями в 1920-х гг. среди шести конструкций, которые он пробовал, его вертолет № 2 имел четыре винта и восемь пропеллеров, все приводимые в движение одним двигателем. Oehmichen No. 2 использовало рамку стал-пробки, с 2-лопастными роторами на концах 4 рукояток. Угол наклона этих лезвий может быть изменен путем деформации. Пять винтов, вращаясь в горизонтальной плоскости, стабилизировали машину сбоку. Еще один винт был установлен на носу для рулевого управления. Оставшаяся пара пропеллеров выполняла роль его носового движителя. Самолет продемонстрировал значительную степень устойчивости и повышения точности управления для своего времени, и совершил более тысячи испытательных полетов в течение середины 1920-х гг. к 1923 году он смог оставаться в воздухе в течение нескольких минут одновременно, а 14 апреля 1924 года он установил первый в истории FAI рекорд дальности для вертолетов 360 м (390 ярдов). Он продемонстрировал способность проходить круговой курс , а затем выполнил первый 1-километровый (0,62 мили) замкнутый полет винтокрылой машины.
вертолет de Bothezat (1922)[править]
- Доктор Джордж де Ботеза и Иван Джером разработали этот самолет, с шестью лопастными винтами на конце Х-образной структуры. Для управления тягой и рысканием использовались два небольших винта с переменным шагом. Автомобиль использовал коллективное управление тангажом. Построенный американской воздушной службой, он совершил свой первый полет в октябре 1922 года. К концу 1923 года было совершено около 100 рейсов. Самый высокий уровень, которого он когда-либо достиг, был около 5 м (16 футов 5 дюймов). Хотя он и продемонстрировал свою осуществимость, он был недостаточно мощным, безответственным, механически сложным и подверженным проблемам надежности. Рабочая нагрузка пилота была слишком высока во время висения, чтобы пытаться боковое движение.
Конвертопланы Модель Квадротор (1956)[править]
- Этот уникальный вертолет должен был стать прототипом для линейки гораздо более крупных гражданских и военных квадрокоптеров. Конструкция включала два двигателя, приводящие в движение четыре ротора через систему клиновых ремней. Рулевой винт не требовался, и управление осуществлялось путем изменения тяги между роторами. Много раз успешно летавший в середине 1950-х годов, этот вертолет доказал свою квадроторную конструкцию, а также был первым четырехроторным вертолетом, продемонстрировавшим успешный полет вперед. Однако из-за отсутствия заказов на коммерческие или военные версии проект был прекращен. Компания Convertawings предложила модель E, которая будет иметь максимальный вес 42 000 фунтов (19 т) с полезной нагрузкой 10 900 фунтов (4,9 т) на протяжении 300 миль и со скоростью до 173 миль в час (278 км/ч). Ротор Hanson эластичный артикулированный (EA) bearingless вырос из работы сделанной в начале 1960-х годов на Локхид Калифорния Thomas F. Хэнсон, который ранее работал в компании Convertawings над конструкцией и системой управления Ротором квадротора.
Curtiss-Wright VZ-7 (1958)[править]
- Curtiss-Wright VZ-7 был самолетом VTOL, разработанным компанией Curtiss-Wright для армии США. Управление ВЗ-7 осуществлялось путем изменения тяги каждого из четырех винтов. Были созданы два прототипа VZ-7, и оба они были адекватно выполнены в ходе первоначальной программы летных испытаний, и оба достаточно хорошо зарекомендовали себя при оценке в армии. ВЗ-7 был способен к зависанию и прямому полету и оказался относительно стабильным и простым в эксплуатации. Самолет был отправлен в отставку в 1960 году из-за несоответствия военным стандартам.
Последние события[править]
В последние несколько десятилетий появились маломасштабные беспилотные летательные аппараты были использованы для многих применений. Потребность в самолетах с большей маневренностью и способностью к зависанию привела к росту исследований квадрокоптеров. Конструкция с четырьмя роторами позволяет квадрокоптерам быть относительно простыми в конструкции, но очень надежными и маневренными. Исследования продолжают увеличивать возможности квадрокоптеров, делая успехи в мульти-корабельной связи, исследовании окружающей среды и маневренности. Если бы эти развивающиеся качества могли быть объединены, квадрокоптеры были бы способны к продвинутым автономным миссиям, которые в настоящее время не возможны с другими транспортными средствами.
Некоторые текущие программы включают в себя::
- Концепция конвертоплана Bell Boeing Quad берет концепцию фиксированного квадрокоптера дальше, комбинируя ее с концепцией наклонного ротора для предлагаемого военного транспорта C-130.
- AeroQuad и ArduCopter являются открытым исходным кодом аппаратных и программных проектов на основе Arduino для DIY строительства квадрокоптеров.
- Попугай АР.Drone-это небольшой радиоуправляемый квадрокоптер с прикрепленными к нему камерами , построенный Parrot SA, предназначенный для управления смартфонами или планшетными устройствами.
- Nixie-это небольшой беспилотный аппарат, оснащенный камерой,который можно носить в качестве браслета.
- Airbus разрабатывает квадрокоптер с батарейным питанием, чтобы действовать в качестве городского воздушного такси, сначала с пилотом, но потенциально автономным в будущем.
Несколько проектов камер-дронов обернулись громкими коммерческими провалами:
- Zano (drone) – это громкий проект Kickstarter по созданию квадрокоптера-камеры дрона, который Zano провалил после того, как доставил лишь небольшую часть своих заказов в частично нефункционирующее состояние.
- Lily Camera-стартап, пытающийся сделать беспилотный квадрокоптер, поданный в суд окружным прокурором Сан-Франциско после того, как они закрылись, не выполнив ни одного из своих предварительных заказов.
В июле 2015 года на YouTube было опубликовано видео, на котором воздушный квадрокоптер четыре раза стрелял из пистолета в лесистой местности, вызвав опасения регуляторов.
Приложения[править]
Смотрите также: Беспилотный летательный аппарат § приложения
Исследовательская платформа[править]
Квадрокоптеры являются полезным инструментом для университетских исследователей, чтобы проверить и оценить новые идеи в ряде различных областей, в том числе теории управления полетом, навигации , систем реального времени и робототехники . В последние годы многие университеты показали квадрокоптеры, выполняющие все более сложные воздушные маневры. Рои дронов может зависать в воздухе, летать в формациях, и автономно выполнять сложные пилотажные режимы, такие как сальто, перебегая через хула - хупы и объединяются, чтобы летать через окна в группе.
Существует множество преимуществ использования квадрокоптеров в качестве универсальных тестовых платформ. Они относительно дешевы, доступны в различных размерах, а их простая механическая конструкция означает, что они могут быть построены и поддерживаться любителями. Из-за мультидисциплинарного характера эксплуатации квадрокоптера, ученые из ряда областей должны работать вместе, чтобы сделать значительные улучшения в способе выполнения квадрокоптеров. Quadcopter проекты, как правило, сотрудничество между специалистами в области компьютерных наук, электротехники и машиностроения.
Военные и правоохранительные органы[править]
Беспилотные летательные аппараты Quadcopter используются для наблюдения и разведки военными и правоохранительными органами, а также поисково-спасательных операций в городских условиях.Одним из таких примеров является Aeryon Scout , созданный канадской компанией Aeryon Labs, который представляет собой небольшой беспилотник, который может спокойно парить на месте и использовать камеру для наблюдения за людьми и объектами на земле. Компания утверждает, что квадротор сыграл ключевую роль в рейде по наркотикам в Центральной Америке, обеспечив визуальное наблюдение за наркоторговцем соединение глубоко в джунглях (Aeryon отказался назвать точную страну и предоставить другие конкретные детали).
Вепонизация беспилотников в настоящее время является огромной проблемой для более широкой индустрии безопасности, как и их использование для нарушения воздушного пространства, как видно в аэропорту Гатвик в Великобритании в декабре 2018 года , побуждая Управление гражданской авиации Соединенного Королевства через парламент вносить целесообразные изменения в законы о беспилотниках Великобритании.
После того, как рекреационный квадрокоптер (или" дрон") разбился на лужайке Белого дома рано утром 26 января 2015 года , Секретная служба начала серию тестовых полетов такого оборудования, чтобы сформировать протокол безопасности против враждебных квадрокоптеров.
Во время битвы за Мосул сообщалось, что коммерчески доступные квадрокоптеры и беспилотники использовались Исламским государством Ирака и Леванта (ИГИЛ) в качестве платформ наблюдения и доставки оружия с использованием импровизированных люлек для сброса гранат и других взрывчатых веществ. беспилотный объект ИГИЛ стал целью ударной авиации Королевских ВВС.
Фотография[править]
Наибольшее использование квадрокоптеров в США было в области аэрофотосъемки. Беспилотники Quadcopter подходят для этой работы из-за их автономной природы и огромной экономии средств. Дроны также использовались для светокрасочной съемки.
Журналистика[править]
Главная статья: Drone journalism
В 2014 году The Guardian сообщила, что крупные СМИ начали прилагать серьезные усилия для изучения использования беспилотных летательных аппаратов для освещения и проверки новостей о событиях, которые включают наводнения, протесты и войны.
Некоторые СМИ и газеты используют беспилотники для съемки фотографий знаменитостей.[56]
Беспилотная доставка[править]
Основная статья: Доставка дронов
В декабре 2013 года Deutsche Post привлекла внимание международных СМИ к проекту Parcelcopter, в рамках которого компания тестировала отгрузку медицинских изделий с помощью беспилотной доставки. С помощью квадрокоптера Microdrones md4-1000 пакеты были доставлены из аптеки через реку Рейн . Это была первая гражданская доставка посылок с помощью беспилотников.
Гуманитарные операции[править]
Квадрокоптеры используются для широкого спектра гуманитарных применений от оказания чрезвычайной помощи до сохранения животных. Во время урагана "Харви" многие пилоты беспилотников с квадрокоптерами в их распоряжении спустились на город Хьюстон , штат Техас , чтобы оказать поддержку сотрудникам первой помощи.
Art[править]
Квадрокоптеры также использовались в различных художественных проектах, включая, но не ограничиваясь фотографией дронов. По крайней мере один беспилотник продемонстрировал возможность нанесения граффити на стену с помощью аэрозольной краски.[60] они могут быть использованы в перформансе с новыми степенями позиционного управления, что позволяет по-новому использовать куклы, персонажи, огни и камеры. они также были использованы в световых шоу [62] в том числе наиболее заметно в 5 февраля 2017 года Super Bowl LI halftime show, в котором Леди Гага, в предварительно записанном сегменте, сопровождалась роем из 300 светодиодов, оснащенных Intel " Shooting Star" беспилотники формируют в небе американский флаг.
Спорт[править]
Квадрокоптеры используются во всем мире для гонок (также известный как " drone racing ") и фристайл событий. гонки и фристайл квадрокоптеры построены для скорости и ловкости. Гоночные и фристайл-дроны, как правило, имеют относительно небольшие размеры, при этом 250 мм между карданными валами и/или 5-6-дюймовыми подпорками обычно являются верхним концом шкалы размеров.
Есть, по крайней мере ,три международные организации по гонкам дронов/акции, включая Drone Racing League , Multi GP. и Лига Чемпионов дронов
Закон[править]
Смотрите также: беспилотный летательный аппарат § регулирование, а также регулирование беспилотных летательных аппаратов
В Соединенных Штатах[править]
В Соединенных Штатах законность использования дистанционно управляемых воздушных судов в коммерческих целях является источником правовых проблем. Рафаэль Пиркер, профессиональный фотограф, был оштрафован FAA в 2012 году за "создание опасности для людей на земле" (нарушение нормативных положений) после того, как он использовал беспилотный летательный аппарат Zephyr-"пятифунтовый пенополистирол модели самолета"—для съемки аэрофотоснимков кампуса Университета Вирджинии в 2011 году.[72] [73] в марте 2014 года федеральный судья по административным вопросам вынес решение в пользу Пиркера, определив, что его беспилотник был "образцовым самолетом" и, следовательно, не подлежал регулированию FAA на другие типы воздушных судов. ФАУ обратилась в Национальный совет по безопасности транспорта; транспортной безопасности назначен новый судья по административным делам, которые отменяют предыдущие выводы и постановил, что под ФАУ законодательного акта, ФАУ обладал юрисдикцией, чтобы отрегулировать "любое приспособление изобрели, используемые или предназначенные для навигации, или летать в воздухе", независимо от того, был ли он беспилотных или пилотируемых. Пиркер был оштрафован на $ 10 000, но в январе 2015 года урегулировал этот вопрос с FAA, согласившись заплатить штраф в размере $1100, не признав своей вины. согласно отчету в Aviation Week , этот вопрос "стал причиной célèbre среди моделей самолетов и рекреационных и коммерческих небольших беспилотных сообществ."
В декабре 2014 года FAA выпустила видео с подробным описанием многих лучших практик для новых пилотов беспилотников, включая рекомендации, такие как держать свои машины ниже 400 футов и всегда в пределах визуального зрения.
С марта 2015 года Соединенные Штаты разработали временную политику в отношении законного использования беспилотных летательных аппаратов в коммерческих целях, в соответствии с которой каждый оператор может ходатайствовать об освобождении, поданном в соответствии с разделом 333 в FAA. По состоянию на август 2015 года FAA удовлетворило более 1300 петиций в различных случаях использования и отраслях промышленности.[75] кроме того, FAA начало обсуждение в ноябре 2015 года, чтобы потребовать от всех любителей также зарегистрировать личные беспилотники на веб-сайте FAA.
В декабре 2014 года FAA начало процесс регистрации для всех моделей воздушных судов весом более 0,55 фунта (≈ 250 граммов) и менее 55 фунтов (≈ 25 килограммов), включая полезные нагрузки, такие как все бортовые камеры и другие аксессуары. Решение FAA по этому вопросу вызвало сопротивление со стороны сообщества любителей в то время. В октябре 2015 года FAA выпустила правила, юридически требующие регистрации, начиная с января 2016 года, но 19 мая 2017 года Апелляционный суд Соединенных Штатов Америки для Вашингтона, округ Колумбия circuit постановил, что это нарушает закон о модернизации и реформе FAA 2012 года, в котором говорится, что FAA “не может обнародовать никаких правил или положений в отношении модели воздушного судна. FAA продолжает разрешать регистрацию на добровольной основе, а также требует ее для коммерческого использования, но заявляет, что это не требуется, если "полеты в соответствии со специальным правилом для моделей воздушных судов" (рекреационное хобби).
В дополнение к требованию о регистрации, FAA также опубликовало различные эксплуатационные требования следующим образом:
- Полет только ниже 400 футов над землей.
- Оператор должен постоянно поддерживать визуальный контакт с самолетом.
- Не летайте вблизи пилотируемых самолетов, особенно вблизи аэропортов.
- Не летайте над группами людей, стадионами или спортивными событиями.
- Не летайте рядом с усилиями по чрезвычайному реагированию, такими как места аварий или лесных пожаров.
5 октября 2018 года закон О Реавторизации FAA 2018 года был принят Конгрессом и направлен на подпись президенту. Двухпартийный законопроект расколол сообщество любителей, с Альянсом коммерческих беспилотников в пользу нового закона, в то время как Академия модельной аэронавтики призвала своих членов выступить против этого законопроекта.[80]
Главным изменением в новом законе является отмена статьи 336. Все владельцы sUAS, в том числе квадрокоптеры, будут обязаны зарегистрировать свой самолет и пройти общий экзамен по аэронавигационным знаниям. В июне 2019 года FAA объявило о новых правилах для рекреационных и некоммерческих летчиков. Пилотам-рекреантам больше не разрешат летать в контролируемом воздушном пространстве, связавшись с вышками управления воздушным движением. Это правило будет действовать до тех пор, пока система LAANC для любителей не будет развернута летом 2019 года.
Динамика полета[править]
Каждый Ротор создает как тягу, так и крутящий момент вокруг своего центра вращения, а также силу сопротивления, противоположную направлению полета транспортного средства. Если все роторы вращаются с одинаковой угловой скоростью, причем роторы один и три вращаются по часовой стрелке, а роторы два и четыре против часовой стрелки, то чистый аэродинамический момент, а следовательно, и угловое ускорение вокруг оси рыскания, это ровно ноль, что означает, что нет необходимости в рулевом винте, как на обычных вертолетах. Рыскание вызвано рассогласованием баланса аэродинамических крутящих моментов (т. е. смещением команд кумулятивной тяги между парами вращающихся против часовой стрелки лопастей)
right centre
Коаксиальная конфигурация[править]
Чтобы обеспечить большую мощность и стабильность при уменьшенном весе, квадрокоптер, как и любой другой мультиротор, может использовать коаксиальную конфигурацию Ротора. В этом случае каждая рука имеет два двигателя, работающих в противоположных направлениях (один вверх и один вниз).
Состояние вихревого кольца[править]
Все квадрокоптеры подчиняются нормальной аэродинамике винтокрыла, включая состояние вихревого кольца .
Механическая структура[править]
Основными механическими компонентами, необходимыми для строительства, являются рама, пропеллеры (либо с фиксированным шагом, либо с переменным шагом) и электродвигатели. Для лучшей производительности и простейших алгоритмов управления двигатели и винты должны быть расположены на равном расстоянии друг от друга. в последнее время композиты из углеродного волокна стали популярными из-за их легкого веса и структурной жесткости.
Электрические компоненты, необходимые для построения рабочего квадрокоптера, аналогичны тем, которые необходимы для современного вертолета RC . Это электронный модуль управления скоростью, бортовой компьютер или плата контроллера, а также аккумулятор (или топливный элемент ). Как правило, ручной передатчик также используется для обеспечения человеческого входа.
Автономный полет[править]
Квадрокоптеры и другие мультикоптеры часто могут летать автономно. Многие современные авиадиспетчеры используют программное обеспечение, которое позволяет пользователю отмечать "точки пути" на карте, к которым квадрокоптер будет лететь и выполнять задачи, такие как посадка или набирание высоты. система автопилота PX4, комбинация программного и аппаратного обеспечения с открытым исходным кодом в разработке с 2009 года, с тех пор была принята как любителями, так и компаниями-производителями дронов, чтобы дать их проектам quadcopter возможности управления полетом. Другие приложения полета включают контроль толпы между несколькими квадрокоптерами, где визуальные данные от устройства используются для прогнозирования, где толпа будет двигаться дальше и в свою очередь направить квадрокоптер к следующей соответствующей точке маршрута .
Выносливость[править]
Электрические квадрокоптеры имеют более короткую выносливость по сравнению с аналогичными размерами электрических вертолетов из-за меньшей "площади диска" лопастей несущего винта. Самое продолжительное время полета, достигнутое с помощью квадрокоптера с батарейным питанием, составило 2 часа 31 минуту и 30 секунд. Рекорд был установлен Фердинандом Кикингером из Германии в 2016 году. При установлении рекорда Kickinger использовал низкую скорость разряда, литий-ионные батареи большой емкости и лишил планер несущественного веса, чтобы уменьшить тягу мощности и продлить выносливость. Однако отсутствие функциональных возможностей и использование низкоразрядной батареи делают автомобиль непригодным для использования в качестве коммерческого продукта.
Альтернативные источники энергии, такие как водородные топливные элементы и гибридные газоэлектрические генераторы, были использованы для резкого увеличения долговечности квадрокоптеров и мультироторов в целом из-за увеличения плотности энергии как водорода, так и бензина соответственно.
Смотрите также[править]
Пруф[править]
.ted.com/talks/raffaello_d_andrea_the_astounding_athletic_power_of_quadcopters