Виталий Берёзкин
Боевые FPV-дроны. Управление. Конструкция. Практическое пособие

Глава 1

Что такое FPV-дрон

FPV-дрон (First-Person View – вид от первого лица) – это беспилотный летательный аппарат, оснащенный камерой, которая передает видео с помощью беспроводной связи на очки виртуальной реальности или видеоочки пилота. Благодаря этой технологии пилот может ощущать полное присутствие в воздушном пространстве и видеть все, что видит дрон, будто он находится внутри летательного аппарата.

Конструкция и принцип работы FPV-дрона

FPV-дроны имеют обычную для квадрокоптера конструкцию, состоящую из рамы, электроники, моторов и гироскопа.

Человек держит в руках FPV-дрон

Студент Тамбовского государственного технического университета держит в руках FPV-дрон. Фото: Алексей Сухоруков / РИА Новости

Принцип работы FPV-дрона заключается в управлении БПЛА с помощью специальных очков. Пилот, сидя в удобном месте, видит все, что происходит вокруг дрона, будто находится внутри него. Он может контролировать движения дрона, основываясь на получаемой в режиме реального времени видеоинформации.

Гоночные дроны

Так выглядит гоночный FPV-дрон

Гоночные FPV-дроны. Фото: Dmyers86 / wikimedia.org

Эти дроны специально разработаны для высокоскоростных гоночных соревнований. Они легкие, маневренные и способны достигать больших скоростей. Гоночные дроны часто имеют компактный и аэродинамический дизайн.

Дроны для авиасъемки

FPV-дрон для авиасъемки

FPV-дрон для авиасъемки. Фото: youtube.com

Эти дроны специально разработаны для съемки высококачественных аэрофотографий и видеозаписей. Они оснащены стабилизированными камерами, ведущими съемку в высоком разрешении, и обеспечивают длительное время полета для охвата большей территории.

Дроны для фристайла

FPV-дрон для фристайла с дополнительной камерой

FPV-дрон для фристайла с дополнительной камерой. Фото: youtube.com

Дроны для фристайла являются универсальными и позволяют пилотам выполнять различные фигуры сложного пилотажа. Они сочетают в себе маневренность и хорошую управляемость для выполнения трюков и записи динамичного видео.

Военные дроны

Военный дрон – беспилотник "Владлен Татарский"

Беспилотник "Владлен Татарский". Фото: Телеграм-канал "Русский беспилотник" / https://t.me/BPLAROSTOV

В последнее время начали активно появляться новые FPV-дроны, предназначенные для использования в военных целях. Они оснащены специальными средствами для подвеса боеприпасов, используют защищенные каналы связи и устойчивы к воздействию средств РЭБ противника.

Как выглядит беспилотник в небе и чем он отличается от самолета

читайте также

Как выглядит беспилотник в небе и чем он отличается от самолета

Преимущества FPV-дрона перед обычным квадрокоптером

FPV-дроны имеют ряд преимуществ перед обычными

Квадрокоптерами.

Высокая скорость. Малый вес, компактные размеры и аэродинамический дизайн позволяют FPV-дронам развивать большую

скорость, чем их обычные аналоги.

Ощущение полета. FPV-беспилотники обеспечивают вид от первого лица, позволяя оператору почувствовать, что он находится внутри дрона. Таким образом они помогают пилоту погрузиться в состояние полета глубже, чем обычные дроны.

Точное управление. С помощью очков оператор видит окружающую обстановку "глазами" беспилотника, а значит может более точно управлять дроном, преодолевая различные препятствия. Видеоизображение, получаемое с камеры беспилотника, позволяет операторам оценивать обстановку и принимать взвешенные решения на ходу. Такая обратная связь в реальном времени очень важна при выполнении сложных маневров или навигации в труднодоступных местах.

Улучшенная аэрофото- и видеосъемка. FPV-беспилотники обеспечивают уникальную перспективу для съемки аэрофото- и видеоматериалов. Возможность видеть то, что видит беспилотник, позволяет операторам творчески подходить к построению кадра и снимать динамичные фотографии и видеоролики.

Использование FPV-дронов в мирное время

Пилот FPV-дрона принимает участие в гонках

Пилот FPV-дрона принимает участие в гонках. Фото: Slakteriitis / wikimedia.org

FPV-дроны широко используются в различных областях:

Развлечения. Гонки FPV-беспилотников приобрели популярность как соревновательный вид спорта, когда пилоты на высоких скоростях преодолевают сложные трассы. Кроме того, FPV-беспилотники используются для развлекательных полетов.

Авиасъемка. FPV-беспилотники произвели революцию в области аэрофото- и видеосъемки, позволив профессионалам делать захватывающие кадры, которые используются в кинематографе, при продвижении объектов недвижимости, проведении геодезических исследований и т.д.

Поисковые и спасательные операции. Маневренность и возможность получения видеоизображения в режиме реального времени делают FPV-беспилотники ценным инструментом для поисково-спасательных отрядов. Они помогают быстро осмотреть большую территорию, обеспечить обзор с высоты птичьего полета, найти пропавших людей или оценить потенциальную опасность той или иной ситуации.

Наблюдение и безопасность. FPV-беспилотники, оснащенные камерами высокого разрешения, используются для наблюдения и обеспечения безопасности. Они позволяют контролировать большие территории и обеспечивать охрану периметра, собирая и передавая информацию о нарушителях.

Сельское хозяйство и защита окружающей среды. FPV-беспилотники могут быть оснащены специализированными датчиками для мониторинга состояния сельскохозяйственных культур, обнаружения болезней растений, оценки состояния почвы и наблюдения за изменениями окружающей среды.

Промышленность. FPV-беспилотники используются для обследования инфраструктуры, такой как линии электропередач, мосты и трубопроводы.

Бойцы радиоэлектронного фронта: зачем нужны и как работают комплексы РЭБ

Бойцы радиоэлектронного фронта: зачем нужны и как работают комплексы РЭБ

Применение FPV-дронов в военных целях

FPV-дрон с миной

FPV-дрон с миной. Фото: Виталий Белоусов / РИА Новости

FPV-беспилотники находят широкое применение и в военных операциях. Они могут не только выполнять роль разведчика, но и наносить удары по силам противника:

Разведка. FPV-дроны позволяют осуществлять разведку территории, не подвергая риску личный состав. Они могут быть использованы для наблюдения за противником, обнаружения объектов и сбора разведывательной информации. Благодаря своей маневренности и небольшим размерам, FPV-дроны могут проникать в труднодоступные места и получать ценные данные, оставаясь незамеченными.

Поддержка операций. FPV-дроны могут использоваться для поддержки боевых операций. Они могут служить в качестве наблюдательных пунктов, передавая информацию о положении и передвижениях противника, обнаружении минных опасных препятствий и т.д.

Уничтожение противника. FPV-дроны также могут быть использованы в качестве оружия. Для этого их вооружают различными боеприпасам, от ручных гранат до выстрелов к РПГ, превращая таким образом в подобие дрона-камикадзе. Целью FPV-дронов-камикадзе является нанесение максимального ущерба цели путем столкновения с ней, которое приводит к подрыву боевого заряда. За время проведения спецоперации такие дроны доказали, что могут уничтожать не только живую силу, но и бронированную технику противника. При этом FPV-технология позволяет оператору максимально точно навестись на цель, а малая заметность дрона часто позволяет застигнуть противника врасплох.

.

1

НАЗНАЧЕНИЕ,

СОСТАВ,

ТТХ

И

ПРИНЦИПЫ

РАБОТЫ

БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Развитие беспилотной авиации определило многообразие сфер применения БпЛА. Наиболее активно их используют в военном деле, что существенно повлияло на тактику применения многих видов вооружения и военной техники.

Назначение беспилотных летательных аппаратов, применяемых в военном деле, определяется решаемыми задачами. Задачи подразделяются на ударные, разведывательные, специальные, учебные и другие. Для их решения разрабатываются БпЛА различной конструкции со специализированными полезными (целевыми) нагрузками.

БпЛА различают не только по способу их применения, но и по конструкции, тактико-техническим характеристикам (по размерам самих аппаратов, взлетной массе, дальности, высоте, скорости, продолжительности полета и др.). Рассмотрим более подробно классификацию БпЛА по конструкции.

1.1

Классификация

БпЛА

по

конструкции

Как известно конструкция летательного аппарата (ЛА) зависит от принципа создания подъемной силы, который заложен в основу его полета. Известны следующие принципы полета [1]:

Баллистический.

Аэродинамический.

Ракетодинамический (реактивный).

Аэростатический.

Баллистический принцип полета – это полет свободно брошенного тела, происходящий под действием силы тяжести. Подъемная сила определяется силой инерции летящего тела. Для совершения полета по баллистическому принципу тело должно обладать начальным запасом высоты или скорости, поэтому баллистический полет называют также пассивным.

Аэродинамический принцип полета основан на третьем законе Ньютона, согласно которому пластина, помещенная под каким-то углом в воздушный поток, надавливает на него и испытывает ответное давление со стороны потока.

Реактивный принцип полета также основан на третьем законе Ньютона, но взаимодействие летательного аппарата с окружающим его воздухом не является обязательным для него условием. Сущность реактивного принципа заключается в том, что необходимая для полета подъемная сила создается в результате сгорания топлива, при котором образуются газы, обладающие большой энергией. Эти газы, вытекая с большой скоростью из сопла двигателя наружу, создают реактивную силу противоположного направления.

Аэростатический принцип полета основан на законе Архимеда, по которому на тело, находящееся в газовой среде, действует подъемная сила, равная весу вытесненного им газа. По такому принципу летают дирижабли, аэростаты, воздушные шары.

В настоящее время наибольшее распространение конструкции БпЛА использующие аэродинамический и аэростатический принципы создания подъемной силы (рисунок 1.1).

БпЛА аэростатического типа

БпЛА самолетного типа

БпЛА вертолетного типа

БпЛА с гибридной конструкцией

БпЛА мультироторного типа

Рисунок 1.1 – Виды БпЛА по конструкции

БпЛА аэростатического типа – это особый класс БпЛА, в которых подъемная сила создается преимущественно за счет архимедовой силы, действующей на баллон, заполненный легким газом (как правило, гелием).

Этот класс представлен, в основном, беспилотными дирижаблями – летательными аппаратами легче воздуха, представляющими собой комбинацию аэростата с движителем (обычно это винт (пропеллер, импеллер) с электрическим двигателем или ДВС) и системы управления ориентацией [1]. Основным недостатком этого типа БпЛА является низкая маневренность, поэтому они как правило применяются в привязном варианте (на тросе).

БпЛА самолетного типа – это класс БпЛА, в которых подъемная сила создается аэродинамическим способом за счет напора воздуха, набегающего на неподвижное крыло. БпЛА самолетного типа, как правило, отличаются большой длительностью полета, большой максимальной высотой полета и высокой скоростью. Недостатками БпЛА самолетного типа являются необходимость использования пусковых установок, взлетно-посадочных полос, невозможность неподвижного зависания в воздухе на одном месте.

БпЛА вертолетного типа – класс БпЛА, в которых подъемная и движущая силы на всех этапах полета создаются одним или несколькими несущими винтами с приводом от одного или нескольких двигателей [2]. Крыло либо отсутствует вовсе, либо играет вспомогательную роль. Очевидными преимуществами БпЛА вертолетного типа являются способность зависания в точке и высокая маневренность. Основным недостатком вертолетной схемы БпЛА является невысокая скорость полета.

БпЛА с гибридной конструкцией – это класс БпЛА с вертикальным взлетом и посадкой. Под этими аппаратами подразумеваются все БпЛА, которые способны контролируемо менять направление вектора тяги и совмещает в себе конструкционные принципы самолета и квадрокоптера. Он имеет преимущества вертикального взлета за счет наличия дополнительных двигателей, установленных в горизонтальной плоскости, и одновременно может развивать высокую скорость, благодаря аэродинамической схеме с неподвижным крылом за счет толкающего или тянущего винта.

БпЛА мультироторного типа – особый класс БпЛА вертолетного типа. Мультикоптер (многороторный вертолет) – летательный аппарат, построенный по вертолетной схеме, с тремя и более несущими винтами [3]. Их достоинством является относительно низкая стоимость, легкость в управлении, возможность вертикального взлета с неподготовленной площадки и способность зависания в воздухе, а также высокая точность позиционирования. Недостатками являются низкая скорость, высокие энергозатраты, ограниченный радиус действия, непродолжительное время полета.

Существует несколько разновидностей мультикоптеров, различающихся количеством и расположением двигателей относительно центра аппарата: бикоптер; трикоптер; квадрокоптер; гексакоптер; октокоптер.

Квадрокоптер – самый популярный мультикоптер, так как четыре – это оптимальное число электродвигателей для баланса цены, производительности, стабильности и времени полета.

1.2

Принципы

полета

БпЛА

квадрокоптерного

типа

Для того, чтобы эффективно применять FPV-дроны, оператор БпЛА должен в совершенстве овладеть навыками управления этим типом БпЛА. Выполняя полет по маршруту и осуществляя боевое маневрирование, оператор FPV-дрона должен постоянно оценивать положение БпЛА в пространстве и прогнозировать его реакцию на перемещение органов управления. Для этого ему необходимо понимать, какие силы действуют на квадрокоптер в полете, а

также от каких параметров зависят его динамические и маневренные характеристики.

Конструкция квадрокоптера, как и вертолета, реализует аэродинамический принцип полета, потому что подъемная и движущая силы на всех этапах полета создаются несколькими воздушными (несущими) винтами – пропеллерами.

Воздушный винт (пропеллер) – лопастной движитель, создающий при вращении тягу за счет отбрасывания воздуха назад с некоторой дополнительной скоростью, приводимый во вращение двигателем и преобразующий крутящий момент двигателя в силу тяги Т.

Лопасти воздушного винта, закреплены на вращающейся оси (на валу двигателя или редуктора) таким образом, чтобы передняя кромка лопасти была направлена в сторону вращения (это важно учитывать при сборке квадрокоптера), а сами лопасти установлены под небольшим углом (угол установки) к набегающему потоку. Аэродинамические силы, действующие на горизонтально установленный воздушный винт квадрокоптера, изображены на рисунке 1.2. Набегающий воздушный поток обтекает лопасти воздушного винта. Расстояние, пройденное воздушным потоком по верхней (выгнутой) кромке лопасти, больше, чем расстояние, пройденное по его нижней поверхности, соответственно скорость воздушного потока на верхней кромке будет выше, чем на нижней. Появившаяся разница скоростей воздушного потока по закону Бернулли приводит к разнице давлений. Разница в давлениях дает подъемную силу Cy [4].

подъемная сила

движущая сила вращения

вертикальная составляющая потока воздуха

воздушный поток

тяга на валу

полная аэродинамическая

сила

сила сопротивления

ось вращения винта

Рисунок 1.2 – Аэродинамика несущего винта

Подъемная сила, возникающая на лопастях, преобразуется в тягу воздушного винта Т, приложенную к его втулке. Так как у квадрокоптера четыре винта, то для того чтобы квадрокоптер оторвался от земли суммарная сила тяги пропеллеров Тсум должна быть больше силы тяжести G = mg.

На рисунке 1.3 изображена упрощенная конструктивная схема квадрокоптера и схема сил, воздействующих на него.

Квадрокоптер имеет шесть степеней свободы. Движение квадрокоптера представляет собой совокупность поступательного движения в декартовой трехмерной системе координат, а также вращательное движения вокруг каждой

из трех взаимно перпендикулярных осей [5]. На рисунке 1.3 оси земной системы координат обозначены X, Y, Z; а оси связанной системы координат – х, у, z.

M1 ω₃

y

ψ

T y

T сум

z

θ

T₄

T₃

T₁

M₄

ω₄

ω₁

Q

M₃

o

T x

T₂

M₂

ω₂

ϕ

x

Y

G=mg

Z

O

X

Рисунок 1.3 – Схема сил, действующих на квадрокоптер в полете

На квадрокоптер, как и на все летательные аппараты, действует сила тяжести G и сила сопротивления воздуха Q. Подъемная (Ty) и пропульсивная (Tx, – толкающая вперед и/или Tz, – толкающая вбок) силы создаются несущими винтами квадрокоптера. Cилы тяги Тi каждой винтомоторной группы складываются в суммарную силу тяги Tсум=T₁+T₂+T₃+T₄, которая в общем случае приложена к центру масс квадрокоптера.

Вращение квадрокоптера вокруг одной из осей связанной системы координат x, y, z приводит к наклону вектора тяги Tсум в сторону вращения и он раскладывается на составляющие Tx, Ty, Tz. Если квадрокоптер зависает горизонтально и неподвижно, то это значит, что вектор тяги Tсум направлен вертикально вверх и полностью перешел в подъемную силу Ty, которая уравновесила силу тяжести G, то есть Ty = G.

При вращении на угол θ вокруг оси z (тангаж – pitch) появляется продольная составляющая тяги Tx и квадрокоптер начинает движение вперед или назад.

При вращении на угол ϕ вокруг оси x (крен – roll) появляется боковая составляющая тяги Tz и квадрокоптер начинает смещаться влево или вправо.

При вращении коптера на угол ψ вокруг оси y (рыскание – yaw) вектор тяги Tсум на висении не наклоняется. В случае если коптер находится в горизонтальном полете, то поворачиваются продольная и боковая

составляющие вектора тяги Tx и Tz, которые заставляют поворачиваться вектор скорости квадрокоптера в направлении рыскания.

Важно помнить, что при неизменной тяге двигателей увеличение продольной или боковой составляющей вектора тяги приводит к уменьшению подъемной силы Ty. Поэтому при наклонах коптера для сохранения высоты полета необходимо координированно увеличивать тягу двигателей.

Изменение величины и направления вектора тяги осуществляется посредством наклона и поворота квадрокоптера в нужную сторону, а также изменением частоты вращения винтов. Возникающие при этом силы заставляют квадрокоптер двигаться вперед или назад, влево или вправо, вверх или вниз. Продольная, поперечная и вертикальная составляющие скорости образуют в пространстве траекторию движения квадрокоптера, которая может быть довольно сложной [5].

Для того чтобы определить, каким образом осуществляются наклоны и повороты квадрокоптера в нужную сторону, рассмотрим рисунок 1.3, на котором изображены угловые скорости вращения двигателей ωi и создаваемые винтомоторной группой реактивные моменты Mi. Необходимо обратить внимание на направление и толщину стрелок, чем толще стрелки, тем больше величина, которую они обозначают.

Квадрокоптер меняет направление вращения вокруг центра масс за счет изменения скорости вращения каждого из пропеллеров. Когда дрон парит, соседние пропеллеры вращаются в противоположных направлениях, чтобы поддерживать устойчивость дрона. Изменяя скорость вращения каждого из двигателей, можно манипулировать силами тяги Ti и моментами Mi, которые заставляют дрон вращаться и перемещаться во всех трех измерениях.

За согласованное изменение скорости вращения электродвигателей отвечает полетный контроллер, а оператор лишь задает желаемые суммарную тягу, крен, тангаж и рыскание с помощью ручек управления (стиков) на пульте управления. Полетный контроллер, как правило, имеет несколько автоматических режимов, например, поддержания высоты, ограничения крена и тангажа, а также акробатические режимы для опытных пилотов.

Основные режимы полета квадрокоптера, соответствующие им изменения положений органов управления, и то, как они реализуются полетным контроллером путем изменения частоты вращения двигателей, приведены на рисунке 1.4. Направление вращения и скорость вращения обозначены стрелками, чем толще стрелки, тем выше скорость вращения.

Выполнение более сложных пространственных маневров достигается комбинацией перечисленных выше простых маневров. Поэтому оператор дрона должен уметь согласованно работать одновременно двумя стиками, управляя одновременно тангажом, креном, рысканием и тягой, заставляя коптер двигаться по заданной траектории.

x x x x x

z z z z z

Зависание

Набор высоты

Снижение

Рыскание влево

Рыскание вправо

x x x x

z z z z

Наклон и полет вперед

Наклон и полет назад

Наклон и полет влево

Наклон и полет вправо

15

Правый стик

Левый стик

Рисунок 1.4 – Основные маневры квадрокоптера

1.3

Основные

ТТХ

коммерческих

БпЛА

квадрокоптерного

типа

По целевому назначению БпЛА принято разделять на три группы: коммерческие, потребительские и боевые. Коммерческие БпЛА в отличие от потребительских обладают расширенными возможностями и функциональностью, поэтому они оказались востребованными для решения задач военного назначения. Сейчас на рынке доступно множество различных типов коммерческих дронов, каждый из которых имеет свой набор функций и преимуществ. На основе опыта боевого применения коммерческих БпЛА мультироторного типа наибольшую популярность получили квадрокоптеры производителей DJI, Autel, Xiaomi (таблица 1.1) [6].

Таблица 1.1 – Основные типы коммерческих БпЛА квадрокоптерного типа

Наименование

Камера

Время полета

Заявленная дальность полета

Частоты каналов передачи данных

DJI Inspire 3

8К

до 28 минут

до 15 км

2,4ГГц

DJI Mavic Mini

4K

до 30 минут

до 4 км

2,4ГГц

Autel Robotics EVO

4K

до 30 минут

до 7 км

2,4ГГц

Xiaomi FIMI X8SE 2020

4K

до 35 минут

до 8 км

5,8ГГц

DJI Mavic Pro (Platinum)

4К

27/30 минут (Pro/Pro Platinum)

до 7 км

2,4/5,8ГГц

Autel EVO Lite+

5K

40 минут

до 12 км

2,4ГГц/5,1-5,8 ГГц

DJI Mavic Air 2

4K

до 34 минут

до 10 км

2,4/5,8ГГц

Таблица 1.1 – Продолжение

Наименование

Камера

Время полета

Заявленная

дальность полета

Частоты каналов передачи данных

DJI AIR 2S

5K

до 31 минут

до 12 км

2,4/5,8ГГц

DJI Phantom 4 Pro V2.0

4K

30 минут

до 10 км

2,4/5,8ГГц

DJI Mavic 2

4K

до 31 минут

до 10 км

2,4/5,8ГГц

XDynamics Evolve 2

4K

до 33 минут

до 11 км

2,4ГГц/5,1-5,8ГГц

Autel EVO II

8K

до 40 минут

до 9 км

2,4ГГц

DJI Mavic 3 Classic

5K

до 46 минут

до 15 км

2,4/5,8ГГц

DJI Matrice 30T

5K+ ИК

до 36 минут

до 15 км

2,4/5,8ГГц

DJI Matrice 300RTK

8K+ ИК

до 55 минут

до 15 км

2,4/5,8ГГц

1.4

Виды

полезных

нагрузок

БпЛА

Полезная нагрузка – это оборудование, которое БпЛА несет на себе для выполнения различных боевых задач. Может включать в себя видеокамеры, тепловизоры, дальномеры, системы сброса, средства поражения и т.д. (рисунок 1.5).

Тип полезной нагрузки, как и тип БпЛА зависит от типа решаемой боевой задачи. Основные типы полезных нагрузок коммерческих БпЛА и решаемые ими боевые задачи приведены в таблице 1.2.

Полезная нагрузка может быть сменяемой и несменяемой.

Рисунок 1.5 – Виды полезных нагрузок БпЛА Таблица 1.2 – Виды полезных нагрузок БпЛА и их назначение

Тип полезной нагрузки

Назначение

Решаемые задачи

Фото- или видеокамера

Получение фотоснимков или видеоряда с воздуха

Воздушная разведка, объективный контроль,

целеуказание, аэрофотосъемка, поисково-спасательные работы.

Тепловизор

Съемка объектов в инфракрасном диапазоне

Воздушная разведка, объективный контроль, целеуказание, поисково-

спасательные работы.

Аппаратура радиотехнической и

радиолокационной разведки

Решение разведывательных задач

Решение разведывательных задач

Аппаратура ретрансляции и связи, постановки

помех

Ретрансляция и увеличение дальности сигнала, постановка помех

Организация каналов связи, системы РЭБ

Таблица 1.2 – Продолжение

Тип полезной нагрузки

Назначение

Решаемые задачи

Лидар, лазерный дальномер

Прибор для определения высот и расстояний до

объектов, целеуказания

Корректировка огня, целеуказание, аэрофотосъемка.

Газоанализатор

Прибор для анализа химического состава

воздушной среды

РХБ-разведка

Мультиспектральные камеры

Получение данных в различных спектральных проекциях

Воздушная разведка

Системы подвеса и сброса

Для перемещения груза и его сброса

Применение средств поражения, доставка грузов, оборудования

Магнитометр, барометр, термометр

и другие датчики

Для измерения вектора геомагнитного поля,

давления, температуры и т.д.

Навигация

1.5

Конструкция

БпЛА

коптерного

типа

Для выполнения полета на FPV-дроне необходим полный комплект оборудования, состоящий из БпЛА, средств управления, средств отображения видеоинформации с курсовой камеры, позволяющей непосредственно выполнять управление БпЛА «от первого лица».

В состав типового БпЛА коптерного типа входят следующие компоненты:

корпус или фюзеляж;

силовая установка (двигатель);

автопилот (полетный контроллер) с датчиками;

аппаратура управления;

воздушный винт (пропеллер);

передатчик и приемник информационного сигнала и телеметрии;

бортовая электроника;

источник питания (аккумулятор, генератор);

шасси (стойки).

Большое разнообразие комплектующих для сборки FPV-дронов требует от лиц, занимающихся их эксплуатацией и обслуживанием, знания основных характеристик и принципов работы устройств, входящих в комплект оборудования FPV-дрона.

На основе этих знаний можно оптимальным образом подобрать комплектующие, качественно выполнять предполетное и послеполетное обслуживание, эффективно его эксплуатировать, выполнять диагностику и, при необходимости, ремонт различных систем FPV-дрона.

Рассмотрим состав, основные параметры и характеристики оборудования, входящего в типовой комплект FPV-дрона [6].

На рисунке 1.6 представлен типовой комплект FPV-дрона.

Рисунок 1.6 – Комплект FPV-дрона

В состав комплекта входит следующее оборудование:

FPV-дрон с аккумулятором;

очки (монитор, шлем);

аппаратура (пульт) управления;

зарядное устройство для аккумулятора.

В состав FPV-дрона входят следующие элементы:

рама;

винтомоторная группа (электродвигатели, пропеллеры, электронный регулятор оборотов);

полетный контроллер;

плата распределения питания;

радиоприемник (сопрягаемый с радиопередатчиком на пульте управления);

видеопередатчик;

аккумуляторная батарея;

GPS-модуль (опционально);

подвес для камеры;

камера;

звуковой сигнализатор со встроенной батареей (опционально);

соединительные провода;

крепеж.

Рассмотрим более подробно каждый из элементов FPV-дрона.

Рама – это основной и несущий элемент конструкции дрона, к которому крепятся все прочие комплектующие и двигатели. Рама отвечает за важные функции дрона: обеспечивает надежность и жесткость конструкции при ее

малом весе, защиту всех электронных элементов. Жесткость конструкции повышает стабильность управления за счет уменьшения нежелательных вибраций, а малый вес увеличивает продолжительность полета.

Рама квадрокоптера имеет четыре луча из цельного куска материала или отдельные лучи, скрепляемые винтами (рисунок 1.7) [7].

Рисунок 1.7 – Рама FPV-дрона в разборе

Фюзеляж – место для размещения электроники (полетного контроллера, камеры и др.) и системы сброса средств поражения. Центральная часть рамы состоит из двух пластин, нижней и верхней, соединенных стойками.

Лучи – направляющие для установки двигателей и регуляторов (рисунок 1.8).

Рисунок 1.8 – Лучи рамы различной толщины и составляющие рамы

Эти детали должны быть достаточно прочными, чтобы выдержать не только вес самой конструкции БпЛА, но и противостоять ударам и падениям.

Размер FPV-дрона определяется максимальным диаметром пропеллера, который на него можно установить. Диаметр пропеллера обычно указывается в

дюймах. Также размер может указываться в миллиметрах (например, 450 мм) и определяет наибольшее расстояние между двумя моторами на БпЛА (рисунок 1.9). Размер также может определять «класс» БпЛА (микро, мини и т.д.).

Рисунок 1.9 – Измерение наибольшего расстояния между двумя моторами на БпЛА

Чем дальше двигатели от центра и длиннее лучи, тем больший момент инерции у конструкции.

Размер рамы влияет на:

размер пропеллеров;

размер двигателей;

вид регуляторов оборотов – отдельные или в контроллере 4 в 1;

совместимость с определенными FPV или HD-камерами;

сопротивление воздуха;

инерцию;

вес.

Форма рамы и конфигурация ее лучей определяется способом и формой присоединения лучей к раме. Основные виды рам FPV-дрона приведены на рисунке 1.10.

Рисунок 1.10 – Виды рамы FPV-дрона

Кроме того, рама может быть цельной (единая пластина) или сборной. Монорама намного легче и не требует сборки, но, если сломать луч, менять придется всю пластину, поэтому сборная рама является более ремонтопригодной [8].

Рама БпЛА мини-класса делается из самых разных материалов: пластик, текстолит, стекловолокно, алюминий, карбон и т.д.

Часто для изготовления рамы используется карбон. Его преимущества заключаются в легкости, прочности, долговечности и жесткости конструкции. Недостатками карбона являются электропроводность, как следствие, экранирование радиосигналов.

Конструкция и материал рамы определяют, насколько она устойчива к авариям. Крепкие рамы обычно тяжелые, но более стабильны в воздухе, в то время как легкие наоборот – маневренные [9].

Винтомоторная группа – это узел БпЛА, который включает в себя три компонента: электродвигатели, пропеллеры и регуляторы оборотов.

Одна из самых главных частей квадрокоптера – электродвигатели. Электродвигатели квадрокоптеров подразделяются на коллекторные (щеточные) и бесколлекторные (бесщеточные).

Электродвигатель – это электрическая машина, в которой электрическая энергия, посредством магнитного поля, преобразуется в механическую энергию вращения. Эффективность этого процесса – коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя зависит от конструкции двигателя, а также источника тока (постоянного или переменного).

На рисунке 1.11 приведены два типа электродвигателей постоянного тока коллекторные и бесколлекторные.

Коллекторный электродвигатель Бесколлекторный электродвигатель Рисунок 1.11 – Виды электродвигателей

Коллекторный двигатель состоит из корпуса, внутри которого находятся магниты (статор), корпус неподвижен, а в движение приводится ротор с обмоткой с помощью щеток, которые подают электричество на обмотку (рисунок 1.12).

Рисунок 1.12 – Устройство и принцип работы коллекторного двигателя

Направление вращения ротора зависит от полярности [1].

Коллекторные двигатели развивают незначительные обороты и мощность. Коллекторные электродвигатели используются, в основном, на легких летательных аппаратах начального уровня. Такой тип электродвигателей склонен к поломкам, из-за особенностей щеточно- коллекторного узла. Поэтому в БпЛА мультироторного типа применяются бесколлекторные электродвигатели.

Бесколлекторный двигатель состоит из следующих элементов (рисунок 1.13): статор, магниты, корпус, вал.

Рисунок 1.13 – Устройство бесколлекторного двигателя

Статор бесколлекторного двигателя – это обмотка электродвигателя, состоящая из трех фаз длинных тонких проводов, которые обматываются вокруг сердечника. Провода покрыты эмалью (лаком), чтобы предотвратить короткое замыкание в обмотке. Ток, протекающий по проводу, создает магнитное поле. Когда провод обмотан вокруг какого-то объекта, это приводит к увеличению магнитного поля. Чем больше ток, тем больше сила магнитного поля и больше крутящий момент у двигателя. Однако большие токи приводят к сильному нагреву обмотки, особенно если использовались тонкие провода. В таком случае защитная эмаль может оплавиться, что приведет к короткому замыканию, и двигатель выйдет из строя [10].

Магниты из редкоземельных металлов (неодимовые и др.) создают магнитное поле. Элементы приклеены эпоксидной смолой или цианакрилатным клеем к корпусу мотора (колоколу).

Корпус двигателя защищает магниты и обмотку. Обычно он изготовлен из легкого металла, такого как алюминий. Некоторые двигатели имеют корпуса, которые сделаны как вентиляторы, т.е. при вращении нагоняют воздух на обмотку сердечника, чтобы охлаждать ее.

Вал электродвигателя жестко прикреплен к верхней части. Это рабочий компонент мотора, который передает крутящий момент на пропеллеры.

Смена направления вращения двигателя производится путем смены полярности обмоток (меняются местами два контакта из трех). Такие электроприводы обладают разным числом полюсов, и чем их больше, тем медленнее, но со значительным усилием, будет вращаться ротор [11].

По конструкции бесколлекторные двигатели делятся на две группы:

двигатели, которые имеют расположенные по внутренней поверхности корпуса обмотки (статор) и вращающийся внутри магнитный ротор (Inrunner);

двигатели, которые имеют в центре неподвижные обмотки (статор), вокруг которых вращается корпус с помещенным на его внутреннюю стенку постоянными магнитами (ротор) (Outrunner) [1].

Принцип действия бесколлекторного двигателя заключается в том, что управляющая электроника (электронные регуляторы оборотов электродвигателей – ESC) создает в обмотках статора вращающееся магнитное поле, которое, взаимодействуя с магнитами на роторе, вызывает его вращение (рисунок 1.14) [13].

Рисунок 1.14 – Принцип работы бесколлекторного двигателя

Преимущества бесколлекторного двигателя:

большая скорость вращения;

широкий диапазон изменения частоты вращения;

стойкость к внешним воздействиям, возможность использования в агрессивной или взрывоопасной среде;

высокие энергетические показатели (КПД более 90%);

меньший уровень нагрева во время работы по сравнению с коллекторными двигателями;

высокая надежность и повышенный ресурс работы за счет отсутствия скользящих электрических контактов;

меньший уровень шума при работе и меньший вес по сравнению с коллекторными двигателями [9].

Недостатки бесколлекторного двигателя:

относительно сложная система управления двигателем;

высокая стоимость двигателя, обусловленная использованием дорогостоящих материалов в конструкции ротора (магниты, подшипники, валы);

сложность ремонта.

Основными параметрами бесколлекторных электродвигателей являются:

Масса электродвигателя. Чем меньшей массой обладает двигатель, тем легче ему раскручиваться. Чем больше двигатель, тем он мощнее, но медленнее раскручивается. Важно соблюдать баланс соотношения мощности к весу.

Номинальная полезная мощность – это мощность, которую двигатель может отдавать механической нагрузке (пропеллеру) с заявленными параметрами без перегрева.

Электрическая потребляемая мощность – это мощность, которую двигатель потребляет в процессе функционирования.

КПД электрического двигателя – отношение электрической потребляемой мощности к номинальной полезной мощности.

Крутящий момент электродвигателя – это сила вращения его вала.

Тяга двигателя – это характеристика электродвигателя, показывающая какой вес может поднять электродвигатель с установленным на него пропеллером. Для квадрокоптера общее правило по определению соотношения тяги и общего веса заключается в том, что тяга каждого из двигателей должна составлять не менее половины от веса БпЛА.

Количество оборотов в минуту на единицу напряжения (KV) – параметр, показывающий, сколько оборотов в минуту совершит двигатель. При этом он не является показателем мощности, тяги или эффективности. Другими словами, параметр KV показывает, как увеличится количество оборотов электромотора с подачей напряжения 1В без пропеллера. К примеру, KV 8000 будет означать, что если подать на электродвигатель 1 Вольт, то он будет крутиться со скоростью 8000 оборотов в минуту. При установке пропеллера количество оборотов снизится ввиду сопротивления воздуха. Приводы с более высоким KV будут раскручивать пропеллеры быстрее, потребляя при этом больший ток. Поэтому рекомендуется устанавливать большие пропеллеры на моторы с малым KV, а компактные легкие пропеллеры – на двигатели с высоким KV [12].

Следует запомнить общее правило: чем тяжелее летательный аппарат, тем меньше значение KV его электродвигателей, а на небольших БпЛА принято использовать моторы с очень большим значением KV.

Направление вращения. На электродвигателях, предназначенных для мультикоптеров, присутствуют обозначения направления вращения CW (от

англ. Clockwise – по часовой стрелке) и CCW (от англ. Counterclockwise – против часовой стрелки).

Габариты бесколлекторных электродвигателей обычно обозначаются четырьмя цифрами, первые две – диаметр статора (в миллиметрах), две следующие – высота статора (в миллиметрах). Чем больше высота статора, тем он более мощный на больших оборотах. Чем больше диаметр, тем больше крутящий момент при малых оборотах [13].

В соответствии с общепринятыми нормами маркировка

электродвигателей строится следующим образом:

Первая буква определяет класс привода, и отображает качество изготовления:

–

серия «V» – так обозначаются электродвигатели мультикоптеров гоночного или премиального сегмента, изготовленные из наилучших материалов с высокой точностью сборки;

–

серия «X» – серия электродвигателей мультикоптеров средней ценовой категории соответствующего качества и сборки;

–

серия

«A»

–

электродвигатели

бюджетного

сегмента.

Цифры обозначают параметры магнитопровода. Первые две цифры – это диаметр (в миллиметрах), две следующие – толщина набора (в миллиметрах). После знака дроби указываются цифры, обозначающие количество витков. Последняя буква отвечает за тип намотки.

Рассмотрим пример: A2212/15T, где:

A – электродвигатель, относящийся к бюджетному сегменту;

22 – магнитопровод диаметром 22 миллиметра;

12 – толщина набора 12 миллиметров;

15 – 15 витков;

Т – (может встречаться обозначение Δ) – тип обмотки «треугольник».

Также в маркировке может указываться количество оборотов в минуту на единицу напряжения (Вольт) – KV.

В описаниях электромоторов могут присутствовать значения вида:

«12N14P». Цифры перед «N» означают число электромагнитов в статоре, а перед «P» – число постоянных магнитов в роторе (рисунок 1.15).

Рисунок 1.15 – Бесколлекторный двигатель в разборе

У разных типоразмеров электродвигателей разное число полюсов, которое определяет дистанцию между ними. Большее число полюсов обеспечивает плавность вращения, меньшее – более высокую мощность [7].

Воздушный винт (пропеллер) – лопастной движитель, создающий при вращении тягу за счет отбрасывания воздуха с некоторой скоростью. Лопасти винта при вращении захватывают воздух и отбрасывают его в противоположном движению направлении. Перед винтом создается зона пониженного давления, за винтом – повышенного. Чем больше масса и скорость воздушного потока, отбрасываемого винтом, тем больше сила тяги винта.

При выборе пропеллеров необходимо учитывать четыре основных параметра:

Размер.

Шаг.

Конфигурация пропеллера.

Материал.

Под шагом (рисунок 1.16) понимают расстояние, которое пропеллер может преодолеть за один оборот, в некой плотной среде.

Рисунок 1.16 – Диаметр и шаг винта

Величина шага у лопастей квадрокоптера зависит от угла атаки лопастей. Пропеллер с большим углом атаки поднимает аппарат вверх за один оборот на большее значение, но, при этом, сильнее нагружает мотор.

Пропеллеры малого размера быстрее реагируют на изменение скорости вращения двигателей. Они проталкивают через себя меньше воздуха,

соответственно тратят меньше энергии при изменении скорости вращения. Небольшие пропеллеры ставят на маневренные квадрокоптеры, а пропеллеры с большим диаметром – на более грузоподъемные коптеры.

Пропеллеры должны соответствовать мощности электродвигателя.

Наиболее популярным пропеллером считается 5-дюймовый, для которого подходят двигатели в диапазоне размеров 2204-2307.

Конфигурация пропеллера – это количество лопастей, использующихся в нем. По количеству лопастей пропеллеры подразделяются на (рисунок 1.17):

двухлопастные;

3-лопастные;

4-лопастные;

5-лопастные.

Рисунок 1.17 – Двухлопастные и 3, 4, 5-лопастные воздушные винты

Увеличение числа лопастей пропеллера компенсирует его размер, именно поэтому в микросборках чаще всего используются четырехлопастные пропеллеры, а в БпЛА большего размера – трехлопастные.

Из-за сложной физики и аэродинамики увеличение количества лопастей не так эффективно, как увеличение размера. Меньшее количество лопастей предпочтительнее, если требуется более быстрый отклик двигателя, а тяга не так важна.

В наиболее распространенной категории 5-дюймовых пропеллеров принято считать, что пропеллеры с тремя лопастями обеспечивают наилучший баланс эффективности, тяги и сцепления.

Важный фактор, которому часто не уделяют должного внимания – долговечность. Во время полетов, особенно если пилот начинающий, будет очень много аварий и падений, поэтому пропеллеры станут расходным материалом.

Пропеллеры могут быть изготовлены из поликарбоната, обладающего пластичностью и высокой прочностью, а также из углеродного волокна и АБС- пластика. Углеродное волокно обладает высокой жесткостью конструкции, легкостью, поддается балансировке и не теряет форму. АБС-пластик – это тоже очень прочный материал, но более хрупкий. Следует помнить, что выбор материала пропеллеров также зависит от времени года. Пластмассы для пропеллеров термопластичны, то есть их жесткость и пластичность зависят от температуры. Воздушные винты из разных материалов представлены на рисунке 1.18.

Рисунок 1.18 – Воздушные винты из разных материалов: пластик, карбон, дерево

Пропеллеры имеют следующие обозначения, которые соответствуют направлению вращения (рисунок 1.19):

CW – стандартная система с работой по часовой стрелке;

CCW – вращение лопастей против часовой стрелки.

Рисунок 1.19 – Маркировка направления вращения пропеллеров

Определить, какой пропеллер подойдет для требуемого направления вращения, можно по поднятой кромке лопасти на нем. Эта часть детали направляется в сторону вращения.

Прежде чем устанавливать пропеллеры на квадрокоптер, следует узнать, в правильную ли сторону будут крутиться моторы. Большинство квадрокоптеров летает на конфигурации, представленной на рисунке 1.20

Рисунок 1.20 – Конфигурация направлений вращения пропеллеров у квадрокоптера

Красной стрелкой показано направление полета квадрокоптера. Желтые стрелки – направления вращения пропеллеров.

Маркировка пропеллеров состоит из 3 чисел, следующего вида: 5045 и DP5х4.5х3V, где 5045 – это сокращенная цифра общей маркировки. Общая маркировка – DP5х4.5х3V: первая цифра означает размер (в дюймах), в представленном случае составляет 5 дюймов, 4.5 – это шаг или угол наклона лопастей, который обозначает расстояние, пройденное пропеллером за один полный оборот вокруг своей оси. Третья цифра (3) – это количество лопастей на пропеллере.

Электронный регулятор оборотов (ESC, Electronic Speed Controller) – специальное устройство для управления оборотами электродвигателя (рисунок 1.21).

а) б)

Рисунок 1.21 – Электронные регуляторы оборотов: а) с маркировкой: б) закрепленные на лучах рамы

Основная задача ESC – передача энергии от аккумулятора к бесколлекторному электродвигателю. Потребность в их применении возникла вследствие некоторых особенностей бесколлекторного электромотора. Аккумулятор отдает постоянный ток, а бесколлекторный электродвигатель потребляет трехфазный переменный ток.

На вход ESC подаются напряжение с аккумулятора и сигналы от полетного контроллера (уровень газа), а на выход регулятор выдает управляющее напряжение на бесколлекторном двигателе, меняя скорость его вращения [11].

Регулятор должен обеспечивать:

совместимость с полетным контроллером;

максимальный ток для мотора (рассчитывается из спецификаций мотора и пропеллера плюс 20 – 30%);

потребление тока меньше, чем ток, отдаваемый аккумулятором, поделенный на количество ESC.

Компоненты регулятора скорости:

микроконтроллер;

драйверы ключей;

силовые транзисторы (ключи, MOSFET);

стабилизатор питания микроконтроллера (LDO);

конденсаторы (фильтры);

датчик тока;

светодиоды.

Дополнительно к основной функции, регуляторы оборотов могут также передавать питание к другим узлам БпЛА: полетному контроллеру, сервоприводам и так далее. Это достигается внедрением в регулятор блока исключения батареи – Battery Eliminator Circuit (BEC).

Использование BEC значительно упрощает конструкцию БпЛА, однако такая схема обладает рядом минусов. Блок исключения батареи может перегреваться при больших перепадах напряжения и больших нагрузках. Регуляторы оборотов с BEC, как правило, стоят дороже, чем регуляторы без него.

Более простым решением является раздельное использование ESC и одного BEC. Такое решение называется универсальный блок исключения батареи – Universal Battery Eliminator Circuit (UBEC), которое обладает более высоким коэффициентом полезного действия и подключается напрямую к аккумулятору для питания соответствующего узла [10].

Регулятор оборотов может быть настроен на различные режимы работы, для него пишут отдельное программное обеспечение, называемое прошивкой (firmware). Обновления программного обеспечения включают исправление ошибок и более совершенные алгоритмы управления. Сменить программное обеспечение регулятора можно несколькими способами:

используя специальную плату управления;

используя полетный контроллер;

используя программатор.

Исходя из всего вышеперечисленного, можно выделить особые критерии выбора регулятора оборотов для БпЛА:

совместимость с полетным контроллером. Полетный контроллер должен поддерживать BEC и прошивку ESC.

совместимость со спецификациями мотора и аккумулятора;

наличие или отсутствие BEС;

теплоотвод и герметичность.

Полетный контроллер (ПК, FC – Flight Controller) – электронное устройство, представляющее из себя вычислительную систему, работающую по сложным алгоритмам и управляющую полетом БпЛА. Функции полетного контроллера могут определяться установленной на борту БпЛА мини-класса дополнительной периферией (GPS/ГЛОНАСС, модем, OSD, подвес для фото/видеокамеры, датчики тока и напряжения, поисковые средства и т.д.). По своей сути ПК – это плата с большим количеством различных датчиков, которая отслеживает положение летательного аппарата и команды от пользователя [8].

Используя полученные данные, она управляет скоростью вращения электродвигателей для того, чтобы БпЛА двигался так, как задумал пилот. У всех полетных контроллеров имеется базовый набор датчиков: гироскопы

(Gyro) и акселерометры (acc); некоторые продвинутые конфигурации имеют также барометр (датчик, измеряющий давление воздуха, благодаря которому можно измерять высоту полета) и магнитометр (компас). К ПК также подключаются периферийные устройства: GPS, светодиоды, сонары и т.д. Контроллеры для гоночных БпЛА очень быстро эволюционируют: становятся меньше, имеют все более быстрые процессоры, более современные датчики и все больше встроенных функций (рисунок 1.22).

Рисунок 1.22 – Полетные контроллеры

Полетный контроллер выполняет следующие задачи.

Стабилизация аппарата в воздухе – сбор и обработка информации с инерциального измерительного блока (IMU), датчиков ускорений и угловой скорости, обеспечивая аэродинамическую устойчивость аппарата в горизонтальной плоскости. Некоторые IMU включают в себя магнитометры, позволяя стабилизировать ориентацию аппарата относительно магнитного меридиана и удержания направления движения.

Автоматическое удержание высоты – сбор и обработка информации с барометрических, ультразвуковых, инфракрасных сенсоров или радиотехнических высотомеров. Датчики рассчитывают высоту и обеспечивают стабилизацию аппарата в вертикальной плоскости. Имеется возможность привязки позиции БпЛА мини-класса на заданной высоте и в заданной точке при помощи модуля GPS/ГЛОНАСС.

Автономный полет – выполнение заранее построенного полетного задания, созданного в специальном программном обеспечении, с выдерживанием заданных оператором параметров полета и автоматический возврат в точку старта при помощи модуля GPS/ГЛОНАСС.

Остановка перед препятствиями и их преодоление – обеспечивает остановку перед препятствиями и их преодоление с помощью набора сенсоров, определяющих расстояние до объекта. В случае оснащения системой технического зрения, полетный контроллер должен обладать высокой вычислительной мощностью, позволяющей в реальном времени аккумулировать и обрабатывать данные с сенсоров, постоянно сканирующих окружающую среду. У разных коптеров состав системы технического зрения может отличаться типом и количеством датчиков, принципом работы, математическими алгоритмами и порядком взаимодействия между этими датчиками [7].

Передача текущих параметров полета – сбор и обработка данных с внешних источников данных (GPS/ГЛОНАСС, датчики тока, напряжения, температуры) и штатных (барометр, акселерометр, магнитометр) с последующей передачей потока данных на модуль OSD (On-Screen Data), которые у оператора отображаются в FPV-очках или на дисплее. Данные телеметрии также могут передаваться непосредственно с полетного контроллера при помощи радиомодема, который обеспечивает двухстороннюю связь по протоколу UART (универсальный асинхронный приемопередатчик) через радиоканал.

Полетные контроллеры могут иметь различный набор датчиков и функционал, в зависимости от его предназначения. Как правило, в FPV-дронах более простой полетный контроллер, чем в классических квадрокоптерах, предназначенных для видеосъемки (рисунок 1.23). Последние ПК имеют полноценный автопилот, выполняющий расширенный функционал, например, полет по точкам, управление полезной нагрузкой, слежение за объектом интереса или автономная навигация. В то же время ПК FPV-дрона выполняет в основном только задачу стабилизации БпЛА в воздухе и управление по командам оператора (рисунок 1.24).

а) б)

Рисунок 1.23 – Виды полетных контроллеров: а) – ПК FPV-дрона, б) – автопилот БпЛА

Рисунок 1.24 – Отличие ПК FPV-дрона от автопилота

Рассмотрим основные составляющие полетного контроллера FPV-дрона.

Микроконтроллер – это однокристальная микроЭВМ обычно из семейства 32-битных STM32 от компании STMicroelectronics. Семейство

STM32 состоит из серий микроконтроллеров: H7, F7, F4, G4, F3, F2, F1, F0. Модели микроконтроллеров отличаются внутренней архитектурой, быстродействием, размером памяти для хранения программ и данных, количеством интерфейсов для подключения внешних и внутренних периферийных устройств и другие. От этих параметров зависит количество каналов управления, количество датчиков и исполнительных устройств, которые можно подключить к ПК, и насколько быстро он будет производить необходимые вычисления.

Минимальное требование к количеству каналов полетного контроллера – наличие минимум четырех каналов управления, поскольку они требуются для управления 4 основными функциями БпЛА:

канал газа – отвечает за уменьшение и увеличение оборотов двигателей БпЛА;

канал тангажа – отвечает за наклон аппарата вперед и назад;

канал крена – отвечает за наклон БпЛА влево и вправо;

канал рыскания – отвечает за вращение аппарата вокруг своей оси.

Для подключения к ПК внешних устройств применяются цифровые шины и CAN, I2C, SPI и аппаратный последовательный интерфейс UART.

Цифровые шины подключения CAN, I2C и SPI предназначены для подключения к ПК различных датчиков. Лучше всего использовать SPI, так как она позволяет работать с большими частотами опроса датчиков, чем I2C.

Аппаратный последовательный интерфейс UART (от англ. Universal Asynchronous Receiver/Transmitter – универсальный асинхронный приемопередатчик) используется для подключения периферийных устройств (приемник GPS-сигнала, телеметрия, транспондер, управление видеопередатчиком и т.д.). У каждого последовательного порта два контакта: TX – для передачи данных, RX – для приема. Следует запомнить, TX на периферийном устройстве подключается к RX на полетном контроллере и наоборот [6]. Количество последовательных портов в полетном контроллере зависит от модели ПК и используемого в нем микроконтроллера. Например, на микроконтроллере типа F1 обычно только 2 порта UART, у F3 и F4 может быть от 3 до 5, а у F7 – 6 или 7.

Встроенные датчики: акселерометры, гироскопы, барометры, магнитометры (компасы), датчики температуры наружного воздуха, а также различные измерительные блоки, например, модуль инерциальной навигационной системы (IMU – Inertial Measuring Unit).

Блок телеметрии предназначен для передачи параметров полета коптера (местоположение, процент заряда батареи, высота, скорость, потребление тока и др.) на пульт управления или через видеопередатчик на FPV-очки.

На рисунке 1.25 показаны основные элементы полетного контроллера и контакты для подключения периферийных устройств.

Рисунок 1.25 – Составляющие полетного контроллера

Периферийное оборудование – это дополнительные внешние устройства, которые подключаются к полетному контроллеру БпЛА по необходимости. Например, модули спутниковой и инерциальной навигации, OSD, bluetooth, Wi-Fi, датчики тока, напряжения и другие.

Рассмотрим некоторые из элементов периферии, входящие в состав полетных контроллеров или подключаемых к ним опционально:

датчики полетного контроллера, применяемые для ориентирования и позиционирования БпЛА в полете:

акселерометр – измеряет линейные ускорения по трем осям (x, y, z).

гироскоп – измеряет угловые скорости вращения БпЛА по трем осям (x, y, z), углы Эйлера, кватернионы, необходимые для определения его пространственного положения.

датчики, которые входят в состав продвинутых версий полетного контроллера:

Магнитометр (компас) – измеряет направление угла рыскания (курса) относительно севера.

Барометр – измеряет барометрическою высоту полета БпЛА. Используется на больших (свыше 50 м) высотах.

средства, которые опционально подключаются к полетному контроллеру для обеспечения дополнительных функций (в FPV-дронах обычно не используются):

Высотомер – измеряет высоту относительно поверхности. Предназначен для «мягкой посадки» БпЛА. Используют при небольших (до 50 м) высотах.

Бывают высотомеры следующих типов:

сонары (звуковые волны);

радиовысотомер (радиоволны);

лазерный дальномер, LiDAR (оптика).

Спутниковая навигационная система (СНС) (Global Positioning System – GPS) – спутниковый навигационный приемник, позволяющий определять координаты БпЛА в любой точке земного шара и в автоматическом или полуавтоматическом режиме осуществлять полет по заданным маршрутам, а также возвращаться в точку посадки. Спутниковый приемник включает в себя антенны и вычислитель. Основные применяемые СНС: ГЛОНАСС, GPS, BeiDou, Galileo, QZSS. Преимущества СНС: всепогодность, глобальность, оперативность, точность и эффективность. Недостатки СНС: необходимость прямой радиовидимости с не менее чем четырьмя спутниками; возможность подавления системами РЭБ; подмена сигнала спутников ложным сигналом (GPS – спуфинг).

Инерциальная навигационная система (ИНС) (Inertial Measuring Unit – IMU) – навигационное устройство, использующее акселерометры, гироскопы и вычислитель для непрерывного определения с помощью точного расчета положения ориентации и скорости БпЛА. Преимущества ИНС заключаются в полной автономности (независимости от внешних источников сигнала) и независимости от внешних факторов (помех и подавления). Главным недостатком ИНС является накопление ошибок, если нет корректировки от неинерциальных систем.

OSD (On Screen Display) – система отображения дополнительной информации о полете на экране, которая накладывает на видеопоток дополнительную информацию с различных датчиков квадрокоптера (рисунок 1.26), например, напряжение аккумулятора, высота, скорость и так далее. Система OSD может быть выполнена в виде отдельного устройства или встроена в полетный контроллер.

Рисунок 1.26 – Внешний вид платы OSD и отображение телеметрии на видео

Система регистрации полетных данных нужна для записи параметров полета квадрокоптера (логов работы) из полетного контроллера в специальный файл. Есть два места, куда можно вести запись логов, это флеш-память полетного контроллера и SD-карта (флешка).

На рисунке 1.27 представлен пример подключения различного периферийного оборудования к полетному контроллеру.

Рисунок 1.27 – Пример подключения периферийных устройств к полетному контроллеру

Система электропитания FPV-дрона состоит из аккумуляторной батареи, платы распределения питания и соединительных проводов.

Плата распределения питания (PDB от англ. Power Distribution Board). Основная задача PDB – это передавать ток от аккумулятора к регуляторам оборотов электродвигателей (ESC), а также питать полетный контроллер и некоторые периферийные устройства. Как правило, PDB – это небольшая плата

размером с полетный контроллер, на которой имеются минимум 5 пар контактных площадок (плюс и минус) (рисунок 1.28). На одну площадку припаивается разъем для подключения аккумулятора (часто эти контакты выведены в сторону), на остальные 4 (если собирается квадрокоптер) припаиваются контакты регуляторов оборотов (ESC), то есть эта плата распределяет ток от аккумулятора по всей системе квадрокоптера [6].

Рисунок 1.28 – Плата распределения питания отдельно и в сборке с полетным контроллером

Большинство PDB содержат регуляторы напряжения для подключения периферии. Как правило, периферия, в том числе и полетный контроллер, работает от питающего напряжения 5V, аккумулятор квадрокоптера вырабатывает напряжение питания 12 – 16V.

Основная задача PDB – это передавать ток от аккумулятора регуляторам оборотов (ESC) и питать полетный контроллер.

Аккумуляторная батарея (АКБ) – устройство для накопления энергии с целью ее последующего использования.

Современные FPV-дроны используют два вида АКБ:

Li-Ion (литий-ионные);

Li-Po (литий-полимерные).

Литий-ионный аккумулятор (Li-Ion) – тип электрического аккумулятора, который широко распространен в современной бытовой электронной технике и находит в ней применение в качестве источника энергии в электромобилях, накопителях энергии в энергетических системах.

Преимущества Li-Ion АКБ:

высокая энергетическая плотность (емкость);

низкий саморазряд;

высокая токоотдача;

большое число циклов заряд-разряд;

не требуют обслуживания. Недостатки Li-Ion АКБ:

при перезаряде, несоблюдении условий заряда или при механическом повреждении часто бывают чрезвычайно огнеопасными;

потеря емкости на холоде.

Одним из основных технологических достижений, обусловивших взлет популярности гражданских БпЛА, стали литий-полимерные (Li-Po – lithium-ion polymer battery) батареи. Весьма сходные по устройству с батареями для смартфонов, литий-полимерные батареи имеют намного большее соотношение

«емкость/вес» по сравнению с никель-кадмиевыми (NiCD) и никель- металлгидридными (NiMH) батареями. Такое избавление от лишнего веса позволило их использовать на БпЛА.

Литий-полимерный аккумулятор (Li-Po) (рисунок 1.29) – это усовершенствованная конструкция литий-ионного аккумулятора. В качестве электролита используется полимерный материал.

Рисунок 1.29 – Li-Po аккумуляторная батарея с маркировочными данными

Преимущества Li-Po АКБ:

большая плотность энергии на единицу массы;

низкий саморазряд;

возможность получать очень гибкие формы;

незначительный перепад напряжения по мере разряда;

широкий диапазон рабочих температур от -20 до +40 °С. Недостатки Li-Po АКБ:

пожароопасные при перезаряде и/или перегреве. Для борьбы с этим явлением все бытовые аккумуляторы снабжаются встроенной электронной схемой, которая предотвращает перезаряд и перегрев вследствие слишком интенсивного заряда. По этой же причине требуют специальных алгоритмов зарядки (зарядных устройств);

количество рабочих циклов 800 – 900, при разрядных токах в 2А до потери емкости в 20 %.

Основными характеристиками аккумуляторов являются:

напряжение;

емкость;

токоотдача;

количество и способ соединения элементов в аккумуляторе.

Напряжение – все литий-полимерные батареи для достижения необходимого напряжения формируются из последовательно соединенных одиночных ячеек, конструктивно объединенных в блоки. Номинальное напряжение каждой ячейки 3,7 В (4,2 В при полном заряде). Это означает, что в нашем примере номинальное напряжение составит 3×3,7 = 11,1 В и может достигнуть 3×4,2 = 12,6 В при полном заряде.

Емкость – это вместимость аккумулятора, измеряется в ампер-часах или миллиампер-часах.

Пример: Батарея емкостью 1000 мАч говорит о том, что она будет отдавать в нагрузку ток, равный 1000 мА или 1 А в течение часа. Время разряда напрямую зависит от силы тока в цепи, если к такой батарее подключить лампочку, которая потребляет 100 мА или 0.1 А, то она будет светить 10 часов и, наоборот, – если подключить мотор, который потребляет 6 А, то этого аккумулятора хватит всего на 10 минут работы такого мотора.

Зная емкость, можно вычислить время работы, разделив емкость на ток нагрузки, из примера выше. Например, если имеется батарея 1 Ач и нагрузка 1 А – 1 Ач, делим на 1 А = 1 час, T=C/I, Т – время разряда, С – емкость аккумулятора, I – ток нагрузки. Пример с лампочкой 1 Ач делим на 0,1 А=10 ч и с мотором 1 Ач делим на 6 А =0,16 ч – 10 минут. Стоит обратить внимание на то, что не любой аккумулятор способен разряжаться с такой скоростью, как с мотором из примера (6 А), некоторые батареи при таком быстром разряде выйдут из строя. Для того чтобы такого не случилось на аккумуляторах, пишут еще один параметр [1].

Токоотдача – это допустимая скорость разряда данного аккумулятора, на батареях или одиночных элементах. Она обозначается «число и буква С», это указывает на то, что данная батарея может отдать всю накопленную энергию за время, которое определяется, как один час разделить на число перед «С», то есть, возьмем батарею 1Ач, ее токоотдача равна 10С, это значит, что она может отдать всю энергию за 1ч, делим на 10С = 0,1ч, то есть 6 минут, получается, что мотор из примера выше не повредит ее, разрядив за 10 минут, так как это по времени на 4 минуты дольше, чем максимальная скорость разряда в 6 минут, до ее полного разряда. Так высчитывается время, за которое можно разрядить батарею без вреда для нее. Рассчитать максимальный ток, который она выдает, можно умножив ее емкость 1 Ач на число, указанное как токоотдача «С» 1 Ач × 10С = 10 А.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.