Оглавление

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

Современный этап развития БЛА характеризуется увеличением сфер применения БЛА и увеличением их номенклатуры, что обусловлено их достоинствами и преимуществами, в первую очередь по показателю эффективность/стоимость.

В военной сфере наиболее активно применяются в качестве БЛА поля боя и барражирующих боеприпасов БЛА мультироторного типа — коптеры, с помощью которых выполняется около 80% всех боевых задач. Особенно эффективны высокоманевренные коптеры-камикадзе (FPV-квадрокоптеры). Это, как правило, квадрокоптеры, оснащенные видеокамерой, передающей видеопоток в режиме реального времени на устройство оператора (очки или монитор), что создает иллюзию нахождения оператора в кабине БЛА. Еще одна особенность FPV-квадрокоптеров — управление в ручном режиме, без использования систем стабилизации полета. Поэтому для успешного выполнения полетного задания оператор должен хорошо знать устройство, аэродинамику, порядок эксплуатации, тактику применения БЛА, а также обладать уверенными навыками пилотирования, полученными в результате тренажной подготовки на симуляторах и в ходе практических полетов в помещениях и на открытых площадках. Вот почему подготовка оператора FPV-квадрокоптера включает в себя теоретическую, тренажерную и летную составляющие.

Данное пособие, состоящее из нескольких частей, составлено на основе изучения опыта подготовки операторов БЛА различных типов, в том числе и FPV-квадрокоптеров в различных учебных центрах, а также на основе собственного опыта обучения операторов, позволяет за 60 учебных часов получить необходимые знания по устройству, аэродинамике и динамике полета квадрокоптеров, подготовке и способах их применения, а также отработать начальные навыки управления FPV-квадрокоптерами на симуляторах, в помещениях и на открытой местности.

Предназначено для операторов, осваивающих квадрокоптеры различных типов, а также преподавателей и инструкторов.

1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Беспилотное мобильное средство (БМС) — искусственный мобильный объект многоразового или условно-многоразового использования, не имеющий на борту экипажа (пилота) и способный самостоятельно целенаправленно перемещаться в пространстве для выполнения различных функций в автономном режиме (с помощью собственной управляющей программы) или посредством дистанционного управления оператором или диспетчерским центром.

БМС не являются объекты, которые не имеют собственных энергетической подсистемы и движителя (буксируемый исследовательский зонд или метеозонд, свободно дрейфующий в атмосфере).

Беспилотный летательный аппарат (БЛА) — летательный аппарат, предназначенный для выполнения полетов без экипажа на борту под управлением оператора БЛА с пункта (пульта) управления, в том числе без его визуального контакта с этим летательным аппаратом, или в заданном автономном режиме либо путем сочетания указанных способов.

Также БЛА именуются дронами или UAV (англ. unmanned aerial vehicle).

К БЛА не относятся ракеты, снаряды, бомбы (независимо от того, управляемые они или нет), аэростаты без двигателей и другие безмоторные летательные аппараты: планеры, дельтапланы, парапланы. Но относятся беспилотные дирижабли и планеры, моторные дельтапланы и парапланы.

БЛА классифицируются по конструкции, тактико-техническим характеристикам (размер и масса БЛА, дальность, высота, скорость и продолжительность полета БЛА) и по способу их применения.

2. КЛАССИФИКАЦИЯ БЛА ПО КОНСТРУКЦИИ

Конструкция ЛА зависит от принципа создания подъемной силы, который заложен в основу его полета. В настоящее время известны четыре принципа полета:

Баллистический принцип полета — полет свободно брошенного тела под действием силы тяжести. Для полета по баллистическому принципу тело должно обладать начальным запасом высоты или скорости, поэтому баллистический полет называется 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 наиболее распространены конструкции БЛА использующие аэродинамический и аэростатический принципы создания подъемной силы.

БЛА аэростатического типа — БЛА, подъемная сила которых создается преимущественно за счет архимедовой силы, действующей на баллон, заполненный легким газом (как правило, гелием). Это, в основном, беспилотные дирижабли — ЛА легче воздуха, являющиеся комбинацией аэростата с движителем (винт (пропеллер, импеллер) с электродвигателем или ДВС) и системы управления ориентацией.

Основной недостаток таких БЛА — низкая маневренность, поэтому они как правило применяются в привязном варианте.

БЛА самолетного типа — БЛА, подъемная сила которых создается аэродинамическим способом: воздушным потоком, набегающим на неподвижное крыло.

Преимущества — большие продолжительность, потолок и скорость полета. Благодаря большой продолжительности полета и топливной экономичности БЛА с неподвижным крылом идеально подходят для дальних операций (картографирование, наблюдение).

Недостатки — невозможность зависания в воздухе, более высокие затраты на обучение персонала их управлению, необходимость использования для взлета взлетно-посадочной полосы (ВПП) или пусковой установки (катапульты), а для посадки — ВПП, парашюта или сети.

Существует большое разнообразие подтипов БЛА самолетного типа, различающихся по форме крыла и фюзеляжа. Практически все схемы компоновки самолета и типы фюзеляжей, которые встречаются в пилотируемой авиации, применимы и в беспилотной.

По способу старта и приземления БЛА самолетного типа подразделяют на аэродромный и безаэродромный (с руки, рампы, платформы, пускового устройства носителя).

Старт с руки в основном применяется для БЛА, чья масса не превышает 5 кг. Основное достоинство заключается в отсутствии каких-либо механизмов, что приводит к повышению надежности и простоте запуска, но, при этом, существенный недостаток заключается в низком уровне безопасности, так как при запуске двигатель работает на максимальных оборотах, и удержать такой аппарат может быть сложной задачей, не говоря о рисках для здоровья.

Старт и посадка с ВПП осуществляют БЛА, обладающих внушительными, масса-габаритными характеристиками. Например, российский «Орион», китайский «CH-4», американский «MQ-1 Predator».

Для взлета мало- и среднеразмерных БЛА используются пусковые устройства типа катапульты, позволяющие обеспечить быстрый и эффективный взлет с силовой установки сравнительно небольшой мощности.

Взлет с катапульты — самая популярная система запуска БЛА в связи с тем, что его работа происходит, в основном, в местах необорудованных ВПП.

Для запуска БЛА используются катапульты различных систем и методов получения пусковой энергии. Выбор типа катапульты зависит от массы БЛА, требований к взлетной площадке и времени подготовки к взлету.

Основные виды катапульт: пневматические, механические и эластичные.

Пневматические катапульты обладают относительно небольшими габаритными размерами и весом. Такой тип катапульт разгоняет БЛА с помощью сжатого воздуха. Механические катапульты могут использовать энергию падающего груза, лебедочный привод либо другие устройства.

Пневматические или механические катапульты используются чаще всего для запуска БЛА массой от 15 кг до 50 кг.

Самыми распространенными системами запуска БЛА являются эластичные катапульты, принцип работы которых заключается в силе, полученной в результате амортизации эластичного, чаще всего резинового, шнура.

Конструкция катапульты выполняется модульной, что позволяет снизить габаритные размеры в транспортировочном состоянии и обеспечить быструю сборку на месте проведения запуска.

БЛА вертолетного типа — БЛА, подъемная и движущая силы которых создаются одним или несколькими несущими винтами с приводом от одного или нескольких двигателей. Крыло или отсутствует, или выполняет вспомогательные функции.

Преимущества — способность зависания в точке, высокая маневренность.

Основные недостатки — небольшая скорость полета и сложная конструкция.

БЛА гибридного типа — БЛА вертикального взлета/посадки и полета по-самолетному, т. е. БЛА с изменяемым направлением вектора тяги.

Гибридные БЛА сочетают в себе преимущества БЛА с неподвижным крылом, такие как большие дальность и продолжительность полета, с преимуществами винтовых БЛА — возможность зависания.

Наиболее распространенными БЛА гибридного типа являются конвертопланы — БЛА вертикального взлета и посадки, который в полете движется как самолет с опорой на фиксированное крыло, при этом корпус остается в горизонтальном положении. Таким образом, этот БЛА ведет себя как вертолет при взлете и посадке, но как самолет в горизонтальном полете. Англоязычная версия названия конвертоплана — VTOL (Vertical Take Off and Landing).

Виды конвертопланов:

— тилтротор — конвертоплан с поворачивающимися гондолами (двигателями) или с поворачивающимися винтами (двигатели неподвижные), которые на взлете и при посадке работают как подъемные, а в полете — как тянущие или толкающие, при этом в полете подъемная сила обеспечивается крылом;

— тилтвинг (tilt — «наклонять» и wing — «крыло») — конвертоплан с поворачивающимся крылом с установленными на нем двигателями.

«Классические» конвертопланы имеют несколько вариантов размещения винтов: одиночный, расположенные над крылом или под крылом, а также сдвоенные. В некоторых конструкциях используют не открытые винты, а импеллеры, которые обладает очень высокой скоростью отбрасываемого воздушного потока, что позволяет обойтись очень маленькими крыльями, обеспечивая высокую компактность конвертоплана.

Встречается использование кэнардов — объединенных в блоки канальных электровентиляторов. Поворачивая такие кэнарды, БЛА может совершать вертикальный взлет, а затем лететь по-самолетному. Хвостовые кэнарды играют также роль рулей.

Еще одним видом БЛА гибридного типа являются тейлситтер — БЛА вертикального взлета, который, оказавшись в воздухе, поворачивается горизонтально и летит, как БЛА самолетного типа, а для посадки вновь возвращается в вертикальное положение и приземляется на специальные ребра, отходящие от крыльев и хвоста, которые служат ему опорой. От конвертопланов такую конструкцию отличает отсутствие поворотных элементов.

Достоинства — способность вертикального взлета, способность полета по-самолетному с опорой на фиксированное крыло, способность к зависанию в заданной точке, энергоэффективность выше, чем у БЛА вертолетного типа, простота в использовании.

БЛА мультироторного типа — подкласс БЛА вертолетного типа. Мультикоптер (многовинтовой вертолет) — ЛА вертолетной схемы с двумя и более несущими винтами. Реактивные моменты уравновешиваются за счет вращения несущих винтов попарно в разные стороны или наклона вектора тяги каждого винта в нужном направлении.

Достоинства — низкая стоимость, легкость в управлении, возможность вертикального взлета с неподготовленной площадки и способность зависания в воздухе, высокая точность позиционирования.

Недостатки — малая скорость, высокие энергозатраты, ограниченный радиус действия, малая продолжительность полета.

Мультикоптеры классифицируются по количеству двигателей: бикоптер, трикоптер, квадрокоптер, гексакоптер, октокоптер.

Квадрокоптер — самый популярный мультикоптер, так как четыре жестко зафиксированных роторов дает возможность организовать довольно простую схему организации движения.

Преимущества — простейшая и универсальная конструкция, все доступные на рынке контроллеры полета могут работать с такой мультироторной сборкой.

Недостатки: Отсутствие избыточности (если в системе происходит сбой, особенно в элементах силовой установки, беспилотник падает).

3. ПОЛЕЗНАЯ НАГРУЗКА БЛА

Полезная нагрузка — это оборудование, которое БЛА несет для выполнения различных задач: видеокамеры, тепловизоры, дальномеры, системы сброса, средства поражения и т. д.

Полезная нагрузка может быть сменяемой и несменяемой.

Тип полезной нагрузки зависит от типа решаемой задачи.

Фото- и видеокамеры

Одним из важных параметров камеры является угол обзора объектива от которого зависит какая площадь наблюдаемого участка попадет в поле зрения камеры. Например, для получения общего обзора участка или тесного помещения нужен объектив с широким углом обзора, а при необходимости сосредоточения на каком-либо определенном объекте — с узким углом обзора.

Угол обзора объектива зависит от двух параметров:

— фокусное расстояние объектива;

— размер чувствительного элемента (матрицы).

Чем больше фокусное расстояние у объектива камеры, тем меньшим будет угол его обзора, поэтому узкоугольные камеры обладают возможностью наблюдения за относительно удаленными от камеры объектами, а широкоугольные позволяют охватить большую площадь территории или помещения. Но при одинаковых фокусных расстояниях объектива на разных камерах угол обзора будет зависеть еще и от того, каков размер матрицы камеры.

Чем меньше матрица, тем уже угол обзора объектива при том же фокусном расстоянии и наоборот, чем больше матрица, тем шире угол обзора. Например, если на полнокадровой матрице (36х24 мм) объектив с фокусным расстояние 50 мм обеспечивает угол обзора в 45°, то на матрице формата APS-C (25.1х16.7 мм) он уже будет равен 35°. Т.е., чем меньше матрица в камере, тем сильнее объектив с тем же фокусным расстоянием будет приближать объект.

Детализация снимков

При использовании узко- или широкоугольной камеры выявляется еще одна зависимость — детализация получаемых кадров: изображения с высокой детализацией можно получить с помощью узкого угла обзора, а если угол обзора камеры будет шире, то детализация объектов в дали будет значительно ниже.

Широкоугольные объективы позволяют увидеть большую площадь территории, но с меньше детализацией вдали, а узкоугольные объективы позволяют детализировано рассмотреть удаленные объекты.

Абсолютной необходимостью для аэрофотосъемки с коптера является стабилизированный подвес, который устраняет влияния внешних воздействий во время полета коптера (резкие колебания, вибрация и т.д.), приводящих к выходу устройств, расположенных на платформе, из заданного положения. Подвес крепится к нижней части коптера. Конструктивно он представляет собой карданный узел с системой стабилизации и металлическими или пластиковыми рычагами, которые функционируют на электронном или на механическом приводах, не позволяя камере колебаться из стороны в сторону.

Модели подвесов для квадрокоптеров могут быть двухосевые и трехосевые.

Двухосевые подвесы достаточно легкие и потребляют меньше электроэнергии, но обеспечивают только двухосевую стабилизацию видеокамеры: по оси тангажа (ось Х) и оси крена (ось Z).

Трехосевые подвесы несколько тяжелей и дороже двухосевых, но обеспечивают стабилизацию видео с камеры уже по трем осям, тангажа (ось Х) и крена (ось Z) и рыскания (ось Y). Т.е. трехосевые подвесы обеспечивают наилучшую стабильность, чем двухосевые.

Трехосевые и двухосевые подвесы могут оснащаться разными исполняющими механизмами осевых рычагов, приводящихся в действие сервоприводом или бесколлекторным мотором, и отдельным встроенным контроллером с набором датчиков для стабилизации подвеса (гиростабилизированные подвесы).

Мультиспектральные камеры являются мощным инструментом для мониторинга изменений показателей растительности с использованием видимого и ближнего инфракрасного спектра. Полученные показатели с помощью ближнего инфракрасного спектра, позволяют обнаружить изменения растительности до того, как соответствующие изменения проявятся в видимом спектре.

Мультиспектральные камеры имеют два основных сенсора, первый мультиспектральный сенсор снимает цвет, который отражают растения, в четырех разных диапазонах: зеленый и красный свет и два инфракрасных канала, невидимые для человеческого глаза. Второй сенсор, так называемый «солнечный сенсор» размещенный на верхней части БЛА регистрирует интенсивность света, излучаемого солнцем для четырех диапазонов.

Внутри мультиспектрального сенсора «Sequoia» встроен собственный GPS, что значительно повышает точность съемки.

За счет небольшого веса и компактности, мультиспектральные камеры можно подключить к любому БЛА, как мультироторного типа, так и самолетного типа.

Тепловизор — измерительный прибор, который позволяет видеть тепловое (инфракрасное) излучение окружающих объектов в любое время суток, измерять температуру в любой точке на поверхности с высокой точностью и визуализировать его в доступном для человеческого глаза виде.

Принципиальная схема действия тепловизора

Основные технические характеристики тепловизора, которыми определяется диапазон его действия:

— тип матрицы;

— фокусное расстояние;

— чувствительность матрицы;

— углы обзора;

— температурный диапазон работы.

Установленный на квадрокоптере тепловизор превращает его в мощный инструмент, способный обнаруживать тепло, исходящее почти от всех объектов и материалов и решать широкий спектр задач.

Лидар или лазерный сканер (LIDAR англ. Light Detection and Ranging «обнаружение и определение дальности с помощью света») — технология получения и обработки информации об удаленных объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления поглощения и рассеяния света в оптически прозрачных средах. С помощью такого оборудования создается трехмерное изображение исследуемой местности и предметов.

Лидары для БЛА имеют малые габариты и значительно сокращают различного рода затраты на методы исследования рельефа, по сравнению с методами наземного исследования.

Состав лидара:

— передающая часть;

— приемная часть;

— система управления.

Передающая часть лидара содержит источник излучения — лазер и оптическую систему для формирования выходного лазерного пучка, т.е. для управления размером выходного пятна и расходимостью пучка.

Приемная часть состоит из объектива (телескоп), спектрального и/или пространственных фильтров, поляризационного элемента и фотодетектора (приемник света).

В основе работы лидаров лежит измерении расстояния от источника импульса до исследуемых объектов, то есть система рассчитывает, сколько времени требуется свету, для попадания на объект и отражения обратно в сканер.

Результаты сканирования дают полное представление об исследуемом предмете, описывают его геометрические параметры и могут быть представлены в виде 3-х мерных моделей объекта и рельефа, топопланов, ортопланов, других продуктов.

4. КОНСТРУКЦИЯ БЛА КОПТЕРНОГО ТИПА

Наличие у квадрокоптера четырех жестко зафиксированных электродвигателей (роторов) дает возможность организовать довольно простую схему организации движения, в которой одна пара винтов вращается по часовой стрелке, другая — против. Существуют два типа такой схемы: «+» и «х».

В «+» один из роторов является передним, противоположный ему — задним, два — боковыми.

В «х» передними являются одновременно два ротора, два других — задними, а смещения в боковом направлении реализуются одновременно парой соответствующих роторов.

Алгоритм управления частотами вращения винтов для типа «+» несколько проще и понятнее, чем для «х», однако он более распространен, так как проще разместить фюзеляж, который может быть вытянутым, бортовая видеокамера имеет более свободный обзор. К тому же тип «х» обеспечивает неплохую стабильность полета.

4.1. Комплект оборудования квадрокоптера

квадрокоптер с аккумулятором;

аппаратура (пульт) управления;

зарядное устройство для аккумулятора.

В состав комплекта оборудования FPV-квадрокоптера, кроме того, входят очки (монитор).

4.2. Состав типового квадрокоптера

1. Рама и лучи;

6. Плата распределения питания;

FPV (First Person View) квадрокоптеры — мультироторные БЛА, оснащенные видеокамерой и передающие видео в реальном времени на устройство оператора, что дает ему ощущение, будто он находится в кабине квадрокоптера.

4.3. Рама квадрокоптера

Рама — основной и несущий элемент конструкции квадрокоптера, к которому крепятся все комплектующие и двигатели.

Рама обеспечивает надежность и жесткость конструкции при ее малом весе, защиту всех электронных элементов. Жесткость конструкции повышает стабильность управления за счет уменьшения вибраций, а малый вес увеличивает продолжительность полета.

Состоит рама из фюзеляжа, состоящего из нижней деки и верхней деки, и лучей. Для безопасности добавляют защиты лучей и/или пропеллеров.

Два основных типа рамы:

1. Цельная (монорама) — лучи и фюзеляж выполнены из цельного куска материала.

2. Сборная — фюзеляж (корпус) и лучи соединены винтами.

Монорама намного легче и не требует сборки, но, если сломается луч, менять придется всю раму, поэтому сборная рама более ремонтопригодна.

Рамы БЛА изготавливаются из различных материалов: пластик, текстолит, стекловолокно, алюминий, карбон и т. д.

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.

Размер рамы — это длина по диагонали от одной точки центра местоположения электродвигателя до другой, измеряемая в миллиметрах.

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

Размер рамы определяет класс БЛА (микро, мини и т.д.) и влияет на размер двигателей, вид регуляторов оборотов (отдельные или в ПК), совместимость с определенными FPV или HD-камерами, сопротивление воздуха, инерцию и вес. Также от размера рамы зависит размер пропеллеров. Например, рама размером 210 мм называется «пятидюймовой», так как самые большие пропеллеры, которые можно использовать с этой рамой — на 5 дюймов.

Двигатели на раму ставятся на самом краю лучей, там находятся отверстия для крепления. Чем дальше двигатели от центра, тем больше момент инерции.

Чем меньше рама, тем резвее себя ведет квадрокоптер, так как малую раму проще и быстрее наклонять/поворачивать. У большой рамы больше сопротивление воздуха и больше значение парусности за счет большей площади.

Рама состоит из фюзеляжа (тело), состоящего из двух (верхняя и нижняя) дек (пластин), соединенных стойками, и лучей или рук, т.к. англ. название луча arm — рука.

В фюзеляже размещаются полетный контроллер, плата распределения питания, АКБ и др. А антенны радиоаппаратуры (от приемника сигналов ПДУ и FPV-передатчика) размещаются на лучах.

Лучи — направляющие для установки двигателей и регуляторов оборотов. Лучи должны быть достаточно прочными, чтобы выдержать не только вес конструкции БЛА, но и противостоять ударам при падении. Поэтому лучи, обычно, делаются из толстого слоеного карбона (3—4 мм). долговечности. В настоящее время последние модели все чаще имеют лучи толщиной 5 мм и более, потому что скорость и мощность мультикоптеров имеет тенденцию на увеличение.

Форма рамы определяется тем, как лучи соединены с фюзеляжем. Это не только влияет на внешний вид, но и на полетные характеристики БЛА. Хотя вопрос о влиянии формы рамы на полетные характеристики квадрокоптера является дискуссионным, но однозначно констатируется факт, что при каждой форме рамы, квадрокоптер в полете ведет себя по-своему.

В настоящее время популярны формы рам: H-образная; Х-образная; гибрид Х; вытянутый Х; квадратная (коробка); плюс-образная.

Н-образные — самые первые рамы, которые использовались на квадрокоптерах. У них много места для компонентов. Лучи соединены на фюзеляже в форме буквы «Н», что позволяет удобно размещать и ремонтировать электронику. Камеру и АКБ можно расположить на верхней деке. Но так как вес распределяется по одному направлению, это не очень благоприятно влияет на инерцию по тангажу. Т.е. вправо-влево БЛА будет легко наклоняться, а наклон вперед-назад будет затрачивать немного больше энергии и силы. В этом заключается отличие от более новых рам Х-образных.

Х-образная (настоящий Х) — лучи на фюзеляже соединяются в самом центре, образуя форму буквы «Х». Фэзеляж максимально короткий, а компоненты размещаются посередине его, чтобы была максимальная центровка веса.

Отцентрированная масса на такой раме позволяет сократить инерцию квадрокоптера в полете, что очень важно для FPV-квадрокоптеров, в этом заключается основное преимущество Х-образной рамы над Н-образной. К тому же Х-образные рамы, зачастую, обладают меньшим весом, так как при ее постройке используется меньше материала.

Но на такой раме сложнее разместить периферию, так как все располагается в центре, включая камеру и АКБ.

Гибрид Х имеет тип соединения лучей, как у Х-образной, но фюзеляж удлиненный, как у Н-образной. По летным характеристикам рамы «Гибрид Х» ничем не отличаются от типа «Н», так как масса распределена одинаково.

Вытянутый Х (удлиненный Х) — внешне очень похожа на «Настоящий Х», но лучи расположены ближе друг к другу сзади и спереди для улучшения поворотах в гонках и скоростных полетах. Смещенное расположение передних пропеллеров от задних исключает возникновение турбулентных завихрений, или, как минимум, значительно их сокращает, позволяя квадрокоптеру летать более стабильно. Но такие рамы имеют больший вес по сравнению с с «Настоящим Х», так как для них используется больше материала.

Квадрат (коробка) может быть сделана из рам «Н» или «Х» с дополнительными ребрами жесткости, соединяющими лучи. В результате получается очень жесткая конструкция, которая редко ломается. Но это приводит к увеличению сопротивления воздуха и и общего веса БЛА. Такая рама предназначена для новичков, чтобы при частых падениях БЛА не вывести из строя электронику и свести к минимуму повреждения.

Плюс-образная. Два луча расположены строго вперед-назад от фюзеляжа по ходу движения и влево-вправо. Существенное достоинство рамы — отсутствие взаимного влияния турбулентности винтов, так как они вращаются довольно далеко друг от друга. Недостаток — передний двигатель с лучом, которые будут попадать в поле зрения камеры. Для устранения этого передний и задний лучи делаю более длинными. Такой тип рамы называется «Удлиненный плюс».

4.4. Винтомоторная группа

ВМГ включает электродвигатели, пропеллеры и регуляторы оборотов.

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).

Для квадрокоптеров используются два типа электродвигателей постоянного тока: коллекторные (щеточные) и бесколлекторные (бесщеточные).

Коллекторный электродвигатель Бесколлекторный электродвигатель

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. Направление вращения ротора зависит от полярности.

Коллекторные двигатели развивают незначительные обороты и мощность, поэтому применяются, в основном, на легких БЛА начального уровня.

Бесколлекторный двигатель состоит из статора, магнитов, корпуса и вала.

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.

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

Бесколлекторные двигатели по своей конструкции 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).

Принцип действия бесколлекторного двигателя: управляющая электроника (электронные регуляторы оборотов электродвигателей — ESC) создает в обмотках статора вращающееся магнитное поле, которое, взаимодействуя с магнитами на роторе, вызывает его вращение.

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.

Недостатки бесколлекторного двигателя:

— относительно сложная система управления двигателем;

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

— сложность ремонта.

Основные параметры бесколлекторных электродвигателей:

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 — отношение электрической потребляемой мощности к номинальной полезной мощности.

Крутящий момент — сила вращения его вала.

Тяга двигателя — характеристика электродвигателя, показывающая какой вес может поднять электродвигатель с установленным на него пропеллером.

Общее правило: суммарная тяга двигателей должна быть как минимум в два раза больше, чем вес БЛА.

Количество оборотов в минуту на единицу напряжения (KV) — параметр, показывающий, как увеличится количество оборотов электродвигателя с подачей напряжения 1V без пропеллера. Например, KV 8000 означает, что при подаче на электродвигатель 1V, скорость вращения вала будет 8000 об/мин. При установке пропеллера количество оборотов снизится из-за сопротивления воздуха. Приводы с более высоким KV будут вращать пропеллеры быстрее, потребляя при этом больший ток. Поэтому рекомендуется устанавливать большие пропеллеры на двигатели с малым KV, а компактные легкие пропеллеры — на двигатели с высоким KV.

Общее правило: чем больше масса БЛА, тем меньше KV его электродвигателей, чем меньше масса БЛА, тем больше значение KV.

Направление вращения на электродвигателях для мультикоптеров направление вращения указывается как 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.

Маркировка электродвигателей состоит из букв и цифр.

Первая буква определяет класс привода и отображает качество изготовления:

V — электродвигатели мультикоптеров гоночного или премиального сегмента, изготовленные из наилучших материалов с высокой точностью сборки;

X — серия электродвигателей мультикоптеров средней ценовой категории соответствующего качества и сборки;

A — электродвигатели бюджетного сегмента.

Цифры обозначают параметры магнитопровода: первые две — диаметр (в миллиметрах), две следующие — толщина набора (в миллиметрах).

После знака дроби указываются цифры, обозначающие количество витков.

Последняя буква обозначает за тип обмотки.

Например, A2212/15T обозначает:

A — электродвигатель бюджетного сегмента;

22 — магнитопровод диаметром 22 мм;

12 — толщина набора 12 мм;

15 — 15 витков;

Т (или Δ) — тип обмотки «треугольник» (или «дельта»).

Также в маркировке электродвигателей может указываться и количество оборотов в минуту на единицу напряжения — KV.

В описаниях электродвигателей могут быть и обозначения вида: «12N14P».

Цифры перед «N» означают число электромагнитов в статоре, а перед «P» — число постоянных магнитов в роторе.

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

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, материал.

Шаг — это расстояние, которое пропеллер может преодолеть за один оборот в некой условноплотной среде.

Величина шага лопастей пропеллера зависит от угла атаки. Пропеллер с большим углом атаки лопастей поднимает БЛА вверх за один оборот на большую высоту, но сильнее нагружает электродвигатель.

От размера (диаметра) пропеллера зависит тяга и реакция на изменения скорости вращения электродвигателей. Пропеллеры малого размера быстрее реагируют на изменение скорости вращения, 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 является 5-дюймовый с которым используются электродвигатели размеров от 2204 до 2307.

Конфигурация пропеллера — это количество лопастей пропеллера, поэтому по конфигурации пропеллеры существуют двух-, трех-, четырех- и пятилопастные.

Увеличение количества лопастей пропеллера компенсирует его размер, поэтому в микросборках чаще всего используются четырехлопастные пропеллеры, а в БЛА 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. Например, 5-дюймовые пропеллеры с тремя лопастями обеспечивают наилучший баланс эффективности, тяги и сцепления.

Важный параметр, от которого зависит долговечность пропеллеров, это материал из которого они изготовлены.

В настоящее время пропеллеры изготавливаются 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 — тоже очень прочный материал, но более хрупкий.

Направление вращения пропеллеров, как и электродвигателей, указывается как CW (от англ. Clockwise — по часовой стрелке) и CCW (от англ. Counterclockwise — против часовой стрелки).

Определить направление вращения пропеллера можно по поднятой передней кромке лопасти, которая направлена в сторону вращения.

Большинство квадрокоптеров имеет конфигурацию расположения двигателей «Х», т.е. двигатели, расположенные на одной диагонали лучей вращаются в одну сторону.

Маркировка пропеллеров может состоять из четырех чисел или трех групп букв и чисел, например, 5045 или DP5х4.5х3V.

5045 — это сокращенная цифра общей маркировки, где первые две цифры указывают размер (в дюймах), в данном примере — 5,0 дюймов, а две вторые — шаг, т.е. расстояние, которое пройдет пропеллер за один полный оборот вокруг своей оси, в данном примере — 4,5 дюймов.

DP5х4.5х3V — первая цифра означает размер (в дюймах), вторая — это шаг, третья — количество лопастей пропеллера.

Электронный регулятор оборотов (ESC, Electronic Speed Controller — электронный контроллер скорости) — специальное устройство для управления оборотами электродвигателя.

Основная задача ESC — передача электроэнергии от АКБ к бесколлекторному электродвигателю: на вход ESC подается с напряжение с АКБ и сигналы управления от ПК, а на выход ESC выдает управляющее напряжение на бесколлекторный двигатель, меняя скорость его вращения. К тому же, на вход ESC поступает от АКБ постоянный ток, а на выход выдает трехфазный переменный ток. Поэтому ESC должен обеспечивать:

— совместимость с ПК;

— максимальный ток (рассчитывается из спецификаций электродвигателя и пропеллера плюс 20—30%);

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

Компоненты регулятора скорости:

— микроконтроллер;

— драйвер затвора (gate drivers);

— силовые транзисторы (ключи, MOSFET);

— стабилизатор питания микроконтроллера (LDO);

— конденсаторы (фильтры);

— датчик тока;

— светодиоды.

Микроконтроллер — это «мозги» ESC. Именно этот чип прошивается и в него загружается прошивка BLHeli.

Драйвер затвора определяет, когда полевому транзистору открыться, а когда закрыться. В ESC производители могут использоваться специальные драйверы, которые эффективны в управлении при использовании функции активного торможения электродвигателями. В идеале, для каждой фазы электродвигателя должен использоваться свой драйвер затвора, поэтому компания Fortio начала производство микросхем FD6288 для BLHeli_32, которые совмещают в себе три независимых драйвера затвора.

MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor) — это полевой транзистор с изолированным затвором. Он работает как ключ: драйвер затвора подает сигнал — MOSFET открывается и подает ток на определенную область статора, там самым, заставляя магниты вращать колокол двигателя из-за того, что обмотка (статор) попеременно меняет напряжение в определенных частях так, чтобы магниты начинали притягиваться в определенный момент времени к определенной части статора. Все это происходит много раз за доли секунды.

Регулятор напряжения (стабилизатор питания) регулирует напряжение для питания всех компонентов ESC.

Светодиоды на ESC просто для уведомлений, никакую другую функцию не несут и никак не влияют на производительность.

Датчик тока служит для отображения в OSD текущего тока, который подается на регуляторы оборотов.

Дополнительно к основной функции, ESC могут также передавать питание к другим компонентам БЛА: ПК, сервоприводам и др. Это достигается внедрением в ESC блока исключения батареи — Battery Eliminator Circuit (BEC).

Использование BEC значительно упрощает конструкцию БЛА, однако такая схема имеет ряд недостатков:

— BEC может перегреваться при больших перепадах напряжения и больших нагрузках;

— ESC с BEC, как правило, стоят дороже, чем без него.

Более простым решением является раздельное использование ESC и одного BEC, который называется универсальный блок исключения батареи — Universal Battery Eliminator Circuit (UBEC). UBEC обладает более высоким КПД и подключается напрямую к аккумулятору для питания соответствующего узла.

Преимущества UBEC:

— ESC меньше нагреваются, так как из них исключен BEC;

— больший КПД;

— способность отдачи большего тока с меньшим риском;

— отсутствие переплаты за несколько лишних BEC, располагающихся в ESС (для некоторых ПК крайне не рекомендуется подключать больше одного ESC BEC);

— меньше вес ESC.

Два вида BEC:

— линейные (LBEC);

— импульсные (SBEC).

LBEC преобразует энергию в тепло, а при перегреве отключается, поэтому в лучшем случае квадрокоптер не сможет взлететь, а в худшем — упадет на землю. В этой связи LBEC применяется в сборке с сервоприводами, которые не потребляют много тока, не позволяя LBEC перегреваться.

SBEC регулирует напряжение быстрым включением и выключением питания, что исключает перегрев и повышает выходную мощность (КПД до 90%). К тому же SBEC имеют меньший вес, чем LBEC.

Возникающие в цепи помехи, которые отрицательно сказываются на работе радиоаппаратуры, исключаются добавлением LC-фильтра.

Программное обеспечение ESC

Так как ESC выполняет некоторые преобразования с высокой частотой и может быть настроен на различные режимы работы, для него пишется отдельное программное обеспечение (firmware (прошивка), ПО).

ESC поддерживают различные протоколы, например: DShot1200; DShot600; OneShot125; Multishot.

Они отличаются скоростью обмена данными — чем выше скорость, тем быстрее будет отзыв двигателей на отклонения стиков.

DShot (сокращение от Digital Shot) — новый протокол обмена данными между ПК и ESC, пришедший на замену протоколам OneShot и Multishot. DShot разработан Flyduino при сотрудничестве с Betaflight. Преимущества DShot в сравнении с Oneshot и Multishot:

— нет необходимости калибровать ESC (нет джиттера);

— более точная и помехоустойчивая передача данных;

— высокое разрешение — 2048 шагов (в старых протоколах — 1000 шагов);

— более быстрый;

— более безопасный (надежный), каждый пакет данных содержит контрольную сумму.

Стандартный PWM, Oneshot125, Oneshot42 и Multishot — аналоговые протоколы, которые основаны на вычислении длительности импульса, поэтому имеют проблемы с точностью, так как:

— разная частота кварцевых резонаторов в ESC и ПК может внести погрешность в измерение длительности импульсов, так же необходимо калибровать ESC;

— шум и скачки напряжения могут исказить данные.

Три варианта протокола DShot (цифры определяют скорость интерфейса):

DShot600 — 600,000 бит/сек

DShot300 — 300,000 бит/сек

DShot150 — 150,000 бит/сек

Разные протоколы ESC по-разному влияют на полет квадрокоптера и его стабилизацию при ОСЦИЛЯЦИИ.

Со временем выходят обновления, позволяющие исправлять прошлые ошибки в алгоритмах управления, создавать более совершенные прошивки (и, тем самым, например, уменьшать расходы АКБ на среднем газу) и производить гибкие настройки. В квадрокоптерах известных компаний, например, DJI смена ПО регулятора происходит автоматически при помощи ПК.

Перезапись ПО для ESC может стать причиной поломок БЛА!

Для смены ПО ESC можно использовать:

— специальную плату управления;

— полетный контроллер;

— ASP-программатор.

Третий вариант проще и в настоящее время активно внедряется в новые модели.

При выборе ESC необходимо учитывать:

— совместимость с ПК, который должен поддерживать BEC и прошивку ESC;

— совместимость со спецификациями электродвигателя и АКБ;

— наличие или отсутствие BEС и его тип;

— теплоотвод и герметичность.

Эти параметры указываются в описании ESC:

— номинальная мощность — «Power rating» или «Constant».

Для квадрокоптеров класса мини и микро используются три основных номинальных мощности:

— <18А. Такие ESC используются на микро- и миниквадрокоптерах с рамами до 180мм, так как с большими рамами не будет хватать мощностей;

— 20А. Чаще всего используются на миниквадрокоптерах, т.е. с рамой 180—220мм и пропеллеры размером до 6 дюймов (+АКБ 3—4S);

— 30А. Стандарт для гоночных квадрокоптеров с рамами до 250мм.

Для сборки мощных квадрокоптеров существуют и более высокие мощности: 35А, 45А, 50А, 55А.

— пиковая (взрывная) мощность — «Burst power rating».

Это количество мощности, которое ESC сможет обработать в короткий промежуток времени. Это довольно важный параметр для гоночных миниквадрокоптеров, так как часто необходимо погасить скорость, чтобы пролететь препятствие и тут же резко дать полный газ для ускорения.

— поддержка аккумуляторов.

— форм-фактор (размер).

Кроме того, необходимо учитывать, что ESC «4 в 1» становятся все популярнее одиночных, так как компактны и их можно установить в стек с ПК, такие ESC, как правило, совмещены с платой распределения питания (PCB), что также экономит место и вес.

4.5. Полетный контроллер

Полетный контроллер (ПК, FC — Flight Controller) — электронное устройство, представляющее из себя вычислительную систему, работающую по сложным алгоритмам и управляющую полетом БЛА. Функции полетного контроллера могут определяться установленной на борту БЛА мини-класса дополнительной периферией (GPS/ГЛОНАСС, модем, OSD, подвес для фото/видеокамеры, датчики тока и напряжения, поисковые средства и т.д.). Все ПК имеют базовый набор датчиков: гироскопы (Gyro) и акселерометры (acc). Некоторые ПК имеют также барометр (датчик, измеряющий давление воздуха, благодаря чему можно измерять высоту полета) и магнитометр (компас).

Пример расположения микросхемы гироскопа и акселерометра

Акселерометр измеряет ускорение движения в любом направлении, а гироскоп — вращение в пространстве, поэтому они необходимы для того, чтобы квадрокоптер мог контролировать свое положение в воздухе.

К ПК также подключаются периферийные устройства: GPS, светодиоды, сонары и т. д.

ПК очень быстро эволюционируют: становятся меньше, имеют все более быстрые процессоры, более современные датчики и все больше встроенных функций.

ПК выполняет следующие задачи:

1. Стабилизация БЛА в воздухе — сбор и обработка информации с инерциального измерительного блока (IMU), датчиков ускорений и угловой скорости, обеспечение аэродинамической устойчивости БЛА в горизонтальной плоскости. Некоторые IMU включают в себя магнитометры, что позволяет стабилизировать ориентацию БЛА относительно магнитного меридиана и удерживать направление полета.

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

3. 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.

4. 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.

5. 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 отображаются в FPV-очках или на дисплее. Данные телеметрии также могут передаваться непосредственно с ПК при помощи радиомодема, который обеспечивает двухстороннюю связь через радиоканал по протоколу UART (универсальный асинхронный приемопередатчик).

ПК могут иметь различный набор датчиков и функционал, в зависимости от его предназначения. Как правило, ПК FPV-квадрокоптера более простой (слева на иллюстрации), чем ПК коммерческих (справа), имеющих автопилот, что позволяет осуществлять полет по точкам, управление полезной нагрузкой, слежение за объектом или автономную навигацию. ПК FPV-квадрокоптера выполняет, в основном, только стабилизацию БЛА в воздухе и управление по командам оператора.

Основные составляющие ПК FPV-квадрокоптера:

Микроконтроллер — монокристальная микро-ЭВМ, как правило, из семейства 32-битных STM32 компании STMicroelectronics, которое состоит из серий микроконтроллеров H7, F7, F4, G4, F3, F2, F1, F0. Микроконтроллеры отличаются внутренней архитектурой, быстродействием, размером памяти для хранения программ и данных, количеством интерфейсов для подключения внешних и внутренних периферийных устройств и др. От параметров зависит количество каналов управления, количество датчиков и исполнительных устройств, которые можно подключить к ПК, и скорость выполнения необходимых вычислений ПК.

Минимальное требование к ПК — минимум четыре канала управления, которые требуются для управления четырьмя основными функциями БЛА:

— канал газа — за уменьшение и увеличение оборотов электродвигателей БЛА;

— канал тангажа — наклон БЛА вперед и назад;

— канал крена — наклон БЛА влево и вправо;

— канал рыскания — вращение БЛА вокруг своей оси.

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

Цифровые шины подключения CAN, I2C и SPI предназначены для подключения к ПК гироскопов. Шина SPI позволяет работать с большими частотами, чем I2C, у которой лимит в 4 kHz. Поэтому практически все современные ПК используют SPI.

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.). Наиболее известный из семейства UART протокол RS-232 (сленг. — COM-порт).

К порту UART подключаются различные периферийные устройства: приемник, различная телеметрия и др. У порта есть два контакта для обмена данными — прием и передача, в свою очередь, они является основными У каждого последовательного порта два контакта: TX — для передачи данных, RX — для приема. TX на периферийном устройстве подключается к RX на полетном контроллере и наоборот.

UART-портов много не бывает — чем больше, тем более гибко можно будет настраивать квадрокоптер, а также они будут дублировать друг друг в случае поломки. Но количество портов зависит от размеров платы ПК и от того, как расположены на ней компоненты, а также от типа процессора, который использует ПК, т.к. слабый процессор не сможет обрабатывать много периферии. Например, у ПК типа F1 два порта UART, у F3 — 3—5, и F4 — 3—6, у F7 — 7 и более.

Процессоры F3 и F7 могут инвертировать сигнал встроенным инвертором, а F1 и F4 — нет. Сигналы SBUS и SmartPort являются инвертированными, ПК типа F3 и F7 принимают такие сигналы без проблем.

Однако, более старые процессоры, типа F1 и F4 требуют наличия внешнего инвертора сигнала, который подключается к соответствующему последовательному порту. Для удобства пользователей некоторые ПК F4 уже имеют схемы для инверсии сигналов SBUS и SmartPort, так что приемник подключается напрямую к ПК. Если встроенного инвертора нет, то необходимо использовать одно из обходных решений, например, программную эмуляцию последовательного порта (soft serial) или найти неинвертированный сигнал на приемнике.

Если портов не хватает, можно использовать программную эмуляцию (soft serial), чтобы «создать» еще больше портов. Следует помнить, что эмулируемые порты работают медленнее аппаратных (нельзя выставить большую скорость) и не подходят для важных задач, где требуется быстрая реакция, например, они не подойдут для работы с приемниками. Еще одним недостаткам программной эмуляция является большое использование ресурсов процессора.

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), содержащий гироскопы и акселерометры.

В связи с тем, операторы FPV-квадрокоптеров управляют ими в ручном режиме, для экономии вычислительных ресурсов акселерометры в настройках Betaflight отключаются. По этой же причине под инерциальной навигацией обычно подразумевают только гироскопы (gyro).

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

Периферийное оборудование — дополнительные внешние устройства, которые подключаются к ПК БЛА по необходимости:

1. Датчики ПК для ориентирования и позиционирования БЛА в полете:

— акселерометр — измеряет линейные ускорения по трем осям (x, y, z);

— гироскоп — измеряет угловые скорости вращения БЛА по трем осям (x, y, z), углы Эйлера, кватернионы, необходимые для определения его пространственного положения. Следует учесть, что разные серии гироскопов ICM имеют разные характеристики. Например, ICM20689 — один из наименее предпочтительных вариантов, легко восприимчивый к шуму, но с надежностью возникают проблемы. В последнее время появляется все больше и больше полетных контроллеров с гироскопами на отдельной плате с антивибрационной прокладкой;

2. Датчики, входящие в состав продвинутых версий ПК:

— магнитометр (компас) — измеряет направление угла рыскания (курса) относительно севера;

— барометр — измеряет барометрическою высоту полета БЛА, используется на высотах более 50 м;

3. Средства, которые опционально подключаются к ПК для обеспечения дополнительных функций (в FPV-квадрокоптерах, как правило, не используются):

— высотомер — измеряет высоту относительно поверхности, предназначен для «мягкой посадки» БЛА, используется на высотах менее 50 м. По способу измерения высоты высотомеры подразделяются на: сонары (звуковые волны); радиовысотомеры (радиоволны); лазерные, LiDAR (оптика).

— спутниковая навигационная система (СНС) — спутниковый навигационный приемник, позволяющий определять координаты БЛА в любой точке земного шара и в автоматическом или полуавтоматическом режиме осуществлять полет по заданным маршрутам, а также возвращаться в точку посадки. Спутниковый приемник состоит из антенн и вычислителя. Наиболее распространенными СНС являются GPS, BeiDou, Galileo, ГЛОНАС, QZSS. Преимуществами СНС являются всепогодность, глобальность, оперативность, точность и эффективность. Недостатками — необходимость прямой радиовидимости с не менее чем четырьмя спутниками, возможность подавления системами РЭБ, подмена сигнала спутников ложным сигналом (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 БЛА. Преимущества ИНС — полная автономность (независимость от внешних источников сигнала) и независимость от внешних факторов (помех и подавления).

У IMU две основные характеристики: максимальная частота опроса датчика и зашумленность полученных данных (механическими вибрациями и электрическими помехами). В настоящее время очень часто используют микросхему MPU6000, которая поддерживает частоту опроса до 8 kHz и обладает хорошей устойчивостью к различным шумам и помехам. Желательно не использовать MPU6500, у которой больше рабочая частота, но и уровень шумов также значительно выше. Главный недостаток ИНС — накопление ошибок при отсутствиии 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, например, напряжение аккумулятора, высота и скорость полета и др. OSD может быть в виде отдельного устройства или встроена в ПК.

Внешний вид платы OSD и отображение телеметрии на видео

— система регистрации полетных данных — осуществляет запись параметров полета квадрокоптера (логов работы) из полетного контроллера либо в флеш-память ПК либо в съемную SD-карту.

4.6. Система электропитания

Система электропитания квадрокоптера состоит из аккумуляторной батареи (АКБ), платы распределения питания и соединительных проводов.

1. Плата распределения питания (PDB от англ. Power Distribution Board) предназначена для передачи электроэнергии от АКБ к ESC, питания ПК и некоторых периферийных устройств. Как правило, PDB — это небольшая плата размером с ПК, на которой имеются минимум пять пар контактных площадок (плюс и минус): на одну пару площадку припаивается разъем для подключения АКБ (как правило, эти контакты выведены в сторону), на остальные (если собирается квадрокоптер) — припаиваются контакты ESC.

Большинство PDB имеют регуляторы напряжения для подключения периферии, которая, как и ПК, работает от питающего напряжения 5V, АКБ выдает напряжение 12—16V.

2. Аккумуляторная батарея — устройство для накопления энергии с целью ее последующего использования.

Одним из основных технологических достижений, обусловивших взлет популярности гражданских БЛА, Li-Po АКБ. Они имеют намного большее соотношение «емкость/вес» по сравнению с никель-кадмиевыми (NiCD) и никельметаллгидридными (NiMH) АКБ. Такое избавление от лишнего веса позволило их использовать на БЛА.

По сути, Li-Po АКБ — это усовершенствованная версия Li-Ion АКБ, в котором в качестве электролита используется полимерный материал.

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, поэтому для минимизации риска возгорания АКБ они оснащаются встроенной электронной схемой, предотвращающей перезаряд и перегрев вследствие слишком интенсивного заряда, а также используются специальные алгоритмы зарядки (зарядных устройств);

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

Основные характеристики АКБ:

— напряжение;

— емкость;

— токоотдача;

— количество и способ соединения элементов в АКБ.

Напряжение — все Li-Po АКБ для достижения необходимого напряжения формируются из последовательно соединенных одиночных ячеек (банок), конструктивно объединенных в блоки. Номинальное напряжение каждой ячейки 3,7V (4,2V при полном заряде). Для увеличения напряжения ячейки соединяются последовательно.

Последовательное соединение ячеек (банок) АКБ обозначают буквой «S»:

1S = 1 cell (1-баночный аккумулятор) = 3.7В

2S = 2 cell (2-баночный аккумулятор) = 7.4В

3S = 3 cell (3-баночный аккумулятор) = 11.1В

4S = 4 cell (4-баночный аккумулятор) = 14.8В

5S = 5 cell (5-баночный аккумулятор) = 18.5В

6S = 6 cell (6-баночный аккумулятор) = 22.2В

Для увеличения емкости ячейки соединяются параллельно. Этот порядок подключения ячеек АКБ обозначают символом «Р».

Емкость — это вместимость аккумулятора, измеряется в Аh или mAh. Т.е., АКБ емкостью 1000mAh будет отдавать в нагрузку ток, равный 1000mA или 1А в течение часа. Так как время разряда напрямую зависит от силы тока в цепи, то если к такой АКБ подключить лампочку, потребляющую 100mA или 0,1А, то она будет светить 10 часов, если подключить электродвигатель, потребляющий 6А, то он будет работать 10 минут. Таким образом, зная емкость АКБ, можно рассчитать время ее работы, для чего необходимо разделить емкость на ток нагрузки: T=C/I, где Т — время разряда, С — емкость АКБ, I — ток нагрузки.

Но не любой АКБ способен разряжаться с такой скоростью, как в приведенном примере (6А), некоторые АКБ при таком быстром разряде выйдут из строя. Для того, чтобы этого не случилось, на АКБ указывается еще один параметр — токоотдача.

Токоотдача — это допустимая скорость разряда АКБ. Она обозначается числом и буквой «С», которые указывают, что АКБ может отдать всю накопленную энергию без вреда для нее за время, которое определяется, как 1 час разделенный на число перед «С». Например: токоотдача АКБ емкостью 1Аh равна 10С; разделив 1 час на 10 получается 0,1 часа, т.е. 6 минут; следовательно, электродвигатель из предыдущего примера не повредит АКБ, разрядив ее за 10 минут, так как это по 4 минуты дольше, чем максимальная скорость разряда за 6 минут до ее полного разряда.

Максимальный ток, который АКБ выдает, можно рассчитать умножив ее емкость в Аh на значение токоотдачи «С».

Например, БЛА потребляет на максимальных оборотах 10А, а емкость АКБ 2Аh, это значит, что БЛА разрядит АКБ за 2/10=0,2ч=12 минут. Потребное значение токоотдачи «С» рассчитывается как 1 час разделенный на полученное время: 1 час =60 минут, 60/12=5, т.е. для 12-минутного полета БЛА требуется АКБ емкостью 2Аh и токоотдачей 5С.

Но токоотдача никак не влияет на время полета. Можно взять АКБ с той же емкостью и токоотдачей 100С, но время полета останется 12 минут, так как на время полета БЛА зависит только от емкости АКБ. Часто новички выбирают АКБ с гигантским «С» и не обращают внимание на емкость.

Например, если установить на БЛА АКБ 500mAh и токоотдачей 60С (из предыдущего примера известно, что с АКБ 2Аh время полета БЛА 12 минут), то время полета составит: 0,5Ач/10А=0,05ч=3мин.

А какая величина «С» необходима для полета продолжительностью 3 минуты с такой АКБ?

60/3=20С.

Т.е. хоть 20С, хоть 60С, все равно время полета составляет 3 минуты.

Основные параметры АКБ обычно указаны в маркировке, которая наносится на его корпус.

Например, Infinity 1500mAh 4SP1:

Infinity — наименование производителя или торговое наименование;

1500mAh — емкость АКБ, измеряемая в миллиампер-час (чем больше емкость, тем больше время полета квадрокоптера, но и вес АКБ больше);

4S — количество элементов (банок) в АКБ, т.е. четыре элемента, каждый из которых имеет напряжение примерно 3.7V, т.е. все четыре элемента выдают ток напряжением 14.8V;

1P — количество блоков в сборке (2P — два блока в сборке, т.е. два АКБ, провода которых припаяны параллельно (плюс к плюсу, минус к минусу), следовательно АКБ емкостью 3000mAh, но выдающий напряжение 14.8V);

70С — токоотдача.

Разъемы для 2S-6S АКБ

Как правило, для подключения АКБ используются разъемы: JST (2S АКБ), XT30 (2S и 3S АКБ), XT60 (3S и 4S АКБ), XT90 (4S и 6S АКБ). Так же встречаются разъемы типа HXT-mm, EC3, EC5, Deans (T).

Балансировочный разъем

Балансировочные разъемы в основном используются для сбалансированной зарядки АКБ. Такая зарядка гарантирует равномерный заряд каждой банки АКБ. Количество проводов для балансного вывода зависит от количества банок +1: для 2S — три провода, для 3S — четыре.

Выбор аккумулятора.

Выбор параметров АКБ зависит от массы квадрокоптера, установленной полезной нагрузки, дополнительного оборудования, а также необходимых скорости, дальности и продолжительности полета. Поэтому, основные параметры при выборе АКБ:

— Максимально потребляемый ток.

Пример: четыре электродвигателя Iflight XING-E 2207 1700KV с пропеллерами 6045.

Согласно таблицы тяги, которая находится в интернете по названию электродвигателя, потребление тока при максимальной тяге для данного электродвигателя равно 32,42А, следовательно, максимальный потребляемый ток для четырех электродвигателей 32,42х4=129,68А. Для подбора АКБ, как правило, это значение сокращают на 10%, т.е. 129,68х0,9=116,7А.

Уменьшение на 10% связанно с тем, что максимальное значение газа будет использоваться крайне редко. Как правило, рабочий диапазон газа 40—80%. Но, кроме электродвигателей, есть и другие потребители электроэнергии, поэтому к полученному значению следует добавить 12А.

2. Оптимальная емкость АКБ

Размер пропеллера предопределяет размер используемой рамы квадракоптера, поэтому зная рамер рамы и требуемый С-рейтинг можно определить оптимальную емкость.

Пример: имеется 6-дюймовый квадрокоптер с потреблением тока при максимальной тяге 118,7А, необходим С-рейтинг разряда 60С;

используя формулу

Искомая емкость — 1978mAh, округленно — 2000mAh.

Кроме того, существует закономерность подбора емкости АКБ в зависимости от размера рамы, выраженной в дюймах (6-дюймовая — 1500—2200mAh; 5-дюймовая — 1300—1800mAh; 4-дюймовая — 850—1300mAh; 3-дюймовая — 650—1000mAh) или миллиметрах (180мм — 1000—1300mAh; 210мм — 1000—1500mAh; 250мм — 1300—1800mAh; 280—290мм — 1500—3300mAh; 330—360мм — 2200—3200mAh; 400мм — LiPo 3200—3300mAh; 450мм — 3300mAh; 500мм — 3300—5000mAh; 540мм — 5000—5200mAh; 550-650-750мм — 5000—8000mAh; 800мм и более — 8000—30000mAh).

Емкость АКБ линейно падает при постоянной скорости разряда.

Формула для расчета напряжения такой АКБ:

где:

U_bat — текущее напряжение, выдаваемое АКБ;

U_init — начальное (заявленное производителем) напряжение АКБ;

U_пот — номинальное напряжение АКБ;

φ — коэффициент номинальной емкости при линейном процессе разряда;

C_bat — текущая емкость АКБ.

3. Мощность АКБ.

Формула для расчета мощности, выдаваемой АКБ:

N_bat=IU, где:

N_bat — мощность, производимая АКБ;

I — сила тока;

U — напряжение.

— Доступный заряд АКБ, который зависит от скорости ее разряда:

где:

С — доступный заряд АКБ;

С_пот — номинальная емкость АКБ;

t₀ — заявленное производителем время разряда;

K — коэффициент, зависящий от температуры окружающей среды и типа (конструкции) АКБ.

Эксплуатация Li-Po и Li-ion АКБ имеет свои особенности:

ограниченное количество циклов заряда-разряда;

чувствительность к перезаряду и глубокому разряду;

чувствительность к высокой температуре (рабочий режим от -20 до 50°С);

чувствительность к вибрационным и ударным нагрузкам;

снижение ресурса при больших токах разряда.

Правильная эксплуатация Li-Po и Li-ion АКБ, с учетом их особенностей, обеспечит длительный срок службы.

Наиболее важными этапами эксплуатации АКБ, существенно влияющими на срок службы, являются правильная зарядка и хранение аккумуляторов.

Порядок зарядки Li-Po аккумуляторов.

Для заряда Li-Po АКБ используются специальные зарядные устройства, обеспечивающие равномерный заряд ячеек.

Особенность этого зарядного устройства в том, что оно осуществляет балансировку банок АКБ — АКБ подключается к нему не только силовым разъемом, но и дополнительным балансировочным, на который выведены банки по отдельности. При подключении балансировочного разъема к зарядному устройству на дисплее должно отразиться количество банок из которых состоит АКБ.

Через балансировочный разъем осуществляется контроль заряда каждой банки АКБ, что дает возможность заряжать АКБ, равномерно распределяя заряд на банки. Зарядное устройство измеряет внутреннее сопротивление и емкость, т.е. полностью разряжает и заряжает АКБ и выдает информацию о том, какой реальной емкостью обладает каждая банка.

Заряжать АКБ рекомендуется токами, значение которых не превышает 1С, например, если АКБ емкостью 1500mAh, то его можно заряжать током 1,5А. При необходимости выполнить зарядку АКБ как быстрее, используется максимально допустимый ток заряда, указанный на АКБ. Однако не следует заряжать токами больше 3С АКБ 1500mAh, т.е. 4,5А.

О «здоровье» LiPo АКБ судят по внутреннему сопротивлению.

Измерение его — очень полезная функция, которая должна быть в зарядом устройстве для каждой банки.

Внутреннее сопротивление измеряется только на ПОЛНОСТЬЮ ЗАРЯЖЕННОМ АКБ. Чем больше это значение, тем меньше тока АКБ отдает и тем больше тепла рассеивает через себя, а значит КПД АКБ уменьшается. Точных цифр какое сопротивление нормальное не известно, это зависит от многих факторов, но рейтинг есть:

— 0—6мОм — отлично

— 7—12 — приемлемо

— 13—20 — плохо

— от 20 — замена АКБ.

Нормально работающий АКБ — когда банки заряжаются и разряжается равномерно.

Чтобы узнать какое напряжение на каждой из банок, нужно общее напряжение разделить на количество банок.

Сопротивление будет неизбежно расти при эксплуатации АКБ. Все зависит от эксплуатации.

Очень плохо, когда сопротивление отличается в каждой из банок. Это увеличит время заряда всей АКБ из-за того, что балансировка будет происходить очень долго. Во время полета банка с большим сопротивлением разрядится быстрее других и это повлияет на полет.

Режимы зарядки АКБ:

— Прямой/Быстрый заряд (Direct charge/Fast charge) — в данном случае зарядка батареи осуществляется только посредством основного/разрядного провода, что исключает возможность зарядного устройства контролировать напряжение каждой банки на протяжении всего зарядного процесса, что исключает возможность зарядки каждой банки до 100%.

— Балансная зарядка (Balance charge) — в данном случае батарея подключается к ЗУ посредством основного и балансировочного провода, что дает возможность зарядки каждой банки равномерно.

— Зарядка до режима хранения (Storage charge) — в данном случае ЗУ доводит напряжение каждой банки АКБ до 3.8—3.85В, что позволяет осуществлять бережное хранение аккумулятора в те дни, когда они не эксплуатируются.

— Разрядка (Dicharge) — в данном случае устройство осуществит медленную разрядку АКБ

После покупки новой АКБ ее следует расконсервировать из-за добавление многими производителями ингибитора для долгого хранения АКБ. Для расконсервации необходимо сделать два цикла ЗАРЯДА И РАЗРЯДА НЕБОЛЬШИМИ ТОКАМИ для выхода на номинальную емкость.

Разряжать АКБ необходимо до напряжения под нагрузкой не менее 3.5V. Т.е. нужно сделать облет и следить на OSD чтобы при спокойном полете на 50% мощности, общее напряжение не опускалось ниже 14V (при батареи 4S). А после снятия нагрузки (остывания АКБ), напряжение в каждой банке не должно быть менее 3.7V. При соблюдении эти правил АКБ должно отдавать около 85—90% своей емкости.

Хранение Li-Po АКБ. Если перед хранением Li-Po-АКБ полностью зарядить или разрядить, то она придет в негодность в течение 1—2 месяцев. Поэтому хранить Li-Po-АКБ следует заряженными на 20% от номинальной емкости. Если напряжение ячеек АКБ падает ниже 3V, их обязательно следует дозарядить. Глубокая разрядка и хранение в разряженном состоянии (напряжение элементов меньше 3V) приводят АКБ в негодность.

Можно выполнить зарядку, используя режим STORAGE (хранение) зарядного устройства. В этом режиме каждая ячейка заряжается или разряжается до 3,85V. При таком напряжении в АКБ химические процессы протекают не так интенсивно.

Хранить АКБ необходимо при температуре, указанной в руководстве по эксплуатации.

Допустимый диапазон температур при зарядке и хранении Li-Po-АКБ — 0—50° C.

Инструкция по эксплуатации и безопасности АКБ

Перед использованием АКБ внимательно прочитать и неукоснительно соблюдать настоящую инструкцию.

Некорректное использование АКБ может привести к выделению значительного количества теплоты, возгоранию, взрыву, повреждению или потере емкости элементов.

Литиевые АКБ с полимерным электролитом (LiPo) требуют особо аккуратного обращения. Это справедливо как для зарядки и разрядки, так и для хранения и других операций.

Следствием неправильного обращения могут быть взрывы, воспламенение, выделение дыма и опасность отравления. Кроме того, несоблюдение инструкций и предостережений может повлечь за собой потерю рабочих качеств и другие недостатки АКБ.

Емкость АКБ уменьшается с каждым циклом зарядки-разрядки. Хранение при слишком высоких или слишком низких температурах также может привести к постепенному снижению емкости АКБ. АКБ после 50 циклов при соблюдении предписаний по зарядке и разрядке обеспечивают 50—80% емкости новой АКБ.

Аккумуляторные ячейки нельзя включать ни последовательно, ни параллельно, так как их емкости могут быть слишком разными.

Для зарядки LiPo-АКБ следует использовать только разрешенные зарядные устройства с относящимися к ним зарядными проводами. Любые операции над зарядным устройством или зарядным проводом могут повлечь тяжелые последствия. При использовании зарядного провода со схемой защиты, осуществляется обязательный и полный контроль за каждым отдельным элементом АКБ.

Для зарядки и разрядки LiPo-АКБ использовать только зарядно-разрядные устройства, которые специально рассчитаны на работу с данным типом АКБ. Поэтому необходимо удостовериться, что установлено правильное число ячеек, а также правильное конечное напряжение заряда и конечное напряжение разряда. При этом необходимо строго следовать руководству по эксплуатации зарядно-разрядного устройства.

Заряжаемый АКБ во время процесса зарядки должен находиться на неломкой, жаростойкой, неэлектропроводящей подставке! Возгораемые и легковоспламеняющиеся предметы следует держать дальше от места, где производится зарядка.

Включенные последовательно Li-Po-АКБ можно заряжать вместе в блоке лишь в том случае, если напряжение отдельных элементов отклоняется не более чем на 0,05V. Если отклонение напряжения составляет более 0,05V, то напряжение следует с максимально возможной точностью уравнять посредством зарядки или разрядки каждого элемента АКБ. При этих условиях Li-Po-АКБ можно заряжать максимум на 1C (значение 1C соответствует емкости одной ячейки) зарядного тока. Начиная с максимального напряжения 4,2V на элемент, следует продолжать зарядку при постоянном напряжении в 4,2V, пока зарядный ток не станет меньше 0,1—0,2A. Следует избегать напряжения выше 4,25V на ячейку, так как в противном случае она может получить неустранимые повреждения. Чтобы предотвратить чрезмерную зарядку, следует установить значение отключения заряда на 4,1—4,5V на элемент, что позволит увеличить срок службы АКБ.

После каждого процесса зарядки следует проверять превышение допустимого напряжения в 4,2V отдельных ячеек. Должно быть одинаковое напряжение. Если напряжение отдельных элементов АКБ отклоняется более чем на 0,05V, то напряжение следует уравнять путем зарядки или разрядки каждой ячейки по отдельности. Чтобы предотвратить чрезмерную зарядку, после долгого использования в блоке, их следует регулярно заряжать по отдельности.

Всегда соблюдать правильную полярность при зарядке АКБ. При несоблюдении полярности в процессе зарядки происходят ненормальные химические реакции, и АКБ приходит в негодность. Результатом этого может стать образование трещин, выделение дыма или воспламенение.

Разрядка ниже 3V на ячейку причиняет им неустранимое повреждение, поэтому такую ситуации следует обязательно предотвращать. Если отдельные элементы будут отличаться по уровню заряда, то отключение регулятора в связи с пониженным напряжением произойдет слишком поздно, в результате чего отдельные ячейки могут оказаться слишком разряженными. Температура АКБ при разрядке не должна подниматься выше 70°С. В противном случае следует позаботиться о лучшем охлаждении АКБ или о снижении тока разряда.

Ламинированную пленкой алюминиевую фольгу АКБ можно легко повредить острыми предметами, например, иголками, ножами, гвоздями, контактами двигателя и т. п. Из-за повреждений пленки АКБ приходит в негодность. Поэтому АКБ следует вставлять в квадрокоптер таким образом, чтобы АКБ не могла быть деформирована даже при падении или столкновении квадрокоптера с какими-либо предметами. При коротком замыкании АКБ может загореться. Температуры выше 70° C также могут повредить корпус, сделав его негерметичным. Поэтому не допускать механических ударов, которые могут быть вызваны падением, толчками, изгибами и т. п. Ни в коем случае не резать, не рвать, не деформировать и не сверлить ламинированную пленкой алюминиевую фольгу, не изгибать АКБ, не оказывайте давления на АКБ или контакты.

Контакты Li-Po-АКБ не такие прочные, как в других АКБ. Это особенно относится к алюминиевому плюсовому контакту. Контакты легко обламываются. В связи с теплопередачей нельзя припаивать внешние выводы контактов напрямую.

Не допускается прямое спаивание элементов АКБ между собой. При прямом припаивании высокая температура может повредить компоненты АКБ, например, сепаратор или изолятор. Подсоединения к АКБ выполнять только промышленным способом посредством точечной сварки. При отсутствии или обрыве кабеля необходим профессиональный ремонт со стороны производителя или дистрибьютора.

Не допускать попадания АКБ в огонь или сжигать их, не допускайте попадания воды и других жидкостей на элементы, не допускать перегрева элементов. При сильном нагреве (свыше 90°С) возможно расплавление изолятора элемента, что может привести к выделению значительного количества теплоты, возгоранию или взрыву.

АКБ не должны подвергаться воздействию микроволн или давления. Это может вызвать возгорание или взрыв. Хранить и заряжать АКБ только на подставке из невоспламеняющихся, жаростойких и не проводящих ток материалов.

Соблюдать полярность при подключении элементов к зарядному устройству или потребителю. При зарядке обратной полярностью возможно возгорание или взрыв.

Не допускать короткого замыкания выводов элементов или АКБ. Большие токи короткого замыкания неизбежно приводят к выделению значительного количества теплоты, потере электролита, газообразованию, возгоранию или взрыву.

Оберегать АКБ от ударов и нарушения целостности, не ронять их. Сильные механические воздействия способны нарушить внутреннюю структуру АКБ. Деформации АКБ могут вызвать короткое замыкание, что может привести к выделению значительного количества теплоты, возгоранию или взрыву.

При пайке элементов соблюдать осторожность. Перегрев выводов может вызвать расплавление оболочки АКБ, что может привести к выделению значительного количества теплоты, возгоранию или взрыву.

Не разбирать и не модифицировать элементы. Разборка АКБ может привести к внутренним коротким замыканиям. Следствием этого может быть выделение газа, огня, взрывы или другие проблемы.

Не применять зарядные устройства, не одобренные производителем. Соблюдать режимы зарядки, рекомендованные производителем АКБ. Несоблюдение режимов (температура, напряжение или ток, некорректное функционирование устройств отключения) может привести к выделению значительного количества теплоты, возгоранию или взрыву.

Зарядку проводить при постоянном контроле. Никогда не оставлять заряжаемые АКБ без присмотра. По истечении указанного производителем времени зарядки прекращать процесс зарядки, даже если он не завершен.

АКБ вынимать из коптера всякий раз, когда они не используются, чтобы предотвратить глубокие разрядки.

Следить за своевременной зарядкой АКБ. Глубоко разряженные LiPo-АКБ дефектны и больше не должны использоваться.

Не заряжать АКБ вблизи источников тепла или в автомобиле. Перегрев может привести к утечке электролита, выделению значительного количества теплоты, возгоранию или взрыву.

Не применять и не заряжать LiPo-элементы совместно с сухими элементами или АКБ другого типа или емкости. В подобных случаях вероятен глубокий разряд или избыточный заряд элементов, что вызовет нежелательные химические реакции в элементах, которые могут привести к выделению значительного количества теплоты, возгоранию или взрыву.

Если замечены изменения формы, цвета элемента, незнакомый запах, либо нагрев элемента, немедленно отключить АКБ от потребителя или зарядного устройства и в дальнейшем избегать использования этой АКБ.

Если герметичность элемента нарушена (обнаружены повреждение целостности корпуса, утечка электролита или запах), незамедлительно изолировать АКБ. Электролиты, содержащиеся в Li-Po-АКБ, и их пары вредны для здоровья, поэтому не допускать прямого контакта с электролитами. При попадании электролита на кожу, в глаза или контакте с другими частями тела следует немедленно смыть их большим количеством чистой воды, затем обратиться за медицинской помощью. Если помощь своевременно не оказана, длительное воздействие электролита может причинить серьезный вред.

Поврежденные или пришедшие в негодность АКБ относятся к спецотходам и подлежат соответствующей утилизации.

Три причины, по которым АКБ быстрее всего приходит в негодность:

— зарядка «без мозгов». Если зарядка производится «по ощущениям» — без баланса, без контроля тока и т.п., результатом будет вздутие, перегрев или падение емкости АКБ.

— хранение с полным зарядом — причина потери емкости АКБ или ее «смерти». Хранить АКБ с зарядом 3.8—3.85V на банку в теплом и сухом месте.

— полет до «последнего вольта». Когда разряд АКБ ниже 3.3V, а квадрокоптер еще не приземлился, АКБ приходит в негодность. Поэтому всегда рассчитывать время полета.

4.7. FPV-камеры

Для выполнения целевых задач на FPV-квадрокоптеры устанавливаются курсовые FPV-камеры. Камера может быть видимого диапазона, тепловизионная и ночного видения. Курсовые камеры под конкретный FPV-квадрокоптер подбирают по размерам его рамы. Можно установить камеры на рамы меньшего размера, но для этого необходимо использовать специальные держатели.

Варианты крепления FPV-камеры

Типа FPV-камер:

— полноразмерные или стандартные (28 мм);

— мини (21 мм);

— DJI O3 Air Unit (20 мм);

— микро (19 мм);

— нано (14 мм).

Как правило, FPV-камера квадрокоптера имеет размеры 20—25мм и вес в среднем 10 г.

Основой камеры является сенсор изображения (матрица) — небольшой электронный компонент, размещенный на печатной плате. Матрица совместно с платой преобразует подаваемый на нее свет из объектива в аналоговый сигнал, который по проводу передается видеопередатчику (VTX) квадрокоптера. Несмотря на то, что эти сенсоры используются уже несколько десятилетий, они по-прежнему остаются очень сложными устройствами, которые производят только несколько компаний в мире. В сфере FPV-камер первое место уже давно удерживает матрица Sony Super HAD II CCD, которая изначально создавалась для камер видеонаблюдения. В настоящее время это одна из самых дешевых CCD-матриц, которые все еще выпускаются. С появлением смартфонов и цифровых камер такие матрицы почти перестали использоваться, так как рынок завоевали цифровые CMOS-матрицы.

Характеристики FPV-камер:

— тип матрицы (CMOS — для цифровых сигналов, CCD — для аналоговых) и ее разрешающая способность;

— соотношение сторон (4:3 или 16:9);

— разрешение TVL;

— формат системы кодирования сигнала (PAL или NTSC);

— размер объектива и линзы;

— светочувствительность (ISO);

— наличие ИК-фильтра;

— форм-фактор (без корпуса, пластиковый или металлический корпус);

— вес камеры.

Преимущества CCD-камер:

— высокая производительность при большом изменении освещенности ввиду широкого динамического диапазона (WDR). Например, если в солнечный день лететь прямо в сторону Солнца, то CCD-матрица очень быстро адаптируется и затемнит изображение, а в условиях низкой освещенности — осветлит. Камеры с CMOS-матрицей так быстро адаптироваться не могут.

— очень маленькая задержка. Камеры с CCD-матрицей гораздо быстрее отправляют сигнал видеопередатчику, чем камеры с матрицей CMOS, хотя новые современные CMOS-камеры уже приближаются к скорости CCD-камерам.

— нет построения по линиям, картинка выводится сразу целиком и полностью. Большинство CMOS-матриц собирают картинку по строкам, чтобы получилось изображение. От сильной вибрации БЛА эти полосы могут «поехать» и строки станут волнообразной. Этот эффект называется Jello Effect (эффект желе).

Преимущества CMOS-камер:

— более высокое разрешение;

— лучшая цветопередача;

— более высокая частота кадров;

— меньшее энергопотребление.

При полете FPV-квадрокоптера преимущества CMOS-камер (за исключением энергопотребления) менее важны, чем достоинства CCD-камер, поэтому в настоящее время наиболее часто для FPV-квадрокоптеров используют камеры с CCD-матрицей.

Большинство видеокамер отображают видео с соотношением сторон 4:3 или 16:9. Но большинство операторов БЛА выполняют полеты при соотношении сторон 4:3, так как при соотношении 16:9 некоторые видеокамеры обрезают верхнюю и нижнюю кромки видео.

Разрешение TVL — количество горизонтальных линий, помещающихся в кадр. Чем больше TVL, тем качественней картинка.

Основные форматы кодирования цветов аналоговых камер: PAL и NTSC.

PAL — это 25 кадров в секунду и разрешение 720×576 пикселей, NTSC — 30 кадров в секунду и разрешение 720×480. Т. е. PAL имеет более высокое разрешение, а NTSC — более высокую частоту кадров.

Размер объектива и линзы. Для коммерческих мини- и микроквадрокоптеров как правило используются FPV-камеры с универсальной линзой 1/3 дюйма, может подойти к любой подобной камере, что делает ее ремонтопригодной.

От формы линзы зависит угол обзора объектива: чем меньше фокусное расстояние, тем шире угол обзора — тем больше видно, что происходит вокруг, но и тем меньше становятся объекты и тем больше бочкообразная дисторсия (т. е. геометрическое искажение ближе к краям кадра).

Широкоугольные (с большим углом обзора) линзы ухудшают восприятие глубины пространства, что искажает расстояние, поэтому для FPV-квадрокоптеров они неприемлемы.

В некоторых камерах есть ИК-фильтр, но он может быть заблокированным (в описании — IR blocked) или разблокированным (IR unblocked).

Линза с разблокированным ИК-фильтром (IR unblocked) передает картинку с тусклыми цветами и предназначена для полетов ночью и в сумерки.

Линза с заблокированным ИК-фильтром (IR blocked) передает цвета естественно и не предназначена для полетов ночью. С такой линзой картинка при солнечном свете будет очень яркой и насыщенной, но ночью ничего видно не будет.

ИК-фильтр может быть на матрице видеокамеры или на задней линзе объектива. Камеры с ИК-фильтром имеют обозначение IR BLOCK, без фильтра — IR SENSETIVE.

Некоторые FPV-квадрокоптеры для полетов в ночное время оснащаются тепловизорами — специальными приборами, регистрирующими инфракрасное (ИК) излучение, которое испускают нагретые объекты. В тепловизоре чувствительный элемент изменяет сопротивление при попадании на него ИК-излучения. Тепловизионная камера имеет особый объектив, сделанный, как правило, из германиевой линзы, которая пропускает инфракрасное излучение.

Тепловизоры намного дороже видеокамер, работающих в видимом диапазоне, поэтому на FPV-квадрокоптерах их применяют лишь в исключительных ситуациях.

Кроме того, видеокамеры современных FPV-квадрокоптеров, как правило, имеют функцию расширения динамического диапазона WDR (Wide Dynamic Range), которая обеспечивает более качественное отображение, как хорошо освещенных, так и более затемненных объектов в кадре.

На некоторых видеокамерах данная функция может быть включена или выключена в настройках OSD разделе EXPOSURE.

На что обратить внимание при выборе FPV-видеокамеры:

1. Форм-фактор — типовая комплектация видеокамеры: без корпуса, в пластиковом корпусе, в металлическом корпусе.

Курсовая FPV-видеокамера без корпуса называется «board camera» (бортовая камера). В настоящее время используются в основном на микроквадрокоптерах так как экономят место.

Корпусные видеокамеры стандартизированы: мини и микро. Микро — легче и, соответственно, немного меньше, чем мини.

2. Крепление. Камера к корпусу квадрокоптера может крепиться двумя способами:

— винтами с двух сторон корпуса камеры;

— с помощью кронштейна: камера крепится к кронштейну, а кронштейн крепится к раме.

В настоящее время большинство видеокамер поставляется с кронштейнами, которые можно легко и просто прикрутить к раме квадрокоптера в которой много отверстий. Кроме того, крепление с помощью кронштейна более жесткое.

3. TVL — телевизионные линии, т.е. скорость обновления изображения по линиям.

TVL также определяет, насколько детально будет отрисовываться изображение. Но цифры, например 600, 800 или 1200TVL не отражают реального разрешения шлема или очков, хотя производителями заявляется, что TVL соотносится с пикселями:

Но если у шлема или очков разрешение 720Р (например, у дорогих FatShark), а видеокамера 1200TVL, то картинка будет сжиматься до 720Р и очки/шлем не смогут отобразить разрешение видеокамеры.

Кроме того, видеосигнал с видеопередатчика передается на частоте 5,8GHz — это самая шумная и «грязная» частота, поэтому вместо 600TVL, которые заявлены производителем видеокамеры очки/шлем получат максимум 400TVL, так как тот уровень аналогового сигнала, который транслирует передатчик, не обязательно будет получен приемником. Цифровой же сигнал какой будет отправлен, такой и будет принят.

В общем, если есть выбор камеры с 600/700TVL и камеры с 1200TVL, лучше выбрать с 600/700 — абсолютно нет смысла переплачивать и покупать камеру с более высоким TVL пока нет очков/шлема с разрешением хотя бы 1080р.

4. Коннекторы (разъемы). Важно обращать внимание на то, с какой стороны расположены коннекторы на видеокамере, так как есть рамы, которым нужна видеокамера, например, только с верхним расположением разъемов. Кроме того, в комплекте с видеокамерой обычно есть специальный джойстик для ее настройки (яркость, контрастность и т.д.), и то, насколько легко можно его подключить его к камере, зависит от расположения и типа коннектора. Например, в видеокамерах Runcam всегда два разъема: один — видео и питание, второй — подключение джойстика для настройки через OSD камеры.

5. Объектив и линза. Объективы с универсальной линзой 1/3 дюйма подходят к любой подобной камере, что делает ее ремонтопригодной. Но некоторые производители ставят линзы с большим или малым углом. Широкоугольные (с большим углом обзора) линзы ухудшают восприятие глубины пространства, что искажает расстояние, поэтому для FPV-квадрокоптеров они неприемлемы.

6. ИК-фильтр. Объектив с ИК-фильтром «IR unblocked» передает картинку с тусклыми цветами, поэтому используется для полетов ночью и в сумерки. Объектив с ИК-фильтром «IR blocked» передает цвета естественно, поэтому при солнечном свете картинка будет очень яркой и насыщенной, а ночью ничего видно не будет.

7. OSD в камере — это информация о текущем напряжении АКБ и таймер полета (не путать OSD с обычным экранным меню, которое называется аналогично). Лучше использовать ПК со встроенным OSD, так как там точно будет масса функций и информации, которую можно будет вывести на экран очков или шлема. Или докупить minimOSD.

8. Соотношение сторон. Если видеокамера с матрицей Sony CCD Super HAD II, то у нее соотношение сторон 4:3. Если видеокамера с матрицей CMOS, то можно выставлять соотношение сторон 16:9 (широкоформатный вариант), т.е. больший угол обзора. С таким форматом работают очки FatShark Dominator v3.

Большинство видеокамер могут отображать видео и в 4:3, и в 16:9, но в каком соотношении летать — дело вкуса и привычки. Большинство летает в 4:3.

— Видеоформат. Аналоговые камеры имеют видеоформат PAL или NTSC: в странах Европы и СНГ используется PAL, в США — NTSC.

4.8. Дополнительное оборудование для FPV-квадрокоптеров

Зуммер (Buzzer, сигнализатор) — сигнализирует о различных событиях, происходящих в программной части БЛА (ошибки, сигнал разряда АКБ). Кроме того, благодаря громкому писку зуммера проще найти квадрокоптер.

Мягкие монтажные втулки — гасят вибрации и ударные нагрузки.

Кейсы или рюкзаки — для удобства переноса комплектующих.

Огнеупорные пакеты — для предотвращения распространения огня в случае возгорания АКБ.

Powerbank и зарядные станции — для зарядки АКБ. Зарядную станцию можно подключить к стационарной электросети и к генератору. Powerbank необходим в качестве резервного источника питания.

Стартовая (посадочная) площадка или подставка используется для исключения попадания пыли, песка и мусора в БЛА.

Выносные ретрансляторы и усилители сигнала — используются для увеличения дальности полета и обеспечения максимальной зоны покрытия сигнала.

Системы сброса и доставки грузов — для подвеса полезной нагрузки на БЛА. Система сброса имеет сдвижной механизм для отцепления груза, который управляется сервоприводом по сигналу от датчика.