Принципы работы квадрокоптера: от теории к практике

Квадрокоптеры давно и прочно вошли в нашу повседневную жизнь. Готовые модели не доставляют хлопот: их не нужно собирать, вникать, достаточно разобраться с управлением, и вы — пилот дрона. Но что делать в том случае, если вдруг коптер полетел не так, как вы задумали? Не зависает, когда нужно, или его внезапно начало кренить? Простого понимания управления будет недостаточно. Придется разбираться в том, как и почему летает квадрокоптер. Знание базовых принципов полета пригодится всем без исключения: неважно собираете ли вы дрон вручную или купите готовый. Кроме того, когда вы понимаете конструкцию, то сможете без труда внести различные изменения в устройство, улучшить его. При этом ни одна система не пострадает. Независимо от того, к какому классу принадлежит коптер, какой он модели — базовые принципы работы устройства останутся неизменными.

Основные принципы работы

Итак, классический вариант квадрокоптера представляет собой крестообразную раму с моторами, которые закреплены на концах лучей. Основная идея взлета заключается в контроле восходящей и нисходящей силы. Для того чтобы поднять коптер в воздух необходимо создать силу больше, чем сила гравитации или равную ей. Моторы оснащены воздушными винтами, которые создают суммарную вертикальную тягу аппарата. Регулятор оборотов синхронизирует работу двигателей, что позволяет коптеру подниматься, зависать, снижаться. Отклонения в работе моторов позволяют квадрокоптеру менять направления полета. Например, если увеличить скорость оборотов задних двигателей, то заднюю часть коптера чуть приподнимет, и он полетит вперед. Но при наклоне появляется горизонтальная составляющая вектора тяги, которая уменьшает высоту полета, и коптер двигается вниз по диагонали. Так, для выполнения маневра и поддержания высоты обороты дрона должны возрасти на пропорциональную величину. Вращающиеся винты стараются развернуть коптер в сторону, противоположную вращению. Поэтому к устройству крепятся две пары пропеллеров: одни вращаются по часовой, другие против часовой стрелки, удерживая равновесие дрона во время полета. Если уменьшить скорость оборотов винтов, вращающихся против часовой стрелки, и пропорционально увеличить скорость оборотов винтов, вращающихся по часовой стрелке, то рама начнет поворачиваться против часовой стрелки без потери высоты. Обладая данной информацией, вы можете выполнять разные маневры:

• Рыскание (Yaw) — вращение дрона вправо или влево.
• Крен (Roll) — полеты вбок: право или лево. Не путать с рысканьем.
• Тангаж (Pitch) — движение коптера вперед или назад.

Принципы полета

С самой механикой полета более-менее понятно. Но предлагаем освежить в памяти несколько физических понятий для более детального изучения принципов работы квадрокоптера.

• Вес и гравитация — взаимосвязанные понятия. Вес — это сила, которая действует на объект по причине гравитации. Квадрокоптер, находясь или зависая в воздухе, находится под влиянием сбалансированных сил, преодолевая гравитацию. На поведение в полете влияет положение центра тяжести устройства, а также соотношение всего веса коптера и мощности установленных моторов.
• Подъемная сила — это аэродинамическая сила, которая противодействует весу и позволяет аппарату оставаться в воздухе. Для набора высоты подъемная сила должна быть выше веса, для висения в воздухе — равной.
• Лобовое сопротивление. Вспомните, как вы высовывали руку в окно движущегося автомобиля. Сила, которая толкала руку назад, и есть лобовое сопротивление. В основном данное понятие касается гоночных коптеров и то не в полной мере.
• Тяга — механическая сила, перемещающая дрон в воздухе. 
• Движение — следствие работы моторов и пропеллеров. Тяга должна быть равна или чуть сильнее лобового сопротивления.

Плюсы и минусы квадрокоптеров

Понимание конструкции квадрокоптера позволяет критично разобраться в достоинствах и нюансах устройства.

Достоинства:

• Простая конструкция. Механическая часть даже самого большого квадрокоптера довольно простая, и с этой точки зрения, при аварии дрон получает минимальный ущерб. Самый простой самодельный коптер и вовсе не страшно разбить — собрать основные конструктивные элементы обратно можно за день.
• Простота управления. Квадрокоптер стабильно ведет себя в воздухе и научиться им управлять на среднем уровне несложно. О том, как стать профессиональным пилотом, мы рассказывали здесь.
• Возможности для творчества. Почти любой коптер можно довести до идеала в соответствии со своими предпочтениями, получить уникальный, авторский дрон.

Нюансы:

• Низкая динамика. Это обратная сторона стабильности коптера. Обычный дрон может характеризоваться вялой управляемостью, однако есть возможность заменить ряд компонентов, и сделать аппарат более отзывчивым на команды и резким.
• Высокий порог знаний. Если вы хотите серьезно оснастить свой коптер, летать на дальние расстояния и тд, то вам придется существенно погрузиться в тему.

Обладая базовыми знаниями о принципах работы мультикоптеров, в частности, квадрокоптеров, вы сможете без труда освоить более сложные темы, связанные с управлением и модернизацией устройства.