Bиталий Кавтарадзе

Текст

Первые квадрокоптеры имели пластмассовые рамы, но пилоты быстро перешли на углеволокно. Конструкцию стягивают стальными винтами с наивысшим классом прочности. Рассказываем, какие еще технологии применяются в производстве дронов

Дрон-рейсинг напоминает «Формулу-1» 1970‑х годов: за рулем болидов горячие головы, а революционные изобретения и прорывные технологии рождаются в гаражах, чтобы после «уйти в народ». Именно такая творче­ская атмосфера создает плавильный котел идей, которые меняют целые индустрии. При этом раз в неделю летчики встречаются на очной тренировке в спортивном комплексе, где устанавливают ворота и флаги, чтобы отработать элементы в боевом режиме.

Бесколлекторные двигатели

Сферы применения: грузовые и пассажирские коптеры, электромобили, роботы

Гоночный квадрокоптер весом около 550 грамм разгоняется от 0 до 200 километров в час всего за 2 секунды — ​гораздо быстрее, чем автомобиль «Формулы‑1». Пилот контролирует полет аппарата с точностью до сантиметра: дрон может влететь в форточку на скорости 100 км/ч, развернуться практически на месте и вылететь в окно. Секрет потрясающей динамики и маневренности кроется в огромной тяговооруженности: силовая установка квадрокоптера создает в 1015 раз больше тяги, чем весит сам аппарат.

В электродвигателях гоночных дронов нет щеток. Ток между обмотками переключается не механически, как обычно, а с помощью цифровых регуляторов. Благодаря этому решению мотор состоит всего из трех деталей: ротора, статора и вала. Корпуса двигателей делают из легких сплавов алюминия и магния, в конструкции ротора используют мощные неодимовые магниты. Четыре мотора диаметром по 2,5 сантиметра имеют суммарную мощность около 5 лошадиных сил — ​больше, чем у 50-кубового мопеда. Скорость вращения пропеллера достигает 40000 оборотов в минуту.

Евгений Буфетчиков
Евгений Буфетчиков, руководитель Всероссийской лиги дрон-рейсинга RDR:

Главная задача пилота во время гонки — ​преодолеть определенный маршрут как можно за меньшее время. Чтобы обозначить трассу, мы устанавливаем на полигоне ворота и флаги. Сам полет длится всего две минуты, за это время пилоты пролетают около 600 метров. На большую дистанцию не хватает ни заряда аккумуляторов, ни выдержки гонщиков. Во время полета нельзя ни на секунду расслабиться, отпустить стики аппаратуры управления, нужно постоянно быть на пределе возможностей. После нескольких минут на трассе пилоты выходят с дрожащими руками

Точный расчет электровооруженности

Сферы применения: каршеринг, дроншеринг и все виды общественного электротранспорта

Литий-полимерные аккумуляторы — ​это топливные баки дронов. Спортивные батареи отличаются от тех, что стоят в смартфонах и ноутбуках, способностью быстро отдавать большие токи моторам, когда пилот толкает вверх ручку газа. Аккумулятор дрона состоит из 46 соединенных литий-полимерных ячеек, поэтому напряжение в бортовой сети достигает 24 вольт.

Масса батареи прямо пропорциональна ее емкости. Чтобы добиться лучшей динамики, пилоты стремятся брать на борт как можно меньше «топ­лива»: ровно столько, чтобы хватило на гонку. Параллельно идет борьба за повышение экономичности двигателей.

Квадрокоптер управляется с помощью асимметричной тяги двигателей. Для движения вперед необходимо увеличить мощность на задних пропеллерах и заставить аппарат опустить нос. Неравномерная тяга на левом и правом борту вызывает крен. Для поворота на месте (рыскания) используется разность скоростей пар двигателей, вращающихся в одном направлении.

Легкие и дешевые ­расходные материалы

Сферы применения: бытовая техника, туристическое снаряжение, личный транспорт

Также как команды «Формулы‑1» выбирают подходящие шины для каждого заезда, пилоты FPV-дронов постоянно экспериментируют с пропеллерами. В зависимости от количества лопастей и их угла атаки аппарат может либо развивать большую максимальную скорость ценой потери «резкости» управления, либо, наоборот, становиться более медленным, но отзывчивым.

На скорости вращения 40000 оборотов не последнюю роль играет инерция. Легкий пропеллер быстрее набирает скорость, да и «максималка» у него выше. С другой стороны, винты гоночных дронов нельзя делать из чего-то дорогого. В дрон-рейсинге они считаются расходным материалом, так как ломаются при каждом падении, поэтому пилотам приходится заказывать их мешками.

Евгений Буфетчиков
Евгений Буфетчиков, руководитель Всероссийской лиги дрон-рейсинга RDR:

Большинство учеников нашей Школы дронов — ​представители IT-профессий или инженеры. Чтобы пользоваться гоночным квадрокоптером, нужно быть готовым починить его в поле: уметь паять, разбираться в радиотехнике, знать основы физики. Производители поддерживают погоню спортсменов за скоростью и надежностью, регулярно улучшая и обновляя железо. Можно сказать, вместе мы двигаем вперед всю индустрию беспилотных летательных аппаратов, и это хорошо заметно по тому, насколько техника изменилась за прошедшие 10 лет

Управление с видом от первого лица

Сферы применения: дистанционно управляемые роботы и дроны военного и гражданского назначения

Авиамоделисты прошлого века управляли своими самолетами, наблюдая за полетами с земли. Но, для того чтобы контролировать маленький квадрокоптер на скорости выше 100 км/ч, пилоту нужно обязательно «посадить себя за штурвал» с помощью курсовой видеокамеры и очков FPV (First Person View, «вид от первого лица»).

Сейчас в России есть больше 10 000 FPV-пилотов, а в нашей лиге соревнуются не менее 300 спортсменов

Если посмотреть на дрон сбоку, можно заметить, что курсовая видеокамера направлена под углом вверх. Дело в том, что аппарат летит вперед, сильно опустив нос, чтобы по максимуму использовать тягу пропеллеров для ускорения. Сама камера не цифровая, а аналоговая. Качество изображения скромное, как у бюджетных камер видеонаблюдения. Зато аналоговые системы не имеют задержки при передаче сигнала, что крайне важно на скоростях под 200 км/ч.

Чтобы оградить себя от отвлекающих факторов, пилоты используют FPV-очки. В небольшом шлеме помещается дисплей (моно), на который поступает сигнал с камеры дрона, и увеличивающие линзы для глаз. На дисплей также выводится телеметрия: данные о скорости, высоте, заряде аккумулятора, токопотреблении. Похожее управление от первого лица используется на спасательных роботах, служащих в опасных зонах.

Датчики положения

Сферы применения: все виды летательных аппаратов, шагающие роботы, навигационное оборудование, смартфоны, носимые устройства

Идея летательного аппарата с четырьмя роторами появилась еще в 1920-е годы, однако до начала XXI века ее не удавалось полноценно реализовать. Для того чтобы автоматически регулировать тягу на четырех моторах, необходим компьютер с целым набором датчиков.

Современный полетный контроллер — ​это печатная плата размером всего 20 на 20 миллиметров. На ней расположен микроэлектромеханический гироскоп-акселерометр, похожий на тот, что есть в любом современном смартфоне. Это устройство позволяет аппарату удерживать заданный угол полета или балансировать при зависании. Кроме того, на плате устанавливают барометр. Благодаря ему дрон удерживает высоту с точностью до нескольких сантиметров, ориентируясь на атмосферное давление. Микропроцессор обрабатывает данные со всех датчиков и автоматически отдает команды на замедление или ускорение отдельных моторов. На плате полетного контроллера также есть «черный ящик» — ​небольшой модуль памяти, который хранит данные о полете и помогает находить ошибки в настройках.

Евгений Буфетчиков
Евгений Буфетчиков, руководитель Всероссийской лиги дрон-рейсинга RDR:

Увы, практически во всем мире дрон-рейсинг пока не пользуется популярностью у зрителей. Гонки не удается сделать достаточно понятными и зрелищными. За 23 минуты на трассе пилоты проживают целую драму борьбы друг с другом, но со стороны очень сложно понять, кто соревнуется и побеждает. Всероссийская лига дрон-рейсинга активно работает над созданием регламента гонок, который будет интересен для зрителей и поможет привлечь в спорт инвестиции рекламодателей. Сейчас в России есть больше 10000 FPV-пилотов, а в нашей лиге соревнуются не менее 300 профессиональных спортсменов

Групповая учебная симуляция

Сферы применения: обучение управлению сложной техникой и командной работе

Гоночные дроны в управлении сильно отличаются даже от обычных «съемочных» квадрокоптеров. Аппараты для любительских полетов вроде DJI Mavic ограничивают предельные углы крена и пикирования, а также автоматически выравниваются при установке стиков пульта в нейтральное положение. Гоночные квадрокоптеры не имеют никаких ограничений, благодаря чему могут совершать бочку, мертвую петлю и другие фигуры высшего пилотажа.

Обучение начинается с тренировок на симуляторе — ​курсант должен налетать минимум 10 часов в компьютерной игре с подключенной по USB аппаратурой управления. После такого вводного курса можно начинать самостоятельно летать на настоящем дроне, хотя даже пилоты-чемпионы не забрасывают тренажер. Два раза в неделю летчики Всероссийской лиги дрон-рейсинга собираются на онлайн-тренировки в Discord. Вместе с пилотами на сервере сидит инструктор, который наблюдает за экранами тренирующихся, анализирует виртуальную телеметрию с дронов и положение стиков на аппаратуре управления, дает советы.

Евгений Буфетчиков
Евгений Буфетчиков, руководитель Всероссийской лиги дрон-рейсинга RDR:

Учиться спортивному вождению автомобиля чаще всего приходят те, кто приобрел опыт за рулем обычной машины и хочет получить от техники больше удовольствия. Курсанты Школы дронов, как правило, раньше летали на съемочных квадрокоптерах DJI и решили попробовать нечто более быстрое и захватывающее. Люди приходят к нам заниматься хобби, но нередко становятся профессионалами. Пилоты дронов очень востребованы на съемках экшен-сцен в кино, рекламе, автоспорте. Кроме того, можно зарабатывать деньги на шоу коптеров, разрабатывать летающий реквизит для концертов и фестивалей. Некоторые наши выпускники становятся операторами беспилотной техники для промышленного мониторинга и сельского хозяйства

Анатомия дрона

Благодаря работе инженеров из разных индустрий медленные и тяжелые квадрокоптеры за 15 лет превратились в болиды, легко развивающие более 200 км/ч.

1. Пропеллеры дронов, как правило, делают из поликарбоната. При падении такие лопасти не образуют острых осколков.

2. Антенны коптера используются для приема сигналов управления и передачи видеопотока, реализуемого с помощью камер.

3. Видеопередатчик высокой мощности от нагрева может терять нужную частоту. Для устойчивости связи модуль помещают в алюминиевый кейс с ребрами охлаждения.

4. Полетный контроллер позволяет дрону удерживать направление движения, скорость и высоту. Регулятор скорости под ним управляет вращением двигателей.

5. Бесколлекторные моторы под нагрузкой могут нагреваться до 100 градусов. Для охлаждения в двигателях предусмотрены специальные отверстия.

6. Аналоговая курсовая видеокамера имеет угол обзора порядка 130 градусов. Пилот видит препятствия не только на пути дрона, но и по бокам.

7. Детали карбоновой рамы вырезают из листов углепластика на станке с ЧПУ. В случае аварии пилот может быстро заменить поврежденную деталь прямо на летном поле.

Использованные источники: Материал опубликован в журнале «Цифровой океан» № 13, 2022, МАРИНА КИМ, Ruslan Sitarchuk / Dreamstime.com / Legion-media