Боевые FPV-дроны. Управление. Конструкция. Практическое пособие

Заявленная дальность полета

Частоты каналов передачи данных

DJI Inspire 3

8К

до 28 минут

до 15 км

2,4ГГц

DJI Mavic Mini

4K

до 30 минут

до 4 км

2,4ГГц

Autel Robotics EVO

4K

до 30 минут

до 7 км

2,4ГГц

Xiaomi FIMI X8SE 2020

4K

до 35 минут

до 8 км

5,8ГГц

DJI Mavic Pro (Platinum)

4К

27/30 минут (Pro/Pro Platinum)

до 7 км

2,4/5,8ГГц

Autel EVO Lite+

5K

40 минут

до 12 км

2,4ГГц/5,1-5,8 ГГц

DJI Mavic Air 2

4K

до 34 минут

до 10 км

2,4/5,8ГГц

Таблица 1.1 – Продолжение

Наименование

Камера

Время полета

Заявленная

дальность полета

Частоты каналов передачи данных

DJI AIR 2S

5K

до 31 минут

до 12 км

2,4/5,8ГГц

DJI Phantom 4 Pro V2.0

4K

30 минут

до 10 км

2,4/5,8ГГц

DJI Mavic 2

4K

до 31 минут

до 10 км

2,4/5,8ГГц

XDynamics Evolve 2

4K

до 33 минут

до 11 км

2,4ГГц/5,1-5,8ГГц

Autel EVO II

8K

до 40 минут

до 9 км

2,4ГГц

DJI Mavic 3 Classic

5K

до 46 минут

до 15 км

2,4/5,8ГГц

DJI Matrice 30T

5K+ ИК

до 36 минут

до 15 км

2,4/5,8ГГц

DJI Matrice 300RTK

8K+ ИК

до 55 минут

до 15 км

2,4/5,8ГГц

1.4

Виды

полезных

нагрузок

БпЛА

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

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

Полезная нагрузка может быть сменяемой и несменяемой.

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

Тип полезной нагрузки

Назначение

Решаемые задачи

Фото- или видеокамера

Получение фотоснимков или видеоряда с воздуха

Воздушная разведка, объективный контроль,

целеуказание, аэрофотосъемка, поисково-спасательные работы.

Тепловизор

Съемка объектов в инфракрасном диапазоне

Воздушная разведка, объективный контроль, целеуказание, поисково-

спасательные работы.

Аппаратура радиотехнической и

радиолокационной разведки

Решение разведывательных задач

Решение разведывательных задач

Аппаратура ретрансляции и связи, постановки

помех

Ретрансляция и увеличение дальности сигнала, постановка помех

Организация каналов связи, системы РЭБ

Таблица 1.2 – Продолжение

Тип полезной нагрузки

Назначение

Решаемые задачи

Лидар, лазерный дальномер

Прибор для определения высот и расстояний до

объектов, целеуказания

Корректировка огня, целеуказание, аэрофотосъемка.

Газоанализатор

Прибор для анализа химического состава

воздушной среды

РХБ-разведка

Мультиспектральные камеры

Получение данных в различных спектральных проекциях

Воздушная разведка

Системы подвеса и сброса

Для перемещения груза и его сброса

Применение средств поражения, доставка грузов, оборудования

Магнитометр, барометр, термометр

и другие датчики

Для измерения вектора геомагнитного поля,

давления, температуры и т.д.

Навигация

1.5

Конструкция

БпЛА

коптерного

типа

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

В состав типового БпЛА коптерного типа входят следующие компоненты:

корпус или фюзеляж;

силовая установка (двигатель);

автопилот (полетный контроллер) с датчиками;

аппаратура управления;

воздушный винт (пропеллер);

передатчик и приемник информационного сигнала и телеметрии;

бортовая электроника;

источник питания (аккумулятор, генератор);

шасси (стойки).

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

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

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

На рисунке 1.6 представлен типовой комплект FPV-дрона.

Рисунок 1.6 – Комплект FPV-дрона

В состав комплекта входит следующее оборудование:

FPV-дрон с аккумулятором;

очки (монитор, шлем);

аппаратура (пульт) управления;

зарядное устройство для аккумулятора.

В состав FPV-дрона входят следующие элементы:

рама;

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

полетный контроллер;

плата распределения питания;

радиоприемник (сопрягаемый с радиопередатчиком на пульте управления);

видеопередатчик;

аккумуляторная батарея;

GPS-модуль (опционально);

подвес для камеры;

камера;

звуковой сигнализатор со встроенной батареей (опционально);

соединительные провода;

крепеж.

Рассмотрим более подробно каждый из элементов FPV-дрона.

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

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

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

Рисунок 1.7 – Рама FPV-дрона в разборе

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

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

Рисунок 1.8 – Лучи рамы различной толщины и составляющие рамы

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

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

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

Рисунок 1.9 – Измерение наибольшего расстояния между двумя моторами на БпЛА

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

Размер рамы влияет на:

размер пропеллеров;

размер двигателей;

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

совместимость с определенными FPV или HD-камерами;

сопротивление воздуха;

инерцию;

вес.

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

Рисунок 1.10 – Виды рамы FPV-дрона

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

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

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

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

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

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

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

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

Коллекторный электродвигатель Бесколлекторный электродвигатель Рисунок 1.11 – Виды электродвигателей

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

Рисунок 1.12 – Устройство и принцип работы коллекторного двигателя

Направление вращения ротора зависит от полярности [1].

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

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

Рисунок 1.13 – Устройство бесколлекторного двигателя

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

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

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

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

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

По конструкции бесколлекторные двигатели делятся на две группы:

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

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

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

Рисунок 1.14 – Принцип работы бесколлекторного двигателя

Преимущества бесколлекторного двигателя:

большая скорость вращения;

широкий диапазон изменения частоты вращения;

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

высокие энергетические показатели (КПД более 90%);

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

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

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

Недостатки бесколлекторного двигателя:

относительно сложная система управления двигателем;

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

сложность ремонта.

Основными параметрами бесколлекторных электродвигателей являются:

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

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

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

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

Крутящий момент электродвигателя – это сила вращения его вала.

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

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

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

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

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

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

В соответствии с общепринятыми нормами маркировка

электродвигателей строится следующим образом:

Первая буква определяет класс привода, и отображает качество изготовления:

–

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

–

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

–

серия

«A»

–

электродвигатели

бюджетного

сегмента.

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

Рассмотрим пример: A2212/15T, где:

A – электродвигатель, относящийся к бюджетному сегменту;

22 – магнитопровод диаметром 22 миллиметра;

12 – толщина набора 12 миллиметров;

15 – 15 витков;

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

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

В описаниях электромоторов могут присутствовать значения вида:

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

Рисунок 1.15 – Бесколлекторный двигатель в разборе

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

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

При выборе пропеллеров необходимо учитывать четыре основных параметра:

Размер.

Шаг.

Конфигурация пропеллера.

Материал.

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

Рисунок 1.16 – Диаметр и шаг винта

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

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

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

Пропеллеры должны соответствовать мощности электродвигателя.

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

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

двухлопастные;

3-лопастные;

4-лопастные;

5-лопастные.

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

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

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

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

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

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