Предыдущие части: Коптер или дрон, Введение
Квадрокоптер это машина с четырьмя винтами, но существуют также коптеры и с меньшим, и с большим количеством винтов.
Схема квадрокоптера, однако, самая популярная, и на это есть причины.
Для того, чтобы тело могло свободно перемещаться в трёхмерном пространстве, оно должно иметь возможность изменять своё положение произвольным образом. И изменять это положение можно с помощью четырёх воздействий.
Представьте, что вы ходите по земле. Своими ногами вы задаёте скорость движения, иначе говоря, тягу. Тяга это первое воздействие.
Далее, чтобы идти в нужную вам сторону, вы разворачиваете всё тело влево или вправо. То есть меняете курс. Курс, он же рысканье, это второе воздействие.
Меняя тягу и курс, вы можете свободно перемещаться по плоскости. Но как можно заметить, это не 3D-перемещение.
Теперь представьте, что вы можете ходить прямо по воздуху в любом направлении.
Если вы наклоняетесь всем телом назад или вперёд, то создаёте угол, который называется "тангаж", и начинаете идти под этим углом вверх от земли или вниз к земле. Это третье воздействие.
Наконец, если вы наклоняетесь всем телом влево или вправо, то создаёте угол, который называется "крен" и можете располагаться боком по отношению к земле. Это четвёртое воздействие.
Таким образом, для полного управления положением тела в пространстве требутся четыре воздействия. Три из них (крен, тангаж и курс/рысканье) задают углы поворота, а четвёртое (тяга) скорость движения.
Теперь рассмотрим эволюцию коптеров с точки зрения количества винтов.
Монокоптер
Вы наверняка запускали такие игрушки. Это и есть монокоптер, так как у него один винт. Посмотрим, как он может менять своё положение в пространстве.
Быстрое вращение винта порождает тягу, и у коптера появляется скорость. Это первое воздействие.
Но вот летит такой винт куда попало. Он может создавать только тягу, но не может регулировать рысканье, тангаж и крен. Значит, ему нужны три дополнительных механизма, чтобы менять вектор тяги.
Механизм это как правило мотор (сервопривод) и система рычагов или заслонок, чтобы менять направление тяги.
Итого мы получили схему 1 винт + 3 механизма, а в сумме у нас цифра 4.
Бикоптер
У бикоптера 2 винта. Они создают тягу, раз. А за счёт разницы тяг между левым и правым винтом можно создавать крен. Это два воздействия, которые делаются винтами. Остаётся ещё два: тангаж и рысканье, которые по-прежнему надо делать с помощью вспомогательных механизмов (поворотом винтов вперёд или назад).
Итого мы получили схему 2 винта + 2 механизма = 4. Надеюсь, вы уже видите закономерность.
Трикоптер
Здесь уже три винта. Они обеспечивают тягу, тангаж и крен, но не могут обеспечить рысканье. Почему, мы рассмотрим на примере квадрокоптера, а здесь используется механизм наклона заднего мотора.
Итого 3 винта + 1 механизм = 4.
Квадрокоптер
У него 4 винта, и как теперь становится очевидно, нет ни одного дополнительного механизма. Именно это делает схему квадрокоптера наиболее простой и популярной.
- Тяга: задаётся всеми 4 винтами
- Крен: задаётся разницей тяги между двумя левыми и двумя правыми винтами
- Тангаж: задаётся разницей тяги между двумя передними и двумя задними винтами
- Рысканье: задаётся разницей тяги между двумя винтами по диагонали и двумя винтами по другой диагонали.
То есть всё, что требуется для управления коптером – просто менять скорость вращения определённых моторов.
Рассмотрим подробнее управление рысканьем (курсом).
Как вы знаете, у вертолётов кроме несущего винта есть дополнительный хвостовой винт.
При вращении основного винта корпус вертолёта разворачивает в сторону, противоположную вращению. То есть происходит непроизвольное рысканье. Чтобы его компенсировать, используют хвостовой винт, который создаёт тягу в обратном направлении.
У вертолётов соосной схемы два несущих винта, которые компенсируют друг друга, вращаясь в разные стороны:
Что произойдёт, если один из этих винтов начнёт вращаться быстрее или медленнее другого?
Сразу появится закручивающая сила, и вертолёт начнёт менять курс. То есть мы можем управлять курсом за счёт изменения скорости одного из винтов.
В квадрокоптере все винты компенсируют вращение друг друга:
Чтобы заставить его менять курс, нужно увеличить скорость пары винтов, расположенных по диагонали, то есть у которых одно и то же направление вращения. Тогда компенсация станет неравной, и коптер начнёт закручивать.
Но так как скорость вращения двух винтов увеличилась, при этом вырастет и общая тяга. Коптер начнёт подниматься вверх при изменении курса. Чтобы этого не произошло, обороты двух других винтов симметрично снижаются, и общая тяга остаётся постоянной.
Так (с помощью только винтов) нельзя сделать ни в бикоптере, ни в трикоптере. В бикоптере, увеличив тягу на одном из винтов, вы получите закручивание, но также и крен, который нельзя скомпенсировать другим винтом. В трикоптере винтов вообще нечётное количество, и два из них крутятся в одном направлении и только один в другом. Поэтому менять курс (и сохранять при этом тягу и стабилизацию аппарата) можно только с помощью механизмов наклона.
А если больше?
Кроме квадрокоптеров, существуют гекса- и октакоптеры, соответственно с 6-ю и 8-ю винтами.
Здесь уже не появляется ничего нового по сравнению с квадрокоптером, просто винты дублируются.
Это целесообразно в некоторых случаях:
- Когда нужно больше тяги.
- Когда нужна повышенная надёжность. При отказе одного мотора квадрокоптер превращается в недоделанный трикоптер и дальше лететь не сможет. А гекса- и октакоптеры могут продолжать полёт вплоть до момента, когда у них останутся только 4 рабочих мотора (правда, симметрично расположенных).
А если ещё больше?
Да, есть и больше:
И ещё больше:
Но всё это работает так же, как обычный квадрокоптер.
Читайте дальше: