هر آنچه که از کوادروتور می‌دانیم؟

تاریخچه کوادروتور چیست

کوادروتور: در سال‌های اخیر وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین (UAV) در کاربردهای نظامی و غیرنظامی موردتوجه زیادی قرارگرفته‌اند. به دلیل دارا بودن قدرت مانور بالا، کاهش هزینه تولید و نگهداری، کاهش احتمال شناسایی توسط رادار، طولانی‌تر بودن مدت پرواز و کاهش خطر برای خدمه پرواز به‌خصوص در انجام مأموریت‌های نظامی در مقابل پرنده‌های از مزیت بالاتری برخوردارند. 

البته انگیزه‌های غیرنظامی هم برای توسعه این وسایل وجود دارد که برای آن می‌توان به عملیات امداد و نجات، نظارت از طریق هوا بر کنترل ترافیک شهری، مدیریت خطرات محیطی نظری آتش‌سوزی در جنگل‌ها، اندازه‌گیری آلودگی به تشعشعات اتمی، نظارت بر عملیات احداث تأسیسات مانند سدها و خطوط انتقال و نیز در زمینه‌های کشاورزی، نقشه‌برداری هوایی و  فیلم‌برداری اشاره کرد.

ویدیو پییشنهادی : تحلیل سازه های هوافضایی

مزیت کوادروتور چیست

مزیت استفاده ازاین‌گونه وسایل در محیط‌های ناهموار و شلوغ برای اهداف گوناگون و نبود راه‌حلی معین، اهمیت تحقیق در این زمینه را روشن می‌سازد. به دلیل پیشرفت‌های اخیر در ساخت میکروپروسسورهای با مصرف انرژی کم، سنسورهایی با ابعاد بسیار کوچک و تئوری کنترل قوی در این زمینه، وسایل پرنده‌ی بدون سرنشین در ابعاد کوچک (MAVs)موردتوجه زیادی قرارگرفته است.

MAV ها

دسته‌ای از این MAV های روتوردار که توانایی انجام عملیات هوایی در محیط‌های شلوغ و پیچیده مثل محیط ادارات و مراکز خرید را دارند را می‌توان در مأموریت‌های پرواز جستجو و نجات، بعد از حوادثی مانند زلزله، آتش‌سوزی و … استفاده کرد. به دلیل قابلیت پرواز این‌گونه وسایل در محیط‌های کوچک و قدرت مانور بالا، آن‌ها می‌توانند به‌سرعت و با روش معینی عملیات جستجوی قربانی‌ها را در محیط‌هایی که برای انسان خطرناک است انجام دهند و بعد از مکان‌یابی، مختصات دقیق قربانی‌های احتمالی را برای هدایت گروه نجات ارسال کنند. در چنین محیط‌های خطرناکی به دلیل وجود موانع زیاد، ارتباط از طریق بی‌سیم و یا استفاده از روبات‌های زمینی سخت و یا غیرممکن است ولی با استفاده از این ربات‌های مجهز به دستگاه فرستنده و گیرنده می‌توان ارتباطی ثابت را به وجود آورد.

دسته بندی

وسایل هوایی بدون سرنشین بر اساس نوع بال خود به سه دسته اصلی بال‌زن، بالگرد و بال ثابت تقسیم می‌شوند. مکانیزم پروازی وسایل بال‌زن شبیه پرندگان بوده و استفاده از آن‌ها نسبت به دو دسته دیگر محدودتر است. از وسایل هوایی بال ثابت بیشتر برای پرواز مستقیم روبه‌جلو با سرعت بالا استفاده می‌شود.

قابلیت‌های وسایل هوایی بالگرد 

وسایل هوایی بالگرد دارای قابلیت‌هایی می‌باشند که وسایل بال ثابت از آن‌ها برخوردار نیستند. از جمله این قابلیت‌ها می‌توان به فرود و صعود عمودی در جا، ثابت ماندن در مکانی خاص از فضا، پرواز در فاصله بسیار نزدیک اشیا و موانع، امکان پرواز در محیط‌های سربسته و همچنین مانور پذیری بالا اشاره کرد. اما در کنار این قابلیت‌ها این وسایل نسبت به وسایل بال ثابت دارای عیوبی می‌باشند که از آن جمله می‌توان به ناپایدارتر بودن این وسایل هنگام پرواز و سرعت پائین آن‌ها در پرواز مستقیم رو به جلو اشاره کرد.

مقاله پییشنهادی : تکنیک های رادارگریزی را بشناسید

نتیجه‌گیری

بنابراین مجموع این قابلیت‌ها و معایب باعث شده که در مواردی از ترکیب بال این دو نوع وسیله در ساخت وسایل هوایی استفاده شود. به‌عبارت‌دیگر وسایلی ساخته‌شده که در ساختار آن‌ها هم از بال ثابت و هم از روتورگردان استفاده‌شده است که به‌عنوان‌مثال می‌توان به هواپیماهایی که زاویه روتورهای آن‌ها نسبت به بدنه اصلی تغییر می‌کند، اشاره کرد.

در وسایل هوایی، بالگرد با چرخش بال در هوا علاوه بر نیروی بالابری که تولید می‌شود، نیروی درگ واردشده به بال آن باعث اعمال گشتاور به بدنه وسیله در حال پرواز می‌شود. این گشتاور باید به نحوی خنثی شود، در غیر این صورت وسیله در حال پرواز با سرعت زیاد به دور خود خواهد چرخید. این مسئله موجب شده است که طراحی این وسایل به صورت‌های متفاوتی انجام پذیرفته و مدل‌های مختلفی از این وسایل تولید گردد.

در این میان، پرنده‌های روتوردار یا پرنده‌هایی که دارای توان نشست‌وبرخاست عمودی (VTOL) هستند، در مقایسه با پرنده‌هایی با بال ثابت، در طول عملیات نیاز به دخالت انسانی کمتری داشته و به دلیل قدرت مانور بیشتر، قابلیت پرواز در مکان ثابت و پرواز در سرعت کم، دارای جایگاه ویژه‌ای هستند. یکی از انواع این UAVها، کوادروتورها هستند.

کوادروتور چیست

ساختار اصلی کوادروتور که با نام‌های دیگری همچون کوادکوپتر یا بالگرد چهار روتوره شناخته می‌شود، از یک قاب اصلی X شکل و چهار موتور که درچهارگوشه قاب اصلی قراردارند و به هر یک از آن‌ها یک پروانه متصل می‌باشد، تشکیل‌شده است. در شکل ‏۱‑۲ تصویری شماتیک از این وسیله قابل‌مشاهده است.

در این وسیله زاویه حمله پروانه‌ها تغییر نکرده و تغییر نیروی بالابر صرفاً با تغییر سرعت گردش روتورها انجام می‌گیرد. همچنین راستای چرخش هر چهار روتور ثابت و عمود بر قاب اصلی می‌باشد. به‌منظور خنثی شدن گشتاور اصطکاکی، جهت گردش روتورهای جلو و عقب نسبت به روتورهای چپ و راست در جهت عکس می‌باشد. با توجه به شکل بدنه کواد، دو نوع حالت پروازی برای آن امکان‌پذیر است. همان‌طور که در شکل ‏۱‑۳ واضح است دو نوع حالت پلاس و ضربدربرای حالات پروازی آن وجود دارد.

این وسیله نسبت به بقیه وسایل بدون سرنشین بالگرد دارای مزایا و معایبی می‌باشد که در ادامه به آن‌ها اشاره می‌گردد. به دلیل اینکه استفاده از بالگردهای معمولی بسیار گسترده‌تر از دیگر وسایل بالگرد می‌باشد، مزایا و معایب این وسیله بیشتر در مقایسه با این نوع بالگردها بیان می‌گردد.

سادگی ساختار فیزیکی کوادروتور

ساده بودن سیستم مکانیکی این وسیله اصلی‌ترین مزیت آن نسبت به دیگر وسایل هوایی بالگرد می‌باشد. در برخی بالگردهای معمولی، جهت انجام حرکت رو به جلو و حرکت عرضی باید زاویه روتور اصلی نسبت به بدنه تغییر کند. بنابراین اعمال این تغییر زاویه به روتور اصلی نیازمند تعبیه یک مکانیزم اضافه‌تر از قبیل سیستم هیدرولیکی بوده که پیچیدگی سیستم مکانیکی را افزایش داده و به‌تبع آن وزن کل وسیله بالاتر رفته و خرابی و نیاز به تعمیرات دوره‌ای افزایش چشم‌گیری پیدا می‌کند. این در حالی است که در کوادروتور نیروی حاصل از گردش روتورها همیشه به بدنه اصلی عمود بوده و تمامی حرکات مانوری بدون تغییر زاویه روتورها امکان‌پذیر است. این مسئله باعث حذف مکانیزم تغییر زاویه روتورها و سادگی سیستم کنترلی می‌شود.

 ظرفیت حمل بار بیش‌تر

نیروی بالا برنده حاصل از چرخش یک بال با افزایش طول آن افزایش پیدا می‌کند اما واضح است که این افزایش طول به دلیل افزایش اثرات مخرب ارتعاشی و همچنین تغییر مکان‌های عمودی بال محدود بوده و نمی‌تواند از حد مجازی فراتر رود. از دیگر راه‌های افزایش نیروی بالابر بال‌های چرخان، اضافه کردن تعداد پره‌های آن‌ها می‌باشد که آن‌هم به دلیل اثر مخرب تداخل جریان‌های حلقوی اطراف بال با محدودیت روبرو می‌باشد و معمولاً بیشتر از سه یا حداکثر چهارپره در یک روتور چرخان استفاده نمی‌شود.

اما راه دیگر افزایش نیروی بالابر افزایش تعداد روتورهای یک وسیله هوایی است که در کوادروتور به دلیل استفاده از چهار روتور، مجموع کل نیروی بالابر تولیدشده نسبت به بالگردهای هم سایز آن بیشتر بوده و درنتیجه ظرفیت حمل بار آن بیشتر است.

ویدیو پییشنهادی : Aircraft Performance

کاهش اثرات ژیروسکوپی

همان‌طور که قبلاً گفته شد، جهت گردش دو روتور از چهار روتور کوادروتور خلاف جهت گردش دو روتور دیگر آن می‌باشد. این مسئله باعث می‌شود که هنگام تغییر زاویه‌ی بدنه اصلی این وسیله مجموع کوپل‌های ژیروسکوپی حاصل از گردش محور روتورها به نزدیک صفر برسد.

 پایداری بالاتر

با توجه به اینکه ممان اینرسی کوادروتور نسبت به بالگردهای هم‌اندازه خود بیشتر است، این وسیله پایداری بیشتری در مقابل تغییر وضعیت زوایا از خود نشان می‌دهد. درواقع می‌توان گفت که ثابت زمانی این وسیله در تغییر وضعیت زوایا بیشتر بوده و هنگامی‌که عوامل خارجی باعث به هم خوردن وضعیت پایدار آن می‌شوند، سیستم کنترلی و اپراتور کنترل‌کننده زمان بیشتری برای نشان دادن عکس‌العمل و برگرداندن این وسیله به حالت پایدار در اختیاردارند.

امنیت بالاتر

این وسیله در هنگام پرواز از امنیت بالایی برخوردار است به‌طوری‌که حتی اگر یکی از موتورهای آن‌هم از کار بیافتد همچنان می‌تواند به پرواز خود ادامه دهد. البته در این حالت بعضی از توانایی‌های مانوری خود را ازدست‌داده و الگوریتم کنترلی آن‌هم با حالتی که همه موتورهای آن سالم است، متفاوت خواهد بود.

جهت بررسی هرچه دقیق‌تر کارایی‌ها و امکانات کواد و مقایسه هر چه بهتر آن با بالگرد، در زیر برخی از معایب کواد نسبت به بالگرد آورده شده که به انتخاب ما از میان این دو بسیار کمک می‌کند.

وزن بیش‌تر

بیشتر بودن تعداد روتورهای این وسیله نسبت به بالگردهای معمولی، در عین اینکه نیروی بالابر تولیدشده و ظرفیت حمل بار این وسیله را افزایش می‌دهد باعث بالاتر رفتن وزن کل این وسیله می‌شود. ولی به‌طورکلی می‌توان عنوان کرد که این وسیله از نسبت حمل بار به وزن بالاتری نسبت به دیگر وسایل هوایی برخوردار است.

مصرف توان بیشتر

توان مصرف انرژی در این وسیله به دلیل استفاده از چهار موتور مستقل در ساختار آن، بالا می‌باشد. این مسئله مهم‌ترین عیب این وسیله بوده و یکی از دلایل اصلی عدم توجه و استفاده گسترده از آن می‌باشد. چراکه مصرف توان بالا باعث خالی شدن سریع‌تر منبع تولید انرژی از قبیل تانک سوخت یا باتری شده و مدت‌ زمان پرواز را کاهش می‌دهد. البته پیش‌بینی می‌شود که در آینده با تولید باتری‌های با ظرفیت ذخیره انرژی بالاتر و یا سوخت‌هایی با قابلیت تولید انرژی بیشتر توجه به ساخت و استفاده از این وسیله به نحو چشم‌گیری افزایش یابد.

 ارتباط بین دینامیک موتورها و کنترل‌پذیری سیستم

در بالگردهای معمولی تغییر نیروی بالابر صرفاً با تغییر زاویه حمله انجام می‌پذیرد و سرعت گردش روتورها ثابت است. درحالی‌که در این وسیله تغییر نیروی بالابر با تغییر سرعت گردش روتورها انجام می‌گیرد. بنابراین تغییر نیروها به دلیل ممان اینرسی داخلی موتورها و پروانه‌های متصل به آن‌ها زمان بیشتری برده و باعث کاهش سرعت سیستم کنترلی در هدایت این وسیله می‌شود.

چالش حرکت در کوادروتور چیست

کنترل حرکت کوادروتور چالش‌برانگیز است زیرا تعاملات جریان‌های هوایی ایجادشده توسط چهار روتور، نیروهای آئرودینامیکی پیچیده‌ای را بر سیستم اعمال می‌کند. ازآنجایی‌که دینامیک سیستم غیرخطی و چند متغیره است و نیز به‌ دلیل داشتن تنها چهار ورودی برای کنترل شش درجه‌ی آزادی، سیستمی زیرتحریک است که روش‌های کنترلی معمول برای روبات‌هایی با تحریک کامل را برای این سیستم با مشکل مواجه می‌کند.

تاریخچه کوادروتور

مفهوم کوادروتور مدت‌های مدیدی است که شکل‌گرفته است. در سال۱۹۰۷، برادران برگویت، اولین نمونه از این وسیله را ساختند. اولین کوادروتور ساخت آن‌ها که به‌عنوان جایروپلنیک نام‌گذاری شد، با موفقیت همراه نشد. سازه آن شامل چهار میله نگه‌دارنده از جنس استیل بود و پره‌ها در انتهای هر یک از میله‌ها قرار می‌گرفتند (شکل۴). تصاویر حین پرواز نشان می‌دهند که حین تست چند نفر از زیر کوادروتور را می‌گرفتند تا پایداری آن را حفظ نمایند. این وسیله هرگز به‌طور کامل پرواز نکرد زیرا فاقد پایداری و ابزار مناسب کنترلی بود.

جرج دی بوتزات

در سال۱۹۲۲، جرج دی بوتزات در ایالات‌متحده اولین نوع از بزرگ‌ترین بالگردهای زمان خودش را ساخت. این وسیله درواقع یک کوادروتور بود که بدنه آن از یک سازه خرپایی ساخته‌شده بود و سیستم پیش‌ران و ملخ‌ها در انتهای هریک از چهار سازه اصلی پرنده قرار می‌گرفت (شکل ‏۵). هر روتور این وسیله از شش پره تشکیل می‌شد اولین پروازهای همراه با موفقیت این پرنده در سال ۱۹۲۲ انجام شد. در واقع می‌توان گفت که پرواز این پرنده به‌عنوان اولین پروازهای موفقیت‌آمیز بالگردها به‌حساب می‌آید.

امیشن

در سال ۱۹۲۰ امیشن به ساخت یک کوادروتور که در ساختار آن یک بالن هیدروژنی جهت پایداری و تولید نیروی بالابر بیشتر استفاده‌شده بود، مبادرت ورزید. همچنین او در ساختار این وسیله از هشت روتور اضافی در اطراف سازه آن به جهت استفاده از نیروی پیش‌ران آن‌ها و ساده‌تر کردن فرمان‌پذیری این وسیله استفاده کرد(شکل ۶). در سال ۱۹۲۴ او به یک پرواز موفقیت‌آمیز با این وسیله بدون استفاده از بالن هیدروژنی، دست‌یافت.

معایب کوادروتور چیست

پس از ساخت چند نمونه از مدل‌های سرنشین دار این وسیله که به آن‌ها اشاره گردید، به دلیل معایبی همچون وزن بالا، مصرف توان زیاد، نداشتن کارایی لازم و ضعف در تکنولوژی ساخت، استقبالی برای استفاده و ساخت این وسیله نشان داده نشد. تا اینکه در اوایل قرن حاضر با پیشرفت‌هایی که درزمینهٔ علم کنترل و فناوری ساخت وسایل پروازی کوچک حاصل شد، توجه به ساخت نمونه بدون سرنشین این وسیله رو به گسترش نهاد که در ادامه به چند نمونه از کارهای انجام‌شده در این زمینه اشاره می‌شود.

تاریخ ساخت و استفاده از وسایل هوایی بدون سرنشین

به هواپیماهای بدون سرنشین برمی‌گردد. اولین هواپیمای هدایت‌پذیر از دور در سال ۱۹۱۳ میلادی به پرواز در آمد که موفقیت چندانی به همراه نداشت. سری بعد در جنگ جهانی دوم ساخته شد که موفق‌ترین آن هواپیمایی موسوم به بمب پرنده بود. آلمان‌ها با این هواپیما موفق به درهم شکستن دژ مستحکم لندن و بمباران این شهر شدند. در میان هواپیماهای بدون سرنشین موفق اولیه می‌توان به هواپیماهای CHUKAR و KD2R5 اشاره نمود.

تجارب آمریکا در جنگ ویتنام

تجارب آمریکا در جنگ ویتنام کاربردهای عملیاتی هواپیماهای بدون سرنشین و سودمندی آن‌ها را ملموس‌تر گردانید. در این جنگ آمریکا پروازهای زیادی جهت شناسایی و اکتشاف بر فراز ویتنام انجام داد که درصد بالایی از آن‌ها موفقیت‌آمیز بود. در طول دهه‌ی ۱۹۸۰ میلادی، صنعت هواپیماهای نظامی بدون سرنشین به‌سرعت توسعه یافت و تعداد زیادی از این وسایل توسط کشورهای مختلف ساخته شد. این امر تا به امروز موجب ایجاد زمینه‌های تحقیقاتی فراوان و تولید انواع و اقسام وسایل هوایی بدون سرنشین شده است.

آلتوگ

در سال ۲۰۰۳ آلتوگ روشی برای مشاهده‌پذیری درجات آزادی این وسیله برای استفاده در کنترل فیدبک ارائه کرد. او برای این کار از دو عدد دوربین که یکی متصل به زمین و دیگری بر روی خود این وسیله نصب‌شده بود، استفاده کرد و با استفاده از تصاویر ارسالی از آن‌ها روش سنجش موقعیت مکانی و چرخشی این وسیله را موردبررسی قرارداد.

کنترل وضعیت چرخشی

در سال ۲۰۰۴ بو عبدالله با ارائه یک مدل دینامیکی اولیه از کوادروتور به کنترل وضعیت چرخشی این وسیله و نگه‌داشتن آن در حالت ساده هاورپرداخت. در این پژوهش جهت پایدارسازی وضعیت چرخشی پرنده از مدل پایداری لیاپانوف و برای حفظ پرنده در حالت هاور از کنترل‌کننده PD استفاده‌شده است.

مدل دینامیکی  ارائه‌شده ناقص بوده و در آن، رابطه بین نرخ زوایای اویلر و بردار سرعت زاویه‌ای نادیده گرفته‌شده است. علاوه بر آن در طراحی کنترل‌کننده، معادلات وضعیت چرخشی با حذف اثرات غیرخطی ساده‌سازی شده و از اثر وابستگی تغییرات زوایا به همدیگر و اثر ژیروسکوپی صرف‌نظر شده است. کنترل‌کننده طراحی‌شده هم بر روی نمونه واقعی این وسیله و هم بر روی مدل دینامیکی شبیه‌سازی‌شده‌ی این پرنده در فضای مجازی آزمایش‌شده است.

مرکز جرم در آزمایش بر روی نمونه واقعی

در آزمایش بر روی نمونه واقعی، مرکز جرم پرنده به یک میز متصل شده است به‌طوری‌که از حرکت انتقالی آن جلوگیری شده و فقط امکان تغییر در زوایای چرخشی وجود داشته باشد. کنترل‌کننده طراحی‌شده با هدف نگهداری زوایا در مقدار صفر بر روی پرنده پیاده‌سازی شده است.

مقاله پییشنهادی : بررسی موشک کروز از لحاظ راداری

نتایج آزمایش نشان می‌دهد که زوایای پرنده با اختلافی حدود دو درجه حول مقدار مطلوب نوسان می‌کند. در شبیه‌سازی مجازی هدف آن بوده که کنترل‌کننده پرنده علاوه بر حفظ زوایا در مقدار صفر، پرنده را در دو متری سطح زمین در حالت هاور نگه دارد. نتایج حاصل از شبیه‌سازی نشان می‌دهد که پرنده با افزایش و کاهش ارتفاع حول موقعیت مطلوب نوسان کرده و علاوه بر آن زوایای چرخشی با اختلافی حدود شش درجه حول نقطه صفر دائماً در حال نوسان هستند که این خود نشان‌دهنده حرکت پرنده در جهات طولی و عرضی می‌باشد.

روش تایبی

در سال ۲۰۰۶ تایبی یک روش کنترلی بر پایه بردار کواترنین جهت پایدارسازی وضعیت چرخشی کوادروتور پیشنهاد کرد. او در این کار با استخراج کامل معادلات دینامیکی حرکت چرخشی، فقط پایدارسازی وضعیت چرخشی پرنده را مدنظر قرار داده و حرکت انتقالی پرنده را در نظر نگرفته است. کنترل‌کننده پیشنهادی بر اساس جبران سازی گشتاورهای ژیروسکوپی و کوریولیس ایجادشده و در آن از ساختار PD استفاده‌شده است. عمل تناسبی برحسب بردار کواترنین و دو عمل مشتق گیر برحسب مؤلفه‌های بردار سرعت زاویه‌ای و نرخ تغییرات کواترنین‌ها می‌باشد.

کنترل‌کننده

کنترل‌کننده طراحی‌شده بر روی نمونه واقعی کوادروتور تست‌شده است. برای این کار مرکز جرم پرنده طوری ثابت‌شده است که فقط امکان چرخش پرنده وجود داشته باشد. مقادیر اولیه زوایای چرخشی غیر صفر درنظرگرفته شده و کارایی کنترل‌کننده در متعادل کردن پرنده و به صفر رساندن زوایای چرخشی بررسی‌شده است. نتایج آزمایش انجام‌شده نشان می‌دهد که کنترل‌کننده طراحی‌شده با اختلافی حدود یک درجه پرنده را متعادل کرده است.

مطالعات در ایران در مورد کوادروتور

در ایران نیز در سال ۱۳۶۱ پس از یک فاز مطالعاتی درزمینهٔ این وسایل و شناخت توانایی‌های آن‌ها و با توجه به امکانات داخل کشور و وجود زمینه‌های مختلف کاربردی در جنگ با عراق، فعالیت نسبتاً گسترده‌ای برای طراحی و ساخت این وسایل در صنایع دفاعی و دانشگاه‌ها شروع شد و گروه‌های متخصص در زمینه‌های مختلف موردنیاز ازجمله هوافضا، مکانیک، الکترونیک، کنترل، مخابرات و فیزیک به کار گرفته شدند. نتایج این فعالیت‌ها ساخت چندین نوع هواپیما بود که تعدادی از آن‌ها نیز به‌طور محدود در جنگ مورداستفاده قرار گرفتند و هم‌اکنون نیز فعالیت در تکمیل این سیستم‌ها و عملیاتی نمودن آن‌ها ادامه دارد.

پیشرفت های انجام شده

پیشرفت‌های روزافزون درزمینهٔ فناوری وسایل هوایی بدون سرنشین نظامی در طول چهل سال، موجب رشد شتابان صنعت وسایل هوایی بدون سرنشین غیرنظامی در دهه‌ی اخیر شده است. این رشد به علت کاربردهای زیادی است که برای آن‌ها در بخش غیرنظامی می‌توان تصور نمود. درواقع علت اصلی استفاده از وسایل هوایی بدون سرنشین این است که آن‌ها قادرند عملیات سخت و مأموریت‌های خطرناک را بدون در معرض خطر قرار دادن زندگی انسان به‌عنوان خلبان، انجام دهند. این وسایل معمولاً در کاربردهایی که وسایل باسرنشین موجود قادر به انجام آن‌ها نیستند و یا انجام آن‌ها توسط وسایل باسرنشین مقرون‌به‌صرفه اقتصادی نبوده و یا خطرات زیادی دارد، مورداستفاده قرار می‌گیرند.

مقاله پییشنهادی : آشنایی با هواپیماهای رادارگریز

قسمت‌های فیزیکی

قسمت‌های مختلف یک کوادروتور شامل؛ بدنه، باتری، موتور، کنترل‌کننده سرعت (ESC)، پره‌ها، گیرنده رادیویی(RC)، سنسورها(IMU) و برد اصلی کنترلی می‌باشد که با توجه به تمرکز اصلی ما که برد کنترلی می‌باشد آن را در فصلی مجزا موردبررسی قرار می‌دهیم.

 بدنه کوادروتور

بدنه کواد در عین سادگی دارای پیچیدگی‌های زیادی است. بسیاری از پارامترها در ساخت آن دخیل بوده و همچنین خلاقیت در طراحی از اولویت‌ها می‌باشد. مهم‌ترین و تأثیرگذارترین عامل برای ساخت بدنه، وزن آن می‌باشد. همیشه پارامتر وزن باید در اولویت‌های ما باشد و صرف جذاب بودن طراحی یا استحکام بدنه کافی نیست. همچنین باید در نظر داشت که وزن بدنه تأثیر مستقیم بر مدت پرواز دارد. نمودار شکل ۷ معیار مناسبی برای میزان اثرپذیری مدت پرواز و وزن کواد برای دو نوع باتری دو سل و سه سل به ما می‌دهد.

مثال

با توجه به جدول برای مثال اگر وزن نهایی کواد ۱۱۰۰ گرم که معادل تقریباً ۴۰ انس است، باشد در صورت استفاده از باتری دو سل مدت پرواز تقریباً ۵ دقیقه، و در صورت استفاده از باتری ۳ سل مدت پرواز تقریباً ۹ دقیقه خواهد بود. از دیگر ویژگی‌های یک بدنه مناسب، استحکام آن می‌باشد. قسمتی که موتورها روی آن نصب می‌شود باید خاصیت صلبیت داشته و به‌هیچ‌عنوان تغییر شکل ندهد. حال با توجه به دو پارامتر ذکرشده و اهمیت آن‌ها در تصمیم‌گیری ما، چند نمونه از موادی که در ساخت بدنه کواد رایج می‌باشند را بررسی می‌کنیم.

 آلومینیوم کوادروتور

آلومینیوم ازجمله فلزات سبک و درعین‌حال مقاوم به‌حساب می‌آید. از اشکال رایجی که در بازار موجود است می‌توان به ورق آلومینیومی و قوطی آلومینیومی اشاره کرد. جهت استفاده از آلومینیوم باید به این نکته توجه داشت که برای محل قرارگیری موتورها باید از قوطی آلومینیومی استفاده کرد چراکه ورق‌های آن در ابعاد بیشتر از ۱۵ سانتی‌متر دیگر حالت صلبیت ندارد و به‌راحتی خم می‌شود.

عیب کوادروتور چیست

معضل درگیری که در صورت استفاده از آلومینیوم به آن مواجه می‌شویم، اتصال آن است. آلومینیوم را نمی‌توان به‌راحتی جوش داد و معدود صنعتگرانی هستند که جوش آلومینیوم انجام می‌دهند. همچنین هیچ تضمینی بر استحکام زیاد جوش آن نیز وجود ندارد. به همین دلیل در صورت استفاده از آلومینیوم بهتر است بدنه طوری طراحی شود که تا حد امکان با پیچ و یا پرچ اتصالات را به یکدیگر متصل کنیم.

پلکسی

پلکسی از جنس کامپوزیت‌های الیاف پلاستیک است و غالباً در ساخت تابلوهای تبلیغاتی کاربرد دارد. پالکسی ها ازلحاظ صلبیت تقریباً هم‌اندازه با ورق آلومینیوم هستند با این تفاوت که وقتی تحت‌فشار و اعمال نیرو قرار گیرند، آلومینیوم خم‌شده اما پلکسی می‌شکند. از مزایای پلکسی می‌توان به‌سادگی در برش دادن آن توسط برش‌های لیزری اشاره کرد. درمجموع استفاده از پلکسی به‌تنهایی برای ساخت بدنه به دلیل خاصیت شکنندگی آن توصیه نمی‌شود اما اگر برای ساخت اتصالات از آن استفاده شود یک گزینه بسیار عالی، سبک و مقاوم است.

میله‌های کربن

کربن عنصری است که در برخی فلزات با استحکام بالا، نظیر فولاد استفاده می‌شود. اضافه کردن پیوند‌های کربن به مواد، هم در فلزات و هم در مواد غیرفلزی، از تکنیک‌های افزایش استحکام . کاهش وزن است. منظور ما از میله‌های کربن، میله‌های غیرفلزی کربن است که از تجمیع رشته‌های نازک کربن تشکیل‌شده است و در بازار نیز خیلی رایج نیست و بیشتر در فروشگاه‌های فروش وسایل پرواز یافت می‌شود. این میله‌های توخالی با قطر‌های مختلف در بازار موجود می‌باشد. با توجه به استحکام بالا و وزن پایین آن‌ها می‌توانند انتخاب بسیار مناسبی برای جنس بدنه کواد باشند.

 مواد بالا و ویژگی‌هایی که عنوان شد برای مواردی است که طراح خود بخواهد بدنه کواد را بسازد. در بدنه مورداستفاده در (شکل ۸) از فایبرگلاس و بازوهای آن از نایلون پلی‌امید استفاده‌شده است. 

باتری کوادروتور

باتری، تأمین‌کننده انرژی در کواد و از مهم‌ترین اجزای آن می‌باشد. لذا انتخاب نوع باتری که بتواند انرژی موردنیاز ما را برای مدت لازم تأمین کند بسیار مهم است. انواع مختلفی باتری در بازار موجود می‌باشد (نظیر NIMH , NICD, Li-Ion  …) که می‌توان با توجه به نیاز از هرکدام از آن‌ها استفاده کرد. اما امروزه و با روی کار آمدن باتری LiPo تقریباً اکثر سازندگان کواد میل به استفاده از آن دارند. این باتری به‌خصوص بسیار موردتوجه سازندگان گوشی همراه قرارگرفته است.

مقاله پییشنهادی: ماهواره‌ کوچک کیوب‌ست (تاسواره) را بشناسید

گونه خاصی از باتری‌های قابل شارژ هستند که نخستین بار از سال ۱۹۹۵ به بازار معرفی شدند. این باتری‌ها قابل‌استفاده در تجهیزات قابل‌حمل ماننداسباب بازی‌ها، تلفن همراه و دوربین دیجیتال هستند. این باتری‌ها تا ولتاژی حدود ۳٫۷ ولت را پشتیبانی می‌کنند. این باتری‌ها علاوه بر ویژگی‌های باتری‌ها لیتیم-یون دو ویژگی مهم سبک بودن و شکل‌پذیری را نیز دارا می‌باشند. به این معنی که این باتری‌ها را می‌توان به هر شکل دلخواه ساخته و مورداستفاده قرارداد. این ویژگی موجب شده تا سازندگان گوشی‌های تلفن همراه اقبال بیشتری به سمت این نوع پیل پالوانی پیدا کنند.

باتری مورداستفاده ما یک باتری سه سل LiPo(شکل ‏۹) می‌باشد که قادر به تأمین ولتاژ ۱۱.۱ ولت است.

موتور کوادروتور 

موتورهای دی‌سی براش‌لس شبیه به موتورهای سنکرونی هستند که با منبع دی‌سی تغذیه می‌شوند که توسط اینورتر مجتمع برای به حرکت درآوردن موتور به سیگنال الکتریکی AC تبدیل می‌شود؛ سنسورها و قطعات الکترونیکی دیگری نیز خروجی اینورتر را کنترل می‌نمایند.

موتورهای پله‌ای کوادروتور

موتورهای براش‌لس همچنین به‌صورت موتورهای پله‌ای وصف می‌شوند، هرچند عنوان موتور پله‌ای برای آن دسته از موتورها به کار می‌رود که طراحی آن‌ها به گونه‌ای است که به حالت‌هایی عمل نمایند که روتور آن به سرعت در نقطه زاویه‌ای تعریف‌شده بایستد. موتورهای براشلس گشتاور بیشینه را در لحظه سکون فراهم می‌آورند؛ این گشتاور به‌صورت خطی با افزایش سرعت کاهش می‌یابد. برخی محدودیت‌های موتورهای براش می‌توانند در موتورهای براشلس جبران شوند. آن‌ها کارایی بالاتری را به همراه داشته و همچنین حساسیت کمتری نسبت به سایش مکانیکی کموتاتور دارند.

فواید کوادروتور چیست

این فواید در برابر کاهش نیرو، پیچیدگی بیشتر، و کنترل الکترونیکی گران‌تر به‌دست‌آمده است. موتور براشلس اهنرباهای دایمی دارد و می‌گردند و آرمیچر در آن ثابت است؛ به همین دلیل مشکلات به وجود آمده به خاطر ارتباط مستقیم جریان با آرمیچر چرخان از میان برداشته‌شده‌اند. در این موتورها یک کنترل‌کننده الکترونیکی، جایگزین براش و کموتاتور شده است؛ که فاز سیم‌پیچ‌ها را دائماً سوییچ می‌کند تا موتور را به گردش درآورد. موتورهای براش‌لس موتورهای انتخابی محبوبی برای هواپیماهای مدل شامل هلیکوپترها و کوادروتورها هستند.

نسبت قدرت به وزن مطلوب

نسبت قدرت به وزن مطلوب آن‌ها و محدوده بزرگ اندازه‌های در دسترس، از ۵ گرم تا موتورهای بزرگ در اندازه صدها وات، انقلابی در تجارت هواپیماهای مدل برقی با جایگزین نمودن همه موتورهای برقی برس دار ایجاد کرده است. آن‌ها همچنین رشد هواپیماهای مدل ساده و کم‌وزن را به‌جای مدل‌های بزرگ با موتورهای احتراق داخلی تشویق کرده‌اند.

نسبت توان به وزن بزرگ

نسبت توان به وزن بزرگ باتری‌های مدرن و موتورهای براش‌لس به مدل‌ها اجازه می‌دهند تا به‌جای فراز گرفتن تدریجی به‌صورت عمودی بالا روند. به خاطر نویز پایین و کاهش جرم در مقایسه با موتورهای احتراق داخلی کوچک دلیل دیگری برای محبوبیت آن‌هاست. موتور‌های مورداستفاده بنده در این پروژه موتور‌های Air 2213  (شکل ‏۱۰) از شرکت T-motor است. در حقیقت یک عدد پک کامل شامل موتور‌ها، پره‌ها و کنترل‌کننده‌های سرعت خریداری‌شده است.

اعداد موتور کوادروتور

اعداد موتور نشان‌دهنده این هست که ۲۲ میلی‌متر قطر موتور بوده و ۱۳ میلی‌متر هم طول موتور بدون شافت هست. در مورد مشخصات الکتریکی موتور‌ها، می‌توان به عدد kv نوشته‌شده برروی موتور توجه کرد. به کمک این عدد و ولتاژ منبع تغذیه (معادله ۱) می‌توان RPM موتور را به دست آورد. با توجه به این‌که موتور مورداستفاده ما دارای 920kv بوده و ولتاژ منبع تغذیه ما نیز ۱۱.۱ ولت هست، می‌توان دانست که RPM تقریبی موتور‌ها 9190rpm می‌باشد.   

درایو کردن

تنها نکته‌ای که در مورد موتور‌ها باقی‌مانده نحوه درایو کردن آن‌ها می‌باشد. برای این کار ما از کنترل‌کننده‌های سرعت استفاده کردیم. نحوه کار آن‌ها به این شکل هست ESC ها از مدار کنترلر اصلی پالس‌هایی دریافت کرده و سپس پالس‌هایی به‌صورت سه فاز و با ولتاژ کم به موتور‌ها ارسال می‌کنند. انتخاب نوع کنترل‌کننده سرعت بستگی به نوع موتور و ویژگی‌های الکتریکی آن دارد. ما برای کواد خود از پک کامل شرکت T-motor که شامل موتورها، کنترل‌کننده‌های سرعت و پره‌ها می‌باشد (شکل ‏۱۱) استفاده کرده‌ایم. استفاده از بسته پیشنهادی شرکت کار ما را در مورد انتخاب نوع کنترل‌کننده سرعت و پره‌ها بسیار ساده کرد.

مقاله پییشنهادی : نمایشگر راداری چیست

گیرنده رادیویی کوادروتور

یکی از پرکاربردترین وسایل در انجام انواع پروژه‌های هوافضا رادیو کنترل می‌باشد. امروزه در اطرافمان لوازم بسیاری وجود دارند که به‌صورت رادیویی کنترل می‌شوند و دنیای کنترل از راه دور را به وجود آورده‌اند. اساس کار همه‌ی این کنترلرها امواج الکترومغناطیسی هستند که در بازه‌های مختلف عمل می‌کنند. مانند رادیو در بازه امواج رادیویی، ریموت‌های وسایل خانگی در بازه‌ی فروسرخ و موبایل در بازه گیگاهرتز. هواپیمای مدل، کوادرتور، هلیکوپتر و بالون را نیز می‌توان با رادیو کنترل از راه دور هدایت کرد.

سامانه اطلاعات کوادروتور

این سامانه اطلاعات را در بازه‌ی مگاهرتز و گیگاهرتز از دسته‌ی رادیو کنترل به گیرنده در هواپیمای مدل انتقال می‌دهد و موتور یا سرووها را به حرکت درمی‌آورد. این رادیوها در انواع مختلف و برای همین نوع سرگرمی‌ها گسترش پیدا کرده‌اند و انواع مختلف و متنوعی یافته‌اند. اما در همه‌ی آن‌ها قسمت‌های مشترکی وجود دارد. فرستنده یا دسته‌ی کنترل که حداقل باید دارای ۴ الی ۶ کانال باشد تا بتواند قسمت‌های مختلف یک مدل را کنترل کند مانند گاز و انواع چرخش‌ها که در کنترل کواد کاربرد دارند.

ساز و کار

کانال‌های اضافه‌تر می‌تواند چراغ‌ها، چرخ‌ها، دودزا و یا… را کنترل کند. در کنار هر دسته‌فرمان دکمه‌ای برای تصحیح آن فرمان وجود دارد. در رادیوهای پیشرفته‌تر صفحه‌ی نمایشی برای  تنظیمات بیشتر و حتی به حافظه سپردن حالت‌ها وجود دارد. فرستنده‌های معروف به “فرکانسی” از محدوده‌های باند ۲۷ تا ۷۶ مگاهرتز برای فرستادن امواج استفاده می‌کنند. برای تداخل نداشتن امواج، این رادیوها باید فرکانس‌های مختلفی را در یک محیط داشته باشند.

فرستنده و گیرنده‌ها در محدوده‌ی ۲.۴ گیگاهرتز

نوع دیگر فرستنده و گیرنده‌ها در محدوده‌ی ۲.۴ گیگاهرتز عمل می‌کنند که با توجه به فن‌آوری پیشرفته‌ی موجود در آن امکان تداخل نزدیک به صفر است و نیاز به کانال‌های مختلف در آن نیست. گیرنده‌ها نیز متناسب با فرستنده‌ها هستند و پروتکل‌های یکدیگر را فقط اجرا می‌کنند. آن‌ها با ابعاد کمی که دارند می‌توانند درون هر وسیله‌ای قرار بگیرند و فرمان‌ها را کنترل کنند. وزن آن‌ها بسیار کم می‌باشد (کمتر از ۱۰ گرم) و این باعث می‌شود تا بتوان ریزپرنده‌ها را ساخت. اما رادیو کنترل مورداستفاده ما از نوع ۲.۴ گیگاهرتز و ۶ کاناله(شکل ‏۱۲) هست.

ویدیو پییشنهادی : مکانیک پرواز

سنسور‌های کوادروتور

واحد اندازه‌گیری داخلی یا همان IMU قسمتی است که با اندازه‌گیری شتاب حال حاضر توسط چند شتاب سنج می‌تواند انحراف‌ از حالت تعادل را تشخیص دهد. امروزه نام IMU به‌طور عمده به قطعه‌ای اطلاق می‌شود که شامل سه عدد شتاب سنج, سه عدد ژیروسکوپ و سه عدد مغناطیس‌سنج می‌باشد. شتاب سنج‌ها به‌صورت عمود بر یکدیگر بر روی برد کنترلی نصب می‌شوند تا شتاب را در هر سه جهت اندازه بگیرند. همچنین ژیروسکوپ‌ها که وظیفه اندازه‌گیری وضعیت چرخشی کواد را دارند نیز به‌صورت عمود بر یکدیگر بر روی برد کنترلی نصب می‌شوند.

انواع چرخش در کوادها سه نوع yaw, pitch, roll (شکل ‏۱۳)می‌باشد. به کمک اطلاعات مربوط به این چرخش‌ها که شامل X,Y,Z و زوایای φ,ψ,θ  می‌باشد به‌راحتی می‌توان الگوریتم‌های کنترلی را روی آن پیاده کرده و یک پرواز مطمئن داشت. IMU مورداستفاده ما یک ماژول نه محوره به نام MPU9250 (شکل ‏۱۴) می‌باشد. این ماژول که درزمینهٔ ساخت کواد بسیار محبوب هم می‌باشد، به‌راحتی قابل تهیه می‌باشد.

برد کنترلی

با توجه به پیشرفت تکنولوژی درزمینهٔ الکترونیکی و فناوری ساخت کیت‌های هوشمند کنترل و هدایت خودکار تجهیزات الکترونیکی به‌خوبی مشاهده می‌شود که این پیشرفت شامل صنعت هوایی و پرنده‌های باسرنشین و بدون سرنشین نیز شده است. صنعت طراحی و ساخت دستگاه‌های هوشمند کنترل پرواز در تمامی گرایش‌ها و رده‌های این حوزه پیشرفت چشم‌گیری کرده است. در این خصوص می‌توان به سیستم‌های هوشمند ناوبری و هدایت خودکار پرنده‌های بدون سرنشین عمودپرواز اشاره نمود.

فلایت کنترلر کوادروتور

همان‌طور که از نام فلایت کنترلر مشهود است، سیستمی است که با توجه به نوع و مشخصات پرنده‌های زیر پوشش آن وظیفه هدایت و کنترل وسیله پروازی را بر عهده دارد. حال انجام این مهم خود مستلزم سازمان‌دهی و هماهنگی قطعات موجود در این سیستم می‌باشد. قطعاتی که هرکدام وظیفه‌ی خاصی بر عهده داشته و نقصان عملکرد در هرکدام از این قطعات موجب ضعف عملکرد کل سیستم و در نتیجه سانحه و یا آسیب را برای کل وسیله پروازی به دنبال خواهد داشت. حال با هم چند جز تشکیل‌دهنده این سیستم را همراه شرح کوتاهی از وظایف آن‌ها بیان خواهیم نمود.

مغز فرماندهی

در ابتدا واحد مغز فرماندهی را معرفی می‌کنیم. این عضو مهم با داشتن سنسورهای متفاوتی که به آن‌ها دسترسی دارد مانند ژیروسکوپ‌ها و بارومترهایی که در IMU تعبیه‌شده است، وظیفه فرمان دادن به درایورهای موتورها یا همان اسپید کنترل‌ را بر عهده دارد.این عمل باعث شناور ماندن پرنده در آسمان و حفظ اتوماتیک شناوری با سطح افق می گردد.

قسمت بعدی واحد تقسیم ولتاژ و کنترل ماژول‌ها  است. این عضو از سیستم ناوبری وظیفه کنترل و تقسیم صحیح ولتاژهای ورودی و خروجی و برق‌رسانی و اتصال آن‌ها به واحد مغز فرماندهی را بر عهده دارد.

 یک ماژول مهم دیگر در برد کنترلی کواد، ماژول تثبیت‌کننده در یک نقطه است. این ماژول در سیستم ناوبری که یک مورد اضافه‌شده برای کنترلر به‌حساب می‌آید که با اضافه نمودن آن به سیستم کنترلر، شما می‌توانید پرنده‌ی خود را شناور در یک نقطه ثابت نگه‌دارید.

ماژول ال ای دی هشداردهنده

اما برای مشاهده بهتر عملکرد کواد یک ماژول ال ای دی هشداردهنده نیز برروی برد کنترلی قرار می‌دهند. وظیفه این ماژول نشان دادن وضعیت سیستم ناوبری پرنده می‌باشد.‌ این ماژول وظیفه بیان اطلاعات سیستم ناوبری به زبان رنگ‌ها می‌باشد. بدین معنا که با تغییر رنگ‌ها اطلاعاتی مانند هشدار اتمام باتری پرواز، وجود یا عدم وجود سیگنال‌های ارتباطی و رادیویی، وجود یا عدم وجود سیگنال‌های GPS، حالت‌های پروازی کواد و … را بیان می کند.

برد کنترلی پرواز

یک برد کنترلی پرواز در حقیقت مغز کواد کوپتر می‌باشد. برد کنترلی به‌صورت مداوم اندازه‌گیری‌های سنسورها را دریافت کرده و با پردازش روی آن‌ها توسط الگوریتم‌های بسیار پیچیده، سرعت هر موتور را کنترل می‌کند. هدف اصلی یک برد کنترلی حفظ تعادل کوادروتور است. هر کواد دارای چهار نوع مختلف حرکت رول، پیچ، انحراف و ارتفاع از سطح زمین می‌باشد. برد‌های مختلفی در بازار به‌صورت آماده وجود دارد که هرکدام برای هدفی خاص طراحی‌شده است. برای شناخت قابلیت‌های هرکدام نیاز است تا امکاناتی که هرکدام می‌توانند در اختیار ما بگذارند را به‌خوبی بشناسم. برای این منظور برخی از قابلیت‌های آن‌ها به‌صورت کاملاً خلاصه در زیر آورده شده است.

قابلیت‌های پروازی کوادروتور چیست

پایداری ژیروسکوپی

این ویژگی که از خصوصیات همه‌ی برد‌ها می‌باشد، مربوط به توانایی پایدار ماندن کوادروتور است

. یک کوادروتور باید بتواند در هوا به‌صورت کاملاً معلق، پایدار بماند و سقوط نکند. همه‌ی بردهای کنترلی موظف به حفظ تعادل این دستگاه و سطح تحت کنترل خلبان هستند.

تسطیح خود

این ویژگی نیز بسیار نزدیک به پایداری ژیروسکوپی بوده و درواقع کاری می‌کند هواپیما پس از انجام چرخش خود مسطح بماند.

مراقبت آزاد

قابلیت مراقبت آزاد این آزادی را به خلبان می‌دهد تا در هنگام تغییر جهت کواد بتواند آن را به‌خوبی کنترل کند. با داشتن این قابلیت خلبان در هنگام چرخش کواد هم می‌تواند به‌خوبی آن را کنترل کرده و گویی کواد در مسیر اصلی خود درحرکت است..

حفظ ارتفاع

همان‌طور که از نام این قابلیت مشخص است با داشتن این ویژگی می‌توان کواد را به‌راحتی در هر ارتفاعی نگهداشت.

حفظ مکان

این قابلیت نیز به‌مانند حفظ ارتفاع می‌توانند کواد را در مکان موردنظر ما نگه‌دارند. این قابلیت و ویژگی حفظ ارتفاع، در شرایط جوی بد خیلی می‌تواند به کمک‌خلبان بیاید.

 برگشت به خانه

همچون دو ویژگی قبلی، نام این ویژگی نیز به‌خوبی مبین امکاناتی که در اختیار ما قرار می‌دهد هست. در شرایطی که کواد از دید‌رس ما خارج می‌شود این ویژگی به‌خوبی خود را نشان می‌دهد.

دنبال کردن نقاط تعیین‌شده

با داشتن این قابلیت می‌توان برای کواد نقاطی را مشخص کرد تا به ترتیب آن‌ها را طی کرده و ا مسیری مشخص به مقصد برسد. این ویژگی از جالب‌ترین ویژگی‌های برد‌های کنترلی هست که برخی از انواع آن‌ها دارای این قابلیت هستند.

حال با دانستن مطالب بالا، به‌راحتی و به کمک شکل ‏۱۵  می‌توان برد کنترلی متناسب با نیاز خود را تهیه کرد. البته باید دقت داشت که برخی از برد‌های شکل ۱۵  در بازار نبوده و تقریباً منسوخ‌شده‌اند. نکته‌ای که باید به آن دقت داشت این است که کلیه بردهای ۱۵ دارای گیرنده رادیویی بوده و برای ارتباط با فرستنده باید فقط با آن همزمان شوند. همچنین برخی از آن‌ها دارای IMU بوده و برخی فاقد آن هستند.

سبک‌های پرواز کوادروتور

یکی از نکاتی که در انتخاب برد کنترلی باید به آن توجه کرد سبک پرواز است. در زیر انواع سبک‌های پرواز و ملزومات آن‌ها آورده شده است. هر برد معمولاً برای یک منظور خاص طراحی می‌شود.

 سبک پرواز سینمایی

اولین و بیشترین سبک پروازی که استفاده می‌شود سبک پرواز سینمایی است. در این سبک معمولاً از کواد برای تصویر‌برداری از بالا استفاده می‌شود. همچنین در مواردی که حضور فیلم‌بردار در صحنه فیلم‌برداری سخت می‌شود از این نوع ضبط تصویر استفاده می‌شود. در این سبک نیاز به پروازی بدون ارزش و پایدار می‌باشد. با توجه به این نکته نیاز به برد کنترلی هست که تا حد امکان لرزش‌ها را دمپ کرده و پروازی آرام را برای ما انجام دهد. انتخاب اول برای این کاربرد DJI Naza می‌باشد.

پرواز مستقل کوادروتور

در این سبک پروازی معمولاً کواد کمتر از فرستنده یا خلبان دستور گرفته و بیشتر مسیرها را به‌صورت خودکار طی می‌کند. مسلماً برد کنترلی ما می‌بایست از قابلیت‌هایی نظیر برگشت به خانه و یا طی مسیر نقطه‌به‌نقطه برخوردار باشد. همچنین منبع باز بودن برد نیز جهت اضافه کردن قابلیت‌های دیگر، بسیار می‌تواند حائز اهمیت باشد.  در ضمن قابلیت ارسال داده برای کواد از مهم‌ترین ویژگی‌هایی است که باید برد کنترلی انتخابی ما دارا باشد.

پرواز نمایشی کوادروتور

همان‌طور که نام این سبک پروازی گویا است، این نوع پرواز مهیج‌ترین و سرگرم‌کننده‌ترین سبک پروازی است. در این سبک، خلبان‌ها سعی می‌کنند با پروازی سریع و موزون نظر بینندگان را به خود جلب کنند. اغلب این نوع پرواز برای مسابقه استفاده می‌شود. برد کنترلی پرواز نمایشی برای داشتن پروازی خوب و پایدار باید قابلیت‌هایی همچون نرخ رول بسیار سریع، پایداری در زاویه موردنظر خلبان صرف‌نظر از سرعت و جهت، سرعت‌بالا در اجرای فرمان‌ها و موزون بودن را داشته باشد. باید دقت داشت که در این سبک معمولاً سقوط کواد بسیار اتفاق می‌افتد لذا انتخاب قطعات کم‌هزینه بسیار مهم است.

بردهای کنترلی معروف

نازا

بردهای کنترلی Naza (شکل۱۶ فلایت کنترلر Naza باکیفیت و کارایی بالا برای مولتی‌روتورها، می‌تواند یکی از انتخاب‌های خوب برای پرنده‌ها باشد. شرکت Dgi با سابقه درخشان درزمینهٔ طراحی و ساخت قطعات مولتی‌روتور، سازنده این نوع فلایت کنترلرها است. همچنین ازلحاظ میزان فروش نیز بردهای Naza در صدر جدول پرفروش‌ها هستند. این برند دارای دو ورژن lite و Naza m v2 می‌باشد.

تفاوت سنسورها در کوادروتور چیست

ازنظر سنسور‌های به کاررفته هر دو ورژن یکسان هستند اما آنچه که باعث تفاوت آن‌ها می‌شود توسعه لوازم جانبی و افزایش عملکرد در ورژن Naza m v2 است. این بردها برای انواع مولتی روتورها تا هگزاموتور مناسب است. از قابلیت‌های آن‌ها می‌توان به ویژگی برگشت به خانه در دو حالت دستی و خودکار اشاره کرد. باید دقت داشت که قابلیت برگشت به خانه خودکار درزمانی که باتری افت می‌کند و یا ارتباط رادیو با پرنده قطع می‌شود بسیار مفید است. همچنین حفظ ارتفاع و موقعیت با استفاده از سیستم GPS، هر آنچه که برای یک پرواز مطمئن و پایدار لازم است را در اختیار خلبان می‌گذارد.

 ای پی ام

این برند بردهای کنترلی که آردوپایلوت(شکل ‏۱۷) نیز گفته می‌شود، یک سیستم ناوبری اتوماتیک کاملاً اپن سورس است که برنده جایزه مسابقه Outback 2012 در رقابت میان پهبادها شده است. بردهای APM دارای GPS و مگنومتر جدار از هم بوده و برد GPS آن وابسته به جهت نیست اما برد مگنومتر آن باید با جهت پرنده و برد اصلی هماهنگ شود. در مورد GPS هم باید دقت داشت که حتماً آنتن آن به طرف بالا قرار گیرد. آردوپایلوت از یک بخش سخت‌افزاری و یک سامانه نرم‌افزاری قدرتمند تشکیل‌شده است.

این فلایت کنترلر دارای اسامی مختلفی ازجمله آردوکوپتر، آردوپلن، و آردوروور بوده که همگی بر کاربرد این برد مبتنی بر آردوینو جهت کنترل ربات‌های پرنده، پهبادها و ربات‌های زمینی دلالت دارد. این دستگاه قابلیت‌های منحصربه‌فردی در کنترل هوشمند قایق، ماشین، زیر دریایی، هواپیما، هلی‌کوپتر، مولتی‌روتورها و هر آنچه توسط رادیو کنترل هدایت می‌شود را در اختیار کاربر قرار می‌دهد.

ویژگی اتوپایلوت کوادروتور

ویژگی اتوپایلوت این بردها به ما این امکان را می‌دهد که به برای پرنده مأموریت تعیین کرده و پرنده خود به صورت مستقل به انجام کارهای محول شده می‌پردازد. برای این منظور باید نقاط موردنظر را از طریق GPS روی نقشه تعیین کرد و بعد رادیو کنترلر خود زمین گذاشته و پرواز ربات خود را تا رسیدن به مقصد و برگشت به خانه دنبال کنید.  ایستگاه زمینی می‌تواند لپ‌تاپ، گوشی هوشمند با سیستم‌عامل اندروید و یا آی پد باشد و با استفاده از ماژول تلمتری (سیستم کنترل اطلاعات بی‌سیم از راه دور ) شما در هرلحظه می‌توانید همه‌چیز را کنترل کرده و اطلاعات سنسورها و موقعیت ربات خود را مشاهده نمایید.

وسایل ماشینی

در وسایل ماشینی (به‌ویژه مولتی‌کوپترها و مریخ‌نوردها) قطب‌نما باید تا حد امکان دور از منبع تغذیه و موتورها قرار داده شود. این نسخه از برد APM به گونه‌ای طراحی‌شده است که فاقد قطب‌نما بوده و GPS بر روی برد است و  از جی پی اس uBlox و قطب نمای اکسترنال استفاده‌شده تا GPS و قطب‌نما تحت تأثیر اختلالات مغناطیسی و نویزهای مزاحم قرار نگیرند. جی پی اس مگنومتر و دیگر اقلام به صورت جداگانه فروخته می‌شوند.

خصوصیات فیزیکی و الکتریکی کوادروتور چیست

خصوصیات فیزیکی و الکتریکی این برند فلایت کنترلر شامل ژیروسکوپ ۳ جهته، شتاب سنج، قطب‌نما به همراه فشارسنج هوا با عملکرد عالی، چیپ برای دیتا فلش با ظرفیت 4Megabyte  بر روی برد که کلیه اطلاعات حرکتی، ایستایی، عملیات و مأموریت‌ها بر روی آن ذخیره می‌شود، دارای ماژول مکان‌یاب uBlox NEO-6M  به همراه قطب‌نمای خارجی جهت کنترل کاملاً هوشمند با موقعیت و مختصات، یکی از اولین سیستم‌های آتوپایلوت Open Source که از شتاب سنج ۶ درجه آزادی شرکت Invensense و قطب‌نمای   MPU-6000بهره می‌گیرد.

سنسور فشارسنج هوا

سنسور فشارسنج هوا ارتقا یافته MS5611-01BA03 برای اندازه‌گیری اختصاصی دارای چیپ‌های شرکت اتمل نظیر ATMEGA2560 و ATMEGA32U-2 به ترتیب برای پردازش و رابط USBمی‌باشد. این فلایت کنترلر، برد اولیه‌ای می‌باشد که ما برای کواد خود خریداری کردیم. البته با توجه به هدف این پروژه که ساخت برد کنترلی جداگانه بود، بنده اقدام به ساخت برد جداگانه‌ای کردم که به‌طور مفصل در مورد آن صحبت خواهیم کرد.

  کی کی

بردهای(شکل ۱۸) در ورژن‌های مختلف دروازه مناسب و کم‌هزینه برای ورود به دنیای مولتی‌رتورها هستند. برای شروع و به دست آوردن تجربه مناسب برد معرفی‌شده جزء گزینه‌هایی است که افراد بی‌شماری بر روی آن کار کرده و بعد از کسب تجربه مراحل ترقی را طی نموده‌اند. این برد یکی از معروف‌ترین فلایت کنترل‌هایی است که بیشترین مطالب در اینترنت راجع به آن نوشته‌شده است. اطلاعات تخصصی برد kk v 5.5  شامل اندازه برد۵۰.5mm*50.5mm*23.5mm (ابعاد بر حسب میلی‌متر می‌باشد)، وزن۱۴۵ گرم، میکروکنتر   Atemegal 168 PAژیروسکوپ پیزو الکتریک  MURATA، ولتاژ ورودی ۵.۵ _3.۳ ولت سیگنال گیرنده۱۵۲۰ (۴ کاناله) قابلیت ارسال سیگنال به ۶ عدد اسپید کنترلر با ۱۵۲۰ میکروثانیه می‌باشد.

  کیو کیو سوپر

فلایت کنترل QQ SUPER (شکل ‏۱۹) یکی از ساده‌ترین و راحت‌ترین فلایت کنترل‌های موجود در بازار است که کارایی مناسبی را در رنج قیمتی پائین ارائه می‌کند. راحتی ست آپ کردن این فلایت کنترلر، آن را برای تازه‌کاران و مشتاق‌های مولتی‌روتورها ایده‌آل می‌کند. در عمل برای ست آپ کردن این فلایت کنترل نیازی به کامپیوتر و وسیله دیگری ندارید و تنظیم‌های آن به‌راحتی توسط چند دیپ سوئیچ انجام می‌گیرد.

استفاده از یک میکروکنترلر ۳۲ بیتی، توانایی محاسبه بسیار خوبی به این فلایت کنترلر داده است. به اعتقاد بنده اگر کسی تمایل دارد پرواز با مولتی‌روتورها را یاد بگیرد و تفاوت‌های آن را با دیگر مدل‌ها به‌خوبی حس کند، این فلایت کنترل نمونه بسیار خوبی است. ازجمله معایب می‌توان به حساسیت آن به نوع رادیو اشاره کرد. به‌عبارت‌دیگر هرچه از رادیو بهتری استفاده کنید پروازهای بهتری خواهید داشت. حساسیت آن به لرزش زیاد است، اما می‌توانید آن را بر روی بستر مناسبی قرار دهید تا از ورود لرزش به برد جلوگیری کنید.

اشکال اصلی کوادروتور چیست

اما اشکال اصلی از نظر حساسیت بیش‌ازحد آن به کاهش بیش ‌از حد مقدار تراتل رادیو است. به‌عبارت‌دیگر اگر در حین پرواز تراتل را به‌طور ناگهانی ببندید احتمال اینکه با زیادشدن تراتل، پرنده به‌صورت معکوس قرار گیرد، زیاد است و اگر این کار در نزدیکی زمین اتفاق افتد، چون پرنده فرصت بازیابی خودش را نخواهد داشت، احتمال سقوط زیاد است.

اولین نکته

اولین نکته، توجه به جهت فلشی است که روی برد چاپ‌شده است. درواقع زیر این فلش یک LED چندرنگ بسیار پرنور قرار دارد که در نور روز هم به‌خوبی دیده می‌شود. با توجه به جهت فلش، آن را در مرکز پنل پرنده خود قرار دهید. درواقع ۴  دیپ سوئیچ روی فلایت کنترلر در اختیار شماست که توسط پیچ‌گوشتی کوچکی که همراه برد است می‌توانید آن‌ها را بالا و پائین کنید. از تغییر وضعیت این ۴ دیپ سوئیچ ۸ حالت مختلف تنظیم می‌گردد. دیپ سوییچ‌های شماره ۳ و ۴ مربوط به نوع گیرنده مورداستفاده شما است.

 مولتی‌وی

یکی از بهترین و معروف‌ترین و پرکاربردترین فلایت کنترل‌های اپن سورس جهان  MultiWii نام دارد. مولتی وی دارای امکانات و ماژول‌های متعددی است که باعث شده طیف وسیعی از پروژه‌های پروازی را ساپورت نماید. این برد دارای GPS  و حتی دارای قابلیت اتصال به ماژول‌هایی مانند سونار برای فاصله سنجی با اجسام اطراف یا فاصله سنجی تا زمین برای ثبات پرواز و همچنین قابلیت اتصال به ماژول بلوتوث برای ارتباط با موبایل هوشمند و یا رایانه می‌باشد. این فلایت کنترل عالی قابلیت اتصال به صفحه نمایشگر LED را نیز داراست. همچنین به‌راحتی به کامپیوتر متصل می‌شود و قابلیت برنامه‌ریزی بالایی دارد.

امکان موقعیت‌یابی در کوادروتور

امکان موقعیت‌یابی یکی از امکانات بسیار جالب و یکی از ضروریات مولتی روتورها است. این برد امکان موقعیت‌یابی با دقت بسیار بالا را برای شما فراهم می‌کند. استفاده از یک جی پی اس ublox 6m با امکان نقطه‌یابی جغرافیایی به شما کمک می‌کند  تا با امکاناتی مانند حفظ موقعیت پرنده، حفظ ارتفاع و برگشت به خانه بتوانید فلایت کنترل و مولتی روتور خود را بسیار بهتر کنترل نمایید .همچنین این پکیج دارای یک برد رابط I2C نیز هست که از آن برای اتصال GPS به فلایت کنترل استفاده می‌شود. درواقع این برد رابط I2C برای اتصال GPS  و سونار و  صفحه‌نمایش LED و یا حتی ماژول بلوتوث به فلایت کنترل مولتی وی استفاده می‌شود.

ارتباط بین ماژول‌ها

برای اینکه بتوانید بین برد فلایت کنترل و GPS یا دیگر ماژول‌ها ارتباط ایجاد کنید باید از این برد استفاده کنید. با استفاده از این پکیج فلایت کنترل تقریباً به هر آنچه جهت مدار کنترلی مولتی روتور (در محیط کاربری آردینو منطبق بر مولتی وی)  احتیاج دارید دسترسی پیدا می‌کنید. این فلایت کنترل مولتی روترهای تری‌کوپتر ، کوادکوپتر ، هگزاکوپتر و اکتاکوپتر و حتی بسیاری از پرنده‌ها و هواپیماها را پشتیبانی می‌نماید.

ROBOEBAY

ROBOEBAY با در اختیار داشتن آزمایشگاه مجهز الکترونیک، ماشین‌آلات مونتاژ SMD  اتوماتیک، دانش فنی و بیش از ۲۰ سال تجربه در این امر  اقدام به طراحی و ساخت نوع خاصی از این برد الکترونیکی نموده که بر اساس پروژه اپن سورس MULTIWII(شکل ‏۲۰) و کامپایلر آردوینو، شامل یک میکروکنترلر ATMEGA328P از کمپانی ATMEL، سنسور ژیروسکوپ ۳محور ATG3205 از کمپانی INVENSENSE  ، سنسور  قطب‌نمای ۳ محور HMC5884 از کمپانی Honeywell، سنسور شتاب‌سنج سه محور BMA180  و سنسور فشار هوای BMP085 هر دو از کمپانی BOSCH می‌باشد.

عملکرد سنسورها در کوادروتور

همه این سنسورها مجهز به درگاه I2C بوده و به یک درگاه واحد از میکروکنترلر متصل‌اند. لازم به ذکر است همه سنسورها اصلی بوده و از شرکت‌های معتبر تأمین  و دقت و حساسیت خاصی در مونتاژ آن‌ها لحاظ  گردیده و درنهایت کیفیت آن از نمونه‌های چینی موجود در بازار بسیار بالاتر، در نتیجه پرواز باثبات بسیار بالاتر و علاوه بر آن از پشتیبانی فنی ROBOEBAY نیز برخوردار است.

این برد همه پین‌های میکروکنترلر را در اختیار قرار داده است. درگاه  FTDI  جهت ارتباط سریال با کامپیوتر، تغییر برنامه میکروکنترلر و انجام تنظیمات، درگاه TTL جهت اتصال ماژول‌های تلمتری (BLUETOOTH . LCD ,…) و درگاه I2C جهت ارتقا و اتصال به سنسورهای دیگر و همچنین GPS در نظر گرفته‌شده است.

خروجی برد کوادروتور

در ضمن این برد دارای خروجی مخصوص راه‌اندازی LED  تا ۱ آمپر می‌باشد. رؤیت این  LED  جهت انجام کالیبراسیون و تشخیص جهت حرکت پرنده، پروازی امن و بدون خطا بسیار ضروری است. این برد الکترونیکی به‌غیراز مولتی‌روتورها، جهت ایجاد تعادل و بالانس انواع هواپیمای مدل نیز قابل‌استفاده است.