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.

 

 

مزیت کوادروتور چیست

مزيت استفاده ازاین‌گونه وسايل در محیط‌های ناهموار و شلوغ براي اهداف گوناگون و نبود راه‌حلی معين، اهميت تحقيق در اين زمينه را روشن می‌سازد. به دليل پيشرفت‌هاي اخير در ساخت ميكروپروسسورهاي با مصرف انرژي كم، سنسورهايي با ابعاد بسيار كوچك و تئوري كنترل قوي در اين زمينه، وسايل پرنده‌ی بدون سرنشين در ابعاد كوچك (MAVs)موردتوجه زيادي قرارگرفته است.

MAV ها

دسته‌ای از این MAV هاي روتوردار كه توانايي انجام عمليات هوايي در محیط‌های شلوغ و پيچيده مثل محيط ادارات و مراكز خريد را دارند را مي‌توان در مأموریت‌های پرواز جستجو و نجات، بعد از حوادثي مانند زلزله، آتش‌سوزي و … استفاده كرد. به دليل قابليت پرواز این‌گونه وسايل در محیط‌های كوچك و قدرت مانور بالا، آن‌ها مي‌توانند به‌سرعت و با روش معيني عمليات جستجوي قرباني‌ها را در محيط‌هايي كه براي انسان خطرناك است انجام دهند و بعد از مكان‌يابي، مختصات دقيق قرباني‌های احتمالي را براي هدايت گروه نجات ارسال كنند. در چنين محيط‌هاي خطرناكي به دليل وجود موانع زياد، ارتباط از طريق بی‌سیم و يا استفاده از روبات‌هاي زميني سخت و يا غیرممکن است ولي با استفاده از اين ربات‌هاي مجهز به دستگاه فرستنده و گيرنده می‌توان ارتباطي ثابت را به وجود آورد.

دسته بندی

وسايل هوايي بدون سرنشين بر اساس نوع بال خود به سه دسته اصلي بال‌زن، بالگرد و بال ثابت تقسيم مي‌شوند. مكانيزم پروازي وسايل بال‌زن شبيه پرندگان بوده و استفاده از آن‌ها نسبت به دو دسته ديگر محدودتر است. از وسايل هوايي بال ثابت بيشتر براي پرواز مستقيم روبه‌جلو با سرعت بالا استفاده مي‌شود.

قابليت‌های وسايل هوايی بالگرد 

وسايل هوايی بالگرد داراي قابليت‌هايي مي‌باشند كه وسايل بال ثابت از آن‌ها برخوردار نيستند. از جمله اين قابليت‌ها مي‌توان به فرود و صعود عمودي در جا، ثابت ماندن در مكاني خاص از فضا، پرواز در فاصله بسيار نزديك اشيا و موانع، امكان پرواز در محيط‌هاي سربسته و همچنين مانور پذیری بالا اشاره كرد. اما در كنار اين قابليت‌ها اين وسايل نسبت به وسايل بال ثابت داراي عيوبي می‌باشند كه از آن جمله مي‌توان به ناپايدارتر بودن اين وسايل هنگام پرواز و سرعت پائين آن‌ها در پرواز مستقيم رو به جلو اشاره كرد.

 

 

نتیجه‌گیری

بنابراين مجموع اين قابليت‌ها و معايب باعث شده كه در مواردي از تركيب بال اين دو نوع وسيله در ساخت وسايل هوايي استفاده شود. به‌عبارت‌دیگر وسايلي ساخته‌شده كه در ساختار آن‌ها هم از بال ثابت و هم از روتورگردان استفاده‌شده است كه به‌عنوان‌مثال مي‌توان به هواپيماهايي كه زاويه روتورهاي آن‌ها نسبت به بدنه اصلي تغيير می‌کند، اشاره كرد.

در وسايل هوايي، بالگرد با چرخش بال در هوا علاوه بر نيروي بالابری كه توليد مي‌شود، نيروي درگ واردشده به بال آن باعث اعمال گشتاور به بدنه وسيله در حال پرواز مي‌شود. اين گشتاور بايد به نحوي خنثي شود، در غير این صورت وسيله در حال پرواز با سرعت زياد به دور خود خواهد چرخيد. اين مسئله موجب شده است كه طراحي اين وسايل به صورت‌هاي متفاوتي انجام پذيرفته و مدل‌هاي مختلفي از اين وسايل توليد گردد.

در اين ميان، پرنده‌هاي روتوردار يا پرنده‌هايي كه داراي توان نشست‌وبرخاست عمودي (VTOL) هستند، در مقايسه با پرنده‌هايي با بال ثابت، در طول عمليات نياز به دخالت انساني كمتري داشته و به دليل قدرت مانور بيشتر، قابليت پرواز در مكان ثابت و پرواز در سرعت كم، داراي جايگاه ویژه‌ای هستند. یکی از انواع این UAVها، کوادروتورها هستند.

کوادروتور چیست

ساختار اصلي كوادروتور كه با نام‌هاي ديگري همچون كوادكوپتر يا بالگرد چهار روتوره شناخته مي‌شود، از يك قاب اصلي X شكل و چهار موتور كه درچهارگوشه قاب اصلي قراردارند و به هر يك از آن‌ها يك پروانه متصل مي‌باشد، تشکیل‌شده است. در شکل ‏1‑2 تصويري شماتيك از اين وسيله قابل‌مشاهده است.

در اين وسيله زاويه حمله پروانه‌ها تغيير نكرده و تغيير نيروي بالابر صرفاً با تغيير سرعت گردش روتورها انجام مي‌گيرد. همچنين راستاي چرخش هر چهار روتور ثابت و عمود بر قاب اصلي مي‌باشد. به‌منظور خنثي شدن گشتاور اصطكاكي، جهت گردش روتورهاي جلو و عقب نسبت به روتورهاي چپ و راست در جهت عكس مي‌باشد. با توجه به شکل بدنه کواد، دو نوع حالت پروازی برای آن امکان‌پذیر است. همان‌طور که در شکل ‏1‑3 واضح است دو نوع حالت پلاس و ضربدربرای حالات پروازی آن وجود دارد.

اين وسيله نسبت به بقيه وسايل بدون سرنشين بالگرد داراي مزايا و معايبي مي‌باشد كه در ادامه به آن‌ها اشاره مي‌گردد. به دليل اينكه استفاده از بالگردهاي معمولي بسيار گسترده‌تر از ديگر وسايل بالگرد مي‌باشد، مزايا و معايب اين وسيله بيشتر در مقايسه با اين نوع بالگردها بيان مي‌گردد.

سادگی ساختار فیزیکی کوادروتور

ساده بودن سيستم مكانيكي اين وسيله اصلي‌ترين مزيت آن نسبت به ديگر وسايل هوايي بالگرد مي‌باشد. در برخی بالگردهاي معمولي، جهت انجام حركت رو به جلو و حركت عرضي بايد زاويه روتور اصلي نسبت به بدنه تغيير كند. بنابراين اعمال اين تغيير زاويه به روتور اصلي نيازمند تعبيه يك مكانيزم اضافه‌تر از قبيل سيستم هيدروليكي بوده كه پيچيدگي سيستم مكانيكي را افزايش داده و به‌تبع آن وزن كل وسيله بالاتر رفته و خرابي و نياز به تعميرات دوره‌اي افزايش چشم‌گيري پيدا مي‌كند. اين در حالي است كه در كوادروتور نيروي حاصل از گردش روتورها هميشه به بدنه اصلي عمود بوده و تمامي حركات مانوري بدون تغيير زاويه روتورها امکان‌پذیر است. اين مسئله باعث حذف مكانيزم تغيير زاويه روتورها و سادگي سيستم كنترلي مي‌شود.

 ظرفيت حمل بار بيش‌تر

نيروي بالا برنده حاصل از چرخش يك بال با افزايش طول آن افزايش پيدا مي‌كند اما واضح است كه اين افزايش طول به دليل افزايش اثرات مخرب ارتعاشي و همچنين تغيير مكان‌هاي عمودي بال محدود بوده و نمي‌تواند از حد مجازي فراتر رود. از ديگر راه‌هاي افزايش نيروي بالابر بال‌هاي چرخان، اضافه كردن تعداد پره‌هاي آن‌ها مي‌باشد كه آن‌هم به دليل اثر مخرب تداخل جريان‌هاي حلقوي اطراف بال با محدوديت روبرو مي‌باشد و معمولاً بيشتر از سه يا حداكثر چهارپره در يك روتور چرخان استفاده نمي‌شود.

اما راه ديگر افزايش نيروي بالابر افزايش تعداد روتورهاي يك وسيله هوايي است كه در كوادروتور به دليل استفاده از چهار روتور، مجموع كل نيروي بالابر تولیدشده نسبت به بالگردهاي هم سايز آن بيشتر بوده و درنتیجه ظرفيت حمل بار آن بيشتر است.

 

كاهش اثرات ژيروسكوپي

همان‌طور كه قبلاً گفته شد، جهت گردش دو روتور از چهار روتور كوادروتور خلاف جهت گردش دو روتور ديگر آن مي‌باشد. اين مسئله باعث مي‌شود كه هنگام تغيير زاويه‌ي بدنه اصلي اين وسيله مجموع كوپل‌هاي ژيروسكوپي حاصل از گردش محور روتورها به نزديك صفر برسد.

 پايداري بالاتر

با توجه به اينكه ممان اينرسي كوادروتور نسبت به بالگردهاي هم‌اندازه خود بيشتر است، اين وسيله پايداري بيشتري در مقابل تغيير وضعيت زوايا از خود نشان مي‌دهد. درواقع مي‌توان گفت كه ثابت زماني اين وسيله در تغيير وضعيت زوايا بيشتر بوده و هنگامی‌که عوامل خارجي باعث به هم خوردن وضعيت پايدار آن مي‌شوند، سيستم كنترلي و اپراتور کنترل‌کننده زمان بيشتري براي نشان دادن عکس‌العمل و برگرداندن اين وسيله به حالت پايدار در اختیاردارند.

امنیت بالاتر

اين وسيله در هنگام پرواز از امنيت بالايي برخوردار است به‌طوری‌که حتي اگر يكي از موتورهاي آن‌هم از كار بیافتد همچنان مي‌تواند به پرواز خود ادامه دهد. البته در اين حالت بعضي از توانايي‌هاي مانوري خود را ازدست‌داده و الگوريتم كنترلي آن‌هم با حالتي كه همه موتورهاي 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

بيشتر بودن تعداد روتورهاي اين وسيله نسبت به بالگردهاي معمولي، در عين اينكه نيروي بالابر تولیدشده و ظرفيت حمل بار اين وسيله را افزايش مي‌دهد باعث بالاتر رفتن وزن كل اين وسيله مي‌شود. ولي به‌طورکلی مي‌توان عنوان كرد كه اين وسيله از نسبت حمل بار به وزن بالاتري نسبت به ديگر وسايل هوايي برخوردار است.

مصرف توان بیشتر

توان مصرف انرژي در اين وسيله به دليل استفاده از چهار موتور مستقل در ساختار آن، بالا مي‌باشد. اين مسئله مهم‌ترين عيب اين وسيله بوده و يكي از دلايل اصلي عدم توجه و استفاده گسترده از آن مي‌باشد. چراکه مصرف توان بالا باعث خالي شدن سريع‌تر منبع توليد انرژي از قبيل تانك سوخت يا باتري شده و مدت‌ زمان پرواز را كاهش مي‌دهد. البته پيش‌بيني مي‌شود كه در آينده با توليد باتري‌هاي با ظرفيت ذخيره انرژي بالاتر و يا سوخت‌هايي با قابليت توليد انرژي بيشتر توجه به ساخت و استفاده از اين وسيله به نحو چشم‌گيري افزايش يابد.

 ارتباط بين ديناميك موتورها و كنترل‌پذيري سيستم

در بالگردهاي معمولي تغيير نيروي بالابر صرفاً با تغيير زاویه حمله انجام مي‌پذيرد و سرعت گردش روتورها ثابت است. درحالی‌که در اين وسيله تغيير نيروي بالابر با تغيير سرعت گردش روتورها انجام مي‌گيرد. بنابراين تغيير نيروها به دليل ممان اينرسي داخلي موتورها و پروانه‌هاي متصل به آن‌ها زمان بيشتري برده و باعث كاهش سرعت سيستم كنترلي در هدايت اين وسيله مي‌شود.

چالش حرکت در کوادروتور چیست

كنترل حركت كوادروتور چالش‌برانگیز است زيرا تعاملات جریان‌های هوايي ایجادشده توسط چهار روتور، نيروهاي آئرودینامیکی پيچيده‌اي را بر سيستم اعمال مي‌كند. ازآنجایی‌که ديناميك سيستم غيرخطي و چند متغيره است و نيز به‌ دليل داشتن تنها چهار ورودي براي كنترل شش درجه‌ی آزادي، سيستمي زيرتحريک است كه روش‌هاي كنترلي معمول براي روبات‌هايي با تحريك كامل را براي اين سيستم با مشكل مواجه مي‌كند.

تاریخچه کوادروتور

مفهوم كوادروتور مدت‌های مديدي است كه شکل‌گرفته است. در سال1907، برادران برگويت، اولين نمونه از اين وسيله را ساختند. اولين كوادروتور ساخت آن‌ها كه به‌عنوان جايروپلنیک نام‌گذاري شد، با موفقيت همراه نشد. سازه آن شامل چهار ميله نگه‌دارنده از جنس استيل بود و پره‌ها در انتهاي هر يك از ميله‌ها قرار مي‌گرفتند (شکل4). تصاوير حين پرواز نشان مي‌دهند كه حين تست چند نفر از زير كوادروتور را مي‌گرفتند تا پايداري آن را حفظ نمايند. اين وسيله هرگز به‌طور كامل پرواز نكرد زيرا فاقد پايداري و ابزار مناسب كنترلي بود.

جرج دي بوتزات

در سال1922، جرج دي بوتزات در ایالات‌متحده اولين نوع از بزرگ‌ترین بالگردهاي زمان خودش را ساخت. اين وسيله درواقع يك كوادروتور بود كه بدنه آن از يك سازه خرپايي ساخته‌شده بود و سيستم پيش‌ران و ملخ‌ها در انتهاي هريك از چهار سازه اصلي پرنده قرار مي‌گرفت (شکل ‏5). هر روتور اين وسيله از شش پره تشكيل مي‌شد اولين پروازهاي همراه با موفقيت اين پرنده در سال 1922 انجام شد. در واقع می‌توان گفت كه پرواز اين پرنده به‌عنوان اولين پروازهاي موفقیت‌آمیز بالگردها به‌حساب مي‌آيد.

اميشن

در سال 1920 اميشن به ساخت يك كوادروتور كه در ساختار آن يك بالن هيدروژني جهت پايداري و توليد نيروي بالابر بيشتر استفاده‌شده بود، مبادرت ورزيد. همچنين او در ساختار اين وسيله از هشت روتور اضافي در اطراف سازه آن به جهت استفاده از نيروي پيش‌ران آن‌ها و ساده‌تر كردن فرمان‌پذيري اين وسيله استفاده کرد(شکل 6). در سال 1924 او به يك پرواز موفقیت‌آمیز با اين وسيله بدون استفاده از بالن هيدروژني، دست‌یافت.

معایب کوادروتور چیست

پس از ساخت چند نمونه از مدل‌هاي سرنشين دار اين وسيله كه به آن‌ها اشاره گرديد، به دليل معايبي همچون وزن بالا، مصرف توان زياد، نداشتن كارايي لازم و ضعف در تكنولوژي ساخت، استقبالي براي استفاده و ساخت اين وسيله نشان داده نشد. تا اينكه در اوايل قرن حاضر با پيشرفت‌هايي كه درزمینهٔ علم كنترل و فناوري ساخت وسايل پروازي كوچك حاصل شد، توجه به ساخت نمونه بدون سرنشين اين وسيله رو به گسترش نهاد كه در ادامه به چند نمونه از كارهاي انجام‌شده در اين زمينه اشاره مي‌شود.

تاريخ ساخت و استفاده از وسايل هوايي بدون سرنشين

به هواپيماهاي بدون سرنشين برمي‌گردد. اولين هواپيماي هدایت‌پذیر از دور در سال 1913 ميلادي به پرواز در آمد كه موفقيت چنداني به همراه نداشت. سري بعد در جنگ جهاني دوم ساخته شد كه موفق‌ترين آن هواپيمايي موسوم به بمب پرنده بود. آلمان‌ها با اين هواپيما موفق به درهم شكستن دژ مستحكم لندن و بمباران اين شهر شدند. در ميان هواپيماهاي بدون سرنشين موفق اوليه می‌توان به هواپيماهاي CHUKAR و KD2R5 اشاره نمود.

تجارب آمريكا در جنگ ويتنام

تجارب آمريكا در جنگ ويتنام كاربردهاي عملياتي هواپيماهاي بدون سرنشين و سودمندي آن‌ها را ملموس‌تر گردانيد. در اين جنگ آمريكا پروازهاي زيادي جهت شناسايي و اكتشاف بر فراز ويتنام انجام داد كه درصد بالايي از آن‌ها موفقیت‌آمیز بود. در طول دهه‌ي 1980 ميلادي، صنعت هواپيماهاي نظامي بدون سرنشين به‌سرعت توسعه يافت و تعداد زيادي از اين وسايل توسط كشورهاي مختلف ساخته شد. اين امر تا به امروز موجب ايجاد زمينه‌هاي تحقيقاتي فراوان و توليد انواع و اقسام وسايل هوايي بدون سرنشين شده است.

آلتوگ

در سال 2003 آلتوگ روشي براي مشاهده‌پذيري درجات آزادي اين وسيله براي استفاده در كنترل فيدبك ارائه كرد. او براي اين كار از دو عدد دوربين كه يكي متصل به زمين و ديگري بر روي خود اين وسيله نصب‌شده بود، استفاده كرد و با استفاده از تصاوير ارسالي از آن‌ها روش سنجش موقعيت مكاني و چرخشي اين وسيله را موردبررسی قرارداد.

كنترل وضعيت چرخشي

در سال 2004 بو عبدالله با ارائه يك مدل ديناميكي اوليه از كوادروتور به كنترل وضعيت چرخشي اين وسيله و نگه‌داشتن آن در حالت ساده هاورپرداخت. در اين پژوهش جهت پايدارسازي وضعيت چرخشي پرنده از مدل پايداري لياپانوف و براي حفظ پرنده در حالت هاور از کنترل‌کننده PD استفاده‌شده است.

مدل ديناميكي  ارائه‌شده ناقص بوده و در آن، رابطه بين نرخ زواياي اويلر و بردار سرعت زاويه‌اي ناديده گرفته‌شده است. علاوه بر آن در طراحي کنترل‌کننده، معادلات وضعيت چرخشي با حذف اثرات غيرخطي ساده‌سازي شده و از اثر وابستگي تغييرات زوايا به همديگر و اثر ژيروسكوپي صرف‌نظر شده است. کنترل‌کننده طراحی‌شده هم بر روي نمونه واقعي اين وسيله و هم بر روي مدل ديناميكي شبیه‌سازی‌شده‌ی اين پرنده در فضاي مجازي آزمایش‌شده است.

مركز جرم در آزمايش بر روي نمونه واقعي

در آزمايش بر روي نمونه واقعي، مركز جرم پرنده به يك ميز متصل شده است به‌طوری‌که از حركت انتقالي آن جلوگيري شده و فقط امكان تغيير در زواياي چرخشي وجود داشته باشد. کنترل‌کننده طراحی‌شده با هدف نگهداري زوايا در مقدار صفر بر روي پرنده پیاده‌سازی شده است.

 

 

نتايج آزمايش نشان مي‌دهد كه زواياي پرنده با اختلافي حدود دو درجه حول مقدار مطلوب نوسان مي‌كند. در شبيه‌سازي مجازي هدف آن بوده كه کنترل‌کننده پرنده علاوه بر حفظ زوايا در مقدار صفر، پرنده را در دو متري سطح زمين در حالت هاور نگه دارد. نتايج حاصل از شبيه‌سازي نشان مي‌دهد كه پرنده با افزايش و كاهش ارتفاع حول موقعيت مطلوب نوسان كرده و علاوه بر آن زواياي چرخشي با اختلافي حدود شش درجه حول نقطه صفر دائماً در حال نوسان هستند كه اين خود نشان‌دهنده حركت پرنده در جهات طولي و عرضي مي‌باشد.

روش تایبی

در سال 2006 تايبی يك روش كنترلي بر پايه بردار كواترنين جهت پايدارسازي وضعيت چرخشي كوادروتور پيشنهاد كرد. او در اين كار با استخراج كامل معادلات ديناميكي حركت چرخشي، فقط پايدارسازي وضعيت چرخشي پرنده را مدنظر قرار داده و حركت انتقالي پرنده را در نظر نگرفته است. کنترل‌کننده پيشنهادي بر اساس جبران سازی گشتاورهاي ژيروسكوپي و كوريوليس ایجادشده و در آن از ساختار PD استفاده‌شده است. عمل تناسبي برحسب بردار كواترنين و دو عمل مشتق گير برحسب مؤلفه‌هاي بردار سرعت زاویه‌ای و نرخ تغييرات كواترنين‌ها مي‌باشد.

کنترل‌کننده

کنترل‌کننده طراحی‌شده بر روي نمونه واقعي كوادروتور تست‌شده است. براي اين كار مركز جرم پرنده طوري ثابت‌شده است كه فقط امكان چرخش پرنده وجود داشته باشد. مقادير اوليه زواياي چرخشي غیر صفر درنظرگرفته شده و کارایی کنترل‌کننده در متعادل كردن پرنده و به صفر رساندن زواياي چرخشي بررسی‌شده است. نتايج آزمايش انجام‌شده نشان مي‌دهد كه کنترل‌کننده طراحی‌شده با اختلافي حدود يك درجه پرنده را متعادل كرده است.

مطالعات در ایران در مورد کوادروتور

در ايران نيز در سال 1361 پس از يك فاز مطالعاتي درزمینهٔ اين وسايل و شناخت توانايي‌هاي آن‌ها و با توجه به امكانات داخل كشور و وجود زمينه‌هاي مختلف كاربردي در جنگ با عراق، فعاليت نسبتاً گسترده‌اي براي طراحي و ساخت اين وسايل در صنايع دفاعي و دانشگاه‌ها شروع شد و گروه‌هاي متخصص در زمينه‌هاي مختلف موردنیاز ازجمله هوافضا، مكانيك، الكترونيك، كنترل، مخابرات و فيزيك به کار گرفته شدند. نتايج اين فعاليت‌ها ساخت چندين نوع هواپيما بود كه تعدادي از آن‌ها نيز به‌طور محدود در جنگ مورداستفاده قرار گرفتند و هم‌اكنون نيز فعاليت در تكميل اين سيستم‌ها و عملياتي نمودن آن‌ها ادامه دارد.

پیشرفت های انجام شده

پيشرفت‌هاي روزافزون درزمینهٔ فناوري وسايل هوايي بدون سرنشين نظامي در طول چهل سال، موجب رشد شتابان صنعت وسايل هوايي بدون سرنشين غیرنظامی در دهه‌ي اخير شده است. اين رشد به علت كاربردهاي زيادي است كه براي آن‌ها در بخش غیرنظامی مي‌توان تصور نمود. درواقع علت اصلي استفاده از وسايل هوايي بدون سرنشين اين است كه آن‌ها قادرند عمليات سخت و مأموريت‌هاي خطرناك را بدون در معرض خطر قرار دادن زندگي انسان به‌عنوان خلبان، انجام دهند. اين وسايل معمولاً در كاربردهايي كه وسايل باسرنشین موجود قادر به انجام آن‌ها نيستند و يا انجام آن‌ها توسط وسايل باسرنشین مقرون‌به‌صرفه اقتصادي نبوده و يا خطرات زيادي دارد، مورداستفاده قرار می‌گیرند.

 

 

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 7 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 1100 گرم که معادل تقریباً 40 انس است، باشد در صورت استفاده از باتری دو سل مدت پرواز تقریباً 5 دقیقه، و در صورت استفاده از باتری 3 سل مدت پرواز تقریباً 9 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 15 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 8) 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.

 

 

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 ‏9) می‌باشد که قادر به تأمین ولتاژ 11.1 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 ‏10) 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 22 میلی‌متر قطر موتور بوده و 13 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 1) می‌توان RPM موتور را به دست آورد. با توجه به این‌که موتور مورداستفاده ما دارای 920kv بوده و ولتاژ منبع تغذیه ما نیز 11.1 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 ‏11) استفاده کرده‌ایم. استفاده از بسته پیشنهادی شرکت کار ما را در مورد انتخاب نوع کنترل‌کننده سرعت و پره‌ها بسیار ساده کرد.

 

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 4 الی 6 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 27 تا 76 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 2.4 گیگاهرتز

نوع دیگر فرستنده و گیرنده‌ها در محدوده‌ی 2.4 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 10 گرم) و این باعث می‌شود تا بتوان ریزپرنده‌ها را ساخت. اما رادیو کنترل مورداستفاده ما از نوع 2.4 گیگاهرتز و 6 کاناله(شکل ‏12) هست.

 

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 ‏13)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 ‏14) 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 ‏15  می‌توان برد کنترلی متناسب با نیاز خود را تهیه کرد. البته باید دقت داشت که برخی از برد‌های شکل 15  در بازار نبوده و تقریباً منسوخ‌شده‌اند. نکته‌ای که باید به آن دقت داشت این است که کلیه بردهای 15 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 (شکل16 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 ‏17) 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 3 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 6 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 18) 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 برد50.5mm*50.5mm*23.5mm (ابعاد بر حسب میلی‌متر می‌باشد)، وزن145 گرم، میکروکنتر   Atemegal 168 PAژیروسکوپ پیزو الکتریک  MURATA، ولتاژ ورودی 5.5 _3.3 ولت سیگنال گیرنده1520 (4 کاناله) قابلیت ارسال سیگنال به 6 عدد اسپید کنترلر با 1520 میکروثانیه می‌باشد.

  کیو کیو سوپر

فلایت کنترل QQ SUPER (شکل ‏19) 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 32 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 4  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 4 دیپ سوئیچ 8 حالت مختلف تنظیم می‌گردد. دیپ سوییچ‌های شماره 3 و 4 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 اختيار داشتن آزمايشگاه مجهز الكترونيك، ماشین‌آلات مونتاژ SMD  اتوماتيك، دانش فني و بيش از 20 سال تجربه در اين امر  اقدام به طراحي و ساخت نوع خاصي از اين برد الكترونيكي نموده كه بر اساس پروژه اپن سورس MULTIWII(شکل ‏20) و كامپايلر آردوينو، شامل يك ميكروكنترلر ATMEGA328P از كمپاني ATMEL، سنسور ژيروسكوپ 3محور ATG3205 از كمپاني INVENSENSE  ، سنسور  قطب‌نماي 3 محور HMC5884 از كمپاني Honeywell، سنسور شتاب‌سنج سه محور BMA180  و سنسور فشار هوای BMP085 هر دو از كمپاني BOSCH می‌باشد.

عملکرد سنسورها در کوادروتور

همه اين سنسورها مجهز به درگاه I2C بوده و به يك درگاه واحد از ميكروكنترلر متصل‌اند. لازم به ذكر است همه سنسورها اصلي بوده و از شركت‌هاي معتبر تأمین  و دقت و حساسيت خاصي در مونتاژ آن‌ها لحاظ  گرديده و درنهایت كيفيت آن از نمونه‌هاي چيني موجود در بازار بسيار بالاتر، در نتيجه پرواز باثبات بسيار بالاتر و علاوه بر آن از پشتيباني فني ROBOEBAY نيز برخوردار است.

اين برد همه پين‌های میکروکنترلر را در اختيار قرار داده است. درگاه  FTDI  جهت ارتباط سريال با كامپيوتر، تغيير برنامه ميكروكنترلر و انجام تنظيمات، درگاه TTL جهت اتصال ماژول‌هاي تلمتری (BLUETOOTH . LCD ,…) و درگاه I2C جهت ارتقا و اتصال به سنسورهای ديگر و همچنين GPS در نظر گرفته‌شده است.

خروجی برد کوادروتور

در ضمن اين برد داراي خروجي مخصوص راه‌اندازی LED  تا 1 آمپر مي‌باشد. رؤیت اين  LED  جهت انجام كاليبراسيون و تشخيص جهت حركت پرنده، پروازي امن و بدون خطا بسيار ضروري است. اين برد الكترونيكي به‌غیراز مولتي‌روتورها، جهت ايجاد تعادل و بالانس انواع هواپيماي مدل نيز قابل‌استفاده است.