مجله فناوری

کوادکوپتر ارزان
در چند سال اخیر بازار فروش کوادکوپترها برای استفاده شخصی و تفریحی بسیار افزایش یافته است. در سراسر جهان امروزه کوادکوپترها و درونز ها در طیف وسیعی با قیمت های بسیار بالا یا حتی بسیار ارزان به فروش می رسند. انواع مختلف در طراح ها و رنگ های مختلف از این محصول در بازارهای سراسر دنیا یافت می شود. امروزه کوادکوپترها به عنوان پهباد ها (UAVs) و هواپیماهای بدون سرنشین (Drones) به دلیل طراحی آسان، و همچنین تطبیق پذیری شهرت گسترده ای دارند. کوادکوپترها در اندازه ها و قیمت های متنوعی در دسترس هستند.
خلاصه ای از کوادکوپتر
کوادکوپترها یک شیوه اقتصادی برای معرفی خود به دنیای وسایل هوایی کنترل از را دور هستند. به پرواز درآوردن آن ها جالب است، و با کمی تمرین و صبر هرکسی می تواند یادبگیرد که چگونه یک کوادکوپتر را به پرواز درآورد.
کوادکوپتر چیست؟
کوادکوپتر، یا مالتی روتر (چند پروانه)، یا پهباد، یا کوادروتر، یک وسیله مکانیکی پروازی ساده با چهار بازو است، که در هر یک از بازوها موتوری به یک پروانه متصل شده است. مالتی کوپترها با سه، شش یا هشت بازو نیز وجود دارند، اما عمدتا شبیه به کوادکوپتر عمل می کنند. دو پروانه در جهت عقربه های ساعت و دو پروانه دیگر خلاف جهت ساعت می چرخند. کوادکوپترها به لحاظ ایرودینامیکی ناپایدار هستند، و به یک کامپیوتر پرواز نیاز دارند تا فرمان های ورودی را به فرمان هایی تبدیل کنند که RPM های (دور موتور) پروانه ها را تغییر دهند تا حرکت مطلوب و مورد نظر را ایجاد نمایند. این پاراگراف در واقع پاسخی کوتاه به سؤال بالا بود. در ادامه این مقاله اطلاعات بیشتری برای آشنایی شما با دنیای کوادکوپترها ارائه می دهیم.
کوادکوپترها با هلیکوپترها یا هواپیماهای بال ثابت تفاوت دارند چرا که نیروهای بالارونده و کنترلی ایجاد می کنند. چرا که در هواپیما بلند شدن بوسیله بال ها انجام می شود، اما در کوادکوپتر این امر توسط پروانه ها صورت می گیرد. هلیکوپتر از روتر اصلی خود برای بلند شدن استفاده می کند، اما در عین حال می تواند چرخش تیغه های روتر را به منظور ایجاد نیروهای کنترلی تغییر دهد.
ایده کوادکوپتر جدید نیست. طراحی های کوادکوپترهای با سرنشین در دهه 1920 و 1930 ارائه شد، اما این ایده ها دارای عملکردی نامطلوب، و سطح بالایی از ناپایداری بودند، و به حجم بالایی از فرمان های خبان نیاز داشتند. با پیشرفت فناوری الکترونیک در کامپیوترهای کنترل پرواز، موتورهای بدون هسته یا براش لس، میکروپردازشگرهای کوچکتر، باتری ها، دوربین ها، و حتی سیستم های GPS طراحی و پرواز کوادکوپترها امکان پذیر شد. سادگی کوادکوپترها آن را به یک وسیله عکسبرداری هوایی و پلت فرم ویدئویی مؤثر تبدیل کرده است.
یک کوادکوپتر چگونه کار می کند؟
یک کوادکوپتر چگونه در حالت شناور (درجا پرواز کردن) می ماند یا در هر مسیری پرواز می کند، یا چگونه در موقع لمس وسیله کنترل از راه دور بلند می شود یا می نشیند. این سوالات سوالی است که ممکن است برای تمام خریداران این وسیله یا تمام مشتریان ایجاد گردد. پهبادها همچنین می توانند از طریق نرم افزار ناوبری نقطه بینابین به طور مستقل و همچنین در هر مسیری برای رفتن از نقطه ای به نقطه ای دیگر پرواز کنند. در اینجا به تکنولوژی کوادکوپتر می پردازیم که این مسئله را ممکن ساخته است.
جهت پروانه کوادکوپتر به همراه چرخش موتور و سرعت است که پرواز و مانورپذیری آن را میسر ساخته است.

کنترل کننده
یک کوادکوپتر معمولی دارای 4 کانال کنترل است که فرمان ها را به پهباد ارسال می کند تا دریچه کنترل سوخت، انحراف، اوج و چرخش آن را تحت تأثیر قرار دهد. فرکانس ارتباطات اغلب کنترل کننده ها 2.4 GHz است. این عدد همچنین فرکانس معمول مورد استفاده برای اتصالات وای فای است. گر چه وقوع تداخل غیر محتمل است، درصورتی که با تأخیر ارتباط یا توقف ارسال داده ها در کوادکوپتر خود مواجه شدید ارزش دارد که موارد را بررسی کنید.
کنترل کننده دارای 4 دکمه فرمان دهنده است تا حداقل اصلاحات را در رفتار پروازی کوادکوپتر شما ایجاد کند. اگر متوجه شدید که بدون ورودی فرمان کنترل، پهباد در یک جت خاص شناور است، کاربرد دکمه فرمان برای آن ورودی کنترل در جهت مخالف می تواند حالت شناوری را برطرف سازد.
پروانه ها
لازم است که همواره به خاطر داشته باشید که دو دسته پروانه، و دو دسته موتور وجود دارند ک در جهت مخالف می چرخند. چرخش دو دسته پروانه ها متفاوت است. بنابراین اگر یک دسته از پروانه های مخالف را انتخاب کنید، هوا را به جای پایین به بالا می فرستند. این امر منجر به نیروی رو به پایین در کوادکوپتر می شود و بدین ترتیب پهباد شما معلق می ماند و پرواز نمی کند. هنگامیکه پروانه ها را انتخاب می کنید مطمئن شوید که به کدام موتور تعلق دارند. اگر با دقت نگاه کنید، پروانه دارای یک علامت است که دسته موتورهایی که به آن تعلق دارند را نشان می دهد.
سیستم کنترل پرواز
کوادکوپتر سایما شما با تغییر RPM های هر پروانه پرواز و حرکت می کند. بنابراین وقتی دسته ی کنترل کننده خود را حرکت می دهید، این فرمان باید به فرمان های مطلوب برای هر چهار موتور در کوادکوپتر شما تبدیل شود. این امر توسط سیستم کنترل پرواز انجام می شود. هدف کامپیوتر پرواز آسان سازی هماهنگی کنترل همه چهار پروانه لازم برای پرواز کوادکوپتر شماست. کامپیوتر کنترل پرواز می تواند به چند دستگاه و سنسور دیگر متصل شود. دستگاه اصلی که به آن متصل می شود گیرنده کنترل از راه دور است، که به فرستنده از راه دور شما مرتبط شده است.
در کوادکوپترهای پیشرفت، کنترل کننده پرواز همچنین دارای یک فرستند است تا کنترل کننده شما ارتباط داشته باشد، تا یک ارتباط دو طرفه را ایجاد نماید. سنسورهای معمول که در کوادکوپترهای پیچیده تر وجود دارند شامل GPS، قطب نمای ژیروسکوپی، و بارومتر هستند.

جهت موتور کوادکوپتر برای انحراف
انحراف به معنای انحراف یا چرخش سر کوادکوپتر به سمت راست یا چپ است. در یک پهباد همچون DJI Mavic Pro، عمل انحراف بوسیله دسته کنترل راست بر کنترل کننده از راه دور انجام می شود. حرکت دسته به سمت چپ یا راست کوادکوپتر را به چپ یا راست می چرخاندو
حرکت در ایستگاه زمینی کنترل از راه دور سیگنال هایی را به کنترل کننده پرواز ارسال می کند که داده هایی را به مدارهای ESC کوادکوپتر می فرستد که وضعیت موتور را کنترل می کند و به موتور سرعت می دهد.
برای مشاهده عینی این امر، به نمای وضعیت پروانه کوادموپتر در زیر نگاه کنید. این نمایی از کوادکوپتر DJI Phantom 3 است، که از بالا با تیغه ها نشان داده شده است که از 1 تا 4 علامت گذاری شده اند.
در نمای بالا، می توانید وضعیت موتور کوادکوپتر را مشاهده کنید، که 4/2 موتورها خلاف جهت ساعت (موتورهای CCW) و 3/1 موتور (موتورهای CW) در جهت ساعت می چرخند. درحالی ک دو دسته از موتورهای کوادکوپتر طوری تنظیم شده باشند که در جت مخالف بچرخند، مجموع انداز حرکت زاویه ای براب با صفر است.
حرکت زاویه ای معادل چرخشی حرکت خطی ست و بوسیل ضرب سرعت زاویه ای در لحظه اینرسی محاسبه می شود. لحظه اینرسی چیست؟ مشابه با حجم است، جز اینکه با چرخش سر و کار دارد. حرکت زاویه ای ب سرعت چرخش روترها بستگی دارد.
به لحاظ مفهومی، لحظه اینرسی به معنای ارائه مقاومت جسم به تغییر در سرعت زاویه ای است.
درصورت عدم وجود گشتاوری بر موتورهای کوادکوپتر، مجموع حرکت زاویه ای باید ثابت باقی بماند که برابر با صفر است. برای درک حرکت زاویه ای کوادکوپتر بالا، تصور کنید ک روتهای آبی خلاف جهت ساعت 2 و 4 دارای حرکت زاوی ای مثبت و موتورهای سبز کوادکوپتر در جهت ساعت دارای حرکت زاوی ای منفی هستند. من برای هر موتور مقادیر -4,+4,-4,+4 را تعیین کرده ام، که برابر با صفر است.
برای چرخش پهباد، کاهش سرعت زاویه ای موتور 1 می تواند حرکت زاویه ای -2 را به جای -4 ایجاد کند. اگر اتفاق دیگری رخ نداد، مجموع حرکت زاویه ای موادکوپت هم اکنون +2 خواهد بود. اکنون، این اتفاق نمی تواند رخ دهد. پهباد در حال حاضر در جهت ساعت می چرخد بنابراین بدنه آن دارای حرکت زاویه ای -2 خواهد بود.

دینامیک های کوادکوپتر
چهار نیروی اصلی در یک کوادکوپتر عمل می کنند.
جاذبه: این امر باید برای همه آشکار باشد. این نیرویی ست که کوادکوپتر را با توجه جرم آن به پایین می کشد.
بالابری: این نیوی واکنشی بالارونده بر کوادکوپتر با توجه به پروانه ها ست
پرتاب: این نیروی واکنشی افقی بر کوادکوپتر با توجه به پروانه هاست.
کشش: این نیروی عکس بر کوادکوپتر با توجه به هوا است. تصور کنید که در یک ماشین قرار دارید، و دست خود را بیرون از پنجره قرار داده اید. هوایی که به دست شما برخورد می کند سعی دارد دست شما ا به عقب براند.
معلق بودن کوادکوپتر
معلق بودن زمانی رخ می دهد که نیروی بالا برنده با نیروی پایین برنده جاذبه در حالت تعادل قرار داشته باشند. برای بالا بردن پهباد، لازم است تا نیروی بالابرنده بیشتر از نیروی جاذبه باشد. این امر با افزایش RPM در همه چهار پروانه به طور همزمان میسر می شود، که بالاروندگی بیشتری را ایجاد می کند. برای کاهش ارتفاع، RPM به طور همزمان در چهار پروانه کاهش پیدا می کند. بر کنترل کننده شما، این امر با حرکت دسته به بالا یا پایین انجام می شود، که RPM روتر را کاهش یا افزایش می دهد، که باعث می شود کوادکوپتر شما به بالا یا پایین حرکت کند.
برای حرکت پهباد به چپ، راست، جلو، و عقب، ما زاویه نیروی بالا برنده را تغییردادیم بدین ترتیب دارای بش های عمودی و افقی است. بخش عمودی همچنان برای حفظ کوادکوپتر در هوا به کار برده می شود، درحالیکه بخش افقی پرتاب کنترلی را ایجاد می کند.
حرکت کوادکوپتر
برای حرکت کوادکوپتر به جلو یا عقب، ما با استفاده از دسته راست بر کنترل کننده پرتاب را تنظیم می کنیم. آنچه که رخ می دهد این است که پروانه های جلویی RPM را کاهش می دهند، درحالیک پروانه های عقبی RPM را افزایش می دهند. اکنون نیروی بالا برنده دارای بخش افقی ست که منجر به حرکت کوادکوپت به سمت بالا می شود. عکس این امر بای حرکت کوادکوپتر به عقب انجام می شود. RPM پروانه جلویی افزایش می یابد، درحالیکه RPM پروانه عقبی کاهش پیدا می کند.
برای حرکت غیر مستقیم کوادکوپتر خود، تغییر مشابهی در RPM رخ می دهد، اما این بار این تغییر بر پروانه های چپ و راست ایجاد می شود. برای حرکت پهباد خود به سمت چپ، لازم است تا نیروی چپ را اندکی به چپ منحرف سازید. این امر با کاهش RPM بر روترهای چپ، و افزایش RPM بر طرف راست انجام می شود. یک تغییر مشابه در RPM های روتر رخ می دهد تا کوادکوپتر شما به چپ حرکت کند.

معرفی قطعات کوادکوپتر
حال که با کاربردها و اصول پرواز کواد آشنا شدیم بهتر است درباره اجزای آن هم اطلاعاتی بدست آوریم. یک کواد معمولا شامل قطعاتی مانند : فریم یا بدنه، موتور، ملخ، باتری، سنسورهای IMU، کنترل کننده پرواز، فرستنده و گیرنده می باشد. می خواهیم چند مورد از مهم ترین قطعات کواد را به صورت ساختاری بررسی کنیم.

فریم
بدنه یا فریم ساختاری است که قطعات روی آن نصب می شود و باید دارای استقامت کافی باشد تا بتواند لرزش های ناشی از چرخش موتورها را تا حد ممکن خنثی کند. بدنه کوادکوپتر از ۲ یا ۳ بخش تشکیل شده است که لزوما هم نباید از یک جنس باشند.

-صفحه مرکزی که بردهای الکترونیک روی آن قرار می گیرند.

-چهار بازوی اصلی که به صفحه ی مرکزی وصل می شوند.

-چهار چنگک یا نگه دارنده ی موتورها که به انتهای بازوها وصل می شوند.

جنس بدنه عمدتا از مواد زیر می باشد: فیبر کربن، الومینیوم، چوب مانند MDF

۷

موتور
برای به پرواز درآوردن کوادها نیاز به موتورهایی پرسرعت است که با ولتاز DC کار می کنند و البته مشکلاتی مانند از بین رفتن جاروبک ها و جرقه زنی در آن ها وجود ندارد. به بیان دیگر عملکرد سریع، بی وقفه و صحیح موتورها جزء حیاتی ترین عوامل در پرواز کواد است. به همین دلیل بهترین گزینه استفاده از موتورهای براشلس است.

حال کمی درباره ی موتورهای براشلس توضیح می دهیم. این موتورها از این لحاظ که برای چرخاندن شافت از سیم پیچ و آهنربا استفاده می کنند به موتورهای DC معمولی شبیه هستند، اما روی شافت خود هیچ جاروبکی که باعث تغییر جهت جریان سیم پیچ ها شود ندارند (به همین دلیل به آن ها brushless یا بدون جاروبک می گویند). در عوض در مرکز خود سه سیم پیچ دارند که ثابت شده اند، به این معنا که سیم ها مستقیما به آن ها متصل بوده و نیازی به جاروبک ندارند. در فضای اطراف سیم پیچ ها تعدادی آهن ربا درون محفظه یک استوانه که به شافت متصل است قرار گرفته اند.

موتورهای براشلس نسبت به موتورهای DC معمولی سریع تر می چرخند و در یک سرعت معین توان کمتری مصرف می کنند. این موتورها به این دلیل که در جاروبک ها توان تلف شده ای ندارند (چون اصلا جاروبک ندارند) مصرف انرژی بهینه تری داردند.

موتورهای براشلس در انواع مختلفی عرضه می شوند که از نظر سایز و مصرف جریان تفاوت دارند. در زمان انتخاب موتور باید وزن، سایز، اندازه ملخ یا پروانه مورد استفاده و در نهایت به میزان جریان مصرفی دقت کرد. در تصویر زیر یک نمونه موتور براشلس که مربوط به یک فلاپی گردان قدیمی است را مشاهده می کنید. استاتور این موتور همان سیم پیچ های مرکزی است که ثابت هستند و روتور هم که در شکل به صورت وارونه در سمت راست قرار گرفته دارای آهن ربای دائمی است. چرخش این موتورهای نیازمند برد الکترونیک مخصوصی است.

۸۰۰px-Floppy_drive_spindle_motor_open

ESC
Electronic speed controller) ESC) یک برد الکترونیکی است که به موتور می گوید که با چه سرعتی بچرخد و برای هر موتور یک عدد نیاز است. هر کدام از ESC ها باید به صورت مستقیم یا از طریق برد توزیع کنند توان، به باتری متصل گردند. چرخش موتورها با سرعت بسیار دقیق به منظور پرواز پایدار اهمیت وجود ESC را نشان می دهد.

اغلب موتورهای براشلس دارای ۳ فاز هستند، بنابراین منبع تغذیه DC برای چرخاندن آن ها مناسب نیست. راه حل استفاده از ESC است. ESC سه سیگنال فرکانس بالا با فاز متفاوت اما قابل کنترل را به طور پیوسته برای چرخش موتور تولید می کند و هم چنین می تواند با source کردن جریان کافی باعث شود تا موتور در صورت نیاز توان بیشتری مصرف کند. ESC یک برد کنترل موتور ارزان قیمت با یک ورودی باتری و یک خروجی ۳ فاز برای موتور است. هر ESC به طور مستقل با یک سیگنال PPM (یا PWM) کنترل می شود. برای یک کوادکوپتر، کنترلر باید توانایی تولید فرکانس های تا حد امکان بالا را داشته باشد تا موتور بتواند به منظور پایداری بیشتر کواد، خیلی سریع تغییر سرعت دهد. برای مثال سیگنال PPM با ۲۰۰ یا ۳۰۰ هرتز مناسب است.

دوفاکتور مهم در انتخاب ESC نقش دارند:

توانایی source کردن جریان کافی که حداقل باید ۱۰ آمپر باشد.
امکان تغییر فرکانس سیگنال در محدوده دلخواه و قابل تنظیم.
در شکل زیر یک نمونه ESC که توانایی source کردن ۳۰ آمپر را دارد مشاهده می کنید.

۹

کنترل کننده پرواز
هیچ انسانی قادر نیست تا با استفاده از قوانین فیزیک بیان شده جهت پرواز کواد، تعادل کواد را حفظ کرده و آن را به مقصد مورد نظر هدایت کند. این جاست که کنترل کننده های پرواز وارد بازی می شوند. در واقع برد کنترل کننده پرواز مغز کواد است. این برد بر اساس ورودی، سرعت موتورها را کنترل می کند. مثلا فرمان حرکت افقی که از طرف خلبان صادر می شود به برد کنترل کننده پرواز داده شده و این برد سرعت موتورها را متناسب با این دستور تنظیم می کند. همچنین برای پروازی دقیق تر نیاز است تا علاوه بر کنترل خلبان، کنترل های دیگر که ناشی از اندازه گیری سرعت، شتاب، جهت، موقعیت جغرافیایی و … است به کواد اعمال شود. در نتیجه سنسورهایی مانند شتاب سنج و ژیروسکوپ که برای تعیین سرعت موتورها به کار می روند در این قسمت قرار گرفته اند. قسمتی که مسئول اندازه گیری است، IMU یا واحد اندازه گیری داخلی نام دارد.

IMU یک سنسور الکترونیکی است که وظیفه اندازه گیری سرعت، جهت و نیروی گرانش کواد را بر عهده دارد. این اندازه گیری ها کمک می کند تا محاسبات لازم برای تغییر سرعت موتور ها انجام شود. IMU ترکیبی از یک شتاب سنج ۳ محور و یک ژیروسکوپ (گردش نما) ۳ محور می باشد. در برخی موارد از یک مغناطیس سنج ۳ محور هم برای پایداری بیش تر محور عمودی استفاده می شود.

IMU چگونه کار می کند؟
شتاب سنج، نیرو و شتاب را اندازه گیری می کند، بنابراین گرانش به سمت پایین هم حس می شود. چون شتاب سنج، حس گرهای ۳ محور دارد، در نتیجه جهت دستگاه را هم می تواند تشخیص دهد.

ژیروسکوپ سرعت زاویه ای را اندازه گیری خواهد کرد. به بیان دیگر سرعت گردش حول سه محور را به دست می آورد.

استفاده از شتاب سنج به تنهایی
اگر فقط از شتاب سنج استفاده شود می توان جهت را نسبت به سطح زمین به دست اورد. اما وقتی لرزش موتورهای زیاد باشد، شتاب سنج نمی تواند لرزش را از جهت تشخیص دهد و ناپایدار می شود. بنابراین برای حل این مشکل سراغ ژیروسکوپ می رویم. در نتیجه بین لرزش و حرکت واقعی تمایز قائل خواهیم شد.

استفاده از ژیروسکوپ به تنهایی
با ژیروسکوپ می توانیم حرکت گردشی را تشخیص دهیم، پس چرا فقط از ژیروسکوپ استفاده نمی کنیم؟

ژیروسکوپ معمولا دچار رانش یا drift می شود به این معنا که اگر شروع به چرخش سنسور کنیم، خروجی ژیروسکوپ سرعت زاویه ای خواهد بود اما در صورت متوقف کردن حرکت، مطمئن نیستیم که خروجی ژیروسکوپ هم صفر می شود. اگر تنها از ژیروسکوپ استفاده شود بعد از توقف هم چنان خروجی غیر صفر وجود خواهد داشت. به همین دلیل از شتاب سنج هم در کنار ان استفاده می شود.