Nguyên lý hoạt động của một quadcoper

Hiểu được cánh quạt của máy bay điều khiển từ xa 4 động cơ thế nào và hướng động cơ cùng với thiết kế cho chúng ta thấy làm thế nào một chiếc máy bay điều khiển từ xa hoạt động.

Máy bay điều khiển từ xa 4 động cơ ngày nay rất dễ bay và bay theo bất kỳ hướng nào. Tuy nhiên, thiết kế kỹ thuật khác với máy bay thông thường hoặc trực thăng về việc vận hành bay.

Trong bài này chúng ta xem xét làm thế nào một quadcopter bay, hướng động cơ yêu cầu, cấu hình, thiết lập, thiết kế cánh quạt cùng với lực đẩy động cơ quadcopter và tính toán yêu cầu.

Drone hoạt động thế nào ?

Quadcopter hoạt động như thế nào ?

Vì vậy, làm thế nào để một quadcopter bay hoặc bay theo bất kỳ hướng nào, nâng hoặc hạ xuống tại một khoảnh khắc chạm vào thanh điều khiển từ xa. Máy bay điều khiển từ xa cũng có thể bay tự động thông qua phần mềm điều hướng được lập trình từ trước và bay theo bất kỳ hướng nào cho điểm đến điểm. Vì vậy, chúng ta hãy nhìn vào công nghệ quadcopter mà làm cho điều này có thể.

Đây là hướng cánh quạt quadcopter cùng với vòng quay và tốc độ của động cơ, làm cho nó có khả năng bay và khả năng cơ động.

Bộ điều khiển bay của quadcopter gửi thông tin đến động cơ thông qua các thông tin mạch điều khiển tốc độ điện tử (ESC) của chúng trên lực đẩy, RPM, (Vòng quay mỗi Phút) và hướng. Bộ điều khiển máy bay cũng sẽ kết hợp dữ liệu IMU, Gyro và GPS trước khi báo hiệu cho động cơ quadcopter về lực đẩy và tốc độ rotor.

Trong khi các công nghệ bay điều khiển từ xa và quadcopter cho đến ngày hôm nay là rất hiện đại so với trước tuy nhiênhọ vẫn sử dụng các nguyên tắc cũ của các nguyên lý bay máy bay điều khiển từ xa 4 động cơ, lực hấp dẫn, hành động và các xử lý phản ứng.

Trong sản xuất quadcopters, cánh quạt và thiết kế động cơ, 4 lực ảnh hưởng đến tất cả các chuyến bay (trọng lượng, nâng, lực đẩy và kéo) cũng là những cân nhắc quan trọng.

Toán học cũng được sử dụng để tính toán lực đẩy động cơ quadcopter trong khi lực ảnh hưởng của máy bay được sử dụng cho thiết kế cánh quạt và chuyển động của không khí ở trên, dưới và xung quanh quadcopter.

Điều quan trọng trước khi bay

Với một chút kinh nghiệm, khi việc bay quadcopter trở nên tự động hoá. Bạn di chuyển các cần điều khiển từ bộ điều khiển từ xa mặt đất mà gửi tín hiệu quadcopter trong bất cứ hướng nào bạn muốn nó bay. Chúng ta không cần phải suy nghĩ về những gì các động cơ hoặc cánh quạt đang làm.

Bây giờ giả sử quadcopter của bạn đã không bay một cách chính xác. Có lẽ nó đang bị kéo theo một hướng hoặc không đứng yên trên không được như trước. Vâng, sự hiểu biết làm thế nào một quadcopter hoạt động và vận hành bay sẽ giúp bạn xác định vị trí vấn đề với một động cơ hoặc cánh quạt, đặc biệt là nếu một kiểm tra trực quan không chỉ hiển thị một lỗi.

Khi bạn hiểu thiết kế cánh quạt quadcopter và lực đẩy động cơ, bạn có thể thay đổi quadcopter của bạn như loại bỏ các máy ảnh và cài đặt một trọng tải khác như một thời gian của việc vận hành bay hoặc một cảm biến Lidar.

Bay với trọng tải khác nhau sẽ có ảnh hưởng đến việc điều khiển, bay và cân bằng của máy bay điều khiển từ xa. Một trọng tải khác nhau sau đó sẽ yêu cầu động cơ quadcopter khác nhau lực đẩy.

Nếu bạn đang tự làm ra thiết kế riêng của bạn hoặc thiết kế quadcopters, sau đó hiểu biết về động cơ và cánh quạt thiết kế là thông tin cần thiết. Bạn cần cấu hình động cơ quadcopter chính xác, khớp cánh quạt, mạch điều khiển tốc độ điện tử cùng với IMU và GPS cùng với phù hợp với cơ thể chính xác.

Quadcopter bay như thế nào ?

Về cơ bản, chuyển động trên điều khiển từ xa sẽ gửi tín hiệu đến bộ điều khiển trung tâm. Bộ điều khiển chuyến bay trung tâm này gửi thông tin này đến Bộ điều khiển tốc độ điện tử (ESCs) của mỗi động cơ, từ đó dẫn động cơ của nó tăng hoặc giảm tốc độ.

Điều khiển từ xa của thanh điều khiển → Bộ điều khiển chuyến bay trung tâm → Mạch điều khiển tốc độ điện tử (ESC) → Động cơ và cánh quạt → Chuyển động quadcopter hoặc lơ lửng trên không.

Bộ điều khiển trung tâm

Bây giờ bộ điều khiển trung tâm cũng lấy thông tin từ IMU, Gyroscope, mô-đun GPS và cảm biến phát hiện chướng ngại vật trên quadcopter. Nó làm cho tính toán tính toán bằng cách sử dụng các tham số và thuật toán chuyến bay được lập trình, sau đó gửi dữ liệu này đến bộ điều khiển tốc độ điện tử.

Trong thực tế, hầu hết các bộ điều khiển bay bao gồm IMU, GPS, Con quay hồi chuyển và nhiều tính năng khác để điều khiển vận hành bay quadcopter và ổn định. Trong nhiều trường hợp, chúng có hai IMU cho dự phòng và các tính năng an toàn khác như Return-To-Home.

Một ví dụ về bộ điều khiển trung tâm sẽ là Bộ điều khiển Bay DJI N3 mới. Nó có rất nhiều tính năng và có thể hoạt động với nhiều loại động cơ khác nhau..

Electronic Speed Control Circuits (ESCs)

Mỗi động cơ quadcopter có một mạch gọi là Điều khiển tốc độ điện tử (ESC). Bộ điều khiển tốc độ điện tử là một mạch điện tử với mục đích thay đổi tốc độ của động cơ điện, hướng của nó và cũng có thể phanh lại.

Bộ điều khiển tốc độ điện tử là một thành phần thiết yếu của quadcopters hiện đại. Chúng cung cấp công suất cao, tần số cao, công suất AC có 3 pha có độ phân giải cao cho động cơ. Đồng thời các ESC này thực sự nhỏ và nhỏ gọn.

Quadcopters và một số loại máy bay điều khiển từ xa phụ thuộc hoàn toàn vào tốc độ thay đổi của động cơ dẫn động chân vịt. Điều này biến thể rộng và RPM lực đẩy và kiểm soát trong động cơ / cánh quạt tốc độ cho quadcopter tất cả các điều khiển cần thiết để bay.

Vertical Lift – Chiều quay của động cơ

Để cho một quadcopter bay lên không trung, một lực phải được tạo ra, bằng hoặc lớn hơn lực hấp dẫn. Đây là ý tưởng cơ bản đằng sau máy bay, đi xuống để kiểm soát lực lên và xuống.

Bây giờ, quadcopters sử dụng thiết kế động cơ và hướng cánh quạt cho động cơ đẩy kiểm soát cơ bản lực hấp dẫn đối với quadcopter.

Việc quay các cánh quạt quadcopter đẩy không khí xuống. Tất cả các lực tác dụng theo cặp (Định luật thứ ba của Newton), có nghĩa là đối với mọi lực tác động có lực phản ứng bằng (kích thước) và ngược lại (theo hướng). Do đó, khi rôto đẩy xuống không khí, không khí đẩy lên trên rôto. Các rôto quay nhanh hơn, thang máy càng lớn và ngược lại.

Bây giờ, một chiếc máy bay điều khiển từ xa có thể làm ba điều trong mặt phẳng thẳng đứng: lơ lửng trên không, Bay cao lên hoặc xuống.

flycam hoạt động thế nào
Chiều quay của động cơ
  • Hover Still – Để lơ lửng trên không, lực đẩy ròng của bốn rôto đẩy bay điều khiển từ xa lên và phải chính xác bằng lực hấp dẫn kéo nó xuống.
  • Bay cao theo chiều thẳng đứng – Bằng cách tăng lực đẩy (tốc độ) của bốn rôto quadcopter sao cho lực hướng lên lớn hơn trọng lượng và lực hấp dẫn.
  • Dọc theo chiều dọc – Rơi xuống xuống đòi hỏi phải làm ngược lại chính xác của việc leo lên. Giảm lực đẩy rotor (tốc độ) sao cho lực ròng giảm xuống..

Các trục quay của động cơ

Trước khi đi vào động cơ quadcopter và thiết lập cánh quạt, cho phép giải thích một chút về các thuật ngữ được sử dụng khi nó bay về phía trước, ngược, ngang hoặc xoay trong khi lơ lửng. Chúng được gọi là Pitch, Roll và Yaw.

Yaw – Đây là xoay hoặc xoay đầu của quadcopter hoặc sang phải hoặc trái. Đó là chuyển động cơ bản để quay quadcopter. Trên hầu hết các mục tiêu giả lập, nó là đạt được bằng cách sử dụng thanh ga bên trái hoặc sang trái hoặc phải.

Pitch – Đây là chuyển động của quadcopter hoặc về phía trước và phía sau. Chuyển tiếp Pitch đạt được thường bằng cách đẩy thanh ga về phía trước, mà làm cho quadcopter nghiêng và di chuyển về phía trước, ra xa bạn. Còn phía sau lại đạt được bằng cách di chuyển thanh ga ngược về phía sau.

Roll – Hầu hết mọi người bị nhầm lẫn với Roll và Yaw. Bay nghiêng về một bên là làm cho bay quadcopter sang một bên, hoặc sang trái hoặc phải. Bay nhào lộn được điều khiển bởi thanh điều khiển bên phải, làm cho nó bay hoặc trái sang phải.

Nhiều người trong số các máy bay điều khiển từ xa công nghệ cao hơn như Yuneec Q500 4k quadcopter cho phép bạn bay nó theo 2 cách khác nhau. Bạn có thể bay các máy bay điều khiển từ xai như thể bạn là phi công như thể bạn đang thực sự trong quadcopter. Bạn sử dụng các cần điều khiển khác nhau để lộn nhào cho dù máy bay điều khiển từ xa đang tiến về phía bạn hoặc bay xa bạn..

Hướng Yaw của động cơ

Yaw là độ lệch hoặc quay đầu của quadcopter hoặc sang phải hoặc trái. Trên những chiếc máy bay điều khiển từ xa như DJI Mavic Pro, khi được vận hành bay Yaw được điều khiển bởi thanh điều khiển bên phải trên bộ điều khiển từ xa. Di chuyển thanh sang trái hoặc phải sẽ làm cho xoay quadcopter hoặc trái hoặc phải.

Các vận hành ngay trên trạm điều khiển từ xa gửi tín hiệu đến bộ điều khiển chuyến bay, lần lượt gửi dữ liệu cho các mạch ESC quadcopter điều khiển cấu hình động cơ và tốc độ cho động cơ.

Trong sơ đồ trên, bạn có thể thấy cấu hình động cơ quadcopter, với 2/4 động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ (động cơ CCW) và 1/3 động cơ quay theo chiều kim đồng hồ (động cơ CW). Với hai bộ động cơ quadcopter được cấu hình để xoay theo hướng ngược lại, tổng động lượng góc là zero.

Động lượng góc là tương đương quay của động lượng tuyến tính và được tính bằng cách nhân tốc độ góc với thời điểm quán tính. Thời điểm quán tính là gì? Nó tương tự như khối lượng, ngoại trừ nó đề với luân chuyển. Động lượng góc phụ thuộc vào tốc độ quay của rôto.

Về mặt khái niệm, thời điểm quán tính có thể được coi như thể hiện sức đề kháng của đối tượng để thay đổi vận tốc góc.

Nếu không có mô-men xoắn trên động cơ quadcopter, thì tổng động lượng góc phải duy trì hằng số bằng không. Để hiểu được chuyển động góc của quadcopter ở trên, hãy nghĩ về rôto ngược chiều kim đồng hồ 2 và 4 có động lượng góc dương và động cơ quadcopter màu xanh lá cây theo chiều kim đồng hồ có động lượng góc âm. Tôi sẽ gán cho mỗi động cơ một giá trị là -4, +4, -4, +4, tương đương với 0

Để xoay mục tiêu giả ở bên phải, sau đó giảm tốc độ góc của động cơ 1 để có một động lượng góc -2 thay vì -4. Nếu không có gì khác xảy ra, tổng động lượng góc của quadcopter bây giờ sẽ là +2. Bây giờ, điều đó không thể xảy ra. Máy bay điều khiển từ xa bây giờ sẽ xoay theo chiều kim đồng hồ sao cho thân máy bay điều khiển từ xa có động lượng góc -2.

Giảm vòng quay của rotor 1 đã thực sự gây ra các mục tiêu giả để xoay, nhưng cũng gây ra một vấn đề. Nó cũng giảm lực đẩy từ động cơ 1. Bây giờ lực hướng lên trên không bằng lực hấp dẫn và quadcopter hạ xuống.

Ngoài ra động cơ quadcopter lực đẩy không giống nhau vì vậy quadcopter trở nên không cân bằng. Quadcopter sẽ tip xuống theo hướng của động cơ 1.

Để xoay mục tiêu giả mà không tạo ra sự mất cân đối ở trên, thì giảm độ quay của động cơ 1 và 3 với sự gia tăng quay cho rôto 2 và 4.

Động lượng góc của rôto vẫn không cộng thêm 0, do đó thân máy bay điều khiển từ xa phải xoay. Tuy nhiên, tổng lực vẫn bằng lực hấp dẫn và bay điều khiển từ xa tiếp tục di chuyển. Kể từ khi các cánh quạt đẩy thấp hơn là đường chéo đối diện với nhau, máy bay điều khiển từ xa vẫn có thể cân bằng..

Hướng Pitch và Roll của động cơ

Bởi vì hầu hết các quadcopters có hình dáng đối xứng (DJI Phantom 4, Ehang Ghost, Autel X-Star và Spellpro máy bay điều khiển từ xa không thấm nước làm ví dụ), không có sự khác biệt giữa di chuyển về phía trước hoặc lạc hậu. Nó cũng tương tự cho chuyển động bên này sang bên kia. Làm thế nào để bay về phía trước cũng giải thích làm thế nào để bay ngược hoặc sang một bên.

Để bay về phía trước, việc tăng tốc động cơ quadcopter (tốc độ quay) của rôto 3 và 4 (động cơ phía sau) và giảm tốc độ rôto 1 và 2 (động cơ phía trước) là cần thiết. Tổng lực đẩy sẽ vẫn bằng với trọng lượng, vì vậy máy bay điều khiển từ xa sẽ ở cùng cấp độ dọc.

Ngoài ra, vì một trong các cánh quạt phía sau quay ngược chiều kim đồng hồ và chiều kim đồng hồ khác, nên vòng quay tăng của những động cơ đó vẫn sẽ tạo ra động lượng góc không. Điều tương tự cũng đúng đối với các cánh quạt phía trước và do đó máy bay không quay.

Tuy nhiên, lực lớn hơn ở phía sau của máy bay điều khiển từ xa có nghĩa là nó sẽ nghiêng về phía trước. Bây giờ tăng nhẹ lực đẩy cho tất cả các rôto sẽ tạo ra lực đẩy ròng có một thành phần để cân bằng trọng lượng cùng với một thành phần chuyển động về phía trước..