Квадрокоптер - Quadcopter

А DJI Фантом квадрокоптер дрон в полете

А квадрокоптер или квадрокоптер[1] это тип вертолет с четырьмя роторы.[2]

Хотя квадрокоптеры и вертолеты конвертопланы долгое время летали экспериментально, конфигурация оставалась диковинкой до появления современных БПЛА или дрон. Небольшой размер и низкий инерция дронов позволяет использовать особенно простую систему управления полетом, которая значительно повысила практичность маленького квадрокоптера в этом приложении.

Принципы дизайна

Каждый ротор производит оба лифт и крутящий момент о его центре вращения, а также тянуть против направления полета транспортного средства.

Квадрокоптеры обычно имеют два вращающихся ротора по часовой стрелке (CW) и два против часовой стрелки (CCW). Управление полетом обеспечивается независимым изменением скорости и, следовательно, подъемной силы и крутящего момента каждого ротора. Шаг и крен контролируются изменением сетки центр тяги, при этом рыскание регулируется изменением сетки крутящий момент.[3]

В отличие от обычных вертолетов, квадрокоптеры обычно не имеют циклического управления шагом, при котором угол лопастей динамически изменяется при их повороте вокруг ступицы ротора. На заре полетов квадрокоптеры (тогда называемые либо «квадрокоптеры», либо просто «вертолеты») рассматривались как возможное решение некоторых из постоянных проблем вертикального полета. Проблемы управления крутящим моментом (а также проблемы с эффективностью, возникающие из-за хвостовой винт, который не создает полезной подъемной силы) может быть устранен за счет вращения в противоположных направлениях, а относительно короткие лопасти гораздо проще сконструировать. Ряд пилотируемых конструкций появился в 1920-1930-х годах. Эти машины были одними из первых успешных самолетов тяжелее воздуха. вертикальный взлет и посадка (VTOL) транспортных средств.[4] Однако ранние прототипы страдали от плохой производительности.[4] и последние прототипы требовали слишком большой рабочей нагрузки на пилота из-за плохой устойчивости[5] и ограниченные контрольные полномочия.

Крутящий момент

Если все четыре ротора вращаются одновременно угловая скорость, с двумя вращающимися по часовой стрелке и двумя против часовой стрелки, чистый крутящий момент вокруг ось рыскания равен нулю, что означает отсутствие необходимости в рулевом винте, как на обычных вертолетах. Рыскание вызвано несоответствием баланса аэродинамических моментов (то есть, смещением кумулятивных команд тяги между парами лопастей, вращающихся в противоположных направлениях).[6][7]

  • Схема реактивных моментов на каждом двигателе квадрокоптера из-за вращающихся роторов. Роторы 1 и 3 вращаются в одном направлении, в то время как роторы 2 и 4 вращаются в противоположном направлении, создавая противоположные крутящие моменты для управления.

  • Квадрокоптер зависает или регулирует свою высоту, прилагая одинаковую тягу ко всем четырем роторам.

  • Квадрокоптер регулирует рыскание за счет приложения большей тяги к роторам, вращающимся в одном направлении.

  • Квадрокоптер регулирует свой шаг или крен, прикладывая большую тягу к одному ротору (или двум соседним роторам) и меньшую тягу к диаметрально противоположному ротору.

Состояние вихревого кольца

Все квадрокоптеры соответствуют нормальным аэродинамическим характеристикам винтокрылых машин, включая состояние вихревого кольца.[нужна цитата ]

Механическая структура

Основными механическими компонентами являются фюзеляж или рама, четыре роторы (либо фиксированный-подача или с переменным шагом), и двигатели. Для лучшей производительности и простейших алгоритмов управления двигатели и гребные винты расположены на одинаковом расстоянии.[8]

Коаксиальные роторы

Квадрокоптер коаксиальный - OnyxStar FOX-C8 XT Observer от Альтигатор

Чтобы обеспечить большую мощность и стабильность при меньшем весе, квадрокоптер, как и любой другой мультикоптер может нанять коаксиальный ротор конфигурация. В этом случае у каждого плеча есть два двигателя, работающих в противоположных направлениях (один направлен вверх, а другой - вниз).[нужна цитата ]

Операции

Автономный полет

Конфигурацию квадрокоптера относительно просто запрограммировать для автономного полета. Это позволило провести эксперименты со сложным роением, основанным на базовых ощущениях соседних дронов.[нужна цитата ]

Выносливость

Максимальное время полета, достигнутое квадрокоптером с батарейным питанием, составило 2 часа 31 минуту 30 секунд. Рекорд был установлен Фердинандом Кикингером из Германии в 2016 году.[9] Установив рекорд, Кикингер использовал литий-ионные батареи большой емкости с низкой скоростью разряда и лишил планер несущественного веса, чтобы снизить энергопотребление и продлить срок службы.[10]

Альтернативные источники энергии, такие как водородные топливные элементы и гибридные газоэлектрические генераторы, используются для значительного увеличения срока службы из-за повышенной плотности энергии как водорода, так и бензина соответственно.[11]

История

Пионеры

Первый тяжелее воздуха аэродин для вертикального взлета должен был взлетать четырехвинтовой вертолет конструкции Луи Бреге. Тестировался только в полете на привязи и на высоте до нескольких футов. В 1908 году сообщалось, что он летал «несколько раз», хотя подробностей немного.[12]

Этьен Омихен экспериментировал с конструкциями винтокрылых машин в 1920-х годах. Среди разработок, которые он пробовал, его вертолет № 2 имел четыре несущих винта и восемь гребных винтов, все они приводились в движение одним двигателем. В Oehmichen № 2 использовалась рама из стальных труб с двухлопастными роторами на концах четырех рычагов. Угол наклона этих лопастей можно изменять за счет деформации. Пять гребных винтов, вращаясь в горизонтальной плоскости, стабилизировали машину по бокам. Еще один гребной винт был установлен в носовой части для управления. Оставшаяся пара гребных винтов выполняла функции его переднего двигателя. Самолет продемонстрировал значительную для своего времени устойчивость и повышенную точность управления и в середине 1920-х годов совершил более тысячи испытательных полетов. К 1923 году он мог оставаться в воздухе несколько минут за раз, а 14 апреля 1924 года он установил первый в истории рекорд дальности FAI для вертолетов - 360 м (390 ярдов). Продемонстрировал способность проходить круговой курс.[13] а позже он выполнил первый 1-километровый полет по замкнутой цепи на винтокрыле.

вертолет de Bothezat, 1923 фото
Д-р Джордж де Ботезат и Иван Джером разработал вертолет de Bothezat, с шестилопастными роторами на конце Х-образной конструкции. Для управления тягой и рысканием использовались два малых гребных винта с изменяемым шагом. На машине применена система регулирования общего шага. Построенный Воздушной службой США, он совершил свой первый полет в октябре 1922 года. К концу 1923 года было совершено около 100 полетов. Наибольшая высота, на которую он когда-либо взлетал, составляла около 5 м (16 футов 5 дюймов). Несмотря на демонстрацию осуществимости, он был недостаточно мощным, не реагировал, механически сложен и был подвержен проблемам с надежностью. Нагрузка пилота во время зависания была слишком высока для попытки бокового движения.

Послевоенная эпоха

В Convertawings Модель квадрокоптера задумывался как прототип для ряда гораздо более крупных гражданских и военных вертолетов. В конструкции использовались два двигателя, приводящие в движение четыре ротора через систему клиновых ремней. Хвостовой винт не требовался, и управление было достигнуто путем изменения тяги между винтами.[14] Этот вертолет, много раз летавший с 1956 года, подтвердил конструкцию квадрокоптера, а также стал первым вертолетом с четырьмя винтами, продемонстрировавшим успешный полет вперед. Однако из-за отсутствия заказов на коммерческую или военную версию проект был прекращен. Компания Convertawings предложила модель E с максимальным весом 42 000 фунтов (19 т) с полезной нагрузкой 10 900 фунтов (4,9 т) на расстояние более 300 миль и со скоростью до 173 миль в час (278 км / ч). Ротор без подшипников с эластичным шарниром Hanson (EA) вырос из работы, проделанной в начале 1960-х в Lockheed California Томасом Ф. Хансоном, который ранее работал в Convertawings над конструкцией ротора и системой управления квадрокоптера.[15][16]

Curtiss-Wright VZ-7

В Curtiss-Wright VZ-7 1958 года был СВВП самолет спроектирован Кертисс-Райт в конкурсе на «летающий джип» транспортного и исследовательского командования армии США. Управление VZ-7 осуществлялось путем изменения тяги каждого из четырех роторов канальных вентиляторов.

В Пясецкий PA-97 Это было предложение о большом гибридном самолете, в котором четыре фюзеляжа вертолета были объединены с дирижаблем легче воздуха в 1980-х годах.

Текущие события

В Bell Boeing Quad TiltRotor Concept развивает концепцию фиксированного квадрокоптера, комбинируя ее с концепцией наклонного ротора для предлагаемого военного транспорта размера C-130.

Летающий прототип Попугай AR.Drone
Попугай AR.Drone 2.0 взлет, Невада, 2012

Airbus разрабатывает квадрокоптер с батарейным питанием, который будет действовать как городское воздушное такси, сначала с пилотом, но потенциально автономным в будущем.[17]

Дроны

В последние несколько десятилетий компоновка квадрокоптера стала популярной для малых предприятий. беспилотные летательные аппараты или дроны. Потребность в самолетах с большей маневренностью и способностью зависать привела к росту исследований квадрокоптеров. Конструкция с четырьмя роторами позволяет квадрокоптерам быть относительно простыми по конструкции, но при этом очень надежными и маневренными. Продолжаются исследования, направленные на повышение возможностей квадрокоптеров за счет достижений в области связи между судами, исследования окружающей среды и маневренности. Если эти развивающиеся качества удастся объединить, квадрокоптеры смогут выполнять сложные автономные миссии, которые в настоящее время невозможны с другими транспортными средствами.[18]

Примерно с 2005 по 2010 год достижения в области электроники позволили производить дешевые легкие полетные контроллеры, акселерометры (ИДУ ), спутниковая система навигации и камеры. Это привело к тому, что конфигурация квадрокоптера стала популярной для небольших беспилотные летательные аппараты. Благодаря небольшому размеру и маневренности эти квадрокоптеры можно летать как в помещении, так и на открытом воздухе.[1][19]

Для небольших дронов квадрокоптеры дешевле и долговечнее обычных вертолетов из-за их механической простоты.[20] Их меньшие лезвия также имеют преимущество, потому что они обладают меньшей кинетической энергией, что снижает их способность наносить ущерб. Для малогабаритных квадрокоптеров это делает автомобили более безопасными для тесного взаимодействия. Также можно оборудовать квадрокоптеры ограждениями, которые закрывают роторы, что дополнительно снижает вероятность повреждения.[2] Однако по мере увеличения размера квадрокоптеры с фиксированным винтом имеют недостатки по сравнению с обычными вертолетами. Увеличение размера лезвия увеличивает их импульс. Это означает, что изменение скорости лезвия занимает больше времени, что отрицательно сказывается на управляемости. Вертолеты не испытывают этой проблемы, поскольку увеличение размера диска несущего винта не оказывает значительного влияния на способность управлять шагом лопастей.

Благодаря простоте конструкции и управления квадрокоптеры популярны среди любителей. модель самолета проекты.[21][22]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б Hoffmann, G.M .; Раджнараян, Д.Г .; Waslander, S.L .; Досталь, Д .; Jang, J.S .; Томлин, Си-Джей (ноябрь 2004 г.). «Стэнфордский испытательный стенд автономных вертолетов для управления несколькими агентами (STARMAC)». В материалах 23-й конференции по системам цифровой авионики. Солт-Лейк-Сити, штат Юта. С. 12.E.4 / 1–10. Дои:10.1109 / DASC.2004.1390847.
  2. ^ а б Hoffman, G .; Huang, H .; Waslander, S.L .; Томлин, Си-Джей (20–23 августа 2007 г.). "Динамика полета и управление квадрокоптерным вертолетом: теория и эксперимент" (PDF). На конференции Американского института аэронавтики и астронавтики. Хилтон-Хед, Южная Каролина. Архивировано из оригинал (PDF) 13 августа 2010 г.
  3. ^ Стаффорд, Джесси (весна 2014 г.). «Как работает квадрокоптер | Клэй Аллен». Университет Аляски, Фэрбенкс. Получено 2015-01-20.
  4. ^ а б Лейшман, Дж. (2000). Принципы аэродинамики вертолета. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета. ISBN  9780521858601.
  5. ^ Андерсон, С. (1997). "Исторический обзор авиационной техники V / STOL". Технический меморандум НАСА 81280.
  6. ^ «Квадрокоптер». Архивировано из оригинал 27 декабря 2014 г.. Получено 29 декабря 2014.
  7. ^ Эндрю Хобден. "Квадрокоптеры: рыскание". hoverbear.org. Получено 3 апреля 2017.
  8. ^ Урия (13 апреля 2010 г.). "Виверн Квадрокоптер Вертолет". Получено 29 декабря 2014.
  9. ^ Фердинанд Кикингер (30.04.2016), 151 мин 30 сек FPV с коптером, получено 2018-08-26
  10. ^ СПК Дроны. Как летают квадрокоптеры.
  11. ^ Макнабб, Мириам (февраль 2018 г.). Американский производитель Harris Aerial запускает новый гибридный газовый электрический дрон. Dronelife
  12. ^ Янг, Уоррен Р. (1982). Вертолеты. Эпопея полета. Чикаго: Книги времени жизни. п.28. ISBN  978-0-8094-3350-6.
  13. ^ «Успешный французский вертолет» Рейс 24 января 1924 г. с. 47
  14. ^ «1956 - 1564 - Летный архив». flightglobal.com. Получено 13 марта 2015.
  15. ^ «Патент US3261407 - Винтовая система вертолета».. google.com. Получено 13 марта 2015.
  16. ^ Инан, Есин; Кирис, Ахмет (20 января 2007 г.). Седьмая Международная конференция по проблемам вибрации ICOVP 2005. ISBN  9781402054013. Получено 13 марта 2015.
  17. ^ «Airbus готовится запустить свое электрическое воздушное такси в 2018 году».
  18. ^ "Illumin - совершеннолетие квадрокоптера". Получено 29 декабря 2014.
  19. ^ Бючи, Роланд (2011). Очарование квадрокоптера. ISBN  978-3-8423-6731-9.
  20. ^ Фунты, P .; Mahony, R .; Корке, П. (декабрь 2006 г.). «Моделирование и управление четырехроторным роботом» (PDF). В материалах Австралазийской конференции по робототехнике и автоматизации. Окленд, Новая Зеландия.
  21. ^ «Практическое руководство: квадрокоптер на базе Arduino». СДЕЛАТЬ. Архивировано из оригинал 11 декабря 2011 г.. Получено 29 декабря 2014.
  22. ^ "FrontPage - UAVP-NG - Мультикоптер нового поколения с открытым исходным кодом". Получено 29 декабря 2014.

внешние ссылки