Як квадрокоптер рухається за допомогою диференційної тяги

Як квадрокоптер рухається без крил, керма чи керуючих поверхонь?

Відповідь:

диференційна тяга

Квадрокоптер не використовує традиційні авіаційні керуючі поверхні.

У нього немає елеронів.

У нього немає керма висоти.

У нього немає керма напрямку.

Натомість він рухається, змінюючи швидкість своїх двигунів.

Квадрокоптер має чотири двигуни, і кожен двигун обертає пропелер.

Збільшуючи чи зменшуючи швидкість конкретних двигунів, польотний контролер створює різні обсяги тяги в кожному куті дрона.

Саме ці різниці тяги змушують дрон рухатися.

Що таке диференційна тяга?

Диференційна тяга означає створення контрольованих різниць тяги між двигунами.

Замість того, щоб усі чотири двигуни постійно виробляли точно однакову кількість тяги, польотний контролер постійно коригує кожен двигун.

Іноді одна сторона виробляє більше тяги.

Іноді протилежна сторона виробляє менше тяги.

Іноді двигуни, що обертаються за годинниковою стрілкою, змінюють швидкість відносно двигунів, що обертаються проти годинникової стрілки.

Ці невеликі різниці тяги створюють рух.

Дрон рухається не тому, що всі двигуни обертаються однаково.

Він рухається, бо польотний контролер створює контрольований дисбаланс.

Роль польотного контролера

Пілот дає команди через радіоапаратуру.

Але саме польотний контролер виконує роботу з балансування в реальному часі.

Коли пілот рухає стіки, польотний контролер обчислює, як має реагувати кожен двигун.

Він використовує дані датчиків з гіроскопа та інших бортових систем, щоб зрозуміти, як рухається дрон.

Потім він коригує швидкість двигунів багато разів на секунду.

Ось чому квадрокоптер може:

залишатися стабільним
швидко реагувати
нахилятися в будь-якому напрямку
обертатися на місці
відновлюватися після невеликих збурень
точно реагувати на команди пілота

Пілот командує намір.

Польотний контролер обчислює реакцію двигунів.

Як квадрокоптер нахиляється вперед (тангаж)

Тангаж контролює нахил вперед та назад.

Щоб нахилитися вперед, дрон змінює баланс тяги між переднім та заднім двигунами.

Спрощений спосіб це зрозуміти:

задні двигуни виробляють більше тяги
передні двигуни виробляють менше тяги
дрон нахиляється вперед
нахил уперед створює рух уперед

Дрона не тягне вперед крило чи не штовхає окремий пропелер.

Він рухається вперед, бо весь апарат нахиляється.

Після нахилу частина тяги спрямована назад і штовхає дрон уперед.

Як квадрокоптер нахиляється назад

Нахил назад працює в протилежному напрямку.

Щоб нахилитися назад:

передні двигуни виробляють більше тяги
задні двигуни виробляють менше тяги
дрон нахиляється назад
напрямок тяги змінюється
дрон рухається назад

Це той самий принцип, що й нахил уперед, лише навпаки.

Дрон рухається, нахиляючи свій вектор тяги.

Як квадрокоптер кренується вліво чи вправо

Крен контролює нахил з боку на бік.

Щоб крениться праворуч, дрон змінює баланс тяги між лівою та правою сторонами.

Спрощений приклад:

ліві двигуни виробляють більше тяги
праві двигуни виробляють менше тяги
дрон нахиляється праворуч
дрон рухається праворуч

Щоб крениться ліворуч, відбувається протилежне:

праві двигуни виробляють більше тяги
ліві двигуни виробляють менше тяги
дрон нахиляється ліворуч
дрон рухається ліворуч

Знову ж таки, дрон не використовує крила чи керуючі поверхні.

Він використовує дисбаланс тяги.

Як квадрокоптер рискає (yaw)

Рискання означає обертання навколо вертикальної осі.

Простими словами, рискання — це те, як дрон повертає ніс ліворуч чи праворуч, залишаючись переважно на місці.

Квадрокоптер має двигуни, що обертаються в протилежних напрямках.

Зазвичай два двигуни обертаються за годинниковою стрілкою, а два — проти.

Це допомагає збалансувати крутний момент.

Щоб рискати, польотний контролер змінює співвідношення швидкості між парами двигунів за годинниковою та проти годинникової стрілки.

Наприклад:

одна пара двигунів прискорюється
протилежна пара двигунів сповільнюється
баланс крутного моменту змінюється
дрон обертається навколо свого центру

Це дозволяє дрону повертати без керма напрямку.

Рискання створюється зміною балансу крутного моменту двигунів.

Чому не всі двигуни обертаються однаково

Початківець може подумати, що всі двигуни просто обертаються швидше, щоб рухатися.

Це лише частково правда.

Якщо всі чотири двигуни рівномірно збільшують швидкість, дрон виробляє більше загальної висхідної тяги.

Це може змусити його підніматися.

Але це не змушує його нахилятися чи рискати.

Для контрольованого руху двигуни мають змінювати швидкість по-різному.

Це ключова ідея.

Квадрокоптер рухається через різниці між двигунами.

Не тому, що всі двигуни роблять одне й те саме.

Контрольований дисбаланс створює керування

Квадрокоптер постійно балансує сам себе.

Ідеально рівна тяга утримувала б дрон на рівні лише в ідеальних умовах.

Але реальний політ ніколи не буває ідеально нерухомим.

На дрон впливають:

вітер
ввід пілота
зміни напруги батареї
повітряний потік пропелерів
реакція двигунів
вібрація рами
невеликі збурення
інерція

Польотний контролер реагує, створюючи крихітні контрольовані дисбаланси.

Більше тяги тут.

Менше тяги там.

Невелика корекція.

Швидка реакція.

Стабільний політ.

Це основа керування квадрокоптером.

Чому диференційна тяга важлива в FPV

FPV-дрони швидкі й чутливі.

Їм потрібно миттєво реагувати на команди пілота.

Диференційна тяга — це те, що дозволяє FPV-дрону:

перевертатися
крениться
пікірувати
відновлюватися
різко повертати
швидко прискорюватися
стабілізуватися після руху
літати в режимі Acro
виконувати фристайл-маневри

Кожен рух у FPV залежить від зміни швидкості двигунів.

Що плавніше й швидше відбуваються ці зміни, то більш пов'язаним відчувається дрон.

Диференційна тяга та режим Acro

У режимі Acro пілот контролює швидкість обертання, а не просить дрон автоматично самовирівнюватися.

Коли пілот рухає стіки, польотний контролер командує кутовий рух.

Потім дрон використовує диференційну тягу, щоб обертатися навколо своїх осей.

Ось чому режим Acro відчувається прямим і потужним.

Дрон не намагається поводитися як GPS-камера дрон.

Він реагує на команди стіків через контрольований вивід двигунів.

Диференційна тяга та стабільність

Навіть коли пілот не робить великих вводів, диференційна тяга все ще працює.

Польотний контролер постійно перевіряє, чи дрон обертається чи дрейфує від командованої поведінки.

Якщо невелике збурення впливає на дрон, польотний контролер коригує швидкість двигунів, щоб виправити це.

Це відбувається дуже швидко.

Пілот може навіть не помітити багато з цих корекцій.

Це одна з причин, чому сучасні FPV-дрони можуть відчуватися такими стабільними й чутливими при правильному налаштуванні.

Чому напрямок обертання двигунів важливий

Диференційна тяга працює правильно лише тоді, коли порядок та напрямок обертання двигунів налаштовані правильно.

Якщо двигун обертається в неправильний бік, або якщо Betaflight вважає, що двигун знаходиться в неправильній позиції, польотний контролер може надіслати корекції не туди.

Це може спричинити:

миттєве перевертання
неконтрольоване рискання
нестабільний зліт
погану реакцію керування
поведінку runaway

Саме тому перевірки порядку та напрямку обертання двигунів такі важливі перед першим польотом.

Польотний контролер може правильно контролювати дрон, лише якщо система двигунів відповідає очікуваній конфігурації.

Чому напрямок пропелера важливий

Пропелери також мають відповідати напрямку обертання двигунів.

Двигун, що правильно обертається з неправильним пропелером, не вироблятиме правильну тягу.

Пропелер, встановлений догори дриґом чи на неправильному двигуні, може спричинити відмову дрона під час зльоту.

Диференційна тяга залежить від того, що кожен двигун і пропелер виробляють тягу в очікуваному напрямку.

Ось чому налаштування пропелера — частина керування польотом, а не лише збірки.

Що мають запам'ятати початківці

Для початківців основна ідея проста:

квадрокоптер рухається, змінюючи тягу на різних двигунах.

Щоб змінити тангаж, він змінює тягу між переднім та заднім двигунами.

Щоб крениться, він змінює тягу між лівим та правим двигунами.

Щоб рискати, він змінює співвідношення між парами двигунів за годинниковою та проти годинникової стрілки.

Щоб піднятися, всі двигуни разом збільшують тягу.

Щоб опуститися, всі двигуни разом зменшують тягу.

Це базова логіка руху квадрокоптера.

Типові непорозуміння початківців

Думати, що дрон рухається як літак

Квадрокоптер не використовує крила, керма висоти, елерони чи керма напрямку.

Він використовує зміни швидкості двигунів.

Думати, що всі двигуни завжди обертаються однаково

Рівна тяга двигунів може допомогти дрону зависати, але рух вимагає різниць між двигунами.

Думати, що пілот безпосередньо контролює кожен двигун

Пілот не керує вручну кожним двигуном.

Пілот дає команди, а польотний контролер обчислює вивід двигунів.

Ігнорування напрямку обертання двигунів

Напрямок обертання двигунів критично важливий.

Неправильний напрямок може повністю зруйнувати диференційну тягу.

Ігнорування орієнтації пропелера

Правильна орієнтація пропелера необхідна для правильної тяги.

Неправильний пропелер може спричинити миттєву аварію.

Чому ця концепція важлива перед збіркою

Розуміння диференційної тяги допомагає початківцям приймати кращі рішення під час збірки.

Це пояснює, чому:

порядок двигунів важливий
напрямок обертання двигунів важливий
напрямок пропелера важливий
польотний контролер має бути встановлений правильно
конфігурація Betaflight важлива
вібрація впливає на керування
збалансована збірка літає краще
дрібні помилки налаштування можуть спричинити серйозні проблеми

Ця концепція з'єднує механічну збірку, електроніку, програмне забезпечення та поведінку в польоті в одну систему.

Частина книги

Цей контент є частиною нашої книги:

Побудуйте свій перший 5-дюймовий FPV-дрон │ UAV Drone Academy

Повний посібник для початківців, розроблений, щоб допомогти новим пілотам зрозуміти, зібрати, налаштувати, протестувати, політати, обслуговувати та вдосконалити свій перший 5-дюймовий FPV-дрон з упевненістю.

Перш ніж літати, зрозумійте, як рухається дрон.

Висновок

Квадрокоптер рухається без крил, керма чи керуючих поверхонь, бо використовує диференційну тягу.

Польотний контролер постійно змінює швидкість кожного двигуна, щоб створити контрольовані різниці тяги.

Ці різниці дозволяють дрону:

нахилятися вперед та назад
крениться вліво та вправо
рискати на місці
підніматися
опускатися
стабілізуватися
швидко реагувати на команди пілота