Страница полузащищенная
Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

А DJI Phantom Quadcopter беспилотный в полете

Quadcopter или quadrotor [1] представляет собой тип вертолета с четырьмя роторами . [2]

Хотя квадрокоптерные вертолеты и конвертопланы уже давно эксплуатируются экспериментально, их конфигурация оставалась диковинкой до появления современных БПЛА или дронов. Небольшие размеры и низкая инерция дронов позволяют использовать особенно простую систему управления полетом, которая значительно повысила практичность маленького квадрокоптера в этом приложении.

Принципы дизайна

Каждый ротор создает подъемную силу и крутящий момент вокруг своего центра вращения, а также сопротивление, противоположное направлению полета транспортного средства.

Квадрокоптеры обычно имеют два ротора, вращающихся 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. Угол наклона и крена регулируются путем изменения чистого центра тяги , а рыскание - путем изменения чистого крутящего момента . [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, вызванные крутящим моментом (а также проблемы с эффективностью, возникающие из-за рулевого винта , который не создает полезной подъемной силы), могут быть устранены за счет вращения в противоположных направлениях, а относительно короткие лопасти гораздо проще построить. Ряд пилотируемых конструкций появился в 1920-1930-х годах. Эти аппараты были одними из первых успешных аппаратов вертикального взлета и посадки (VTOL) тяжелее воздуха . [4] Однако ранние прототипы страдали от плохой производительности [4], а последние прототипы требовали слишком большой пилотной рабочей нагрузки из-за плохого повышения стабильности [5] и ограниченных полномочий управления.

Крутящий момент

Если все четыре ротора вращаются с одинаковой угловой скоростью , при этом два вращаются по часовой стрелке и два против часовой стрелки, чистый крутящий момент вокруг оси рыскания равен нулю, что означает, что нет необходимости в рулевом винте, как на обычных вертолетах. Рыскание вызвано несоответствием баланса аэродинамических моментов (т. Е. 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, а 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 угол рыскания , прикладывая большее усилие 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 подчиняются нормальной аэродинамике винтокрылого аппарата, включая состояние вихревого кольца . [ необходима цитата ]

Механическая структура

Основные механические компоненты являются фюзеляж или кадр, четыре ротора (либо фиксированным шагом или переменным шагом), и двигатели. Для лучшей производительности и простейших алгоритмов управления двигатели и гребные винты расположены на одинаковом расстоянии. [8]

Коаксиальные роторы

Коаксиальный квадрокоптер  - OnyxStar FOX-C8 XT Observer от AltiGator

Чтобы обеспечить большую мощность и стабильность при уменьшенном весе, квадрокоптер, как и любой другой мультикоптер, может использовать конфигурацию соосного ротора . В этом случае у каждого плеча есть два двигателя, работающих в противоположных направлениях (один направлен вверх, а другой - вниз). [ необходима 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. [ необходима цитата ]

Выносливость

Наибольшее 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] При установлении рекорда Кикингер использовал литиево-ионные батареи большой емкости с низкой скоростью разряда и лишил планер несущественного веса, чтобы снизить потребление энергии и увеличить 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

Первым аэродином тяжелее воздуха, взлетевшим вертикально, стал четырехвинтовой вертолет, разработанный Луи Бреге . Испытания проводились только на привязи и на высоте до нескольких футов. В 1908 году сообщалось, что он летал «несколько раз», хотя подробностей немного. [12]

Этьен Омихенэкспериментировал 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 с приводом от одного двигателя. 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 по несколько минут, а 14 апреляВ 1924 году он установил первый рекорд расстояния FAI для вертолетов - 360 м (390 ярдов). Продемонстрировал способность проходить круговой курс.[13] и позже, он выполнил первый 1-километровый полет по замкнутой цепи на винтокрыле.

Вертолет де Ботеза , 1923 год.
Доктор Джордж де Ботезат и Иван Джером разработали вертолет де Ботеза с шестилопастными несущими винтами на конце X-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, чтобы попытаться совершить боковое движение.

Послевоенная эпоха

Convertawings Модель A Quadrotor был задуман как прототип для линии более крупных гражданских и военных вертолетов. В конструкции использовались два двигателя, приводящие в движение четыре ротора через систему клиновых ремней. Хвостовой винт не требовался, а 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

Curtiss-Wright VZ-7 1958 года был VTOL самолет разработан Curtiss-Wright в конкурсе на командование армии США транспорта и Исследовательского «летающий джип». Управление VZ-7 осуществлялось путем изменения тяги каждого из четырех роторов канальных вентиляторов.

Пясецкий ПА-97 было предложение для большого гибридного летательного аппарата , в котором четыре вертолета Фюзеляжи были объединены с более легким, чем воздух дирижабль в 1980 - х годах.

Текущие события

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

Летающий прототип Parrot AR.Drone
Parrot AR.Drone 2.0, взлет, Невада, 2012 г.

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 небольших беспилотных летательных аппаратов или дронов. 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 контроллеры полета, акселерометры ( IMU ), системы глобального позиционирования и камеры. Это привело к тому, что конфигурация квадрокоптера стала популярной для небольших беспилотных летательных аппаратов . 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 установить квадрокоптеры с ограждениями, которые закрывают роторы, что еще больше снижает вероятность повреждения. [2]Однако по мере увеличения размеров 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 как проекты любительских авиамоделей . [21] [22]

Смотрите также

  • AeroVelo Atlas (2013) управляемый человеком вертолет
  • Модульная конструкция

Рекомендации

  1. ^ а б Хоффманн, GM; Раджнараян, ДГ; Waslander, SL; Досталь, Д .; Jang, JS; Томлин, CJ (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. DOI : 10,1109 / DASC.2004.1390847 .
  2. ^ а б Хоффман, G .; Huang, H .; Waslander, SL; Томлин, CJ (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 оригинального (PDF) 13 августа 2010 года.
  3. ^ Стаффорд, Джесси (весна 2014 г.). «Как работает квадрокоптер | Клэй Аллен» . Университет Аляски, Фэрбенкс . Проверено 20 января 2015 .
  4. ^ a b Leishman, JG (2000). Основы аэродинамики вертолетов . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета. ISBN 9780521858601.
  5. Перейти ↑ Anderson, SB (1997). "Исторический обзор авиационной техники V / STOL" . Технический меморандум НАСА 81280 .
  6. ^ "Квадрокоптер" . Архивировано из оригинального 27 декабря 2014 года . Проверено 29 декабря 2014 .
  7. ^ Эндрю Хобден. «Квадрокоптеры: рыскание» . hoverbear.org . Проверено 3 апреля 2017 года .
  8. ↑ Урия (13 апреля 2010). "Виверн Квадрокоптер Вертолет" . Проверено 29 декабря 2014 .
  9. ^ Фердинанд Kickinger (2016-04-30), 151min30s FPV с Copter , извлекаться 2018-08-26
  10. ^ СПК Дроны. Как летают квадрокоптеры .
  11. ^ Макнабб, Мириам (февраль 2018). 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", полет 24 января 1924 г. стр. 47
  14. ^ "1956 - 1564 - Полетный архив" . flightglobal.com . Проверено 13 марта 2015 года .
  15. ^ "Патент US3261407 - Винтовая система вертолета" . google.com . Проверено 13 марта 2015 года .
  16. ^ Инан, Есин; Кирис, Ахмет (20 января 2007 г.). Седьмая международная конференция по проблемам вибрации ICOVP 2005 . ISBN 9781402054013. Проверено 13 марта 2015 года .
  17. ^ «Airbus готовится запустить свое электрическое воздушное такси в 2018 году» .
  18. ^ "Иллюминатор - совершеннолетие квадрокоптера" . Проверено 29 декабря 2014 .
  19. ^ Бюхи, Roland (2011). Очарование квадрокоптера . ISBN 978-3-8423-6731-9.
  20. ^ Pounds, 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 оригинального 11 декабря 2011 года . Проверено 29 декабря 2014 .
  22. ^ "FrontPage - UAVP-NG - Мультикоптер нового поколения с открытым исходным кодом" . Проверено 29 декабря 2014 .

внешняя ссылка

  • Лаборатория UPenn GRASP
  • ETH Zurich Research on Quadrotors
  • Рекомендации FAA по безопасности полетов на модели БПЛА
  • TED Raffaello D'Andrea: Поразительная спортивная сила квадрокоптеров