Читать книгу: «Современные беспилотные летающие аппараты», страница 2

Мотор– это устройство, которое преобразует какой-либо вид энергии в механический и наоборот. Квадрокоптеры используют два вида моторов —коллекторные и бесколлекторные.

Коллекторные моторы. Коллекторные моторы используются в основном на слабых дронах начального уровня. Дело в том, что они не могут развивать значительные обороты и мощность, а это значит у них будет маленькая подъемная сила. Они громоздкие и склонны к поломкам, так как у таких моторов больше трущихся деталей, рис, 2.20.

Рис. 2.20. Устройство коллекторного мотора

Коллекторный мотор состоит из корпуса, внутри него находятся магниты – плюс и минус, корпус неподвижен, а в движение приводится ротор с обмоткой с помощью щеток, которые подают электричество на обмотку. Преимущества: низкая стоимость, простота конструкции.

Недостатки: высокий уровень шумов при работе. Особенно на высоких скоростях. Щетки трутся о коллектор, дополнительно создавая шумы. Трение щёток приводит к их искрению и последующему износу. Нестабильность показателей при изменении нагрузки. Высокая частота отказов из-за наличия коллектора и щёток, малый срок службы этого узла, КПД около 65%

Бесколлекторные моторы. Все бесколлекторные (бесщеточные) моторы состоят из 4 компонентов: статор (обмотка), корпус, вал, неодимовые магниты, рис. 2.21.

Неодимовые магниты. Эти магниты из редкоземельных металлов генерируют фиксированное магнитное поле, они маленькие, но создают очень сильное магнитное поле. Они приклеены эпоксидной смолой или цианокрилатом к корпусу мотора (в сфере пилотов БПЛА прижился термин «колокол»).

Рис.2.21. Бесколлекторный мотор

Корпус двигателя защищает магниты и обмотку. Обычно он изготовлен из легкого металла, такого как алюминий. Более продвинутые двигатели имеют корпусы, которые сделаны как вентиляторы, т.е. при вращении нагоняют воздух на обмотку сердечника, чтобы охлаждать ее. Вал мотора жестко прикреплен к верхней части. Это рабочий компонент мотора, который передает крутящий момент на пропеллеры.

Мотор Outrunner. В бесколлекторных моторах коммутация катушек происходит при помощи специальной электронной схемы – регулятора оборотов (Electronic Speed Controller, ESC). Независимо от количества катушек и схемы их внутренней коммутации бесколлекторный мотор всегда имеет три провода, подключаемые к регулятору. Таким образом, из конструкции мотора удаляется довольно сложный требующий обслуживания тяжелый и искрящийся узел – коллектор. Регулятор подает поочередно и в определенное время на эти провода питающее напряжение со сдвигом по фазе. Поскольку выводы катушек подключены к регулятору неразрывно, то катушки смонтированы неподвижно и являются статором, а вращается ротор с прикрепленными к нему постоянными магнитами. Направление вращения зависит от подключения выводов мотора к регулятору. Для изменения направления вращения достаточно поменять местами два любых вывода. В такой конструкции износу подвергаются только подшипники. И их можно менять.

Преимущества:

1.частота вращения изменяется в широком диапазоне;

2.возможность использования во взрывоопасной и агрессивной среде из-за отсутствия искр;

3. большая перегрузочная способность по моменту;

4.высокие энергетические показатели (КПД более 90 %);

5.большой срок службы, высокая надёжность и повышенный ресурс работы за счёт отсутствия скользящих электрических контактов.

Недостатки:

1.относительно сложная система управления мотором;

2.выше стоимость мотора, обусловленная использованием дорогостоящих материалов в конструкции ротора (магниты, подшипники, валы).

Бесколлекторный мотор бывает двух видов:

1.Inrunner. Мотор имеет расположенные по внутренней поверхности корпуса обмотки, и вращающийся внутри магнитный ротор.

2.Outrunner. Мотор имеет неподвижные обмотки, (внутри) вокруг которых вращается корпус с помещенным на его внутреннюю стенку постоянными магнитами (статор).

При сборке квадрокоптеров чаще всего применяется именно Outrunner.

Пропеллеры. Пропеллеры нужны для того, чтобы создать подъемную силу с помощью мотора, они непосредственно влияют на то, как себя будет вести квадрокоптер в воздухе. При выборе пропеллеров, нужно учитывать 4 основных момента: размер, шаг, конфигурация пропеллеров, материал (долговечность).

Размер – диаметр окружности, описываемой лопастями. Большой пропеллер будет проталкивать собой больше воздуха и будет тратить много энергии для вращения. Он будет затягивать изменение скорости вращения моторов, потому что большой и тяжелый. Преимущество больших пропеллеров заключается в хорошей тяге благодаря большой площади лопастей, он будет лучше держать дрон в воздухе.

Пропеллеры малого размера быстрее реагируют на изменение скорости вращения моторов. Они проталкивают через себя меньше воздуха, соответственно тратят меньше энергии при изменении скорости вращения. Пропеллеры должны соответствовать моторам, потому что, если мы поставим 3-дюймовые пропеллеры на двигатель, который рассчитан на 5 дюймовые пропеллеры, то это приведет к чрезвычайно высоким оборотам и большому потреблению энергии из-за маленькой нагрузки от пропеллеров, при этом тяга будет небольшая. Это не только неэффективно, но и очень быстро выведет мотор из строя (попутно прихватив с собой и регуляторы оборотов), так как он не рассчитан работать на таких оборотах.

Шаг – это угол наклона каждой лопасти пропеллера. Данный параметр прописывается производителем в дюймах и рассчитывается, как расстояние, которое может пройти винт за один оборот. Чем больше угол атаки (шаг) лопасти, тем больше это расстояние. Соотношение диаметра и шага винта должно быть сбалансированным. Меньший шаг винтов приведет к созданию большего крутящего момента и снижению потребляемой двигателями мощности. Если вы планируете использовать ваш квадрокоптер для аэробатики, вам просто необходимы пропеллеры с большим крутящим моментом. Они обеспечат большую скорость и меньшую нагрузку на источник энергии. Кроме того, пропеллеры с меньшим шагом увеличивают стабильность полета.

Пропеллер с большим шагом перемещает больший объем воздуха, что может вызвать турбулентность и привести к вибрации из-за ударов воздушных потоков от пропеллеров по лучам. Если это происходит, просто выберите несущие винты с меньшим шагом.

Пропеллер с большим шагом будет медленно реагировать на газ, потреблять больше энергии и будет максимально эффективным на больших оборотах.

Низкий шаг обеспечивает большой крутящий момент на малых оборотах, но у него небольшая тяга и максимальная конечная скорость.

Угол атаки-угол наклона лопасти относительно горизонтальной плоскости. Если конец лопасти будет иметь тот же угол атаки, что начало лопасти, то винт будет загребать воздух неравномерно, разбалансируя работу всей ВМГ и создавая вибрации.

Тяга лопастей -подъёмная сила, которая создаётся винтом. Масса воздуха, пройдя обметаемую площадь, получает ускорение, под действием силы, создаваемой винтом.

Конфигурация пропеллеров. Стандартные пропеллеры, используемые в квадрокоптерах, бывают: 2-лопастные, 3-лопастные, 4-лопастные, 5-лопастные, рис. 2.22.

Увеличение числа лопастей компенсирует размер пропеллера, особенно в микросборках. ведь если на маленький дрон на раме 100 мм поставить 2-лопастные пропеллеры, он вряд ли будет адекватно летать и это приведет к большим оборотам двигателей и их перегреву. Поэтому в микросборках всегда 4-лопастные пропеллеры, а на дронах чуть больше – уже 3-лопастные.

Рис. 2.22. Конфигурация пропеллеров

Из-за сложной физики и аэродинамики увеличение количества лопастей не так эффективно, как увеличение размера. Винт с удвоенным количеством лопастей не будет работать так же хорошо, как винт с удвоенным размером, но он обеспечивает большую тягу за счет большей мощности. Увеличение количества лопастей приведет к увеличению тяги и сцепления в воздухе за счет отзывчивости и увеличения потребляемой энергии. Меньшее количество лопастей предпочтительнее, если требуется более быстрый отклик двигателя, а тяга не так важна.

Материал, используемые для изготовления несущих винтов (пропеллеров), могут оказывать умеренное влияние на лётные характеристики, но безопасность должна быть главным приоритетом. Наиболее популярны пластиковые пропеллеры. Они отличаются пластичностью, низкой ценой, широким ассортиментом и высокой степенью доступности. С одной стороны, гибкость лопастей повышает их устойчивость к повреждениям, с другой – вызывает проблемы с балансировкой.

Углеродное волокно. Пропеллер изготовленный из углеродного волокна сложнее сломать или согнуть, и, следовательно, при краше, он нанесёт больший ущерб всему, с чем соприкоснётся. Одновременно с этим, карбоновые винты, как правило, хорошо сделаны, более жёсткие (обеспечивают минимальные потери в эффективности), редко требуют балансировки и имеют более лёгкий вес по сравнению с любыми другими материалами исполнения. К недостаткам материала можно отнести высокую стоимость.

Композит. Внутри пластик, снаружи покрытие из углеродного волокна. Дешевизна пластика, жёсткость и износостойкость соотносима с карбоновыми пропеллерами.

Фиброармированный полимер (углеродное волокно, нейлон, усиленный карбоном и т.д.)– является «передовой» технологией во многих отношениях.

Выбор материала пропеллеров зависит и от времени года. Пластмассы для пропеллеров термопластичны, то есть, их жесткость и пластичность зависит от температуры. Зимой лучше ставить пропеллеры из АБС-пластика (полимеризация акрилонитрила, бутадиена и стирола), так как поликарбонат на холоде дубеет и становится хрупким. В жару лучше использовать пропеллеры, армированные стекловолокном для хорошей жесткости, так как АБС и поликарбонат будут становиться мягкими под действием жары от солнца и дрон потеряет тягу.

Схема установки пропеллеров. Прежде, чем устанавливать пропеллеры на квадрокоптер, нужно узнать, в правильную ли сторону будут крутиться моторы. Большинство квадрокоптеров летает на классической конфигурации, где передние пропеллеры крутятся в сторону камеры. Классическая схема кручения пропеллеров представлена на рис.2.23.

Рис. 2.23. Классическая схема кручения пропеллеров

В России всё чаще используется реверсивная схема – это когда передние пропеллеры вращаются наружу. Такая конфигурация защищает камеру от дорожной пыли во время взлета и посадки коптера.

2.4. Источники энергии БПЛА

В настоящее время электродвигатели являются самым распространённым решением для малых БПЛА, источниками энергии для которых обычно являются электрические аккумуляторы, фотоэлектрические модули, топливные элементы.

Большинство небольших БПЛА, особенно квадрокоптеров, работают на батарейных системах. Решения на базе аккумуляторов способны закрыть основные потребности гражданского сегмента в плане длительности полёта, стоимости и гибкости. Наибольшее время полёта (до 1,5 ч) обеспечивают литий-полимерные аккумуляторы, которые, к примеру, для микро-беспилотников весят менее 2 кг. Также применяются литий-ионные, никель-кадмиевые, никель-марганцевые, литий-серные, свинцово-кислотные и иные накопители. Эти аккумуляторы уступают литий-полимерным по плотности энергии, экономии массы и другим характеристикам.

Недостатками аккумуляторного типа энергоснабжения являются ограничения по накопленному запасу энергии, что значительно сужает время функционирования БПЛА. Для устранения этой проблемы и обеспечения возможности выполнять длительные миссии используется несколько решений, связанных с различными способами подзарядки аккумуляторов. Так, подзарядка аккумуляторов БПЛА методом подкачки может проводиться средствами либо холодной подкачки, либо горячей замены. Оба этих способа предполагают посадку БПЛА на наземную зарядную станцию, но при холодной подкачке аккумулятор подключается к зарядке, и сам аппарат остаётся на месте на всю продолжительность этого процесса, а при горячей замене разряженный аккумулятор извлекается из продолжающего работать БВС, и на его место устанавливается полностью заряженный, заранее подготовленный на станции.

Таким образом, при расположении зарядных станций вдоль траектории движения БВС появляется возможность обеспечения длительного времени полёта, но существуют определённые риски безопасности аппаратов при взлёте со станций посадке на них. Эти риски устраняются при использовании беспроводной лазерной подзарядки, которая, однако, ограничивает расстояние и высоту полёта зоной вокруг радиуса распространения светового луча, передаваемого лазерным генератором на наземной станции.

Лазеры большой мощности используют лазерный луч для передачи энергии от наземной части комплекса на борт БПЛА. Автоматика комплекса должна следить за беспилотником и направлять луч точно на его солнечную панель, обеспечивая постоянное энергоснабжение и подзарядку батареи.

В настоящий момент развиваются несколько направлений технологии беспроводного энергоснабжения, но одной перспективной для беспилотной летательной техники является технология беспроводной передачи электрической энергии инфракрасным излучением. Основные преимущества – высокая эффективность тракта передачи энергии (до 40%), возможность использования небольших по размерам приемников (до 100 мм в диаметре), масса которых может не превышать 0,1 кг.

В настоящее время разработана система беспроводной зарядки в воздухе, которая может заряжать сразу несколько дронов. Создание достаточного количества этих станций может привести к появлению целой армии беспилотников, Зарядное устройство выглядит достаточно просто: это шестиугольная рама из проводов на опорах диаметром примерно 10 метров. При включении оно создает электромагнитное поле в воздухе в площади станции. Дрон, оснащенный специальными антеннами, заряжается, пролетая в зону действия энергетического облака. Такое зарядное устройство может передать до 12 киловатт мощности при КПД около 80 процентов – восьми минут зарядки будет вполне достаточно для того, чтобы дрон продержался в воздухе около получаса.

Фотоэлектрические модули. Установка модулей солнечной генерации непосредственно на летательные аппараты позволяет энергии солнца обеспечивать полёт в течение периодов максимальной солнечной активности, а аккумуляторы с накопленной в эти периоды энергией – в отсутствие инсоляции. Такая система увеличивает время полёта. Однако, она имеет такие ограничения, как:

–сложность системы, приобретаемая вследствие необходимости установки на БВС преобразователей, контроллеров, сенсоров и иного оборудования;

–непостоянный характер выработки энергии от солнечной радиации

–непригодность для малых БВС, во многом из-за потребности в увеличении размеров крыла для того, чтобы на них можно было расположить достаточное количество фотоэлектрических модулей.

Топливные элементы. Беспилотные воздушные суда, использующие водородные топливные элементы, могут работать в течение нескольких часов вместо нескольких минут у аккумуляторных БВС. Топливные элементы превосходят батареи по удельной мощности, поэтому их следует рассматривать как предпочтительное решение для обеспечения большей «выносливости» при ограниченной массе. Кроме того, процесс дозаправки осуществляется практически мгновенно, что снимает проблему простаивания БВС, а энергопотери при передаче энергии сокращаются.

При применении топливных элементов существует несколько негативных факторов, которые необходимо учитывать:

–водород имеет плотность всего 0,089 кг/м3 при стандартной температуре и давлении –соответственно, чтобы БВС мог перевозить достаточное количество топлива, баки должны быть очень громоздкими;

–нестабильность напряжения при возникновении резких изменений в мощности;

–более низкая эффективность (60%), чем у литий-ионных батарей (90%);

–необходимость установки дополнительного оборудования, усложняющая систему.

Гибридные варианты электроснабжения БВС являются перспективными вариантами для осуществления энергопитания БПЛА. Такой подход позволит сочетать преимущества и характеристики различных источников энергии и уравновешивать их ограничения. Так, объединение топливного элемента с батареей для формирования гибридной системы энергоснабжения представляется вариантом, который позволит двигательной установке БПЛА воспользоваться преимуществами обоих источников и сбалансировать их недостатки. Батарея в этом случае может использоваться в периоды пиковой нагрузки (взлёта и набора высоты), т.к. имеет более высокую эффективность и плотность мощности, а также не подвержена нестабильности напряжения. Топливный элемент, в свою очередь, может быть основным источником во время полёта и заправки. Также батареи либо топливные элементы могут быть объединены с любой другой энергетической установкой. Тем не менее, гибридные варианты электроснабжения БПЛА требуют установки систем управления энергопотреблением (контроллеры и инверторы), которые дополнительно увеличивают массу и сложность устройства.

2.4.1. Аккумуляторные батареи

Поскольку многие современные дроны летают при помощи бесколлекторных двигателей, то есть на электрической тяге, то аккумуляторная батарея является одной из основных частей дрона. Без нее невозможно запустить дрон и выполнить все поставленные полетные задачи. Впрочем, если вы управляете дроном с пульта (джойстика), то нужно помнить, что он тоже работает от своей батареи. Батарея на борту дрона чаще всего называется полетной (бортовой) и может иметь разные параметры (тип, емкость, мощность, наличие или отсутствие интеллектуальных функций и т.п.).

Аккумуляторная батарея состоит из нескольких аккумуляторов. Номинальное напряжение одного аккумулятора составляет 3,7 вольт. Это условная постоянная величина которой часто пользуются для упрощения расчетов. На аккумуляторах указывается именно номинальное напряжение, а не напряжение полностью заряженного аккумулятора. Реальное же напряжение аккумулятора зависит от степени его заряда: полностью заряженный аккумулятор имеет напряжение 4,2 вольт, а полностью разряженный 3 вольт.

Аккумуляторная батарея представлена на рис.2.24, а последовательное и параллельное соединения аккумуляторов в батарее показано на рис. 2.25.

Рис. 2.24. Аккумуляторная батарея

При последовательном соединении аккумуляторов, образующих батарею, итоговое напряжение будет равно сумме напряжений всех входящих сборку элементов или банок.

Разъем это провод образует силовой вывод аккумулятора, к которому впоследствии и будут подключаться потребители энергии.

Рис.2.25. Виды соединения аккумуляторов в батарее.

Также к выводам отдельных аккумуляторов припаивают провода, из которых образуется так называемый балансировочный разъем —он необходим для контроля напряжения на каждой банке, рис.2.26.

Рис. 2.26. Балансировочный разъем

Емкость аккумулятора показывает, как долго батарея может отдавать номинальный ток. Емкость измеряется в миллиампер*часах (мАч) или Ампер*часах (Ач), в зарубежном написании mAh или Ah. Чем выше емкость, тем дольше от одной зарядки может работать квадрокоптер.

При последовательном включении аккумуляторных элементов суммируется напряжение, при параллельном – суммируется ток. Если ячейки включатся только последовательно (без параллельного включения), то надпись 1P может исключаться. Конечно, чем больше емкость, тем больше энергии сможет отдать аккумулятор, и тем больше пролетит квадрокоптер. Однако и тем больше весит батарея, что совершенно не нужно. Батарея, которая весит 170 грамм, для коптера является существенным весом.

Аккумулятор, конечно же, не может обеспечивать совершенно любую силу тока. Одной из самых важных характеристик аккумулятора является максимальный разрядный ток или токоотдача. Токоотдача указывается на аккумуляторах в единицах «С».1С = емкость аккумулятора в мАч (C– Capacity, то есть ёмкость). Чтобы узнать максимальный разрядный ток (токоотдачу) в амперах необходимо значение в единицах С умножить на емкость аккумулятора. Например, у данного аккумулятора токоотдача 70 С. Значит, максимальная сила тока с таким аккумулятором составляет 91 ампер. Однако указанные на аккумуляторах параметры далеко не всегда соответствуют действительности. Поэтому следует применять только проверенные аккумуляторы, чтобы не получить падение в середине полета.

Моторы квадрокоптера требуют большой силы тока, когда работают на полной мощности, поэтому и токоотдача (единицы С) аккумулятора должна быть как можно больше. Рекомендуется выбирать батареи таким образом, чтобы расчетный рабочий ток не превышал 70 процентов от номинальной токоотдачи батареи.

При повышении максимального тока разряда, то есть, когда нагрузка больше, чем может обеспечить аккумулятор, неминуемо следует перегрев аккумулятора, при котором внутри него происходят необратимые химические реакции и, как следствие, аккумулятор деградирует. В итоге он вздуется, что свидетельствует о выделении водорода из полимерного геля. А это может привести к возгоранию.

Понятно, что у разных моделей беспилотников разные требования не только к силовой установке, но и к батарее, как к источнику питания. Небольшие и любительские дроны оснащаются батареями небольших размеров с небольшой емкостью и мощностью, что в конечном итоге влияет на полетное время и рассчитанную полезную нагрузку. Для сравнения:

–DJI Spark– 1480 мА/ч – 16 минут полета;

–Ryze Tello– 1100 мА/ч – 13 минут полета;

–-DJI Mavic Air– 2375 мА/ч – 21 минута полета;

–DJI Mavic 2 Pro– 3850 мА/ч – 31 минута полета;

–DJI Inspire 2– 4280 мА/ч – 27 минут полета в зависимости от нагрузки;

–DJI Phantom 4 V2.0– 5870 мА/ч – 30 минут полета.

Специализированные (промышленные дроны и платформы) требуют более емкой и мощной батареи ввиду сложности и большого объема решаемых задач. Отсюда и иные параметры источников питания, а также вытекающие отсюда полетное время и вес полезной нагрузки. Для сравнения:

–DJI Matrice 100– 4500 мА/ч (дополнительная 5700 мА/ч) – в зависимости от полезной нагрузки и количества батарей время полета и зависания от 20 до 40 минут

–DJI Matrice 600 Pro– 4500 мА/ч (дополнительная 5700 мА/ч) – в зависимости от полезной нагрузки и количества батарей время полета и зависания до 38 минут

Компания DJI, стала выпускать специальные аккумуляторы с подогревом, позволяющие эксплуатировать ее дроны при низких температурах, что ранее было просто невозможно.

2.5. Управление полетом БПЛА

Полётный контроллер – это «мозг» любой мультироторной системы. Удерживать мультироторную машину в воздухе в заданном положении довольно сложная задача – требуется очень быстро реагировать на стремительно изменяющееся силы, действующие на воздушный аппарат, и молниеносно принимать решения какой мотор ускорить, а какой притормозить. Этим занимается полетный контроллер.

Полетный контроллер – электронное устройство, представляющее из себя вычислительную систему, работающую по сложным алгоритмам, и управляющая полетом беспилотного летательного аппарата. Если несколько упростить его задачи, то полетный контроллер отвечает за передачу всех команд, которые пилот передает на борт дрона. В задачи контроллера входит интерпретация входящих данных от ресивера (приемника), модуля GPS, монитора батареи и бортовых датчиков. Кроме этого, полетный контроллер взаимодействует с электронными регуляторами хода и тем самым следит за работой двигателя и регулировку скорости, что является частью задач по управлению дроном. Но это, разумеется, далеко не все. Любые команды – запуск и работа камеры, управление режимом автопилота и другие автономные функции, – все они направляются полетным контроллером.

Команды, принятые приемником, поступают в полетный контроллер в виде широтно-импульсного сигнала. Здесь они с учетом текущей навигационной информации (получаемой в самом полетном контроллере от встроенных микросистемных гироскопов и акселерометров), а также с учетом сигналов с модуля GPS (опционально) преобразуются в широтно-импульсные сигналы управления моторами, которые подаются на контроллеры частоты вращения двигателей (т.н. ESC – Engine Speed Control).

Он имеет множество входов и выходов для получения управляющего сигнала, его обработки и передачи различным исполнительным устройствам, рис. 2.27.

На полетном контроллере установлены датчики, которые регистрируют информацию о малейших изменениях углов ориентации квадрокоптера. Эти сведения передаются в сердце полётного контроллера – микропроцессор.

Рис.2.27. Полетный контроллер

Микропроцессор. Производит сложные математические расчеты и определяет, с какой скоростью сейчас следует крутится каждому из моторов. Чем быстрее процессор справляется с вычислениями, тем чаще он считывает данные о текущем положении квадрокоптера с датчиков, а значит быстрее реагирует на малейшее их изменения.

Полетные контроллеры квадрокоптеров строятся на базе микропроцессоров STM32. На самом процессоре после обозначения STM32 можно прочесть, к какому поколению он относится. Обозначение «F1» имеет скорость 72 мегагерца. Это самый медленный процессор. Данный процессор сможет выполнять максимум 2000 расчетов в секунду. Тысячи обозначим буквой «К» = 2К расчетов в секунду. Следующий процессор в линейке – «F3». Он будет делать 4К расчетов в секунду. Микропроцессор «F4» имеет скорость 168 мегагерц и способен обеспечить более 8К расчетов за одну секунду. Процессор F7 имеет скорость 216 мегагерц – выдает 32 К.

Процессор получает информацию от следующих датчиков:

–акселерометр – измеряет ускорение в любом направлении;

–гироскоп – измеряет вращение;

–барометр – измеряет высоту;

–магнитометр – корректирует информацию, полученную с акселерометра и гироскопа, так как фиксирует перемещение дрона относительно магнитного поля земли;

–GPS-приемник – необходим для возврата дрона в точку взлета, а также ограничивает возможность полета над запрещенными объектами.

Назначение модулей ESC – преобразование управляющих широтно-импульсных сигналов в синусоидальные трехфазные напряжения для обмоток бесколлекторных электромоторов.

Регуляторы оборотов. ESC —electronic speed controller, переводится как электронный контроллер скорости. В русскоязычном сообществе принято называть их как «регуляторы оборотов», в простонародье «регуляторы».

Принцип действия ESC. Контроллер полета посылает данные регулятору оборотов, что нужно прибавить или убавить скорость вращения пропеллеров. Но мотору квадрокоптера нельзя просто подать напряжение, так как он трехфазный и требуется попеременно подавать напряжение на определенные участки обмотки. Этим и занимается регулятор оборотов (ESC), рис. 2.28.

Рис. 2.28. Схема ESC

В зависимости от требуемой скорости вращения регулятор будет в строго заданной последовательности с определенной скоростью подавать на обмотки двигателя напряжение, что будет вызывать вращение ротора. Обмотки бесколлекторного мотора соединены между собой по специальной схеме. Имеют три вывода. К электронному регулятору нужно подключить эти выводы обмоток мотора, а также подвести питание от аккумулятора.

Сигнальный вывод ESC. Выбирая регулятор для квадрокоптера, вы столкнетесь со следующими параметрами.

Максимальный ток. Это та сила тока, которую выходные транзисторы контроллера могут держать продолжительное время.

Иногда указывают величину кратковременного пикового тока, допустимого в течение нескольких секунд. Также на регуляторе указывается максимальное рабочее напряжение. Важно убедиться, что регулятор рассчитан на то количество банок, которые содержатся в вашем аккумуляторе.

Чем быстрее передаются в регулятор сведения о скорости вращения мотора, тем выше реакция силовой установки на расчеты полетного контроллера и тем лучше квадрокоптер ведет себя в воздухе. Поэтому постоянно разрабатываются все новые и новые протоколы, позволяющие все быстрее и быстрее доставлять данные в регулятор.

Самый медленный и поддерживаемый всеми регуляторами протокол обозначается буквами PWM или если по-русски ШИМ, широтно-импульсная модуляция. Виды и скорость протоколов передачи данных в ESC. В настоящее время повсеместно внедряется принципиально новый тип протокола, цифровой, который называется DSHOT. Цифровой протокол отличается более точной и помехоустойчивой передачей данных и высоким разрешением. Для выполнения команд пилота к полетному контроллеру подключается радиоприемник. Он, в свою очередь, принимает сигналы от пульта управления и передает их на полетный контроллер, рис.2.29.

Для усиления сигнала могут использоваться антенны. Радиоприемник работает на нескольких каналах для более устойчивого сигнала и повышения дальности.

Микросхемный модуль OSD (On-Screen Display) передает информацию о состоянии квадрокоптера на пульт управления или поверх видеосигнала с камеры. Он отображает информацию:

–заряд аккумулятора;

–потребление тока;

–высота;

–скорость;

–скороподъемность;

–GPS-координаты;

–уровень сигнала.

Рис.2.29. Схема приема и передачи сигналов на полетный контроллер

На полётном контроллере любого мультикоптера установлен чип MPU, который объединяет в себе трёхосевой гироскоп, трёхосевой акселерометр и цифровой процессор обработки движения (DMP), который способен обрабатывать комплексные алгоритмы по 9 осям. Элементы с motion fusion алгоритмами по 9 осям обладают доступом к внешним магнитометрам или другим датчикам через дополнительную I2C шину, позволяя устройству собирать полный набор данных датчиков без вмешательства системного процессора. Проще говоря, чип MPU является основным элементом, участвующем в формировании полёта квадрокоптера.

Также, наряду с чипом MPU, на полётном контроллере установлен ещё один не менее важный чип – STMF4, который является командным центром для всех систем полётного контроллера. В нём хранится прошивка – программная часть полётного контроллера.

К функциям полётного контроллера относится:

–стабилизация аппарата в воздухе;

–удержание высоты при помощи барометрического высотомера или иных датчиков;

–удержании позиции при помощи GPS/ГЛОНАСС;

–автоматический полёт по заданным заранее точкам -(опционально);

–передача на землю текущих параметров полёта с помощью радиомодема или Bluetooth (опционально);

–обеспечение безопасности полёта (возврат в точку взлёта при потере сигнала, авто посадка);

–остановка перед препятствием (для мультикоптеров) или облет препятствий (для самолётов) при наличии датчиков;

–подключение дополнительной периферии: OSD, светодиодной индикации и т.д.

Поскольку каждый индивидуальный ESC питается от основной батареи, основной разъем АКБ должен быть как-то разделен на четыре ESC. Для этого используется плата распределения питания или жгут распределения питания.