Как работает дрон — конструкция беспилотного аппарата

Как работает дрон - конструкция беспилотного аппарата

Чем характерна конструкция беспилотного летательного аппарата и как функционирует такое устройство? Собственно, сама конструкция позволяет сделать логичный вывод — это самолёт, способный летать без управления пилотом (БПЛА – беспилотный летательный аппарат). На жаргоне социума подобную аппаратуру именуют просто – дроны. С момента появления дронов, технология стабильно совершенствуются. На рынке несколько раз за год появляются БПЛА, превосходящие в том или ином свойстве своих предшественников. Рассмотрим ассортимент зарубежного рынка БПЛА с целью общего знакомства с этой современной техникой.

Современные технологии внутри конструкций дронов

Технология беспилотных летательных систем охватывает множество приборов и механизмов. Здесь аэродинамика беспилотного летательного аппарата и материальная основа изготовления физического БПЛА, печатные платы, наборы микросхем, программное обеспечение и прошивки. Всё это можно считать основой беспилотного летательного аппарата.

Одним из популярных беспилотных летательных аппаратов зарубежного рынка видятся разработки серии «DJI Phantom 3». Даже на устаревших моделях этой серии отмечается масса передовых технологий. Высокотехнологичные решения присутствуют в конструкциях самых передовых разработок.

БПЛА этой серии идеально подходит для рассмотрения технологии дронов. Конструкция имеет всё из того набора, который следует считать технологически продвинутым. Совсем недавно на зарубежном рынке появились новые дроны:

  • Mavic Air,
  • Phantom 4 Pro,
  • Inspire 2,
  • Walkera Voyager 5.

Типы и габаритные размеры дронов

Дроны производят в самых разных конфигурациях и размерах. Наиболее габаритными считаются конструкции армейского назначения, например — дроны «Predator».

Армейский дрон на взлёте
Классическая конструкция армейского дрона — прообраза классической конструкции самолёта, но управляемой без участия пилотов, непосредственно с диспетчерского армейского пункта

Несколько меньшими по величине являются беспилотные летательные аппараты, наделённые фиксированными крыльями. Эти конструкции не требуют длинных взлетно-посадочных полос.

Дроны, конструкция которых имеет фиксированные крылья, обычно используются под перелёты на расстояния в несколько километров. Эти машины часто применяются для нужд народного хозяйства, к примеру, для ландшафтной съемки, выслеживания браконьеров и т.п.

Следующий тип беспилотных аппаратов для полёта – VTOL (Vertical Take-Off and Landing) – конструкции вертикального взлёта и посадки. Обычно имеют небольшие габариты и отличаются наличием четырёх вертикально установленных пропеллеров хода в дополнение к силовой установке. По сути, речь идёт о гибридных конструкциях, наделённых уникальными свойствами.

Принцип действия дрона (БПЛА)

Типовой беспилотный летательный аппарат делается на основе облегчённых композитов, благодаря чему снижается вес и увеличивается маневренность конструкции. Эти свойства позволяют профессиональным дронам летать на значительных высотах.

Система беспилотного воздушного транспорта содержит две основы:

  1. Механику беспилотного летательного аппарата.
  2. Систему управления.

Носовая часть дрона – это, как правило, область корпуса, где установлены датчики навигационной системы. Остальная корпусная часть предназначена для размещения механики, электроники, электрооборудования.

Система полёта любого дрона действует благодаря устройству, которое именуется как радар позиционирования и возвращения домой. Большинство современных беспилотников наделяются двумя глобальными навигационными спутниковыми системами (ГНСС).

Традиционно в конструкциях современных дронов задействованы системы GPS и ГЛОНАСС. Дроны способны летать под управлением ГНСС, но с тем же успехом поддерживают полёт в режиме без ГНСС.

Например, дроны «DJI» поддерживают полёт в режиме P-Mode (GPS и GLONASS) либо в режиме ATTI (Advanced Technology Transfer and Infusion), не предусмотренным в спутниковой навигации.

Элементы конструкции дрона
В зависимости от конструктивной конфигурации БПЛА может иметь разные элементы: 1, 2, 3 — силовые двигатели и винты; 4 — карданный подвес; 5 — активная видеокамера; 6 — отсек с батареей питания; 7 — лапа

Когда дрон запускается пользователем, система машины выполняет поиск с последующим обнаружением спутников ГНСС. Высокопроизводительные системы ГНСС рассчитаны под технологию «Satellite Constellation».

В принципе, спутниковая группировка представляет собой набор аппаратов, работающих совместно, обеспечивая скоординированный охват и синхронизацию с целью качественного покрытия сигналом зоны обслуживания. Пропуск или охват — это период, в течение которого спутник видим над локальным горизонтом.

Радиолокационное оборудование дрона обнаруживает сигнал и транслирует результат на дисплее пульта дистанционного управления. В частности, показывает следующие установки:

  • сигнал о достаточном числе спутников ГНСС и готовность к полету;
  • отображение текущей позиции и местоположение дрона относительно пульта ДУ;
  • запись отправной точки для последующего возвращения «домой»;

Большинство современных беспилотных летательных аппаратов поддерживают три способа возвращения «домой»:

  1. Инициировано возвращение «домой» кнопкой пульта ДУ.
  2. Низкий уровень заряда батареи питания дрона.
  3. Потеря связи между БПЛА и пультом ДУ.

Во всех трёх случаях автоматически задействуется функция «Mavic Air RTH», благодаря которой дрон эффективно обходит препятствия, встречающиеся на пути возвращения «домой».

Гироскопическая стабилизация ИББ (IMU) и контроллеры полёта

Технология гироскопической стабилизации является одним из тех компонентов, который «жизненно» необходим беспилотным летательным аппаратам.

Гироскоп предназначен для моментальной обработки нагрузок, возникающих от внешних сил, воздействующих на конструкцию дрона. Гироскоп обеспечивает вывод необходимой навигационной информации на пульт ДУ.

Инерциальный измерительный блок – ИББ (IMU) работает по принципу вычисления текущей скорости и ускорения с использованием одного или нескольких акселерометров.

Квадро-винтовой летательный аппарат
Конструкция дрона из серии аппаратов VTOL, где используется механизм вертикального взлёта и посадки, тогда как полёт осуществляется в горизонтальном направлении

Модулем ИББ обнаруживаются малейшие изменения систем вращения, таких как шаг винта, разворот, отклонение элеронов, используя один или несколько гироскопов. Некоторые модели ИББ содержат магнитометр под калибровку дрейфа ориентации.

Контроллер полёта, присутствующий в конструкции дрона – по факту представляет собой обычный компьютер, оснащённый соответствующим программным обеспечением.

Таким компьютером БПЛА автоматически управляются все системы с учётом сигналов, поступающих от пульта ДУ пользователя. Кроме того, в качестве базового управления используется код так называемой «прошивки» — микросхемы памяти, действующей в паре с микроконтроллером.

Функции компаса и видеонаблюдения

Встроенная в систему дистанционного управления функция компаса обеспечивает дрону точные координаты местоположения в процессе полёта.

Калибровкой компаса устанавливается точка возврата «домой» — место, куда дрону необходимо возвращаться в случае потери сигнала управления. Часто функцию компаса называют «отказоустойчивой функцией».

Одним из важных предметов оснащения дрона является вид от первого лица (FPV — First Person View). Устройство видеокамеры смонтированной на беспилотном летательном аппарате и предназначенной для трансляции видео в реальном времени диспетчеру ДУ.

Таким образом, диспетчер управления дроном наблюдает картину полёта аналогично тому, как если бы находился непосредственно на борту БПЛА и рассматривал вид Земли сверху — от фактического положения кресла пилота.

Конструкция дрона ротора
Одна из последних разработок — конструкция THOR: 1 — подшипник; 2 — сервопривод; 3 — аккумулятор; 4, 9 — моторы; 5 — электронный контроль устойчивости (ESC); 6 — контроллер полёта; 7 — IMU; 8 — ESC 2

Функция и оснащение FPV позволяет беспилотным летательным аппаратам совершать перелёты на значительных высотах и на дальние расстояния, ограниченные только зарядом батареи питания. Также «First Person View» обеспечивает безопасность полётов среди препятствий.

Конструкции современных дронов имеют широкодиапазонный беспроводной передатчик FPV, который устанавливается в комплекте с антеннами.

В зависимости от конфигурации, приемником видеосигналов может выступать не только пульт дистанционного управления, но также компьютер, планшет, смартфон.

Последние разработки дронов, например, «DJI Mavic» и «Phantom 4 Pro», обеспечивают передачу видео в реальном времени на расстоянии до 7 км. Системы «Inspire 2» и «Phantom 4 Pro» используют новейшую систему передачи видеосигнала «DJI Lightbridge 2».

Дроны подобные «DJI Mavic Pro» характерны интеграцией контроллеров с интеллектуальными алгоритмами установки нового стандарта беспроводной передачи изображений.

Эта технология даёт высокий уровень разрешения путём снижения латентности и увеличения максимального диапазона частот.

Система дистанционного управления БПЛА

Модуль дистанционного управления БПЛА представляет собой устройство с функциями беспроводной связи. Как правило, для организации связи используется частотный диапазон 5,8 ГГц.

В процессе изготовления дрона, система дистанционного управления предварительно настраивается на полную ассоциацию с летательным аппаратом.

Нередко с целью расширения параметров связи используется усилитель сигналов, благодаря чему удаётся увеличить покрываемое расстояние.

Пульт управления дроном
Система контроля дистанционно для беспилотника также как и сам летательный аппарат может иметь самое разное конструктивное исполнение. Главный критерий — удобство для пользователя

Теоретически дальность связи самых простых систем составляет до 700 м, тогда как профессиональные конструкции устойчиво принимают сигнал на расстоянии 7 км и более.

Многие из конструкций дронов последних разработок способны летать при помощи управления смартфоном через специальное приложение.

Такие программы управления дронами можно найти и загрузить на сервисах «Google Play» или «Apple Store». Приложения позволяют полноценно управлять беспилотным летательным аппаратом.

Продукты производства известной компании DJI

Под завершение список конструкций дронов фирмы DJI, имеющихся в продаже на рынке, и представляющих интерес для пользователей:

«DJI Mavic Air» — портативный профессиональный дрон. Оснащён 4-кратной камерой, способной распознавать лица, системой предотвращения столкновений. Конструкцию отличает высокая стабильность полёта.

«DJI Mavic Pro» — маленький складной дрон с датчиками предотвращения столкновения спереди и снизу. Супер стабильный полёт и 4k памяти для съёмок.

«DJI Phantom 4 Pro» — оснащение технологией предотвращения столкновения «Vision». Многоцелевой беспилотный летательный аппарат, включающий в конструкцию 4-кратную аэрофотосъемку, фотографию и фотограмметрию.

«DJI Inspire 2» — запатентованная конструкция двигателя и системы. Многоцелевой дрон профессиональной 5-кратной аэрофотосъемки, фотографии, фотограмметрии, мультиспектрального и тепловизионного изображения.

«Yuneec Typhoon H Pro» — дрон использует запатентованную технологию от Intel — «Realsense» — предотвращение столкновений. Отлично подходит для профессиональной аэрофотосъемки.

«Walkera Voyager 5» — Варианты камеры включают 30-кратный оптический зуммер, инфракрасный порт и камеру ночного видения высокой чувствительности.

«DJI Matrice 200 Commercial Quadcopter» — резервирование с двойной батареей, системами IMU и спутниковой навигации. Дрон допускает монтаж 2 камер. Аппарат контролирует 6 направлений предотвращения столкновений за счёт ToF-лазера, ультразвуковых датчиков и датчиков «Vision».

«DJI Matrice 600» — коммерческий проект дрона — настоящая платформа для аэрофотосъемки. Варианты установки предусматривают до 7 различных камер «Zenmuse».


При помощи материалов: Dronezon и DroneNodes


Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *