Как устроен дрон (квадрокоптер): из чего состоит и как летает

Вертолёт держит в воздухе умение пилота и продуманная механика, а квадрокоптер — быстрая электроника. Если отключить электронику, аппарат перевернётся за долю секунды: четыре мотора и рама сами по себе неустойчивы, как карандаш, поставленный на острие. Но контроллер успевает править положение по сотне раз в секунду, и получается устойчивый «висящий» на месте помощник фотографа. Ниже — из чего состоит дрон, как он держится в воздухе и как им управляют, чем он отличается от вертолёта и самолёта и на что смотреть, чтобы он служил долго. Разговор о гражданских квадрокоптерах, которыми снимают видео, фотографируют и осматривают крыши и поля.

Из чего состоит квадрокоптер

Проследим путь от батареи к винтам.

Часть	Что делает
Рама	Каркас из лёгкого пластика или углеродного волокна; держит всё остальное и «лучи» с моторами
Моторы	Четыре бесколлекторных мотора; каждый крутит свой винт
Пропеллеры (винты)	Лопасти, которые отбрасывают воздух вниз и создают подъёмную силу
Регуляторы оборотов (ESC)	Электронные блоки: получают команду и подают нужный ток на мотор
Полётный контроллер	Главная плата: считывает датчики и командует регуляторами, выравнивая аппарат
Датчики положения	Гироскоп, акселерометр, барометр, магнитометр: знают наклон, ускорение, высоту и направление
Навигационный приёмник (GPS и другие)	Определяет координаты, позволяет удерживать точку и возвращаться домой
Аккумулятор	Литий-полимерная батарея: даёт энергию моторам и электронике; самая тяжёлая часть
Приёмник и пульт	Радиоканал: команды пилота идут с пульта на аппарат, видеопоток обратно
Камера на подвесе	Камера в подвижном креплении с моторчиками: гасит наклоны и тряску, кадр остаётся ровным
Датчики препятствий	Камеры, инфракрасные или ультразвуковые датчики: замечают препятствия и помогают садиться

Винты делают из пластика или углеродного волокна: они должны быть лёгкими, жёсткими и хорошо сбалансированными. У складных моделей лопасти и лучи рамы сгибаются, чтобы дрон помещался в сумку. Защитные кольца вокруг винтов берегут лопасти и людей, но добавляют вес. Датчики положения такие же, как в смартфоне: про них рассказано в статье об устройстве смартфона, а камера работает по принципам, описанным в статье об устройстве фотоаппарата.

Как дрон держится в воздухе

1. Моторы раскручивают винты. Лопасти захватывают воздух и отбрасывают его вниз. По закону сохранения импульса аппарат получает толчок вверх.
2. Тяга уравновешивает вес. Когда суммарная тяга четырёх винтов равна весу дрона, он зависает. Если тяга больше, дрон поднимается, меньше — снижается.
3. Датчики измеряют положение. Гироскоп чувствует, как быстро аппарат поворачивается, акселерометр — куда направлено ускорение. Барометр даёт высоту, магнитометр — курс.
4. Контроллер сравнивает с заданным. Если ветер качнул дрон, контроллер видит отклонение и тут же прибавляет обороты моторам с той стороны, куда аппарат наклонился, и убавляет с другой.
5. Так происходит сотни раз в секунду. Контроллер выравнивает дрон быстрее, чем человек успел бы заметить качку, поэтому аппарат кажется неподвижным.
6. GPS удерживает точку. Приёмник знает координаты, и контроллер добавляет небольшие наклоны, чтобы ветер не сносил аппарат.

Четыре винта вращаются попарно в разные стороны: два по часовой стрелке и два против. Каждый винт, вращаясь, создаёт реакцию, которая раскручивает корпус в обратную сторону, и у пары противоположных винтов эти реакции гасят друг друга. Поэтому винты у квадрокоптера не взаимозаменяемы: лопасти у них изогнуты в разные стороны.

Как дрон поворачивает и летит

Управление сводится к тому, какие обороты получит каждый мотор.

Что нужно	Что делают моторы
Подняться	Обороты всех четырёх растут
Опуститься	Обороты всех четырёх снижаются
Лететь вперёд	Задняя пара крутится быстрее, передняя медленнее: корпус наклоняется носом вниз, тяга получает горизонтальную составляющую
Лететь вбок	Так же, но обороты меняются слева и справа
Повернуться на месте (рыскание)	Пара винтов, вращающихся в одну сторону, ускоряется, другая замедляется: реакции перестают гасить друг друга, и корпус разворачивается

Наклон вперёд, вбок и поворот вокруг вертикали называют тангажом, креном и рысканием. Про то, как крылья создают подъёмную силу у самолёта, рассказано в статье о том, почему самолёт летает: у дрона роль крыла выполняет вращающийся винт.

Питание и время полёта

Аккумулятор квадрокоптера собран из нескольких ячеек, каждая даёт около 3,7 вольта. Три ячейки в последовательности дают около 11 вольт, четыре — около 15. Чем больше напряжение при той же мощности, тем меньше ток и нагрев проводов. Ёмкость в ампер-часах, умноженная на напряжение, даёт запас энергии. Расход зависит от массы аппарата: даже на зависании моторы работают заметной долей мощности, потому что тяга должна равняться весу. Чем тяжелее камера и защита винтов, тем меньше время полёта. Поэтому конструкторы боются каждого лишнего грамма.

Как дрон возвращается домой

Функция возврата к точке взлёта есть у многих потребительских моделей. Перед стартом дрон запоминает координаты, а если пропала связь с пультом или заряд упал ниже порога, он поднимается на заданную высоту, летит по прямой к точке взлёта и садится. Поэтому важно, чтобы высота возврата была выше деревьев и зданий по пути: не каждая модель замечает препятствия во время такого перелёта. Перед полётом стоит проверить, что дрон успел поймать сигнал спутников, и записанная точка соответствует реальной. Между высокими зданиями сигнал может быть слабым, и дрону нужно дать время на поиск спутников.

Чем отличается то, что путают

Дрон, квадрокоптер и мультикоптер. «Дрон» в быту — любой беспилотник. Квадрокоптер — с четырьмя винтами, мультикоптер — с несколькими, например с шестью или восемью.

Квадрокоптер и вертолёт. У вертолёта один большой винт, где лопасти меняют угол, и хвостовой винт. У дрона четыре одинаковых винта, и ими управляет электроника. Механика проще, но без электроники аппарат не полетит.

Квадрокоптер и самолётный беспилотник. Самолётный тип с крылом летит дальше и дольше, но не умеет зависать и нуждается в разбеге или запуске. Квадрокоптер взлетает вертикально, зато летает недолго.

Интересные факты

• Почему полёт короткий. Батарея тяжёлая, а моторы расходуют энергию только на то, чтобы держать вес. Обычно потребительские модели держатся в воздухе порядка десятков минут.
• Почему ветер — главный враг. Чтобы держать позицию в порывах, контроллеру нужно постоянно давать моторам запас мощности, и заряд уходит быстрее.
• Почему перед полётом дрон просит калибровку. Компас чувствителен к металлу и магнитам, и рядом с арматурой и машинами он ошибается. Ошибка курса приведёт к тому, что дрон улетит не туда.
• Почему пропеллеры нельзя путать. Если поставить винт не с тем направлением лопастей, аппарат не взлетит или перевернётся при старте.

Почему ломается и на что смотреть

• Трещины и сколы на винтах. Дают вибрацию: камера трясётся, моторы изнашиваются. Винты меняют комплектом.
• Гудение и нагрев мотора. Изношен подшипник или в него попал песок.
• Аккумулятор вздулся, быстро садится. Литий-полимерная батарея повреждена. Заряжать такую нельзя. Про батареи в целом — в статье об устройстве аккумулятора.
• Дрон «плывёт» и не держит позицию. Нужна калибровка компаса и датчиков или плохой сигнал GPS.
• Дрожащая картинка. Неисправна подвеска камеры или разбалансированы винты.
• Отказ после падения или воды. Скрытые трещины на раме, повреждённый контроллер.

Батарею заряжают только штатным зарядным и не оставляют без присмотра, хранят частично заряженной, не разряжают в ноль. Правила полётов зависят от массы аппарата и места, поэтому перед вылетом их стоит проверить. Осмотр после жёсткой посадки, ремонт электроники и замену датчиков лучше поручить мастеру по ремонту квадрокоптеров.