Квадрокоптер. Игрушка или нет?

XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Квадрокоптер. Игрушка или нет?

Целуйко Г.А. 1
1МБОУ Барвихинская СОШ
Исаева Г.К. 1
1МБОУ Барвихинская СОШ
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Я давно интересуюсь авиацией и космонавтикой. Изучаю устройство самолётов, смотрю передачи про МКС. Мне даже удалось почувствовать себя парашютистом и полетать в аэротрубе (Рисунок 1). Тогда я понял, что уверенно держаться на потоке воздуха непросто.

Рисунок 1. Полёт в аэротрубе.

Однажды мы с папой и дедушкой гуляли по Москве. Когда мы проходили возле старинной церкви, я увидел в небе необычный летательный аппарат (Рисунок 2). Это был радиоуправляемый квадрокоптер, с помощью которого проводили видеосъёмку с воздуха.

Рисунок 2. Квадрокоптер DJI Phantom 4 Pro1

Меня привлекла эта тема, я нашёл много различной информации в интернете. Так же несколько раз побывал на специализированных выставках.

Я был удивлён, когда узнал, что квадрокоптеры применяют не только для фото и видеосъёмки. Они ведут наблюдение за лесными пожарами, оказывают помощь спасателям, выполняют срочную доставку медицинского оборудования и лекарств в труднодоступные районы. Дроны-такси, массовое внедрение которых планируется в Москве к 2025 году, смогут доставить пассажиров, минуя дорожные пробки. Оказывается, формируются новые виды спорта по управлению квадрокоптерами.

Особенно меня заинтересовали спортивные квадрокоптеры. Они предназначены для гонок и соревнований.

Существуют детские клубы, которые обучают желающих управлять квадрокоптером, ремонтировать его. С одним из таких клубов я познакомился в парке Раздолье (Рисунок 3).

Рисунок 3. Клуб «Гонки дронов» в Раздолье.

Мне захотелось не только научиться управлять квадрокоптером, но и собрать свой гоночный дрон.

Гипотеза: Предположим, что квадрокоптер это не только игрушка, но и полезное устройство. Смогу ли я изготовить квадрокоптер самостоятельно?

Цель проекта: собрать спортивный квадрокоптер.

Задачи проекта:

исследовать информацию о современных квадрокоптерах;

разобраться в устройстве спортивного квадрокоптера;

приобрести детали;

напечатать недостающие детали на 3D принтере;

собрать квадрокоптер;

обобщить, проанализировать, оформить полученную информацию и представить результаты проектной работы.

Методы исследования: изучение информации о современных технологиях в Интернете и на выставках, сравнение, наблюдение.

Объект исследования: квадрокоптеры

Предмет исследования: возможности квадрокоптеров

Актуальность проектной работы: Во многих сферах человеческой деятельности появляются идеи для применения квадрокоптеров (см. введение). Стало возможным решать задачи, которые раньше вызывали большие трудности, решение было очень дорогим или невозможным.

Актуальность проектной работы для меня заключается в том, чтобы понять, как решаются проблемы при изготовлении и настройке квадрокоптеров. Это позволит лучше разобраться в новых технологиях, которые будут востребованы в будущем.

Практическую значимость данной работы я вижу в том, чтобы изготовить спортивный квадрокоптер, которым впоследствии научиться управлять. С полученными знаниями и навыками можно будет приступить к более сложным проектам.

Социальная значимость проекта. Несколько лет назад в нашем посёлке было происшествие. У моих друзей потерялась прабабушка. Мы искали её до глубокой ночи. К счастью она нашлась, её привезла полиция. Как выяснилось, пожилая женщина заблудилась.

Только по Одинцовскому городскому округу примерно 1000 обращений в год о пропавших людях поступает в полицию. Среди них треть - это дети.

Мой квадрокоптер будет оснащён видеокамерой. И может помочь, если придётся кого-то искать. Он позволит осмотреть местность сверху или заглянуть в труднодоступные места, например на крышу.

ГЛАВА I. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

Что такое квадрокоптер?

Квадрокоптер - переводится на русский, как «четырехвинтовой вертолет». Это летательный аппарат, который удерживается в воздухе благодаря четырём пропеллерам, но существуют и мультикоптеры с бóльшим количеством пропеллеров.

Один из первых квадрокоптеров был создан и испытан ещё в 1922 году Георгием Александровичем Ботезатом (Рисунок 4), российским авиаконструктором, эмигрировавшим в США в 1918 году. Так же Ботезат известен тем, что рассчитал траекторию полета на Луну, позже использованную при разработке проекта Аполлон2.

Рисунок 4. Квадрокоптер Георгия Ботезата 1922 год

В 21-м веке квадрокоптеры получили новый импульс развития, благодаря высоким технологиям. Их множество видов! От самых простых детских игрушек, размером с ладонь, и до больших, способных перевозить пассажиров.

Какие бывают квадрокоптеры?

Назначение у квадрокоптеров разное: доставка груза, работа в сельском хозяйстве, помощь в строительстве, съёмка фильмов, участие в спортивных состязаниях. Некоторые из них обладают искусственным интеллектом. Есть коптеры военного назначения.

Любительские квадрокоптеры, часто самые простые и доступные (Рисунок 5).

Рисунок 5. Квадрокоптер Syma X5C

Как и большинство старших собратьев они обычно управляются с помощью пульта радиоуправления. Многие модели снабжены видеокамерой, сигнал с которой передаётся на экран смартфона или на шлем пилота. Это позволяет управлять квадрокоптером от первого лица, делать фотографии (Рисунок 6).

   

Рисунок 6. Фотографии с квадрокоптера.

Есть квадрокоптеры для профессиональной киносъемки, как, например DGI Inspire 2 (Рисунок 7). Такие квадрокоптеры оснащены камерой высокого разрешения.

Рисунок 7. Квадрокоптер DGI Inspire 2.

Они нужны для уникальных съёмок, которые раньше выполнить было невозможно, когда квадрокоптер мчится впереди гоночной машины или снимает сложные трюки сноубордистов.

Ещё можно получить очень красивые и необычные кадры событий школьной жизни. Например, при съёмке соревнований, торжественных линеек и праздников.

Квадрокоптеры и более мощные мультикоптеры нужны в сельском хозяйстве. Они обрабатывают поля от вредителей и вносят удобрения (Рисунок 8).

Рисунок 8. Сельскохозяйственный коптер.

Квадрокоптеры помогают спасателям, пожарным, полицейским (Рисунок 9).

   

Рисунок 9. Квадрокоптеры для наблюдения и поиска

Есть модели, с помощью которых доставляются лекарства и медицинское оборудование (Рисунок 10). Это особенно актуально в условиях пандемии.

Рисунок 10. Дрон для доставки медицинского оборудования3

В январе 2021 года в Москве на территории Лужников приступили к испытаниям летающих такси (Рисунок 11). Планируется, что пользоваться ими можно будет уже в 2023-25 году.

Рисунок 11. Испытания летающего такси4.

Аэротакси позволит улучшить дорожную и экологическую обстановку в городе.

Когда я посетил выставку «Форум Армия 2020» (Рисунок 12), то узнал, что есть квадрокоптеры военного назначения.

   

Рисунок 12. Форум Армия 2020

Набирает популярность новый вид спорта – гонки на квадрокоптерах. Из интернета я выяснил, что спортивные квадрокоптеры (Рисунок 13) очень быстрые и маневренные. Могут развивать скорость более 200 км/ч. Они оснащаются видеокамерой для передачи изображения на шлем или очки пилота. Управление происходит с помощью пульта радиоуправления.

Рисунок 13. Спортивный квадрокоптер.

Как устроен квадрокоптер?

Главная деталь квадрокоптера, к которой присоединяются все детали и элементы, называется рама (Рисунок 14). Она должна быть прочной и лёгкой.

Рисунок 14. Рама спортивного квадрокоптера

Часто рама имеет X-образую форму. На концах её лучей располагаются электромоторы с пропеллерами.

Самой важной деталью устройства является его полётный контроллер (Рисунок 15). К нему с помощью электрических проводов подключаются все датчики, контроллеры моторов, приёмник радиоуправления. Контроллер обеспечивает стабилизацию квадрокоптера в полёте и управление им5.

Рисунок 15. Полётный контроллер.

В зависимости от назначения на квадрокоптер может быть установлено различное оборудование, датчики и видеокамеры. Электропитание он получает от аккумулятора (Рисунок 16).

Рисунок 16. Оборудование квадрокоптера.

Как управлять квадрокоптером?

Как правило, для управления квадрокоптером используется пульт радиоуправления, называемый передатчиком.

С камеры квадрокоптера на видеошлем пилота передаётся не только изображение, но и данные о скорости, высоте полёта, расходе аккумулятора (Рисунок 17). Я удивился, что можно почувствовать себя в полёте оставаясь на земле!

   

Рисунок 17. Управление квадрокоптером.

Некоторые квадрокоптеры снабжены функциями интеллектуального полёта. Они могут автоматически следовать за объектом съёмки, летать по заданному маршруту, даже понимают жесты руками.

ГЛАВА II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Выбор комплектующих

Гонки на квадрокоптерах - это пилотирование небольшими квадрокоптерами на больших скоростях. Спортивный квадрокоптер должен быть прочным, так как он почти наверняка будет врезаться на высокой скорости, падать на землю, неудачно приземляться. У него должны быть мощные моторы. Необходимо установить видеокамеру для полётов от первого лица (FPV). При выборе компонентов обязательно надо учесть их совместимость и вес, чтобы квадрокоптер не получился слишком тяжёлым.

Таблица1. Перечень компонентов квадрокоптера

Назначение компонента

Название

Вес

1

полётный контроллер

Frsky RXSR-FC Omnibus Fireworks V2 с интегрированным приёмником R-XSR

15,5 г

2

рама квадрокоптера

Alfarc ApacheХамелеон 5

135г

3

контроллер электромотора

FVT LittleBee SPRING 20A

× 4

4

бесщеточные моторы

Sunfun SF2207, 2450kv

35,5г × 4

5

пропеллер 5 дюймов

(127 мм) 3 лопасти

DALPROP CYCLONE T5045C

5,4г × 4

6

FPV видеокамера

RunCam Swift Mini 2 Johnny FPV Edition

12г

7

FPV видео передатчик

5,8 ГГц

Eachine TX805,

8

графеновая литий-полимерная аккумуляторная батарея

Infinity 4S 14,8 в 1500 мАч 95C

206г

9

электропроводка и крепёж

 

12 г

10

зуммер светодиодный

BZ110DB_WS2812

2,9г

Рассчитаем, правильно ли мы подобрали вес компонентов:

Для гоночного квадрокоптера тяга пропеллеров должна более, чем в 5 раз превышать его вес. Из таблицы 1 мы получаем, что комплектующие в сумме весят 571г.

Примерная тяга каждого пропеллера в нашем случае 980 г.

Суммарная тяга 980 г × 4 = 3920 г

Соотношение тяга / вес = 3920г / 571г = 6,9

Вывод: тяга пропеллеров в 6.9 раз превышает вес квадрокоптера, следовательно вес компонентов подобран правильно.

Сборка гоночного квадрокоптера.

Когда все детали были получены, мы приступили к сборке. Квадрокоптер частично я собирал сам (Рисунок 18), также мне помогали родители.

Рисунок 18. Сборка квадрокоптера.

Нужно было собрать раму, привинтить к ней все детали. Припаивать провода к миниатюрным контактам было непросто, а ещё их нужно было закрепить так, чтобы они не повредились в полёте. Электрическая схема сборки приведена на рисунке 19.

Рисунок 19. Схема подключения полётного контроллера.

Настройка квадрокоптера

После сборки готовый квадрокоптер нужно было настроить. Записать в полётный контроллер программное обеспечение, указать рабочие параметры. Для этого используется компьютер и программа Betaflight configurator (Рисунок 20).

Рисунок 20. Betaflight configurator.

Тут мы столкнулись с проблемой. Не удалось установить связь между пультом радиоуправления и квадрокоптером. Долго искали неисправность. Перепроверяли схему подключения, меняли программное обеспечение. Случайно повредили паяльником тонкий шлейф проводов. Пришлось его восстанавливать под микроскопом (Рисунок 21), но связь так и не установилась.

     

Рисунок 21. Ремонт полётного контроллера

Мы решили заказать новый полётный контроллер. Когда установили его на место, всё заработало!

Доработка квадрокоптера с помощью 3D принтера.

Важно чтобы все детали квадрокоптера были хорошо закреплены. Поэтому я обратил внимание, что крепление для антенны видеопередатчика не предусмотрено. Как это исправить?

Один из моих предыдущих проектов связан с печатью на 3D принтере. Я воспользовался этой технологией, и изготовил необходимую деталь. (Рисунок 22)

   
   

Рисунок 22. Изготовление крепления антенны на 3D принтере

Испытания квадрокоптера.

Когда квадрокоптер был собран, наступил долгожданный момент первого взлёта! У меня уже есть опыт управления небольшими квадрокоптерами, и ещё я тренировался на компьютерном симуляторе (Рисунок 23), но всё равно волновался.

Рисунок 23. Симулятор квадрокоптера Freerider 6.

Испытания мы решили проводить дома. Я поставил квадрокоптер на пол, включил пульт радиоуправления, запустил двигатели и аккуратно взлетел (Рисунок 24). Было выполнено несколько успешных взлётов и посадок.

Рисунок 24. Испытания квадрокоптера

Квадрокоптер хорошо слушается управления, но всё же в квартире ему тесно. Не обошлось без происшествий. Я слишком сильно добавил обороты двигателей, пропеллеры взвизгнули, и через мгновение квадрокоптер ударился о потолок, оставив на нём следы от вращающихся ступиц. К счастью, он сам не пострадал. Но я сделал вывод, что надо аккуратнее управлять, и не забывать тренироваться на симуляторе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведя исследовательскую и практическую работу, я узнал много нового и интересного о квадрокоптерах, как широко могут использоваться эти устройства, и насколько они полезны! Больше всего я был поражён информацией о квадрокоптерах-такси, которые возможно, скоро появятся в Москве.

Я достиг цели проекта: собрал спортивный квадрокоптер.

Выполнил все задачи, которые поставил перед собой в начале работы:

исследовал информацию о современных квадрокоптерах

разобрался в устройстве спортивного квадрокоптера

приобрёл необходимые детали, а некоторые напечатал на 3D принтере

собрал квадрокоптер

обобщил, проанализировал, оформил полученную информацию и представил результаты проектной работы

Моя гипотеза подтвердилась.

Квадрокоптер — это полезное изобретение и увлекательная игрушка одновременно. Он может стать любимым развлечением для детей школьного возраста и взрослых, которые любят яркие эмоции. Квадрокоптер подтолкнет каждого любителя осваивать что-то новое и необычное7. Одновременно это и полезное, а иногда незаменимое устройство.

Я собрал спортивный квадрокоптер, теперь предстоит научиться хорошо им управлять и стремиться к участию в соревнованиях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Всё о квадрокоптерах // URL: https://profpv.ru/

Квадрокоптер — игрушка для взрослых мальчиков // URL: https://bigpicture.ru/?p=1024748

Обзор игры FPV Freerider Recharged // URL: https://mmo13.ru/games/fpv-freerider-recharged

Одинцовская неделя: Как ищут пропавших людей // URL: https://odinweek.ru/2020/05/29/kak-ishhut-propavshix-lyudej/

Российская газета: Екатерина Ковалевская. В России разработали медицинские дроны для спасения людей // URL: https://rg.ru/2018/09/08/reg-ufo/v-rossii-razrabotali-medicinskie-drony-dlia-spaseniia-liudej.html

Сайт фирмы DJI // URL: https://www.dji.com/

ТАСС: В Москве тестируют летающее такси, способное преодолевать до 100 км // URL: https://tass.ru/ekonomika/10516867

Устройство квадрокоптера. Из чего состоит. // URL: https://mykvadrocopter.ru/ustrojstvo-kvadrokoptera/

AliExpress – интернет магазин // URL: https://aliexpress.ru/

betaflight // URL: https://github.com/betaflight/betaflight/wiki

FrSKY // URL: https://www.frsky-rc.com/

Online RC Hobbies Shop // URL: https://www.horusrc.com/

RCDetails Blog // URL: https://blog.rcdetails.info/

RC Форум // URL: http://forum.rcdesign.ru/

1 Сайт фирмы DJI // URL: https://www.dji.com/

2 Википедия. Ботезат Георгий Александрович // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Ботезат,_Георгий_Александрович

3 Российская газета: Екатерина Ковалевская. В России разработали медицинские дроны для спасения людей // URL: https://rg.ru/2018/09/08/reg-ufo/v-rossii-razrabotali-medicinskie-drony-dlia-spaseniia-liudej.html

4 ТАСС: В Москве тестируют летающее такси, способное преодолевать до 100 км // URL: https://tass.ru/ekonomika/10516867

5 Устройство квадрокоптера. Из чего состоит. // URL: https://mykvadrocopter.ru/ustrojstvo-kvadrokoptera/

6Обзоригры FPV Freerider Recharged // URL: https://mmo13.ru/games/fpv-freerider-recharged

7 Квадрокоптер — игрушка для взрослых мальчиков // URL: https://bigpicture.ru/?p=1024748

Просмотров работы: 12