Конструирование квадрокоптера "PlatonStart 1"

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

Конструирование квадрокоптера "PlatonStart 1"

Быцко П.А. 1
1МАОУ лицей №110 им.Л.К.Гришиной
Гаренских О.Ю. 1Биктулова О.В. 1
1МАОУ лицей №110 им. Л.К.Гришиной
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

Данный проект представлен на VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся «Старт в науке» по предмету «техническое творчество и изобретательство».

Уровень проработки проекта: действующая модель.

Сфера технотворчества: техническое моделирование, направление AeroNet.

Объектом исследования является квадракоптер.

Предметом исследования является технология конструирования и сборки действующей модели универсального квадрокоптера с FPV для фото и видеосъёмки «PlatonStart 1».

Проблема заключается в том, что пока не выработана схема подготовки учащихся начальной школы к практическому применению современных достижений в области конструирования квадрокоптеров.

Гипотеза заключается в том, что путём теоретического и экспериментального исследования без наличия готовых технологических схем учащийся начальной школы может осуществить сборку действующей модели квадрокоптера.

Цель исследования:

собрать действующую модель универсального квадрокоптера «PlatonStart 1»;

Задачи исследования:

найти информацию по теме проекта, систематизировать её;

изучить теорию полёта, устройство и принцип действия квадрокоптера;

изготовить и испытать модель квадракоптера,экспериментально подтвердить работоспособность собранной модели квадрокоптера.

Актуальность и социальная значимость.

Наблюдается стремительное развитие беспилотных летательных аппаратов. С помощью собранного мной квадрокоптера можно будет делать видеосъёмку городских и школьных мероприятий сверху.

Новизна заключается в том, что квадрокоптер был собран без использования готовых наборов (конструкторов) и без готовых схем сборки. Действующая модель получилась уникальной.

Глубина проработки выбранной темы. В процессе работы над проектом изучено всё, что связано с беспилотными летательными аппаратами. Самой значимой частью проекта является практическое закрепление теоретических знаний, выполнение сборки действующей модели квадрокоптера.

Уровень сложности проекта. Пилотированием квадрокоптеров я начал заниматься после первого класса в Новосибирске. А их изготовлением во втором классе. Этот дрон для видеосъёмок «PlatonStart 1»я собрал на осенних каникулах в Новосибирске. Для сборки дрона нужны знания по физике, информатике. Но этих предметов у нас ещё не было. В работе над проектом мне помогла моя техническая подготовка, которую я получил за последние четыре года, занимаясь робототехникой, техническим моделированием и программированием в технопарке Новосибирского Академгородка.

Наглядность. Все конструктивные детали собранной модели расположены в открытом виде, не закрыты декоративным корпусом, что позволяет выполнить ремонт и замену деталей в случае их поломки в процессе пилотирования. Эстетическое оформление проекта. Так как все детали собранного квадрокоптера находятся в открытом виде, то для улучшения внешнего вида и обеспечения безопасности полётов все провода были надёжно закреплены с помощью дополнительных соединительных хомутов, пластиковых спирально разрезанных трубок.

Практическое применение проекта. В результате работы над проектом выполнена сборка действующей модели квадрокоптера, который можно использовать по назначению без дополнительной доработки. Пояснительную записку к проекту я планирую использовать в дальнейшем как составную часть моего руководства по конструированию дронов, постепенно добавляя новый теоретический материал, схемы сборки и свои рекомендации.

Глава 1. Теоретическая часть.

1.1. Общие сведения о беспилотных летательных аппаратах

На борту беспилотного летательного аппарата нет экипажа, он летит без пилота в кабине. Пилот находится не внутри устройства, а снаружи. Поэтому часто пользуются названием «беспилотник». Беспилотный летательный аппарат называется дроном, потому что при его полёте слышно жужжание как у шмеля. Слово «дрон» происходит от английского слова drone, что в переводе на русский означает жужжать.

1.2.Типы беспилотников

Беспилотники вертолётного типа могут летать в разных направлениях, но имеют малый радиус полета и быстрый расход заряда аккумулятора.

Беспилотники по самолетной схеме имеют крылья и тяговые винты, летают с большой скоростью и на большие расстояния, но не в состоянии вертикально взлетать и садиться на ограниченном пространстве.

Гибридные беспилотники имеют крыло и винт для горизонтального полета, а также четыре ротора, позволяющих производить вертикальные взлет и посадку. Совмещают в себе положительные стороны от вертолётного и самолётного типов.

Беспилотники аэростатического типа. В беспилотном дирижабле подъемная сила создается за счет архимедовой силы, действующей на баллон, заполненный легким газом (гелием).

1.3. Виды дронов

Виды дронов по количеству моторов:

трикоптер (3 мотора)

квадрокоптер (4 мотора)

гексакоптер (6 моторов)

октокоптер (8 моторов)

мультикоптер (много моторов)

Чем больше моторов, тем стабильнее ведет себя дрон в воздухе, и легче противостоит ветру. Самыми распространенными являются квадрокоптеры.

1.4. Области применения беспилотных летательных аппаратов

Основные задачи, решаемые беспилотными технологиями:

военные дроны, используемые для разведки и в боевых действиях;

геодезическая съёмка, картографирование создание трёхмерный моделей;

контроль за выполнением строительных работ;

в сельском и лесном хозяйстве, противопожарный мониторинг;

мониторинг и инспектирование охраняемых территорий и объектов (мосты, железные дороги, линии электропередач и пр.);

поисковые и спасательные работы;

доставка посылок, различных грузов;

выполнение фото и видеосъёмки с высоты, селфи съёмка;

мини дроны для обучения пилотированию, спортивные гонки

развлекательные красочные шоу дронов, дроны-игрушки;.

1.5. Пилотирование беспилотным летательным аппаратом

Сейчас дроны доступны для обычных людей. Владелец дрона должен обеспечить безопасность выполнения полетов. Для этого требуется пройти обучение. Обучиться пилотированию сегодня можно на специальных курсах в крупных городах.

1.6. Способы управления дроном.

Управление дроном может осуществляться через смартфон, планшет или пульт. Сейчас есть возможность через специальный шлем или очки с видео экраном видеть, куда летит дрон. Это называется - технология FPV. Аббревиатура FPV означает First Person Vision – изображение от первого лица.

Учёные создали особый экзоскелет. И человек может управлять дроном с помощью своих движений. Создан дрон, управляемый силой мысли.

Глава 2. Практическая часть.

2.1. История работы над проектом

В 2017 году начала работу первая «Школа пилотирования квадрокоптеров» на базе Новосибирского Государственного Университета. Я прошёл обучение в первом наборе и закончил курс «Сборка и управление квадрокоптером».

Я задумался о том, что можно собрать квадрокоптер собственными руками. Мои родители поддержали мой интерес. Мы понимали, что это не самый лёгкий путь. Большинство людей просто покупают готовый дрон. Но я решил выбрать самый интересный путь и строить «с нуля» Так я смогу понять его устройство и в процессе сборки получить много полезных знаний. К тому же это здорово – летать на коптере, собранном своими руками в 8 лет.

Детали для сборки квадрокоптера мне помог подобрать мой инструктор. Я узнал, где можно заказать и купить новые детали. Но мы решили пойти по пути экономии и там, где можно использовать детали, которые уже были у нас в наличии. Свой первый квадрокоптер «PlatonStart 1» я собирал во время осенних каникул 2018 года в Новосибирске с помощью наставника – инструктора по БПЛА Анфёрова Дмитрия Андреевича.

2.2. Принцип работы квадрокоптера.

Управление полётом:

подъём – увеличение оборотов на всех винтах;

опускание – уменьшение оборотов на всех винтах;

движение в сторону - увеличение оборотов одной половины винтов и уменьшение оборотов другой половины винтов;

поворот - увеличение оборотов у винтов с вращением по часовой стрелке и уменьшение оборотов у винтов с вращением против часовой стрелке.

Каждый пропеллер приводится во вращение электродвигателем. Два мотора осуществляют вращение по часовой стрелке, ещё два мотора – против часовой стрелки. Маневрирует квадрокоптер путём изменения скорости вращения винтов. Управление полётом осуществляется пультом посредством исходящих от него радиоволн.

2.3. Аналоги и прототипы.

В настоящее время выпускается большой ассортимент современных легко управляемых квадракоптеров, выпущенных под разными марками. Самой популярной в мире моделью является Phantom. В продаже обычно все дроны в корпусах. У моего наставника я увидел дроны без корпусов. Я планирую выполнить сборку квадрокоптера, у которого все комлектующие находятся в открытом виде. Закрывать их корпусом я не планирую. Это удобно при модернизации и ремонте дрона.

2.4. Сборка «PlatonStart 1»

Для того, чтобы собрать действующую модель квадрокоптера мне предстояло понять какие детали мне понадобятся и составить спецификацию необходимых комплектующих деталей.

2.4.1. Требования к изделию

1. Экономичность.

2. Небольшие затраты времени на изготовление.

3. Прочность.

4. Функциональность.

5. Безопасность в эксплуатации.

6. Возможность замены узлов и деталей.

7. Возможность осуществления возврата на точку пуска.

8. Возможность установки подвеса с видеокамерой

9. Относительная эстетичность.

2.4.2. Выбор комплектующих для сборки коптера.

Рама. Мною было принято решение собирать квадрокоптер на базе популярной четырёхлучевой рамы DJI F450 (расстояние между двигателями по диагонали 450 мм). Она состоит из двух текстолитовых площадок и четырёх пластиковых лучей, присоединённых к площадкам. На раму снизу добавлен посадочный модуль из четырёх шасси для смягчения ударов при посадке дрона (DJI Landing Gear for Flame Wheel для F450/F550).

Полётный контроллер. Это «мозги» коптера. Самая важная и дорогостоящая часть коптера. Контроллер собирает данные с датчиков и команды от пульта и делает некоторые изменения в скорости вращения моторов для того, чтобы коптер оставался в воздухе. К нему подключаются все моторы, GPS и все датчик. Я решил использовать полётный контроллер марки DJI NAZA M Lite. Он считается лучшим и очень надёжным. По сравнению с другими он не требует сложных настроек, оснащен гироскопом, акселерометром и барометра («три в одном»), с помощью которых может зависать прямо, без крена. Дрон оборудован функцией автовозврата в случае потери радиосигнала, имеет GPS модуль.

РегуляторыоборотовESC (Electronic Speed Controller). Основная задача – передача энергии от аккумулятора к мотору. Аккумулятор отдаёт постоянный ток, а мотор принимает переменный ток. Регуляторы оборотов управляют скоростью вращения моторов. С увеличением напряжения увеличивается число оборотов на моторе, а следовательно и скорость движения дрона. Регулятор оборотов я подобрал с характеристикой 30А. HobbySky 30A BEC 3A/5V SimonK – это регулятор скорости вращения бесколлекторных двигателей SimonK.

Моторы. Моторы крепятся к раме дрона, всего 4 мотора. Функция моторов – крутить пропеллеры. В документации на раму F450 есть рекомендации по выбору моторов. Я выбрал бесколлекторные моторы SunnySky Х2212-13 KV980. Грузоподъёмность дрона с этим мотором достаточна для подъёма камеры с подвесом.

Пульт управления квадрокоптером (передатчик). Передача команд от пульта к полётному контроллеру осуществляется по радиоканалу через приёмник. Питается пульт от пальчиковых батареек АА. Я решил использовать пульт RadioLink AT9 с 9 каналами, работающий на частоте 2,4 ГГц.

Приёмник необходим для управления дроном. Приёмник устанавливается на квадрокоптер для получения сигнала с пульта управления и соединяется с полётным контроллером проводами. Я решил использовать приёмник R9DS RadioLink.

Пропеллеры (винты). Пропеллеры я подбирал исходя из размеров коптера и мощности двигателей.Я выбрал две пары пропеллеров 8055 T-style, которые вращаются в разные стороны.

Аккумуляторная батарея. При выборе аккумулятора я анализировал его ёмкость и вес.Я решил использоватьлитий-полимерный аккумулятор LiPo, состоящий из трёх батарей (банок), ONBO 6300 mAh 3S мощностью 6300 mAh. Его должно хватать примерно на 15-20 минут полета.

Подвес-стабилизатор для ориентации камеры

Подвес представляет собой отдельную конструкцию, имеющую свой контроллер и систему моторов. Главное назначение – успокаивать все колебания и раскачивание квадрокоптера, чтобы они не влияли на положение видеокамеры в пространстве.

Индикатор зарядки аккумулятора (тестер, поисковая пищалка для LiPo аккумулятора). Индикатор зарядки аккумулятора (пищалка) 8S 2 in 1 voltage meter & Lipo alarm предназначен для подачи громкого сигнала в случае критической разрядки аккумулятора.

Складная стойка для установки GPS антенны. Стойка используется для отдаления GPS от основных силовых узлов, способных вызвать помехи.

Зарядное устройство для аккумулятора

Для подзарядки аккумуляторов я решил использовать зарядное устройство марки LiPro Balance Charger imax B6.

Шлем. Я решил использовать систему FPV для того, чтобы управлять квадрокоптером вне зоны видимости.

2.4.3. Спецификация комплектующих.

В результате анализа информации я составил следующую спецификацию комплектующих для моего квадракоптера:

Наименование

Количество, шт.

Пропеллеры винты RC timer

4

Полетный контроллер Naza  m   lite

1

Моторы SunnySky Х2212-13 KV980

4

Регуляторы оборотов HobbySky 30A BEC 3A/5V SimonK

4

Приемник Radiolink   R9DS RadioLink

1

Полётный контроллер DJI NAZA M Lite

1

Модуль питания NAZA

1

Модуль светодиодов NAZA

1

Пульт RadioLink AT9

1

Модуль GPS

1

Радиопередатчик   Radiolink AT9

1

TS832 48CH 5,8 Г 600 МВт Беспроводной видео передатчик Tx для 5,8 ГГц RC Камера Drone FPV очки для квадрокоптера

1

Складная стойка для установки GPS антенны

1

Индикатор зарядки аккумулятора

1

Разъёмы

10

Шлемы FPV

1

Зарядноеустройство LiPro Balance Charger imax B6.

1

Рама DJI F450

1

Посадочныймодуль DJI Landing Gear for Flame Wheel для F450/F550).

4

Подвес

1

Камера

1

2.4.4. Процесс сборки «PlatonStart 1» для фото- и видеосъёмки

Какая-либо подробная инструкция по сборке дрона отсутствовала. Я руководствовался сведениями, полученными из internet и рекомендациями наставника. Схема сборки квадрокоптера см. Приложение рис.1. Процесс сборки квадрокоптера см. Приложение с рис.2 по рис.14. В кратком изложении последовательность сборки была следующая:

сборка рамы;

крепление двигателей на лучи коптера;

крепление регуляторов к лучам дрона на нижней плоскости рамы;

подключение проводов регуляторов к двигателям;

крепление на раме полётного контроллера;

подключение регуляторов оборотов к контроллеру;

подключение к полётному контроллеру GPS-компаса;

крепление приёмника, подключения приёмника к контроллеру полёта (каждый канал на контроллере полётов подключается к такому же каналу на приёмнике, все каналы подписаны)

крепление аккумуляторной батареи, разводка силовых проводов от аккумулятора к четырём регуляторам оборотов двигателя;

установка модуля датчика «компас +GPS» на специальной стойке выше основной электроники, чтобы она не влияла на показания датчика антенны;

крепление подвеса для видеокамеры;

установка пропеллеров с учётом направление вращения моторов (приподнятая часть лопасти должна смотреть в направлении вращения);

Все соединения проводов выполнялись с помощью надёжных разъёмов, позволяющих быстро производить как монтаж, так и демонтаж элементов. Это оказалось очень удобно при сборке-разборке дрона. Провисающие излишков проводов стянул пластиковыми хомутами, чтобы они не болтались и не попали при полёте в пропеллер. Получилось довольно компактно и при этом сохранён доступ практически ко всем деталям. Достоинство моего коптера, собранного собственными руками в том, что в любой момент можно произвести его апгрейд, добавляя новое оборудование.

2.4.5. Результат.

Собранный мной квадрокоптер успешно прошёл испытания. Есть видеосъёмка испытательного полёта. Он показал стабильность взлёта, полёта и посадки. Система FPV работала исправно. Изображение на экране шлема было чётким, без задержки во времени. Я научился собирать квадрокоптер с видеокамерой, пультом и шлемом FPV. (Приложение рис.15, рис. 16). Я сам сделал свой настоящий квадрокоптер ! Приехал на аэродром его испытать. И он полетел !

2.5. Самооценка

Результатами своей работы, в целом, я доволен. Мне удалось достигнуть поставленных целей. Я собрал квадрокоптер для видеосъёмки, какой хотел. Мне хочется двигаться дальше и собрать другие модели.

2.6. Выводы

В результате работы над проектом я освоил следующее.

Изучил имеющуюся в свободном доступе информацию по самостоятельной сборке квадрокоптеров. Провёл исследования по теории полёта. Ознакомился с номенклатурой комплектующих изделий, выявил различия между ними, сделал выводы о целесообразности применения конкретных деталей для сборки моего квадрокоптера.

Собрал действующий квадрокоптер с подвесом и видеокамерой.

Провёл испытания этого квадрокоптера в зимних условиях при отрицательной температуре на действующем аэродроме. Убедился в хороших лётных качествах собранной мной модели квадрокоптера.

Накопленную мной информацию по теме проекта и описание собранных мной моделей дронов я изложил в пояснительной записке к проекту, которую планирую использовать, в том числе и для себя в дальнейшем, внося туда новую информацию, рекомендации и новые наработки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Поскольку модель, собранная мной, является действующей моделью, я планирую и дальше совершенствовать свои навыки конструирования и пилотирования беспилотными летательными аппаратами. Я вижу, как быстро развиваются когнитивные науки и нейротехнологии у нас в стране и в мире. В перспективе мне бы хотелось совместить достижения техники, психофизиологии, электроники при разработке моих новых проектов. Я планирую продолжить проектную деятельность и развиваться, в частности, в области летающей робототехники. Использовать 3D принтер для изготовления деталей корпуса дрона. Расширить свои знания в области программирования.

В процессе работы над проектом я приобрёл новые знания и навыки, а также понял, что у меня есть желание и дальше заниматься техническим творчеством, конструировать беспилотники, программировать их и совершенствоваться! 

Список использованных источников

Беспилотные летательные аппараты. Состояние и тенденции развития/ Под ред. Иванова Ю.Л. М.: Варяг, 2004.

Вилкова Н. Н., Сухачев А. Б. Россия должна вернуться в ряд ведущих «беспилотных» держав. // Национальная оборона. №10 (19), октябрь 2007.

Сухачев А. Б. Беспилотные летательные аппараты. Состояние и перспективы развития. М.: МНИТИ, 2007, 60 с.

Трубников Г. В. Опыт развития гражданских беспилотных систем и услуг в России. // Труды Второго Московского Международного Форума «Беспилотные многоцелевые комплексы в интересах ТЭК». М. Экспоцентр, 29-31 января 2008 г.

https://drongeek.ru/profi/kvadrokopter-svoimi-rukami DronGeek. Все о квадрокоп-терах и дронах.

https://air-hobby.ru Воздушное хобби

https:// dronomania.ru ДроноМания онлайн журнал о дронах.

http:// kvadrokoptery.com

https://mykvadrocopter.ru Мой Квадрокоптер. Всё о квадрокоптерах.

https:// rusdrones.ru

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Рис.1. Схема сборки квадрокоптера.

Рис.2. Установка комплекта полётного контроллера

Рис.3.Установка моторов и пропеллеров. Рис.4.Установка аккумуляторной батареи.

Рис. 5.Установка стойки GPS/ Рис.6.Установка подвеса с питанием.

Рис. 7.Соединение на разъёмах. Рис. 8.Установка Регуляторов оборотов.

Рис.9. Подвес для видеокамеры. Рис.10. Подвес для видеокамеры.

Рис.11.Окончание монтажа комплектующих. Рис.12. Проверка шлема VR – есть картинка !

Рис.13. Квадракоптер собран ! Рис.14. Первое включение – всё работает !

Рис.15. Квадракоптер готов к полётам. Рис.16. Испытания собранного квадракоптера.

Просмотров работы: 240