Квадрокоптер своими руками

Разработка квадрокоптера: идеи и примеры

Мультикоптеры — летающие устройства, которые построены по подобию вертолета. У них может быть от трех несущих винтов. Наиболее популярным мультикоптером является квадрокоптер — устройство с четырьмя несущими винтами. Его первую работающую версию создал американо-российский изобретатель Георгий Ботезат. На тот момент в квадрокоптере была предусмотрена кабина пилота. Сегодня основное преимущество квадрокоптеров — бесплотность. В ХХІ веке квадрокоптеры стали доступным устройством, которое покупают для развлечения. Их используют для съемок видео, прикрепляя к нижней части фото- и видеокамеры, чтобы снимать ролики с высоты птичьего полета. Компания Amazon разрабатывает проекты доставки посылок дронами и планирует постройки складов-ульев, с сотнями окон для вылета дронов.

Первый квадрокоптер, 1923 год, разработка авиаконструктора Ботезата

Исследователи используют дроны для доступа в сложнодоступные или опасные для человека зоны. При желании квадрокоптер можно оснастить устройством сбора информации об окружающей среде: он может снимать атмосферные показатели или собирать образцы пород.

Военные дроны — значительный сегмент мультикоптеров. Среди прочего их используют для переноса бомб. Они позволяют наносить относительно точные авиаудары, не рискуя жизнью пилотов. Барак Обама, сорок четвертый президент США, старался по максимуму использовать потенциал дронов, в отличие от многих своих предшественников, которые делали ставку на человеческие ресурсы.

RQ-7 Shadow, военный дрон, который переносит взрывчатку

Также военные используют небольшие квадрокоптеры для разведки: сбора информации и съемки территорий. Как и в случае с бомбами, дрон позволяет сохранить человеческие жизни и получить фото или видео с местности, не посылая туда живого разведчика. При этом фото в режиме реального времени отправляются на сервера ведомства, и если его собьют, информация все равно останется у военных. Также дроны могут выполнять и функцию патрулирования территории.

Разработка квадрокоптера: бизнес-перспективы

С точки зрения бизнеса, наиболее перспективными являются гражданские мультикоптеры. В 2016-м году компания Business Insider прогнозировала, что к 2020-му году рынок гражданских дронов будет оцениваться в 12 миллиардов долларов. По оценке New York Times в 2016-м году в мире продано 9,4 миллиона гражданских дронов на сумму в 3 миллиарда долларов. Пользовательские квадрокоптеры — популярный подарок для подростков, они пришли на смену игрушечным радиоуправляемым самолетам.

Еще одна интересная разработка будущего — беспилотный дрон-такси. На саммите World Government Summit, который в начале 2017-го года прошел в Дубаи, объявили, что EHang 184 в тестовом режиме будет работать в ОАЕ. В дрон помещается один человек, летает он благодаря двум винтам-пропеллерам, максимально возможная длительность поездки — 30 минут. Использовать его планируют для доставки пассажиров из аэропорта в пределы города.

Корпорация SnapChat напротив работает над проектом крошечного коптера, который будет летать вокруг владельца, помогая транслировать свою жизнь в приложение. Судя по новостям, компания работает над собственным дроном и подстраховывается, покупая разработки тех, кто преуспел в создании компактных дронов. В августе 2017-го года журналисты писали о том, что компания ведет переговоры со стартапом Zero Zero.

Хоть сама компания и отрицает это, но шаг вписывается в стратегию развития бренда. До этого, также в 2017-м году, Snapchat приобрели Лос-Анджелесскую компанию Ctrl Me Robotics, которая также создает малогабаритные дроны. Технофутурологи склоняются к тому, что дрон, который летает за хозяином — идея, которая понравится целевой аудитории (рожденные в середине 90-х — начале 20-ых) и покажет хорошие продажи.

Разработка Zero Zero — дрон, который летает за его владельцем, может снимать фото и видео. Из плюсов — встроенный ИИ, который узнает хозяина. Из минусов — слабая батарея, которая поддерживает всего 8 минут съемки видео, что ничтожно мало для устройства, которое стоит несколько сотен долларов.

Хотите, чтобы ваш стартап был следующим в списке приобретений SnapChat? Обратитесь в KLONA, мы поможем разработать квадрокоптер и построим для него стратегию продвижения.

Промышленный квадрокоптер Aeryon Scout, который используется для поиска пропавших людей

Промышленный дизайн квадрокоптеров: конструкция

Дроны различаются количеством несущих винтов. На рисунке ниже, с типологией мультикоптеров видно наиболее популярные типы. Чтобы дрон зависал и находился на одном месте, все винты должны крутиться с одной скоростью. Стороны оборота пропеллеров в разных модификациях изображены на схеме ниже. Зависающее положение используется для фотосъемки с длительной выдержкой. Это позволяет получить кадры высокой точности, которые используют в геодезии, археологии или для получения разведданных.

Разработка квадрокоптеров: возможные конструкции винтов

Ориентация мультикоптера в пространстве определяется 3 показателями:

  • крен;

  • рыскание;

  • тангаж.

Чтобы менять направление полета, нужно изменять эти углы с помощью пульта управления квадрокоптером. Корпус пульта должен быть эргономичным и не скользящим.

Показатель скорости вращения винтов квадрокоптера — газ. Чем он выше, тем скорее коптер набирает высоту.

Квадрокоптеры оборудованы обязательными датчиками, которые регулируют положение аппарата в воздухе:

  • Гироскоп, который измеряет угловую скорость;

  • Акселерометр, который измеряет ускорение;

  • Регуляторы скорости, которые управляют сигналом контроллера.

Камера — не обязательная составляющая квадрокоптера. Она может быть встроена производителем или установлена отдельно, пользователем.

Среди всех дронов квадрокоптер является наиболее популярным вариантом для цивильного использования. В свою очередь среди квадрокоптеров наиболее удобной конструкцией является схема, где винты расположены по аналогии буквы «X».

Составляющие части квадрокоптера: разобранная 3D-модель дрона

Создание корпуса для квадрокоптера: отталкиваемся от габаритов

Вес квадрокоптера колеблется от одного до четырех килограмм. Конструкция квадрокоптера позволяет ему поднимать вес в несколько килограмм, носить тяжелые профессиональные камеры и транспортировать небольшие посылки. Чтобы поднять камеру, квадрокоптер должен быть не меньше 20 сантиметров в длину. Amazon видит в дронах будущее доставки и уже запатентовал идею склада, с сотней отверстий для вылета дронов.

Схема логистического центра, который запатентовала Amazon

Длина крупногабаритных квадрокоптеров стартует от 50 сантиметров. Они являются более прочными, в сравнении с малогабаритными (до 20 сантиметров) и среднегабаритными дронами (20 — 50 сантиметров). Такие квадрокоптеры оснащены мощными батареями, которые продлевают время полета до получаса. Они маневренны, выдерживают столкновения в лоб и не боятся сложных погодных условий. Все это предусматривает их конструкция и продуманный корпус.

Конструкция корпуса квадрокоптера обычно имеет обтекаемую форму, для уменьшения сопротивления.

Конструкция военного дрона-разведчика

Квадрокоптеры, как и многие другие изобретения часто используют в дизайне зооморфизм. Обычно это не чисто дизайнерское решение. Конструкторы и проектировщики заимствуют у животных и технические решения, например квадрокоптер SCAMP умеет не только летать, а и карабкаться, принцип передвижения позаимствован у геккона.

3D-моделирование квадрокоптера SCAMP: живая природа на службе у инженеров

3D-печать деталей для квадрокоптера: применение в любительском моделировании

Сконструировать простейший квадрокоптер относительно просто. Мода на БПЛА (беспилотные летательные аппараты), которая захлестнула мир в начале 2010-ых и тот факт, что при желании собрать свой квадрокоптер может каждый, у кого есть желание и доступ в интернет, повлияла на рост интереса к 3D-моделированию. Если вы сделали 3D-модель квадрокоптера и хотите напечатать ее, KLONA поможет. Наша студия промышленного дизайна может изготовить корпус квадрокоптера методом 3D-печати.

Серийное производство квадрокоптеров в KLONA

Любительское моделирование подходит в качестве хобби, но если у вас есть идея и работающий прототип квадрокоптера, мы поможем наладить серийное производство дронов. Этапы налаживания производства в КЛОНА состоят из таких шагов:

  1. Создание 3D-модели. Если у вас уже есть наработки, мы используем их, если они отсутствуют, то мы возьмем вашу идею и приступим к реализации.

  2. После всех этапов разработки модели, мы утвердим ее и напечатаем. Полученный прототип корпуса потребуется доработать.

  3. Тестирование. Потребуется понять, способен ли квадрокоптер выполнять все задуманное, хорошо ли работают механизмы, что отвечают за полет, не перегревается ли аккумулятор.

  4. Правки, изготовление нового корпуса и пресс-формы.

  5. Печать нескольких корпусов и проверка работоспособности пресс-формы.

  6. Запуск серийного производства.

На каждом этапе могут требоваться доработки, поэтому мы перестраховываемся и тестируем модель, а не делаем пресс-форму с первого прототипа.

Заказать разработку квадрокоптера вы можете в студии промышленного дизайна КЛОНА. Работайте с профессионалами, чтобы результат вас не разочаровывал!

Другие проекты контроллеров для квадрокоптеров

Ниже приведены несколько других проектов контроллеров для квадрокоптеров на базе Arduino.

Плата контроллера может использоваться для три- и квадрокоптера с возможностью дополнительной установки камеры и стабилизацией тангажа.

Для питания сенсоров используется 3.3 В постоянный ток от Arduino Nano.

Контроллер, выполненный в круглом форм-факторе. Контроллер можно использовать на три- и квадрокоптерах.

Еще один круглый контроллер. Может использоваться для три- и квадрокоптеров. Можно подключить видеокамеру. Предусмотрена стабилизация тангажа и крен.

Предусмотрена проверка питания. Если питание отсутствует, подается сигнал на динамик. Можно запитать плату от отдельного BEC. На контроллере установлен светодиод для отслеживания состояния и питания.

Есть интересные серийные контроллеры для квадрокоптера на Arduino. Например, в пердставленом ниже тоже используется круглый форм-фактор плат. Этот контроллер можно использовать для три- квадро-, гексакоптера. Поддерживаются все фичи MultiWii версии 1.6. Кроме того, на плате есть встроенный регулятор 3.3 вольт.

Постройка DIY квадрокоптера. Часть 1 теория

Решили собрать квадрокоптер? Для вас это темная чаща? Не знаете за что взяться? Статья именно для вас. Составлена на личном опыте.
Часть 2
Заинтересовали квадрокоптеры. Решил сделать заказ, выбор пал на хабсан х4 c камерой 0.3мр.
Дождался, получил.Достаточно много отлетал на нём(были краши, долгие ожидания запчастей и ремонты). Мой мозг посетила идея собрать большой квадрокоптер, окунулся в эту тему, перечитал много статей. По возможности отвечал на вопросы людей, состоящих в группе Rc моделистов: по поводу выбора деталей, сборки квадрокоптера. Из всего этого возникла идея написать сию статью.
Принцип полёта

Итак, Если вы решили собрать свой квадрокоптер, то вам необходимо определиться с бюджетом. От суммы, которую вы готовы потратить на это Чудо, зависит размер. Наиболее частые размеры(в мм.) это 250,330,450,550 и больше.
*250 размер: маленький, легкий, чаще все используют только для FPV полётов.
*330 и 450 золотая середина для бюджетного квадрокоптера. Приемлемая масса и цена сборки.
*550 и больше можно отнести к профессиональным коптерам или мультироторам. Такие машины получатся тяжелыми и дорогостоящими. Для данных ЛА будут мощные двигатели и они могут таскать приличный вес, вплоть до килограммовых зеркалок.
Своё повествование я продолжу опираясь на коптер 450 масштаба.
Особое место в данной категории занимают рамы DJI 330 и 450, TBS Discovery.

Цена их соответствующая…высокая.
Есть множество клонов, его я и выбрал.

gearbest.com/rc-parts/pp_88914.html
Настало время выяснить,что же такое квадрокоптер и из чего он состоит.
1. Рама
2. Приёмник/Передатчик
3. Контроллер полёта:
a) AIOP
b) NAZA
c) MuliWii
d) HKPilot
е) AMP
f) И другие
4. Силовая установка
a) Мотор
b) Регулятор скорости
c) Пропеллеры
5. Аккумулятор
6. Доп. Оборудование:
a) FPV система (вид от первого лица в реальном времени)
• Курсовая камера
• Передатчик
• OSD
b) Подвес для бортовой камеры
c) Подсветка
Теперь можно все детально рассмотреть.
1) С рамой уже определились. 450 масштаб, клон TBS.

2) Приёмник/Передатчик. Выбор его имеет очень важное значение. Вам нужно для себя понять: как далеко вы хотите летать.
Самые популярные варианты:
 1,5-2км обеспечит 2,4Ггц
 433 мгц обеспечит около 5-10км(все зависит от мощности, можно улететь и на 20км)
Для себя выбрал 2,4Ггц FlySky Th9x 9каналов

Не дорогая и простая в настройке аппаратура.
Для квадрокоптера необходимо от 5 каналов.
Выбор данной аппаратуры обусловлен её популярностью, давностью на рынке.Существует множество клонов.Ведётся много споров по поводу того, какая фирма была первой, это та же тургига 9, авионикс и другие… В интернете множество настроек.
3) Контроллер полёта
На данный момент очень много контроллеров полёта для квадрокоптеров. Свой выбор я сделал. Это Naza Lite c GPS
www.banggood.com/ru/DJI-NAZA-Flight-Control-System-and-GPS-Lite-Version-p-906572.html
Не очень дорого и сердито. Наза требует минимальной настройки и сделать это очень просто.
С контроллерами AIOP, Crius и MultiWii будет много раз сложнее и особенно новичку.
Почему я взял контроллер с GPS?
Данная функция необходима для зависания в точке и возврата домой.
Я вижу это очень удобным функционалом.
4) Силовая установка
Вызывает множество вопросов у непосвященных.
Используются БК моторы. Они являются трёх фазными(3 провода), их КПД около 90%.
Для управления скоростью вращения таким мотором используется регулятор оборотов(регуль), который получает команды от контроллера полёта.
Рассмотрим рамы 330,450мм. В зависимости от ваших потребностей необходимо прикинуть вес квадрокоптера. В среднем получается от 1к до 1,5кг. Желательно чтобы тяга моторов была в 2-2,5 раза больше общей массы. Это говорит о том, что тяга должна быть 2-3 кг. Делим это на 4 и получаем тягу одного мотора: примерно 500-750 гр.
Возникает вопрос: какой двигатель выбрать? Смотрим в характеристики рамы: нас интересует какие двигатели можно в неё поставить. Должны интересовать первые 2 цифры: 22 или 28 в большинстве случаев.
Начинаем выбор двигателя. У названия двигателя вы увидите некую величину, например: 1100kv. Это величина обозначает количество оборотов на 1 вольт. Двигатели с высокими значениями kv имеют меньше витков обмотки статора, чем менее оборотистые.Из этого вытекает, что максимальная сила тока будет выше в двигателях с меньшим kv, которые имеют большую силу крутящего момента и это позволяет использовать большие пропеллеры.
Можно сравнить с коробкой передач автомобиля. 380kv и 1400kv это как первая и третья передача у авто.
380kv для размеренных медленных и долгих полётов с большой грузоподъемностью
1400kv для быстрого и маневренного хода.
В просторах интернета или же в описании этого двигателя можно увидеть его технические характеристики и результаты тестов. Нужно узнать максимальную силу тока (А) которую сможет потянуть двигатель и исходя их этих данных подобрать регулятор оборотов(ESC). Допустим max А для двигателя 20А. Тогда, ESC берём на 20-25% мощнее, 25-30А.
Теперь смотрим результаты тестов.
Например видим: 11х4.7 –3S-12А – 830гр
Это означает
11х4.7 — характеристики пропеллера(11-дюймы, 4.7 шаг )
3S — число банок LiPo батареи
12А — сила тока в цепи при данной нагрузке
830гр – тяга двигателя при даных условиях
Таким образом, максимальная тяга 830х4=3300 гр., max сила тока в цепи 12х4=48А
Максимальная сила тока нужна для подбора Аккума и Проводки.
Для начала не берите карбоновые пропы. Переплата. Учитесь летать на дешевых.
Крепление пропеллера зависит от самого двигателя. Большинство пропеллеров имеют адаптер под ось двигателя. Возможно крепление на Цангах или же резьбой. Есть прекрасные варианты самозатягивающиеся-крепления у DJI, при таком варианте ваш пропеллер никогда не открутится во время полёта.
Для более простых вариантов советую дополнительно закрепить герметиком для резьбы.
Обращаю внимание: сравнивать моторы с разным kv можно при условиях одного типоразмера. Например, EMAX XA 2212 существуют в разных конфигурациях:
820
980
1400
Их можно сравнить.
Эффективность мотора с 1400kv будет максимальной при использовании пропеллера 8040,
А мотора с 820kv — при пропеллере 1147.
Максимум крутящего момента будет у мотора с 820kv, поэтому целесообразно использовать большие пропеллеры. А мотор с 1400kv будет любить высокие обороты при меньшей нагрузке.
Разница между представленными моторами в обмотке.
Разумно их использовать так:
1400kv на раме 330 и пропеллерами 8040
980kv на раме 450 и пропеллерами 1045
820kv на раме 500-550 и пропеллерами 1147
Я выбрал gearbest.com/rc-quadcopters-parts/pp_154973.html
И пропеллеры gearbest.com/rc-parts/pp_109432.html
Замечательный набор.
Схема подключения
Для простоты: Сигнальный- черный, Силовой(+\-) — красный

5) Аккумулятор
Выбирая аккум необходимо подобрать токоотдачу. Это число С.(25С,35С)
Не забываем что, по нашим данным система кушает 48А.
Допустим что, есть аккум 3300mAh 3S 35C Lipo Pack
3300 mAh — ёмкость аккума
3S – число банок(одна банка 3,7v)
35C – токоотдача. Т.е. Аккум ёмкостью 3.3Ah(3300 mAh) х 35C = 115А
Что достаточно покрывает наше энергопотребление. Даже излишне. Чем больше С, тем тяжелее и дороже аккум.
Посмотрим сможет ли аккум такой же ёмкости, но с токоотдачей 25С справится с нашими задачами или нет: 3.3Ah(3300 mAh) х 25C = 82А
Ответ:да.
Такой аккум будет легче и дешевле.
Для контроля состояния батареи можно купить такую штуку.
gearbest.com/rc-quadcopters-parts/pp_137605.html
Для зарядки аккумов очень популярна Imax B6, будьте осторожны, очень много подделок.
gearbest.com/rc-parts/pp_27704.html
И не забывайте с LiPo надо очень осторожно обращаться.
Мой совет: берите не меньше пары аккумов.
6) Доп. Оборудование.
• Когда вы определились с дальностью полёт и выбрали систему управления, можно начинать выбор FPV системы:
FPV- дословно: вид от первого лица в реальном времени.
 2,4Ггц совместима с 5,8Ггц
 433Мгц совместима с 1,2 Ггц
Иначе будут создаваться совместные помехи.
Для своей 2.4Ггц я подобрал 5,8Ггц 200mw
gearbest.com/rc-parts/pp_27971.html
FPV-система стостоит из:
1) Курсовой камеры
2) Передатчика на квадрике
3) Приёмной станции на земле.
Для Увеличения дальности связи можно заменить стандартные антены на »клеверы»
gearbest.com/rc-parts/pp_69370.html
Большая часть передатчиков питается в пределах 9-12v, небольшая 3S батарея сможет запитать передатчик и камеру, которая выбирается для данного вольтажа.
Что значит 200mw?
Это мощность передатчика. Она непосредственно влияет на дальность связи. На открытой местности с нештатными антенами сигнал можно получать на расстоянии до 1 км.
С учетом того, что моя система управления на расстояние больше 1,5-2км не способна, это идеальный
вариант для моих потребностей.
С выбором приёмника и передатчика теперь все понятно, а как выбрать камеру, их огромное колличество?
Выбор камеры первоначально упирается в денежные средства.
Есть камеры которые имеют функцию потоковой передачи данных и одновременной записи.Стоимость таких камер значительно выше. Очень популярной является камера мобиус.
gearbest.com/car-dvr/pp_145224.html
Появился её конкурент, тоже имеющий AV выход
gearbest.com/action-cameras/pp_143378.html
Можно использовать курсовую камеру из самых дешовых, без корпуса. Стоимость которой колеблется от 600 до 1000рублей, а записывать с помощью хорошей экшен камеры на подвесе.
У FPV камеры мы увидим число ТВЛ. Что это такое? Это число строк развертки. Для FPV камеры будет достаточно 500-700ТВЛ. Важное значение имеет уровень минимальной освещенности, данный параметр измеряется в люксах. 0.01 люкс достаточно для полётов даже вечером. Угол обзора имеет не менее важное значение. 100-120 градусов это идеально. Не плохо бы иметь автоматическую коррекцию засветов и авто. баланс белого.
Картинку можно вывести на такой монитор
gearbest.com/rc-parts/pp_117460.html
• Можно прикупить 2х- или 3х-осевой подвес для камеры. Такая штука позволяет поворачивать камеру и иметь более стабильную картинку, без рывков и дерганий.
Штука достаточно дорогая.
У меня вот такой: gearbest.com/rc-parts/pp_110479.html
• Естественно сама бортовая камера gearbest.com/action-cameras/pp_77094.html
• Можно установить LED подсветку, пищалку,GPS-трэкер
Как вы поняли, что бы собрать такой БПЛА необходимо не мало вложений.
Цена приблизительно в пределах 400-500 долларов.
Этот обзор предназначен для новичков и несет в себе теорию, в скором времени будет продолжение.Со сборкой и настройкой.
Я запланировал цикл статей и буду не спеша их реализовывать.
Буду рад критике,спасибо за просмотр.
Вскрою карты: конечный результат

Как такую штуку собрать и поднять в небо?
Инструкция будет в следующей части)
Вот небольшой ролик из первых полётов с подвесом.

P.S Покупалось все на личные средства.