Анатомия коптера

Мультикоптеры, которые иногда называют дронами, сегодня привлекают всеобщее внимание. Уже сейчас их используют передовые службы доставки, фермеры, фотографы с операторами, и, конечно же, военные. Можно не сомневаться, что в будущем беспилотники примут на себя и те роли, о которых мы сегодня не задумываеся. Однако до сих пор у мультикоптеров довольно много технических ограничений, связанным с недостатками конструкции. Собственно, единой платформы для создания дронов до сих пор нет, поэтому проектирование беспилотников сегодня — это поле для активных экспериментов. Сегодня мы начинаем спецпроект, в котором специалисты МАМИ расскажут о своем опыте решения передовых инженерных задач и первой из этих историй станет разработка беспилотников собственной конструкции.

Основные компоненты большинства существующих коптеров — это пульт управления, полетный контроллер («бортовой компьютер»), аккумулятор, датчики, корпус (рама) и силовая часть. Контроллер передает сигналы на силовую часть, датчики (гироскопы, барометры, акселерометры, GPS и другие) отвечают за управление коптером. Силовая часть коптера — это роторы с винтами, а корпус представляет собой несущую конструкцию для «начинки». Так как скорость полета коптеров относительно невысока, к их корпусу не предъявляют строгих аэродинамических требований. Главное — сделать их максимально легкими и дешевыми. В идеале, корпус коптера должен защищать его внутренние системы в случае падения — но обычно к нему только одно жестное требование: он не должен создавать эффекта паруса.

Для достижения лучших показателей мотор и пропеллеры коптера устанавливаются равноудаленно друг от друга. На квадрокоптеры обычно устанавливают две пары одинаковых пропеллеров: два вращаются по часовой стрелке и два — против часовой. Рама изготавливается, как правило, из пластика или композитных материалов.

Большая часть современных коптеров имеют массу до четырех килограмм и способны летать до 30-40 минут без подзарядки. Ими можно управлять как с помощью пульта, так и через мобильное приложение смартфона или планшета. Большинство коптеров не могут похвастаться большой грузоподъемностью, поэтому их основная сфера применения сегодня — это фото- и видеосъемка. Для полетов на большие дистанции или для подъема серьезных грузов коптерам обычно не хватает подзарядки. Если для аэросъемки это не очень критично (хотя, безусловно, снижает эффективность самого процесса, а значит и экономическую эффективность), то при доставке груза быстрая разрядка становится настоящей проблемой. Аппарату требуется постоянное присутствие человека и его вмешательство в процесс, в то время как основное преимущество такой доставки — ее полная автономность.

В сентябре 2015 года студенты МАМИ приступили к работе над проектом, который университет развивает совместно с компанией Copter Express. Copter Express — компания, которая ввела в эксплуатацию дроны для доставки пиццы, а также научилась использовать беспилотники для замеров радиоактивного и электромагнитного излучения (что используется при подготовке к строительству). Copter Express также проводит обучающие курсы, на которых можно изучить основы аэродинамики и научиться делать простые квадрокоптеры своими руками, пилотировать и программировать их.

В совместном проекте участвуют около пятидесяти студентов транспортного факультета, факультета информатики и систем управления, образовательной программы по транспортному дизайну. У проекта Университета машиностроения и Copter Express два основных направления: разработка складного дрона-долголёта и станции подзарядки для обычного коптера. Оба направления решают, по сути, одну задачу: увеличить продолжительность полета. Сейчас серийно выпускаемых дронов-долголётов нет, но уже есть прототипы, которые вплотную приближаются к возможности решить эту задачу.

На данный момент в разработке у студентов две идеи, которые преследуют одну и ту же цель, но разными путями.

Первый — критически пересмотреть конструкцию существующих коптеров и фактически начать ее с чистого листа: создать такой корпус, который позволил бы получить необходимое полетное время не прибегая к разработке нового способа подзарядки. Главная задача здесь — сделать корпус как можно легче. Одним из первых решений стало использование в качестве материала корпуса и «лучей» не пластик, а карбон. Другая идея — использовать более энергоемкие литий-ионные аккумуляторы взамен литий-полимерных. Но можно сделать более энергоэффективными и сами двигатели. Например, заменить их на такие, что работают на более низких оборотах — это позволяет существенно съэкономить расходование заряда батареи. Однако энергоэффективные моторы требуют использования винтов бóльшего диаметра, что значительно увеличивают габариты коптера и общий вес конструкции. И это тоже приходится учитывать.

Одна из идей, родившаяся в процессе работы над проектом — сделать коптер складным: переносить и транспортировать дрон диаметром больше метра неудобно. Так проект стал «обрастать» дополнительными задачами: обеспечить жесткость складной конструкции, сделать процесс складывания-раскладывания простым и удобным, разработать оптимальную схему, по которой дрон должен складываться.

Второе направление для решения задач по продолжительности полета дрона — создание станции подзарядки. Идея такой станции выглядит на первый взгляд рациональной и экономичной, однако на деле скрывает массу сложностей. Как сделать так, чтобы дрон мог самостоятельно и точно сесть на станцию подзарядки? Имеющиеся системы GPS не обеспечивают необходимую точность посадки, а делать станцию диаметром около полутора метров нецелесообразно. Станция должна быть компактной и недорогой, чтобы пользователи могли приобретать ее в дополнение к коптеру.

Кроме того, коптер необходимо «научить» понимать и соблюдать полярность для обеспечения заряда и вообще добиться того, чтобы его шасси с расположенными на них контактами попадали именно туда, куда нужно. Саму станцию необходимо защитить от неблагоприятных погодных условий — возможно, накрыть сверху во избежание замыкания во время дождя, а в идеале — «приютить» таким образом и сам коптер. Все вышеперечисленное должно выглядеть привлекательно и стоить недорого, а обладатели коптеров должны иметь возможность доработать свои устройства для их использования совместно со станцией.

Ожидается, что участники проекта не ограничатся прототипами: студенты уже представили первые дизайн-концепты усовершенствованных коптеров экспертам Copter Express. Конечная цель проекта — создание технологии, которая существенно расширит возможности существующих коптеров и послужит основой для создания коммерческого продукта для массового рынка.

Александра Бондарь