Про будову безпілотних апаратів

Для розуміння як виявляти та боротися з безпілотниками - спочатку потрібно зрозуміти як вони працюють. Сьогодні спробуємо розібратися “простими словами” як вони побудовані і для чого використовується той чи інший елемент конструкції і той чи інший електронний модуль.

На даний час існує велика кількість безпілотних апаратів, які відрізняються своїми розмірами (від мініатюрних FPV чи іграшкових машинок до повноцінних літаків, катерів чи машин розмінування), призначенням (розваги, обробка полів, розвідка, бойове застосування), середовищам в якому використовуються (в повітрі, на землі, у воді), силовою установкою (електро двигуни, двигуни внутрішнього згоряння, реактивні двигуни). Та всіх їх об'єднує принцип побудови, всі вони складаються з основних частин:

- рама (шассі, корпус)

- контролер керування

- контролер живлення

- двигуни 

- система дистанційного керування

- система відеозв’язку

- джерело живлення

І так починаємо, для зручності візьмемо за приклад FPV квадрокоптер, більшість його бачила і має уявлення як він виглядає.

1. Рама - це силова конструкція на якій закріплені всі елементи. Це як хребет в людини. Вона має відповідати наступним критеріям:

- має бути міцна, адже якщо розламається в польоті то це буде не дуже добре

- має бути легка, краще нести на собі щось корисне ніж надмірну вагу рами

- має бути пружною, тримати форму - тут очевидно, якщо при навантаженні в польоті щось погнеться - то політ закінчиться

- має бути зручною для монтажу, дуже бажано щоб для кожного +- стандартного компонента було передбачено місце, можна ж звичайно все скріпити синьою ізострічкою і кабельними стяжками, але тоді постає питання надійності. 

На ринку є дуже багато виробників які пропонують рами різних розмірів 5”, 7”, 8”, 10” та інші; виготовлених з самих різних матеріалів - карбон, фанера, алюміній, пластик, картон; різних форм. Яку краще вибрати - тут питання складне і кожен на нього відповідає по своєму. Найкраще, мабуть, поспілкуватися з тими хто літає, збирає коптери, почитати відгуки. 

Отже рама для FPV дрона це важливий елемент, який визначає кострукцію і надійність кінцевого виробу.

2. контролер керування чи польотний контролер - це мозок нашого коптера, він керує всією електронікою, обробляє сигнали з усіх наявних сенсорів, комунікує з радіомодулем і обробляє сигнали керування з радіопередавача, передає сигнали керування двигунами на контролер живлення, управляє всією переферією яка присутня на дроні. Кожен контролер має своє програмне забезпечення - прошивку, виробники, як правило вказують сумісне ПЗ в характеристиках. На ринку представлено багато варіацій, які відрізняються ціною, підтримкою ПЗ, швидкодією(різні мікропроцесори), наявністю чи відсутністю додаткових сенсорів(гіроскоп, акселерометр, барометр, GPS та ін), кількістю додаткових сигнальних виходів, формою, розміром. Вибір політного контролера може виявитися на простою справою, та є популярні рішення, які закривають більшість базових потреб при побудові квадрокоптера.

3. Контролер живлення або плата розводки живлення чи плата електронного регулятора ходу відповідає за живлення всіх компонентів дрону - політного контролера, двигунів, передавачів, периферії та ін. Завдяки комунікації з політним контролером по шині даних розуміє яку потужність потрібно віддати на кожен з двигунів, щоб коптер летів як потрібно. Часто виробники пропонують сткеки, тобто комплект політний контролер і плата електронного регулятора. Також можна придбати окремо контролер живлення на потрібну потужність. Вони бувають як 4 в 1, одна плата до якої приєднуються всі двигуни - так і для кожного двигуна окремо.

4. Двигуни - це те, що приводить FPV дрон в рух, разом з пропелерами які кріпляться до двигунів. Частіше за все використовують безщіткові двигуни. Як правило маркування двигунів має такий, або схожий вигляд “2207 KV2300”, розшифровується воно таким чином “22” діаметр статора двигуна в мм, “07” - висота статора двигуна в мм. “KV2300” - це кількість обертів двигуна без навантаження за хвилину при подачі напруги 1 вольт.  Також варто звертати увагу на діаметр валу, він має бути вказаних в характеристиках, важливо щоб діаметр валу двигуна співпадав з діаметром посадкового місця пропелера. Пропелери також мають стандартне маркування наприклад 7х4.5х3 - це означає: діаметр(в дюймах) х крок(відстань за один оберт, в дюймах) х кількість лопастей. Також пропелери відрізняють по напрямку обертання CW - пряме обертання і CCW обернене обертання. І звичайно ж виготовлятися вони можуть з різноманітних пластиків, кожен з яких має свої плюси і мінуси, та про це ми поговоримо якось іншим разом.

5. Система дистанційного керування - як випливає з назви, то це річ яка дозволяє керувати апаратом на відстані. Згадайте дитячі машинки, пульт керування яких винесений на дроті - так, відстань не велика, але все ж це дистанційне керування. Говорячи про FPV квадрокоптери - більш доцільною є система керування по радіо каналі. Ми не будемо зараз розглядати як то все працює, які є протоколи(чи стандарти) зв'язку, які частоти і апаратні комплекси використовуються, спробую простими словами описати як між собою взаємодіють ці компоненти і для чого вони. Отже, ми маємо дрон, і як ми вже знаємо, його мозком є контролер керування, але, як правило, він не повністю самостійний а виконує команди оператора(пілота), який може знаходитися на значній відстані, і щоб почути(отримати команди) до нашого політного контролера потрібно підєднати приймач(RX модуль) разом з антеною, а на пульті оператора, відповідно, має бути передавач(TX модуль) також з антеною, зверніть увагу що rx і tx мають працювати на одній частоті(щоб почути один одного) і використовувати один протокол(чи стандарт) звязку, щоб розуміти один одного. Також дрон прив'язується до пульта за допомогою кода, бінд фрази чи іншим способом в залежності які комплекси керування застосовуються - це робиться для того, щоб коптер виконував команди саме з свого пульта а не будь-якого іншого.

Отже, якщо контролер керування польотом це мозок FPV дрона - то можна сказати що система дистанційного керування - це його вуха.

6. Якщо система дистанційного керування дроном передає сигнал управління від оператора до квадрокоптера - то система передачі відео передає картинку з дрона на монітор чи окуляри оператору. Основні компоненти цієї системи - це камера, відеопередавач(VTX) і антена, ці елементи розташовані на коптері, в оператора в свою чергу має бути відеоприймач(VRX) з антеною і окуляри чи екран, для перегляду відео. Є велика кількість відеосистем, які відрізняються частотою роботи (1.2 ГГц, 5.8ГГц та інші), відеосигналом який передається(цифровий чи аналоговий), кодуванням, видом камери(звичайна, нічна, тепловізійна), роздільною здатністю камери. Важливо, щоб всі компоненти були сумісними і правильно налаштованими для коректної роботи.

7. Джерело живлення - акумуляторні батареї які впливають на час роботи і, відповідно, дальність польоту. Батареї відрізняються напругою та ємністю. Майже завжди на акумуляторах є таке маркування 6S2P з якого і можна зрозуміти його основні параметри. Як правило батареї збирають з елементів 18650 номінальна напруга для них є 3.7в і для збільшення напруги їх з'єднують послідовно і кількість послідовних елементів позначають літерою S, тобто 1S - один елемент і напруга 3.7в, 2S - два елементи і напруга 7.4в, 3S - три елементи і загальна напруга 11.1в і тд. Але при такому підключенні ємність не збільшується, якщо ми для збірки використовуємо елементи 18650 номінальною напругою 3.7в і ємністю 3000 мАг - то для 3S ми матимемо 11.1в і 3000 мАг. А для того щоб збільшити ємність послідовні збірки з'єднують паралельно і тоді ємність сумується, позначається кількість паралельних з'єднань літерою P, тоді для популярної збірки 6S2P матимемо напругу 22.2в і 6000 мАг. Також при виборі батареї важливо звернути увагу на вказані в характеристиках токи заряду і розряду, від першого значення залежить швидкість зарядки а від другого скільки потужності можна отримати з батареї. 

Отже ми з Вами розглянули принципову будову, основні компоненти будь-якого безпілотного апарату на прикладі FPV дрону. Це лише основа і потрібно розуміти, що є багато додаткових елементів, модулів, апаратних та програмних комплексів які використовуються в безпілотниках в залежності від їх призначення і використання, та сподіваюсь вдалося описати загальний принцип побудови і функціювання безпілотних апаратів.  

*все, що Ви прочитали - це виключно бачення автора і не претендує на експертність чи істину