Это то, что может показаться волшебством. Когда вы управляете дроном, вы прекрасно понимаете, что существует огромное количество физики, расчетов, программного обеспечения и инженерных разработок, которые делают ваш полет очень приятным. Однако для некоторых людей просто управлять дроном недостаточно. Я знаю, что отношусь к тем людям, которым необходимо точно знать, что происходит в моем дроне, чтобы быть лучшим пилотом и понимать, как решить проблемы, если они возникнут. В этой статье я расскажу обо всех способах изменения направления движения дрона — вверх, вниз, влево, вправо, вперед, назад, рысканье влево и рысканье вправо.
<Беспилотник меняет направление движения за счет изменения скорости вращения каждого из пропеллеров. Когда дрон парит, соседние пропеллеры вращаются в противоположных направлениях, чтобы поддерживать устойчивость дрона. Изменяя скорость вращения каждого из двигателей, мы можем манипулировать дроном в воздухе во всех трех измерениях.
Для пилота беспилотника происходящее не требует особых размышлений, и он может просто перемещать джойстики для управления дроном. Однако дрон выполняет гораздо больше работы, поскольку ему необходимо рассчитывать собственное ускорение, импульс, высоту и высоту полета, а также бороться с любыми условиями окружающей среды, такими как восходящие и горизонтальные ветры.
В этом случае, как и в случае с беспилотником, он не сможет удержаться в воздухе.
Физика удержания дрона в воздухе на самом деле очень сложна.
Содержание
Физика удержания дрона в воздухе
В основе дрона лежит полетный контроллер, который через электронный блок управления скоростью посылает двигателям информацию о том, в какую сторону они должны вращаться и с какой скоростью. Полетный контроллер также смотрит на данные GPS, ускорение и направление, в котором движется дрон, прежде чем отправить информацию на двигатель, чтобы он оставался в стабильном зависании в фиксированном GPS-местоположении.
Каждый дрон имеет свой собственный двигатель.
Каждый из двигателей вращает пропеллер. Пропеллеры используются для приведения в движение и управления движением дрона. Эти пропеллеры подобны плавникам вентилятора, который толкает воздух к земле. Когда воздух направляется к земле, дрон втягивает себя в воздух. На передней и верхней кромке пропеллера создается низкое давление, поэтому дрон буквально всасывает себя в воздух.
Для того чтобы зависнуть, дрон должен вытеснить столько воздуха, сколько он весит. Вытесняя больше воздуха, дрон будет подниматься вверх, а если пропеллеры будут вращаться немного медленнее и вытеснять меньше воздуха, дрон будет опускаться вниз.
Направление пропеллеров — это направление вращения пропеллеров.
<Направление вращения пропеллеров дрона очень важно, поскольку каждый из двигателей дрона должен вращаться в противоположном направлении по отношению к двигателям, которые находятся рядом. Это нивелирует любой угловой момент, поэтому дрон остается на одном месте, направленный в одну сторону.
Направление пропеллера дрона
Мой DJI Mavic air имеет четыре двигателя и пропеллеры. То, как вращается каждый из пропеллеров, определяется мотором. И вам нужно убедиться, что пропеллеры вставлены в соответствующие моторы, иначе дрон просто выйдет из-под контроля.
Легко определить, в какую сторону должен вращаться двигатель, можно, посмотрев на передний край пропеллера, когда он вращается в направлении передней кромки пропеллера.
Для большинства дронов направление вращения пропеллера для каждого двигателя следующее:
- Передний левый — двигатель по часовой стрелке (CW)
- Передний правый — двигатель против часовой стрелки (CCW)
- Задний левый — двигатель против часовой стрелки (CCW)
- Задний правый — двигатель по часовой стрелке (CW)
На фотографии моего DJI Mavic ниже я сделал следующую аннотацию:
Все движения дрона контролируются вращением пропеллеров различными способами. Для управления движениями одни пропеллеры замедляются, а другие ускоряются. Иногда это происходит в целом (как в случае подъема или движения вверх), а иногда — в разное время с разных сторон летательного аппарата (как в случае движения вперед и назад)
В следующем разделе я рассмотрю все основные движения дрона и проиллюстрирую, как именно достигается каждое из основных движений.
Основные движения дрона
Полет дрона с точки зрения пилота заключается в простом перемещении джойстика в диапазоне его движения. Это простое действие джойстика превращается в довольно сложное движение дрона. Левый джойстик дрона отвечает за подъем, а также за рысканье (вращение по часовой стрелке или против часовой стрелки в фиксированном положении).
Левый джойстик
Левый джойстик контроллера обеспечивает подъем и спуск дрона, а также поворот по часовой стрелке и против часовой стрелки. По сути, это все действия дрона, при которых он остается в одном GPS-местоположении.
Восхождение/подъем
Когда вы нажимаете на левый джойстик контроллера дрона, все пропеллеры дрона увеличивают свою скорость или количество оборотов в минуту. Количество оборотов в минуту увеличивается, что создает большую тягу вверх, вытесняя больше воздуха и заставляя его устремляться к полу.
Все пропеллеры увеличивают скорость вращения.
Пропеллеры должны быть очень осторожны, чтобы разгоняться с одинаковой скоростью, иначе в их движении возникнет другое направление. Дрон должен раскручивать каждый из пропеллеров на точное количество оборотов в минуту, чтобы подняться и не сдвинуться со своего фиксированного GPS-местоположения.
Для этого требуется очень много усилий.
Спуск / нисхождение
Для снижения высоты дрона происходит прямо противоположное подъему движение. То есть каждый из пропеллеров дрона уменьшает количество оборотов в минуту. По сути, это позволяет гравитации быть большей силой, чем тяга, создаваемая пропеллерами.
Когда беспилотник снижается на высоте, это происходит в противоположном направлении.
Когда дрон снижается и останавливается, ему необходимо немного увеличить число оборотов в минуту, чтобы увеличить тягу, чтобы она сравнялась с силой притяжения к Земле. В «Истории игрушек» Баззу Лайт Году говорят, что он не летает, а просто стильно падает. Именно так поступают беспилотники, когда снижаются. Они просто позволяют гравитации тянуть их к земле, что является причудливой и контролируемой формой падения.
Зев
Яу — это когда дрон поворачивается по часовой стрелке или против часовой стрелки, оставаясь в одном GPS-местоположении. То есть дрон не движется ни вперед, ни назад. Это движение требует довольно сложных расчетов со стороны программного обеспечения дрона.
Когда дрон вращается по часовой или против часовой стрелки, ему необходимо управлять пропеллерами, расположенными по диагонали друг к другу. Если правые диагональные пропеллеры вращаются быстрее, они генерируют силу за счет увеличения углового момента, что позволяет дрону поворачивать влево. Если левые диагональные пропеллеры вращаются быстрее, они создают противоположное движение.
Таким образом, движение дрона против или по часовой стрелке вызвано тем, что пропеллеры, расположенные по диагонали друг напротив друга, вращаются быстрее или медленнее.
Правый джойстик
Правый джойстик контроллера дрона — это то, что я в шутку назвал «веселым джойстиком». Это потому, что он позволяет вам изменять масштаб дрона по всему периметру. Самое замечательное в дроне то, что он может не только двигаться вперед или назад, но и перемещаться из стороны в сторону.
Ориентация пропеллеров вокруг дрона обеспечивает полный диапазон движения в горизонтальной плоскости. Комбинируя различные комбинации джойстиков, вы также можете одновременно рыскать и двигаться. Комбинация различных движений все еще осуществляется за счет мельчайшего контроля программного обеспечения над оборотами в минуту, которые вращает каждый двигатель.
Все движения правого джойстика создают увеличение или уменьшение скорости вращения пропеллеров, которые находятся рядом друг с другом. В следующих разделах мы поговорим о том, с чем соотносится каждое из движений.
Левое
Если дрон хочет двигаться влево в соответствии с перемещением джойстика влево, правые пропеллеры вращаются быстрее, чем левые.
В результате левая сторона дрона немного опускается, а правая поднимается. Общая тяга роторов остается неизменной, что позволяет дрону оставаться на фиксированной высоте, но небольшая разница между левой и правой сторонами роторов дрона приводит к дрейфу дрона влево.
Вправо.
Право
Перемещение дрона вправо путем перемещения джойстика в правую сторону приводит к тому, что левые пропеллеры увеличиваются по количеству оборотов в минуту, которые вращает двигатель, а правые пропеллеры дрона немного уменьшаются.
Как и в случае с движением влево, это приводит к тому, что правая сторона дрона немного опускается, в то время как левый край дрона поднимается. Общая тяга двигателей остается неизменной, что позволяет дрону поддерживать фиксированную высоту.
Вперед
Для движения дрона вперед передний край дрона должен немного опуститься, в то время как задняя часть дрона поднимается.
Это достигается путем уменьшения числа оборотов в минуту передних двигателей и увеличения задних двигателей. Эта разница в вращении пропеллеров заставляет дрон двигаться вперед.
Вперед.
Движение назад
Для движения дрона назад задний край дрона должен немного опуститься, а передний край дрона немного приподняться. Вы заметите, что это движение прямо противоположно движению вперед.
При каждом движении правого джойстика вы сможете наблюдать, в какую сторону наклоняется дрон для достижения движения. Иногда, особенно в условиях сильного ветра и очень быстрого движения, дрон не очень хорошо удерживает вертикальное положение.
Я заметил, что при движении правого джойстика дрон наклоняется в сторону движения.
Я заметил, что когда я очень быстро двигаю свой дрон назад на относительно большой высоте, дрон просто падает в высоту. Таким образом, расчеты не идеальны, но их можно легко откорректировать, выполнив ручную настройку во время полета.
Простая диаграмма для всех движений дрона
Здесь представлена простая диаграмма для каждого из движений дрона, которая демонстрирует, как движется каждый из роторов при выполнении каждого из движений, рассмотренных выше. То есть вверх, вниз, по часовой стрелке, против часовой стрелки, вперед, назад, влево и вправо.
На приведенной выше схеме пропеллеры, которые вращаются быстрее во время каждого из движений, выделены красным плюсом. Движения левого джойстика показаны с левой стороны, а движения правого джойстика — с правой стороны. Обратите внимание, что если дрон поддерживает постоянную высоту, другие пропеллеры вращаются с немного меньшей скоростью, чтобы не менять общую тягу, создаваемую дроном.
Всех этих комбинаций достаточно для полного перемещения дрона в трехмерном пространстве.
Другие действия дрона.
Дрон также выполняет множество причудливых вычислений для поддержания стабильного полета. Дрон опирается на целый ряд различных датчиков, которые работают вместе, передавая информацию на плату микроконтроллера, способную удерживать дрон в стабильном положении.
Некоторые дроны не способны автоматически зависать или поддерживать стабильную высоту, и это связано с отсутствием некоторых компонентов, необходимых для выполнения этих расчетов.
К числу датчиков, которыми оснащен дрон, относятся:
- GPS — он определяет координаты дрона, определяя его местоположение относительно ряда спутников, находящихся на геостационарной орбите над Землей.
- Барометр — барометр определяет давление и позволяет дрону косвенно вычислить свою высоту. Чем выше дрон, тем ниже атмосферное давление.
- Магнитометр — определяет магнитное поле Земли и способен рассчитать ориентацию дрона относительно магнитного поля Земли. По сути, это компас дрона. Он также является одним из тех, которые необходимо регулярно калибровать, особенно если вы преодолели значительное расстояние для полета на дроне.
- Акселерометр — он измеряет ускорение дрона, но в основном используется для определения направления, в котором гравитация тянет дрон.
- Гироскоп — гироскоп обеспечивает угловую скорость дрона и используется для вычисления его ориентации в трехмерной среде.
Эти датчики постоянно передают информацию в блок управления, которая используется для определения скорости вращения пропеллеров. Дроны используют ПИД-регулятор, чтобы определить, как перемещать дрон в трехмерном пространстве.
ПИД-контроллеры
PID расшифровывается как Proportional, Integral, Derivative и может быть настроен в различных программах для дронов. Пусть вас не отпугивает название этих коэффициентов усиления, на самом деле это просто причудливый способ сказать следующее:
- P рассматривает текущую ошибку — если текущая настройка далека от заданного значения, настройка P будет стремиться удержать ее ближе к заданному значению. Чем дальше, тем сильнее он будет давить.
- I — это знание, полученное из прошлых ошибок — оно рассматривает прошлые ошибки (вызванные постоянными внешними силами) и противодействует им.
- D — это предсказание будущих ошибок — когда P начинает подталкивать значение ближе к заданному значению, значение D остановит вас от сильного перебора.
Влияние каждого параметра PID
Как только вы начнете играть со значениями PID вашего дрона, вы заметите, что каждое значение влияет на дрон по-разному. Давайте рассмотрим каждое значение немного подробнее.
P Gain
Значение P (также известное как значение усиления) — один из самых важных аспектов регулирования полета дрона.
Это значение определяет, насколько сильно дрон должен работать, чтобы скорректировать себя для достижения желаемой траектории полета (контролируемой передачей контроллера). Оно может быть как слишком высоким, так и слишком низким:
Слишком высокое значение приводит к колебаниям дрона. Это свидетельствует об агрессивной чрезмерной коррекции дрона, и вы увидите высокочастотные колебания.
Слишком низкий уровень, и коптер будет чувствовать, что он медленно реагирует, и вы даже можете услышать, как медленно раскручиваются двигатели.
Чтобы найти хорошее значение p, вам следует постепенно увеличивать значение P до тех пор, пока дрон не начнет колебаться, затем установите это значение на 50%.
I Gain
I Gain — это параметр, определяющий, насколько сильно дрон должен реагировать на внешние силы — например, удерживать свое положение при ветре или из-за смещения центра масс (что может быть легко вызвано модернизацией компонентов вашего дрона).
Слишком высокое значение, и дрон будет казаться неотзывчивым
Слишком низкий — и вы обнаружите, что вам приходится вручную корректировать траекторию полета вашего дрона.
Вы хотите оставить значение I как можно ниже, чтобы не пришлось корректировать траекторию полета вручную.
Усиление D
Усиление D — это как амортизатор для значения P.
Если значение D слишком мало, дрон не будет реагировать достаточно быстро.
Если значение D слишком велико, дрон будет колебаться с быстрыми колебаниями малой амплитуды. Это также может снизить реакцию квадрокоптера и вызвать ощущение вялости.
Увеличивайте коэффициент усиления D до тех пор, пока дрон не начнет колебаться с небольшими быстрыми колебаниями. Уменьшите значение до 50% от этого значения.
ПИД-регулятор отвечает за поддержание стабильности вашего дрона. Он также обеспечивает плавное изменение направления, и если вы собираете свой собственный дрон, очень важно правильно настроить эту функцию, чтобы ваш дрон был приятным в полете и не делал ничего в конце движения джойстика.
Можно ли запрограммировать дрон?
Существует множество дронов, которые можно запрограммировать с помощью так называемых «путевых точек». Путевые точки — это, по сути, точки GPS в небе, которые заставляют дрон автоматически пролетать через определенные заранее заданные точки, имеющие долготу, широту и высоту, через которые дрон должен пролететь.
Существует множество путевых точек и автоматических проходов дрона, которые можно скачать в Интернете и загрузить в программное обеспечение для управления дроном.
Дроны довольно часто программируются в исследовательских целях, и если вы хотите узнать о лучших программируемых дронах, ознакомьтесь с моей подробной статьей о лучших программируемых дронах для исследований [полное руководство] — нажмите здесь.
Обзор
Дроны летают и меняют направление посредством изменения числа оборотов в минуту каждого из четырех пропеллеров и двигателей. В результате каждый из четырех двигателей создает разную силу тяги, что позволяет перемещать дрон по небу или манипулировать им в фиксированном месте, как в случае рысканья (использование углового момента).
Великолепно то, что дрон летает и меняет направление.
Превосходно то, что многие из этих программ и расчетов автоматизированы, а это значит, что ваш опыт полета не зависит от того, сможете ли вы понять, как создается каждое из этих движений, а просто двигать джойстиком и наслаждаться процессом полета.
Дойдя до конца этой статьи, вы намного опередите многих пилотов дронов, которые не понимают, как дрон меняет направление. Теперь, когда вы знаете все, что нужно знать о каждом из этих движений, вы сможете лучше контролировать свой дрон, предвидеть и устранять любые проблемы, которые могут возникнуть во время полета.