Устройство дрона: обзор для новичков

Беспилотные технологии считаются чуть ли не чудом техники XXI века, хотя появились они не сегодня и не вчера. Однако именно в наше время самые разные модели дронов (воздушных и подводных) стали постепенно менять многие вещи в окружающем человека мире. Помимо военных беспилотниками стали активно пользоваться ученые, специалисты различных отраслей промышленности, пожарные, полиция, любители и профессионалы в области фото- и видеосъемки.

Огромное количество беспилотников создается не только для профессионалов, но и любителей. И если вы собираетесь вступить в быстро растущее сообщество коптероводов, то наверняка хотите побольше узнать о том, что представляет собой летательный аппарат, управляемый дистанционно, из каких компонентов он состоит и для чего они нужны машине.

1. Стандартные пропеллеры

Стандартные пропеллеры отвечают за направление движения дрона и располагаются в передней части летательного аппарата. Хотя с момента появления беспилотников для изготовления пропеллеров использовались самые разные материалы, сегодня большинство серийных машин получают пропеллеры либо из пластика, либо из композитных материалов (углеволокна).

Инженеры до сих пор работают над наиболее эффективной формой пропеллеров, чтобы обеспечить стабильность полета, хорошее маневрирование и устойчивость летательного аппарата к воздействию ветра или других погодных условий. Пилоту необходимо перед каждым полетом в обязательном порядке проверять состояние пропеллеров, так как малейшее повреждение может вызвать аварию или нестабильный полет. Вот почему рекомендуется всегда иметь с собой во время полетов запасные пропеллеры.

2. Толкающие пропеллеры

Толкающие пропеллеры отвечают за передвижение летательного аппарата в воздухе вперед и назад. Название пропеллеров как раз и показывает принцип их работы. Поэтому располагаются они в задней части дрона, ведь их задачей является подавление крутящих моментов двигателя дрона во время обычного полета коптера, чтобы последний двигался либо вперед, либо назад в зависимости от команд с пульта управления.

С технологической точки зрения, толкающие пропеллеры не отличаются от стандартных. Их изготавливают из пластика или композитных материалов. Они также могут иметь разные размеры в зависимости от модели дрона, а также иметь специальную защиту, которая спасет конструкцию от аварии и защитит людей от случайного касания краями винтов. Толкающие пропеллеры также необходимо постоянно проверять перед полетом на предмет их общего состояния и наличия или отсутствия повреждений.

3. Бесколлекторные двигатели

Все производимые в последнее время дроны используют бесколлекторные двигатели, которые считаются более эффективными с точки зрения производительности и эксплуатации по сравнению с коллекторными двигателями. В любом типе техники конструкция мотора не менее важна, чем все остальные компоненты, ведь эффективный двигатель не только обеспечивает отличное пилотирование (в случае с беспилотником), то сокращает ваши расходы на обслуживание и покупку дополнительного оборудования. Чем мощнее двигатель, тем больше длится время автономной работы дрона и дольше его полет. Мощность двигателя также влияет на параметры полезной нагрузки, которую может нести дрон: камера и другое оборудование.

Отличным примером является разработка компанией DJI серии своих дронов промышленного назначения: Inspire 1, Inspire 2, серии дронов Matrice и Agras. Конечно, у DJI в этом плане тоже есть конкуренты, стремящиеся выпускать летательные аппараты с мощными двигателями, однако пока китайская компания идет на шаг впереди, создавая не только мощные, но и экономичные, а также малошумные агрегаты.

4. Посадочное шасси

Наличие шасси у беспилотника не всегда обязательно. Некоторые небольшие модели сконструированы таким образом, чтобы можно было без проблем приземлиться на нижнюю панель или что-то вроде нее. Другие модели, и их большинство, оснащаются различными вариантами шасси. У кого-то они напоминают вертолетные лыжи, у других замысловатые “ножки”. Все зависит от конкретной модели, ее назначения и оснащения. Например, беспилотники, использующиеся для воздушной съемки, а значит, оборудованные подвесной камерой, как правило, получают высокое шасси с большим клиренсом. Такими шасси изначально оборудуются все модели DJI Phantom с первой до последней версии. Высокие шасси есть и у промышленных дронов линейки Matrice, также разрабатываемой DJI.

А вот у дронов серии Inspire и Mavic шасси представляют собой что-то вроде ножек, установленных под двигателями на концах “рук” рамы. При этом из-за низко расположенной камеры шасси Inspire при посадке опускаются ниже, а в полете немного поднимаются вверх, улучшая при этом обзор для камеры. У Mavic из-за особенностей расположения камеры такое решение не требуется, но зато у него шасси складываются вместе с “руками” и пропеллерами, превращая дроны этой серии в одни из самых компактных и удобных для перевозки.

Назначение дрона и возможность подвесить дополнительную полезную нагрузку под нижней панелью (например, камеру или груз), влияют на технические решения для шасси. В одних случаях они делаются фиксированными (как у той же серии Phantom), а в других случаях шасси могут убираться, предоставляя камере обзор на 360 градусов, что важно для специализированных беспилотников (для инспекции, пожаротушения, поиска и спасения и т.п.).

5. Электронные регуляторы скорости (Electronic Speed  Controllers / ESC)

Электронный регулятор скорости (ESC) (другие названия: электронный регулятор скорости, электронный регулятор хода) представляет собой электрическую цепь, которая призвана контролировать скоростной режим беспилотника (впрочем, и других типов летательных аппаратов, так как это устройство в различных модификациях есть и у самолетов). По сути, это важное устройство передает энергию от батареи к двигателю бесколлекторного типа, преобразуя постоянный ток источника питания в переменный ток, который нужен мотору.

Схема работы электронного регулятора хода предполагает подачу (на входе) напряжения с батареи и поступление сигналов с полетного контроллера (бортового компьютера дрона). А вот на выходе от регулятора поступает на привод управляющее напряжение. Отсюда понятно, что регуляторы хода должны быть совместимы с полетным контроллером, когда проектируется и собирается конкретная модель беспилотника. Кроме того, они должны потреблять тока меньше, чем отдавать. Расчет же тока для привода производится, исходя из характеристик мотора и пропеллера плюс 20-30%.  

О регуляторах можно рассказывать долго, а их важность для беспилотников бесспорна. Об этом говорит тот простой факт, что современные дроны полностью зависят от этого вида устройств для нормального полета и выполнения всех задач, которые ставятся перед конкретным видом летательного аппарата. Поэтому DJI и другие производители дронов на электрической тяге много работают над совершенствованием электронных регуляторов хода. При выходе каждой новой модели беспилотника DJI старается внести усовершенствования и в ESC, о чем обязательно информирует будущего потребителя, например, о снижении энергопотребления и более высокой производительности.

Где же устанавливаются электронные регуляторы ходы? Как правило, эти устройства располагают в раме летательного аппарата. У дронов DJI они, как правило, располагаются в “руках” ближе к двигателям. Многие современные модели беспилотников оснащаются достаточно продвинутыми ESC, которые могут работать в различных режимах. А это невозможно без качественного программного обеспечения (прошивки). Прошивка должна регулярно обновляться для исправления ошибок в кодах управления, а также для повышения эффективности работы устройства (снижения потребления тока и т.п.). Если вы приобретаете одну из моделей коптера бренда DJI, то вам не придется принудительно обновлять ПО, потому что при выходе новой версии прошивки, все происходит в автоматическом режиме. Поэтому вам лично не придется вносить какие-либо изменения в работу ESC.

6. Полетный контроллер

Полетный контроллер выполняет роль материнской платы или даже бортового компьютера беспилотника. Если несколько упростить его задачи, то полетный контроллер отвечает за передачу всех команд, которые пилот передает на борт дрона. А если точнее, то в задачи контроллера входит интерпретация входящих данных от ресивера (приемника), модуля GPS, монитора батареи и бортовых датчиков. Кроме этого, полетный контроллер взаимодействует с электронными регуляторами хода и тем самым следит за работой двигателя и регулировку скорости, что является частью задач по управлению коптером. Но это, разумеется, далеко не все. Любые команды – запуск и работа камеры, управление режимом автопилота и другие автономные функции, – все они направляются полетным контроллером. Как правило, пользователю не нужно вносить какие-либо изменения в работу устройства, поскольку это может негативно повлиять на характеристики беспилотника.

7. Приемник (ресивер)

Приемник – это устройство, отвечающее за прием радиосигналов, посылаемых дрону через контроллер. Для эффективного управления беспилотником  необходимо минимум четыре канала. Впрочем, обычно производители рекомендуют предоставлять до пяти каналов. В целом же, сегодня на рынке представлено множество разных моделей ресиверов, как и модификаций беспилотников.

8. Передатчик

Передатчик – это устройство, отвечающее за передачу радиосигналов от контроллера к дрону для выдачи команд о направлении полета и других связанных с этим параметров. Как и приемник, передатчик должен иметь не менее четырех каналов для работы с беспилотником, но обычно также рекомендуется 5. Так же, как и в ситуации с ресиверами, на рынке сегодня представлено много модификаций приемников от различных производителей. Этот факт будет, скорее всего, интересен тем, кто хотел бы собрать собственный дрон, так как в случае замены устройства на моделях от DJI, используется фирменная продукция и продукция тех брендов, которые имеют партнерские отношения с китайским производителем.  Приемник и передатчик должны использовать один радиосигнал для связи с дроном во время полета. Каждый радиосигнал имеет стандартный код, который помогает отличать в эфире свой сигнал от чужих.

9. Модуль спутниковой навигации (GPS, ГЛОНАСС, Бэйдоу).

Многие современные беспилотники оснащаются модулями спутниковой навигации. Чаще всего это модуль GPS, однако на многих последних дронах от DJI можно встретить двойную систему навигации, которая может включать комбинации GPS и ГЛОНАСС или же GPS и Бэйдоу. В зависимости от установленной комбинации такой беспилотник может эффективно эксплуатироваться в тех или иных регионах мира. Примером может быть серия промышленных беспилотников DJI Matrice 200.

Модуль (или комбинация модулей) спутниковой навигации обеспечивает бортовой компьютер дрона данными о местонахождении аппарата (долгота, широта и высота). Подобная, достаточно сложная, система навигации необходима прежде всего специализированным беспилотникам, которые выполняют полеты на большие расстояния и/или выполняют достаточно сложные задачи в области безопасности, военные задачи или работают в сфере промышленности.

Однако задачи модуля спутниковой навигации вышеописанными не ограничиваются. С его помощью летательный аппарат не только ориентируется в пространстве во время полета, но и может в автоматическом режиме точно приземлиться на “базу”, даже если его визуальные датчики и штатная камера не работают, а связь с пультом дистанционного управления утеряна. Таким образом, модуль спутниковой навигации поможет обеспечить безопасность полета.

10. Батарея

Поскольку многие современные дроны летают при помощи бесколлекторных двигателей, то есть на электрической тяге, то аккумуляторная батарея является одной из основных частей дрона. Без нее невозможно запустить дрон и выполнить все поставленные полетные задачи. Впрочем, если вы управляете дроном с пульта (джойстика), то нужно помнить, что он тоже работает от своей батареи. Батарея на борту дрона чаще всего называется полетной (бортовой) и может иметь разные параметры (тип, емкость, мощность, наличие или отсутствие интеллектуальных функций и т.п.).  

Понятно, что у разных моделей беспилотников разные требования не только к силовой установке, но и к батарее, как к источнику питания. Небольшие и любительские дроны оснащаются батареями небольших размеров с небольшой емкостью и мощностью, что в конечном итоге влияет на полетное время и рассчитанную полезную нагрузку. Для сравнения:

• DJI Spark – 1480 мА/ч – 16 минут полета
• Ryze Tello – 1100 мА/ч – 13 минут полета
• DJI Mavic Air – 2375 мА/ч – 21 минута полета
• DJI Mavic 2 Pro – 3850 мА/ч – 31 минута полета
• DJI Inspire 2 – 4280 мА/ч – 27 минут полета в зависимости от нагрузки
• DJI Phantom 4 V2.0 – 5870 мА/ч – 30 минут полета

Специализированные (промышленные дроны и платформы) требуют более емкой и мощной батареи ввиду сложности и большого объема решаемых задач. Отсюда и иные параметры источников питания, а также вытекающие отсюда полетное время и вес полезной нагрузки. Для сравнения:

• DJI Matrice 100 – 4500 мА/ч (дополнительная 5700 мА/ч) – в зависимости от полезной нагрузки и количества батарей время полета и зависания от 20 до 40 минут
• DJI Matrice 600 Pro – 4500 мА/ч (дополнительная 5700 мА/ч) – в зависимости от полезной нагрузки и количества батарей время полета и зависания до 38 минут

Компания DJI, как и ее конкуренты, постоянно ведет исследования в области совершенствования полетных аккумуляторов. Например, мониторинг состояния батареи сегодня стал уже довольно обычным явлением. Теперь пилот вовремя узнает не только об уровне заряда батареи, но и сможет получить информацию о том, когда следует вернуть беспилотник на базу, чтобы он не потерпел аварию из-за полного разряда батареи. Кроме того, DJI стала выпускать специальные аккумуляторы с подогревом, позволяющие эксплуатировать ее дроны при низких температурах, что ранее было просто невозможно.

11. Камера

В этом отношении наблюдается некоторое разнообразие. Если первые дроны поставлялись без камер и в лучшем случае имели некоторые аксессуары для крепления обычных камер, используемых на земле, то теперь ситуация изменилась. Часть дронов поставляется во встроенной камерой (яркий пример: серия Mavic, Spark, Ryze Tello). В других случая беспилотник может быть оборудован подвесной камерой, которую можно снимать (и даже устанавливать другие совместимые) или же вы можете купить коптер без камеры, к которому можно позже докупить штатную подвесную камеру. Преимущества аппаратов с камерами очевидны, ведь тогда они превращаются в “летающие камеры”, с помощью которых можно вести как любительскую, так и профессиональную съемку с воздуха.