مکانیزم عملکرد کوادکوپتر ها

در این مقاله به بررسی نحوه پرواز کواد کوپتر ها و کنترل پروازی این ربات های پرنده به صورت کلی و عمومی خواهیم پرداخت.

واقعا به نظر شما کوادکوپتر ها چگونه پرواز می کنند؟

کوادکوپتر همانطور که از نامش پیداست از یک بدنه به همراه چهار بازو تشکیل شده است

 که بر روی هر بازو یک موتور ( روتور ) برای پرواز قرار دارد.

این ربات های پرنده برای پرواز و حرکت به طرفین تنها به همین چهار موتور اکتفا می کنند 

و به هیچ سیستم راهبری و قطعه اضافه دیگری برای جهت گیری و پرواز نیاز ندارند.

موتور های استفاده شده در ربات های پرنده عموما از نوع موتور براشلس ها می باشد

 که برای کسب اطلاعات بیشتر راجع به این نوع موتور ها می توانید به مقاله موتور براشلس ها در سایت آشیانه ققنوس ایرانیان مراجعه کنید.

همانطورکه گفته شد کواد کوپتر ها برای پرواز و حرکت به طرفین تنها به 4 موتور خود نیاز دارند. 

این موتور ها با چرخش نیروی بالا برنده ای(تراست ) برای غلبه به نیرو وزن و جاذبه زمین تولید می کنند که باعث پرواز کواد کوپتر خواهد شد.

محل قرار گیری و چرخش موتور ها در کواد کوپتر به شدت مهم است و در نوع و عملکرد این ربات های پرنده تاثیری بسیار زیادی دارد.

از این جهت کوادکوپتر ها در انواع و شکل های مختلف تولید می شوند که هرکدام ویژگی های منحصر به فردی دارند. 

اما به صورت کلی ساختار و نحوه عملکرد تمام آن ها یکسان می باشد.

موتور ها در کواد کوپتر به صورت قطری با یکدیگر جهت چرخش یکسانی دارند. 

یعنی همواره دو موتور در جهت عقربه های ساعت و دو موتور دیگر در خلاف عقربه های ساعت می چرخند 

تا از چرخش کوادکوپتر در هنگام پرواز به دور خود جلوگیری کرده و کنترل کاملی بر روی حرکات کوادکوپتر داشته باشند.

همانطور که در شکل زیر مشاهده می کنید موتور های 1 و3 در جهت عقربه های ساعت و موتور های 2 و 4 در خلاف جهت عقربه های ساعت می چرخند.

مغز متفکر ربات های پرنده یا فلایت کنترلر

در کواد کوپتر ها برای حفظ تعادل و کنترل پرواز خود نیاز است تا هر چهار موتور به صورت مداوم

 و لحظه ای با یکدیگر ارتباط داشته باشند تا از زمین خورد ربات پرنده جلوگیری شود.

موتور ها به تنهایی توانایی تنظیم و تصمیم گیری را ندارند بنابراین نیاز است

 تا از یک سیستم کنترلی و به اصطلاح مغز متفکر در این ربات های پرنده استفاده شود.

این مغز متفکر را فلایت کنترلر می نامند.

اگر درباره آنها اطلاعاتی ندارید میتوانید به سایت ما مراجعه کرده 

و در بخش مقاله های رایگان درباره آن مطالعه فرمایید.

فلایت کنترلر ها با دریافت اطلاعات از سنسور ها و رادیو کنترل دستوراتی را به موتور ها ارسال می کنند

 و با کنترل سرعت چرخش هر موتور که واحد آن RPM می باشد همواره سعی در متعادل نگه داشتن کواد کوپتر 

و اجرای دستورات ارسالی شما از طریق رادیو کنترلر را دارد.

حرکت

کواد کوپتر ها برای حرکت به هر جهت در فضا و پرواز نیاز دارند تا ارتفاع خود را کم و یا زیاد کنند ، 

به طرفین حرکت کنند و یا به دور خود بچرخند.

همانطور که گفتیم این ربات های پرنده  برای انجام این کار ها تنها به 4 موتور براشلس خود نیاز دارند.

در ادامه توضیح خواهیم داد که کوادکوپتر ها هرکدام از فعالیت های ذکر شده

 را چگونه تنها با کنترل سرعت چرخش این چهار موتور انجام خواهد داد.

برای کاهش و یا افزایش ارتفاع پروازی نیاز است 

تا هر چهار موتور براشلس کواد کوپتر به صورت همزمان و یکسان سرعت چرخش خود را کم و یا زیاد کنند 

تا نیروی برا و بالا برنده تولیدی کاهش و یا افزایش یابد

Yaw

کواد کوپتر برای حرکت در فضا نیاز دارد تا به دور خود نیز بچرخد که به این حرکت اصلاحا یاو ( Yaw ) گفته می شود .

این حرکت برای کوادکوپترهای دوربین دار بسیار مهم است چرا که نیاز دارند تا همواره با دوربین نصب شده 

بر روی کوادکوپتر جلوی خود را به صورت واضح مشاهده کنند و کور کورانه به اطراف حرکت نکنند.

برای چرخش کواد کوپتر به دور خود باید دو موتور به صورت قطری سرعت چرخش خود را زیاد و دو موتور دیگر سرعت چرخش خود را کم کند.

این کار باعث افزایش گشتاور در محور Z  کواد کوپتر شده و در نتیجه کواد کوپتر به دور خود خواهد چرخید.

pitch , roll

کوادکوپتر برای حرکت به طرفین دارای 2 محور پیچ ( pitch ) و رول ( roll ) می باشد 

که محور پیچ برای حرکت به چپ و راست و محور رول برای حرکت به عقب و جلو استفاده می شود.

 برای حرکت در این محور ها باید دو موتور سمتی که کواد کوپتر به آن جهت قصد حرکت دارد

 سرعت خود را کاهش داده و دو موتور سمت دیگر سرعت چرخش خود را افزایش دهند.

کوادکوپتر

کوادکوپترها همانند هلیکوپترها از ایجاد اختلاف فشار در جو اطراف خود، برای به پرواز درآمدن استفاده می کنند.

این پهپادها با استفاده از چهار موتور و چهار پره و با چرخش دو به دو معکوس خود، باعث خنثی کردن نیروی گشتاور شده 

و اختلاف فشار لازم را برای بلند شدن از زمین ایجاد می کنند. برای تنظیم ارتفاع و حرکت به سمت جلو و عقب و طرفین،

 فرامین لازم توسط برد کنترلر به آن داده می شود.

سیستم کوادکوپتربه صورت آیرودینامیک طراحی شده

 و برای حفظ تعادل در پرواز به کامپیوتر و موتور الکترونیکی وابسته است 

تا فرمان های دریافتی از سوی ریموت کنترل را به دستورات خروجی و حرکتی تبدیل کند.

کواد کوپترها زیر مجموعه دسته مالتی روتورها هستند 

که به دلیل کمک گرفتن از چهار پروانه برای نیروی پیشرانش، به عنوان کواد چهار کوپتر نامیده می‌شوند.

دسته بندی مولتی روتور

مولتی روتورها دسته بندی های مختلفی از جمله کوپتر، کوادکوپتر، هگزاکوپتر، اوکتاکوپترو … را شامل می شود.

در این میان کوادکوپتر به دلیل اینکه هزینه کمتری داشته و پایداری مناسب تری دارد، از میان سایر مدل های آن مرسوم تر است.

مدل اولیه آزمایشی این مولتی روتورها در سال ۱۹۰۷ توسط دو برادر فرانسوی ‫ در پروژه‌ای بنام Quadcopter ساخته و تست شد،

 آنها توانستند ساخته خود رابه پرواز در آورند ولی پرنده آنها نتوانست دوامی برای پرواز داشته باشد.

بعد از آن ساخت بالگرد چهار پروانه‌ای به سال ۱۹۲۰ میلادی برمیگردد. 

در آن سال یک مهندس فرانسوی بنام etienne oehmichen اولین بالگرد چهارپره را اختراع نمود

 و مسافت ۳۶۰ متر را با کوادکوپتر خود پرواز کرد در همان سال او مسافت یک کیلومتر را در مدت هفت دقیقه و چهل ثانیه پرواز کرد.

 این بالگرد از روش تنظیم X بهره می‌جست.

در حدود سال ۱۹۲۲ مهندسی در آمریک موفق به ساخت تعدادی کوادکوپتر برای ارتش شد 

که قابلیت کنترل و حرکت در سه بعد را داشت، ولی پرواز با آن بسیار سخت بود. ‫

در سال ۱۹۵۶ مدل دیگری طراحی شد و در سال ۱۹۵۸ مدل Curtis-Wright VZ-7 توسط کمپانی Curtis- Wright طراحی شد.

از حدود سال ۲۰۰۶ کواد کوپترها شروع به رشد صنعتی به صورت وسایل پرنده بدون سرنشین نمودند.

عیب یابی کوادکوپتر:

اگر کوادکوپتر شما روشن نمی شود و کار نمی کند در ابتدا باید روتین مشخصی را برای عیب یابی اولیه طی کنید و به این سوالات پاسخ دهید.

در ابتدا بررسی اینکه اتصالات محکم هستند؟

باتری به درستی داخل دستگاه قرار گرفته است؟

ربات پرنده ی شما به اندازه کافی شارژ دارد؟

نحوه اتصالات باتری را بررسی کنید اگر لازم است باتری را به برق متصل کنید تا کاملا شارژ شود.

در صورت لزوم باتری ریموت کنترل را تعویض کنید.

وقتی خیالتان از منبع انرژی کوادکوپتر راحت شد احتمالات دیگر را بررسی کنید.

اگر کوادکوپتر و ریموت کنترل به هم متصل نمی شوند احتمالا مشکل از امواج الکترومغناطیسی است

 اگر تمام بدنه کوادکوپتر و رادیوکنترل را با دست به صورت کامل لمس کنید وآنها را به یکدیگر نزدیکتر کنید.

اگر همه ملخ ها می چرخند ولی کوادکوپتر نمی تواند از روی زمین بلند شود 

یا ملخ ها نمی چرخند یا کوادکوپتر به سختی از روی زمین بلند می شود

 و چراغ (LED) چشمک میزند به احتمال زیاد ملخ ها به درستی سر جای خود قرار نگرفته اند

 به نوشته های روی بدنه دقت کنید و هر ملخ را سر جای خود نصب کنید.

اگر کوادکوپتر پرواز نامتعادل دارد و یا موقع بلند شدن به یک سمت کشیده می شود،

 دو احتمال وجود دارد: یا ملخ ها آسیب دیده اند و یا از حالت بالانس خارج شده اند.

بهترین اقدامی که می توانید در این حالت انجام دهید آن است که کوادکوپتر را به حالت کارخانه ریست کنید.

توصیه های مربوط به شارژ باتری کوادکوپتر:

توصیه 1

یکی از مهم ترین اجزای کوادکوپتر باتری آن است که صد درصد در عملکرد بهتر و بهبود کیفیت پرواز کوادکوپتر تاثیر گذار خواهد بود.

در ابتدا به شما توصیه می کنیم که باتری کوادکوپتر خود را از برندی معتبر و با کیفیت انتخاب کنید و در نگهداری از آن مراقبت لازم را به عمل آورید.

این توصیه را تنها برای خرید قطعات کوادکوپتر بیان نکردیم، بلکه برای بسیاری از قطعات الکترونیک صادق است.

توصیه 2

دومین توصیه ای که در این رابطه برای شما داریم این است که زمانی که قصد پرواز کوادکوپتر را دارید اقدام به شارژ ان کنید.

چراکه باتری هایی که به تازگی شارژ شده باشند، در عمل مدت می توانند مدت زمان بیشتری برق مورد نیاز تامین کنند.

اگرباتری خود را چندین روز قبل شارژ کرده باشید با افت کبفیت پرواز روبرو خواهید شد.

بهتر است قبل از اینکه باتری به طور کامل تخلیه شود، اقدام به شارژ آن کنید. 

بهترین زمان برای شارژ مجدد باتری هنگامی است که به نیمه راه رسیده است.

فرصت طلایی برای شارژ باتری زمانی است که بین 40 تا 80 درصد شارژ داشته باشد. 

علاوه براین لازم است توجه داشته باشید که نباید باتری را بیش از حد به منبع شارژ متصل کرد.

این کار فرسودگی باتری و در مواقعی حتی انفجار آن را به دنبال دارد.

بهتر است دمای محیطی که باتری در آن شارژ می شود بیشتر از 38 درجه سانتیگراد نباشد.

توصیه 3

لازم نیست تمام اجزای کوادکوپتر را هنگام پرواز متصل کنید. این توصیه زمانی صادق است 

که شما توانسته باشید مهارت لازم در به پرواز در آوردن آنرا کسب کرده باشید.

در این صورت می توانید گاردهای اضافی و محافظ کوادکوپتر را کنار گذاشته و کوادکوپتر را بسیار سبک تر به پرواز در آورید.

این گارد ها و محافظ ها برای محافظت از کوادکوپتر وزن بیشتری به آن تحمیل کرده و درنتیجه برق بیشتری مصرف می شود .

 به همین دلیل مدت زمان پرواز ربات پرنده شما کاهش می یابد.

اما باز هم توصیه ما را فراموش نکنید ، تنها در صورتی که مهارت لازم را دارید این اقدام را انجام دهید . 

در عین حال لازم است سایر نکات ایمنی مانند محوطه باز برای به پرواز دراوردن کوادکوپتر و همچنین شرایط جوی مناسب را فراموش نکنید.

کوادکوپتر را در شرایطی که باد می وزد به هیچ وجه به پرواز درنیاورید.

توصیه بعدی ما به شما این است که حالات مختلف پرواز کوادکوپتر را در نظر داشته باشید.

 اکثر کوادکوپترها از این امکان برخوردار بوده و شما می توانید آن را انتخاب کنید.

 در این صورت خود سیستم به صورت خودکار شرایط مناسب به پرواز در آوردن ربات پرنده را ارزیابی کرده 

و میزان برق و مصرف باتری را خود انتخاب می کند.

شما می توانید حالت های پروازی اقتصادی تر را انتخاب کرده و از ذخیره شارژ باتری حداکثر استفاده را ببرید.