Quadcopter - Quadcopter
A Quadcopter vagy quadrotor olyan típusú helikopter négy rotorral .
Bár a quadrotor helikoptereket és a repülőgépeket már rég kísérletezik, a konfiguráció továbbra is érdekesség maradt a modern UAV vagy drón megjelenéséig. A drónok kis mérete és alacsony tehetetlensége lehetővé teszi egy különösen egyszerű repülésvezérlő rendszer használatát, ami jelentősen megnövelte a kis quadrotor praktikusságát ebben az alkalmazásban.
Tervezési elvek
Mindegyik forgórész a forgásközéppontja körüli emelést és nyomatékot , valamint a jármű repülési irányával ellentétes ellenállást produkál .
A quadcoptereknek általában két forgórészük van az óramutató járásával megegyező irányban (CW) és kettő az óramutató járásával ellentétes irányban (CCW). A repülésvezérlést az egyes rotorok fordulatszámának, így emelésének és nyomatékának független változtatása biztosítja. A dőlésszög és a gördülés a tolóerő nettó középpontjának változtatásával , az elfordulás pedig a nettó nyomaték változtatásával szabályozható .
A hagyományos helikopterekkel ellentétben a quadcopterek általában nem rendelkeznek ciklikus dőlésszög -szabályozással, amelyben a lapátok szöge dinamikusan változik, amikor a rotor agya körül fordulnak. A repülés korai napjaiban a quadcoptereket (akkor „quadrotoroknak” vagy egyszerűen „helikoptereknek” nevezték) a megoldást tekintették a függőleges repülés néhány állandó problémájának némelyikére. A forgatónyomaték okozta vezérlési problémák (valamint a hátsó rotorból eredő hatékonysági problémák , amelyek nem hoznak létre hasznos emelést) kiküszöbölhetők ellenforgatással, és a viszonylag rövid pengék sokkal könnyebben felépíthetők. Az 1920 -as és 1930 -as években számos emberes tervezés jelent meg. Ezek a járművek voltak az első sikeres levegőnél nehezebb függőleges felszállás és leszállás (VTOL) járművek. A korai prototípusok azonban gyenge teljesítményt szenvedtek, az utóbbi prototípusok pedig túl nagy kísérleti terhelést igényeltek a rossz stabilitásbővítés és korlátozott ellenőrzési jogosultság miatt.
Nyomaték
Ha mind a négy forgórész ugyanazon szögsebességgel forog , kettő az óramutató járásával megegyező és kettő az óramutató járásával ellentétes irányban forog, akkor az elfordulási tengely körüli nettó nyomaték nulla, ami azt jelenti, hogy nincs szükség farokrotorra, mint a hagyományos helikoptereknél. Az elfordulást az aerodinamikai nyomatékok egyensúlyának eltérése okozza (azaz az ellenforgó lapátpárok közötti összesített tolóerő-parancsok kiegyenlítésével).
A reakciónyomatékok vázlata egy quadcopter repülőgép minden motorján a forgó rotorok miatt. Az 1 -es és 3 -as rotorok egy irányba, míg a 2 -es és 4 -es rotorok az ellenkező irányba forognak, ellentétes nyomatékokat eredményezve a vezérléshez.
A quadrotor lebeg vagy beállítja magasságát úgy, hogy mind a négy forgórészre azonos tolóerőt alkalmaz.
A quadrotor beállítja a perdület alkalmazásával több tolóerőt rotor forog az egyik irányba.
A quadrotor úgy állítja be a dőlésszögét vagy gördülését, hogy nagyobb nyomást gyakorol egy rotorra (vagy két szomszédos rotorra), és kevesebb tolóerőt alkalmaz az átmérővel ellentétes rotorra.
Örvény gyűrű állapota
Minden quadcopter normál forgószárnyas aerodinamikának van kitéve, beleértve az örvénygyűrű állapotát is .
Mechanikai szerkezet
A fő mechanikai alkatrészek egy törzs vagy keret, a négy rotorok (akár fix pitch vagy változó pitch), és a motorok. A legjobb teljesítmény és a legegyszerűbb vezérlési algoritmusok érdekében a motorok és propellerek egyenlő távolságra vannak.
Koaxiális rotorok
Annak érdekében, hogy kisebb teljesítmény mellett nagyobb teljesítményt és stabilitást biztosítson, a quadcopter, mint bármely más multirotor , koaxiális rotor konfigurációt alkalmazhat. Ebben az esetben minden karnak két, ellentétes irányban futó motorja van (az egyik felfelé, a másik lefelé).
Tevékenységek
Autonóm repülés
A quadcopter konfiguráció viszonylag egyszerűen programozható az autonóm repüléshez. Ez lehetővé tette a szomszédos drónok alapvető érzékelésén alapuló komplex rajzás viselkedését.
Kitartás
Az akkumulátoros quadcopterrel elért leghosszabb repülési idő 2 óra 31 perc és 30 másodperc volt. A rekordot a német Ferdinand Kickinger állította fel 2016-ban. A rekord felállításakor Kickinger alacsony kisütési sebességű, nagy kapacitású lítium-ion akkumulátorokat használt, és megfosztotta a repülőgép vázát a nem lényeges súlytól, hogy csökkentse az áramfelvételt és növelje a tartósságot.
Alternatív energiaforrásokat, például hidrogén üzemanyagcellákat és hibrid gáz-elektromos generátorokat használtak, hogy drámaian megnöveljék az állóképességet, mind a hidrogén, mind a benzin megnövekedett energiasűrűsége miatt.
Történelem
Úttörők
Az első, levegőnél nehezebb repülőgép , amely függőlegesen szállt fel, Louis Breguet által tervezett négyrotoros helikopter volt . Csak kipréselt repülésnél és néhány láb magasságban tesztelték. 1908 -ban jelentették, hogy „többször” repült, bár a részletek ritkák.
Etienne Oehmichen az 1920 -as években kísérletezett forgószárnyas tervekkel. A kipróbált tervek közül a 2. számú helikopterének négy forgórésze és nyolc légcsavarja volt, mindegyiket egyetlen motor hajtotta. Az Oehmichen No. 2 acélcsöves keretet használt, két pengéjű rotorokkal a négy kar végén. Ezeknek a pengéknek a szöge a vetemedéssel változtatható. Öt, a vízszintes síkban forgó légcsavar stabilizálta a gépet oldalirányban. Egy másik propellert szereltek az orrhoz a kormányzáshoz. A fennmaradó légcsavarpár az előrehajtásként funkcionált. A repülőgép a maga idejében jelentős fokú stabilitást és irányítási pontosságot mutatott, és az 1920-as évek közepén több mint ezer tesztrepülést hajtott végre. 1923-ra egyszerre több percig tudott levegőben maradni, és 1924. április 14-én megállapította a helikopterek első FAI távolsági rekordját 360 m-en (390 jard). Bebizonyította, hogy képes körkörös pályát teljesíteni, és később teljesítette az első 1 kilométeres (0,62 mérföld) zártkörű repülést forgószárnyas géppel.
Dr. George de Bothezat és Ivan Jerome kifejlesztették a de Bothezat helikoptert , hatlapátos rotorokkal az X alakú szerkezet végén. Két kicsi, változtatható dőlésszögű propellert használtak a tolóerő és az elfordulási irányításhoz. A jármű kollektív hangmagasság -szabályozót használt. A US Air Service építette, és 1922 októberében tette meg az első repülést. 1923 végére körülbelül 100 járatot hajtottak végre. A legmagasabb érték, amit valaha elért, körülbelül 5 m volt. Bár a megvalósíthatóságot bizonyította, alulteljesített, nem reagált, mechanikailag bonyolult és érzékeny a megbízhatósági problémákra. A pilóta munkaterhelése túl nagy volt a lebegés során az oldalirányú mozgás megkísérlésére.
A háború utáni korszak
A Convertawings A Quadrotor modellt jóval nagyobb polgári és katonai helikopterek sorozatának prototípusának szánták. A kivitelben két motor szerepelt, amelyek négy rotort hajtottak az ékszíjrendszeren keresztül. Nem volt szükség hátsó rotorra, és az irányítást a rotorok közötti tolóerő változtatásával sikerült elérni. Az 1956-tól sokszor repült helikopter bizonyította a quadrotor kialakítását, és ez volt az első négyrotoros helikopter is, amely sikeres előrerepülést mutatott be. A kereskedelmi vagy katonai verziókra vonatkozó megrendelések hiányában azonban a projektet leállították. A Convertawings egy olyan E modellt javasolt, amelynek maximális tömege 19 t (42 000 lb), és terhelhetősége 4,9 t (10 900 lb) 300 mérföld felett és legfeljebb 273 km/h sebességgel. A Hanson elasztikus csuklós (EA) csapágy nélküli rotor az 1960 -as évek elején a Lockheed California -ban végzett munkából nőtt ki, Thomas F. Hanson, aki korábban a Convertawingsnél dolgozott a quadrotor forgórészének tervezési és vezérlőrendszerén.
Az 1958 - as Curtiss-Wright VZ-7 egy VTOL repülőgép, amelyet Curtiss-Wright tervezett az amerikai hadsereg szállító és kutató parancsnokságának "repülő dzsipje" versenyében. A VZ-7 vezérlését a négy légcsatorna-ventilátor rotorának tolóerejének megváltoztatásával végezték.
A Piasecki PA-97 egy nagy hibrid repülőgépre vonatkozó javaslat volt, amelyben négy helikopter törzset kombináltak a levegőnél könnyebb léghajóval az 1980-as években.
Aktuális fejlemények
A Bell Boeing Quad TiltRotor koncepciója továbbviszi a fix quadcopter koncepciót, és ötvözi a dönthető rotor koncepcióval egy javasolt C-130 méretű katonai szállításhoz.
Az Airbus elemmel működő quadcoptert fejleszt városi légi taxiként, eleinte pilótával, de a jövőben potenciálisan önálló.
Drónok
Az elmúlt néhány évtizedben a quadcopter elrendezés népszerűvé vált a kis méretű pilóta nélküli repülőgépek vagy drónok számára. A nagyobb manőverezőképességű és lebegő képességű repülőgépek iránti igény a quadcopter kutatások növekedéséhez vezetett. A négy rotoros kialakítás lehetővé teszi, hogy a quadcopterek viszonylag egyszerűek legyenek, mégis rendkívül megbízhatóak és jól irányíthatóak. A kutatás tovább fejleszti a quadcopterek képességeit azáltal, hogy előrelépést tesz a több kézműves kommunikáció, a környezet feltárása és a manőverezhetőség terén. Ha ezeket a fejlesztő tulajdonságokat kombinálni lehet, a quadcopterek képesek lennének olyan fejlett autonóm feladatokra, amelyek jelenleg nem lehetségesek más járművekkel.
2005 és 2010 körül az elektronika fejlődése lehetővé tette olcsó könnyű repülésvezérlők, gyorsulásmérők ( IMU ), globális helymeghatározó rendszer és kamerák gyártását . Ennek eredményeként a quadcopter konfiguráció népszerűvé vált a kis pilóta nélküli légi járműveknél . Kis méretükkel és manőverezhetőségükkel ezek a quadcopterek beltéren és kültéren is repülhetnek.
Kis drónok esetében a quadcopterek mechanikai egyszerűségük miatt olcsóbbak és tartósabbak, mint a hagyományos helikopterek. Kisebb pengéik azért is előnyösek, mert kevesebb mozgási energiával rendelkeznek, ami csökkenti a károsodás képességét. A kis méretű quadcopterek esetében ez biztonságosabbá teszi a járműveket a szoros kölcsönhatás érdekében. Lehetőség van quadcopterek felszerelésére is, amelyek védőburkolatot tartalmaznak a rotorok között, tovább csökkentve a sérülés lehetőségét. A méret növekedésével azonban a rögzített légcsavaros quadcopterek hátrányokat mutatnak a hagyományos helikopterekhez képest. A penge méretének növelése növeli a lendületüket. Ez azt jelenti, hogy a penge sebességének változása hosszabb időt vesz igénybe, ami negatívan befolyásolja az irányítást. A helikopterek nem tapasztalják ezt a problémát, mivel a rotortárcsa méretének növelése nem befolyásolja jelentősen a lapátemelkedés szabályozásának képességét.
Könnyű felépítésük és irányításuk miatt a quadcopterek népszerűek amatőr modellként .
Bűnözői tevékenység
A 21. század folyamán olyan esetekről számoltak be, amikor quadcopter drónokat használtak bűncselekményekhez. A Mexikó – Egyesült Államok határfal építése miatt egyes drogkartellek quadcopterekhez folyamodtak kábítószer -csempészet céljából. A quadcopter drónok azonban nem feltétlenül csempésznek kábítószert a határon túlra, de vannak olyan esetek is, amikor fegyvereket és egyéb tiltott tárgyakat csempésznek be a börtönökbe szerte a világon.
A quadcopter drone bűnözés Európában is előfordul. 2021 augusztusában egy rendőr Csehországban lefoglalt egy quadcoptert, amely egy tasak metamfetamint szállított .