کوادکوپتر چیست ؟ کوادروتور , پهپاد , هلیشات به چه چیزی گفته میشود ؟

ربات پرنده به زبان ساده!

مختصری درباره ربات های پرنده

ربات‌های پرنده شاید تمامی پرنده‌های بی‌سرنشین را در بر بگیرد اما از نظربسیاری از کارشناس‌ها کوادرتورها می‌توانند به حق این لقب را یدک بکشند چون ترکیبی از مکانیک پرواز – الکترونیک و کامپیوتر می‌باشند. اما کوادرتور چیست؟

کوادرتور یا کوادکوپتر یا پرنده چهار ملخه نوعی عمودپرواز است که بخاطر استفاده از چهار ملخ بصورت صلیبی این لقب را به آن داده‌اند. این نوع پیکربندی به پرنده این امکان را می‌دهد تا بتواند به راحتی و بطور مساوی در تمامی جهات حرکت کند و قدرت مانور فوق العاده‌ای داشته باشد. اما این پرنده بر خلاف ظاهر ساده خود بسیار بسیار پیچیده است بطوری که طراحی این نوع از کوادکوپترها در کشورهای محدودی انجام می‌گیرد. اما مشکل بزرگی که بر سر طراحی چنین پرنده‌هایی وجود دارد مسئله پایداری این نوع از پرنده هاست که کار بسیار پیچیده ای است. در زیر به برخی از مشکلاتی که ممکن است تعادل پرنده را برهم بزند خواهیم پرداخت تا بیشتر با این مشکلات آشنا شوید.

عوامل مختل کننده تعادل کوادکوپترها:

۱) تغییر دور ناخواسته پره ها و عدم تعادل در سرعت چرخش پره ها: این امر ممکن است بخاطر عوامل زیاد و گوناگونی اتفاق بیفتد ازجمله اصطکاک متفاوت موتورها بخاطر کثیفی موتورها یا هم‌دور نبودن خود موتورها یا عدم همخوانی استپ‌های کنترل دور یا مسائلی از این دست .

۲)عدم تعادل وزنی پرنده: این مسئله که بسیار شایع است ممکن است بخاطر عواملی چون تغییر مرکز ثقل و یا نصب نامتقارن تجهیزات اصلی و یا فرعی مانند دوربینها و سنسورها و یا عوامل خارجی دیگر رخ دهد.

۳) اما مهم‌ترین مسئله در عدم پایداری باد است: باد به تنهایی می‌تواند تعادل تمامی پرنده ها را برهم بزند و کوادرتور هم جدا از این مسئله نیست. اما بادها جور دیگری هم خودنمایی می‌کنند و ان تاثیر باد ناشی از خود ملخ‌ها که شامل جریان گردابی ملخ‌ها و جریان برگشتی از سطح زمین می‌شود که بصورت نامتعادل به خود پره‌ها و بدنه پرنده برخورد کرده و بشدت تعادل پرنده را برهم میزند.

اما اثر مشکل عدم تعادل به این گونه‌ای است که اگر پرنده به هر دلیلی از دلایل فوق ۱درجه و شاید هم کمتر از تعادل خارج شود بردار رانش موتورها از حالت عمود خارج شده و پرنده به صورت ناخواستا به یک سمت حرکت می‌کند که این امر با ازدیاد زاویه ناپایداری سرعت بیشتری می‌گیرد به طوری که باعث برخورد ناخواسته و عدم ثابت ایستادن پرنده می‌شود و در نهایت منجر به سقوط و انهدام پرنده می‌شود.

کوادرتور از چهار ملخ که دو به دو بر خلاف جهت هم می‌گردند تشکیل شده است. یعنی به این صورت که دو ملخ روبروی هم به صورت هم‌جهت به یک سمت می‌چرخد و دو ملخ روبروی دیگر که باز روبروی هم قرار دارند به صورت هم‌جهت بوده و در خلاف جهت جفت ملخ اول می‌چرخد. برای درک بهتر موضوع به عکس زیر توجه کنید:

اما دلیل این امر این است که که ملخ‌ها دو به دو اثر عکس العمل همدیگر را خنثی کنند.

شیوه کنترل حرکت کوادکوپترها:

برای حرکت پرنده در محور عمود باید دور جفت ملخ‌های یک جهت کم و به همان مقدار دور جفت ملخ جهت مخالف افزوده شود. این کار باعث می‌شود بدون تغییر ارتفاع نیروی عکس‌العمل یک سمت از سمت دیگه بیشتر شود و در نتیجه پرنده در یک سمت حول محور عمودی می‌چرخد. اما برای حرکت پرنده حول محور عرضی و طولی لازمه بین دو ملخ هم‌جهت یک تفاضل دور به وجود بیاوریم. به این ترتیب یک سمت پرنده به سمت بالا رفته و طرف دیگر به سمت پایین میل پیدا می‌کند که این امر باعث کچ شدن بردار رانش و حرکت پرنده به سمتی که بازویش پایین تر است می‌شود و هر چه مقدار این انحراف بیشتر باشد سرعت پرنده نیز بیشتر می‌شود. برای تغییر ارتفاع هم فقط کافیست سرعت هر ۴ ملخ را با هم کم یا زیاد کنیم.

اجزای سخت افزاری کوادکوپترها:

موتور: اکثر کوادروتورهای پیشرفته از موتورهای براشلس برای حرکت استفاده می‌کنند. این نوع موتور‌ها بسیار کوچک- سبک و پرقدرت می‌باشند. دلیل این امر هم این است که بخاطر عدم وجود جاروبک یا همان زغال در این نوع موتورها هم اصطکاک بسیار کم بوده و نیز می‌توان توان و جریان بالایی را به موتور اعمال کرد. این موتورها به دونوع اینرانر(قسمت داخلی موتور می‌چرخد) و اوترانر(قسمت خارجی یا پوسته می‌چرخد) تقسیم بندی می‌شوند که در کوادرو ها اکثرا از نوع اوترانر ان‌هم بخاطر دور پایین استفاده می‌شود.

اسپید کنترل : یا همان راه انداز موتور براشلس است. در موتورهای براشلس بخاطر عدم وجود جاروبک عمل کموتاسیون وتغییر قطب‌ها و در نهایت چرخش موتور بصورت مصنوعی و توسط اسپید کنترل یا درایو موتور براشلس انجام می‌شود. اصول کلی کارکرد این قطعه بر اساس تولید نوسان که برق مستقیم را به صورت متناوب در می‌آورد نیز می‌باشد.

در انتخاب درایور باید دقت بسیاری شود که تعداد استپ‌های پیش‌بینی شده در درایور هر چه بیشتر باشد پرنده پروازی نرم‌تر و پایدارتری را به نمایش خواهد گذاشت.

ملخ : در انتخاب ملخ دو فاکتور از بقیه پر اهمیت تر است و آن طول و گام ملخ است که معمولا به اینچ و به صورت پیوسته بروی ملخ نوشته میشود. برای مثال ملخ ۶*۸ ملخی است با طول ۸ اینچ و گام ۶ اینچ. گام یا همان میزان پیشروی به میزان پیشروی ملخ در هر دور در واحد اینچ نیز اطلاق می‌شود. البته ملخ‌ها از منظر نوع موادی که در ساخت آن به کار رفته هم به چند دسته تقسیم بندی می‌شوند که از ان جمله می‌توان به ملخ‌های چوبی – پلاستیکی و مواد مرکب یا کربنی نیز اشاره کرد.

باطری : شاید دغدغه اصلی سازندگان وسایل پرنده الکتریکی تامین انرژی این نوع از پرنده ها است. شاید در گذشته‌ای نه چندان دور این امر تا حدودی غیر ممکن می‌نمود اما با ورود و عرضه باطری‌های لیتیوم پلیمر یا همان لیپو دنیای پرنده های الکتریکی وارد مرحله جدیدی از زندگی خویش شد. چون باطری‌های لیپو با دارا بودن وزن کم-قدرت زیاد و قدرت تخلیه جریان بسیار بالا میزان ساعت پروازی به مراتب بالاتری را به پرنده های الکتریکی می‌دهند.

شاسی یا بدنه : اما اخرین قسمت، بدنه پرنده است که می‌توان از بیشتر مواد سبک وزن در ساخت ان استفاده کرد اما در پرنده های حرفه ای تا نیمه حرفه ای اکثرا از الیاف کربن برای ساخت بدنه کوادروتورها استفاده می‌شود چون الیاف کربن با دارا بودن مقاومت بسیار بالا وزن بسیار کمی را به خود اختصاص می‌دهند.
اتوپایلوتها عموما از شتابسنجها – جایروها یا همان ژیروسکوپ‌ها و قطب‌نمای دیجیتالی و به صورت ۳درجه ازادی و ۶ و ۹ و حتی ۱۲ درجه از ازادی تشکیل شده که هر چقد تعداد درجه های ازادی بیشتر باشه پرنده پایدارتر-حرفه ای تر و مسلما گران‌تر خواهد بود.

شتاب سنج: شتاب‌سنج‌ها بر اساس گرانش زمین کار می‌کنند و می‌توانند زاویه دقیق سطحی که روی آن قرار دارند را حتی در حالتی که خاموش هستند اندازه گیری کنند و در نتیجه وقتی آن‌ها را در حالت بدون تغذیه روی سطحی بگذاریم و بعد با اتصال تغذیه به آن روشنش نماییم می‌تواند زاویه سطح را برای ما اندازه‌گیری کنند خصوصیتی که در ساخت کوادرتورها بسیار مهم است. شتابسنج‌ها عموما از نظر تعداد محورهای ازادی که عموما دو ویا سه محوره هستند تقسیم بندی می‌شوند و در مدل‌های مختلف دارای دقت های متفاوتی نیز می‌باشند.

اما مشکل بزرگی که شتابسنج‌ها دارند این است که به‌شدت به لرزش حساسند و لرزش‌ها روی آن‌ها اثر بسیار بدی می‌گذارد و کاملا سیستم را به اشتباه می‌اندازد.

ژیرسکوپ: ژیروسکوپ سرعت زاویه‌ای را به ما نشان میدهد که می‌شود از آن زاویه را به‌راحتی استخراج کرد. اما مشکلی که دارد این است که زاویه را نسبی نشان میدهد یعنی اگه آن را روی هر سطحی بگذاریم و روشنش کنیم همان نقطه و زاویه اولیه را مبنا و صفر در نظر می‌گیرد. بخاطر همین زاوایایی که نشان می‌دهد کاملا با مقدار واقعیش می‌تواند متفاوت باشد. دسته بندی ژیروسکوپ‌ها هم بر اساس تعداد محورهای آن‌ها است که به صورت ۱و۲و۳ محوره در بازار یافت می‌شود. اما از قطب‌نماها هم که بصورت یک و دو و سه محوره در بازار یافت می‌شود در برخی از کوادها استفاده می‌شود و دلیلش این است که بتواند با افزایش درجه آزادی دقت نهایی را افزایش بدهد.

البته اهمیتش مثل جایرو و شتاب‌سنج نیست. اطلاعاتی که از این سنسورها بدست می‌آید در یک پروسسور پردازش می‌شود. سیستم با دریافت این اطلاعات یعنی از هر محور دو ویا سه ویا بیشتر دیتا به پروسسور وارد می‌شود و پردازشگر با مقایسه این داده ها باهم سعی می‌کند نزدیک‌ترین زاویه را نسبت به زاویه واقعی استخراج کند و برای تصحیح مسیر فرمان درست را صادر کند. البته تمامی این کارها باید در کسری از ثانیه انجام بشود. اما چیزی که کار را مشکل کرده در آوردن زاویه صحیح از بین آن همه لرزش بدنه ناشی از حرکت ملخ‌ها و تشخیص دیتای صحیح از بین انبوه نویزهاست که بخش اعظم کار همین جا است.