Мультикоптер

Квадрокоптер DJI Phantom 2 Vision, оснащений мініатюрною відеокамерою, встановленою на гіростабілізованій платформі

Мультико́птер (англ. multirotor, multicopter, copter) — літальний апарат із довільною кількістю несучих гвинтів, розміщених в одній площині, що обертаються діагонально в протилежних напрямках.

Квадрокоптер AirRobot AR 100-B

Назва «квадрокоптер» (англ. quadrocopter) стосується апаратів із чотирма роторами. Дана стаття розглядає малогабаритні, непілотовані апарати.

Мультикоптери можуть виконувати вертикальний зліт і посадку, горизонтальний політ, а також стабільно зависати в повітрі.

Історія

Апарат Oemichen N°2 1922

Багатороторні вертольоти розроблялися ще в перші роки вертольотобудування. Одними з перших квадрокоптерів, які реально відривалися від землі і могли триматися в повітрі, були апарати, що сконструював та випробував французький інженер Étienne Oehmichen. Після першої вдалої спроби в 1920 році він вже на своєму 4-роторному гвинтокрилі Oehmichen No.2 14 квітня 1923 року встановив перший в історії FAI рекорд дальності для вертольотів, пролетівши відстань 358 метрів. Через рік, 4 травня 1924 року, йому вдалося пролетіти по колу дистанцію в один кілометр за 7 хвилин і 40 секунд.

Дослідник Георгій Ботезату (США) виконав низку польотів на подібному 4-роторному гвинтокрилі в 1922 році. Недоліком цих гвинтокрилів була складна трансмісія, що пов'язувала двигун із кількома гвинтами, та складність керування ними для утримання рівноваги. Поява перших вертольотів з хвостовим гвинтом та шайбою перекоса ротора зробила розвиток таких апаратів недоцільним. Нові розробки почалися в 1950-ті роки, але далі прототипів справа не просунулася.

Нове народження мультикоптери отримали десь на межі 2010-х років, вже як авіамоделі та безпілотні апарати. Це стало можливим завдяки появі легких та чутливих гіроскопів на основі п'єзоелементів, які використовувались в радіокерованих моделях вертольотів, та сучасним мікропроцесорам. Також оснащення коптерів потужними і надійними безколекторними електродвигунами, що живляться від літій-полімерних акумуляторів, значно спростили механічну конструкцію апаратів.

Одними із перших, хто досяг значних успіхів в створенні сучасних мультикоптерів, були розробники німецької компанії HiSystems GmbH, які створили проект «Mikrocopter». Китайська компанія DJI почала виробляти готовий до польоту і простий в користуванні квадрокоптер Phantom Quadrocopter, оснащений відеокамерою для керування та зйомки.

У жовтні 2011 року в Німеччині було здійснено політ пілотованого електричного мультикоптера концепції Volocopter, який протримався в повітрі 90 секунд.

Принцип дії та конструкція

Мультикоптери мають три або більше гвинтів з постійним кутом атаки, кожен із яких приводиться в рух власним двигуном. Половина гвинтів обертається за годинниковою стрілкою, половина — у протилежному напрямку, взаємно компенсуючи обертання апарату навколо вертикальної осі. Мультикоптер маневрує шляхом зміни швидкості обертання гвинтів. Наприклад:

• збільшити оберти всіх гвинтів — вертикальний підйом;
• збільшити оберти з одного боку і зменшити з іншого — рух у бік;
• збільшити оберти, що обертаються за годинниковою стрілкою, і зменшити що обертаються проти — поворот.

Квадрокоптери відрізняються розташуванням роторів відносно повздовжньої осі. Наприклад: конфігурація «+» — ротори спереду—ззаду, ліворуч—праворуч; конфігурація «Х» — ротори діагонально попарно ліворуч та праворуч (див. анімацію та таблицю).

Конфігурації квадрокоптерів та схеми керування

Конфігурація	зліт	зниження	обертання праворуч	обертання лівоворуч	нахил вперед	нахил назад	нахил вправо	нахил вліво
$+$-Конфігурація	Оберти ABCD пропорційно збільшити	Оберти ABCD пропорційно зменшити	Оберти BD збільшити та AC пропорційно зменшити	Оберти AC збільшити та BD пропорційно зменшити	Оберти C збільшити та A пропорційно зменшити	Оберти A збільшити та C пропорційно зменшити	Оберти D збільшити та B пропорційно зменшити	Оберти B збільшити та D пропорційно зменшити
$\times$- та H-Конфігурація (показано штрихом)	Оберти ABCD пропорційно збільшити	Оберти ABCD пропорційно зменшити	Оберти BD збільшити та AC пропорційно зменшити	Оберти AC збільшити та BD пропорційно зменшити	Оберти CD збільшити та/або AB зменшити	Оберти AB збільшити та/або CD зменшити	Оберти AD збільшити та/або BC зменшити	Оберти BC збільшити та/або AD зменшити

Електроніка на борту гексакоптера, виготовленого з вуглецевого волокна. У верхній частині знаходиться модуль GPS, нижче плата навігації, процесор із гіроскопами. Зовні навколо розміщені регулятори обертів електродвигунів.

Система керується мікропроцесором («мозок» апарату), який перетворює сигнали з гіроскопів та передавача радіокерування в команди двигунам. Щоб забезпечити рівновагу в повітрі та стабільне зависання, мультикоптер оснащений трьома гіроскопами. Вони контролюють положення апарата по крену, тангажу та обертанню навколо вертикальної осі.

Кожен гіроскоп миттєво реагує на мінімальне відхилення від своєї осі налаштування та подає сигнал на процесор, який в свою чергу, через регулятори ходу контролює оберти електродвигунів, що забезпечує рівновагу апарата в повітрі.

Як допоміжний інструмент, іноді також використовується акселерометр і бародатчик, сигнали від яких дають процесору змогу фіксувати апарат на потрібній висоті. Залежно від потреби, апарати також оснащують GPS-приймачем, що дозволяє задавати з комп'ютера маршрут автоматичного польоту, а також, у разі втрати керуючого радіосигналу, повертати коптер в точку старту. Також застосовують сонар для автоматичної посадки і утримання невеликої висоти, а також обльоту перешкод.

Механічна конструкція мультикоптера надзвичайно проста та надійна. На променевій рамі, рівновіддалено від центру, у вертикальному положенні розміщують електродвигуни. Безпосередньо на валах двигунів, без будь-яких рухомих механізмів, встановлені пластикові пропелери. Кожен двигун під'єднаний до свого контролера (регулятора обертів). На платформі в центрі рами встановлено процесор, електроніка навігації, приймач системи радіокерування, акумулятор та шасі. У такій простій механічні конструкції майже не виникає вібрації, як, наприклад, у вертольота. Найбільше розповсюджені схеми коптерів, що мають таку кількість двигунів: чотири (квадрокоптер), шість (гексакоптер) та вісім (октокоптер). Щоб збільшити корисне навантаження, деякі моделі оснащують двигунами з коаксіальними пропелерами.

Окрім апаратів промислового виробництва, складання мультикоптера в домашніх умовах є захопливим хобі авіамоделістів-аматорів.

Для цього потрібні:

• Польотний контролер
• Рама
• Гвинтомоторні група
• Система радіокерування авіамоделями

Використання радіотехтехнологій

У квадрокоптерах для управління та передачі інформації використовують радіотехтехнології широкосмугового радіодоступу в діапазоні частот 2400—2483,5 МГц.

Крім того, для передачі відеосигналу з відеокамери може застосовуватись стандарт IEEE 802.11a/n (WiFi: 5150—5350; 5470—5670; 5725—5850 МГц).

У найскладніших моделях у діапазоні частот 5737—5808 МГц може здійснюватися передача службової інформації між кількома пультами дистанційного керування.

Застосування мультикоптерів

Професійний квадрокоптер Onyxstar Fox-C8 XT з коаксіальними (подвійними) роторами здатний нести корисне навантаження до 6 кг.

Іграшковий квадрокоптер

Сучасні мультикоптери використовують безколекторні електродвигуни та літій-полімерні акумулятори. Це накладає певні обмеження на їх польотні характеристики: маса мультикоптера становить 1—4 кг, час польоту може бути від 10 до 30 хвилин (окремі екземпляри — до 30—50 хвилин).

Мультикоптер середнього розміру може підняти корисний вантаж вагою від 500 г до 2—3 кг. Це вага невеликої фото- або відеокамери (зазвичай екшн-камера в дешевших моделях або дзеркальні камери в професійних). Існують і досить великі моделі коптерів, які мають 6—8 роторів (гекса- і октокоптери), що здатні підняти в повітря вантаж масою до 20—30 кг. Мультикоптер може розвивати швидкість польоту до 100—110 км/год.

Запас енергії батарей дозволяє окремим моделям мультикоптерів відлітати на відстань до 7—12 км. Зазвичай максимальна відстань, на яку вони здатні полетіти з наступним поверненням у точку зльоту, обмежена прямою видимістю пілота (100—200 м) та дальністю дії апаратури радіокерування. Найкращі зразки подібної апаратури, що використовує підсилювачі потужності радіосигналу і систему спрямованих антен, здатні забезпечувати стабільне радіокерування і передачу відеосигналу на відстань понад 10 км. Таким чином, максимальне обмеження на радіус дії мультикоптер накладає саме час польоту.

Ці обмеження зазвичай дають змогу використовувати мультикоптер як апарат «ближнього радіуса дії» для аматорських польотів недалеко від себе. Для порівняння, безпілотні літаки з акумулятором аналогічної ємності можуть відлітати на 10—15 км при висоті польоту 1—2 км.

Завдяки простоті конструкції квадрокоптери часто використовуються в аматорському авіамоделюванні. Мультикоптер — зручний та недорогий засіб для аерофото- і кінозйомки. У багатьох країнах невеликі стандартні або спеціально виготовлені коптери успішно використовують органи правопорядку, пожежні та екологічні служби, а також військові.

Керувати коптером значно простіше, ніж іншими авіамоделями, хоча існує проблема візуального контролю за невеликим апаратом при віддаленні. Для того, щоб пілот краще визначав положення коптера в повітрі, його борти (сторони) підсвічують різнокольоровими світлодіодами або маркують яскравими стрічками.

Військове застосування

Розвідка

Дешеві комерційні мультикоптери, як родина DJI Mavic, DJI Matrice, Autel EVO абощо використовуються під час російського вторгнення в Україну з 2022 року обома сторонами. На відміну від великих безпілотників, спеціально розроблених для військової розвідки, малі коптери є дешевими та можуть забезпечити базову розвідку на невеликих дистанціях та наводити артилерію низького рівня, наприклад, мінометів.

Скидання боєприпасів

Під час російського вторгнення в Україну з 2022 року обидві сторони активно застосовують мультикоптери. Застосовується широкий спектр дронів і боєприпасів, від дешевих квадрокоптерів родини DJI Mavic з імпровізованими боєприпасами на основі ВОГ-17, 40-мм гранат, ручних гранат, мінометних мін тощо до спеціально розроблених військових безпілотників, як R18^{[джерело?]}.

Успішне застосування в бою малих мультикоптерів і FPV-дронів у бою призвело до зацікавлення західних країн в розробці таких систем. Так, у жовтні 2023 року Армія США обрала кілька компаній для демонстрації обладнання малих комерційних квадрокоптерів знімними стандартизованими боєприпасами для скидання.

Дрони-камікадзе

Мультикоптери, переважно дешеві спортивні FPV-квадрокоптери, завдяки своїй швидкості, стійкості до перешкод і вантажності порівняно зі звичайними коптерами, зайняли нішу дешевих дронів-камікадзе малої дальності.

Перспективи

У 2011 році група молодих інженерів німецької компанії Е-volo вперше випробувала 16-гвинтовий мультикоптер E-Volo VC1, який підняв людину в повітря. Вже реалізується проект створення кількох літальних гвинтокрилих пілотованих апаратів Volocopter, які оснащені несучими електричними двигунами та маршовим ДВЗ із штовхаючим гвинтом.

Багатьма дослідниками успішно ведуться роботи по створенню автономних динамічних керованих систем (літаючих будівельних роботів, дронів спостереження, тощо) здатних самостійно виконувати запрограмовані завдання.

У формі мультикоптерів створюються експериментальні моделі летючих автомобілів.

Юридичний аспект та безпека

Сучасні коптери стали доступними не тільки дещо інформованим в правилах безпеки польотів авіамоделістам-аматорам, але і більш широкому загалу. Тому в більшості країн існує законне регламентування порядку використання подібних дронів за межами місць, відведених для польотів авіамоделістів. Особливо це стосується запуск апаратів на відстані, що лежать поза візуальним контактом з пілотом. Також відеозйомка з коптера може порушувати правила приватного життя.

Порушення правил використання повітряного простору може створювати істотну загрозу безпеці повітряних польотів. Кримінальний кодекс України (стаття 282) передбачає покарання за «вчинення дій у повітряному просторі», які створили таку загрозу або спричинили потерпілим тілесні ушкодження, завдали «великої матеріальної шкоди», або спричинили загибель людей.

Див. також

• Авіамоделізм
• Безпілотний літальний апарат
• Радіокерований вертоліт
• Апаратура радіокерування моделями
• Volocopter

Джерела та посилання

• Всеукраїнська Федерація Власників Безпілотників [Архівовано 28 січня 2016 у Wayback Machine.]
• Журнал «МОДЕЛІСТ» ISSN 1815-8161, № 5 2012 Е-volo Volocopter — новый летательный аппарат
• Обгововорення теми коптерів — modelka.com.ua [Архівовано 28 лютого 2016 у Wayback Machine.]

Література

• Roland Büchi: Faszination Quadrokopter. 1. Auflage. Verlag für Technik und Handwerk, vth, 2010, ISBN 978-3-88180-791-3.
• Thomas Riegler: Quadrokopter richtig einstellen und fliegen. Franzis, Poing 2011, ISBN 978-3-645-65073-1.
• Christian Rattat: Multicopter selber bauen: Grundlagen — Technik — eigene Modelle. dpunkt-Verl., Heidelberg 2015. ISBN 978-3-86490-247-5.