کوادکوپتر و مولتی روتور چیست ؟

مولتی روتور و کوادکوپتر(در انگلیسی Quadcopter)یا همان ربات عمود پرواز یکی از انواع پهپاد(پرنده هدایت پذیر از دور) از نوع هواگرد بالگردان چند موتوره و چند پروانه میباشد که در ابتدا برای مقاصد خاص علمی، تجاری یا نظامی ساخته شده بودند ولی امروزه به یکی از پر طرفدارترین وسایل سرگرمی و تفریحی(Hobby)در دنیا و ایران تبدیل شده اند.

مولتی روتورها را به صورت معمول بر اساس تعداد موتور و تعداد بازوی بدنه( دکل پروانه) با استفاده از اعداد یونانی نامگذاری میکنند:

مولتی روتورهای دارای سه موتور و سه بازوی دکل پروانه را تری کوپتر یا تری روتور میگویند.

مولتی روتورهای دارای چهار موتور و چهار بازوی دکل پروانه را کواد کوپتر یا کواد روتور میگویند.

مولتی روتورهای دارای شش موتور و شش بازوی دکل پروانه را هگزا کوپتر یا هگزا روتور میگویند.

مولتی روتورهای دارای هشت موتور و هشت بازوی دکل پروانه را اوکتا کوپتر یا اکتا روتور میگویند.

گاهی در ساخت یک مولتی روتور برای اهداف خاص و بالا بردن وزن پروازی در انتهای هر بازوی بدنه از دو عدد موتور یکی در بالا و یکی در پایین استفاده میکنند که برای نامگذاری این مدلها معمولا از کلمه دوبل بعد از نام مولتی روتور استفاده میشود.

 پر استفاده ترین و محبوب ترین مولتی روتور همان مدل چهار موتور(روتور) آن است که به نام کوادکوپتر در همه جا شناخته میشود .ساخت آسان، قیمت پایین و کارایی بالا به همراه سرعت و تعادل و قدرت مانورپذیری بالا در عین داشتن جثه و حجم کمتر نسبت به سایر مولتی روتورها از دلایل محبوبیت کواد کوپترهای چهار موتور میباشد.اندازه یک کوادکوپتر به نوع کاربری آن بستگی دارد.به طور مثال سایزهای 100 الی 380 میلیمتر برای کوادکوپترهای FPV ریسینگ سرعتی استفاده میشود که به دلیل فرم ساخت و اندازه کوچک میتوانند با سرعتهای بسیار بالا حرکت کنند و معمولا در مسابقات ریسینگ سرعت از آنها استفاده میشود . اما از سایزهای 380 الی 650 میلیمتر بیشتر در پروژه های فیلمبرداری هوایی که احتیاج به ثبات و تعادل پروازی بالا دارند استفاده میگردد. 

امروزه یکی از تفریحات پر طرفدار کوادکوپترهای آموزشی و تفریحی و حتی حرفه‌ای موضوع تصویر برداری هوایی یا همان هلیشات است که برای عموم از جذابیت بسیار بالایی برخوردار بوده و بازار بزرگی از محصولات رادیو کنترلی را در جهان به خود اختصاص داده ‌است .هلیشات یا فیلمبرداری هوایی باعث انقلابی در رشته عکاسی و فیلمبرداری شده و میلیون ها شغل برای مردم جهان ایجاد کرده است.از فیلمبرداری هوایی و هلیشات توسط مولتی روتورها نه تنها برای مقاصد عمومی و تفریحی بلکه به صورت تخصصی برای پروژه های صنعتی و نظامی مانند نقشه برداری هوایی، معدن یابی، سمپاشی مزارع و باغات، نظارت و کنترل هوایی، عملیات امداد و نجات، بازرسی خطوط و دکل برق و خطوط گاز نیز استفاده گسترده ای میشود.

همین تنوع استفاده و خدمات باعث گردید تا در سال‌های اخیر توجه شرکت‌ها، دانشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی دولتی و نظامی بیش از پیش به این نوع از پهپادها جلب شده است و لذا روزانه شاهد پیشرفت چشم‌گیری در امکانات و پرواز این نوع از پرنده‌های هدایت پذیر از دور هستیم.

امروزه مسابقات پهپادها هم در سراسر نقاط جهان از جمله ایران توسط دانشگاه ها و یا موسسات خصوصی برگزار می‌شود که معمولا در دو رشته داخل ساختمان(InDoor) و مسابقات ریسینگ سرعت دسته بندی میشوند و شرکت کنندگان می‌توانند در این دو دسته با همدیگر به رقابت بپردازند.

وسایل ساخت کوادکوپتر و مولتی روتور

همانطور که قبلا گفتیم ساده ترین و پرمصرفترین نوع مولتی روتور مدل کوادکوپتر میباشد.برای ساخت یک کواد کوپتر به قطعات و وسایل زیر نیاز داریم :

فریم بدنه کواد کوپتر : یک عدد

موتور براشلس : چهار عدد

اسپید کنترل : چهار عدد

فلایت کنترلر : یک عدد

ملخ چپگرد و راستگرد(پولر و پوشر) : چهار عدد

رادیوکنترل : یک عدد

باتری لیتیوم پلیمر : یک عدد

شارژر باتری لیتیوم پلیمر : یک عدد

قطعات گفته شده بالا بیس ساخت یک کواد کوپتر را تشکیل میدهند.البته در حین ساخت یک ربات پرنده کوادکوپتر ممکن است به وسایل دیگری مثل برد تقسیم ولتاژ و رگلاتور برق، سیم سیلیکون و کانکتورهای مختلف، چسب و لحیم نیز احتیاج پیدا کنیم .

برای شروع ساخت یک کواد کوپتر ابتدا باید نوع مورد مصرف آن و وزن پروازی پرنده مشخص شود.باید مشخص کنیم که قصد ما از ساخت یک کواد کوپتر، یک پرنده ریسینگ سرعتی است یا یک کوادکوپتر استیبل برای انجام هلی شات و فیلمبرداری هوایی.بعد از مشخص شدن هدف راحت میتوان تصمیم گرفت از چه سایز فریم بدنه میتوان برای ساخت کوادکوپتر استفاده کرد.قدم بعدی انتخاب موتور براشلس مناسب  است تا بتواند وزن پرنده را به راحتی از زمین بلند کند.با توجه به اطلاعات درج شده در دیتاشیت موتور براشلس به راحتی میتوان اسپید کنترل و سایز ملخ و ولتاژ باتری لیتیوم پلیمر مورد نیاز را هم فهمید . قدم بعدی انتخاب یک فلایت کنترلر یا اتوپایلوت پرواز مناسب برای هدفی است که در نظر گرفته ایم .فلایت کنترل های مورد استفاده در پرنده های ریسینگ سرعتی و فلایت کنترل های مورد استفاده در پرنده های کوادکوپتر هلی شات گاهی از نظر سایز و اندازه شبیه همدیگر هستند ولی از نظر برنامه نویسی و الگوریتم پرواز و امکانات داخلی و یا ماژولهای خارجی با همدیگر فرق های اساسی دارن و باید حتما به این موضوع توجه نمود. در قدم آخر به انتخاب یک رادیو کنترل و شارژر باتری لیتیوم پلیمر مناسب کار خود میرسیم.

کواد کوپتر اسباب بازی

به غیر از کوادکوپترهای صنعتی و حرفه ای انواعی از کوادکوپترهای کوچک و تفریحی ارزان قیمت نیز وجود دارند که به جای استفاده از سیستم رانشی قوی در موتورهای گران قیمت براشلس ، از موتورهای کوچک و ارزان کورلس استفاده میکنند.این مدلها به دلیل قدرت بسیار کم موتورهای کورلس بیشتر برای مقاصد تفریحی و آموزشی و اسباب بازیها ساخته میشوند . در ساخت این مدلها نیاز به استفاده از اسپیدکنترل برای کنترل سرعت موتور وجود ندارد و به دلیل استفاده از فلایت کنترل های خاص این کنترل سرعت بر روی برد فلایت کنترل نصب شده است.همچنین به دلیل توان پایین موتورهای کورلس به اجبار از باتری های کوچکتر استفاده میگردد که باعث کاهش مدت زمان پرواز خواهد شد و لزوم استفاده از رادیوهای توان بالا و برد بالای گران قیمت را نیز از بین میبرد.توان پایین موتور کورلس روی فریم بدنه این کوادکوپترها نیز تاثیر گذاشته و تولیدکنندگان مجبور به استفاده از پلاستیک سبک و نازک در ساخت این مدلها شده اند که البته مجموع تمام این کارها باعث کاهش بسیار زیاد قیمت تمام شده این محصول شده است.قیمت پایین این مدلهای آموزشی و اسباب بازی باعث محبوبیت بسیار زیادی در بین عموم افراد با هر سنی شده است و امروزه کمتر شخصی وجود دارد که حداقل یکبار لذت پرواز با این اسباب بازی های پرنده را نچشیده باشد.

ساختار حرکتی مولتی روتورها و کواد کوپتر

کوادکوپترها همانند انواع دیگر وسایل پرنده از ایجاد اختلاف فشار در اتمسفر پیرامون خود برای بلند شدن و حرکت در هوا استفاده می‌نمایند. همان‌طور که قبلتر از آن هلی کوپترها به کمک یک پره اصلی این اختلاف فشار را ایجاد نموده و نیروی برآ ی خود را تأمین می‌کردند. به حرکت در آمدن و پرواز با چرخش سریع موتور و ملخ و ایجاد شدن اتمسفر منفی و فضای خلا در بالای ملخ و فشار اتمسفر زیاد در زیر پرنده اتفاق افتاده و پرنده به سمت بالا حرکت مینماید. ولی این همه ماجرا نیست !! بعد از ساخت نمونه های اولیه در هلیکوپترها به دلیل وجود نیروی عمل و عکس‌العمل، پس از اینکه پره اصلی شروع به چرخش می‌کرد با برخورد مولکول‌های هوا به این پره و وجود عکس‌العمل، یک نیرویی با جهت مخالف جهت چرخش پره به پره و در ادامه به شفت متصل به پره اعمال می‌شد (نیروی گشتاور) و باعث چرخش هلیکوپتر به دور خود می‌گردید. برای حل این مشکل از پره دم هلیکوپتر استفاده شد تا نیرویی را تولید کند که مانع چرخش هلیکوپتر به دور خود شود. بعدها به این موضوع پی بردند که اگر هلیکوپتر به جای داشتن یک پره اصلی به طور همزمان از دو پره اصلی که خلاف جهت یکدیگر بچرخند استفاده نماید، به دلیل خنثی شدن دو نیروی گشتاور توسط یکدیگر، مشکل حل شده و دیگر هلیکوپتر به دور خود نخواهد چرخید. حال با توجه به توضیحات داده شده راحت‌تر می‌توان به ساختار کواد کوپترها اشاره نمود.


کواد کوپترها با بهره‌گیری از چهار موتور و پره مجزا و چرخش دو به دو معکوس این موتورها نیروی گشتاورهای ایجاد شده توسط هر موتور را خنثی می‌کنند و همچنین اختلاف فشار لازم جهت ایجاد نیروی برآ را برای بالا رفتن پرنده تأمین می‌نمایند.ایجاد فرامین کنترلی در کواد کوپترها به این صورت است که، برای تغییر ارتفاع از کم یا زیاد کردن سرعت چرخش همه موتورها استفاده می‌شود و باعث کمتر یا زیاد تر شدن اختلاف فشار به وجود آمده در بالا یا پایین پرنده می‌شود. برای چرخش کواد کوپتر به دور خود دو پره هم جهت با سرعت کمتر و دو پره هم جهت دیگر با سرعت بیشتر می‌چرخند و نیروی گشتاور به یک سمت ایجاد می‌شود که باعث چرخش پرنده حول محور عمودی به یک سمت خواهد شد.در این حالت اختلاف فشار همانند قبل است زیرا دو پره با سرعت کمتر و دو پره دیگر به همان نسبت با سرعت بیشتر می‌چرخند لذا کواد کوپتر در ارتفاع ثابت فقط به دور خود می‌چرخد و تغییری در ارتفاع آن ایجاد نمیشود.

همانطور که در ساختار یک مولتی روتور دیدیم در انواع مدلهای کلاسیک مولتی روتور و کواد کوپتر، موتورها در انتهای بازوی بدنه در جای خود رو به بالا ثابت هستند و به همین دلیل برای حرکت به چهار سمت اصلی یعنی جلو و عقب و سمت راست و سمت چپ لازم است تا خود پرنده نسبت به سطح افقی به آن سمت متمایل و خم گردد تا اختلاف فشار بالا و پایین پرنده از راستای عمود خارج شده و پرنده به آن سمت حرکت کند. این خم شدن پرنده به هر سمت توسط کنترلر پرواز یا همان اتوپایلوت تعیین و کنترل میشود و با سیگنالهایی که به صورت لحظه ای به اسپید کنترل میفرستد باعث میشود دور موتور یک یا چند موتور کم یا زیاد گردیده و پرنده از حالت افقی خارج شده و به یک سمت متمایل شود .هر چه پرنده به آن سمت بیشتر خم شود مولتی روتور با سرعت بیشتری در آن جهت حرکت خواهد نمود. به طور مثال یک کواد کوپتر را در نظر بگیرید که دو موتور در جلو و دو موتور در عقب دارد .در ابتدا اپراتور پرواز(خلبان) استارت همه موتورها را زده و همه موتورها با سرعت چرخش یکسان خواهند چرخید تا پرنده به صورت مستقیم و عمود از سطح زمین بلند شود.بعد از برخواستن از سطح زمین با تصمیم اپراتور برای حرکت رو به جلو ،فلایت کنترل دور چرخش موتورهای جلویی را کمتر کرده و دور چرخش موتورهای عقب را افزایش میدهد تا جلوی پرنده کمی پایین آمده و عقب آن بالاتر رود. به این صورت پرنده به سمت جلو حرکت خواهد نمود. همانطور که اشاره شد هر چه جلوی پرنده پایینتر از عقب آن باشد سرعت رو به جلوی حرکت کردن پرنده بیشتر میشود





در حال آپدیت .....