المهندس الخاص بك: كيف تصنع طائرة بدون طيار الخاصة بك وتتحكم في حركتها

من هم الروبوتات؟

قبل بضع سنوات ، ظهر شيء رائع على Reddit - وصف العلماء أنه معقد

البحث في عبارة واحدة بسيطة. إذا طُلب مني القيام بذلك ، فسأقول أن الروبوتات هي منطقة يمكنك من خلالها رؤية كيفية تحرك الشفرة.

الروبوتات هي تطبيق تآزريمجال النشاط. وهي تتألف من البرمجة والميكاترونكس وعلم التحكم الآلي. الميكاترونيك هو شيء يتفاعل مع العالم الحقيقي. وعلم التحكم الآلي هو علم متعدد الوصلات ، يشمل أولاً وقبل كل شيء إدارة البرامج التي تم إنشاؤها.

ما هو الروبوت؟قبل 15 عامًا ، كان الكثيرون يقولون إن هذه ذراع آلية تعمل في مصنع وتقوم باللحام أو الطلاء. إجابة شائعة أخرى هي الروبوت الروبوت من عالم الأفلام. لكن هل عربة متحركة أم مركبة بدون طيار روبوت؟ نعم ، هذا أيضًا أحد مجالات الروبوتات. الطائرات هي أيضًا روبوتات ، وتشمل بعض أحدث التطورات التقنيات الذكية وهي في الواقع روبوتات مستقلة.

عربة المحمول هي أيضًا روبوت

هناك أيضًا مجال من الروبوتات مثل المجالالروبوتات - "الروبوتات المتنقلة". يتضمن ذلك جميع الروبوتات التي تتحرك في حقل أو مبنى أو تحت الماء. التطبيق الأكثر إثارة للاهتمام ، في رأيي ، هو الزراعة.

تاريخ الطائرات

بدأ تاريخ الطائرات في الماضيمئة عام. قبل ذلك ، طارت بالونات فقط بدون محرك ، وكان من الصعب تسميتها روبوتات. في بداية القرن الماضي ، كان هناك نوعان من الطائرات يعملان - الطائرات والطائرات. قام الأخوان رايت بأول رحلة خاضعة للتحكم. علاوة على ذلك ، ظهر الطيار الآلي الأول بسرعة كبيرة ، بعد ما يقرب من 10 سنوات من ذلك ، ساعد في استقرار الرحلة.

يرتبط الاتجاه الحالي للروبوتات بـتطوير وتوافر الطيار الآلي المفتوح الجديد مثل PixHawk (PixHawk هو جهاز مفتوح لوحدات التحكم والطائرات بدون طيار والطائرات بدون طيار الأخرى. ويستخدم للأغراض الأكاديمية والهواة والمهنية). مثال على وصول الطائرات بدون طيار في حياة كل شخص هو توصيل البيتزا من قبل شركة Dodo Pizza مع Copt Express - حدث هذا في عام 2014.

تاريخ الطائرات

كيف يتم التحكم في الطائرة بدون طيار

الطائرات الحديثة تستخدم واحدةمن المبادئ الثلاثة لإنشاء الرفع - الهوائية أو النفاثة أو الديناميكية الهوائية. يمكن تنفيذ المبدأ الديناميكي الهوائي للطيران وخلق الرفع (إلقاء جزء من الهواء) إما بسبب حركة الجهاز بأكمله ، المجهز بسطح محمل ثابت (جناح) ، أو بسبب حركة أجزاء محمل فردية الجهاز (الدوار الرئيسي ، المروحة) بالنسبة للهواء.

كيف تطير الأجهزة

تحتوي الطائرة بدون طيار على مروحة تخلق قوة الرفع.بعد أن خرج الجهاز من الأرض ، يبدأ في تحريك المروحة بشكل أسرع ويرتفع لأعلى. لكن قوة الفعل تساوي قوة رد الفعل. عندما تدور المروحة ، يتم إنشاء لحظة في الاتجاه المعاكس - هذا هو تصميم المروحيات والمروحيات. إذا كانت المروحية مزودة بمروحة واحدة ، فلن تكون مستقرة. لذلك ، يستخدم الجهاز إما مخطط ثنائي الدوار أو دوار الذيل.

تتميز المروحية الرباعية بتصميم بسيط للغاية -عادة ما تحتوي على أربعة براغي ، اثنان منها يدوران في اتجاه واحد واثنان في الاتجاه الآخر. إذا احتاج المستخدم إلى المضي قدمًا ، فإن بعض المراوح تتحول بشكل أبطأ بينما يتحول البعض الآخر بشكل أسرع. وإذا أراد المستخدم الالتفاف ، فإن بعض البراغي الموضوعة تتسارع قطريًا ، بينما يتباطأ البعض الآخر.

كيف تطير طائرة كوادكوبتر

ترتبط حركات المروحية في الزوايا بالحركة فيإحداثيات. إذا أراد الطيار المضي قدمًا ، فيجب أولاً إمالة الطائرة بدون طيار للأمام ، وبعد ذلك ، عندما يسحب الجهاز الكهربائي للأمام ، نثبته في النقطة التي نريد البقاء فيها.

هذا رسم تخطيطي لواحد من أشهر الطيارين الآليين ،على أساس أي أجهزة جديدة يمكن صنعها. يتصل بجميع المحركات وأجهزة الاستشعار. علاوة على ذلك ، تحتوي المحركات على وحدة تحكم خاصة بها ، منظم ESC - وحدة التحكم الإلكترونية في السرعة ، والتي تتحكم في سرعة المحرك.

من بين المستشعرات ، يوجد GPS بحيث يمكن للطائرة بدون طيارالعمل في الهواء الطلق ، والطيران إلى النقاط واستقرار الموقف. ولكن يوجد داخل الطيار الآلي نفسه أيضًا IMU - وحدة استشعار بالقصور الذاتي تسمح لها بتحديد زوايا الاتجاه. هناك أيضًا قناة اتصال ومحطة تحكم أرضية وبطارية.

جهاز الطائرات بدون طيار

كما ذكر أعلاه ، هناك مستوىالتحكم في المحرك - يمكننا ، دون تردد ، ضبط سرعة الدوران. تعمل بقية المستويات على نفس المبدأ: المستوى التالي هو التحكم في التوجيه.

لكن علينا أولاً التحكم في سرعة الدوران- تطير مروحيات FPV على هذا المستوى (الأجهزة التي تسمح لك بمشاهدة الصورة من كاميرا الطائرة بدون طيار في الوقت الفعلي من أول شخص (FPV - عرض الشخص الأول). يقوم الطيارون المتمرسون بضبط سرعة الدوران والتوجيه باستمرار باستخدام عصا التحكم. المرحلة هي عندما يتمكن المستخدم من تثبيت الزاوية ، لكن الطائرة بدون طيار ستستمر في التحرك. التالي هو التحكم في السرعة ، والأعلى هو التحكم الموضعي ، المناورات للتحرك إلى نقطة أو التحرك على طول مسار معين.

أولئك الذين يرغبون في البرمجة والبناء وطائرات التحكم بدون طيار - يجب الانتباه إلى الطيار الآلي مفتوح المصدر PIX4. هناك مجتمع كامل حول الروبوتات الجوية (ROS - نظام التشغيل الآلي ، أو الروبوتات المفتوحة) ، وهناك أجهزة محاكاة للطائرات بدون طيار. لذلك ، يمكن إجراء العديد من التجارب في جهاز المحاكاة دون الحاجة إلى وجود الطائرة نفسها.

مراحل تطور الطائرات بدون طيار

يبدأ الباحثون بمفهومالنمذجة ، ثم يحتاجون إلى بناء نموذج دقيق للجهاز. بدون الخوض في الصيغة ، نموذج المروحية هو في الأساس نموذج جسم صلب. هذا هو قانون نيوتن الثاني الذي يمتد ليشمل أنظمة الجسيمات. لديها حركة انتقالية ودورانية ، وهناك حركيات وديناميكيات حركة ، ومن أجل وصف نموذج لجهاز معين ، يجب أن نضيف هنا معادلة القوى التي تعمل على طائرة بدون طيار معينة.

كيف تصمم الطائرات بدون طيار

الخطوة التالية هي تطوير النظامإدارة. إذا ذهبنا بالطريقة الكلاسيكية: أولاً نكتشف النموذج الرياضي الدقيق ، وعلى أساسه ، نقوم بالفعل بتجميع خوارزمية التحكم أو الصيغ الجديدة. يمكن تضمين جميع المستويات في نظام التحكم: تخطيط الحركة ، وإدراك البيئة ، وتقدير الحالة بمساعدة أجهزة الاستشعار. تسمح لنا الخوارزميات بتحسين إحداثياتنا وبياناتنا.

نظام التحكم في الطائرات بدون طيار

عندما تكون هناك خوارزمية تحكم ، يمكن أن تكون على الفورتطبيق ، ولكن القيام بذلك مكلف للغاية. تقع الأجهزة عند أدنى خطأ - يجب أن يؤخذ ذلك في الاعتبار ويجب عمل نسخ احتياطية. تستخدم المحاكيات للاختبار.

فيما يلي جولة افتراضية في إنوبوليسهو منتج من جامعتنا ، وهو متاح للتنزيل على GitHub. هذا ليس فقط مكونًا مرئيًا ، ولكنه أيضًا بيانات جميع أجهزة استشعار الجهاز. يحتوي على جميع مستشعرات الموضع ، ويتم التحكم فيه مثل طائرة بدون طيار ويمكنه تصحيح جميع خوارزميات التحكم.

كيف تتعلم الطائرات بدون طيار في المحاكاة

عندما يظهر بناء على الخبرة مع جهاز المحاكاةمزيد من الثقة - يمكنك الانتقال إلى تطبيق الأجهزة. تظهر مكوناته هنا: تصنيع الجهاز من الكربون والمركب ، وإنشاء الإلكترونيات ، ووضع المحركات ، وربطها.

الاختبارات لا تبدأ في الشارع:أولاً ، يتم اختبار الأجهزة على تعليق أو حامل خاص. عليها ، يمكنك تصحيح عناصر أداء مركبة جوية بدون طيار. على سبيل المثال ، يتم عرض طائرة VTOL هنا - هذا مزيج من مروحية وطائرة ، في الفيديو يمكنك أن ترى كيف تتكيف مع الاضطرابات الخارجية وتحمل الزاوية. على اليمين توجد تجربة مجنونة إلى حد ما حيث يتم تشغيل خمسة محركات في نفس الوقت ونرى كيف يتواءم نظام التحكم معها.

كيف تصنع الطائرات بدون طيار

بعد الاختبار ، ينتقلون إلى الرحلات الجوية -إقلاع صغير بسرعات منخفضة ، وحركة محكومة مع طيار يمكنه التحكم. الوتر الأخير هو رحلة بدون طيار تمامًا.

الجهاز ينطلق عموديا -"بطريقة المروحية" ، ثم يتم تشغيل المحرك الرئيسي ، وتسارع الطائرة بدون طيار ، وتنتقل إلى وضع الطائرة ، وتطور سرعة كافية لتشغيل الجناح. ثم يتم إيقاف تشغيل مسامير الكنتور ، وهي تطير مثل الطائرة - تتم عملية الهبوط بترتيب عكسي.

ما الذي يحدث مع الطائرات بدون طيار

واحدة من المهام الحديثةالعلماء - تجاوز العقبات في الرحلة. تعرف بعض الطائرات بدون طيار بالفعل كيفية القيام بذلك ، لكن المهمة أوسع قليلاً - تحتاج إلى تعليم الأجهزة التحرك بأسرع ما يمكن في بيئة بها عوائق. ولا يزال هناك مجال للسعي وتحسين الخوارزميات.

مثال آخر على هذا الاختبار هو رحلة إلىغابة. هناك طريقة شيقة للغاية - لا يتم استخدام خوارزميات جديدة هنا فحسب ، بل تستخدم أيضًا أجهزة استشعار - كاميرا أحداث. هذه كاميرا عالية التردد تنقل الفرق بين الإطارات في كل وحدة زمنية: وهذا يسمح لك بالتحكم السريع والتفاعل مع العوائق.

في مجال تخطيط حركة الطائرات بدون طيار ،المنافسة: من سيفعل ذلك بشكل أسرع. تتمثل المهمة في رسم خريطة لمنطقة غير معروفة ، وبناء تمثيلها ثلاثي الأبعاد ، والعثور على كائنات عليها. لقد سافرنا إلى الجامعة ، ولكننا حللنا أيضًا مشكلة العثور على الأشياء. كانت نتائجنا أفضل حتى من الخوارزميات المنشورة المعروفة.

هناك مسابقات في سباق الطائرات بدون طيار.يتم تصنيعها على أجهزة بها كاميرا ، عندما يكون لدى الطيار نظارات واقية ويتحكم في الطائرة بدون طيار ليطير عبر البوابة في أسرع وقت ممكن. إنه حدث مذهل تمامًا ، حيث يجب تنفيذ نفس المهمة في الوضع التلقائي. لسوء الحظ ، تمكن الكمبيوتر حتى الآن من هزيمة شخص في لعبة الشطرنج فقط ، ولم يتمكن الروبوت بدون طيار من تجاوز طيار بشري ، على الرغم من أن التقدم خطير بالفعل. يمكن للطائرة بدون طيار بمساعدة خوارزمية الرؤية الآلية أداء مثل هذه المهام ، والعمل فقط لزيادة السرعة.

منافسة أخرى هي Microsoft Games ofالطائرات بدون طيار ، يتم تنفيذها في جهاز محاكاة. في نفس المنطقة ، تقام إحدى المسابقات الرائدة الشهيرة في المملكة العربية السعودية. يتم تجنيد المشاركين هناك لمدة ثلاث سنوات مقدمًا.

تستخدم الطائرات بدون طيار في عروض الطائرات بدون طيارهذه أحداث مذهلة أصبحت اليوم بديلاً للألعاب النارية. لكن هذا ليس التطبيق الجماعي الوحيد - يمكنهم فحص مساحة كبيرة.

حيث تنطبق

بحيث لا يبدو علميًا حصريًاالتطوير ، أدناه عرض توضيحي لطائرة Skydio بدون طيار. الآن هذا هو الجهاز الأكثر تقدمًا من حيث الاستقلالية. هذا مثال على كيفية استخدام التقنيات الحديثة - رسم الخرائط وتجنب العقبات وتخطيط حركة المرور معًا في منتج متاح بالفعل للمستخدم.

اتجاه آخر هو التصاميم الجديدة.الطائرات. واحدة منهم هي طائرات بدون طيار قابلة للطي. يمكن أن يطير أحد هذه الأجهزة في أماكن ضيقة لفحصه بعد وقوع حادث. مثال آخر هو طائرة بدون طيار يمكن أن تطوي. على سبيل المثال ، يمكنه الطيران من أنبوب هوائي ضيق والاستمرار في الطيران في الوضع العادي.

لدينا أيضًا مشروع في هذا المجال - هذا هولينة Tensodrone. هذه هي أول طائرة بدون طيار ذات قشرة ناعمة تطير. من دواعي سروري أنه يمكنك إسقاطه وسيظل كما هو. بالإضافة إلى ذلك ، يمكنك تغيير طول الحزم وتوتر الكابلات.

مثالان ستظهران في الحياةهكذا. أولا ، تسليم الطائرات بدون طيار. يوجد الآن تطبيق مثير للاهتمام عندما نجمع بين مكتب بريد ومحطة هبوط للطائرات بدون طيار - في هذه الحالة ، لا داعي للقلق بشأن موعد وصول الطائرة بدون طيار ، وأين تجلس ، حتى نصل إليها في الوقت المحدد ، اختر فوق الحمولة قبل أن تتم سرقتها. المثال الثاني هو التاكسي الطائر. هذه هي منطقة التطوير الأكثر إثارة للإعجاب ، وهناك بالفعل نماذج أولية تعمل. لكن هذا لن يحدث إلا في العقد القادم.

ما هي التطورات في مجال سيارات الأجرة الطائرة التي ظهرت خلال السنوات الست الماضية:

- قدمت شركة "Hover" جهازاً بهمحرك كهربائي منخفض الضوضاء وأبعاد مدمجة - مثل السيارة. تقلع إلى ارتفاع 150 مترًا وتهبط في ساحة انتظار قياسية. تم تصميم الطائرة بدون طيار لراكبين ، وأقصى حمولتها 300 كجم ، وسرعتها 200 كم / ساعة.

- في عام 2016 ، شركة Hoversurf الروسيةأظهر دراجة هوفر يمكنك حملها معك والإقلاع في أي وقت من مكان وقوف عادي في المدينة. تصل سرعتها إلى 100 كم / ساعة ، ويقتصر ارتفاع الرفع على 5 أمتار لأسباب تتعلق بالسلامة.

- في عام 2018 ، طورتها شركة إيرباص للركابصعدت طائرة Alpha One VTOL إلى ارتفاع 5 أمتار وبقيت في الهواء لمدة 53 ثانية. سيتمكن المستخدم من الاتصال بالطائرة بدون طيار من خلال التطبيق والانتقال من نقطة إلى أخرى داخل المدينة وخارجها.

- في عام 2020 ، صنعت CityAirbus تاكسي جويأول رحلة مجانية. تم الاختبار في إحدى ضواحي باريس بمدينة إيل دو فرانس ، حيث يمكن لطائرة CityAirbus التحرك بسرعة تصل إلى 120 كم / ساعة لمسافة تصل إلى 30 كم. يبلغ وزن التاكسي الطائر أكثر من 2.2 طن ، وتم تجهيز CityAirbus بثلاثة مقاعد للركاب ومقعد واحد للسائق.

- في عام 2022 ، قدمت شركة Pantuo Aviation الصينية الناشئة T1 ، وهي سيارة أجرة متظاهرة مع مجرى هواء. سوف تطير بسرعة تزيد عن 300 كم / ساعة ويبلغ مداها 250 كم.

قراءة المزيد:

طار المسبار الفضائي على بعد 200 كيلومتر من عطارد. انظروا الى ما رآه

كشف العلماء كيف تؤثر الفيتامينات على الإصابة بالسرطان

تُصدر خوذة قراءة الأفكار الصينية ناقوس الخطر عندما يرى الشخص محتوى إباحيًا