آنچه درباره ربات های پرنده باید بدانیم!

آنچه باید در مورد ربات های پرنده بدانیم

به طور کلی ربات‌ پرنده تمامی پرنده‌های بدون سرنشین را در دسته خود جای می دهند، به طور مثال یک هواپیمای کنترلی میتواند نوعی ربات پرنده باشد و یا یک هلیکوپتر کنترلی اما از نظر بسیاری از کارشناس‌ها مولتی روتورها و کوادروتورها می‌توانند گزینه های نزدیکتری به نام ربات پرنده باشند، در هر صورت مدتهاست که در بک گراند ذهنی ما تعریف ربات نوعی ماشین است که به صورت هوشمند قابل برنامه ریزی است و میتواند در مصارف مختلف کاربرد داشته باشد به عبارتی ما ربات را خلق کرده ایم تا زندگی برایمان آسان تر شود. حال یک ربات پرنده ترکیبی از مکانیک پرواز – الکترونیک و کامپیوتر می‌باشد.

آنچه درباره ربات پرنده و عمود پروازها باید بدانیم

آنچه درباره ربات پرنده و عمود پروازها باید بدانیم

تعریف کوادروتور

کوادروتور یا کوادکوپتر یا پرنده چهار ملخه نوعی عمود پرواز است که در دسته بندی مولتی روتورها قرار میگیرد، بخاطر استفاده از چهار ملخ بصورت صلیبی لقب کواد 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 العاده‌ بالایی داشته باشد، این پرنده بر خلاف ظاهر ساده خود بسیار پیچیده است اما مشکل بزرگی که بر سر طراحی چنین پرنده‌هایی وجود دارد مسئله پایداری این نوع از پرنده هاست که کار بسیار پیچیده ای است، امروزه سیستمهای کنترل پراز با همان فلایت کنترل ها وظیفه پایداری و ایجاد نظم بین موتورهای دستگاه را بر عهده دارد، حال تصویر کنید فلایت کنترل وجود نداشت چه مشکلاتی میتوانست بوجود بیاید؟ در زیر به برخی از مشکلاتی که ممکن است تعادل پرنده را برهم بزند خواهیم پرداخت تا بیشتر با این معقوله آشنا شوید.

مواردی که باعث بر هم خوردن تعادل کواد می گردد

  1. تغییر دور موتورها و عدم بالانس بوده ملخ ها:

    در یک ربات پرنده باید مشخصات و دور موتورها و همچنین توان مصرفی آنها کاملا با هم برابر باشد، در صورتی که یکی از این موارد رعایت نگردد و یا در اثر عوامل محیطی، موتور ربات به درستی کار نکند ازجمله اصطکاک متفاوت موتورها بخاطر کثیفی موتورها یا هم‌دور نبودن خود موتورها یا عدم همخوانی استپ‌های کنترل دور، باعث میشود تا تعادل پرنده برقرار نگردد و پرواز به درستی انجام نشود

  2. عدم تعادل وزنی پرنده:

    این مورد که بسیار شایع است ممکن است بخاطر عواملی همانند تغییر مرکز ثقل (CG) و یا نصب نا متقارن تجهیزات اصلی و یا فرعی مانند دوربینها و سنسورها و یا عوامل خارجی دیگر، در هر صورت برقرار نشدن مرکز ثقل پرنده مثلا جلوی پرنده سنگین یا سبک باشد باعث بر هم خوردن تعادل شده و پرواز را نا متعادل می سازد.

  3. عدم پایداری باد و شرایط جوی محیط:

    باد به تنهایی می‌تواند تعادل تمامی پرنده ها از جمله هواپیما و هلیکپتر را برهم بزند و کوادروتور هم جدا از این مسئله نیست. اما جریان باد میتواند جور دیگری هم بر پرواز ربات تاثیر گذار باشد، تاثیر باد ناشی از چرخش ملخ‌ها که شامل جریان گردابی ملخ‌ها و جریان برگشتی از سطح زمین می‌شود که بصورت نامتعادل به ملخها و بدنه پرنده برخورد کرده و باعث نا متعادل شدن پرنده می گردد.

کواد کوپتر از چهار ملخ که به صورت دو به دو بر خلاف جهت هم می‌گردند تشکیل شده است. دلیل اینکه حرکت موتورها بر خلاف یکدیگر است این است که بتوان تورک موتور (قدرت حرکت موتور به یک سمت) را خنثی کرد بدین ترتیب دو موتور کنار هم بر خلاف یکدیگر و دو موتور ربروی هم هم جهت با یکدیگر حرکت خواهند کرد.

این کار علاوه بر اینکه تورک موتور راخنثی میکند باعث برقراری تعادل دستگاه شده و نیروی گریز از مرکزی که ملخها در اثر چرخش تولید میکنند نیز خنثی می گردد.

معمولا برای بستن موتورها ۲ روش وجود دارد که به نامهای روش ایکس و روش پلاس معروف می باشند، به طور کلی باید مجموعه موتورهای دستگاه از نظر تعادل و نیروی گریز از مرکز باید همدیگر را خنثی نمایند برای درک بهتر این مطلب به تصاویر زیر دقت نمایید:

نحوه حرکت و فرامین ربات های پرنده:

برای حرکت پرنده در محور عمودی باید دور جفت موتورهای هم جهت که در یک راستا قرار دارند کمتر بشود و به همان مقدار دور جفت موتورهایی که جهت مخالف (روبرو) هم قرار دارند افزوده شود. این کار باعث می‌شود بدون تغییر ارتفاع نیروی عکس‌ العمل یک سمت از ربات پرنده نسبت به سمت دیگر بیشتر شده و در نتیجه پرنده در یک سمت حول محور عمودی خود چرخش میکند.

برای حرکت پرنده حول محور عرضی و طولی لازم است بین دو موتور هم‌ جهت یک تفاضل دور ایجاد نماییم، به این ترتیب یک سمت پرنده به سمت بالا رفته و طرف دیگر به سمت پایین میل پیدا می‌کند که این امر باعث انحراف 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 می‌گردد. برای تغییر ارتفاع هم فقط کافیست سرعت هر ۴ موتور با هم کم یا زیاد شود، همانطور که به صورت تئوری گفته شد کنترل یک مولتی روتور اصلا کار سخت یا پیچیده ای نیست و با تمرین و ممارست و مشاهده کلیپهای آموزشی به راحتی میتوان پرنده را تحت کنترل خود در بیاوریم.

اجزای تشکیل دهنده یک ربات پرنده

  1. موتور:

    موتور جزو اصلی و مهم یک ربات پرنده می باشد، در واقع نیروی لیفت و ایجاد قدرت لازم برای پرواز توسط موتورها تامین می گردد
    موتورهای الکتریکی انواع مختلفی همچون براش ، براشلس ، کرولس دارند اکثر کوادروتورهای پیشرفته از موتورهای براشلس برای حرکت استفاده می‌کنند. این نوع موتور‌ها بسیار کوچک ، سبک و پرقدرت می‌باشند. در موتورهای براشلس بخاطر عدم وجود جاروبک یا همان زغال، اصطکاک بسیار کم بوده و توان بالایی را ایجاد میکنند این موتورها در ۲ نوع اینرانر (قسمت داخلی موتور می‌چرخد) و اوترانر (قسمت خارجی یا پوسته می‌چرخد) تقسیم بندی می‌شوند که در کوادرو ها اکثرا از نوع اوترانر استفاده می‌شود.

  2. اسپید کنترل:

    وظیفه اصلی در ایجاد دور دلخواه به موتور را اسپید کنترل بر عهده دارد، درواقع اسپید کنترل 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 انجام می‌شود. اصول کلی کارکرد این قطعه بر اساس تولید نوسان که برق مستقیم را به صورت متناوب در می‌آورد نیز می‌باشد، در واقع اسپید کنترل قطب منفی و مثبت باتری DC را به جریان متناوب AC تبدیل میکند کاری که در موتورهای فشار قوی ۳ فاز انجام می گردد، و فازهای R S T را به صورت مصنوعی برای موتور ایجاد می نماید.

  3. ملخ:

    ملخ در مولتی روتور به عبارتی تنها بخش آیرودینامیکی ربات است که وظیفه شناور کردن دستگاه را در هوا برعهده دارد، از این رو انتخاب صحیح ملخ با توجه به دور موتور KV و همچنین قدرت موتور بسیار مهم می باشد، انتخاب یک ملخ صحیح و با کیفیت عالی علاوه بر اینکه در مصرف انرژی بسیار حائز اهمیت است، کیفیت پرواز دستگاه را نیز تعیین می نماید، اگر از ملخ های با کیفیت و بالانس شده استفاده نماییم بسیاری از مشکلات ویبریشن برطرف شده و به پروازی نرم و استیبل دست پیدا میکنیم. 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. بطور 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. ملخ‌ها از نظر متریالی 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، به طور کلی متریال استفاده شده در ساخت ملخ و کیفیت آن قیمت نهایی یک ملخ ایده آل را مشخص می سازد.

  4. باطری:

    وظیفه تامین انرژی برای پرواز بر عهده باتری است، امروزه با پیشرفت تکنولوژی و وارد شدن باتریهای لیتیومی دنیای الکترونیک بسیار متوحل شده است، دغدغه اصلی سازندگان وسایل پرنده الکتریکی تامین انرژی است. در گذشته‌ این امر تا حدودی غیر ممکن بود زیرا تکنولوژی ساخت باتری همانند امروزه نبود، البته با گذر زمان روز به روز تکنولوژی ساخت باتریها نیز افزایش پیدا میکند و در آینده ای نه چندان دور شاهد ورود باتریهای هیدروژنی خواهیم بود، با ورود و عرضه باطری‌های لیتیوم پلیمر یا همان لیپو دنیای پرنده های الکتریکی وارد مرحله جدیدی شد. چون باطری‌های لیپو با دارا بودن وزن کم-قدرت زیاد و قدرت تخلیه جریان بسیار بالا میزان ساعت پروازی و قدرتی پایدار را به پرنده های الکتریکی می‌دهند.

  5. شاسی یا بدنه:

    بدنه پرنده جزو مهمی از ساخت یک ربات پرنده می باشد که باید از مواد سبک وزن و مقاوم در ساخت آن استفاده کرد، امروزه فریم های متنوعی با متریال گوناگون به دنیای طراحی و ساخت رباتهای پرنده وارد شده اند، فریمهایی از جنس پلاستیک مقاوم گرفته تا آلیاژهای آلومینیوم و در موارد حرفه ای فریمهای کربنی با وزن بسیار کم و مقاومت بسیار بالا 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، که گزینه بسیار مناسبی جهت ساخت فریم می باشند.

  6. فلایت کنترل یا سیستم کنترل پرواز

    همانطور که اشاره شد جهت برقراری حفظ تعادل پرنده نیازمند یک سیستم مدیریتی قوی هستیم، بدین ترتیب آی سی های کنترل پرواز که نوعی پروسسور هوشمند می باشند با تکنولوژی ها و  قیمتهای متنوع پا به عرصه تولید پهباد و رباتهای پرنده گذاشتند، به فلایت کنترل اتوپایلوت نیز گفته می شود، این پروسسور تعادل و توازن را بین حرکت موتورها برقرار می نماید، اتوپایلوتها عموما از شتابسنجها – جایروها یا همان ژیروسکوپ‌ها و قطب‌نمای دیجیتالی و به صورت ۳ درجه آزادی و ۶ و ۹ و حتی ۱۲ درجه از آزادی تشکیل شده که هر چقد تعداد درجه های ازادی بیشتر باشه پرنده پایدارتر-حرفه ای تر و مسلما گران‌تر خواهد شد.
    شتاب‌سنج‌ها بر اساس نیروی 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.

در فلایت کنترل هایی که طراحی و ساخته می شوند انواع  اقسام سنسرهای مختلف در آنها قرار داده می شود و توسط سیستم عامل مربوطه برنامه ریزی شده و قابلیتهای متنوعی را در بر میگیرند، البته تمامی این سسنورها و آپشنها به قیمت نهایی فلایت کنترل اضافه میکند ولی در مجموع میتوان به جرات گفت که برای هر سلیقه و بودجه ای میتوان یک فلایت کنترل تهیه کرد و با آن یک ربات پرنده طراحی نمود.