OSHE Cinematography Quadcopter/Concept design/ar

تصميم المفهوم/الاختيار

عمليات النظام

لتحديد المعلمات المثلى للطائرة الرباعية المروحية، يجب تحليل النظام ككل لتحديد العمليات التي سيختبرها. يوضح الشكل 1 أدناه مخططًا كتليًا لنظام الطائرة الرباعية المروحية، موضحًا كيفية ارتباط كل مدخل ومكون ببعضهما البعض. يوضح هذا المخطط أيضًا كيفية حساب العملية من مدخلات المستخدم، لإنتاج الدفع كمخرج للنظام. يبدأ المستخدم بإدخال البيانات باستخدام جهاز الإرسال، المرتبط بجهاز الاستقبال في الطائرة الرباعية المروحية. يترجم هذا المستقبل البيانات التي قدمها المستخدم ويرسلها إلى Arduino. بالاقتران مع بيانات المستخدم، تحسب وحدة قياس القصور الذاتي (IMU) موضع الطائرة الرباعية المروحية في الفضاء لتحديد ما إذا كانت المدخلات الآلية ضرورية للحفاظ على استقرار النظام، بينما تزود البطارية الطاقة لمختلف المكونات. بعد حساب البيانات المدخلة بواسطة برنامجي Arduino وMultiWii، ترسل وحدة قياس القصور الذاتي (IMU) بيانات الإخراج إلى المحركات الأربعة ووحدات التحكم الإلكترونية (ESCs) لإنتاج المقدار الصحيح من الدفع. قد تختلف قوة الدفع هذه باختلاف المحرك، إذ قد يُنتج أحد المحركات قوة دفع أكبر من المحركات الثلاثة الأخرى لإمالة الطائرة الرباعية المروحية أو تدويرها في اتجاه معين. كما يمكن للمستخدم تحديد ما إذا كان سيتم تسجيل الفيديو أم لا، حيث يُرسل هذا الأمر إلى لوحة أردوينو، ويُعاد توجيهه إلى وحدة الكاميرا، ويُشغّل الفيديو أو يُوقفه، ثم يُحفظ على بطاقة SD المدمجة.

حجم وشكل

لتصميم طائرة رباعية المراوح، هناك عوامل متعددة يجب مراعاتها قبل بدء عملية التصميم. العامل الأول هو حجم الطائرة، حيث تتوفر بأحجام مختلفة تتراوح من 4 بوصات إلى أحجام أكبر من 12 بوصة. ونظرًا لمتطلبات هذا المشروع وضرورة حمل حمولة إضافية، يلزم استخدام طائرة رباعية مروحية أكبر حجمًا لأنها ستُنتج قوة دفع أكبر لرفع الحمولة الإضافية. ولأننا نستخدم محركات Emax MT2213 935KV، فإن الشركة المصنعة تُقدم مخططًا لأقصى قوة دفع يُمكن أن يُنتجها كل محرك، وذلك حسب حجم المروحة، والتي تكون إما 8 بوصات أو 10 بوصات. يُمكن الاطلاع على هذه الحسابات أدناه في الشكل 2، حيث استُخدمت مروحة 1045 في هذا المشروع نظرًا لأقصى قوة دفع أكبر. تم اختيار هذه المحركات لأنها توفر كمية كبيرة من الطاقة عند إقرانها بـ 30A ESC كما هو موضح في الملحق 1 والشكل 2. يجب أن تكون المحركات قوية لهذه الطائرة الرباعية المروحية من أجل حمل أي حمولة إضافية يقوم المستخدم بتثبيتها عليها، وتلبي محركات 935 كيلو فولت هذا المطلب.

بالنظر إلى هذا الرسم البياني، توجد قيم دفع متعددة مختلفة لمروحة 1045. لتحديد القيمة القصوى، يتم استخدام أكبر تيار لمحاكاة المحركات عند الخانق الكامل، مما ينتج عنه دفع أقصى يبلغ 670 جرامًا لكل محرك. ونظرًا لأن هذه طائرة رباعية المراوح تستخدم 4 محركات، فإن الدفع الإجمالي الذي يمكن أن تنتجه الطائرة الرباعية المراوح هو 2680 جرامًا، وهو ضعف الوزن الإجمالي للإطار والمكونات والحمولة. وقد تم استخدام هذه القيمة كأحد معايير التصميم، حيث يجب أن يكون الوزن الإجمالي للطائرة الرباعية المراوح ومكوناتها أقل من هذه القيمة لضمان إمكانية حمل حمولة إضافية، حيث يجب أن تكون نسبة الدفع إلى الوزن أكبر من واحد بناءً على المعادلة أدناه ^2. والقيمة المثلى لنسبة الدفع إلى الوزن هي 2، حيث تسمح هذه القيمة للطائرة الرباعية المراوح بالتحليق بنصف الخانق. وهذا يعني أن الطائرة الرباعية المراوح سوف تكون قادرة على التسارع من وضع التحليق لاكتساب أو فقدان الارتفاع، حيث أن نسبة الدفع إلى الوزن التي تقل عن 2 سوف تحد من التسارع وربما تمنع أي اكتساب في الارتفاع.

خلوص المروحة

لأننا نستخدم مروحة 1045، كما هو موضح في الشكل 3، يجب أن يستوعب الإطار قطرًا يبلغ 10 بوصات عند طرف كل ذراع دون تداخل مع المكونات الأخرى. هذا أمر بالغ الأهمية، لأن أي تداخل سيتسبب في تلف كل من الإطار والمكونات المثبتة عليه. وللالتزام بجميع متطلبات هذا المشروع، ستتداخل المراوح بشكل وثيق مع الجسم المركزي للطائرة الرباعية المروحية، مما سيقلل الحجم والوزن الإجماليين بشكل أكبر، مما يسمح بحمل حمولة أثقل. ونظرًا لتركيب المحركات بشكل ثابت على الإطار، يمكن الحفاظ على هذا التسامح الضيق، حيث لن تتحرك المحركات أو تتذبذب أثناء مناورات دواسة الوقود الكاملة.

يؤثر شكل تصميم الإطار أيضًا على خلوص المراوح. إذا كان الإطار صغيرًا جدًا، فسوف تتداخل المراوح مع بعضها البعض أثناء التشغيل. لذلك، يجب الحفاظ على مسافة لا تقل عن 10 بوصات بين محور دوران المراوح والمحركات، بينما يلزم وجود مسافة أكبر لاستيعاب لوحة أردوينو والمكونات الإضافية في مركز الطائرة الرباعية. بناءً على البحث الوارد في المراجع ونتائج البحث في نهاية هذا التقرير، ثبت أن تصميم الإطار المربع المتقاطع مثالي، إذ يزيد من المساحة في مركز الطائرة الرباعية ويغني عن مكونات ثبات إضافية. كما أن الثبات الهيكلي الناتج عن تصميم إطار مربع متقاطع أعلى بكثير من تصميم طائرة رباعية هجينة على شكل حرف X، حيث تكون مساحة الطائرة الرباعية مستطيلة الشكل مقارنةً بالمربع في حالة تصميم الإطار المربع المتقاطع ( ^1-3،5،7) .

الحماية

يجب أن تكون الطائرة الرباعية المروحية مقاومة للماء وفقًا للمتطلبات المذكورة سابقًا. ولتحقيق ذلك، تُوضع لوحة أردوينو، ووحدة الاستقبال، ووحدة قياس القصور الذاتي (IMU)، ووحدات التحكم الإلكترونية (ESCs)، ولوحة الكاميرا تحت غطاء في منتصف الطائرة. هذا يحميها من التعرض للماء أثناء الهبوط أو الطيران في ظروف جوية مختلفة. يكون هذا الغطاء مخروطيًا بعض الشيء لتوفير مسافة دقيقة بين المراوح والمراوح أثناء الطيران.

الخيار النهائي لتصميم الحماية لهذه الطائرة الرباعية المروحية هو رفع الهيكل عن الأرض. يتم ذلك من خلال أقدام مثبتة أسفل المحركات. ستسمح هذه الأقدام للمستخدم بالإقلاع عندما تكون الأرض مبللة أو مغطاة بالحطام دون خطر إتلاف المكونات المتصلة بالطائرة الرباعية المروحية. توفر هذه الأقدام أيضًا غرضًا آخر حيث تتيح مساحة بين أسفل الهيكل والأرض لتركيب معدات وحمولات مختلفة. في هذا المشروع، تم تثبيت الكاميرا في أسفل الطائرة الرباعية المروحية ويتم تعليقها فوق الأرض بفضل استخدام هذه الأقدام في كل زاوية. نظرًا لأن بعض الحمولات ستكون أكبر من غيرها، سيتعين على المستخدم تغيير حجم هذه الأقدام بسهولة للتكيف مع السيناريوهات والأغراض المختلفة. توفر الأقدام أيضًا غرضًا ثانويًا حيث تمتص الكثير من الصدمات والقوة الناتجة عن الهبوط. يجب أن تكون الأقدام قادرة على الانحناء قليلاً أثناء الهبوط لتقليل الإزاحة في الأذرع ومنع فشل المكونات الأخرى للهيكل.

التحكم

سيتم التحكم بالطائرة الرباعية المروحية باستخدام لوحة Arduino Uno R3 باستخدام برنامج MultiWii مفتوح المصدر. يُمكن استخدام هذا البرنامج للتحكم في أي آلة جوية، وهو مصمم خصيصًا لتسهيل عملية الاستخدام. هذا البرنامج مفتوح المصدر، وقد طوره مجتمع المطورين، ويجري تطويره باستمرار ليشمل مكونات وميزات جديدة، مما يُتيح للمستخدمين المستقبليين إضافة معدات مختلفة بسهولة كحمولات. في هذا المشروع، أُضيفت حمولة الكاميرا كمدخل مساعد في الكود، ويمكن التحكم فيها باستخدام جهاز الإرسال المحمول لتسجيل الصور والفيديو.