آموزش آیرودینامیک پرواز پهپاد

فرض کنید که پهباد شما صداهای آزار دهنده(نویز) تولید می کند. آیا علت آن را می دانید؟ علتش موتورهای BLDC و ملخها هستند، درست است؟ اما از نظر تئوری، پهبادها نباید چنین نویزهای بلندی را ایجاد کنند. می توانید تصور کنید علتش چیست علتش استفاده ی مناسب از آیرودینامیک در درون یک پهباد است. برای تمام خلبانان پهباد، ضروری است که با فیزیک پرواز پهباد آشنا باشند، زیرا اگر ما نتوانیم بر هوا تسلط یابیم، پهباد ما نمی تواند به درستی پرواز کند. برای گرفتن یک ایده ی کلی در این زمینه که چگونه هوا توسط ملخ های پهباد تحت تاثیر قرار می گیرد، به تصویر زیر نگاه کنید. این تصویر از سایت ناسا گرفته شده است. آنها این آیرودینامیک را از طریق کامپیوترها شبیه سازی کرده اند.

بنابراین اساساً یک پهباد ( به خصوص کوادکوپترها) دو جفت ملخ دارند(دو تا در جهت ساعتگرد و دوتا در جهت پادساعتگرد). سرعت هر موتور به طور جداگانه کنترل می شود تا حرکت پهباد کنترل شود. ما نیاز داریم تا در مورد دو چیز برای پرواز پهباد فکر کنیم، گشتاور(torque) و رانش(thrust). اما این دو، چه هستند؟ گشتاور چیزی نیست جز نیروی پیچش( twisting force) که تمایل دارد باعث چرخش شود. به طور جایگزین می توانیم بگوییم که در فیزیک، به توانایی چرخش یک شیء به دور یک محور ثابت، گشتاور گفته می شود. گشتاور(Torque) با نماد t مخفف Tau نشان داده می شود. از نظر ریاضی، گشتاور ضرب برداری نیرو(F) و فاصله ی(r) محور است. بنابراین می توانیم بنویسیم:

یا

به طوری که θ زاویه ی بین بردار نیرو و بردار فاصله از مرکز محور است. بعداً در مورد گشتاور بیشتر توضیح خواهیم داد. اکنون اجازه دهید در مورد رانش(thrust) صحبت کنیم. رانش یعنی فشار دادن ناگهانی یا با نیروی محرکه(propulsive force) به چیزی. در فیزیک، رانش به صورت نیروی رو به جلو، تعریف می شود که شیء را وادار می کند تا سریع تر حرکت کند یا در جهت از قبل تعیین شده، نگه داشته شود. از نظر ریاضی، رانش، از ضرب فشار(p) و سطح(A) به دست می آید.

 بنابراین می توانیم بگوییم که رانش برابر است با:

Thrust = P x A

ما برای کنترل پهباد از یک برد کنترل کوچک استفاده می کنیم. این برد کنترل چندین سنسور دارد که چند سیگنال ضروری برای حرکت دادن ملخ ها با سرعت مناسب و در جهت صحیح را ارائه می دهند. در درون این برد کنترل، یک ژیروسکوپ و یک شتاب سنج وجود دارد که اطلاعات جهت یابی پهباد را به ما ارائه می دهند.

 گیرنده ی RC از فرستنده ی RC یک سیگنال دریافت می کند و آن را به میکروکنترلر برد کنترل ارسال می کند و سپس ESC های متصل شده به میکروکنترلر کنترل می شوند و سرعت مناسب را ارائه می دهند. در تصویر زیر نیروها و حرکت کوادکوپتر نشان داده شده است:

 از نظر ریاضی، رانش(T) با مربع سرعت زاویه ای ملخ ها(w) متناسب است. رانش عمود بر جهت Z از پهباد است. بنابراین می توانیم بنویسیم:

 یا

 به طوری که K_a  یک ثابت است. چون که ملخ ها می چرخند و یک رانش در جهت Z ایجاد می کند، باید یک نیروی مخالف در پهباد وجود داشته باشد.

فرض کنید حرکت(movement) برابر با M_i باشد.که همچنین برابر با سمت راست معادله ی بالا است. بنابراین به طوری که K_b یک ثابت است. ما از ثابت های متفاوتی استفاده کردیم زیرا این نیرو ممکن است به علت اصطکاک ذرات هوا یا گرد و خاک  کمی کاهش یا افزایش یابد. جفت ملخ های مخالف، M_x و M_y هستند. طبق مفهوم حرکات(movements)، اگر  فاصله ی مرکز پهپاد و یک ملخ l باشد، ما می توانیم معادلات زیر را بنویسیم:

 وزن پهباد است. وزن همواره در جهت کوادکوپتر عمل می کند. ما از قانون دوم حرکت نیوتون می دانیم:

 گشتاور(torque) می تواند با کمک لَختی(اینرسی یا inertia) به صورت زیر تعریف شود:

 {module کمک نقدی به نویسنده}