پهپادهای مولتی روتور، کمک رسان انسان در همه زمینه ها

پهپاد یکی از لغت هایی است که در چند سال اخیر در زمینه های مختلفی به گوش می رسد. اما اینکه این لغت به چه وسیله ای اطلاق می شود و یا دقیقا چه کاربردی دارد، شاید همچنان در ابهام است. پرنده ی هدایت پذیر از دور یا به اختصار (پهپاد) یک وسیله هوایی است که بدون داشتن خلبان انسانی مستقر بر روی آن، یعنی از دور یا به صورت خودکار قابل هدایت باشد. در واقع پهپاد یک سازه هوافضایی و معادل فارسی شده ی عبارت Unmaned Aerial vehicle (UAV) است.

اگرچه این وسیله از خانواده ی پرنده ها  و به نوعی یک محصول دانش هوافضا حساب می آید، اما بدون حضور مهندسین مکانیک، برق، کامپیوتر، مواد و ... طراحی، ساخت و بهره برداری از پهپادها، تقریبا غیر ممکن است.

پهپادها انواع گوناگونی دارند که برای کاربردهای متفاوت مورد استفاده قرار می گیرند. اگر از نظر نوع عملکرد در پرواز به دسته بندی آن ها بپردازیم، دو نوع از پهپادهای رایج و پرکاربرد، هواپیماهای بدون سرنشین بال ثابت و مولتی روتورها هستند. در این مقاله به نوع مولتی روتور پرداخته می شود.

تعریف مولتی روتور       

مولتی روتور یا مولتی­کوپتر (multirotor or multicopter) یک نوع پرنده بدون سرنشین است که بیش از دو روتور دارد. نحوه برخاست و پرواز این پرنده ها مشابه هلی کوپتر از طریق چرخش روتورها و در نتیجه چرخش پره های متصل به آن هاست.مولتی روتور ها براساس تعداد روتور نام­گذاری می­شوند. به طور مثال مولتی روتور با سه روتور tricopter نام دارد و به همین روش مولتی روتورهای با 4 و 8 روتور به ترتیب، quadcopter و hexacopter . بنابراین کوادکوپتر یا کوادروتور (Quadcopter or Quadrotor) درواقع زیر مجموعه­ای از مولتی روتوراست که به دلیل کمک گرفتن از چهار پروانه برای نیروی پیشرانش، به عنوان کواد (چهار) کوپتر نامیده می‌شود.

کوادکوپترها به دلیل داشتن قدرت مانور فوق‌العاده و پروازهایی با تعادل بالا از کاربردهای بسیار گسترده­ای برخوردارند، به همین دلیل درسال ‌های اخیر توجه شرکت ‌ها، دانشگاه ‌ها و مراکز تحقیقاتی بیش از پیش به این نوع از پهپادها جلب شده‌است و لذا روزانه پیشرفت چشم گیری در امکانات و پرواز این نوع از پرنده‌ها مشاهده می‌کنیم.

اجزای مولتی روتور

بدنه

بدنه (سازه، قاب، فریم) برای مولتی روتور از نظر سایز، جنس­ ، وزن و طراحی چیدمان اهمیت زیادی دارد. در انتخاب جنس بدنه همواره دو فاکتور سبکی و استحکام اهمیت دارند. در واقع در جایگاه طراح به دنبال بدنه­ای سبک هستیم چون در صورت بالا رفتن وزن مجبور به استفاده از موتورهای قوی تر و ملخ­های بلندتر می­شویم و در عین حال بدنه باید استحکام لازم برای پرواز و تحمل وزن سایر اجزا را داشته باشد. پس جنسی مناسب ساخت بدنه است که بین این دو فاکتور تعادل برقرار کند. آلومینیوم، چوب، فیبرکربن، فوم، فایبرگلس و ...... موادی هستند که معمولا برای ساخت بدنه استفاده می­شوند.

از نظر طراحی چیدمان، بدنه ی مولتی روتور ها اغلب در 3 نوع رایج به شرح زیرطراحی و ساخته می­شوند. بدنه نوع X با ویژگی های وزن کم، پایداری زیاد، طراحی متقارن ، فاصله برابر موتورها از سیستم کنترل پرواز. بدنه نوع H با ویژگی های وزن زیاد و استحکام بالا. در این چینش موتورهای عقب وجلو، نسبت به موتورهای طرفین، به یکدیگر نزدیکتر هستند. به همین دلیل نیروی لازم برای چرخش pitch بیشتر از نیروی لازم برای چرخش roll می­باشد

موتور

نیروی پیشران مولتی روتورها از طریق، موتورهای الکتریکی تامین می شود. موتورهای الکتریکی انواع متفاوتی دارند. یکی از ویژگی های دسته بندی موتورها، وجود یا عدم وجود جاروبک یا براش (brush) است.

موتور براش (Brushed motor)

در ساختار این موتورها، آهنربا ثابت و سیم پیچ ها متحرک هستند و قطعه ای بنام برس یا براش وظیفه تقسیم ولتاژ را انجام می دهد.

موتورهای کورلس(coreless)

نوع خاصی از موتورهای DC دارای براش هستند که روتور آن­ها بدون هسته آهنی ساخته شده و می­تواند شتاب بالایی را تولید کند. موتورهای کورلس به دلیل نحوه کار آسان و قیمت ارزان، از محبوبیت خاصی در بین کاربران و سازندگان کوادروتور برخوردار هستند. البته این موتور فقط برای کوادروتورهای کوچک و با قابلیت­های پایین کاربرد دارد.

موتور براشلس(Brushless motor)

موتورهای براشلس با همان اصل مورد استفاده در موتورهای معمولی کار می­کنند، با این تفاوت که در این موتورها، سیم­پیچ ثابت بوده و آهنرباها می­چرخند. براشلس ها نسبت توان به وزن بسیار بالاتری دارند، به همین غیر از کوادکوپترهای سایز کوچک، برای سایر مولتی روتورها، اصلی گزینه هستند. از آنجائی که سیم­پیچ در این موتورها ساکن است، نیازی به برس ­ها نیست. کار تقسیم ولتاژ بین سیم­پیچ­ ها را کنترل کننده سرعت یا همان اسپیدکنترل (Electronic Speed Control= ESC) انجام می­ دهد.  

ESC مخفف Electronic Speed Control می باشد و به معنای کنترل سرعت به صورت الکترونیکی است. به بیان ساده اسپید کنترل درایور موتور براشلس است که جریان را از باتری گرفته و به صورت الکترونیکی به موتورها تغذیه می کند.

ملخ

 ملخ یا پیشران وسیله ‌است که برای تبدیل نیروی مکانیکی به نیروی رانش  استفاده می‌شود. نیروی رانش لازم را از به حرکت درآوردن هوا یا آب فراهم می‌شود. یک ملخ از دو یا چند تیغه (پره)­ ی تاب ‌خورده تشکیل می‌شود.

در مورد ملخ، 3 ویژگی اهمیت دارد:

• قطر ملخ: فاصله­ی بین دو سر ملخ قطر ملخ نام دارد.
• گام ملخ: مسافتی که یک ملخ در طی یک دور چرخش می­پیماید را گام ملخ می­نامند.
• تعداد پره­ها: افزایش تعداد پره­های ملخ مقدار تراست را افزایش می­دهد اما در کل بهره را کاهش خواهد داد؛ همان اتفاقی که در ملخ بلندتر روی می­ دهد. در واقع با افزایش پره ­ها مجبور نیستیم طول ملخ را زیاد کنیم.

سیستم کنترل پرواز(Flight controller)

در تعریف ساده مجموعه‌ ی نرم ‌افزارها و سخت ‌افزارهایی که به کنترل کردن پرنده کمک می ‌کنند.

مانند naze، pixhawk، apm، multiwii

میکروکنترلر Micro controller

کاربردها

عکاسی و فیلم برداری

بیشترین و عمومی ترین کاربردی که از مولتی روتور ها یا به طور کلی پهپادها دیده می شود. عکس برداری و فیلم برداری است که همین عکس برداری می تواند از کاربری های ساده مثل مراسم ها و تشریفات تا نقشه برداری

کشاورزی

یکی دیگر از کاربردهای مولتی روتورها در صنایع کشاورزی است، آبیاری مزارع، سم پاشی، دیده بانی محصولات و ......  از جمله این کاربری است.

نظامی

از موارد دیگری که پهپادها به کمک نیروی انسانی آمده است، موقعیت های نظامی است که از به دست آوردن اطلاعات تصویری و صوتی به وسیله ریزپرنده ها انجام می شود گرفته تا مرزبانی های گسترده را شامل می شود.

آتش نشانی

رساندن آب به تمام محل های درگیر آتش از مراحل پیچیده و سخت کار آتش نشان ها است. امروزه مولتی روتورها به کمک آتش نشان ها آمده اند تا با کمترین آسیب به افراد، عمل اطفاء حریق انجام شود.

امداد و نجات

امدادرسانی درشرایط خطر همیشه یکی از دغدغه های انسان ها بوده است. ورود به محل های غیرقابل دسترس برای انسان ها یکی از ویژگی های جالب پهپادها است.

کنترل ترافیک

برای بررسی و رصد میزان ترافیک در سطح معابر به بزرگراه، نیروی انسانی، زمان و هزینه زیادی صرف می شود. پهپادها با پرواز بر فراز این معابر و عکس برداری و فیلم برداری می توانند در کنترل ترافیک به پلیس راهنمایی و رانندگی کمک کنند.

حمل بار

یکی دیگر از موقعیت هایی که مولتی روتورها به رفع نیازهای انسان ها کمک کرده اند، انجام حمل بار است. در مجموع در با در نظر گرفتن همه ی این کارکردها، پهپادها ، و به طور خاص نوع رایج مولتی روتور، مانند همه دست سازه های بشر، با هدف خدمت به انسان ها و طبیعت و بهبود کیفیت زندگی ، طراحی و تولید می شود. هرچند گاهی کاربردهای منفی نیز دارد.

جمع بندی 

در مجموع در با در نظر گرفتن همه ی این کارکردها، پهپادها ، و به طور خاص نوع رایج مولتی روتور، مانند همه دست سازه های بشر، با هدف خدمت به انسان ها و طبیعت و بهبود کیفیت زندگی ، طراحی و تولید می شود. هرچند گاهی کاربردهای منفی نیز دارد.

نویسنده: ستاره دهقان، کارشناس دپارتمان هوافضا گروه آموزشی پارس پژوهان