حتما بارها و بارها نام کوادکوپتر (quadcopter) را شنیده‌اید و یا ممکن است مرتبا نام کوادروتور (quadrotor) به گوشتان خورده باشد و این سوالات را پرسیده باشید که کوادکوپتر چیست ؟ و یا به چه وسیله‌ای کوادروتور گفته می‌شود؟ یک کوادکوپتر چگونه کار می‌کند؟
قطعا پیش از این، پرواز یک هلیکوپتر را دیده‌اید که چگونه با چرخش ملخ اصلی به سمت بالا حرکت می‌کند.
کوادکوپترها نیز برای پرواز کردن خود از نیروی بالابرندگی چرخش ملخ‌ها استفاده می‌کنند، با این تفاوت که به جای یک ملخ چهار ملخ وظیفه تولید نیروی محرک به سمت بالا را برعهده دارند.
پیش از پرداختن به کوادکوپترها بد نیست نگاهی به دسته‌ای بزرگ‌تر یعنی روتورکرفت‌ها یا به فارسی هواگردهای بال متحرک بیاندازیم.
هواگرد بال متحرک یا روتورکرفت (rotorcraft) چیست؟
به طور خیلی خلاصه هواگردهای با بال متحرک که به آنها rotary-wing aircraft (تلفظ: روتاری وینگ ایرکرفت) یا به طور ساده‌تر rotorcraft (تلفظ: روتورکرفت) گفته می‌شود ماشین‌های پرنده‌ای هستند که برای بالا رفتن خود از نیروی بالابرندگی چرخش بال‌ها (ملخ‌ها) استفاده می‌کنند که به بال‌های آنها rotary wings (بال‌های چرخشی) یا به اصطلاح rotor blade (ملخ چرخان یا همان ملخ) نیز گفته می‌شود.
هلیکوپتر (بالگرد) مثال شناخته شده و معروفی از یک روتورکرفت یا هواگرد بال متحرک است. با این توصیف می‌توان کوادکوپترها را نیز در دسته هواگردهای بال متحرک جای داد.
تک روتور (single-rotor) یا چند روتور (multi-rotor)، مسئله این است!
روتورکرفت‌ها خود به دو دسته بزرگ multi-rotorها و single-rotorها تقسیم می‌شوند. درحالی که مشغول تماشای پرواز یک هلیکوپتر هستید در واقع پرواز یک single-rotor را مشاهده می‌کنید (single به معنای تک).
در single-rotorها تنها یک موتور اصلی وظیفه تامین نیروی بالابرندگی را به عهده دارد (در هلیکوپتر موتور دم نقش بالابرندگی نداشته و شمرده نمی‌شود). در مقابل، مولتی روتورها (multirotor) هستند که برای این کار از بیش از یک موتور استفاده می‌کنند (multi به معنی چند).
محبوبیت کوادکوپتر در بین مولتی روتورها
پیش از این دیدیم که کوادکوپترها به دسته روتورکرفت‌ها تعلق دارند، با این تعاریف می‌توان کمی‌دقیق‌تر شد و کوادکوپتر را که برای بالا رفتن از نیروی بالابرندگی ۴ موتور اصلی استفاده می‌کند در دسته مولتی روتورها جا داد.
کوادکوپتر (quadcopter) محبوب‌ترین و پرطرفدارترین مولتی روتور است، اما دسته مولتی روتورها تنها به کوادکوپتر ختم نمی‌شود و شامل bicopter (بی‌کوپتر – دو موتور اصلی تامین‌کننده نیروی بالابرندگی)، tricopter (تری‌کوپتر – سه موتور اصلی تامین‌کننده نیروی بالابرندگی)، pentacopter (پنتاکوپتر – پنج موتور اصلی تامین‌کننده نیروی بالابرندگی)، hexacopter (هگزاکوپتر – شش موتور اصلی تامین‌کننده نیروی بالابرندگی) و سرانجام octocopter (اکتاکوپتر – هشت موتور اصلی تامین‌کننده نیروی بالابرندگی) نیز می‌شود. در زیر تصویر تعدادی از مولتی روتورها که کاربرد بیشتری دارند نمایش داده شده است.
کوادروتور چیست؟
دیدیم که کوادکوپترها متعلق به دسته‌ای بزرگ یعنی مولتی روتورها هستند و مولتی روتورها نیز زیر دسته‌ای از روتورکرفت‌ها به حساب می‌آیند، اما یک کوادروتور(quadrotor) چیست؟ به چه ماشین پرنده‌ای کوادروتور گفته می‌شود؟
با توجه به تعاریفی که از ابتدا انجام شد می‌توان حدس زد که واژه‌ی روتور (rotor) به قسمت‌های چرخانی از ماشین پرنده که نیروی بالابرندگی ماشین را تامین می‌کنند اشاره می‌کند و آمدن واژه‌ی کواد (quad) در ابتدای واژه کوادروتور (quadrotor) نیز دلالت بر چهارتایی بودن روتورها دارد.
با این تفاسیر واژه کوادروتور که از ترکیب دو واژه کواد و روتور تشکیل شده است نیز دقیقا به همان وسیله‌ای اشاره می‌کند که پیش از این تحت عنوان کوادکوپتر معرفی شده بود، بنابراین کوادروتور و کوادکوپتر اگرچه در نوشتار متفاوت به نظر می‌آیند اما تفاوتی با یکدیگر نداشته و عینا یکسان هستند.
کوادکوپتر چگونه پرواز می‌کند؟
برخلاف بسیاری از ماشین‌های پرنده، کوادکوپتر به آسانی می‌تواند در هر سه محور اصلی حرکت کند، حرکت کوادکوپتر در هر سه محور بعلاوه چرخش آن حول محور عمودی با تغییر سرعت موتورهای آن انجام می‌شود.
برای اینکه کوادکوپتر بتواند ارتفاع خود را حفظ کند لازم است تا مجموع نیروی بالابرندگی چهار موتور کوادکوپتر ثابت باقی بماند. در شکل زیر هر چهار موتور با یک سرعت در حال چرخش هستند که باعث می‌شود کوادکوپتر بدون چرخش حول محور عمودی و تغییر ارتفاع در یک نقطه در هوا معلق و پایدار بماند.
کوادکوپتر چگونه در هوا بالا و پایین می‌رود؟
با افزایش سرعت چرخش تمام موتورها، کوادکوپتر در هوا بالا می‌رود. به شکل زیر دقت کنید (به ضخامت فلش‌ها دقت کنید).
برای کاهش ارتفاع نیز کافیست سرعت چرخش تمامی‌موتورها کم شود.
کوادکوپتر چگونه در هوا می‌چرخد؟
در هلیکوپترهای معمولی این موتور دم بود که با تغییر سرعت خود باعث چرخش هلیکوپتر در هوا می‌شد. در کوادکوپترها این مکانیزم توسط تغییر سرعت موتورهای هم جهت انجام می‌شود. به این صورت که دو موتور هم جهت سرعت خود را کم می‌کنند و دو موتور هم جهت دیگر به همان میزان سرعت حرکت خود را افزایش می‌دهند تا بدون تغییر در ارتفاع (چرا که مجموع نیروی بالابرندگی موتورها ثابت باقی مانده است)، کوادکوپتر به دور خود بچرخد.
در شکل زیر دو موتور ساعتگرد با افزایش سرعت خود باعث می‌شوند تا گشتاور ساعتگرد بیشتر شده و در نتیجه کوادکوپتر در خلاف جهت حرکت عقربه‌های ساعت چرخش کند (عکس‌العمل این گشتاور به کوادکوپتر وارد می‌شود و در خلاف جهت آن است – قانون سوم نیوتن!).
ارتفاع نیز به علت ثابت ماندن مجموع نیروی بالابرندگی موتورها تغییر نخواهد کرد.
کوادکوپتر چگونه به جهت‌های مختلف حرکت می‌کند؟
حرکت به جهت‌های جلو، عقب، چپ و راست نیز با برهم زدن تعادل کوادکوپتر صورت می‌گیرد. همانطور که دیدید برای جلوگیری از چرخش کوادکوپتر لازم است تا گشتاور چرخشی دو موتور ساعتگرد با گشتاور چرخشی ناشی از دو موتور پادساعتگرد برابر باشد، بنابراین برای حرکت به یک سمت بدون چرخش لازم است تا این دو گشتاور را برابر نگه داریم.
به شکل زیر که حرکت کوادکوپتر به سمت پایین را نمایش می‌دهد دقت کنید. در این حرکت برای بر هم زدن تعادل کوادکوپتر یکی از موتورهای ساعتگرد (موتور بالایی) سریعتر از ۳ موتور دیگر می‌چرخد و دو موتور پادساعتگرد نیز سرعت خود را بدون تغییر حفظ می‌کنند، برای جلوگیری از چرخش کوادکوپتر نیز لازم است تا موتور پایینی به همان میزان افزایش سرعت موتور بالایی سرعت خود را کاهش دهد تا گشتاور چرخشی موتورهای ساعتگرد و پادساعتگرد برابر باقی بمانند و یکدیگر را خنثی کنند (به ضخامت فلش‌ها دقت کنید).
با توجه به اینکه مجموع نیروی بالابرندگی چهار موتور ثابت باقی مانده است ارتفاع کوادکوپتر نیز در این حرکت تغییری نخواهد کرد.
هدایت کوادکوپتر
به جرات می‌توان گفت هدایت کوادکوپترها از تمام وسایلی که به هر نحوی می‌توانند پرواز کنند و در هوا معلق بمانند راحت‌تر است!
اضافه شدن قابلیت هدلس مود به کوادکوپترها هدایت آنها را به مراتب راحت‌تر از هلیکوپترها کرده است، به طوری که هر انسانی با هر رده سنی می‌تواند با کمی‌تمرین تبدیل به یک خلبان تمام و کمال کوادکوپتر شود.
یکی از مزیت‌های کوادکوپترها نسبت به هلیکوپترها و سایر ماشین‌های پرنده، تعادل خوب آنها در هنگام پرواز است. کوادکوپترها به دلیل ساختاری که در طراحی خود دارند بسیار بهتر از یک هلیکوپتر می‌توانند بدون نگرانی از برهم خوردن تعادلشان، وسایل و تجهیزات مختلف مانند دوربین را با خود حمل کنند. همین ویژگی باعث شده تا کوادکوپترها برای کاربردهای مختلفی بکار گرفته شوند.
منبع: فروشگاه آنلاین چرخ‌دنده