کوادکوپتر یک کلاس پروازی از وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین (UAV) است که از آیرودینامیک، الکترونیک و مکانیک پیشرفته بهره می‌برد. پیکربندی منحصر به فرد کوادکوپتر که با طراحی چهار روتور متمایز می‌شود، توانسته پایداری و مانور بالایی را نسبت به پهپادهای تک روتور سنتی ارائه کند. به همین دلیل از کوادکوپتر برای طیف وسیعی از کاربردها از عکاسی هوایی گرفته تا کشاورزی استفاده می‌شود؛ اگر می‌خواهید در مورد اینکه کوادکوپتر چیست؟ بیشتر بدانید، با ما تا انتهای این مقاله از «فارس روبویار» همراه شوید.
کوادکوپتر چیست؟
کوادکوپتر (Quadcopter) که به عنوان کوادروتور نیز شناخته می‌شود، یک وسیله نقلیه هوایی بدون سرنشین است که با چهار روتور که هر کدام به یک موتور و پروانه مجهز هستند، مشخص می‌شود. در حقیقت، کوادکوپتر نوعی مولتی روتور است که در اندازه‌های مختلف، به اندازه کف دست تا چیزی به اندازه یک هواپیمای حمل مسافر موجود است. این هوای بدون سرنشین عملکرد پروازی پایداری را ارائه می‌دهد که باعث می‌شود برای کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار گیرد.
چه کسی کوادکوپتر را اختراع کرد؟
اولین کوادکوپتر توسط دو برادر به نام‌های لوئیس برژیت و ژاک برژیت (Breguet) همراه با پروفسور چارلز ریشه (Charles Richet) در سال ۱۹۰۷ میلادی اختراع شد. کوادکوپتری که آنها ساختند، غیرقابل هدایت بود! زیرا برای بلند کردن آن در فاصله نیم متر از روی زمین به چهار مرد نیاز بود. با این حال، کار آنها به عنوان اولین تلاش برای توسعه کوادکوپترها شناخته می‌شود.
همچنین کوادکوپتر توسط مهندس فرانسوی اتین اومیشن (Etienne Oehmichen) در سال ۱۹۲۰ میلادی ساخته شد که با موفقیت به پرواز درآمد. هواپیمای بدون سرنشین اتین اومیشن چهار روتور و هشت پروانه به همراه تعدادی سطوح کنترلی اضافی داشت. با اینکه این مدل پیش زمینه را برای تولید هلیکوپتر ایجاد کرد، اما در دنیای کوادکوپترها نیز تاثیر بسزایی گذاشت.
مزایای کوادکوپتر چیست؟
در ادامه به فواید کوادکوپترها اشاره می‌کنیم:
- عملکرد پایدار: کوادکوپترها به دلیل توانایی خود در معلق شدن و انجام پروازهای پایدار شناخته می‌شوند که برای ثبت تصاویر و فیلم‌های با کیفیت بالا ایده آل هستند.
- تطبیق پذیری: کوادکوپترها در طیف گسترده‌ای از کاربردها، از پروازهای تفریحی گرفته تا کارهای حرفه‌ای مانند نقشه برداری و مدیریت بلایا استفاده می‌شوند.
- دسترسی: کوادکوپترها در دسترس‌تر و مقرون به صرفه‌تر هستند و استفاده از آنها برای علاقمندان به پرواز و متخصصان راحت و آسان است.
- مانورپذیری: طراحی کوادکوپترها امکان حرکات سریع و کنترل دقیق را به اپراتور می‌دهد که در فضاهای پیچیده یا تنگ بسیار مفید خواهد بود.
کوادکوپترها چقدر ارتفاع می‌گیرند؟
کوادکوپترها در چندین کشور از جمله ایالات متحده از نظر قانونی محدود به پرواز در ارتفاع تا ۱۲۰ متر (۴۰۰ فوت) از سطح زمین (AGL) برای جلوگیری از تداخل با هواپیماهای سرنشین‌دار هستند. با این حال، استثنائات خاصی برای این قاعده وجود دارند. به عنوان مثال، خلبانان هواپیماهای بدون سرنشین تجاری اگر در فاصله ۱۲۰ متری یک سازه کار می‌کنند، ممکن است مجاز به پرواز در ارتفاع ۱۲۰ متری باشند، مشروط بر اینکه مجوز لازم را دریافت کرده باشند. این قانون در ایران نیز صادق است و «ستاد توسعه پهپادها» نیز مجوز لازم را ارائه می‌دهد.
کوادکوپتر چه مدت زمانی پرواز می‌کند؟
مدت زمان پرواز یک کوادکوپتر بسته به سبک طراحی، مشخصات و هدف بسیار متفاوت است. برای کوادکوپترهای حرفه‌ای یا تجاری، به دلیل ظرفیت باتری بزرگتر و ملاحظات طراحی خاص، زمان پرواز می‌تواند گسترده باشد. به عنوان مثال، کوادکوپتر DJI Matrice 300 RTK می‌تواند حدود ۵۵ دقیقه پرواز کند، در حالی که T-DRONES M1200حداکثر تا ۷۰ دقیقه پرواز می‌کند.
هواپیماهای بدون سرنشین مصرفی معمولاً زمان پرواز کوتاه‌تری دارند. به عنوان مثال، DJI Mini 2 و DJI Mavic Pro حدود ۳۱ دقیقه زمان پرواز را ارائه می‌دهند. در همین حال، کوادکوپترهای کوچک‌تر معمولاً زمان پرواز بسیار کمتر دارند، به طور متوسط حدود ۷ تا ۲۵ دقیقه با یک بار شارژ باتری پرواز می‌کنند. به طور کلی، عوامل موثر بر مدت پرواز عبارتند از:
- نوع باتری
- وزن کوادکوپتر
- قدرت موتورها
- شکل و اندازه پروانه‌ها
- شرایط پرواز مانند ارتفاع، سرعت و باد
کوادکوپتر چقدر می‌تواند وزن را حمل کند؟
وزنی که یک کوادکوپتر می‌تواند بلند کند، بسته به طراحی و کاربرد مورد نظر آن به طور قابل توجهی متفاوت است. کوادکوپترهای کوچک که سبک هستند، معمولاً تنها می‌توانند چند صد گرم وزن را بلند کنند. کوادکوپترهای سرگرمی کمی توانایی بیشتری دارند و معمولاً بارها حدود ۰.۵ تا ۲ کیلوگرم را حمل می‌کنند.
کوادکوپترهای برای استفاده‌های حرفه‌ای (تجاری و صنعتی) می‌توانند وزن بیشتری را حمل کنند. به عنوان مثال، T-DRONES M1200 می‌تواند تا پنج کیلوگرم وزن را بلند کند که آن را برای انواع کاربردهای سنگین‌تر مناسب می‌کند. در موارد بسیار سنگین، مانند مدل Griff 300، ظرفیت بالابری می‌تواند تا ۲۲۷ کیلوگرم افزایش یابد. پهپادهای فارس روبویار وزن‌های ۱۰، ۲۰ و ۳۰ لیتر را جهت سمپاشی زمین‌های کشاورزی پشتیبانی می‌کنند.
برد کوادکوپتر چقدر است؟
برد کوادکوپتر بر اساس طراحی و کاربرد مورد نظر می‌تواند به میزان قابل توجهی متفاوت باشد. کوادکوپترهای مصرفی معمولاً بردی در حدود ۴۰۰ متر تا ۳ کیلومتر دارند، در حالی که مدل‌های پیشرفته‌تر ممکن است به حدود هشت کیلومتر برسند. به عنوان مثال، DJI Mavic 3 برد کنترلی تا ۱۵ کیلومتر را ارائه می‌دهد که برای کاربردهای حرفه‌ای عالی است. علاوه بر این، کوادکوپترهای T-DRONES مانند M690PRO، M690B و M1200 حداکثر برد کنترلی ۳۰ کیلومتر دارند که توانایی آنها را برای کارهای دوربرد افزایش می‌دهد. همچنین کوادکوپترهای فارس روبویار دارای برد متفاوتی هستند؛ به‌عنوان مثال پهپاد سمپاش ۳۰ لیتری S30Pro فارس روبویار دارای ۳ کیلومتر برد عملیاتی بوده در حالی که برد عملیاتی پهپاد سمپاش بیست لیتری فارس روبویار ۱ کیلومتر است.
سرعت کوادکوپترها چقدر است؟
سرعت کوادکوپترها بسته به طراحی و کاربرد مورد نظرشان بسیار متفاوت است. کوادکوپترهای تجاری معمولاً به سرعتی در حدود ۷۰ کیلومتر در ساعت می‌رسند. با این حال، کوادکوپترهای مسابقه‌ای می‌توانند به سرعت‌های بسیار بالاتری دست یابند که اغلب از حدود ۱۶۰ کیلومتر در ساعت هستند. در مقابل، کوادکوپترهای نظامی که برای نیازهای عملیاتی مختلف طراحی شده‌اند، بسیار سریع‌تر پرواز می‌کنند و به سرعت ۲۱۰ کیلومتر می‌رسند.
کاربردهای کوادکوپتر چیست؟
کوادکوپترها به ابزاری همه کاره و فراگیر در حوزه‌های مختلف تبدیل شده‌اند. در ادامه به موارد استفاده از آنها اشاره می‌کنیم:
استفاده شخصی از کوادکوپتر
کوادکوپترها برای استفاده شخصی، عکاسی هوایی و فیلمبرداری محبوب هستند و مناظر خیره کننده‌ای را از بالا ثبت می‌کنند که به سختی می‌توان آنها را با وسایل دیگر به دست آورد. کوادکوپترها به دلیل سهولت کنترل و چابکی، اغلب توسط علاقه مندان برای مسابقات و پروازهای تفریحی به کار گرفته می‌شوند.
استفاده تجاری کوادکوپترها
کوادکوپترها از نظر تجاری با ارائه ابزاری مقرون به صرفه و کارآمد برای نظارت هوایی و جمع آوری داده‌ها، عملکرد صنایع مختلفی را متحول کرده‌اند. آنها به طور گسترده برای نقشه برداری از زمین، نظارت بر حیات وحش و حتی برای عکاسی از املاک استفاده می‌شوند. علاوه بر این، کوادکوپترها برای تبلیغات و رویدادهای بازاریابی استفاده می‌شوند.
استفاده از کوادکوپتر در صنعت
کوادکوپترها در محیط‌های صنعتی نقش مهمی در بازرسی و نگهداری زیرساخت‌ها ایفا می‌کنند. آنها برای بازرسی مناطق صعب العبور ساختمان‌ها، پل‌ها و خطوط برق مورد استفاده قرار می‌گیرند و جایگزین ایمن و اقتصادی برای بازرسی دستی هستند. کوادروتورها همچنین می‌توانند حسگرها و سایر تجهیزات را برای نظارت بر پارامترهای محیطی یا شناسایی نقاط ضعف ساختاری حمل کنند.
پیشنهاد مطالعه: بررسی بهترین کوادکوپترهای جهان در سال ۲۰۲۴ (معرفی قوی ترین کوادکوپترهای برندهای معروف)
مدیریت اضطراری با کوادکوپترها
کوادکوپترها به طور فزاینده‌ای در واکنش اضطراری و مدیریت بلایا مورد استفاده قرار می‌گیرند. آنها می‌توانند به سرعت برای ارزیابی آسیب، یافتن بازماندگان و تحویل تجهیزات اضطراری مستقر شوند. توانایی کوادکوپترها در معلق شدن و مانور در فضاهای تنگ آنها را برای عملیات جستجو و نجات در محیط‌های پیچیده بسیار ارزشمند می‌کند.
کوادکوپترها برای سرگرمی و رسانه
کوادکوپترها در صنعت سرگرمی برای ایجاد عکس‌های هوایی پویا و تکنیک‌های فیلمبرداری نوآورانه در فیلم و سریال استفاده می‌شوند. این دستگاه‌ها بخشی از نمایش‌های نوری در مقیاس بزرگ هستند، جایی که ناوگان هماهنگ شده پهپادها نمایش‌های بصری چشمگیری ایجاد می‌کنند و جایگزینی مدرن برای آتش بازی‌های سنتی ارائه می‌دهند.
تحویل و تدارکات با کوادکوپتر
کاربردهای نوظهور شامل تحویل و لجستیک است، جایی که شرکت‌ها از کوادکوپترها برای تحویل مستقیم کالا به مصرف کنندگان استفاده می‌کند. این فناوری توانسته با فعال کردن خدمات تحویل سریع که ترافیک جاده‌ای و انتشار گازهای گلخانه‌ای را کاهش می‌دهد، رویکرد حمل و نقل و تحویل کالا به خریداران را متحول کند.
پهپاد کشاورزی؛ کاربردی مهم از کوادکوپتر
کوادکوپترها برای کارهایی مانند نظارت بر محصول، تجزیه و تحلیل خاک و مدیریت آبیاری و سمپاشی استفاده می‌شوند. این هواپیماهای بدون سرنشین که به دوربین‌ها و حسگرهای با وضوح بالا مجهز هستند، تصاویر دقیقی از مزارع می‌گیرند و به کشاورزان این امکان را می‌دهند تا سلامت محصول را ارزیابی کرده و در هزینه های خود صرفه جویی کنند.
کوادکوپترها چگونه پرواز می‌کنند؟
کوادکوپترها از قانون سوم حرکت نیوتن و فعل و انفعال پیچیده اجزاء برای پرواز کردن استفاده می‌کنند. در ادامه جزئیات دقیق تری را در مورد اینکه نحوه پرواز کوادروتور چگونه است بیان می‌کنیم:
اصول بالابر و پایداری
این اصل که کوادکوپتر را قادر می‌سازد تا در هوا صعود کرده و حرکت کند، در قانون سوم حرکت نیوتن است که بیان می‌کند برای هر عمل، واکنشی برابر و مخالف وجود دارد. این عمل در کوادکوپتر زمانی اتفاق میفتد که پروانه‌های آن می‌چرخند و هوا را به سمت پایین هل می‌دهند.
واکنش به این عمل، طبق قانون نیوتن نیرویی به سمت بالاست که به کوادکوپتر وارد می‌شود تا به بالا برود. هنگامی که بزرگی این نیروی بالابر از نیروی گرانش وارد بر کوادکوپتر فراتر می‌رود، دستگاه شروع به بالا رفتن می‌کند. هنگامی که در هوا معلق شد، دستیابی به حالت شناور شامل متعادل کردن نیروی بالابر با کشش گرانشی، حفظ ارتفاع ثابت بدون حرکت عمودی است.
اصول حرکت جانبی
هنگامی که بالا رفتن دستگاه در یک زاویه خاص عمل می‌کند، کوادکوپتر می‌تواند به صورت جانبی حرکت کند. این موضوع بدین دلیل اتفاق میفتد که نیروی بالابری تا حدی به سمت بالا و قسمتی به پهلو هدایت می‌شود و در نتیجه حرکت جانبی به چپ، راست، جلو یا عقب انجام خواهد شد. حرکت جانبی با تغییر سرعت پروانه‌ها آغاز می‌شود.
افزایش سرعت دو پروانه در یک سمت کوادکوپتر و کاهش سرعت دو پروانه در سمت مقابل منجر به توزیع نابرابر قدرت بالابری می‌شود. طرفی که پروانه‌ها سریع‌تر می‌چرخند نسبت به طرف دیگر، نیروی بیشتری ایجاد می‌کند. در نتیجه کوادکوپتر به سمت طرفی که سریع‌تر می‌چرخد حرکت می‌کند.
دینامیک حرکت چرخشی
گشتاور نیز می‌تواند برای تسهیل حرکت چرخشی در کوادکوپتر استفاده شود. این مکانیسم مشابه روشی است که قدرت بالابری باعث ایجاد حرکت جانبی می‌شود. یک کوادکوپتر با تغییر سرعت پروانه‌ها می‌تواند حول محور عمودی خود بچرخد. برای شروع چرخش خلاف جهت عقربه‌های ساعت، سرعت پروانه‌ها در یک محور مورب کوادکوپتر افزایش می‌یابد، در حالی که سرعت در مورب مخالف کاهش می‌یابد.
این موضوع باعث عدم تعادل گشتاور می‌شود که باعث خواهد شد کوادکوپتر به سمت سمت کندتر بچرخد. برعکس، افزایش سرعت پروانه‌های مخالف منجر به چرخش در جهت عقربه‌های ساعت می‌شود. این استفاده پویا از سرعت پروانه دیفرانسیل به کوادکوپتر اجازه می‌دهد تا مانورهای چرخشی دقیقی را اجرا کند.
پیشنهاد مطالعه: آموزش هک کوادکوپتر؛ آیا می‌توان کوادکوپتر را هک کرد؟
جمع‌بندی اطلاعات در مورد کوادکوپتر
حالا می‌دانید که کوادکوپتر چیست، کوادکوپتر نوعی وسیله نقلیه هوایی بدون سرنشین (UAV) است که توسط چهار روتور که معمولاً به شکل مربع یا متقاطع چیده شده‌اند، هدایت و کنترل می‌شود. کوادکوپترها از سرعت دیفرانسیل روتورهای خود برای مانور استفاده می‌کنند و ثبات و کنترل عالی را ارائه می‌دهند. به دلیل سبک طراحی خاص این دستگاه‌ها، آنها برای کاربردهای مختلف از جمله عکاسی هوایی، کشاورزی، شناسایی و پروازهای تفریحی عالی هستند. کوادکوپترها به دلیل کارایی، سازگاری و ساخت نسبتاً ساده به یک فناوری مهم در بخش تجاری و استفاده شخصی تبدیل شده‌اند.