کوادکوپتر

تصویر یک کواد کوپتر.

کوادکوپتر یا چارگَرد (به انگلیسی: Quadcopter یا Quadrotor) یکی از انواع وسایل پهپاد است. کواد کوپترها نوعی هواگرد بالگردان هستند و در دستهٔ چندپروانه‌ها جای دارند و به دلیل کمک گرفتن از چهار پروانه برای نیروی پیشرانش، به عنوان کواد (چهار) کوپتر نامیده می‌شوند.همچنین در بین بسیاری از مردم جا افتاده است که به کواد کوپتر درون نیز میگویند ولی در واقع درون بخشی از دوربین کواد کوپتر است.

کواد کوپترها به دلیل داشتن قدرت مانور فوق‌العاده و پروازهایی با تعادل بالا از کاربردهای بسیار گسترده برخوردارند.

یکی از بزرگترین و معروف ترین تولید کنندگان مولتی روتور ها شرکت DJI هست.

این شرکت واقع در کشور چین هست.

اهمیت و کیفیت محصولات این شرکت آنچنان دارای اهمیت است که در جنگ اوکراین و روسیه به وفور از آنها استفاده می‌شد.

در سال‌های اخیر توجه شرکت‌ها، دانشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی بیش از پیش به این نوع از پهپادها جلب شده‌است و لذا روزانه پیشرفت چشم‌گیری در امکانات و پرواز این نوع از پرنده‌ها مشاهده می‌کنیم.

کواد کوپترها در زمینه‌های تحقیقاتی، نظامی، تصویر برداری و تفریحی و سمپاشی از کاربرد بالا و روزافزونی برخوردارند و مدل‌های دارای سرنشین آن نیز تولید شده‌است.

امروزه یکی از تفریحات پر طرفدار کواد کوپترهای تفریحی و حرفه‌ای تصویر برداری می‌باشند که از جذابیت بسیار بالایی برخوردار بوده و بازار بزرگی از محصولات رادیو کنترلی را در جهان به خود اختصاص داده‌است و امروزه مسابقات کوات کوبتر هم در سراسر نقاط جهان برگزار می‌شود که در دو دستهٔ داخل ساختمان و ریس. وجود دارد و شرکت کنندگان می‌توانند در این دو دسته به رقابت بپردازند که این شاخه ای بسیار پر هزینه است که در صورت سقوط امکان دارد هزینهٔ ساخت دوبارهٔ کل کواد را به همراه داشته باشد.

ساختار

کوادکوپترها همانند انواع دیگر وسایل پرنده از ایجاد اختلاف فشار در اتمسفر پیرامون خود برای بلند شدن و حرکت در هوا استفاده می‌نمایند. همان‌طور که هلیکوپتر‌ها به کمک پره اصلی این اختلاف فشار را ایجاد می‌کنند و نیروی برآ ی خود را تأمین می‌کنند. در هلیکوپترها به دلیل وجود نیروی عمل و عکس‌العمل، پس از اینکه پره اصلی شروع به چرخش می‌کند با برخورد مولکول‌های هوا به این پره و وجود عکس‌العمل، یک نیرویی با جهت مخالف جهت چرخش پره به پره و در ادامه به شفت متصل به پره اعمال می‌شود (نیروی گشتاور) و باعث چرخش هلیکوپتر به دور خود می‌شود. حالا برای حل این مشکل از پره دم هلیکوپتر استفاده می‌شود تا نیرویی را تولید کند که مانع چرخش هلیکوپتر به دور خود شود. حال اگر هلیکوپتر به جای داشتن یک پره اصلی از دو پره اصلی که خلاف جهت یکدیگر بچرخند استفاده می‌نمود، به دلیل خنثی شدن دو نیروی گشتاور توسط یکدیگر، دیگر هلیکوپتر به دور خود نمی‌چرخید! مانند هلیکوپترهای شنوک. حال با توجه به توضیحات داده شده راحت‌تر می‌توان به ساختار کواد کوپترها اشاره نمود.

کواد کوپترها با بهره‌گیری از چهار موتور و پره مجزا و چرخش دو به دو معکوس این موتورها نیروی گشتاورهای ایجاد شده را خنثی می‌کنند و همچنین اختلاف لازم فشار جهت ایجاد نیروی برآ را تأمین می‌کنند.

چرخش پروانه‌ها

کنترل بشکل H و N

• 
• 

نحوه ایجاد فرامین کنترلی در کواد کوپترها به این صورت است که، برای تغییر ارتفاع از کم یا زیاد کردن سرعت چرخش همه موتورها استفاده می‌شود و باعث کمتر یا زیاد تر شدن اختلاف فشار به وجود آمده می‌شود. برای چرخش کواد کوپتر به دور خود و به صورت درجا، دو پره هم جهت با سرعت کمتر و دو پره هم جهت دیگر با سرعت بیشتر می‌چرخند و نیروی گشتاور به یک سمت ایجاد می‌شود و اختلاف فشار همانند قبل است (زیرا دو پره با سرعت کمتر و دو پره دیگر به همان نسبت با سرعت بیشتر می‌چرخند) لذا کواد کوپتر در ارتفاع ثابت به دور خود می‌چرخد. برای حرکت کواد کوپترها در جهت‌های مختلف (عقب، جلو، چپ و راست) توسط کم و زیاد کردن سرعت موتورها کواد کوپتر را از حالت افقی خارج کرده و باعث حرکت آن می‌شوند.

تمامی این فرامین توسط برد کنترلر ایجاد می‌شود که این برد از المان‌هایی جهت تشخیص زاویه و موقعیت کواد و قطعات پردازنده تشکیل شده‌است. این قطعات نظیر جایرو، شتاب سنج، قطب‌نما و میکرو پروسسور‌ها هستند

تاریخچه

مدل‬ اولیه آزمایشی یک Multiroter در سال ۱۹۰۷ توسط دو برادر فرانسوی بنام Jacques and Louis Breguet در پروژه‌ای بنام Quadcopter ساخته و تست شد، هرچند آن‌ها نتوانستند پرنده خود را در آسمان نگه دارند ولی موفق به پرواز ثابت شدند. بعد از آن ساخت بالگرد چهار پروانه‌ای به سال ۱۹۲۰ میلادی برمیگردد. در آن سال یک مهندس فرانسوی بنام etienne oehmichen اولین بالگرد چهارپره را اختراع نمود و مسافت ۳۶۰ متر را با کوادکوپتر خود پرواز کرد در همان سال او مسافت یک کیلومتر را در مدت هفت دقیقه و چهل ثانیه پرواز کرد. این بالگرد از روش تنظیم X بهره می‌جست.

در حدود سال ۱۹۲۲ در آمریکا Dr George de Btheza موفق به ساخت و تست تعدادی Quadcopter برای ارتش شد که قابلیت کنترل و حرکت در سه بعد را داشت، ولی پرواز با آن بسیار سخت بود. در سال ۱۹۵۶ مدل دیگری توسط Convertewings طراحی شد و در سال ۱۹۵۸ مدل Curtis-Wright VZ-7 توسط کمپانی Curtis- Wright طراحی شد.

در سال‌های اخیر توجه مراکز دانشگاهی به طراحی و ساخت پهپادهای چهارپره جلب شده‌است و مدل‌های مختلفی در دانشگاه استانفورد و کورنل ساخته شده‌است و به تدریج رواج یافته‌است.

از حدود سال ۲۰۰۶ کواد کوپترها شروع به رشد صنعتی به صورت وسایل پرنده بدون سرنشین نمودند.

کاربرد

امروزه مالتی روتورها به ویژه مدل‌های چهارپره که به کواد کوپتر شهرت دارند یکی از پر کاربردترین وسایل پرنده بدون سرنشین می‌باشند؛ که به عنوان مثال می‌توان به کاربردهای گسترده تصویر برداری هوایی، نقشه‌برداری، جاسوسی، تفریحی و … اشاره نمود.

با گسترده‌تر شدن روزافزون جلوه‌های بصری در تبلیغات و فیلم‌های سینمایی و تلویزیونی، استفاده از وسایل پرنده و تصویر برداری هوایی بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته‌است.

پیش از وجود کواد کوپترها به صورت صنعتی از هلیکوپترهای رادیو کنترلی به عنوان وسایلی برای حمل دوربین‌ها و تجهیزات تصویر برداری استفاده می‌شد؛ که این موضوع به سال‌های (۲۰۰۰–۲۰۱۰ میلادی) بر می‌گردد.

با پیشرفت وسایل پرنده و به وجود آمدن مالتی روتورها این وظیفه (تصویر برداری هوائی) به عهده این دستگاه قرار گرفت. کواد کوپترها و هگزا کوپترها به دلیل داشتن تعادل پروازی بسیار بالا برای این کار مناسب هستند. با موجود شدن فلایت کنترلرها (کنترل‌کننده‌های پرواز) و تحقیقات صورت گرفته بر روی این کنترلرها پرواز با کواد کوپترها بسیار آسان شده و این وسایل از پرواز هوشمند بهره می‌برند و لذا تصویر برداران می‌توانند با تمرکز بیشتر بر تصویر برداری، تصاویر بهتری را تهیه کنند. همچنین با وجود GPSها پرواز این وسایل به صورت کاملاً امن و هوشمند صورت می‌گیرد.

علاوه بر کاربردهای تصویر برداری؛ کواد کوپترها به تازگی یکی از لوازم سرگرمی و تفریحی به حساب می‌آیند. این تفریح که مخاطب‌های بزرگسال را به خود اختصاص داده‌است، روز به روز رو به گسترش است؛ و با پدید آمدن عینک‌های واقعیت مجازی و لینک شدن آن‌ها با دوربین‌های کواد کوپترها، یک نوع از فعالیت را به نام مسابقات کوادکوپترهای FPV (نمایش اول شخص) ایجاد کرده‌است؛ که به نظر در سال‌های آینده به یک رشته ورزشی پر طرفدار تبدیل می‌شود.

نقش کوادکوپتر در مقابله با کرونا

تا قبل از شیوع کرونا شهروندان جهان کمتر نسبت به کاربردهای کوادکوپتر بخصوص در زمینه پزشکی و مقابله با بیماری‌های همه گیر مثل کرونا آگاهی داشتند؛ و تنها برداشتی که از هلی شات داشتند برای فیلمبرداری و سرگرمی بود.

اما چکونه این هواپیماهای بدون سرنشین کوچک به بازیگر مهم در مقابله COVID-19 تبدیل شده‌اند؟

کوادکوپترها قبل از COVID-19 توسط بسیاری از شرکتها در سراسر جهان به روشهای مثبت استفاده شده‌اند. از جمله کارهایی مانند فیلمبرداری، کاشت بذر و سمپاشی مزارع، حیات وحش، صنعت، حمل و نقل، بررسی زمینه و کمک در ساخت سازه‌های مهندسی، و.. دیگر کاربردهای کوادکوپتر هستند؛ که با گذشت زمان شاهد نقش بیشتر این نوع پهپادها در زندگی بشر هستیم. هر چند بسیاری از مردم در سراسر جهان به دید منفی نسبت به آنها نگاه می‌کنند. چرا که آنها تصور می‌کنند که هلی شات یک ابزار جاسوسی است. بخصوص در کشورهایی که محدودیت پرواز چندانی وجود ندارد.

اما پس از شیوع همه‌گیری COVID-19 و استفاده از هلی شات در مبارزه با این بیماری توجه رسانه‌ها و مردم جهان را به خود جلب کرده‌است.

اجرای قانون و سمپاشی

استفاده از پهپاد در کشاورزی و آفت زدایی مزارغ سابقه چند ساله دارد. محصولات دی جی آی مثل پهپاد سمپاش از پرکاربردترین محصولات درحوزه کشاورزی به‌شمار می‌آیند. صنعت کشاورزی مدت‌ها پیش از پزشکی استفاده از پهپادهای سمپاش را برای سمپاشی مزارع و .. آغاز کرده‌است.

در طول همه‌گیری کرونا، کوادکوپتر بخصوص محصولات DJI برای اولین بار در چین جهت مقابله با این بیماری همه گیر مورد استفاده قرار گرفتند تا به مردم یادآوری کنند که در داخل خانه بمانند و ماسک بپوشند. کشاورزان چینی سپس از پهپادهای سمپاش خود برای پاشیدن مواد ضد عفونی کننده در خیابان‌ها و اماکن عمومی استفاده کردند تا از شیوع ویروس جلوگیری کنند. بسیاری از کشورهای دیگر در آسیا، اروپا و آمریکای شمالی با استفاده از کوادکوپتر برای ضدعفونی کردن مناطق عمومی، ساختمانها و حتی در ایالات متحده از پهپادهای سمپاش برای ضدعفونی کردن مکان‌های ورزشی استفاده شد.

تست کرونا و شناسایی بیماران

تا قبل از شیوع کمتر متخصصی در جهان تصور می‌کرد که روزی بتوان با استفاده از یک هلی شات دمای بدن افراد را اندازه‌گیری کرد و بیماران را شناسایی کرد! در طول همه‌گیری COVID-19، چند شرکت به استفاده از پهپاد برای گرفتن درجه حرارت افراد روی آورده‌اند؛ زیرا تست و اندازه‌گیری دمای بدن افراد به روش سنتی به سختی بدست آمد. DJI از کوادکوپتر DJI Mavic 2 Enterprise برای تست دمای بدن افراد استفاده می‌کرد اما برای بهبود دقت دوربین حرارتی، سواب پنبه ای لازم بود؛ و حتی شرکت یک قدم فراتر گذاشته و با همکاری دانشگاه استرالیا یک پهپاد همه گیر ساخته‌است که قادر به اندازه‌گیری درجه حرارت از بالاست و می‌تواند علائم ویروس کرونا مانند تب و سرفه را در افراد تشخیص دهد.

استفاده از پهپاد برای شناسایی بیماران مبتلا به کرونا و نظارت بر افراد از بالا با واکنش عجیب مردم در بعضی از کشورها روبرو شده‌است. حتی در پاریس دادخواستی علیه پلیس این کشور به علت استفاده از کوادکوپتر برای شناسایی بیماران مبتلات به کرونا در دادگاه ارائه شده‌است که به نتیجه نرسیده‌است. چرا که بسیاری از مردم در سراسر جهان استفاده از پهپاد جهت نظارت گسترده بر آنها و شناسایی بیماران کرونایی را نوع تهاجم به حریم شخصی خود قلمداد می‌کنند.

نقش کوادکوپترها در صنعت

علاوه بر تصویربرداری هوایی امروز کوادکوپترها نقش بسیار پررنگی در صنعت دارند. پروژه‌هایی که در گذشته با خطرهای زیادی همراه بود و با صرف هزینه‌های هنگفت در مدت زمان طولانی انجام می‌شد امروزه با کمک کوادکوپترها به راحتی و با کمترین هزینه و بالاترین امنیت انجام می‌شود.

نقش کوادکوپترها در حوزه انرژی

امروزه یکی از کاربردهای در حال توسعه در زمینه کوادکوپترها و پهپادها استفاده بخش انرژی ی جمع‌آوری داده‌هایی است که برداشت آنها در گذشته بسیار سخت و حتی خطرناک بود. با وجود اینکه تکنولوژی و فناوری پرنده‌های بدون سرنشین (پهپاد) در حال توسعه روزافزون است، برای شرکت‌های فعال در زمینه منابع انرژی تجدید پذیر که کاهش هزینه و افزایش ایمنی هستند استفاده اصلی شات بسیار ضروری و کمک کننده است. با استفاده از هلی شات می‌توان سرعت انجام کار برای بررسی دقیق خطوط انتقال انرژی را بسیار بالا برد و از طرفی هزینه نیروی انسانی و سایر تجهیزات را برای انجام کار بسیار کم کرد. همه اینها در حالی است که داده‌هایی که یک کواد کوپتر از بررسی خطوط انتقال انرژی می‌دهند بسیار با کیفیت است و به دلیل امکان بررسی آنلاین تصاویر امکان اصلاح داده‌ها و افزایش آنی کیفیت آنها به راحتی وجود دارد. با استفاده از تصاویر هلی شات پرسنل می‌توانند به سرعت سلامت خطوط انتقال انرژی را را بررسی کنند تا در صورت بروز مشکل در کمترین زمان آن را حل کرده تا حداقل آسیب به عملیات و پروژه برسد. این موضوع به ویژه برای بازرسی از نقاطی که به دلیل وجود ولتاژ قوی یا ارتفاع خطر زیادی دارد بسیار بسیار کمک کننده است.

نقش کوادکوپترها در حفاظت از گونه‌های درحال انقراض

اندازه‌گیری برای مدیریت منابع بسیار مهم است و ما نمی‌توانیم آنچه را که اندازه و مقدار دقیق آن را در دست نداریم مدیریت کنیم. به همین دلیل آگاهی از جمعیت حیات وحش از اقدامات حفاظتی بسیار مهم برای نگهداری و حفظ گونه‌های مختلف جانوری است. امروزه دانشمندان و طرفداران محیط زیست ساعت‌های زیادی را برای طراحی و ابداع روش‌های مختلفی می‌کنند که بتوانند آمار جمعیت‌های جانوری را تا حد ممکن با دقت به دست آورند و این کار به خصوص برای جمعیت‌های گونه‌های جانوری که در معرض تهدید و خطر انقراض هستند بسیار مهم است.

مانیتورینگ و راه‌سازی با کمک کوادکوپتر

بدون شک جاده‌ها مهمترین شریان‌های حیاتی حمل و نقل درون‌شهری و برون‌شهری هستند. ساخت جاده یک فرایند یکباره نیست بلکه به صورت دوره ای نیاز به بررسی و انجام اقدامات نگهداری دارد. هر چه قدر که این بررسی‌ها منظم تر باشند و در بازه‌های زمانی کوتاه تری انجام شوند امکان آسیب رسیدن به جاده‌ها کاهش پیدا می‌کند و علاوه بر اینکه هزینه‌های بازسازی آن هم کم می‌شود خطرات جاده و تصادفات به صورت چشمگیری کاهش پیدا می‌کند. انجام بررسی‌های جاده ای به صورت سنتی علاوه بر افزایش هزینه موجب تأخیر و افزایش بازه‌های زمانی انجام این کار می‌شود.

استفاده از هلی شات در عملیات امداد و نجات

آتش‌سوزی جنگل‌ها یکی از تلخ‌ترین اتفاقاتی است که برای محیط زیست می‌افتد. کنترل آتش‌سوزی هر چقدر که بزرگتر باشد دشوارتر و زمان بر سر خواهد بود و طبیعتاً خسارات بسیار زیادی را به طبیعت وارد می‌کند؛ بنابراین استفاده از هر ابزاری که بتواند در روند کنترل و مهار آتش‌سوزی مؤثر باشد بسیار حیاتی است. در اوایل سال ۲۰۲۰ آتش‌سوزی بزرگی در استرالیا رخ داد. همه ما احتمالاً آن فاجعه بزرگ را به خاطر داریم که در آن درختان و حیوانات زیادی به تلخ‌ترین روش ممکن در شعله‌های آتش سوختند. در این آتش‌سوزی هلیکوپترها هزاران گالن آب را روی شعله‌های آتش می‌ریختند. بلافاصله پس از آن تیم‌های مقابله با بلایای طبیعی با استفاده از هلی شات مناطقی که در آن توسط هلیکوپترها آب ریخته شده را اسکن می‌کردند تا بتوانند میزان مهار آتش و همچنین تخریب‌های احتمالی را بررسی کنند. این اطلاعات برای تعیین مسیر بعدی کار و همچنین میزان نتیجه گرفتن از روند پروژه بسیار مهم بود.

استفاده از هلی شات در مشاوره املاک

شاید اگر چند سال پیش می‌گفتیم که استفاده از کوادکوپتر حتی در مشاور املاک هم کاربرد دارد کسی باور نمی‌کرد و همه با یک خنده موضوع را فراموش می‌کردند. اما جالب است بدانید که امروزه در برخی از کشورهای پیشرفته صنعتی، مشاوران املاک سرمایه گذاران مستاجران و اجاره دهندگان تجاری از کوادکوپتر برای سرعت دادن به کسب و کار خود استفاده می‌کنند. کاملاً قابل درک است که بررسی خانه‌ها زمان زیادی را به خود اختصاص می‌دهد و از طرفی اگر بخواهیم چندین بازرس حرفه ای برای این کار استخدام کنیم بدون شک هزینه مجموعه‌ای که مسئولیت این کار را برعهده گرفته‌است بسیار بالا می‌رود بنابراین در اینجا برای بررسی اولیه محل خانه‌ها و نسبت و موقعیت آنها نسبت به سایر خانه‌ها از کوادکوپتر و هلی شات استفاده می‌شود. علاوه بر استفاده از کوادکوپترها از نرم‌افزارهای مختلف مدیریت املاک به صورت کامل استفاده می‌شود تا بتوان همراه با برداشت تصاویر هوایی هلی شات‌ها بیشترین اطلاعات را از خانه‌های مورد نظر به دست آورد. جالب است بدانید که مشاور املاک تنها صنعت عجیبی نیست که کوادکوپترها به آن ورود کرده اند .کارهایی مانند بازرسی ساختمان و سرکشی برای ایمنی کارگران از حوزه‌های مربوط در این زمینه است.