ड्रोन और सेल्फ़-ड्राइविंग की बुनियादी बातेंमध्यमपाठ 2817 मिनट का पाठ

ड्रोन हवा में कैसे टिका रहता है

चार घूमते हुए रोटर हवा को नीचे धकेलते हैं, और ड्रोन ऊपर जाता है। जानें कि थ्रस्ट, वज़न और स्पीड में हल्के से बदलाव कैसे इसे सीधा रखते हैं, मोड़ते हैं और आगे बढ़ाते हैं।

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ड्रोन हवा में कैसे टिका रहता है

चार घूमते हुए रोटर हवा को नीचे धकेलते हैं, और ड्रोन ऊपर जाता है। जानें कि थ्रस्ट, वज़न और स्पीड में हल्के से बदलाव कैसे इसे सीधा रखते हैं, मोड़ते हैं और आगे बढ़ाते हैं।

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आसान शब्दों में
एक टेबल फैन को हाथ में पकड़कर चालू करें। आपको महसूस होगा कि वह आपके हाथ को पीछे की ओर धकेलता है। उस धक्के को थ्रस्ट (thrust) कहते हैं। ड्रोन में नीचे की तरफ मुंह किए हुए चार छोटे पंखे होते हैं। जब वे काफी ज़ोर से हवा को धकेलते हैं, तो ड्रोन ऊपर उठ जाता है। जब एक तरफ का पंखा थोड़ा ज़्यादा ज़ोर लगाता है, तो ड्रोन झुकता है और आगे बढ़ता है। एक छोटा कंप्यूटर पंखों की स्पीड को बार-बार, बहुत तेज़ी से बदलता रहता है, ताकि ड्रोन पलट न जाए।
सबसे आम छोटा ड्रोन एक quadcopter होता है: चार मोटरों वाला एक फ्रेम, जिनमें से हर एक प्रोपेलर (propeller) को घुमाती है। प्रोपेलर हवा को नीचे धकेलता है, और न्यूटन के तीसरे नियम के अनुसार हवा प्रोपेलर को ऊपर धकेलती है। ऊपर की ओर लगने वाला यह धक्का thrust कहलाता है।
गुरुत्वाकर्षण ड्रोन को नीचे खींचता है। यह खिंचाव ही इसका वज़न (weight) है: द्रव्यमान गुणा गुरुत्वाकर्षण, यानी पृथ्वी पर लगभग mass × 9.81 न्यूटन। हवा में एक जगह टिके रहने (hover करने) के लिए, चारों मोटरों का कुल थ्रस्ट ड्रोन के वज़न के बराबर होना चाहिए। ज़्यादा थ्रस्ट होगा तो ड्रोन ऊपर चढ़ेगा। कम होगा तो नीचे गिरेगा।

दो रोटर एक दिशा में और दो दूसरी दिशा में क्यों घूमते हैं

घूमता हुआ प्रोपेलर ड्रोन को उल्टी दिशा में घुमाने की भी कोशिश करता है। अगर चारों एक ही दिशा में घूमें, तो पूरा ड्रोन लट्टू की तरह गोल-गोल घूमने लगेगा। इसलिए तिरछे (diagonal) आमने-सामने वाले दो रोटर घड़ी की दिशा (clockwise) में और बाकी दो उल्टी दिशा (anticlockwise) में घूमते हैं। उनके घूमने का यह घुमावदार असर आपस में कट जाता है, और ड्रोन एक ही दिशा में सीधा रहता है।

बिना स्टीयरिंग व्हील के ड्रोन कैसे मुड़ता है

क्वाडकोप्टर में कोई पतवार (rudder) या पहिए नहीं होते। यह केवल अपनी चार मोटरों की स्पीड बदलकर ही दिशा बदलता और चलता है।
यह करने के लिएफ़्लाइट कंट्रोलर यह करता है
ऊपर या नीचे जानाचारों मोटरों की स्पीड एक साथ बढ़ाता या घटाता है
आगे की ओर झुकना (pitch)पीछे की मोटरों को आगे की मोटरों से थोड़ा तेज़ चलाता है
एक तरफ झुकना (roll)एक तरफ की मोटरों को दूसरी तरफ से तेज़ चलाता है
उसी जगह पर घूमना (yaw)क्लॉकवाइज़ वाले जोड़े को एंटी-क्लॉकवाइज़ वाले जोड़े से तेज़ चलाता है, या इसका उल्टा करता है
आगे उड़नाआगे झुकता है: अब थ्रस्ट का कुछ हिस्सा पीछे की ओर जाता है और ड्रोन को आगे धकेलता है
झुकने की एक कीमत चुकानी पड़ती है। जब ड्रोन झुकता है, तो थ्रस्ट का केवल कुछ हिस्सा ही ऊपर की ओर रह जाता है। उसी ऊंचाई पर बने रहने के लिए, मोटरों को ज़्यादा ज़ोर लगाना पड़ता है। यही वजह है कि जब ड्रोन तेज़ उड़ता है या हवा से लड़ता है, तो बैटरी ज़्यादा खर्च होती है।
Python: how much extra thrust a tilt needspython
import math

weight_n = 1.0 * 9.81   # a made-up 1 kg drone

for tilt_deg in [0, 10, 20, 30, 45]:
    tilt = math.radians(tilt_deg)
    needed = weight_n / math.cos(tilt)      # total thrust to keep the same height
    forward = needed * math.sin(tilt)       # the part that pushes the drone sideways
    print(f"tilt {tilt_deg:2d} deg: total thrust {needed:5.2f} N, "
          f"forward push {forward:5.2f} N, extra {100 * (needed / weight_n - 1):4.1f}%")

फ़्लाइट कंट्रोलर इसे संतुलित रखता है

एक क्वाडकोप्टर अपने आप में अस्थिर (unstable) होता है। हवा का एक छोटा सा झोंका भी इसे झुका देता है, और अगर सुधारा न जाए तो यह पलट जाएगा। flight controller नाम का एक छोटा कंप्यूटर हर सेकंड कई बार इसके मोशन सेंसरों को पढ़ता है। अगर ड्रोन बाईं ओर झुकता है, तो यह बाईं मोटरों की स्पीड थोड़ी बढ़ाकर इसे वापस सीधा कर देता है। "नापना, तुलना करना, सुधारना" का यह तेज़ लूप feedback control कहलाता है। इसका एक आम तरीका PID controller है, जो इस बात पर प्रतिक्रिया देता है कि अभी गड़बड़ी कितनी है, समय के साथ गड़बड़ी कितनी बढ़ रही है, और गड़बड़ी कितनी तेज़ी से बदल रही है।

थ्रस्ट-टू-वेट अनुपात (Thrust-to-weight ratio)

बनाने वाले अधिकतम कुल थ्रस्ट की तुलना वज़न से करते हैं। इसे thrust-to-weight ratio कहते हैं। 1.0 पर, ड्रोन पूरी पावर लगाकर बमुश्किल हवा में टिक (hover कर) पाता है, और ऊपर चढ़ने, मुड़ने या हवा से लड़ने के लिए कोई पावर नहीं बचती। कई हॉबी बिल्डर लगभग 2 से 1 या उससे ज़्यादा का लक्ष्य रखते हैं, ताकि ड्रोन लगभग आधी पावर पर ही होवर कर सके। रेसिंग ड्रोन इससे कहीं ज़्यादा अनुपात का इस्तेमाल करते हैं।
  1. 1

    हर चीज़ का वज़न तौलें

    फ्रेम, मोटरें, प्रोपेलर, बैटरी, कैमरा, तार। बैटरी अक्सर सबसे भारी हिस्सा होती है।
  2. 2

    न्यूटन में वज़न निकालें

    किलोग्राम में द्रव्यमान × 9.81।
  3. 3

    हर मोटर का अधिकतम थ्रस्ट पता करें

    मोटर और प्रोपेलर बनाने वाले के टेस्ट टेबल से, अपनी बैटरी के साथ। इसे एक अंदाज़ा मानकर चलें।
  4. 4

    अनुपात की गणना करें

    मोटरें × प्रति मोटर थ्रस्ट ÷ वज़न।
  5. 5

    मार्जिन की जांच करें

    1 के बहुत करीब होने का मतलब है एक सुस्त और असुरक्षित ड्रोन। वज़न कम करें या पार्ट्स बदलें।
नोट
बैटरी सबसे बड़ी सीमा है। बड़ी बैटरी ज़्यादा ऊर्जा देती है लेकिन वज़न भी बढ़ाती है, जिसके लिए ज़्यादा थ्रस्ट चाहिए होता है, जिससे बैटरी और तेज़ी से खत्म होती है। यही वजह है कि ज़्यादातर छोटे बैटरी वाले ड्रोन घंटों नहीं, बल्कि कुछ मिनट ही उड़ पाते हैं।
सावधान रहें
घूमते हुए प्रोपेलर त्वचा को बुरी तरह काट सकते हैं। जब आप बेंच पर मोटरों का टेस्ट करें, तो प्रोपेलर हटा दें जब तक कि टेस्ट के लिए उनकी ज़रूरत न हो, और हाथ, बाल तथा ढीले कपड़ों को दूर रखें।
इसे आज़माएं। कोड चलाएं और 45 डिग्री वाली पंक्ति को देखें। जो ड्रोन पहले से ही लगभग पूरी पावर पर चल रहा है, वह बहुत ज़्यादा झुकने पर आसमान से नीचे क्यों गिर जाता है?

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लैब

तीन छोटे फ़ंक्शन जो यह जांचते हैं कि क्या कोई ड्रोन डिज़ाइन होवर कर सकता है और वह कितना वज़न उठा सकता है।

~20 min

समस्या

सब कुछ आपके ब्राउज़र में चलता है। ड्रोन के ये आंकड़े काल्पनिक हैं।

  1. hover_thrust_per_motor को पूरा करें: न्यूटन में वज़न, जिसे सभी मोटरों में बराबर बांटा गया हो।
  2. thrust_to_weight को पूरा करें: सभी मोटरों का अधिकतम थ्रस्ट जोड़कर, न्यूटन में वज़न से भाग दिया गया हो।
  3. max_payload_kg को पूरा करें: वह अधिकतम अतिरिक्त वज़न जिससे कुल थ्रस्ट अभी भी कुल वज़न के कम से कम ratio गुना बना रहे। अगर खाली ड्रोन ही इस अनुपात को पूरा नहीं कर पाता है, तो 0.0 लौटाएं।
  4. इसे चलाएं। फिर दो वाक्य लिखें: क्या उदाहरण वाला ड्रोन एक छोटा कैमरा ले जाने के लिए अच्छा डिज़ाइन है? आप क्या बदलाव करेंगे?

चरण 3 के लिए संकेत: अधिकतम कुल द्रव्यमान = कुल थ्रस्ट ÷ (ratio × G)। इसमें से ड्रोन का अपना द्रव्यमान घटा दें।

प्रैक्टिस लैब

कोड में बदलाव करें और इसे रन करें। Python आपके ब्राउज़र में चलता है — हमारे सर्वर पर कुछ नहीं भेजा जाता।

आउटपुट

कोई आउटपुट नहीं। वैल्यूज़ देखने के लिए print(...) जोड़ें।

आपका काम तब पूरा होगा जब

कठिन सवाल

उत्तर देखने से पहले ख़ुद जवाब देने की कोशिश करें। अगर आप इनके जवाब दे सकते हैं, तो आप पाठ समझ गए हैं।

Q1दोगुनी देर तक उड़ने के लिए आप बस एक बहुत बड़ी बैटरी क्यों नहीं लगा सकते?दिखाएं

बड़ी बैटरी ज़्यादा भारी होती है। होवर करने के लिए मोटरों को ज़्यादा थ्रस्ट बनाना पड़ता है, जो ज़्यादा करंट खींचता है, जिससे बैटरी और तेज़ी से खत्म होती है। थ्रस्ट-टू-वेट मार्जिन भी कम हो जाता है, जिससे ड्रोन सुस्त और कम सुरक्षित हो जाता है। एक सीमा के बाद, बड़ी बैटरी लगाने से बहुत कम अतिरिक्त फ़्लाइट टाइम मिलता है, और यह समय घट भी सकता है।

Q2आपका ड्रोन समुद्र किनारे 50% थ्रॉटल पर होवर करता है। किसी पहाड़ी शहर में गर्म दिन पर इसे 65% की ज़रूरत होती है। क्यों?दिखाएं

ऊंचाई पर और गर्मी में हवा पतली होती है। हर प्रोपेलर हर चक्कर में कम हवा धकेलता है, इसलिए उसी स्पीड पर यह कम थ्रस्ट पैदा करता है। उतना ही वज़न संभाले रखने के लिए मोटरों को और तेज़ी से घूमना पड़ता है, जिससे अतिरिक्त थ्रस्ट कम बचता है और बैटरी जल्दी ख़त्म होती है। पहाड़ों में या गर्मियों में उड़ाने से पहले इसकी योजना बना लें।

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अक्सर पूछे जाने वाले सवाल

ड्रोन में एक के बजाय चार रोटर क्यों होते हैं, जैसे हेलिकॉप्टर में होता है?

एक हेलिकॉप्टर घूमते समय अपने ब्लेड्स के कोण (angle) को बदलकर खुद को कंट्रोल करता है, जिसके लिए जटिल हिलने-डुलने वाले पार्ट्स की ज़रूरत होती है। एक क्वाडकोप्टर स्थिर प्रोपेलर का इस्तेमाल करता है और केवल मोटर की स्पीड बदलता है। यह मैकेनिकली बहुत आसान और सस्ता होता है, और मुश्किल काम कंप्यूटर संभाल लेता है। छह या आठ रोटर वाले ड्रोन भी होते हैं; वे ज़्यादा वज़न उठा सकते हैं और एक मोटर खराब होने पर भी उड़ते रह सकते हैं।

क्या बैटरी खत्म होने पर क्वाडकोप्टर ग्लाइड (हवा में तैर) कर सकता है?

नहीं। इसके पंख नहीं होते, इसलिए बिना थ्रस्ट के यह नीचे गिर जाता है। यही वजह है कि अच्छे ड्रोन बैटरी कम होने पर पहले ही चेतावनी दे देते हैं और बैटरी पूरी खत्म होने से पहले अपने आप उतर सकते हैं या वापस लौट सकते हैं।

फिक्स्ड-विंग (fixed-wing) ड्रोन क्या होता है?

यह एक छोटे हवाई जहाज़ की तरह उड़ता है: आगे बढ़ते समय पंख इसे ऊपर उठने की ताकत (lift) देते हैं। यह कहीं ज़्यादा कुशल होता है, इसलिए यह ज़्यादा देर और ज़्यादा दूर तक उड़ सकता है, लेकिन यह एक जगह टिक (hover) नहीं सकता और इसे उड़ने व उतरने के लिए जगह चाहिए होती है। कुछ डिज़ाइनों में दोनों खूबियाँ मिलाई जाती हैं।

क्या ऊंचाई या गर्मी से थ्रस्ट बदलता है?

हाँ। पतली हवा, जो ज़्यादा ऊंचाई पर और गर्म दिनों में मिलती है, प्रोपेलरों को धकेलने के लिए कम हवा देती है, इसलिए हर रोटर उसी स्पीड पर कम थ्रस्ट बनाता है। जो ड्रोन समुद्र किनारे आसानी से होवर कर लेता है, वह गर्मियों में पहाड़ी इलाकों में जूझ सकता है।

पाठ का टेस्ट

5 सवाल। पास होने और इस पाठ को पूरा करने के लिए 3 सही होने चाहिए (60%)।

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