Введение
Радиоуправление (часто сокращаемое как RC) — это использование управляющих сигналов, передаваемых по радио, для дистанционного управления устройством, транспортным средством или дроном. Примерами простых систем радиоуправления являются открыватели ворот гаражей и системы бесключевого доступа в транспортные средства, в которых небольшой ручной радиопередатчик запирает или открывает двери. Радиоуправление также используется для управления моделями транспортных средств с помощью ручного радиопередатчика. Промышленные, военные и научно-исследовательские организации также используют радиоуправляемые транспортные средства. Быстро развивающимся направлением является управление беспилотными летательными аппаратами (БПЛА или дронами) как в гражданских, так и в военных целях, хотя они оснащены более сложными системами управления, чем в традиционных приложениях.
Radio control (often abbreviated to RC) is the use of control signals transmitted by radio to remotely operate a device. Examples of simple radio control systems are garage door openers and keyless entry systems for vehicles, in which a small handheld radio transmitter unlocks or opens doors. Radio control is also used for control of model vehicles from a hand held radio transmitter. Industrial, military, and scientific research organizations make use of radio controlled vehicles as well. A rapidly growing application is control of unmanned aerial vehicles (UAVs or drones) for both civilian and military uses, although these have more sophisticated control systems than traditional applications.
История
Идея управления беспилотными транспортными средствами (в основном в попытке повысить точность торпед для военных целей) предшествует изобретению радио. Во второй половине 1800-х годов было разработано множество таких устройств, подключенных к оператору по проводам, включая первое практическое применение, изобретенное немецким инженером Вернером фон Сименсом в 1870 году. Избавление от проводов посредством использования новой беспроводной технологии, радио, появилось в конце 1890-х годов. В 1897 году британские инженеры Эрнест Уилсон и К. Дж. Эванс запатентовали радиоуправляемую торпеду или продемонстрировали радиоуправляемые лодки на реке Темза (сведения об их действиях разнятся). На выставке 1898 года в Мэдисон Сквер Гарден Никола Тесла продемонстрировал небольшую лодку, использующую радиоуправление на основе когерера. Стремясь продать идею правительству США в качестве торпеды, патент Теслы 1898 года включал часовой частотопереключатель, чтобы противник не мог захватить управление устройством. В 1903 году испанский инженер Леонардо Торрес Кеведо представил радиосистему управления под названием "Телекино" в Парижской академии наук. В том же году он подал заявки на несколько патентов в других странах. Она предназначалась для испытаний дирижабля "Астра Торрес", дирижабля собственной конструкции, без риска для человеческих жизней. В отличие от предыдущих механизмов, выполнявших действия типа "включено/выключено", Торрес разработал систему управления любым механическим или электрическим устройством с различными состояниями работы. Этот метод требовал передатчика, способного посылать набор различных кодовых слов посредством бинарного телеграфного ключа, и приемника, который мог устанавливать различное состояние работы устройства в зависимости от кодового слова. Он мог независимо выбирать различные положения для рулевого двигателя и различные скорости для двигателя, а также воздействовать на другие механизмы, такие как электрический свет (включать или выключать) и флаг (поднимать или опускать), одновременно до 19 различных действий. В 1904 году Торрес решил провести первое испытание на трехколесном наземном транспортном средстве с дальностью от 20 до 30 метров. В 1906 году, в присутствии аудитории, в которую входил король Испании Альфонсо XIII, Торрес продемонстрировал изобретение в порту Бильбао, управляя электрическим катером "Vizcaya" с берега, с людьми на борту, на расстоянии более 2 км. В 1904 году "Bat", паровой катер с озера Уиндермир, управлялся экспериментальным радиоуправлением его изобретателем Джеком Китченом. В 1909 году французский изобретатель [Габе] продемонстрировал то, что он назвал своей "Torpille Radio Automatique" – радиоуправляемой торпедой. В 1917 году Арчибальд Лоу, возглавлявший секретную экспериментальную мастерскую Королевского летного корпуса (RFC) в Фелтхеме, впервые успешно использовал радиоуправление на самолете – Aerial Target 1917 года. Его "пилотировал" с земли будущий рекордсмен мира по скорости в воздухе Генри Сегрейв. Системы Лоу кодировали команды в качестве контрмеры для предотвращения вмешательства противника. К 1918 году секретный Д.С.Б. отдел Школы сигналов Королевского флота в Портсмуте под командованием Эрика Робинсона V.C. использовал вариант системы радиоуправления Aerial Target для управления различными типами военно-морских судов, включая подводную лодку, с "материнского" самолета. Во время Первой мировой войны американский изобретатель Джон Хейс Хаммонд-младший разработал множество методов, используемых в последующем радиоуправлении, включая разработку дистанционно управляемых торпед, кораблей, систем противодействия помехам и даже систему, позволяющую его дистанционно управляемому кораблю нацеливаться на прожекторы вражеских кораблей. В 1922 году он установил радиоуправляемое оборудование на устаревший линкор ВМС США "Айова", чтобы использовать его в качестве корабля-мишени (потоплен в ходе артиллерийских учений в марте 1923 года). Советская Красная Армия использовала дистанционно управляемые телетанки в 1930-х годах в Зимней войне против Финляндии и развернула как минимум два батальона телетанков в начале Великой Отечественной войны. Телетанком управляют по радио с танка управления на расстоянии 500–1500 м, образуя телемеханическую группу. В Красной Армии также были дистанционно управляемые катера и экспериментальные дистанционно управляемые самолеты. Разработка Великобританией в годы Первой мировой войны радиоуправляемых Aerial Target 1917 года и Distant Control Boat 1918 года с использованием систем управления Лоу привела в конечном итоге к созданию в 1930-х годах флота "Queen Bee". Это была дистанционно управляемая беспилотная версия самолета de Havilland "Tiger Moth" для корабельной артиллерийской практики. "Queen Bee" была заменена Airspeed Queen Wasp, специально разработанным самолетом-мишенью с более высокими характеристиками.
Вторая мировая война
Радиоуправление получило дальнейшее развитие во время Второй мировой войны, главным образом благодаря немецким разработкам, которые использовались в ряде ракетных проектов. Основные усилия были направлены на создание радиоуправляемых ракет и планирующих бомб для поражения судоходства – цели, которую иначе было бы трудно и опасно атаковать. Однако к концу войны Люфтваффе столкнулись с аналогичными проблемами при атаке на бомбардировщики союзников и разработали ряд управляемых радиокомандой зенитных ракет, ни одна из которых не была принята на вооружение. Эффективность систем Люфтваффе, состоявших в основном из серии передатчиков Telefunken Funk Gerät (или FuG) 203 Kehl с двойной осью и одиночным джойстиком, устанавливаемых на самолетах-носителях, и сопутствующего приемника Telefunken FuG 230 Straßburg, размещаемого на управляемом боеприпасе и используемого как для неуправляемой бронированной противокорабельной бомбы Fritz X, так и для управляемой бомбы Henschel Hs 293, была значительно снижена благодаря усилиям британцев по подавлению их радиосигналов, в конечном итоге при американской поддержке. После первоначальных успехов британцы провели серию рейдов спецназа для сбора ракетных радиостанций. Затем глушилки были установлены на британских кораблях, и оружие, по сути, "вышло из строя". Немецкие конструкторские группы перешли к разработке управляемых по проводам ракет, как только поняли, что происходит, но системы не были готовы к развертыванию к тому моменту, когда война переместилась во Францию. Немецкий военно-морской флот (Kriegsmarine) использовал Fl Boote (ferngelenkte Sprengboote) – радиоуправляемые моторные лодки, начиненные взрывчаткой, для атаки на вражеские суда, начиная с 1944 года. Британцы и американцы также разработали системы радиоуправления для аналогичных задач, чтобы избежать массированных зенитных батарей, установленных вокруг немецких объектов. Однако ни одна система не оказалась практически пригодной, а крупная американская операция "Афродита" оказалась гораздо более опасной для ее участников, чем для цели. Американские управляемые свободно падающие боеприпасы Azon, однако, оказались полезными как на европейском, так и на тихоокеанском театрах военных действий. Системы радиоуправления той эпохи, как правило, были электромеханическими, использовавшими небольшие металлические "язычки" или "тростники" с различными резонансными частотами, каждый из которых при приеме определенной частоты приводил в действие одно из множества реле. Реле, в свою очередь, активировали различные приводы, воздействующие на рули управления ракетой. Радиопередатчик оператора передавал различные частоты в ответ на движения управляющего рычага; это обычно были сигналы включения/выключения. Радиооборудование, использовавшееся для управления рулевым управлением американского управляемого боеприпаса Azon, однако, представляло собой систему с полностью пропорциональным управлением, при этом "элероны", находящиеся исключительно под управлением бортового гироскопа, служили лишь для предотвращения крена боеприпаса. Эти системы широко использовались до 1960-х годов, когда растущее использование твердотельных систем значительно упростило радиоуправление. Электромеханические системы с тростниковыми реле были заменены аналогичными электронными, а продолжающаяся миниатюризация электроники позволила упаковать больше сигналов, известных как каналы управления, в один и тот же корпус. В то время как ранние системы управления могли иметь два или три канала с использованием амплитудной модуляции, современные системы включают двадцать и более каналов с использованием частотной модуляции.
Модели с радиоуправлением
Первое широкое применение систем радиоуправления в моделях началось в начале 1950-х годов с одноканального оборудования, собранного своими руками; коммерческое оборудование появилось позже. Изобретение транзисторов значительно снизило требования к батареям, поскольку потребление тока при низком напряжении существенно уменьшилось и необходимость в батареях высокого напряжения отпала. Как в ламповых, так и в ранних транзисторных аппаратах, управляющие поверхности модели обычно приводились в действие электромагнитным "убегом", контролирующим запасенную энергию в резиновой петле, обеспечивая простое включение/выключение руля направления (вправо, влево и нейтральное положение) и иногда другие функции, такие как скорость двигателя. Кристаллические супергетеродинные приемники с улучшенной селективностью и стабильностью сделали управляющее оборудование более производительным и доступным по цене. Многоканальные разработки оказались особенно полезными для самолетов, которым требовалось как минимум три оси управления (рыскание, тангаж и скорость двигателя), в отличие от лодок, которым было достаточно двух или одной. С развитием электронной революции одноканальные схемы стали устаревшими, и радиостанции начали передавать пропорционально закодированные сигналы, которые сервомеханизмы могли интерпретировать с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). В последнее время на рынке появились высококлассные хобби-системы с функцией импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), которые передают на приемное устройство компьютеризированный цифровой поток данных вместо более раннего типа кодирования ШИМ. Однако даже при таком кодировании потеря сигнала во время полета стала более распространенной, отчасти из-за растущего числа беспроводных устройств. Некоторые более современные FM-приемники, которые по-прежнему используют кодирование ШИМ, благодаря применению более совершенных микросхем, могут настраиваться и использовать индивидуальные характеристики сигнала конкретного ШИМ-передатчика, не требуя специального "кода", передаваемого вместе с управляющей информацией, как это всегда требовалось при кодировании ИКМ. В начале XXI века системы радиоуправления 2,4 гигагерц с расширенным спектром стали все шире использоваться для управления моделями транспортных средств и самолетов. Теперь эти системы 2,4 ГГц производятся большинством производителей радиооборудования. Цены на эти радиосистемы варьируются от нескольких тысяч долларов до менее чем 30 долларов США для некоторых моделей. Некоторые производители даже предлагают комплекты для модернизации старых цифровых приемников и радиостанций на частотах 72 или 35 МГц. Поскольку большинство современных систем радиоуправления 2,4 ГГц с расширенным спектром используют режим "динамического изменения частоты", например FHSS, который не удерживается на одной частоте во время работы, прежние требования к "исключительному использованию" частот на площадках для моделирования, необходимые для управления частотой систем радиоуправления VHF, использующих только одну частоту (если не подвергались обслуживанию для ее изменения), стали менее строгими.
Современные военные и аэрокосмические приложения
Военные приложения дистанционного управления обычно не являются радиоуправлением в прямом смысле, напрямую воздействуя на рули управления и настройки мощности двигателя, а скорее представляют собой инструкции, отправляемые полностью автономному, компьютеризированному автопилоту. Вместо сигнала "повернуть налево", который поддерживается до тех пор, пока самолет не выйдет на нужный курс, система отправляет единую команду: "летите в эту точку". Одними из наиболее ярких примеров дистанционного радиоуправления транспортным средством являются марсоходы, такие как Sojourner.
Промышленное радиоуправление дистанционно
Сегодня радиоуправление используется в промышленности для таких устройств, как мостовые краны и локомотивы тяговых подстанций. Телеуправляемые телеоператоры применяются для инспекций и специальных транспортных средств для обезвреживания взрывных устройств. Некоторые дистанционно управляемые устройства называют роботами, но корректнее классифицировать их как телеоператоры, поскольку они не работают автономно, а управляются человеком-оператором. Промышленный радиопульт дистанционного управления может управляться человеком или компьютерной системой управления в режиме «машина-машина» (M2M). Например, на автоматизированном складе может использоваться радиоуправляемый кран, управляемый компьютером, для извлечения конкретного изделия. Промышленные радиосистемы управления для некоторых применений, таких как подъемное оборудование, в ряде стран должны иметь конструкцию с гарантированной безопасностью. Промышленные пульты дистанционного управления работают иначе, чем большинство потребительских устройств. Когда приемник получает радиосигнал, отправленный передатчиком, он проверяет соответствие частоты и кодов безопасности. После успешной проверки приемник отправляет команду на реле, которое активируется. Реле активирует функцию в управляемом устройстве, соответствующую нажатой кнопке передатчика. Это может быть включение электродвигателя направления движения мостового крана. В приемнике обычно несколько реле, а в сложных системах, таких как мостовой кран, может потребоваться до двенадцати и более реле для управления всеми направлениями движения. Для приемника, открывающего ворота, часто достаточно двух реле. Промышленные пульты дистанционного управления предъявляют все более строгие требования к безопасности. Например, пульт дистанционного управления не должен терять функции безопасности при возникновении неисправности. Этого можно добиться, используя резервные реле с принудительными контактами.