How a Quadcopter Flies: Forces, Torque, Pitch, Roll and Yawچوارپەروانە چۆن دەفڕێت: هێزەکان، زەبر، لێژی، لاربوونەوە و سووڕانەوەی ئاسۆیی

Aerodynamics is the study of how air moves around things, especially things that move fast, like cars, planes, birds, rockets and drones. When something is aerodynamic, it can move through the air easily: the air does not slow it down much, so it uses less energy or fuel just because of its shape.

ئایرۆدینامیک زانستی جووڵەی هەوایە بە دەوری شتەکاندا، بەتایبەتی ئەو شتانەی خێرا دەجووڵێن، وەک ئۆتۆمبێل، فڕۆکە، باڵندە، مووشەک و درۆن. کاتێک شتێک ئایرۆدینامیکی بێت، بە ئاسانی بە ناو هەوادا دەجووڵێت: هەوا زۆر هێواشی ناکاتەوە، بۆیە تەنیا بەهۆی شێوەکەیەوە وزە یان سووتەمەنیی کەمتر بەکار دەهێنێت.

A blunt shape leaves a big wake of swirling air behind it, and making that wake costs energy. A smooth, rounded shape lets the air close up behind it. For a drone, aerodynamics matters twice: its propellers are carefully shaped little wings, and a smooth body wastes less battery when the drone flies fast.

شێوەیەکی ڕووپان گێژاوێکی گەورەی هەوا لە دواوەی خۆیدا بەجێ دەهێڵێت و دروستکردنی ئەو گێژاوە وزەی دەوێت. شێوەیەکی نەرم و خڕ ڕێگە دەدات هەوا لە دواوەیدا بگاتەوە یەک. بۆ درۆن، ئایرۆدینامیک دوو جار گرنگە: پەروانەکان باڵی بچووکی بە وردی شێوەدارن و لاشەیەکی نەرم کاتێک درۆنەکە بە خێرایی دەفڕێت، پاتریی (Battery) کەمتر بە فیڕۆ دەدات.

Four forces act on every aircraft. Weight pulls it down toward the centre of the Earth. Lift holds it up. Thrust pushes it along. Drag, the resistance of the air, pulls back against the motion. When the forces are balanced, the aircraft keeps a steady speed, or a drone hovers in place. When they are not balanced, it speeds up in the direction of the bigger force.

چوار هێز کار دەکەنە سەر هەموو فڕۆکەیەک. کێش (Weight) بەرەو ناوەڕاستی زەوی ڕایدەکێشێت. هێزی سەرخەر (Lift) بە بەرزی ڕایدەگرێت. هێزی پاڵنەر بەرەو پێشی دەبات. هێزی بەرهەڵستکەر (Drag)، کە بەرهەڵستیی هەوایە، بە پێچەوانەی جووڵەکە ڕایدەکێشێتەوە. کاتێک هێزەکان هاوسەنگ بن، فڕۆکەکە بە خێراییەکی جێگیر دەڕوات، یان درۆنەکە لە شوێنی خۆیدا لە هەوادا ڕادەوەستێت. کاتێک هاوسەنگ نەبن، بەرەو ئاڕاستەی هێزە گەورەترەکە خێراتر دەبێت.

A fixed-wing drone gets its lift from its wings, while its propeller pulls it forward. A multirotor has no wings: its rotors' thrust points up and does the job of lift; to move, the drone tilts, so part of that thrust pushes it along. Types of drones compares the two families.

درۆنی باڵجێگیر (Fixed-wing drone) هێزی سەرخەر لە باڵەکانییەوە وەردەگرێت، لە کاتێکدا پەروانەکەی بەرەو پێش ڕایدەکێشێت. فرەپەروانە باڵی نییە: هێزی پاڵنەری ڕۆتۆرەکانی بەرەو سەرەوەیە و کاری هێزی سەرخەر دەکات؛ بۆ جووڵە، درۆنەکە لار دەبێتەوە بۆ ئەوەی بەشێک لەو هێزی پاڵنەرە بەرەو پێشی بەرێت. جۆرەکانی درۆن ئەم دوو خێزانە بەراورد دەکات.

Each blade of a propeller is a small wing that spins. It meets the air at a slight angle and turns the air downwards. By Newton's third law, if the blade pushes the air down, the air pushes the blade up just as hard. You can also see it as pressure: the air just above the blades has lower pressure and the air below has higher pressure, so the blades are pushed up. Both explanations describe the same airflow.

هەر پەڕەیەکی پەروانە باڵێکی بچووکە کە دەسووڕێتەوە. بە گۆشەیەکی کەم بەر هەوا دەکەوێت و هەوا بەرەو خوارەوە لا دەدات. بەپێی یاسای سێیەمی نیوتن (Newton's third law)، ئەگەر پەڕەکە هەوا بەرەو خوارەوە پاڵ بنێت، هەوا بە هەمان بەهێزی پەڕەکە بەرەو سەرەوە پاڵ دەنێت. دەتوانیت وەک پەستانیش سەیری بکەیت: هەوای ڕاستەوخۆ سەرووی پەڕەکان پەستانی هەوای (Air pressure) کەمترە و هەوای خوارەوەیان پەستانی هەوای زیاترە، بۆیە پەڕەکان بەرەو سەرەوە پاڵ دەنرێن. هەردوو ڕوونکردنەوەکە باسی هەمان ڕەوتی هەوا دەکەن.

All the blade forces together make the propeller's thrust, along its shaft. The fast stream of air under a hovering drone is called prop wash: you feel it on your face and see it blow dust and grass.

هەموو هێزەکانی سەر پەڕەکان پێکەوە هێزی پاڵنەری پەروانەکە دروست دەکەن، بە درێژایی میلەکەی. ئەو ڕەوتە خێرایەی هەوا کە لە ژێر درۆنێکدا ڕاوەستاو هەیە پێی دەڵێن prop wash: لەسەر ڕوخسارت هەستی پێ دەکەیت و دەبینیت تۆز و گیا هەڵدەفڕێنێت.

To hover, the drone's total thrust must point straight up and equal its weight. Weight is a force: the mass times the pull of gravity.

بۆ ڕاوەستان لە هەوادا، کۆی هێزی پاڵنەری درۆنەکە دەبێت ڕاست بەرەو سەرەوە بێت و یەکسان بێت بە کێشەکەی. کێش هێزێکە: بارستە (Mass) جاران ڕاکێشانی کێشکردن (Gravity).

A motor turns its propeller one way, and the air resists the spinning blades. So the motor is twisted back the other way, and it twists the whole drone with it: that twist is torque. If all four propellers spun clockwise, the drone would slowly spin counter-clockwise, round and round.

ماتۆڕێک پەروانەکەی بە ئاڕاستەیەک دەسووڕێنێت و هەوا بەرهەڵستیی پەڕە سووڕاوەکان دەکات. بۆیە ماتۆڕەکە بە ئاڕاستەکەی تر با دەدرێتەوە و هەموو درۆنەکە لەگەڵ خۆیدا با دەدات: ئەو بادانە زەبرە (Torque). ئەگەر هەر چوار پەروانەکە میل‌سووڕی (Clockwise) بسووڕانەوە، درۆنەکە بە هێواشی چەپسووڕی (Counterclockwise) دەسووڕایەوە، بە بەردەوامی.

So a quadcopter has two clockwise and two counter-clockwise rotors. Rotors at opposite corners spin the same way and neighbours spin opposite ways. At equal speeds the four twists cancel and the nose stays still. A helicopter solves the same problem with its small tail rotor (Single-rotor helicopters).

بۆیە چوارپەروانە دوو ڕۆتۆری میل‌سووڕی و دوو ڕۆتۆری چەپسووڕی هەیە. ڕۆتۆرەکانی گۆشە بەرامبەرەکان بە یەک ئاڕاستە دەسووڕێنەوە و دراوسێکان بە پێچەوانەی یەک. کاتێک خێراییەکانیان یەکسان بێت، چوار بادانەکە یەکتر بەتاڵ دەکەنەوە و لووتی درۆنەکە جێگیر دەمێنێتەوە. هەلیکۆپتەر هەمان کێشە بە ڕۆتۆرێکی بچووکی کلکی چارەسەر دەکات (هەلیکۆپتەرە بێفڕۆکەوانەکان).

Vertical movement comes from changing all four rotors together. More throttle: all four spin faster, the thrust becomes bigger than the weight and the drone climbs. Less throttle: all four slow down, the thrust becomes smaller than the weight and the drone sinks. Thrust equal to weight: it hovers.

جووڵەی سەرەوە و خوارەوە لە گۆڕینی هەر چوار ڕۆتۆرەکە پێکەوە دێت. گازی زیاتر: هەر چواریان خێراتر دەسووڕێنەوە، هێزی پاڵنەر لە کێش گەورەتر دەبێت و درۆنەکە بەرز دەبێتەوە. گازی کەمتر: هەر چواریان هێواش دەبنەوە، هێزی پاڵنەر لە کێش بچووکتر دەبێت و درۆنەکە نزم دەبێتەوە. هێزی پاڵنەر یەکسان بە کێش: لە هەوادا ڕادەوەستێت.

Because both spin pairs change by the same amount, their twists stay balanced and the drone does not turn while it climbs. To come down gently, the drone needs a little less thrust than its weight, never zero: a drone with stopped motors falls like a stone.

چونکە هەردوو جووتەکە بە هەمان ئەندازە دەگۆڕێن، بادانەکانیان هاوسەنگ دەمێننەوە و درۆنەکە لە کاتی بەرزبوونەوەدا ناسووڕێتەوە. بۆ ئەوەی بە نەرمی دابەزێت، درۆنەکە پێویستی بە هێزی پاڵنەرێکی کەمێک کەمتر لە کێشەکەی هەیە، هەرگیز سفر نا: درۆنێک کە ماتۆڕەکانی وەستابن وەک بەرد دەکەوێتە خوارەوە.

Quadcopters, the most common layout for small civil drones, steer and move by changing the speeds of different rotors. To move forward, back or sideways, a quadcopter tilts. Pitch means tilting the nose down or up; think of it as the drone's slope. To pitch forward, the flight controller speeds up the two back rotors and slows the two front ones: the back rises and the nose dips.

چوارپەروانەکان، کە باوترین شێوەن بۆ درۆنی مەدەنیی بچووک، بە گۆڕینی خێرایی ڕۆتۆری جیاواز ئاڕاستە وەردەگرن و دەجووڵێن. بۆ جووڵە بەرەو پێش، بەرەو دواوە یان بەرەو لا، چوارپەروانە لار دەبێتەوە. لێژی واتە نزمبوونەوە یان بەرزبوونەوەی لووت. بۆ لێژی بەرەو پێش، کۆنترۆڵکەری فڕین (Flight controller) دوو ڕۆتۆرەکەی دواوە خێراتر و دووانەکەی پێشەوە هێواشتر دەکات: دواوە بەرز دەبێتەوە و لووت دادەنەوێت.

Now the thrust leans forward. Part of it still holds the drone up; the other part pushes it forward. The up part is now a little smaller, so the flight controller adds a little throttle to stop the drone from sinking. As the speed grows, drag grows too; when the drag equals the forward push, the drone flies at a steady speed.

ئێستا هێزی پاڵنەر بەرەو پێش لار دەبێتەوە. بەشێکی هێشتا درۆنەکە بە بەرزی ڕادەگرێت؛ بەشەکەی تر بەرەو پێش پاڵی پێوە دەنێت. بەشە بەرەو سەرەکە ئێستا کەمێک بچووکترە، بۆیە کۆنترۆڵکەری فڕین کەمێک گاز زیاد دەکات بۆ ئەوەی درۆنەکە نزم نەبێتەوە. هەتا خێرایی زیاد بێت، هێزی بەرهەڵستکەر زیاد دەبێت؛ کاتێک هێزی بەرهەڵستکەر یەکسان بێت بە پاڵە بەرەو پێشەکە، درۆنەکە بە خێراییەکی جێگیر دەفڕێت.

Roll works the same way to the side. Speed up the two left rotors and slow the right ones: the right side dips and the drone slides to the right. Each side pair has one clockwise and one counter-clockwise rotor, so the twists stay balanced and the nose keeps pointing the same way.

لاربوونەوە بە هەمان شێوە بەرەو لا کار دەکات. دوو ڕۆتۆرەکەی لای چەپ خێراتر و ئەوانەی لای ڕاست هێواشتر بکە: لای ڕاست نزم دەبێتەوە و درۆنەکە بەرەو ڕاست دەخزێت. هەر جووتێکی لاوەکی یەک ڕۆتۆری میل‌سووڕی و یەکی چەپسووڕیی هەیە، بۆیە بادانەکان هاوسەنگ دەمێننەوە و لووت بەرەو هەمان ئاڕاستە دەمێنێتەوە.

Yaw turns the nose left or right while the drone stays level. It uses torque instead of tilt. Speed up one diagonal pair of rotors and slow the other pair by the same amount: the total thrust stays the same, so the height holds, but the twists no longer cancel. The body turns the opposite way to the spin of the faster pair.

سووڕانەوەی ئاسۆیی لووت بەلای چەپ یان ڕاستدا دەسووڕێنێتەوە لە کاتێکدا درۆنەکە تەخت دەمێنێتەوە. لە جیاتی لاربوون زەبر بەکار دەهێنێت. جووتێکی لاری ڕۆتۆرەکان خێراتر بکە و جووتەکەی تر بە هەمان ئەندازە هێواشتر: کۆی هێزی پاڵنەر وەک خۆی دەمێنێتەوە، بۆیە بەرزایی ناگۆڕێت، بەڵام بادانەکان چیتر یەکتر بەتاڵ ناکەنەوە. لاشەکە بە پێچەوانەی ئاڕاستەی سووڕانەوەی جووتە خێراترەکە دەسووڕێتەوە.

On the usual X layout, the front-right and back-left rotors spin counter-clockwise. Speed them up and slow the clockwise pair, and the body turns clockwise seen from above: the nose swings to the right. That is yaw right.

لە شێوەی باوی Xـدا ڕۆتۆرەکانی پێشەوەی ڕاست و دواوەی چەپ چەپسووڕی دەسووڕێنەوە. ئەوان خێراتر بکە و جووتە میل‌سووڕییەکە هێواشتر بکە، لاشەکە لە سەرەوە سەیر بکەیت میل‌سووڕی دەسووڕێتەوە: لووت بەرەو ڕاست دەچێت. ئەمە سووڕانەوەی ئاسۆیی بەلای ڕاستدایە.

Watch the animation: a thicker, brighter rotor is spinning faster. Every move of a quadcopter is just a different pattern of four rotor speeds.

سەیری وێنە جووڵاوەکە بکە: ڕۆتۆرێکی ئەستوورتر و ڕووناکتر خێراتر دەسووڕێتەوە. هەموو جووڵەیەکی چوارپەروانە تەنیا شێوەیەکی جیاوازی خێرایی چوار ڕۆتۆرە.

You never set these four speeds yourself. You move the sticks; the flight controller mixes your command into four motor speeds and corrects them hundreds of times a second (Loops inside loops).

تۆ هەرگیز خۆت ئەم چوار خێراییە دیاری ناکەیت. تۆ دەسکەکان دەجووڵێنیت؛ کۆنترۆڵکەری فڕین فەرمانەکەت دەکاتە چوار خێرایی ماتۆڕ و لە چرکەیەکدا سەدان جار ڕاستیان دەکاتەوە (خول لە ناو خولدا).

Each turning move happens around an axis, an imaginary line through the middle of the drone: roll around the nose-to-tail axis, pitch around the side-to-side axis, and yaw around the up-and-down axis.

هەر جووڵەیەکی سووڕانەوە بە دەوری تەوەرەیەکدا ڕوو دەدات، کە هێڵێکی خەیاڵییە بە ناوەڕاستی درۆندا: لاربوونەوە بە دەوری تەوەرەی نێوان لووت و کلک، لێژی بە دەوری تەوەرەی نێوان چەپ و ڕاست و سووڕانەوەی ئاسۆیی بە دەوری تەوەرەی نێوان سەرەوە و خوارەوە.

A remote controller in Mode 2, the most common setup, puts throttle and yaw on the left stick and pitch and roll on the right stick: right stick up flies forward, right stick right slides right, left stick up climbs and left stick right turns the nose right. Mode 1 swaps throttle and pitch between the sticks, so always check which mode your controller uses.

کۆنترۆڵی دوور بە شێوەی ⁦Mode 2⁩، کە باوترین ڕێکخستنە، گاز و سووڕانەوەی ئاسۆیی دەخاتە سەر دەسکی چەپ و لێژی و لاربوونەوە دەخاتە سەر دەسکی ڕاست: دەسکی ڕاست بۆ سەرەوە: درۆنەکە بەرەو پێش دەفڕێت؛ دەسکی ڕاست بۆ لای ڕاست: بەرەو ڕاست دەخزێت؛ دەسکی چەپ بۆ سەرەوە: بەرز دەبێتەوە؛ دەسکی چەپ بۆ لای ڕاست: لووتی بەرەو ڕاست دەسووڕێتەوە. ⁦Mode 1⁩ شوێنی گاز و لێژی لە نێوان دەسکەکاندا دەگۆڕێتەوە، بۆیە هەمیشە بپشکنە کۆنترۆڵی دوورەکەت کام شێوە بەکار دەهێنێت.

A propeller can only push the air that is there. High up and on hot days the air is thinner: its air density is lower. At the same rotor speed the thrust is then smaller, roughly in proportion to the density. The motors must spin faster, use more battery and keep less spare thrust.

پەروانە تەنیا دەتوانێت ئەو هەوایە پاڵ بنێت کە هەیە. لە بەرزی و لە ڕۆژی گەرمدا هەوا تەنکترە: چڕیی هەوا (Air density) کەمترە. ئەو کاتە بە هەمان خێرایی ڕۆتۆر، هێزی پاڵنەر بچووکترە، نزیکەی بە ڕێژەی چڕییەکە. ماتۆڕەکان دەبێت خێراتر بسووڕێنەوە، پاتریی زیاتر بەکار بهێنن و هێزی پاڵنەری زیادەی کەمتریان بۆ بمێنێتەوە.

Wind costs thrust too. To stay in one place in a steady wind, the drone must tilt into the wind, just as if it were flying forward. Gusts need spare thrust for quick corrections. Flying back against the wind with a low battery is a classic way to lose a drone, so check the forecast and the drone's wind limit before you fly (Flying safely).

با هەروەها هێزی پاڵنەر دەخوات. بۆ ئەوەی لە بایەکی بەردەوامدا لە یەک شوێندا بمێنێتەوە، درۆنەکە دەبێت بەرەو با لار ببێتەوە، هەر وەک ئەوەی بەرەو پێش بفڕێت. بای کتوپڕ هێزی پاڵنەری زیادەی بۆ ڕاستکردنەوەی خێرا پێویستە. گەڕانەوە بە پێچەوانەی با لە کاتێکدا پاتری کەمە ڕێگایەکی باوە بۆ لەدەستدانی درۆن، بۆیە پێش فڕین پێشبینیی کەش و سنووری بای درۆنەکەت بپشکنە (فڕینی سەلامەت).