Файл: Учебнометодический комплекс Беспилотные авиационные системы.pdf

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ
(национальный исследовательский университет)» (МАИ)
Учебно-методический комплекс «Беспилотные авиационные системы»
Авторы-составители:
Щукин Кирилл Олегович

Раздел 1. Введение в беспилотную авиационную технику
1.1 Проблематика и сферы применения БЛА
В настоящие время для решения задач разного уровня, стали популярны беспилотные авиационные системы или, как принято говорить, БЛА. Беспилотные авиационные системы развиваются уже более ста лет. В особенности наиболее активный период развития БЛА приходиться на последние 20 лет, вследствие научно-технического прогресса и удешевлению производства электронных компонентов.
Основные сферы БЛА на сегодня: аэрофотосъемка, геодезия и картография, поисково-мониторинговые задачи, доставка грузов, горнодобывающая промышленность, научные исследования, кинематография, спортивные мероприятия и световые шоу. В связи с ростом рынка беспилотной авиационной техники данные направления становятся все более популярными с каждым годом, что в свою очередь вызывает спрос на инженеров, разработчиков и эксплуатантов беспилотных авиационных систем.
БЛА активно используются как в России, так и за рубежом. В связи с относительной новизной данного направления, а также высокими запросами по эксплуатации наиболее ярко выражены проблемы надежности подобных систем, а также дефицит кадров в данной сфере. Это в свою очередь вызвало ужесточение законов и нормативно правовых актов по всему миру, связанных с применением беспилотных авиационных систем. Тем не менее ажиотаж на использование БЛА остается высоким, появляются новые разработки и технологии, улучшающие работоспособность, полетные качества, и эксплуатационные возможности.
1.2 Виды БЛА
В связи с широким спектром задач на текущий момент создается множество различных видов беспилотной авиационной техники. Основными видами БЛА, применяемыми на сегодняшний день, являются мультироторные системы, БЛА самолетного и вертолетного типов, а также конвертопланы.
Мультироторные системы являются наиболее ярким представителем всего семейства БЛА несмотря на то, что появились относительно недавно. Характерной особенностью данного вида является минимальная механизация, относительная дешевизна, простота в использования и обучении пользования. Этот вид БЛА можно встретить от совсем игрушечных моделей заканчивая действующими прототипами аэротакси и носителями дорогого оборудования.

БЛА самолетного типа появились еще в прошлом веке, но из-за сложности эксплуатации и производства встречаются реже. Однако, применяются практически во всех сферах. Беспилотные авиационные системы этого типа характерны длительным временем полета.
Вертолетные БЛА и конвертопланы тоже распространены, но встретить их можно гораздо реже. Применяются такие системы, как правило, как альтернатива вышеперечисленным. Сложность разработки и эксплуатации таких систем перекрывается возможностью относительно длительного полета и возможностью вертикального взлета и посадки.
1.3 Техника безопасности
В связи с необходимостью защиты производства и эксплуатации БЛА, предусмотрены следующие правила техники безопасности.
● При работе с оборудованием необходимо ознакомиться с мануалом.
● При работе с электросетью запрещается напрямую контактировать с источником.
● При работе с инструментом, запрещается трогать наконечник инструмента, лезвия, жало паяльника и термопистолета.
● При работе с электрокомпонентами необходимо убрать со стола любую жидкость, кроме технической (флюс, спирт, жидкий компаунд и другие).
● При работе с АКБ не допускайте контакта батареи с острыми предметами или поверхностями, не роняйте их на пол.
● Во время тестов БЛА и его компонентов необходимо снять воздушные винты.
● При наблюдении за полетом стойте за спиной у оператора.
● Если БЛА работает ни в коем случае не касайтесь воздушных винтов до момента полного отключения моторов.
1.4 Методические рекомендации по проведению занятий
При проведении занятий по направлению «Аэротехнологии» рекомендуется пользоваться следующими методическими указаниями.
1) Соблюдать правила техники безопасности.
2) Рекомендуются проводить практические занятия по темам сразу же после теоретических.
3) Для лучшего ознакомления с материалом следует выполнять самостоятельные работы и домашние задания по темам.
4) При проведении занятий рекомендуется четко владеть информацией по теме. В случае необходимости найти информацию в источнике из списка литературы.

5)
Рекомендуется предлагать студентам проектную деятельность.
Оформление проекта в виде презентации, разработка или исследование, результаты и отчет.
6) В связи с тем, что направление аэротехнологии охватывает такие предметы как физика, математика, информатика, технология, рекомендуется объяснять материал с учетом ранее изученного материала
7) Рекомендуется составить план занятий в зависимости от количества располагаемых часов. План занятий должен включать как практические, так и теоретические занятия, самостоятельные и домашние работы
2. Принципы работы и устройство БЛА
2.1 Принцип работы БЛА на примере мультироторной системы
Среди всех видов БЛА самыми популярными являются мультироторные системы вида «Квадракоптер». Из-за невысокой стоимости и простоты изготовления данное решение можно встретить практически везде.
Рассмотрим принцип работы БЛА на примере мультироторной системы.
Мультироторная система создает подъемную силу засчет совокупности тяги электромоторов, вращающих воздушные винты. Система вида «Квадрокоптер» имеет 4 электромотора. Для компенсации крутящего момента и управления рысканьем двигатели по диагоналям лучей имеют разное направление вращения (рис 1).

Рисунок 1
Аппарат управляется путем изменения углов крена тангажа и рысканья, а также уровня газа. Изменение углов и уровня газа приводит к изменению вектора скорости
ЛА, что в свою очередь приводит его к движению.
Рисунок 2

Для поворота ЛА по оси тангажа регулируется тяга передних и задних моторов, к примеру, для движения вперед необходимо установить угол по оси тангажа, для этого на определенный промежуток времени задние моторы начинают вращаться сильнее передних. Аналогично по углу крена. Для изменения углов рыскания БЛА сбрасывает обороты электромоторов по одной из диагоналей, увеличивает обороты на другой диагонали.
Для перемещения ЛА в пространстве происходит совместное управления всех углов и уровня газа, при котором происходит изменение направления суммарного вектора силы тяги. Также на ЛА действует сила тяжести. Сумма вектора тяги ЛА и его силы тяжести является силой определяющий направление движения БЛА (на примере мультироторной системы, рис 3)
Рисунок 3
В связи с огромным количеством случайных факторов и воздействий, действующих на систему, необходимо многократно корректировать угловую скорость электродвигателей для контроля БЛА в пространстве. Задачу управления берет на себя автопилот или полетный контроллер, получающий команды с аппаратуры радиоуправления либо с бортового вычислителя, анализирующего информацию с сенсоров. После анализа информации с сенсоров и приемника сигнала радиоуправления полетный контроллер изменяет скорость вращения двигателей для корректировки положения. Изменения происходят несколько сотен раз в секунду.
На борту аппарата могут располагаться устройства передачи данных, видеопередатчики, передатчики радиосигнала и др. Данные устройства обеспечивают обратную связь с наземной станцией или оператором.

2.2 Основные компоненты, применяемые в БЛА
Рассмотрим основные компоненты, применяемые в БЛА.
Установка всех компонентов производится на силовую конструкцию, раму либо фюзеляж. Элементы рамы могут включать в себя: лучи, моторамы, корпуса и платы для установки компонентов, обтекатели, элементы защиты, стойки и крепежные компоненты
(винты, шпильки, гайки, болты).
Рамы и корпуса для БЛА производятся из композитных материалов, таких как: карбон и текстолит. В конструкции БЛА можно встретить литые пластиковые компоненты, аддитивные технологии, формованные композитные компоненты. При изготовлении БЛА, как правило, самолетного типа, можно встретить фанеру, вспененный пенополипропилен, пенополиполистирол и другие виды полимеров.
Силовая установка использует электромоторы для вращения воздушных винтов.
В качестве электромоторов в основном применяются трехфазные синхронные бесколлекторные электродвигатели, имеющие высокий КПД, однако, для их управления используются сложные электронные регуляторы оборотов. В малогабаритных аппаратах в основном, используют коллекторные электромоторы постоянного тока Такие электродвигатели имеют компактный размер, простоту в изготовлении и управлении. К недостаткам можно отнести низкий КПД, высокий нагрев в процессе работы и невысокий срок службы за счет трения щеток.
Силовые и моментные характеристики электромоторов определяются высотой и диаметром статора, формой и типом магнитов, материалами. Любой электродвигатель для БЛА имеет следующие обозначения:
● XXXX - четыре цифры обозначают размер статора.
● Цифры с последующим обозначением Kv обозначают количество оборотов в минуту на один вольт напряжения.
К примеру, мотор с обозначениями “2306 1700kv” имеет размер статов 23мм в диаметре и 6 мм в высоту и может совершить 1700 оборотов в минуту на один вольт напряжения. Как правило, чем меньше мотор, тем большие обороты он развивает, для создания тяги, вращая маленький пропеллер. Большие моторы имеют:
Регуляторы оборотов или ESC (Electronic Speed Controller) это электронные устройства контролирующие частоту вращения электромоторов путем передачи на них электроэнергии.
Регулятор оборотов состоит из полевых транзисторов, микроконтроллера, драйвера, стабилизатора напряжения, иногда может включать в себя

измерительные приборы и световую индикацию. Регуляторы оборотов подключаются к источнику питания системы (к АКБ через плату распределения питания), к фазам электродвигателя, к источнику сигнала для получения команд управления (автопилот, приемник и др).
Устройства распределения и контроля питания используются для обеспечения питания электронных компонентов на борту БЛА от аккумуляторной батареи. АКБ подключается к плате распределения питания, которая обеспечивает развязку выходов аккумулятора для питания других компонентов: регуляторов оборотов, видеопередатчиков, приводов, и других устройств, работающих напрямую от АКБ.
Внутри аппарата существует большое количество компонентов, которым необходимо стабильное напряжение меньше или больше по абсолютному значению чем на АКБ, в связи с этим используются преобразователи напряжения. Для понижения или повышения напряжения, а также его стабилизации в БЛА используются импульсные и линейные преобразователи напряжения, которые как правило входят в состав платы распределения питания или других компонентов.
Аккумуляторные батареи, применяемые в БЛА литиевые. Литиевые аккумуляторы имеют сравнительно невысокий вес, хорошую токоотдачу , и не имеют эффекта памяти
, в связи с чем их легко заряжать и хранить. Основные виды аккумуляторных батарей, применяемых в БЛА это литий полимерные аккумуляторы, обладающие высокой токоотдачей и высоким напряжением на ячейку 4.2 Вольта. Литий-ионные АКБ имеют большую емкость, но меньшую токоотдачу в связи с чем могут использоваться только на эффективных схемах с невысоким потреблением электроэнергии. Также применяются ячейки с повышенным напряжением (LiHV) до 4.35 Вольт и литий-ферумные(LiFe) , имеющие невысокое напряжение 3.65 вольта на банку но имеющие более широкий диапазон рабочих температур , что позволяет их использование в тяжелых погодных условиях. Для создания АКБ можно использовать сборки из ячеек. Последовательное соединение ячеек складывает напряжение и обозначается буквой S (serial) , параллельное соединение обозначается буквой P (parallel) и позволяет складывать емкость ячеек.
Для управления и стабилизации аппарата в воздухе используется автопилот или полетный контроллер. Полетный контроллер несет в себе управляющую функцию, помогая оператору в контроле БЛА или же полностью берет на себя эту функцию.
Автопилот состоит из однокристальной ЭВМ (микроконтроллера) выполняющего основную вычислительную и регулирующую функции, МЭМС акселерометра и гироскопа, сообщающего данные об ориентации и положении аппарата в пространстве.

Полетный контроллер имеет большое количество входов и выходов сигнала для подключения различных устройств, приводы, силовая установка, устройства приема и передачи данных и др. Большинство современных автопилотов для БЛА имеют возможность подключения к персональному компьютеру для настройки и загрузки программного обеспечения.
Для передачи и приема данных используются радиоприемники и радиопередатчики на борту аппарата и в составе наземной станции. Для корректной передачи сигнала с минимальным количеством помех необходимо подбирать исходя из условий среды и габаритно весовых характеристик.
Полезная нагрузка аппарата может быть установлена как внутри, так и за пределами корпуса ЛА. Может иметь независимый источник питания либо подключается к системе питания БЛА. Полезной нагрузкой могут быть камеры, системы сбора информации, дополнительные сенсоры, платформы для стабилизации оборудования, и др.
2.3 Устройство БЛА на примере мультироторной системы
Рассмотрим устройство и составные части БЛА мультироторного типа вида
«Квадракоптер».
БЛА такого вида имеет раму с 4-мя лучами, исходящими из центральной платы, где устанавливается электроника. На лучах крепится 4 электромотора, подключаемые к регуляторам оборотов. Регуляторы оборотов могут быть установлены на лучах либо на пластине в центре. В центральную часть рамы устанавливаются компоненты распределения питания, автопилот, устройства приема передачи данных. Регуляторы оборотов подключаются к плате распределения питания, в свою очередь подключенной к аккумуляторной батарее. Плата распределения питания несет в себе функцию распределения выходов питания от АКБ к другой электронике, содержит в себе преобразователи напряжения, как правило на 5 и 12 вольт. Преобразователи напряжения нужны для того чтобы запитать компоненты работающие от более низкого напряжения а также чувствительные к его изменению , преобразователи также являются стабилизаторами и поддерживают стабильное напряжения даже при большом изменении напряжения на АКБ .Полетный контроллер устанавливается как правило в центре масс летательного аппарата и на перекрестье лучей , некоторые системы автопилотов могут быть чувствительны к положению МЭМС гироскопа и акселерометра , входящего в состав полетного контроллера. Приемник радиоуправления подключается к автопилоту и является важнейшим компонентом для связи с оператором.

Полезная нагрузка, а также другие сенсоры как правило подключаются к системе питания аппарата, но в некоторых случаях имеют свою систему что делает их энергонезависимыми и позволяет функционировать даже при повреждении носителя.
Подключение компонентов на примере мультироторной системы зображено на схеме рис. 4
Рисунок 4 2.5. Базовое описание других видов БЛА
Начнем с описания БЛА самолетного типа. БЛА самолетного типа имеет преимущество по времени полета и продолжительности пути. За счет того, что подъемную силу для ЛА создает крыло, суммарная тяга двигателей, создаваемых