Файл: Учебнометодический комплекс Беспилотные авиационные системы.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 30.11.2023
Просмотров: 129
Скачиваний: 11
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
набегающий поток, может быть меньше, чем масса аппарата, в отличии от мультироторных систем нет необходимости в очень точном контроле оборотов двигателей, в связи с чем можно использовать двигатели внутреннего сгорания.
Рассмотрим БЛА типа конвертоплан. Конвертоплан – это обьединение мультироторной системы и БЛА самолетного типа. Конвертоплан является аппаратом вертикального взлета и посадки. При взлете электромоторы закреплены на поворотных мотогондолах с положением роторов вверх и находятся как правило по обе стороны консолей крыла. при взлете аппарат ведет себя как мультикоптер. Однако по достижении необходимой высоты мотогондолы поворачиваются и аппарат продолжает полет в качестве самолета. При достижении точки посадки мотогондолы принимают первоначальное положение, аппарат зависает в воздухе и выполняет посадку как мультикоптер.
БЛА вертолетного типа могут иметь силовую установку с использованием двигателя внутреннего сгорания, в связи с этим имеют большую продолжительность полета. Однако из-за сложной механизации имеют сложную конструкцию.
3. Основные принципы проектирования БЛА.
3.1. Подбор полезной нагрузки
Проектирование беспилотных летательных аппаратов начинается с подбора полезной нагрузки, носителем которой будет являться ЛА. Для дальнейшего проектирования необходимо четко представлять цели и задачи БЛА, его функционал, возможности, и определить полезную нагрузку. После подбора полезной нагрузки необходимо определить следующие характеристики:
1. Габаритно весовые характеристики ЛА. Определяются исходя из предполагаемых условий полета (помещение или улица, ветреная погода, наличие осадков и др.).
Следует понимать, что камеру весом 10 кг аппарат способный летать в небольшом помещении поднять не сможет. Или, к примеру, не рекомендуется вешать дорогое оборудование на аппарат, планируемый запускать при осадках, так как вероятность потери носителя при осадках намного выше, чем в сухую безветренную погоду.
2. Полетное время и характеристики полета. Определяются исходя из габаритов и веса БЛА. Полетное время для аппаратов в размере до 250 грамм составляет в среднем до 10 минут, максимальная скорость в среднем до 80 км\ч. У БЛА весом от 250 до 800 грамм полетное время может достигать до 30 минут, максимальная
Рассмотрим БЛА типа конвертоплан. Конвертоплан – это обьединение мультироторной системы и БЛА самолетного типа. Конвертоплан является аппаратом вертикального взлета и посадки. При взлете электромоторы закреплены на поворотных мотогондолах с положением роторов вверх и находятся как правило по обе стороны консолей крыла. при взлете аппарат ведет себя как мультикоптер. Однако по достижении необходимой высоты мотогондолы поворачиваются и аппарат продолжает полет в качестве самолета. При достижении точки посадки мотогондолы принимают первоначальное положение, аппарат зависает в воздухе и выполняет посадку как мультикоптер.
БЛА вертолетного типа могут иметь силовую установку с использованием двигателя внутреннего сгорания, в связи с этим имеют большую продолжительность полета. Однако из-за сложной механизации имеют сложную конструкцию.
3. Основные принципы проектирования БЛА.
3.1. Подбор полезной нагрузки
Проектирование беспилотных летательных аппаратов начинается с подбора полезной нагрузки, носителем которой будет являться ЛА. Для дальнейшего проектирования необходимо четко представлять цели и задачи БЛА, его функционал, возможности, и определить полезную нагрузку. После подбора полезной нагрузки необходимо определить следующие характеристики:
1. Габаритно весовые характеристики ЛА. Определяются исходя из предполагаемых условий полета (помещение или улица, ветреная погода, наличие осадков и др.).
Следует понимать, что камеру весом 10 кг аппарат способный летать в небольшом помещении поднять не сможет. Или, к примеру, не рекомендуется вешать дорогое оборудование на аппарат, планируемый запускать при осадках, так как вероятность потери носителя при осадках намного выше, чем в сухую безветренную погоду.
2. Полетное время и характеристики полета. Определяются исходя из габаритов и веса БЛА. Полетное время для аппаратов в размере до 250 грамм составляет в среднем до 10 минут, максимальная скорость в среднем до 80 км\ч. У БЛА весом от 250 до 800 грамм полетное время может достигать до 30 минут, максимальная
скорость до 200 км/ч. Аппараты весом от 1 кг до 10 кг могут находится в воздухе до 1 часа без использования электрогенераторов и комбинированных силовых установок. Следует учитывать, что при перемещении с максимальной скоростью потребление энергии возрастает и полетное время существенно снижается.
Полетное время и скорость так же зависят от ветра, температуры окружающей среды, и других факторов.
3.2 Расчет силовой установки и конструкции БЛА
Рассмотрим выбор конструкции для БЛА.
Исходя из определенных ранее габаритов, полетных характеристик и полезной нагрузки
ЛА, следует определить конфигурацию системы, количество силовых установок, а также их расположение. На рисунке 2 представлены основные балансировочные схемы мультироторных систем. Схема с соосным расположением электромоторов возможна для всех схем, представленных ниже. Соосные схемы менее эффективны с точки зрения потребления электроэнергии, но позволяют поднимать больший вес при меньших габаритах. Обратите внимание, что схема вида трикоптер использует привод для поворота одного из лучей с целью компенсации крутящего момента и управления углом рысканья.
Рисунок 5
Если необходимо получить полетное время больше одного часа имеет смысл рассмотреть гибридную силовую установку для мультироторной системы либо при отсутствии необходимости в удержании позиции можно рассмотреть БЛА самолетного типа или конвертопланы.
Расчет тяги создаваемой силовой установкой определяется из следующего соотношения.
???? =
!
"
????
#
????????????????
Где
???? - тяга в Ньютонах [Н];
Полетное время и скорость так же зависят от ветра, температуры окружающей среды, и других факторов.
3.2 Расчет силовой установки и конструкции БЛА
Рассмотрим выбор конструкции для БЛА.
Исходя из определенных ранее габаритов, полетных характеристик и полезной нагрузки
ЛА, следует определить конфигурацию системы, количество силовых установок, а также их расположение. На рисунке 2 представлены основные балансировочные схемы мультироторных систем. Схема с соосным расположением электромоторов возможна для всех схем, представленных ниже. Соосные схемы менее эффективны с точки зрения потребления электроэнергии, но позволяют поднимать больший вес при меньших габаритах. Обратите внимание, что схема вида трикоптер использует привод для поворота одного из лучей с целью компенсации крутящего момента и управления углом рысканья.
Рисунок 5
Если необходимо получить полетное время больше одного часа имеет смысл рассмотреть гибридную силовую установку для мультироторной системы либо при отсутствии необходимости в удержании позиции можно рассмотреть БЛА самолетного типа или конвертопланы.
Расчет тяги создаваемой силовой установкой определяется из следующего соотношения.
???? =
!
"
????
#
????????????????
Где
???? - тяга в Ньютонах [Н];
???? - диаметр пропеллера в метрах [м];
???? - плотность воздуха [кг\м
$
];
???? - скорость воздуха у пропеллера[м\с];
???????? - скорость воздуха, ускоренного пропеллером [м\с].
Эта формула несет прикладное значение и необходима для понимания работы системы.
На практике проще использовать характеристики, предоставленные производителем либо результаты замеров вольт амперных характеристик и тяги на испытательном стенде
(стенд представляет из себя весы для замера тяги, вольтметр, амперметр, АКБ).
Для расчета суммарной тяги двигателя удобно пользоваться следующим соотношениемя
Где
M - масса всей системы [кг];
????
%
- максимальная тяга одного двигателя [кг];
n - количество двигателей в системе;
k - коэффициент газа висения (100% газа = 1), рекомендуется использовать от 0.1 до 0.5.
Для подбора напряжения для АКБ следует исходить из характеристик, представленных производителем. Емкость АКБ рекомендуется рассчитывать из следующего соотношения:
Где
C - емкость аккумулятора [А\ч];
t - время висения [ч];
????
%
- ток одного двигателя при висении [A];
n - Количество двигателей;
I
n
- ток, потребляемый бортовым оборудованием и полезной нагрузкой.
Подбор системы автоматического управления
Для полета БЛА мультироторного типа автопилот является обязательным.
Подбор системы управления в первую очередь исходит от функционала аппарата.
Принцип работы автопилотов и х устройство практически идентично. Стоит обращать внимание на программное обеспечение совместимое с тем или иным видом полетного
контроллера, а также на цену, комплектацию, доступное количество выходов, размер и вес.
Для создания малогабаритных БЛА, основной целью которых является быстрый маневренный полет, в режиме управления оператором рекомендуется использование следующего программного обеспечения: betaflight, inav, cleanflight. Все эти системы являются схожими по архитектуре и настройке.
При проектировании БЛА целью которых является автоматический полет с использованием большого количества сенсоров, а также создания систем автоматического управления и робототехнических комплексов рекомендуется использовать автопилоты с поддержкой ПО Inav, Px4, Ardupilot. Последние два являются наиболее функциональными, однако имеют сложности в настройке и содержат множество подводных камней, поэтому не стоит начинать с них, в случае если не было опыта с настройкой и использованием других систем.
Стоит упомянуть, что в сети интернет содержится большое количество материалов посвященных тематике БЛА, настройке автопилотов, созданию робототехнических систем.
3.4 Системы навигации
Для осуществления полета в автоматическом режиме или использования вспомогательных средств управления при полете необходимо определить местоположение аппарата в пространстве. Автопилот БЛА априори использует БИНС
(бесплатформенная инерциальная навигационная система, в нашем случае МЭМС гироскоп и акселерометр). Для осуществления удержания позиции аппарат должен иметь данные об абсолютной координате ЛА, для этого используется GPS навигация, сенсоры оптического потока, барометры и инерциальные датчики. Для полета в помещении популярны следующие способы навигации: системы захвата движений с установленными на дрон маркерами, отслеживание позиции при помощи методов одновременной навигации и позиционирования SLAM (Simultaneous Localization and
Mapping).
3.5 базовые принципы сборки, настройки и тестирования компонентов
Сборка беспилотного летательного аппарата и элементов его конструкции подразумевает умение пайке, пользованию базовым набором инструментов ( отвертки
,ножи ,ножницы, кусачки , плоскогубцы , ключи , надфили и др). перед тем как приступить к сборке необходимо внимательно осмотреть имеющиеся компоненты на предмет повреждений , при возможности нужно подключить их к источнику питания и
Для создания малогабаритных БЛА, основной целью которых является быстрый маневренный полет, в режиме управления оператором рекомендуется использование следующего программного обеспечения: betaflight, inav, cleanflight. Все эти системы являются схожими по архитектуре и настройке.
При проектировании БЛА целью которых является автоматический полет с использованием большого количества сенсоров, а также создания систем автоматического управления и робототехнических комплексов рекомендуется использовать автопилоты с поддержкой ПО Inav, Px4, Ardupilot. Последние два являются наиболее функциональными, однако имеют сложности в настройке и содержат множество подводных камней, поэтому не стоит начинать с них, в случае если не было опыта с настройкой и использованием других систем.
Стоит упомянуть, что в сети интернет содержится большое количество материалов посвященных тематике БЛА, настройке автопилотов, созданию робототехнических систем.
3.4 Системы навигации
Для осуществления полета в автоматическом режиме или использования вспомогательных средств управления при полете необходимо определить местоположение аппарата в пространстве. Автопилот БЛА априори использует БИНС
(бесплатформенная инерциальная навигационная система, в нашем случае МЭМС гироскоп и акселерометр). Для осуществления удержания позиции аппарат должен иметь данные об абсолютной координате ЛА, для этого используется GPS навигация, сенсоры оптического потока, барометры и инерциальные датчики. Для полета в помещении популярны следующие способы навигации: системы захвата движений с установленными на дрон маркерами, отслеживание позиции при помощи методов одновременной навигации и позиционирования SLAM (Simultaneous Localization and
Mapping).
3.5 базовые принципы сборки, настройки и тестирования компонентов
Сборка беспилотного летательного аппарата и элементов его конструкции подразумевает умение пайке, пользованию базовым набором инструментов ( отвертки
,ножи ,ножницы, кусачки , плоскогубцы , ключи , надфили и др). перед тем как приступить к сборке необходимо внимательно осмотреть имеющиеся компоненты на предмет повреждений , при возможности нужно подключить их к источнику питания и
проверить работоспособность. Затем необходимо определить удобный порядок сборки электронных компонентов, после чего выполнить их монтаж на раму.
4. Правила эксплуатации БЛА
4.1. Принципы управления и радиосвязь
Как уже было сказано ранее для управления БЛА используют аппаратуру радиоуправления, представляющую из себя передатчик и набор тумблеров, крутилок, ручек управления, необходимых для считывания команд пилота, в последующем преобразуемых ЭВМ внутри и передаваемых на борт летательного аппарата.
4.2. Правила и порядок выполнения полета.
Для корректной эксплуатации БЛА и его полезной нагрузки следует придерживаться следующих требований:
Перед проведением вылета необходимо убедиться, что конструкция БЛА не повреждена для этого необходимо проверить элементы корпуса и воздушные винты на предмет сколов и трещин.
Осмотреть полезную нагрузку и другие компоненты (если имеются) на предмет повреждений.
Проверить заряд аккумулятора, зарядить в случае необходимости, проверить на повреждения.
Включить БЛА без воздушных винтов и убедиться в работоспособности всех систем и полезной нагрузки, проверить связь с наземной станцией.
Проверить погодные условия на возможность полета с используемым БЛА, посмотреть прогноз.
Убедиться, что в зоне планируемого запуска полеты разрешены, в случае необходимости пройти процедуру согласования
Проверить аппарат на месте убрать все элементы необходимые для перевозки, одеть воздушные винты
Отойти на безопасное расстояние произвести запуск, действовать желательно согласно составленному ранее полетному плану
После завершения миссии произвести посадку.
Выключить БЛА и привести его в транспортировочное состояние, осмотреть на предмет повреждений.
В случае возникновения внештатных ситуаций пользоваться пунктом ниже
4. Правила эксплуатации БЛА
4.1. Принципы управления и радиосвязь
Как уже было сказано ранее для управления БЛА используют аппаратуру радиоуправления, представляющую из себя передатчик и набор тумблеров, крутилок, ручек управления, необходимых для считывания команд пилота, в последующем преобразуемых ЭВМ внутри и передаваемых на борт летательного аппарата.
4.2. Правила и порядок выполнения полета.
Для корректной эксплуатации БЛА и его полезной нагрузки следует придерживаться следующих требований:
Перед проведением вылета необходимо убедиться, что конструкция БЛА не повреждена для этого необходимо проверить элементы корпуса и воздушные винты на предмет сколов и трещин.
Осмотреть полезную нагрузку и другие компоненты (если имеются) на предмет повреждений.
Проверить заряд аккумулятора, зарядить в случае необходимости, проверить на повреждения.
Включить БЛА без воздушных винтов и убедиться в работоспособности всех систем и полезной нагрузки, проверить связь с наземной станцией.
Проверить погодные условия на возможность полета с используемым БЛА, посмотреть прогноз.
Убедиться, что в зоне планируемого запуска полеты разрешены, в случае необходимости пройти процедуру согласования
Проверить аппарат на месте убрать все элементы необходимые для перевозки, одеть воздушные винты
Отойти на безопасное расстояние произвести запуск, действовать желательно согласно составленному ранее полетному плану
После завершения миссии произвести посадку.
Выключить БЛА и привести его в транспортировочное состояние, осмотреть на предмет повреждений.
В случае возникновения внештатных ситуаций пользоваться пунктом ниже
4.3. Правила поведения при внештатных ситуациях
В случае возникновения внештатных ситуаций оператор БЛА может руководствоваться следующими инструкциями.
Описанные ниже руководства оператора требуют обладания следующими профессиональными навыками:
● Умение визуального пилотирования БЛА в ручном режиме (мультироторные
БЛА в режиме стабилизации с удержанием по горизонту, БЛА самолетного типа в режиме MANUAL - без каких-либо систем стабилизации)
● Пилотирование при помощи FPV (от первого лица) в вышеуказанных режимах
Список наиболее распространенных отказов
1. Отказ системы радиоуправления
2. Потеря телеметрии
3. Отказ системы позиционирования (GPS, одометрия, радионавигация и др.)
4. Потеря видеосвязи
5. Повреждения борта (механические)
Правила поведения оператора в случае возникновения внештатных ситуаций
1.Отказ системы радиоуправления
Отказ системы управления может произойти на любой стадии полета. Для предотвращения потери аппарата необходимо выполнить следующий порядок действий:
1. Убедиться, что антенна наземной станции (аппаратуры управления) ничем не закрыта и направлена верно.
2. Если в течении нескольких десятков секунд связь не вернется аппарат перейдет в режим возврата домой (если таковой настроен) и в случае сближения связь восстановится если система радиоуправления не повреждена.
3. При наличии телеметрии отправить команду на возврат и ждать восстановления связи
4. В случае отсутствия режима возврата домой необходимо самостоятельно выполнить сближение с аппаратом до восстановления соединения
5. Если связь таки не удалось восстановить активируйте режим посадки через телеметрию если телеметрии нет аппарат выполнит посадку при разряде батареи
Внимание!!! Для БЛА самолетного типа пункт 5 не работает. Необходимо заранее настроить работу аппарата в случае потери связи для всех видов БЛА.
2.Потеря Телеметрии
Потеря телеметрии происходит как правило вместе с потерей радиосвязи. В случае потери телеметрии необходимо:
1. Проверить расположение антенн связи, убедиться, что наземная станция работает
2. Если в течении 10 секунд связь не восстановиться необходимо произвести сближение с аппаратом либо попробовать взлететь выше
3. В случае отсутствия связи вернуться “домой” и проверить оборудование
3.Отказ системы позиционирования
Отказ системы позиционирования может происходить как из-за проблем со связью, так и в случае повреждения оборудования.
1. Немедленно перевести аппарат в режим ручного управления
2. Произвести возврат домой визуально либо по видео (В зависимости от дальности и оборудования на борту)
3. Произвести посадку
В случае использования систем - постановщиков помех:
1. Выйти из зоны помех в ручном или автоматическом режиме (может быть настроен )
2. Убедиться в работоспособности системы позиционирования вне зоны помех
4.Потеря видеосвязи
При потере радиосвязи необходимо:
1. Проверить расположение антенн (если имеются направленные антенны развернуть их в сторону аппарата)
2. Если связь не восстановиться.
3. Включить режим возврата домой либо вернуть аппарат по показаниям телеметрии
(визуально если аппарат находиться близко.
5.Повреждения борта
Во время полета могут произойти внештатные ситуации, которые могут привести к повреждению аппарата.
В случае повреждения силовой установки у БЛА самолетного типа необходимо:
1. Изучить местность, найти ровную площадку для посадки
2. Произвести посадку в аварийном режиме.
3. В случае потери управления немедленно выпустить парашют (в ручном либо автоматическом режиме)
При повреждении силовой установки БЛА мультироторного типа:
1. произвести посадку либо произвести возврат домой (если повреждение позволяет это сделать)
Внимание !!!! не распространяется на аппараты без специальных систем экстренного пилотирования
В случае возникновения на борту осцилляций, повлекших за собой тряску, неточности в управлении, частичную или полную потерю управления:
1. Попробовать произвести возврат домой в ручном или автоматическом режиме
2. Если возврат домой не удалось произвести немедленно выполнить посадку.
Для предотвращения внештатных ситуаций рекомендуется заранее проверять оборудование, убедиться, что все системы работают в штатном режиме, на борту все компоненты жестко закреплены.
В случае потери борта сохранить данные телеметрии, запомнить последние координаты для дальнейших поисков.
4.4. Анализ полета
Для изучения полета в случае необходимости убедиться в том, что во время полета производится запись данных в черный ящик. Записанную в черный ящик информацию можно извлечь при помощи программ, рекомендованных или предоставленных производителем оборудования. Как правило, черный ящик является частью системы автопилота, однако может функционировать как отдельный компонент.
Для анализа полета можно использовать изображение с видеокамер или данные записанные наземной станцией в процессе полета. При наличии видеоизображения и данных с черного ящика рекомендуется их сопоставление для улучшенного анализа.
Подводя итоги, необходимо почеркнуть, что данное пособие рассказывает исключительно малую и основную область знаний в сфере беспилотных летательных аппаратов. Для дальнейшего изучения рекомендуется пользоваться информацией из сети интернет, а также представленной ниже литературой. Рекомендации и правила, представленные в этом УМК, несут рекомендательный характер, можно пользоваться другими правилами из других источников, если они не противоречат общим правилам техники безопасности и принципам базового проектирования беспилотных авиационных систем. Перед тем как проектировать БЛА или проводить с ними исследования рекомендуется полностью понять принцип работы систем и способы их использований пользуясь данным пособием и литературой, приведенной ниже.
Раздел 5. Перечень источников информации для изучения учебного материала.
Основная литература
1) Основы устройства, проектирования, конструирования и производства летательных аппаратов (дистанционно пилотируемые летательные аппараты).
/П.П. Афанасьев, Ю.В., Веркин, И.С. Голубев, Е.П. Голубков, А.Б. Гусейнов, Д.А.
Дьяконов, С.К. Кузин, В.Ф.Куличенко, А.М. Матвеенко, С.Г. Парафесь, Л.Л.
Ташкеев, И.К. Туркин, Ю.И. Янкевич/. Под ред. И.С. Голубева и Ю.И. Янкевича.
¾ М.: Изд-во МАИ, 2006. ¾ 528 с.
2) Беспилотные летательные аппараты. Основы устройства и функционирования.
/П.П.Афанасьев, И.С. Голубев, В.Н. Новиков, С.Г. Парафесь, М.Д. Пестов, И.К.
Туркин/. Под ред.И.С. Голубева, И.К. Туркина. ¾ Изд. Второе, переработанное и дополненное ¾ М.: 2008. ¾ 656 с.
3) «Испытания летательных аппаратов (беспилотные летательные аппараты)
П.П.Афанасьев, А.Н. Геращенко, И.С. Голубев, В.В. Доронин, В.А. Жестков, И.П.
Кириллов, С.Б.Лёвочкин, С.С. Лёвочкин.
Дополнительная литература:
1) «Электроника. Твой первый квадрокоптер: теория и практика». /В. Яценков
2) «Дроны. Первый иллюстрированный путеводитель по БПЛА». /Мартин Догерти
3) «Конструируем роботов. Дроны с нуля». /Дж. Бейктал
Электронные ресурсы
1)
Словарь терминов http://www.scanex.ru/support/glossary/