Безпілотний літальний апарат

Безпілотний літальний апарат

Безпілотний літальний апарат

Безпілотний літальний апарат (БПЛА також іноді скорочується БЛА; в просторіччі іноді використовується назва «дрон», від англ. <#"653073.files/image001.gif">

Рис. 1 - Функціональна схема системи управління просторовим положенням остронаправленной АС в комплексах управління БЛА

Основне завдання, що виконується системою управління просторовим положенням остронаправленной АС, - забезпечити стійке входження в зв'язок з об'єктом, заданим польотного завдання.

Ця задача розпадається на ряд підзадач:

• Забезпечення просторової орієнтації ДН АС в напрямку очікуваного появи випромінювання об'єкта зв'язку і її просторової стабілізації для випадку розташування АС на борту літального апарату.

• Розширення зони стійкого захоплення випромінювання об'єкта зв'язку за рахунок застосування дискретного алгоритму просторового сканування з детермінованою просторово-часової структурою.

• Перехід в режим стійкого автосупроводу об'єкта зв'язку системою АСН при виявленні об'єкта зв'язку.

• Забезпечення можливості повторного входження у зв'язок у разі її зриву. Для дискретного алгоритму просторового сканування з детермінованою просторово-часової структурою можна виділити наступні особливості:

• Сканування ДН АС здійснюється дискретно в часі і в просторі. • Просторові переміщення ДН АС при скануванні здійснюються таким чином, щоб не залишалося просторових зон, які не перекриваються зоною впевненого захоплення система АСН за весь цикл сканування (див. рис.2).

Рис. 2 - Приклад організації дискретного просторового сканування в азимутальній і угломестной площинах

Для кожного конкретного просторового положення, що визначається алгоритмом сканування, можна виділити дві фази: «Автосупровід» і «Зовнішнє управління».

• У фазі «Автосупровід» система АСН здійснює оцінку можливості прийому <#"653073.files/image003.gif">(1)

У режимі «Автосупровід» сигнал управління сервоприводом остронаправленной АС може бути записаний:

(2)

Конкретний вид сигналів управління визначається конструктивними особливостями сервоприводу антеною системи.

Інерційна система БЛА

Ключовим моментом у згаданій ланцюжку є «вимір стану системи». Тобто координат місця розташування, швидкості, висоти, вертикальної швидкості, кутів орієнтації, а також кутових швидкостей і прискорень. У бортовому комплексі навігації та управління, розробленому і виробленим ТОВ «ТеКнол», функцію вимірювання стану системи виконує малогабаритна інерціальна інтегрована система (Мінс). Маючи у своєму складі тріади інерціальних датчиків мікромеханічних гіроскопів і акселерометоров), а також барометричний висотомір і тривісний магнітометр, і комплексіруя дані цих датчиків з даними приймача GPS, система виробляє повне навігаційне рішення за координатами і кутах орієнтації. Мінс розробки ТеКнола - це повна Інерційна система, в якій реалізований алгоритм безплатформного ІНС, інтегрованої з приймачем системи супутникової навігації. Саме <#"653073.files/image005.gif">

Рис. 3 - Схема Управління

У польоті автопілот також забезпечує видачу в канал передачі телеметричної інформації для стеження за польотом БЛА (Малюнок 3).

А що ж тоді являє собою «квазіавтопілот»? Багато фірм зараз декларують, що забезпечують своїх систем автоматичний <#"653073.files/image006.gif">

Рис. 4 - Інтерфейс пілота

Будь-яке істотне зовнішнє обурення (порив вітру, висхідний потік або повітряна яма) може призвести до втрати орієнтації літального апарату і аварією. Тому всі, хто коли-небудь стикався з подібною продукцією, рано чи пізно розуміли обмеженість таких автопілотів, які ніяк не можуть бути використані в комерційних серійних системах БЛА.

Більш відповідальні розробники розуміючи, що необхідно даний навігаційне рішення, намагаються реалізувати навігаційний алгоритм із застосуванням відомих підходів Калмановського фільтрації.

На жаль, і тут не все так просто. Калманівська фільтрація - це всього лише допоміжний математичний <#"653073.files/image007.gif">

Рис. 5 - Системи автоматичних <#"653073.files/image008.gif">

Рис. 6 - Маршрут і траєкторія польоту міні БЛА при зйомці місцевості

Підтримка заданої висоти польоту також забезпечується Мінс, яка виробляє комплексне рішення за даними GPS, барометричного висотоміра і інерціальних датчиків. При автоматичному польоті по маршруту бортовий комплекс забезпечує точність підтримки висоти в межах 5 метрів (Малюнок 6), що дозволяє впевнено літати на малих висотах і з огибанием рельєфу.

Рис. 7 - Вивід БЛА з критичного крену

Малюнок <#"653073.files/image010.gif">

Рис. 8 -Інтерфейс екрану оператора

Безпілотний комплекс аерофотозйомки також розробляється ТОВ «ТеКнол». Для цього проводиться доробка цифрового фотоапарата і його включення в контур управління автопілотом. Перші польоти <#"653073.files/image011.gif">

Рис. 9 - Принципова схема системи управління

Передача даних

Для передачі даних в даному проекті я використовую технологію wi-fi. Для забезпечення великої дальності польоту використаємо технологію 802.11n

Безпосередня проблема є дальність передачі даних без поміх. Існує два варіанта вирішення даної проблеми:

.Встановлення потужних передатчиків. Дане рішення не є прийнятним в даній ситуації, так як вимагає великих затрат електроенергії, що неприпустимо у літальному апараті малих розмірів

Регулювання положення антен у просторі, для здобуття прямого зв’язку.

Другий підхід не вимагає великого енергоспоживання, так як регулювання положення антени відбувається лише на базовій станції.

Розглянемо дану проблему детальніше

Для передачі сигналу на далекі відстані нам потрібні, або ретранслятори( встановлення яких накладно, бо маршрут польоту може змінюватися в залежності від багатьох умов і може не проходити через їхню зону прийому-передачі), або система регулювання положення антени.

Для розробки системи використаємо наступні пристрої:NanoStation Loco M2 - точка доступа

NanoBridge M5 25dbi - антена.

Дані пристрої не є найдешевшим варіантом, але забезпечують швидкість передачі даних до 150мб/сек, що теоретично дозволяє передавати потоком відео формату 4К. Перейдемо безпосередньо до системи регулювання антени. Також можливе використання вже існуючих систем регулювання.

Вибір елемента живлення

Елемент живлення також одним із головних елементів літального апарату,тому до його вибору треба віднестись відповідально. Розглянемо можливість використання іоністорів як паливних елементів.

Найбільша щільність потужності з усіх різновидів акумуляторів - як об'ємна, так і вагова довговічність - понад 10 років і 100000 циклів заряду/розряду (вже подтвеждена практичним використанням суперконденсаторів).

Дуже швидкий процес заряду батарей - до 100% ємності від 15 до 40 хвилин (залежить, в основному, від можливостей зарядного пристрою) необслуживаемость - суперконденсатори герметичні:

відносно низький показник саморозряду - до 10% в місяць,

дружність до довкілля - більшість суперконденсаторів побудовані на основі активованого вугілля, луги, гідроксиду нікелю і нікелевих элекродов, для суперконденсаторів на основі свинцевих електродів є вже відпрацьована технологія переробки,

можливість роботи при низьких температурах без істотного зниження характеристик простота визначення рівня заряду суперконденсатора - однозначна залежність від рівня напруги на конденсаторі Недоліки вага - кращі вироблені суперконденсатори мають щільність енергії на рівні 10-12Вт*год/кг, масові - 5-6Вт*год/кг, велике падіння напруги при розряді висока вартість, до $ 10 за кілоджоулі накопиченої енергії, але ця вартість, в основному, визначається дрібносерійним процесом виробництва суперконденсаторів, при зростанні попиту і появу справжньої конкуренції може бути зменшена в 7-10 разів. “LiPo” - це позначення від “Lithium Polymer”, який становить основу електрохімічної композиції осередки, з якої зібрана батарея. LiPo батареї відрізняються наступними параметрами: напруга (V), ємність (mAh) і струм розряду (C). Ось приклад маркування одного з акумуляторів «Turnigy 4000 mAh 3S 30C Lipo Pack».

<#"653073.files/image013.gif">

Рис. 11 - Типова Акумуляторна батарея

Струм розряду (C). На нашому прикладі це значення дорівнює 30 (30С). Але це не Ампери - це означає, що струм безпечного (для батареї) розряду може становити до 30 значень її ємності.

Природно, що при таких великих струмах акумулятор буде розряджатися дуже швидко. Порахувати на скільки часу вистачить ємності нашого акумулятора також нескладно. При струмі розряду 2000 маг, заряду акумулятора вистачить на 2 години, відповідно в одну хвилину буде споживатися 2000/60=33.3 мА. При струмі розряду 30000 мА (або 30 А) в хвилину буде витрачатися 500 мА, відповідно акумулятора ємністю 4000 маг вистачить на 8 хвилин (4000/500=8).

Крім цих позначень на етикетці акумулятора можна зустріти значення Charge rate, Charge Capacity або Charge Speed. Всі вони позначають одне - максимальний струм, яким можна заряджати акумулятор. Позначається, як і у випадку з струмом розряду, буквою (С) і вважається аналогічно. Якщо 2С, то струм заряду акумулятора ємністю 4000мАч складе 2*4000=8 Ампер..

Зважаючи на високу ціну та масу в даній роботі використовуються акумуляторні батареї 1х7В - для живлення мікроконтроллерів та 2х18в - для моторів. Доцільно використовувати відомі бренди, тому я вибрав:

. Для програмної частини - DuraTrax Onyx NiMH 6-Cell 7.2V 5000mAh Stick Traxxas DTXC2064 NIB

.Для апаратної частини - 2х Venom - 7.2v 5000mAh 6-Cell NiMH Battery Hump

Використання акамуляторів NiMH здешевлює ціну,в порівнянні з Li-Po.

Рис. 12 - Вибрана аккамуляторна батарея

Розрахований час польоту 1 год 23 хв.

Вибір Електромоторів і гвинтів.

Електромотор - ессенціальна деталь літального апарату, так як створює підйомну силу.

Якість ротора і коефіцієнта підйомної сили залежать, як це видно з рівняння попереднього параграфа, від наступних параметрів:

δ - середнього профільного опору;

А - тангенса кута нахилу кривої Cμ по α для профілю лопаті;- коефіцієнт заповнення;

Θ - кута установки лопаті;

γ - теоретичної величини (3)

(3)

Ступінь впливу кожного параметра на характеристики ротора встановити безпосередньо з рівнянь важко, тому нижче порівнюються характеристики ротора при різних значеннях одного параметра і відповідно при рівних інших. Характеристики ротора для такого порівняння підраховувалися за способом балансу енергії. За вихідні прийняті параметри А = 3, δ = 0,006, Θ = 2°, k =0,1 і γ = 10.

Порівнюючи відповідні криві, можна бачити ступінь впливу кожного параметра на якості і величини коефіцієнта підйомної сили.

При аеродинамічному розрахунку ротора доводиться робити вибір А і δ за характеристикою профілю лопаті. Не цілком вдалий вибір цих величин може привести до помилки у визначенні характеристик ротора.

Вибір параметра А для даного профілю лопаті можна зробити досить легко за графіком Су по α для профілю при λ=∞, так як А є коефіцієнт пропорційності Су куті α до критичного кута атаки. Величина А для всіх теоретичних профілів відповідно до теорії крила в плоскопараллельном потоку дорівнює π, для дійсних профілів вона буде менше.

Так, наприклад, для профілю Геттінгені 429 величина А = 3. З фіг. 64 видно, що невелика помилка у визначенні А не позначиться суттєво на характеристику ротора.

Набагато менш певний вибір δ коефіцієнта середнього профільного опору, а між тим він, судячи з кривим фіг. 65, сильно впливає на якість ротора.

При виборі δ треба виходити насамперед з того, що він повинен бути більше коефіцієнта лобового опору профілю на малих характеристики ротора.

Слід зазначити на закінчення, що експерименти з моделлю ротора D=1,5м, що проводилися в 1928 р. в аеродинамічній трубі Національної фізичної лабораторії в Англії, дали результати, що добре збігаються з результатами, отриманими підрахунком для того ж ротора з теорії Глауэрта і Локка.

Для данного проекту було обрано наступний електродвигун.

Мотор Turnigy RC SK2830-750.

Рис. 13 - Роторний мотор Turnigy RC SK2830-750

безпілотний літальний апарат мотор

Розрахуємо тягу

Результати вказують на те, що оптимальним буде гвинт розмірів 6х3, хоча більшість пілотів використовує з цим мотором гвинт 7х3.5.

Проведемо дослідження на правильність розробленої системи, використавши публічно доступний калькулятор eCalc.ch. (Див. Додаток А, Б). Розрахунки зроблені правильно- система готова для польоту

Обґрунтування економічної доцільності проекту

При розробці проекту були використані наступні прилади.

х Turnigy RC SK2830-750 = 4 x 10 = 40 $.= 20 $.Pi = 25$.

Контроллери моторів = 4х3=12$.

Виготовлення рами.

А) Карбонові труби 4х 5 = 20$

Б) Прокат металу 1х 2 = 2$

В) Метал. Кріплення 5$

Датчики (Барометр + Gps + Гіроскоп) = 20 $fi антенна дальньої дії = 100 $fi передатчик =70 $

Усього 364 доллари США.

Розглянемо моделі наявні на ринку з таким же функціоналом.

Наприклад DJI Phantom.

В порівнянні з даним пристроєм ми маємо більшу дальність передачі, більшу корисну масу,та час автономної роботи.

Проаналізувавши ситуацію на ринку можна зробити висновок, що продукт є принципово новим, так як дозволяє виконувати передачу відео формату 4К. Враховуючи велику корисну вагу, апаратну обробку відео та велику швидкість передачі данних апарат може зайняти свою нишу на ринку Бпла сільськогосподарського призначення.

Розрахунок вартості виробництва

Для виробництва тестового варіанту знадобилось:

Вартість первинного проектування складає 850 грн. При розробці були використані консультації провідних спеціалістів галузі, що дещо здорожує вартість прототипу. При випуску даного продукту на мануфактурі ціна кінцевого продукту буде значно знижена.

Охорона праці

При виконанні курсового проектування даного пристрою були виконані усі правила та дотримані усі норми, щодо охорони праці на виробництві:

Обробка металевих конструкцій проводилась виключно у передбачених для цього приміщеннях і у спеціальному одязі.

При роботі з пайки, з’єднання робочих елементів плати керуючого пристрою були дотримані усі правила і вимоги (Захист рук, антистатичні покриття, тощо).

При роботі зі склеєння робочих частей також були дотримані правила і норми, щодо захисту очей, шкіри.

Шкідливі і небезпечні фактори при роботі.

Шум гвинтів і моторів.

Для уникнення ураження барабанної перетинки, рекомендується проводити роботи з ввімкненим пристроєм лише при наявності захищаючого спорядження.

Можливість ураження струмом.

У пристрої наявні схеми з високою силою струму, тому не рекомендується торкатися несучих частин пристрою і забороняється проводити ремонтні роботи при ввімкненій системі.

Вібрація.

Рухомі частини.

Забороняється торкатися рухомих частин пристрою, так як це може привести до ураження шкіри, м’яз тощо.

Пересування апарату.

Апарат виконує пересування у просторі, тому необхідно відслідковувати за його положенням, бо це може призвести до значних ушкоджень.

Для усунення уражень на апараті існує система голосового та світлового оповіщення. Пристрій не рекомендується використовувати у маленьких закритих приміщеннях, для уникнення уражень.

Слід також зазначити, що потрібно дотримуватися правил роботи з горючими матеріалами при розробці та дотримуватися визначеного температурного режиму(Див. Додаток Б, А).

Список використаної літератури

1. Авіація: Енциклопедія / Гол. ред. Р. П. Свищев. - М.: Велика Російська енциклопедія, 1994. - С. 108. - 736 с. - ISBN 5-85270-086-X <#"653073.files/image017.gif">

Додаток Б

Розрахунок температурних режимів, корисної ваги та режимів роботи двигунів

Додаток В

Лістинг головного модуля керуючої програми (Частина 1)

//#define APM2_BETA_HARDWARE

//#define MAG_ORIENTATION_COMPASS_COMPONENTS_DOWN_PINS_FORWARD

//#define HIL_MODEHIL_MODE_ATTITUDE

//#define DMP_ENABLED ENABLED

//#define SECONDARY_DMP_ENABLED ENABLED // allows running DMP in parallel with DCM for testing purposes

//#define FRAME_CONFIG QUAD_FRAME

//#define FRAME_ORIENTATION X_FRAME

* PLUS_FRAME

* X_FRAME

* V_FRAME

//#define CH7_OPTIONCH7_SAVE_WP

* CH7_DO_NOTHING

* CH7_FLIP

* CH7_SIMPLE_MODE

* CH7_RTL

* CH7_SAVE_TRIM

* CH7_CAMERA_TRIGGER

Додаток Г

Лістинг головного модуля керуючої програми (Частина 2)

// Inertia based contollers

//#define INERTIAL_NAV_XY ENABLED

#define INERTIAL_NAV_Z ENABLED

//#define MOTORS_JD880

//#define MOTORS_JD850

// agmatthews USERHOOKS

// the choice of function names is up to the user and does not have to match these

// uncomment these hooks and ensure there is a matching function on your "UserCode.pde" file

//#define USERHOOK_FASTLOOP userhook_FastLoop();

#define USERHOOK_50HZLOOP userhook_50Hz();

//#define USERHOOK_MEDIUMLOOP userhook_MediumLoop();

//#define USERHOOK_SLOWLOOP userhook_SlowLoop();

//#define USERHOOK_SUPERSLOWLOOP userhook_SuperSlowLoop();

#define USERHOOK_INIT userhook_init();

// the choice of included variables file (*.h) is up to the user and does not have to match this one

// Ensure the defined file exists and is in the arducopter directory

#define USERHOOK_VARIABLES "UserVariables.h"

//#define LOGGING_ENABLEDDISABLED

// #define LOITER_REPOSITIONING ENABLED // Experimental Do Not Use

// #define LOITER_RP ROLL_PITCH_LOITER_PR

Висновок: В даному комплексному курсовому проекті було розроблено систему спостереження за сільськогосподарськими угіддями на базі безпілотного літаючого апарату на основі мікроконтроллера Atmega2560. Наведена його конструктивно-технологічна характеристика, визначено особливості системи управління, принципи роботи. Доведена доцільність використання даної системи. Зважаючи на швидкий розвиток роботизованих технологій, даний пристрій займе своє місце серед великого різноманіття моделей на ринку, так як використовує передові технології обміну даними та широкі можливості, щодо розширення. Гранична швидкість передачі даних 150 мб/с дозволяє в подальшому модернізувати систему під передачу відео якості 4К, що в поєднанні з великою корисною вагою роблять дану систему унікальною серед конкурентів. Було доведено, що на даному етапі розробка системи економічно вигідна. Були враховані всі правила безпеки при розробці та впровадженні даного пристрою. Система є цілком конкурентоспроможною на ринку.