Летающий робот с автоматическим переключением в режим посадки в исходную точку

Полезная модель "Летающий робот с автоматическим переключением в режим посадки в исходную точку" относится к области техники зондирования земной и водной поверхности.
В недавно появившемся семействе новых БПЛА-мультикоптеров простота конструкции и сборки полностью компенсируются работой активного мощного микропроцессора, совместно с набором датчиков: 3D акселерометров и 3D гироскопов, позволяющих постоянно определять углы и их изменения (т.е. ориентации платформы мультикоптера, несущей указанные датчики в пространстве). Так реализуется многоканальная обратная связь, компенсирующая любые отклонения платформы от изначально заданного и зафиксированного в пространстве положения. Помимо указанных датчиков в современных коптерах используются также электронные 3D магниты, барометры, акустические датчики, лазерные дальномеры и видеокамеры, обнаруживающие препятствия на пути коптера (летающего робота). В результате, основное достоинство мультикоптерной платформы это автоматическое перемещение (или зависание) в точке, определяемой в геофизических координатах (широты, долготы и высоты над уровнем моря), задаваемое связью со спутниковыми сетями (GPS-GLONASS). Платформа коптера в автоматическом и заранее запрограммированном режиме осуществляет взлет, движение в заданном геофизическом направлении с задаваемой программно скоростью и совершает посадку в заданной точке. Для зондирования земной и водной поверхности очень важно, чтобы коптер возвращался в исходную точку (т.е. точку, совпадающую с точкой взлета). В отличие от большинства летательных аппаратов действующие силы и вращательные моменты коптеров создаются силовыми группами - бесколлекторный мотор - пропеллер, причем, пропеллер простой (самолетный) без сложных приспособлений изменения угла наклона лопастей, как это делается в вертолетах, и вся совокупность описанных выше уникальных свойств базируется на прецизионном управлении каждым силовым агрегатом программой копьютера с использованием обратной связи по угловым координатам и спутниковой навигации в геофизическом пространстве. В каждом мультикоптере реализован набор стандартных силовых частей в виде выноса (луча) с регулятором тока, мотором и пропеллером. Отсюда и название: четыре луча - квадрокоптер, шесть - гексакоптер и т.д. Глубокий охват ориентации платформы коптера в пространстве системой обратных связей предоставляет уникальные способности этого летающего робота. Основные преимущества его следующие:
1. способность "зависания" в заданной программно геофизическими координатами точке пространства на неопределенный срок (длительность работы электрический аккумуляторов)
2. способность двигаться с программно заданной скоростью и курсом между точками зависания,
3. способность автоматической посадки (в том числе в исходную точку траектории полета).
4. все три вышеперечисленные способности выполняются полностью автоматически, в присутствие ветра, тумана, осадков днем и ночью.
Таким образом, появляется возможность полностью автономных полетов по сложным с несколькими точками зависания и посадки маршрутам по заданной программе. Разумеется, в любой момент возможен переход на ручное управление, для большинства коптеров это просто включение ручного пульта управления и прием соответствующего сигнала. Наиболее слабым параметром остается батарейное питание, так что продолжительность полета большинства коптеров не превышает, как правило, 30-ти минут, в редких "рекордных" - случаях одного часа. Таким образом, в полном цикле батареи коптера, включая сам полет и зарядку (которая обычно в три-четыре раза дольше длительности полета + время остывания аккумуляторов после очередного полета) время пребывания на земле в 3-5 раз больше, чем в воздухе. При попытках профессионального использования коптера (например, отслеживания чрезвычайных ситуаций или возникновения очагов лесных пожаров), полезное время сокращается еще больше, поскольку на коптер устанавливается дополнительная аппаратура. В связи с вышеизложенным предлагается использовать одно из замечательных свойств коптера садится в исходную точку полета, назовем ее Базой. В центре Базы необходимо разместить двуцветную светодиодную светящуюся полосу, расположенную с севера на юг (подобно стрелке магнита), а по бокам от светящейся полосы расположить плоские проводящие электроды. Клеммы зарядки необходимо вывести на шасси коптера (ток заряда существенно меньше полетного, поэтому зарядные провода можно выбрать меньшего диаметра так, что на вес коптера проводка от батарей к шасси скажется несущественно). Поскольку коптеры имеют компас и снабжены хотя бы одной видеокамерой, светящаяся полоса при движении сверху вниз с расстояния несколько метров достаточно отчетливо будет "видна" "микропроцессору". Поэтому, при точности возврата на исходную точку порядка одного метра при посадке (если заложена соответствующая программа) процессор легко обеспечит ее положение ровно между полосами - зарядными электродами шасси коптера. При весе коптера более двух килограмм прижим каждого электрода к плоской поверхности зарядного устройства должен быть достаточным для обеспечения хорошего контакта, в противном случае, можно использовать простейшие прижимы типа валиков (двигающихся от периферии к светящейся полосе) фиксирующие коптер после посадки и осуществляющие дополнительный прижим. После посадки и охлаждения батарей коптер немедленно начинает заряжаться от металлических посадочных полос, и после зарядки может взлетать вновь, осуществляя непрерывный рабочий цикл. В зависимости от требований приложения для действительной непрерывности отслеживания возгораний может использоваться два и более мультикоптеров, каждый со своей посадочной - стартовой площадкой, например таким образом, чтобы в воздухе постоянно находился один или несколько коптеров. В качестве прототипа данной полезной заявки можно взять один из самых совершенных на сегодняшний день квадрокоптеров известной фирмы (Dji ckymec) Phantom 3 - выпуск 2015 года [1] (здесь при выборе аналога мы специально не приводим сведения о коптерах оборонного применения, тем не менее, изделие соответствует требованиям федеральной комиссии связи ФКС в части 15: " Эксплуатация изделия возможна при выполнении двух условий:
1) изделие не создает помех
2) изделие должно принимать любые помехи, в том числе иметь возможность отрабатывать такие помехи, которые могут вызвать нежелательный режим работы"
Phantom 3, кроме GPS-GLONASS имеет дополнительную систему визуального позиционирования, состоящую из двух ультразвуковых парктроников и дополнительной черно-белой видеокамеры, что позволяет платформе коптера передвигаться с высокой точностью даже в отсутствие GPS сигнала, например в закрытых помещениях. Отметим, что при весе батарей 1280 г максимальное время полета составляет 20 минут, что не так уж мало для любительской аэрофотосъемки, но практически неприемлемо для промышленных приложений, подобных указанному выше. Потолок работы коптера равен 6000 м, т.е. вполне достаточен для реализации многочисленных практических приложений. Близкие данные получаются и у отечественных разработок, выполняемых в этом направлении, в частности квадрокоптер фирмы "RusAeroLab" взлетел выше 5 км вверх [2, 3]. Причем коптер сам в автоматическом режиме поднялся выше 5 км и опустился в режиме P-GPS, приземлившись в 70 см от исходной точки взлета [2, 3].
В качестве аналога полезной модели, фактически может подойти любой робот, который находит клеммы подзарядки батарей в ситуации, когда заряд батарей подходит к нулю. Пока такие летающие роботы авторам не известны, но самый простой пример из "наземных" роботов это, например, бытовой робот пылесос i-Robot, который сам в автоматическом режиме находит зарядные клеммы по мере разрядки аккумуляторов, присоединяется к ним, производит зарядку и в запрограммированное ранее время приступает к уборке помещения. В общем случае все аналогично, только для летающего робота, уходящего от места зарядки на километры, все гораздо сложней и решать эту задачу приходиться с помощью спутниковых систем навигации, компаса и точных систем поддержки ориентации платформы коптера в пространстве посредством набора датчиков и обратных связей.
Литература
1. Компания ООО "ЮВС АВИА" http://uvsavia.ru/
2. ООО "АэроЛаборатория" (ООО "РусАэроЛаб"), Инновационные беспилотные мультироторные вертолеты и воздушная фото и видео съемка, http://www.rusaerolab.ru/about.html
3. Группа компаний ZALA AERO GROUP - полный цикл от разработки до производства, http://zala.aero/