БЕСПИЛОТНЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ

Область техники.
Полезная модель относится к сверхмалым беспилотным летательным аппаратам (далее БПЛА) в форме шара с четырехканальной системой управления и силовой установкой импеллерного типа.
Уровень техники.
В современном уровне техники БПЛА используют для выполнения множества различных задач, в том числе для наблюдения, разведки, захвата цели, целеуказания, сбора данных, передачи данных в системах связи, в качестве ложных целей, для постановки помех и т.д.
Например, известен радиоуправляемый ЛА Space Ball фирмы Kyosho (http://www.gizmag.com/kyosho-space-ball/24711/). В данном БПЛА, выполненном в форме шара, используется силовая установка (далее СУ) с соосными несущими, двухлопастными винтами, расположенными друг за другом и вращающимися в разные стороны без автомата перекоса, но с системой балансировки шага лопастей. Винты приводятся в движение двумя независимыми коллекторными электродвигателями через понижающий редуктор. Данная схема обеспечивает только 2 степени свободы. Первая - полет вверх/вниз путем изменения суммарной тяги винтов, которая зависит от угловой скорости электродвигателя. Вторая - направление полета (рыскание), обеспечивается разностью угловых скоростей несущих винтов. Для полета в заданном направлении используется вспомогательная СУ в виде тянущего или толкающего воздушного винта. Она расположена сверху над основными несущими винтами и служит для создания относительно центра масс БПЛА момента, который наклоняет (поворачивает) БПЛА в горизонтальной плоскости. Конструктивно этот БПЛА выполнен из ударопрочных, жестких пластиков наподобии ABS или PLА с использованием технологического метода - литье под давлением. Однако данное устройство имеет ряд недостатков, а именно: открытые несущие винты, повышающие вероятность их повреждения, что ведет к потере управляемости всего БПЛА и понижает общую безопасность при взаимодействии с человеком; из-за использования соосной схемы относительно большие габариты; менее маневренное и управляемое из-за трехканальной системы управления.
Сущность полезной модели.
Задачей заявленного технического решения является создание БПЛА в форме шара с максимально возможными наименьшими габаритами планера/конструкции в классе сверхмалых БПЛА весом до 0.5 кг, с четырехканальной системой управления и силовой установкой импеллерного типа.
Техническим результатом является повышение надежности БПЛА.
Указанный технический результат достигается применением специальной конструктивной компоновки всего БПЛА. В частности, заявленный БПЛА содержит: кожух БПЛА, выполненный в форме шара, усиленный ребрами жесткости; силовой каркас, представляющий собой тонкостенную трубу, внутри которой установлены ламинаторы воздушного потока, причем силовой каркас закрепляется внутри кожуха, образуя полезный объем между внешней стеной силового каркаса и кожухом;
силовую установку импеллерного типа, прикрепленную к силовому каркасу и создающую воздушный поток, проходящий через силовой каркас, причем кожух имеет соответствующие отверстия, обеспечивающие поступление воздуха в силовую установку импеллерного типа и вывод его наружу через силовой каркас;
органы управления БПЛА, состоящие из четырех закрепленных внутри силового каркаса сервоприводов и четырех аэродинамических поверхностей - рулей, жестко закрепленных на валу соответствующего сервопривода, отклонение которых приводит к изменению положения и ориентации БПЛА в пространстве;
систему управления БПЛА для управления силовой установкой импеллерного типа и органами управления БПЛА, закрепленную на внешней стороне боковой стены силового каркаса.
Используемая силовая установка импеллерного типа обладает наименьшим компоновочным объемом в сравнении с одновинтовой или соосной силовой установкой, вследствие чего рабочий воздушный канал также занимает меньший объем относительно объема корпуса всего БПЛА. Увеличенный полезный объем, образованный между силовым каркасом, на котором закреплена система управления БПЛА, и кожухом при столкновениях или жесткой посадке БПЛА дает пространство для упругой деформации кожуха, что предотвращает повреждения системы управления БПЛА. Также кожух предотвращает попадание посторонних предметов, которые могут вывести из строя систему управления БПЛА, а ребра жесткости и силовой каркас повышают прочность кожуха и дополнительно защищают от повреждений органы управления БПЛА, установленные внутри силового каркаса.
Для лучшего понимания сущности полезной модели, и чтобы более ясно показать, каким образом она может быть осуществлена, далее будет сделана ссылка на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 - общий вид БПЛА;
фиг. 2 - общий вид БПЛА без кожуха;
фиг. 3 - первый этап разборки изделия на узлы, агрегаты и системы;
фиг. 4 - второй этап разборки изделия на узлы, агрегаты и системы;
фиг. 5 - третий этап разборки изделия на узлы, агрегаты и системы;
фиг. 6 - силовой каркас с асимметричными ламинаторами потока.
Осуществление полезной модели.
На фиг. 1 и фиг. 2 изображен общий вид БПЛА в форме шара в кожухе и без кожуха соответственно с различных ракурсов.
Далее со ссылкой на фиг. 3-5 приведена подробная конструкция БПЛА.
На фиг. 3 изображен первый этап разборки изделия на узлы, агрегаты и системы. Кожух, выполненный в форме шара, состоит из двух тонкостенных полусфер - верхнего кожуха 1 и нижнего кожуха 3, и усилен ребрами жесткости с необходимыми отверстиями и лючками для удобства сборки и настройки БПЛА. Отверстие в верхнем кожухе обеспечивает поступление воздуха в силовую установку импеллерного типа 6, прикрепленную к силовому каркасу, а вывод воздуха осуществляется через силовой каркас 5 и отверстие в нижнем кожухе. Также на фиг. 3 изображена система энергообеспечения, представляющая собой левый 2 и правый 4 аккумуляторы, размещаемые внутри корпуса на силовом каркасе 5.
Силовая установка импеллерного типа 6 (далее импеллерная СУ) содержит импеллер - лопаточную воздушную машину (крыльчатку), заключенную в кольцо (статор), приводимый в движение электродвигателем. Данный агрегат является покупным изделием (активно используется в авиамоделизме) и для корректного выбора должен обладать следующими параметрами:
- диаметр входного отверстия 50-64 мм;
- крыльчатка с 5-ю или 6-ю лопастями;
- электродвигатель - бесколлекторный с частотой вращения вала 3500KV-4500KV;
- вес всей СУ не более 80 грамм;
- энергоэффективность=(Макс. Тяга)/(Потр. эл. мощ.)=2.1-2.4 г/Вт.
Система энергообеспечения состоит из двух Li-Po аккумуляторов 2 и 4, соединенных параллельно. Являются покупным изделием и для корректного выбора они должны обладать следующими параметрами:
- емкость: 800-1200 мА⋅ч;
- напряжение: 11.1-14.8 В;
- количество банок: 3S-4S;
- максимальный ток разряда: 20-30 С
- вес двух батарей не более 160 г.
Силовой каркас 5 представляет собой, условно, тонкостенную трубу, внутри которой установлены четыре асимметричные ламинатора воздушного потока. Они обеспечивают 80% компенсации реактивного момента от крыльчатки СУ на всех режимах полета, т.е. стабилизируют БПЛА по рысканию. Ламинаторы имеют в сечении форму аэродинамического профиля, определяемого из аэродинамических расчетов и подтверждаемого стендовыми испытаниями. Второй основной задачей силового каркаса 5 является несущая функция, т.е. на него устанавливаются и крепятся все остальные системы и агрегаты. От его прочности и жесткости зависит прочностная характеристика всего БПЛА в целом.
На фиг. 4 и 5 изображены второй и третий этапы разборки изделия на узлы, агрегаты и системы. Одним из недостатков импеллерной СУ 6 является наличие при работе вибраций определенной частоты, вызванных неточностью изготовления узлов и деталей данной СУ. Эти вибрации вносят шумы и ошибки в работу инерциально-измерительной системы 10. Для частичного устранения этого явления была разработана система виброизоляций СУ 7. Она заключается в использовании упругих резиновых элементов в узлах крепления инерциальной СУ 6 к силовому каркасу 5 БПЛА. Система управления БПЛА состоит из программной и аппаратной частей, обеспечивающих стабилизацию и управляемый полет БПЛА. Программная часть состоит из программы, написанной на С++, описывающей методы и алгоритмы управления аппаратной частью. Аппаратная часть состоит из: основного контроллера управления 13, контроллера управления 8 бесколлекторным двигателем СУ, четырех сервоприводов 12 и приемопередающего устройства 9. Все элементы аппаратной части являются покупными изделиями, для корректного выбора которых они должны обладать следующими параметрами:
- основной контроллер 13 должен выполнять фильтрацию данных из инерциально-измерительной системы на основе AHRS алгоритма Себастиана Мажвика, следить за состоянием и управлять остальной аппаратной частью в соответствии с заложенными алгоритмами, и должен обладать необходимой и достаточной вычислительной мощностью: ARM архитектура, разрядность 32 бит, частота от 100 MGz, память от 512 кб;
- контроллер управления 8 бесколлекторным двигателем должен соответствовать требованию выдерживать длительные нагрузки током, который потребляет электродвигатель СУ;
- характеристики сервопривода 12: скорость работы - 0.10 сек/60° при отсутствии нагрузки, блокирующий момент - 0,8 kg*cm, вес - 4,5 г;
- приемопередающее устройство 9 необходимо для получения внешних команд управления и отправки данных телеметрии БПЛА, которое может быть реализовано с использованием беспроводных интерфейсов Bluetooth, WiFi и т.д.
Инерциально-измерительная система 10 определяет положение и ориентацию БПЛА в пространстве, в ее состав входит набор из трех осевых датчиков - акселерометра/гироскопа/магнитометра и барометра, со встроенным фильтром низкого уровня. Указанная система является покупным изделием на основе MEMS технологии, для корректного выбора должно обладать следующими параметрами:
- рабочий диапазон гироскопа: ±250°/c;
- чувствительность гироскопа: 16,4 LSB/°/c;
- рабочие диапазоны акселерометра: ±4, ±8g;
- рабочий диапазон магнитометра: ±4800 мкТл;
Органы управления БПЛА 11 состоят из четырех независимых одинаковых аэродинамических поверхностей - рулей, отклонение которых приводит к изменению положения и ориентации БПЛА в пространстве. Рули расположены в одной плоскости, по кругу с шагом 90 градусов, на равном удалении от центра масс. Каждый руль жестко закреплен на валу соответствующего сервопривода 12, а каждый сервопривод устанавливается в специальный конструктивный паз силового каркаса 5 и фиксируется двумя саморезами.
Отклонение рулей осуществляется управлением положения соответствующего сервопривода в диапазоне -20°…+20°. Конструктивно руль представляет собой тонкостенную решетчатую конструкцию со сложной формой в сечении. Форма и размеры сечения определяются из аэродинамических расчетов и подтверждаются стендовыми испытаниями.
Центр масс всего БПЛА расположен на вертикальной оси на уровне геометрического центра крыльчатки. При допустимых упрощениях геометрический центра крыльчатки будет условно совпадать с центром приложения полной равнодействующей аэродинамической силы, т.е. схема данного БПЛА статически нейтральная, что повышает маневренность и управляемость ЛА, но в свою очередь усложняет систему управления.
Основным материалом, используемым для производства силового каркаса 5, кожуха и аэродинамических рулей, - АБС пластик в виде прутка диаметром 1.75 мм, используемый для 3D печати. Данный пластик обладает необходимой прочностью и жесткостью при относительно малом удельном весе, легко поддается механообработке и постобработке.
Технология производства деталей - экструзионная послойная 3D печать, обеспечивающая удовлетворительную точность, минимальную стоимости печати 1 куб. см., максимальную скорость. Также 3D печать позволяет получить сложную форму, геометрию детали, которую нельзя (или дорого) получить другими технологиями производства. Это достоинство 3D печати уменьшает общее количество деталей, крепежных элементов, что в свою очередь уменьшает общий вес конструкции.
На фиг. 6 изображен силовой каркас с асимметричными ламинаторами воздушного потока с различных ракурсов, а также в различных сечениях.
Далее будет описан принцип работы заявленного БПЛА.
РЕАК
РЕАК
ВАЛ ДВ.
ВАЛ ДВ.
МЕХ
НАГ
РЕАК
ВАЛ ДВ.
МЕХ
НАГ
Импеллерная СУ 6 была выбрана, т.к. при минимальной требуемой энергоэффективности 2.1-2.4 г/Вт обладает самыми меньшими габаритами рабочего тела - крыльчатки (64 мм) - в диаметре, относительно соосной двух винтовой или одновинтовой СУ. Управление тягой регулируется оборотами электродвигателя через контроллер управления бесколлекторным двигателем 8, который получает сигналы управления от основного контроллера управления 13. Крыльчатка, создавая подъемную силу, также создает реактивный момент, равный по величине и противоположно направленный моменту на валу электродвигателя. Этот момент относительно вертикальной оси создает угловую скорость, которая закручивает корпус в противоположную сторону вращения крыльчатки. Для компенсации реактивного момента в силовой каркас 5 установлены четыре ламинатора воздушного потока с асимметричным профилем в сечении. Под действием воздушного потока, созданного крыльчаткой, на поверхности ламинатора возникает аэродинамическая сила определенной величины и направления. Проекция этой силы на горизонтальную ось относительно вертикальной оси создает момент, противоположно направленный реактивному моменту. Сумма моментов от всех 4 ламинаторов компенсирует 80-90% реактивного момента, остальную часть компенсируют 4 аэродинамических руля одновременным отклонением в одну сторону на одну и туже величину угла. Управление по каналу рыскания также осуществляется одновременным отклонением всех 4 рулей, уменьшая или увеличивая компенсирующий момент ламинаторов. Форма профиля, размеры в сечении и площадь поверхности ламинатора определяются из условия необходимой величины аэродинамической силы ламинатора. Аэродинамическая сила ламинатора определяется как 1/4 М, М=М, а М=Ρ/Ω, где М - момент реактивный, М - момент на валу двигателя, Р - мощность механическая, Ω - угловая скорость с нагрузкой на валу двигателя.
МЕХ
ЭЛЕК
Угловая скорость двигателя с нагрузкой на валу измеряется на стенде датчиком угловых скоростей. Мощность механическая Р=Р×КПД двигателя. Зная требуемую величину силы ламинатора по аэродинамическим справочникам, выбирается профиль с наилучшим качеством в заданном диапазоне скоростей воздушного потока. В любой из доступных САПР строиться 3D модель геометрии ламинаторов, силового каркаса и модель импеллера. Далее в специализированной программе для аэрогидромоделирования (например Flow Simulation) проводится серия проверочных расчетов (минимум 10 продувок), полученные данные анализируются, при необходимости вносятся изменения в геометрию ламинаторов и процесс повторяется вновь.
Под действием воздушного потока, созданного крыльчаткой, на поверхностях аэродинамических рулей при их отклонении возникает аэродинамическая сила определенной величины и направления, которая относительно центра масс БПЛА создает момент. Этот момент изменяет ориентацию, поворачивает БПЛА относительно продольной или поперечной оси, по тангажу или по крену. Посредством первой пары рулей, расположенных диагонально, регулируют тангаж, а посредством другой пары рулей - регулируют крен. Форма, размеры в сечении и площадь поверхности рулей определяются из условия необходимой и достаточной величины, создаваемой аэродинамической силой на максимальном угле отклонения. Величина требуемой силы определяется из требований к быстродействию системы управления.
Инерциально-измерительная система 10 посылает измеренные по трем осям данные акселерометра/гироскопа/магнитометра в основной контроллер, затем данные фильтруются алгоритмом AHRS Себастиана Мажвика, и на выходе фильтра определяются текущие углы положения БПЛА (тангаж, крен и угол рыскания). Эти данные - углы обновляются с частотой 200 Hz. Далее углы вычитаются из текущих значений системы правления (в режиме зависания крен и тангаж=0), если есть рассогласование (не 0), значение этого рассогласования поступает в ПИД регулятор, ПИД регулятор на основе значения рассогласования формирует управляющий сигнал сервоприводам, сервоприводы отклоняют рули, рули создают управляющие силы, силы поворачивают БПЛА в нужную сторону для устранения рассогласования. Т.е. система управления БПЛА является замкнутой с отрицательной обратной связью по положению.
Для полета в заданном направлении контроллер через приемопередающее устройство 9 принимает сигнал оператора БПЛА (или сигнал вышестоящей системы управления, автопилота, ИИ). Этот сигнал содержит новые текущие значения углов крена или тангажа, и ПИД регулятор будет устранять ошибку по положению не относительно 0, а относительно нового значения. Также произойдет отклонение вертикальной оси БПЛА, что приведет к появлению проекции тяги на горизонтальную ось, т.е. появится горизонтальная сила, которая будет создавать линейное перемещение БПЛА. Однако проекция тяги на вертикальную ось будет меньше изначальной тяги, в следствии чего БПЛА начнет снижение. Для устранения снижения система управления БПЛА в момент отклонения от вертикали должна увеличить тягу на коэффициент, пропорциональный углу отклонения.
Для определения всех коэффициентов ПИД регуляторов в каждом канале управления создается 3D модель сборки всего БПЛА со всеми узлами и системами с требуемым взаимным расположением. Для каждого узла, детали и системы определяется максимально допустимый вес. Далее данная сборка конвертируется в специальный формат Mathlab Simulink, где предварительно описываются все механические связи и зависимости. Запускается математическое моделирование механики и системы управления. По результатам математического моделирования редактируются необходимые параметры системы управления.
Представленная конструкция БПЛА позволяет обеспечить высоким уровнем защиты органы и систему управления БПЛА, уменьшить вес БПЛА и увеличить долю полезной нагрузки по сравнению с известными БПЛА, выполненными с одновинтовой или соосной силовой установкой.