СПОСОБ АВАРИЙНОЙ ПОСАДКИ КВАДРОКОПТЕРА
METHOD OF EMERGENCY LANDING OF QUADCOPTER

Область техники
Изобретение относится к области авиации, а именно к летательным аппаратам (ЛА) вертикального взлета и посадки («мультикоптер»).
Уровень техники
Из уровня техники известен ЛА вертикального взлета и посадки (см. патент Российской Федерации RU 143505 на полезную модель, Патентообладатель: Арсентьев Д.А., опубл. 27.07.2014).
ЛА включает два двигателя, каждый из которых механически связан с одним из двух несущих винтов. Синхронная работа обоих двигателей обеспечивается блоком управления - бортовым компьютером, что позволит как синхронизировать работу обоих двигателей, так и учесть возможные особенности эксплуатации ЛА в зависимости от климата, времени года и т.п.
Управление по тангажу производится за счет перераспределения тяги между двумя несущими винтами по сигналу от бортового компьютера на соответствующий двигатель, а также на сервоприводы рулей управления, которыми оснащены каналы винтов. Управление по крену регулируется по сигналу от бортового компьютера на сервоприводы рулей управления. Сочетая описанное выше управление по тангажу и крену, обеспечивают управление по курсу. При продолжительном (более нескольких секунд) отклонении центра тяжести выдается команда на перераспределение тяги между двигателями. Также двигатели используются для управления ЛА на резком маневре, обеспечив быстрое перераспределение тяги за короткий промежуток времени.
Недостатком известного технического решения является использование только двух двигателей и двух винтов, что не обеспечивает аварийную посадку при возникновении аварийной (нештатной) ситуации на одном из двигателей (его отказе), система парашютного типа не предотвращает аварию, а лишь смягчает ее последствия, а также невозможность аварийной посадки с помощью парашюта при малых высотах полета.
Из уровня техники известен аэромобиль (см. патент Российской Федерации RU 147731 на полезную модель, Патентообладатель: Арсентьев Д.А., опубл. 20.11.2014).
Аэромобиль включает планер, силовую установку с винтами вертикального взлета и посадки, средства управления полетом, винты управления полетом с приводом от электрических двигателей, бортовой компьютер и, по меньшей мере, два маршевых винта.
Маршевые двигатели обеспечивают необходимую подъемную силу и стабилизацию по тангажу и крену. Каждый из электрических двигателей винтов управления полетом подключен к «своему» генератору, передающему электрическую энергию в распределитель питания. Распределитель питания, в свою очередь, передает электрическую энергию прямо на электрические двигатели, которые приводят в движение винты управления полетом, режимы работы которых обеспечивают выравнивание центра тяжести и стабилизацию аэромобиля в воздухе. При отказе одного из двигателей винтов управления полетом, а также одного из двигателей привода маршевых винтов становится возможным аварийное питание электрических двигателей от накопленного заряда из аккумулятора. Например, в этот момент станет возможна работа электрических двигателей в экстренном режиме, когда мощность кратковременно (на 3÷5 сек) повышается в 1,5÷2 раза, для выравнивания ЛА относительно плоскости. Также в течение нештатного режима аппарат сможет безопасно активировать парашютную систему спасения.
Недостатками известного технического решения являются: использование системы спасения парашютного типа, которая не предотвращает аварию, а лишь смягчает ее последствия, а также невозможность аварийной посадки с помощью парашюта при малых высотах полета.
Из уровня техники известен ЛА вертикального взлета и посадки (см. патент Российской Федерации RU 140653 на полезную модель, Патентообладатель: ООО «ДиалКом», опубл. 20.05.2014).
ЛА вертикального взлета и посадки оборудуется системой аварийной посадки, состоящей из блока управления, парашюта, исполнительного механизма отстрела парашюта, аварийного радиомаяка, аварийного светового маяка, аварийного маяка инфракрасного диапазона и ультразвукового зуммера.
Недостатками известного технического решения являются: использование системы спасения парашютного типа, которая не предотвращает аварию, а лишь смягчает ее последствия, невозможность аварийной посадки с помощью парашюта при малых высотах полета, а также невозможность аварийной посадки при использование при возникновении аварийной (нештатной) ситуации на одном из двух электродвигателей.
Из уровня техники известен «летающий мотоцикл» (см. патент Российской Федерации RU 108016 на полезную модель, Патентообладатель: Злобин А.А., опубл. 10.09.2010).
Летающий мотоцикл обладает системой спасения парашютного типа, содержит крестообразную раму, 4 симметричных пропеллера и двигатель, система управления имеет электронно-цифровой блок, обеспечивающий автоматический контроль за положением аппарата в воздухе по горизонтали и вертикали путем подачи управляющих сигналов моторам, использующий данные от электронных датчиков и вычисляющий скорость вращения для каждого отдельного пропеллера, и компенсирующий внешние воздействия, обеспечивающий передачу исполнительных команд на моторы с управляющих устройств мотоцикла; управляющие устройства располагаются на руле.
Недостатками известного технического решения являются: пропеллеры большого размера и массы не могут быть быстро остановлены при аварии, что усложняет задачу стабилизации аппарата в воздухе, отказ хотя бы одного пропеллера из четырех, а также любых других элементов конструкции, обеспечивающих работу пропеллера, ведет к аварии; система спасения парашютного типа не предотвращает аварию, а лишь смягчает ее последствия, а также невозможность аварийной посадки с помощью парашюта при малых высотах полета.
Из уровня техники известен летающий мотоцикл по проекту Aero-Х Hoverbike (http://aerofex.com/theaerox/), содержащий двигатель внутреннего сгорания и два пропеллера для обеспечения тяги, а также систему управления на отклоняемых аэродинамических рулях.
Недостатком известного технического решения является: двухпропеллерная схема с применением двигателя внутреннего сгорания является неустойчивой, отказ одного двигателя или любое нарушение в работе пропеллеров ведет к немедленной раскрутке ЛА в воздухе и делает невозможным его спасение; пропеллеры большого диаметра и массы усложняют стабилизацию ЛА, пропеллеры не могут быть быстро остановлены при аварии.
Из уровня техники известен летающий мотоцикл по проекту «МА hoverbike helicopter» (http://www.hover-bike.com/MA/product/hoverbike-helicopter/), обладающий, в разных конфигурациях, двумя или четырьмя пропеллерами.
Недостатком известного технического решения является: отказ двигателя или любое нарушение в работе пропеллеров ведет к немедленной раскрутке ЛА в воздухе и делает невозможным его спасение. Пропеллеры большого диаметра и массы усложняют стабилизацию аппарата в воздухе, они не могут быть быстро остановлены при аварии.
Из уровня техники известен летательный аппарат под названием «Moller M200G Volantor» (US) (http://www.moller.com/), содержащий платформу, фюзеляж, восемь роторно-поршневых двигателей Ванкеля, восемь пропеллеров в кольцевом ободе, кабину, сиденье пилота.
Недостатком известного технического решения является: отказ единой топливной системы с баком для питания всех двигателей приводит к остановке всех двигателей сразу, а посадка на авторотации невозможна в силу малого диаметра пропеллеров и тормозящих сил в двигателях, что не обеспечивает безопасности полета через резервирование. Высокая сложность управления двигателями, необходимость постоянно выдерживать высокие обороты для сохранения оптимального режима работы двигателя. Данная система увеличивает массу аппарата, снижает его надежность, добавляет лишний обслуживаемый узел у каждого мотора. Совокупность недостатков системы движителя приводит к раскачкам ЛА даже в безветрие с перспективой потери стабилизации и аварии.
Из уровня техники известен летательный аппарат (см. http://www.e-volo.com/, заявка US 2015012154 на изобретение, опубл. 08.01.2015, Заявитель: VOLO GMBH Е [DE].
ЛА содержит 16 горизонтально расположенных электродвигателей с пропеллерами, кабину пилота и аккумуляторную батарею в ней, а также систему спасения всего аппарата парашютного типа.
Винты неподвижно закреплены на осях электродвигателей. Изменение высоты полета, поворот и горизонтальное движение обеспечивается исключительно за счет уменьшения или увеличения оборотов двигателей. Положение и направление полета автоматически поддерживают несколько независимых и взаимно контролируемых компьютеров (резервирование), управляя индивидуальной скоростью вращения каждого двигателя. ЛА содержит датчики положения для управления ориентацией ЛА, один блок обработки сигнала, предназначенный для автоматического управления ориентацией на основе данных измерений, поступающих от датчика ориентации, регулируя скорость мотора для ориентации по горизонту, блок обработки сигнала строится как процессор цифровых сигналов, микроконтроллер, FPGA цифровой контроллер, аналоговый процессор, аналоговый компьютер или аналоговый контроллер.
Недостатком известного технического решения является: зависимая энергосистема, где все двигатели питаются от одной батареи с большой протяженностью силовой проводки от единственной батареи к двигателям, что не обеспечивает безопасности полета через резервирование, т.к. отказ батареи ведет к отказу всех двигателей сразу, а посадка на авторотации невозможна в силу малого диаметра пропеллеров и тормозящих сил в электродвигателях привода. Система спасения парашютного типа не предотвращает аварию, а лишь смягчает ее последствия.
Раскрытие сущности изобретения
Техническим результатом заявленного изобретения является: обеспечение безопасности полета квадрокоптера путем стабилизации полета квадрокоптера по горизонтали при возникновении аварийной (нештатной) ситуации.
Технический результат достигается тем, что:
- до старта в бортовой летный компьютер квадрокоптера закладывается программа с предельными (пороговыми) значениями параметров, являющимися предвестниками аварийных (нештатных) ситуаций, возникающих на электродвигателях и несущих винтах;
- во время полета квадрокоптера при возникновении аварийных (нештатных) ситуаций на одном из четырех независимо работающих электродвигателей или несущих винтов, например, при поломке несущего винта или отказа электродвигателя, расположенных по два, по обе стороны симметрично относительно центра тяжести и продольной оси квадрокоптера, сигнал ошибки с неисправного электродвигателя или несущего винта фиксируется контроллерами и/или датчиками и мгновенно поступает на бортовой летный компьютер с процессором, который по заданной программе перед стартом определяет соответствующую неисправность, выдает команду (сигнал) управления на мгновенное отключение противоположного относительно центра тяжести и продольной оси квадрокоптера электродвигателя и равномерное перераспределение и увеличение тяги к другой паре работающих исправно, противоположных относительно центра тяжести и продольной оси квадрокоптера, электродвигателей, при этом два оставшихся работающих исправно электродвигателя выводятся бортовым летным компьютером на максимальный режим работы, обеспечивающий компенсацию потерь двух других электродвигателей, осуществляя при этом преобразование квадрокоптера в режим бикоптера (X→ВI), стабилизацию квадрокоптера в воздухе по горизонту и аварийную плавную посадку (снижение) квадрокоптера по вертикали, обеспечивая тем самым безопасность снижения квадрокоптера, исключая раскрутку, заваливание (смещение) в разные стороны и падение квадрокоптера. Управляемость при этом частично теряется.
Краткое описание чертежей
Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее.
На фиг. 1 - структурная схема квадрокоптера;
На фиг. 2 - пример реализации квадрокоптера.
На фигуре 1 обозначено следующее:
1
4
1-1 - электродвигатели несущих винтов;
1
4
2-2 - контроллеры;
3 - бортовой летный компьютер;
4 - высокочувствительные датчики.
Осуществление изобретения
1
4
1
4
Для осуществления безопасности полета (см. фиг. 1) бортовой летный компьютер (3) с процессором по заданной программе определяет соответствующую неисправность квадрокоптера (отказ одного из четырех электродвигатели (1-1) или поломку одного из четырех несущих винтов) и выдает сигнал (команду) управления на автоматическое мгновенное преобразование квадрокоптера в режим бикоптера (X→ВI) путем перераспределения (увеличения вдвое) тяги к двум противоположным относительно центра тяжести и продольной оси квадрокоптера исправно работающим электродвигателям несущих винтов, увеличивая при этом скорость работы электродвигателей несущих винтов. Активация бортового летного компьютера (3) при возникновении неисправности - аварийной (нештатной) ситуации происходит мгновенно, а неисправность - поломка одного из четырех несущих винтов или отказ одного из четырех электродвигателей (1-1) не ведет к раскрутке, опрокидыванию, заваливанию (смещению) в разные стороны и падению квадрокоптера. Потерянная тяга и крутящий момент вследствие возникающей неисправности автоматически перераспределяется на исправную противоположную симметричную относительно центра тяжести и продольной оси квадрокоптера исправно работающую пару электродвигателей, осуществляя плавную аварийная посадку квадрокоптера по вертикали.
1
4
1
4
Для управления полетом, стабилизации и безопасности полета на борту квадрокоптера устанавливаются высокочувствительные датчики (4) (например, барометр, гироскоп, акселерометр), контроллеры двигателей ESC (2-2), бортовой летный компьютер (3), независимо работающие электродвигатели (1-1) несущих винтов, а также сонар и камера.
1
4
Бортовой летный компьютер (3) выполнен на базе процессора и выполнен с возможностью управления электродвигателями (1-1) несущих винтов (скоростями вращения несущих винтов) так, чтобы обеспечить устойчивое положение квадрокоптера по горизонту во время полета и безопасность полета.
1
4
Контроллеры ESC (2-2) несущих винтов электрически соединены обратной связью с бортовым летным компьютером (3) и выполнены с возможностью:
1
4
- управления параметрами электродвигателей (1-1) несущих винтов;
1
4
- автоматического контроля за положением квадрокоптера путем подачи управляющих сигналов (команд) электродвигателям (1-1) несущих винтов, используя данные от высокочувствительных датчиков (4);
- управления скоростями вращения каждого отдельного независимого несущего винта;
- контроля соответствия заданному режиму работы.
Безопасность полета квадрокоптера повышается за счет:
1
4
- использования высокочувствительных датчиков (4), электрически связанных с бортовым летным компьютером (3), на основании показаний которых процессор бортового летного компьютера (3) по заданной программе рассчитывает необходимую тягу индивидуально для каждого независимого электродвигателя (1-1) несущих винтов;
1
4
1
4
- резервирования контроллеров ESC (2-2) электродвигателей (1-1) несущих винтов;
- задания в бортовом летном компьютере (3) предельных значений параметров, являющихся предвестниками аварийной (нештатной) ситуации с возможностью преобразования квадрокоптера в режим бикоптера (X→ВI) по команде (сигналу) управления от бортового летного компьютера (3), в результате которого два оставшихся из четырех работающих исправно электродвигателей несущих винтов выводятся бортовым летным компьютером (3) на режим работы, обеспечивающий компенсацию потерь двух других электродвигателей несущих винтов;
- стабилизации квадрокоптера по горизонту путем равномерного распределения тяги (увеличение тяги в два раза) к двум работающим исправно электродвигателям несущих винтов.
1
4
1
4
1
4
1
4
Синхронная работа электродвигателей (1-1) несущих винтов обеспечивается контроллерами ESC (2-2), взаимосвязанными с бортовым летным компьютером (3) и высокочувствительными датчиками (4). Использование четырех независимых друг от друга электродвигателей (1-1) несущих винтов с контроллерами (2-2) обеспечивает резервирование силовой установки при возникновении неисправности - аварийной (нештатной) ситуации. Это делает ненужным установку каких-либо дополнительных систем спасения (например, парашюта) для квадрокоптера.
1
4
Цель отказоустойчивости и безопасности полета квадрокоптера достигается во всем диапазоне высот полета, т.е. квадрокоптер может работать на любой высоте и с любой допустимой нагрузкой. Электродвигатели (1-1) несущих винтов обеспечивают быстрое (мгновенное) перераспределение тяги за короткий промежуток времени.
Для увеличения продолжительности полета квадрокоптер оснащен гибридной силовой установкой PFE на базе линейного генератора, работающего на любом топливе, в том числе водороде. Гибридная схема взаимозаменяемая: можно использовать гибрид или исключительно АКБ в зависимости от решаемых задач.
На данный момент изготовлен опытный образец, проведены испытания и демонстрация возможностей квадрокоптера в Инновационном Центре Сколково, показан контрольный взлет с нагрузкой. Испытания опытного образца подтвердили надежность и безопасность полета квадрокоптера.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить: аналоги с совокупностью существенных признаков, тождественных существенным признакам заявленного способа аварийной посадки квадрокоптера, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений с целью выявления существенных признаков, совпадающих с отличительными от аналогов существенными признаками заявленного способа, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники, а также не установлена известность влияния отличительных существенных признаков на указанный авторами технический результат. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Несмотря на то, что заявленное изобретение показано и описано со ссылкой на его определенные предпочтительные варианты осуществления, специалистам в данной области техники будет понятно, что различные изменения по форме и содержанию могут быть сделаны в нем без отклонения от сущности и объема изобретения, которые определены прилагаемой формулой изобретения с учетом описания и чертежей.