БЕСПИЛОТНЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ И КОМПЛЕКС АВИАНАБЛЮДЕНИЯ ДЛЯ НЕГО

Полезная модель относится к области авиационной техники, а именно к беспилотным летательным аппаратам и комплексам авианаблюдения для них, и может применяться для фото и видео разведки в режиме реального времени, а также биологической, химической и ядерной разведки местности и т.п., в том числе для облета периметров охраняемых объектов, территории охраняемых объектов, передачи данных в системы и комплексы защиты объектов, силам охраны объекта.
Известен комплекс авианаблюдения (патент РФ №2015067), содержащий беспилотные летательные аппараты с автономным электроприводом, передвижной контейнер и систему дистанционного управления. Беспилотные летательные аппараты выполнены в виде вертикально взлетающих платформ с четырьмя жестко закрепленными двигателями с воздушными винтами и снабжены системой автоматической посадки.
Недостатками описанного выше малогабаритного комплекса авианаблюдения являются недостаточная устойчивость и динамичность беспилотных летательных аппаратов в режиме полета и в режиме «зависания» в воздухе по причине использования только четырех электродвигателей, а также высокие масса-габаритные показатели комплекса авианаблюдения и высокие требования эффективности силовой установки по причине наличия автономной электрической системы для зарядки беспилотных летательных аппаратов электроэнергией, выполненной в виде блока электродвигателя внутреннего сгорания, генератора или маховичного накопителя энергии.
Наиболее близок к настоящей полезной модели комплекс авианаблюдения, описанный в патенте РФ №2232104, содержащий беспилотный летательный аппарат с электродвигателями и воздушными винтами, радиоуправляемой бортовой системой обеспечения полета, бортовой приемопередающей аппаратурой и устройством видеонаблюдения в видимом и инфракрасном спектре с передатчиком изображения, а также мобильный пульт контроля и управления с наземной приемопередающей аппаратурой, приемником видеоданных и радионавигационной системой управления беспилотным летательным аппаратом, при этом радиоуправляемая бортовая система обеспечения полета беспилотного летательного аппарата и радионавигационная система управления беспилотным летательным аппаратом снабжены корректируемыми посредством глобальной навигационной системы инерциальными блоками с микромеханическими вибрационными гироскопами - акселерометрами. Данный беспилотный летательный аппарат и комплекс авианаблюдения выбраны в качестве прототипов настоящей полезной модели.
Недостатками беспилотного летательного аппарата и комплекса авианаблюдения для него прототипов является недостаточная устойчивость и динамичность беспилотных летательных аппаратов в режиме полета и в режиме «зависания» по причине использования только четырех электродвигателей в конструкции винтовой вертикально взлетающей платформы летательных аппаратов, а также наличие дополнительных расходов электроэнергии вследствие использования для управления движением взлетающей платформы двух рулевых машинок, которые изменяют вектор тяги каждого воздушного винта с электродвигателем относительно корпуса беспилотного летательного аппарата.
Задачей настоящей полезной модели является создание беспилотного летательного аппарата и комплекса авианаблюдения для него, обладающих повышенной устойчивостью при маневрировании и «зависании», возможностью пилотирования в автоматическом режиме по заданному маршруту на основании сигналов спутниковой навигационной системы, возможностью осуществления стабилизированного видеонаблюдения в видимом и инфракрасном диапазонах, а также увеличенной продолжительностью и дальностью полета вследствие более эффективного использования электроэнергии за счет использования шести электродвигателей с воздушными винтами с электронно регулируемым числом оборотов, жестко закрепленных в вершинах воображаемого многоугольника на несущем каркасе беспилотного летательного аппарата, а также за счет использования маршрутного вычислительного устройства и системы видеонаблюдения в видимом и инфракрасном диапазонах на гиростабилизированном подвесе в комплексе авианаблюдения.
Поставленная задача решена путем создания беспилотного летательного аппарата, содержащего несущий каркас и электродвигатели с воздушными винтами, связанные с аккумуляторной батареей отличающегося тем, что на несущем каркасе в вершинах воображаемого многоугольника жестко зафиксированы, по меньшей мере, шесть электродвигателей с воздушными винтами с контролируемой частотой вращения, связанных с маршрутным вычислительным устройством, которое связано с инерциальным измерительным устройством и блоком приема и обработки данных спутниковой навигационной системы.
В предпочтительном варианте осуществления беспилотного летательного аппарата диаметрально расположенные электродвигатели имеют встречное направление вращения, а маршрутное вычислительное устройство выполнено с возможностью управления частотой вращения электродвигателей, при этом обеспечения горизонтального положения летательного аппарата по сигналам инерциального измерительного устройства, а также обеспечения контроля и управления летательным аппаратом на основании координат спутниковой навигационной системы по сигналам блока приема и обработки данных спутниковой навигационной системы для выполнения в автоматическом режиме полетного задания с возвращением на взлетную площадку.
В предпочтительном варианте осуществления беспилотного летательного аппарата электродвигатели зафиксированы в одной плоскости и имеют электронные регуляторы оборотов.
В предпочтительном варианте осуществления беспилотный летательный аппарат содержит батарею питания бортовой системы обеспечения полета и силовую аккумуляторную батарею питания электродвигателей.
В предпочтительном варианте осуществления беспилотного летательного аппарата конструкция несущего каркаса содержит объединяющую несущую пластину, к которой прикреплены, по меньшей мере, шесть расходящихся от нее штанг, защита несущей пластины и шасси, причем один конец каждой штанги прикреплен к объединяющей несущей пластине, а другой конец к креплению электродвигателя.
В предпочтительном варианте осуществления беспилотного летательного аппарата силовая аккумуляторная батарея питания электродвигателей расположена на шасси.
В предпочтительном варианте осуществления беспилотный летательный аппарат содержит прикрепленный к шасси поворотно-наклонный гидростабилизированный подвес, выполненный с возможностью установки средств видеонаблюдения и аэрофотосъемки и связанный с блоком управления поворотно-наклонным гидростабилизированным подвесом, который связан с маршрутным вычислительным устройством.
В предпочтительном варианте осуществления беспилотного летательного аппарата инерциальное измерительное устройство в микроисполнении содержит акселерометр, магнитометр, микрогироскоп и барометр.
В предпочтительном варианте осуществления беспилотного летательного аппарата маршрутное вычислительное устройство, инерциальное измерительное устройство и блок приема и обработки данных спутниковой навигационной системы образуют бортовую систему обеспечения полета.
В предпочтительном варианте осуществления беспилотного летательного аппарата бортовая система обеспечения полета расположена на объединяющей несущей пластине.
В предпочтительном варианте осуществления беспилотный летательный аппарат содержит трекер и систему аварийной посадки, связанные с маршрутным вычислительным устройством.
Поставленная задача решена также путем создания комплекса авианаблюдения, содержащего беспилотный летательный аппарат и мобильный пульт контроля и управления, отличающегося тем, что беспилотный летательный аппарат включает в себя несущий каркас, на котором в вершинах воображаемого многоугольника жестко зафиксированы, по меньшей мере, шесть электродвигателей с воздушными винтами с контролируемой частотой вращения, связанных с аккумуляторной батареей и с маршрутным вычислительным устройством, которое связано с инерциальным измерительным устройством, мобильным пультом контроля и управления, системой видеонаблюдения и блоком приема и обработки данных спутниковой навигационной системы, причем диаметрально расположенные электродвигатели имеют встречное направление вращения, а маршрутное вычислительное устройство выполнено с возможностью управления частотой вращения электродвигателей, при этом обеспечения горизонтального положения летательного аппарата по сигналам инерциального измерительного устройства, обеспечения изменения курса и высоты летательного аппарата по сигналам телеметрии с мобильного пульта контроля и управления, обеспечения контроля и управления летательным аппаратом на основании координат спутниковой навигационной системы по сигналам блока приема и обработки данных спутниковой навигационной системы для выполнения в автоматическом режиме полетного задания с возвращением на взлетную площадку, а также с возможностью обеспечения визуального контроля за полетом по сигналам видеоданных системы видеонаблюдения.
В предпочтительном варианте осуществления комплекса авианаблюдения электродвигатели зафиксированы в одной плоскости и имеют электронные регуляторы оборотов.
В предпочтительном варианте осуществления комплекс авианаблюдения содержит батарею питания бортовой системы обеспечения полета и силовую аккумуляторную батарею питания электродвигателей.
В предпочтительном варианте осуществления комплекса авианаблюдения конструкция несущего каркаса содержит объединяющую несущую пластину, к которой прикреплены, по меньшей мере, шесть расходящихся от нее штанг, защита несущей пластины и шасси, причем один конец каждой штанги прикреплен к объединяющей несущей пластине, а другой конец к креплению электродвигателя.
В предпочтительном варианте осуществления комплекса авианаблюдения силовая аккумуляторная батарея питания электродвигателей расположена на шасси.
В предпочтительном варианте осуществления комплекс авианаблюдения содержит прикрепленный к шасси поворотно-наклонный гидростабилизированный подвес, связанный с блоком управления поворотно-наклонным гидростабилизированным подвесом, который связан с маршрутным вычислительным устройством.
В предпочтительном варианте осуществления комплекса авианаблюдения инерциальное измерительное устройство в микроисполнении содержит акселерометр, магнитометр, микрогироскоп и барометр.
В предпочтительном варианте осуществления комплекса авианаблюдения маршрутное вычислительное устройство, инерциальное измерительное устройство, система видеонаблюдения и блок приема и обработки данных спутниковой навигационной системы образуют бортовую систему обеспечения полета.
В предпочтительном варианте осуществления комплекса авианаблюдения бортовая система обеспечения полета расположена на объединяющей несущей пластине.
В предпочтительном варианте осуществления комплекса авианаблюдения система видеонаблюдения содержит устройство видеонаблюдения в видимом и инфракрасном спектре и передатчик видеоданных, расположенные в бортовой системе обеспечения полета, а также приемник видеоданных, расположенный в мобильным пульте контроля и управления.
В предпочтительном варианте осуществления комплекса авианаблюдения устройство видеонаблюдения установлено на поворотно-наклонном гидростабилизированном подвесе.
В предпочтительном варианте осуществления комплекса авианаблюдения бортовая система обеспечения полета содержит приемно-передающую радиосистему, связанную с маршрутным вычислительным устройством, и выполненную с возможностью обмена данными по радиоканалу с мобильной приемно-передающей радиосистемой, расположенной в мобильным пульте контроля и управления.
В предпочтительном варианте осуществления комплекса авианаблюдения мобильный пульт контроля и управления содержит портативный персональный компьютер, подключенный к мобильной приемно-передающей радиосистеме, блоку приема и обработки сигналов спутниковой навигационной системы, приемнику видеоданных, пульту управления беспилотным летательным аппаратом и мобильному индивидуальному устройству отображения видеоданных.
В предпочтительном варианте осуществления комплекс авианаблюдения содержит трекер и систему аварийной посадки, связанные с маршрутным вычислительным устройством.
Для лучшего понимания настоящей полезной модели далее приводится его подробное описание с соответствующими чертежами.
Фиг.1. Блок-схема беспилотного летательного аппарата, выполненная согласно полезной модели.
Фиг.2. Блок-схема беспилотного летательного аппарата и комплекса авианаблюдения для него, выполненная согласно полезной модели.
Фиг.3. Конструктивная схема (вид сверху) беспилотного летательного аппарата и комплекса авианаблюдения для него, выполненная согласно полезной модели.
Фиг.4. Конструктивная схема (вид сбоку) беспилотного летательного аппарата и комплекса авианаблюдения для него, выполненная согласно полезной модели.
Рассмотрим варианты выполнения настоящего беспилотного летательного аппарата и комплекса авианаблюдения для него, представленные на Фиг.1-4.
Рассмотрим вариант выполнения настоящего беспилотного летательного аппарата, представленный на Фиг.1. Беспилотный летательный аппарат 1 содержит маршрутное вычислительное устройство 2, связанное с блоком 3 приема и обработки сигналов спутниковой навигационной системы, инерциальным измерительным устройством 4 (содержащим акселерометр, магнитометр и барометр), трекером 5, системой 6 аварийной посадки, блоком 7 управления поворотно-наклонного гиростабилизированного подвеса, сонаром 8, шестью электродвигателями 9 с воздушными винтами (Фиг.4).
Беспилотный летательный аппарат 1а, входящий в состав комплекса авианаблюдения (Фиг.2) дополнительно содержит приемно-передающую радиосистему 10, устройство 11 видеонаблюдения в видимом и инфракрасном спектре и передатчик видеоданных 12. Мобильный пульт контроля и управления 13 содержит портативный персональный компьютер 14, связанный с мобильной приемно-передающей радиосистемой 15, приемником видеоданных 16, монитором 17, специализированным пультом 18 управления беспилотным летательным аппаратом, мобильным индивидуальным устройством 19 отображения видеоданных.
Маршрутное вычислительное устройство 12 может состоять из микропроцессора, буферных регистров, запоминающих устройств, интерфейсных схем.
Система электропитания БПЛА (беспилотного летательного аппарата) содержит два независимых источника: аккумуляторную батарею питания бортовой системы обеспечения полета и силовую аккумуляторную батарею питания электродвигателей.
Конструкция несущего каркаса беспилотного летательного аппарата 1, 1a (Фиг.3-4) состоит из шасси 20, штанг 21, креплений 22 электродвигателей 9 с воздушными винтами 23, объединяющей несущей пластины 24 и защиты верхней пластины 25. К шасси 20 прикреплен поворотно-наклонный гиростабилизированный подвес 26. На несущей пластине 24 размещена бортовая система обеспечения полета беспилотного летательного аппарата 1, 1a и аккумуляторная батарея питания бортовой системы обеспечения полета, на шасси 21 размещена силовая аккумуляторная батарея питания электродвигателей. На поворотно-наклонном гидростабилизированном подвесе 26 размещено устройство 11 видеонаблюдения.
Электродвигатели 9 расположены в вершинах воображаемого правильного шестиугольника на несущей конструкции повышенной прочности. Электродвигатели 9 расположенные диаметрально имеют встречное направление вращения, при этом маршрутное вычислительное устройство 2 выполняет следующие функции: непосредственно управляет частотой электродвигателей 9 и па основе сигналов инерциального измерительного устройства 4 обеспечивает горизонтальное положение беспилотного летательного аппарата 1, 1a; по сигналам спутниковой навигационной системы определяет координаты и передает их на мобильный пульт контроля и управления, по сигналам телеметрии с мобильного пульта 13 контроля и управления изменяет курс и высоту беспилотного летательного аппарата 1а; а также на основе заложенной в него программы в отсутствии связи с мобильным пультом 13 контроля и управления на основании координат спутниковой навигационной системы GPS/ГЛОНАСС выполняет в автоматическом режиме полетное задание с возвращением на взлетную площадку, и обеспечивает визуальный контроль за полетом по сигналам передаваемых видеоданных, а так же по сигналам мобильного пульта контроля и управления изменяет положение системы видеонаблюдения в видимом и инфракрасном спектре, установленной на гиростабилизированный подвес и передает видеоданные на мобильный пульт контроля и мониторинга, а так же на монитор входящий в его состав.
Грузоподъемность беспилотного летательного аппарата составляет 2-5 кг, что в свою очередь позволяет устанавливать на него оборудование на гиростабилизированный подвес.
Конструктивно беспилотный летательный аппарат состоит из нескольких плат, рамы и бесколлекторных электродвигателей. Детали смонтированы так, чтобы обеспечить стабильность полета и неподвижное положение в режиме «висения (зависания)» в воздухе. Габаритные размеры беспилотного летательного аппарата: длина, ширина, высота с учетом вращающихся плоскостей приблизительно 1×1×0,65 м.
Беспилотный летательный аппарат 1а управляется при помощи пульта управления 13 как радиоуправляемая модель. Гиростабилизированный подвес имеет независимое управление. Дальность устойчивого ручного управления на частоте 2,4 ГГц составляет до 1-1,5 км практически ограничивается визуальной досягаемостью аппарата. Дальность передачи телеметрии на частоте 900 МГц на расстояние 700 метров в прямой видимости. Дальность контролирования беспилотного летательного аппарата может быть увеличена при передаче с него видеосигнала в режиме реального времени, а при наличии глобального позиционирования, есть возможность почти не следить за аппаратом. Беспилотный летательный аппарат выполнен с возможностью самостоятельного полета в заданную точку кратчайшим маршрутом.
При емкости аккумулятора 5-8 Ач, высота подъема может достигать нескольких сотен метров, что позволяет решать задачи ведения аэрофотосъемки, мониторинга лесных пожаров, транспортировки малогабаритных грузов, осмотра труднодоступных объектов, применения в сельскохозяйственных целях. При потере связи с мобильным пультом контроля и управления беспилотный летательный аппарат переходит в автоматический режим и способен выполнить предустановленные команды после чего долететь до пункта назначения, руководствуясь данными системы глобального позиционирования.
Основой для технологической выполнимости настоящего беспилотного летательного аппарата и комплекса авианаблюдения являются успехи в нескольких микротехнологиях, в особенности технологиях микроэлектромеханических систем. Эти системы объединяют планарные электронные микрокомпоненты с сопоставимыми по размерам пространственными электромеханическими структурами различной сложности, что обеспечивает уникальные функциональные возможности. В настоящее время такие устройства (например, бесколлекторный электродвигатель на ниодиевых магнитах AXI 2814/22, акселерометр XL335B, пьезоэлектрический гироскоп ALI 037) производятся промышленным способом.
Хотя описанный выше вариант выполнения полезной модели был изложен с целью иллюстрации настоящей полезной модели, специалистам ясно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла настоящей полезной модели, раскрытого в прилагаемой формуле полезной модели.