ПОСТ НАБЛЮДЕНИЯ НА БАЗЕ ПРИВЯЗНОГО БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Полезная модель относится к системам наблюдения за местностью, реализуемым на основе беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). В состав поста наблюдения обычно входит БПЛА, оборудованный видеоаппаратурой, и наземная станция, на которой формируются команды управления и обрабатывается поступающая информация.
Существует класс БПЛА, в которых летательный аппарат не свободно перемещается в пространстве, а привязан тросом регулируемой длины к наземной станции [Фетисов B.C., Кулбаев Б. Р. Содержание и развитие концепции «Привязанный беспилотный летательный аппарат» // Альманах современной науки и образования. - 2014. - №3 (82). - С. 170-173. - Тамбов: Грамота, 2014. http://scjournal.ru/articles/issn_1993-5552_2014_3_47.pdf]. Техническое решение заключается в том, что для выполнения многих задач наблюдения не обязательно задействовать летательный аппарат большого радиуса действия - достаточно просто поднять его на определенную высоту (имеется в виду БПЛА с вертикальным взлетом-посадкой). При этом по коммуникационно-силовому кабелю с земли на борт подается питание, а также осуществляется обмен информацией. Такое решение имеет множество преимуществ: отсутствие необходимости иметь на борту запас топлива или энергоемкий аккумулятор, практически неограниченное время висения в воздухе, очень малая вероятность потери аппарата, невозможность перехвата радиоданных противником и т.д.
В посту наблюдения с привязным БПЛА наземная станция может быть как стационарной, так и мобильной. В известном устройстве [PCT Patent № WO 2007/ 141795. B64C 27/20. Unmanned air vehicle system. Publication Date: 13.12.2007] сам БПЛА представляет собой квадрокоптер, четыре пропеллера которого позволяют стабилизировать положение аппарата по сигналам бортовых датчиков положения. Единый кабель совмещает в себе функции удерживающего троса и коммуникационно-силового кабеля. При наборе высоты кабель разматывается с помощью барабанного механизма, а при снижении - аналогично сматывается этим механизмом.
Недостатками аналога являются сложность управления аппаратом и недостаточная надежность системы стабилизации при значительных ветровых нагрузках.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является беспилотный авиационный комплекс [патент РФ №2441809, B64C 39/02. Способ управления привязным летательным аппаратом и беспилотный авиационный комплекс. Опубл. 10.02.2012], включающий в себя наземную станцию, БПЛА вертикального взлета и посадки, привязь и механизм регулирования длины привязи, многофункциональный кабель, систему стабилизации БПЛА на основе датчиков пространственного положения и блок управления. БПЛА вертикального взлета и посадки представляет собой платформу, в центре фюзеляжа которой имеется широкий цилиндрический вертикальный вырез, внутри которого размещены два электродвигателя с воздушными винтами, создающими вертикальную подъемную силу, но вращающиеся в противоположных направлениях. Изменением соотношения скоростей вращения можно осуществлять поворот корпуса аппарата в горизонтальной плоскости. В нижней части аппарата подвешена целевая нагрузка (гиростабилизированная видеокамера).
Привязь представляет собой удерживающий трос, связывающий БПЛА с наземной станцией. Параллельно с ним протянут многофункциональный кабель, по которому на борт подается электропитание, а также осуществляется обмен информацией. Механизм регулирования длины привязи представляет собой барабанный механизм, установленный на наземной станции. Он снабжен электроприводом и тормозным устройством, которые позволяют производить намотку-размотку троса для регулирования высоты, сохраняя при этом постоянный натяг троса.
Для стабилизации горизонтального положения БПЛА при отклонениях троса от вертикали на борту имеются два дополнительных барабанных механизма с соответствующими управляющими тросиками, которые жестко закреплены под аппаратом в непосредственной близости от него на основном удерживающем тросе. По сигналам системы датчиков положения осуществляется намотка или размотка управляющих тросиков для выравнивания положения аппарата по крену и тангажу.
Блок управления наземной станции служит для формирования и посылки команд для тяговых электродвигателей БПЛА, электропривода наземного барабанного механизма и его тормозного устройства.
Таким образом, в устройстве значительно упрощено управление положением БПЛА за счет применения системы дополнительных управляющих тросиков.
Однако применяемая привязь и система управления положением не могут обеспечить достаточную устойчивость аппарата в условиях значительных ветровых нагрузок, особенно при порывистом ветре, так как один удерживающий трос может резко изменять свой наклон относительно вертикали, что будет приводить к изменению высоты, крена и тангажа БПЛА, которые система управления, в силу своей инерционности, не всегда будет успевать отрабатывать.
Задача данной полезной модели - создание системы удерживающих и регулирующих тросов, облегчающих управление аппаратом и делающих его пространственное положение более стабильным.
Технический результат - простота стабилизации положения беспилотного летательного аппарата и его устойчивость в условиях значительных ветровых нагрузок.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в посту наблюдения, содержащем наземную станцию, беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки, привязь и механизм регулирования длины привязи, многофункциональный кабель, систему стабилизации беспилотного летательного аппарата на основе датчиков пространственного положения и наземный блок управления, в отличие от прототипа привязь представляет собой совокупность четырех тросов, растянутых между беспилотным летательным аппаратом и механизмом регулирования длины привязи, который состоит из четырех соответствующих барабанных механизмов, расположенных в углах квадратной наземной станции, причем беспилотный летательный аппарат соединен многофункциональным кабелем с наземным блоком управления, у которого имеется четыре управляющих выхода, соединенных с управляющими входами соответствующих барабанных механизмов.
Существо полезной модели поясняется чертежом. На фигуре показана схема поста наблюдения.
Основу поста наблюдения составляют наземная станция 1 и БПЛА 2. БПЛА 2 связан с наземной станцией привязью, состоящей из четырех одинаковых тросов 3, а также многофункциональным кабелем 4. Барабанные механизмы 5, расположенные в углах квадратного основания наземной станции 1, используются для сматывания и разматывания тросов 3. Многофункциональный кабель 4 подсоединен к наземному блоку управления 6, у которого есть еще четыре выхода, подключенных к соответствующим управляющим входам барабанных механизмов 5. БПЛА имеет два воздушных винта 7 и 8, с возможностью создания вертикальной подъемной силы и вращения в противоположных направлениях (для компенсации закручивающего реактивного момента). Воздушные винты 7 и 8 связаны с блоком электродвигателей 9. БПЛА содержит блок датчиков пространственного положения 10 (показан условно) и целевую нагрузку 11. Блок электродвигателей 9, блок датчиков пространственного положения 10 и целевая нагрузка 11 электрически связаны с многофункциональным кабелем 4, который опущен вниз на наземную станцию 1, в центре основания которой имеется отверстие 12, через которое многофункциональный кабель 4 при опускании БПЛА 2 собирается и укладывается произвольным образом.
Описанный пост наблюдения работает следующим образом.
По команде с наземного блока управления 6 по многофункциональному кабелю 4 на БПЛА 2 проходит команда на включение блока электродвигателей 9, который вращает винты 7 и 8, создающие вертикальную подъемную силу. Электропитание на двигатели подается по тому же многофункциональному кабелю 4. Одновременно с этим с наземного блока управления 6 на все барабанные механизмы 5 подается сигнал на разматывающее вращение барабанов, что дает возможность разматываться одновременно всем четырем тросам 3. При этом БПЛА 2 поднимается вместе с многофункциональным кабелем 4. При достижении беспилотным летательным аппаратом определенной высоты с наземного блока управления 6 на все барабанные механизмы 5 подается команда на остановку вращения, и размотка тросов 3 прекращается. Если положение БПЛА 2 отличается от горизонтального (углы крена и тангажа отличаются от нуля), то соответствующие датчики из состава блока датчиков пространственного положения 10 вырабатывают сигналы, передающиеся по многофункциональному кабелю 4 в наземный блок управления 6, в котором происходит их преобразование в соответствующие компенсирующие команды для барабанных механизмов 5, то есть при перекосе БПЛА 2 в какую-либо сторону происходит небольшое дозированное вращение барабанов и размотка соответствующих тросов 3 до тех пор, пока не будет достигнуто горизонтальное положение аппарата.
Постоянное вращение воздушных винтов 7 и 8 тянет БПЛА 2 вверх и поддерживает тросы 3 в натянутом состоянии. Наличие четырех тросов делает положение аппарата стабильным даже при значительном ветре.
Так как питание на блок электродвигателей 9 подается с земли, то висеть на заданной высоте БПЛА 2 может практически непрерывно. При этом целевая нагрузка 11 (например, видеокамера) также может непрерывно выполнять свои функции.
Для спуска БПЛА 2 на наземную станцию 1 с наземного блока управления 6 по многофункциональному кабелю 4 на БПЛА 2 проходит команда на уменьшение частоты вращения блока электродвигателей 9. С выходов наземного блока управления 6 на барабанные механизмы 5 передаются управляющие сигналы на сматывание тросов 3. БПЛА 2 опускается до достижения им наземной станции 1.
Реализация предлагаемого поста наблюдения достаточно проста. В нем используются хорошо известные и доступные элементы. Наземная станция 1 может быть размещена либо на ровной площадке на грунте, либо на плоской крыше здания. Тросы 3 должны быть легкими и прочными, они могут быть сделаны, например, из капрона. Барабанные механизмы 5 реализованы на основе электродвигателей с редукторами. Они широко применяются в грузоподъемной технике. Блок датчиков пространственного положения 10 может включать в себя, например, широко применяемые микросистемные гироскопические и акселерометрические датчики. Наземный блок управления 6 может быть реализован на серийном микроконтроллере или промышленном одноплатном компьютере.
Предлагаемая полезная модель выгодно отличается от аналогов, имеющих привязь на основе одного удерживающего троса, простотой управления и более стабильным положением аппарата в условиях ветровых нагрузок.