БЕСПИЛОТНЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ ДЛЯ МОНИТОРИНГА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ УГОДИЙ

Полезная модель относится к области применения беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) и может быть использована для систематического дистанционного контроля состояния сельскохозяйственных угодий.
Известно техническое решение, применяемое на БПЛА самолетного типа, которое может быть применено на БПЛА вертолетного типа. Таким решением является технология и система парашютной посадки беспилотного летательного аппарата (патент РФ №2456211, B64D 17/80, 2012.07.20), в соответствии с которыми поворотные консоли крыла БПЛА закреплены на его центроплане посредством шарниров и замков-фиксаторов. В полетном положении консоли крыла фиксируются замками-фиксаторами, которые приводятся в движение редуктором исполнительного привода системы управления БПЛА. Консоли крыла при раскрытии купола парашюта шарнирно перемещаются вместе с куполом вверх, при этом их трехстепенные шарниры обеспечивают плавное перемещение купола. Посадка БПЛА с консолями, сложенными в вертикальной плоскости, должна выполнить функцию подвесной системы и помочь избежать их повреждения в сильный ветер, когда большая парусность парашюта может привести к перевороту и ударам БПЛА.
Основным недостатком данного устройства является то, что БПЛА даже со сложенными консолями под действием парусности парашюта может волочиться по площадке приземления с поперечным движению положением фюзеляжа с хвостовым оперением, вследствие чего могут быть повреждены все его части, включая полезную нагрузку. Механика укладывания парашютной системы существенно усложняет и ослабляет конструкцию БПЛА. При этом механизм складывания консолей в такой кинематике сложен и снижает надежность БПЛА в полете, т.к. требует отсутствия люфтов в осях поворота, а сервоприводы должны преодолевать большие усилия. В случае отказа авионики или их электромеханики в полете неизбежна катастрофа БПЛА, что усложняет его эксплуатацию. Кроме того, недостатком этого способа является увеличение общей массы БПЛА за счет массы парашютной системы, приводящее к необходимости существенного уменьшения массы полезной нагрузки. Из-за указанных массогабаритных ограничений использование для посадки парашютной системы на сверхлегких беспилотных летательных аппаратах затруднительно. Кроме того, раскрытие парашюта при сильном боковом ветре может привести к сносу БПЛА и к его механическому повреждению, например, о ветви деревьев. Все это снижает надежность и ограничивает эксплуатационные возможности БПЛА.
Известен способ парашютной посадки БПЛА с устройством освобождения парашюта от БПЛА при приземлении (патент США №8191831, B64D 17/00, B64D 17/54, 2012.06.05), который может быть применен на БПЛА вертолетного типа. При выпуске с БПЛА и раскрытии парашюта под ним раскрывают и надувают пневмодемпфер, которым амортизируют ударные нагрузки приземления. При приземлении БПЛА по команде его системы управления посредством сервопривода открывает замок удерживания соединительного узла подвесной системы БПЛА, вследствие чего он отделяется от приземлившегося БПЛА и складывает купол, что предотвращает негативное воздействие его парусности.
Основным недостатком такой парашютной посадки БПЛА является то, что команда на отделение парашюта от БПЛА должна быть выполнена немедленно после приземления БПЛА, что может реализовываться или при визуальном контроле оператора, или автоматически от ударного контакта приземления, что противоречит демпфированию полезной нагрузки БПЛА и очень сложно реализовать. Это существенно усложняет конструкцию и эксплуатацию соответственно необходимостью обязательной посадки вблизи оператора, что возможно не часто, да и вообще проблематично в ветер. Или необходимо оборудовать БПЛА автоматической сенсорной системой срабатывания отделения парашюта от удара приземления. Все это снижает надежность и ограничивает эксплуатационные возможности БПЛА.
Близкий аналог предлагаемого технического решения не найден.
Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение безаварийной посадки сверхлегкого БПЛА вертолетного типа за счет применения несложного посадочного оборудования, уменьшение массы и габаритов БПЛА.
Данная задача достигается тем, что техническое решение, позволяющее осуществить аварийную посадку БПЛА, включает регистрацию факта разрядки аккумулятора БПЛА с помощью электромагнитного реле, при срабатывании которого размыкается контакт в цепи питания электрических двигателей от аккумуляторной батареи и замыкается контакт в цепи питания электрических двигателей от заряженного конденсатора большой емкости, либо в цепи управляющих электродов тиристорных преобразователей, включенных в цепь питания электрических двигателей.
По мере разряда конденсатора напряжение на зажимах электрического двигателя падает, скорость вращения винта снижается, обеспечивая плавную посадку БПЛА.
Техническим результатом, реализуемым приведенной совокупностью признаков, является обеспечение безаварийной посадки, уменьшение массы и габаритов БПЛА.
Сущность изобретения поясняется рисунками (фиг. 1, 2)
Работа БПЛА в процессе мониторинга сельскохозяйственных угодий осуществляется следующим образом:
б
Фиг. 1. Исходное положение: БПЛА находится в неподвижном состоянии, ключи SA1 и SA2 разомкнуты, реле KL1 отключено, контакты реле KL1.1 в положении «а». Для запуска БПЛА ключом SA1 подается питание на обмотку реле KL1, реле сработает, его контакты KL1.1 переключаются в положение «p» (рабочее), замыкается ключ SA2, напряжение источника питания U поступает на зажимы электрических приводов несущего винта М1…М4. Несущий винт начинает вращаться, за счет подъемной силы БПЛА поднимается в воздух.
В аварийном режиме, в момент разряжения аккумуляторной батареи, реле KL1 отключается, контакты KL1.1 переключаются в положение «а» (аварийный режим), напряжение снимаемое с обкладок конденсатора C1 через замкнутые контакты реле KL1 подается на зажимы электрических двигателей М1…М4 несущего винта. БПЛА переходит в режим аварийной посадки.
В этом режиме несущий винт БПЛА продолжает вращаться за счет питания двигателей от заряженного конденсатора С1. По мере разряда конденсатора С1 и снижения напряжения на его зажимах, скорость вращения вала электрического двигателя падает и БПЛА с допустимой скоростью снижается до соприкосновения с землей.
Фиг. 2. Исходное положение: ключи SA1 и SA2 отключены, реле KL1 отключено, контакт KL1.1 разомкнут, контакт КЫ.2 замкнут, напряжение на управляющих электродах тиристорных преобразователей VS1 и VS2 равно нулю, тиристоры закрыты, электрические двигатели M1…М4 несущих винтов отключены.
Для запуска БПЛА включается ключ SA1, при этом сработает реле KL1, контакт KL1.1 замкнется, контакт KL1.2 разомкнется, тиристор VS1 откроется, замыкается ключ SA2, электрические двигатели М1…М4 включаются, БПЛА взлетает.
c
При полном разряде аккумуляторной батареи (аварийный режим) обмотка реле KL1 потеряет питание, реле отключится, контакт KL1.1 разомкнется, контакт KL1.2 замкнется, тиристор VS2 откроется, конденсатор С1 подключается к зажимам электрических двигателей М1…М4, под напряжением U двигатели продолжают работать со снижающейся скоростью вращения несущего винта, БПЛА с допустимой скоростью снижается до соприкосновения с землей.
пп
пп
Емкость конденсатора С рассчитывается из условий что нормативная высота полета БПЛА равна h=61 м, а скорость снижения при аварийной посадке БПЛА ν=2,5 м/с. Отсюда время аварийной посадки, суть время переходного процесса конденсатора t=h/ν=61/2.5=24.4 с. Постоянная времени конденсатора т в 4.6 раза меньше времени переходного процесса t:
пп
τ=t/4.6-24.4/4.6=5.3. с.
Из соотношения для постоянной времени конденсатора
Σ
τ=CR определим расчетное значение емкости конденсатора
Σ
C=τ/R,
Σ
e
я
я
я
где R=R+R=E/I+R.
я
R = сопротивление обмотки якоря двигателя постоянного тока несущего винта БПЛА, Ом
e
я
R=Е/I - сопротивление, падение напряжения на котором равно э.д.с Е двигателя постоянного тока (ДПТ) несущего винта БПЛА, Ом.
б
я
я
Е=U-IR,
Е - электродвижущая сила обмотки электрического двигателя, В.
б
U - напряжение источника питания, В
я
I - номинальная сила тока обмотки якоря ДПТ, А
Произведем расчет емкости конденсатора для бесколлекторного электродвигателя ARES PRO SPEC kV2200 - SK-400003-31.
Технические характеристики:
Мощность
130 Вт
Максимальное напряжение
3.7-11.1 В
Номинальный ток
16.25 А
Внутреннее сопротивление
0.0514 Ом
Обороты на вольт
2200 об/В
Номинальная сила тока I=P/U=130/8=16.25 А
б
я
я
Е=U-IR=8-16,25*0,0514=7,165 В
e
я
R=Е/I=7,165/16,25=0,441 Ом
Σ
e
я
я
я
R=R+R=Е/I+R=0,441+0,0514=0,492 Ом
Σ
Эквивалентное сопротивление определяется делением R/4, поскольку обмотки двигателей M1…М4 включены параллельно.
экв
R=0,492/4=0,123 Ом
экв
С=x/R=5.3/0,123=43 Ф
На основе результатов расчета по справочнику выбираем электрооборудование:
1.Суперконденсатор СКФ-50-ЗВ0 номинальная емкость 50Ф; номинальное напряжение ЗВ; габаритные размеры: Z)18, Х40 мм, вес 13,5 г. [Электронный ресурс https://www.ultracapacitor.ru/product_info/40/]
2. Реле RXM4AB1BD, 4 перекидных контакта, 24 В, 6 А, размеры 7×40×27 мм, вес. 37 г. [Электронный ресурс http://acti-pro.ru/produktsiya/miniatyurnyie-rele-schneider-electric-zelio-relay-rxm/rxm4ab1bd.html]
Реле JQX-38F, 3 перекидных контакта, 12 В, 40 А, размеры 50.5×42.2×55.3 мм, вес 133 г. [Электронный ресурс https://www.scat-technology.ru/rele/ac/jqx-38f-220vac-40amper/]
3. Тиристор запираемый 2У204 А, КУ204 А. 50 В, 2 А, размеры D 11,124 мм, вес 14 г. [Электронный ресурс http://asest.com/357-2u204a-2u204b-2u204v-ku204a-ku204b-ku204v]