Содержание
Основные конструкции беспилотников — Классификация беспилотников
Самолёты (беспилотники с фиксированным крылом)
Высокая скорость полета
Высокая дальность полета
Старт с катапульты
Посадка на парашюте или с ВПП
Требуются навыки пилотирования
Мультикоптеры
Коптеры различаются между собой числом пропеллеров — их может быть 2, 3, 4, 6, 8 и более. Наиболее массовыми являются на 2015-2019 годы квадракоптеры с 4 пропеллерами, но также встречаются, как правило более грузоподъемные, гекса- и октакоптеры. Есть, разумеется и экзотические двух- и трех-винтовые коптеры.
Другое возможное опциональное конструктивное отличие мультикоптеров — складываемость конструкции. Выпускается несколько различных моделей коптеров, которые легко складываются для удобства переноски и так же легко готовятся к использованию. Примеры таких устройств: AheadX Transdrone A4, Китай; Ascent AeroSystems Sprite; Snap, Vantage Robotics и PowerEgg, PowerVision Robot, Китай.
Распространяется направление гоночных мультикоптеров. Рекорд на 2017.07 — 262,3 км/ч
Простота в использовании (не требует для взлета катапульты или ВПП)
Способность зависать в заданной точке
Не требует для посадки парашюта или ВПП
Малое время полета
Низкая скорость (с этим поспорят разработчики гоночных коптеров)
Упрощенное пилотирование, если сравнивать с аппаратами с фиксированным крылом
YI Erida, YI Technology, Китай
трикоптер, углепластик, скорости до 120 км/ч, камера 4К
Пример двухвинтового коптера
два соосных пропеллера, вращающихся в противоположных направлениях, курс полета задается наклоном оси вращения. Защитный кожух в виде кольца.
Вертолеты (БЛА вертолетного типа)
Не требует для взлета катапульты или ВПП
Энергоэффективность — лучше, чем у коптера за счет использования винта большего диаметра
Способность зависать в заданной точке
Не требует для посадки парашюта или ВПП
Малое время полета
Низкая скорость полета
Сравнительно сложное пилотирование
Вертикального взлета
Беспилотник, который взлетает "по-вертолетному" за счет двигателей с пропеллерами, установленными в горизонтальной плоскости, а затем перемещается "по-самолетному", за счет толкающего или тянущего винта, установленного в вертикальной плоскости.
Этой схемой интересуются компании, ведущие разработки так называемых логистических беспилотников, например, Airbus и Local Motors.
Высокой грузоподъемности
До недавнего времени, когда требовался беспилотник со сравнительно высокой грузоподъемностью, выбирать можно было между БЛА вертолетного типа и некоторыми самолетными моделями. В "десятые" годы XXI века стали появляться мультироторные модели со сравнимыми характеристиками. Часть машин — это военные аппараты, зачастую — это конвертопланы. Есть и гражданские модели.
Конвертопланы
Беспилотник, который садится и взлетает "по вертолетному", за счет поворота его двигателей, а в полете движется как самолет с опорой на фиксированное крыло. Корпус беспилотника остается в горизонтальном положении. Как вариант, двигатели могут также оставаться в фиксированном положении, а направление тяги задает отклоние жалюзи.
способность взлета как у коптера (не требует катапульты или ВПП)
способность полета по-самолетному
способность к зависанию в заданной точке
простота в использовании
двигатели БЛА поворачиваются в вертикальной плоскости либо жалюзи, отклоняющие воздушный поток в нужном направлении. Встречается использование кэнардов — объединенных в блоки канальных электровентиляторов. Поворачивая такие кэнарды, беспилотник может совершать вертикальный взлет, а затем двигаться "по-самолетному". Хвостовые кэнарды играют также роль рулей.
— разрабатываемый DARPA ударный беспилотник LightingStrike, Aurora Flight Sciences. Планируется газотурбинный двигатель мощностью 3 МВт (4 тыс. л.с.), 24 канальных вентилятора — по 9 в каждом поворотном крыле и по 3 в поворотных носовых кэнардах. 4.5 тонны. Планируемые скорости — 740 км/ч, полезная нагрузка — около 1.8 тонн. Ожидаемое время постройки — 2018 год. 2016.04.22 Прототип дрона будущего Darpa становится на крыло. 1:5.
— FireFLY6 PRO, BirdsEyeView Aerobotics, США. Радиус действия до 36 км. Платформа может нести различную полезную нагрузку. Вес беспилотника — порядка 4 кг. Непрерывный полет — до 40 минут от одного заряда батареи. Скорость — порядка 15-18 м/с. Анонсирован в сентябре 2016 года.
Глайдеры (планеры)
Это БЛА без двигателя или с двигателем, мощность которого недостаточна для обеспечения постоянного удержания машины в воздухе, но достаточна для корректировок курса БЛА с тем, чтобы обеспечить его приземление в точке с заданными координатами или, например, продолжительное нахождение машины в воздухе с использованием восходящих потоков. Могут не иметь двигателя, но использовать, например, рули курса и высоты, управляемые бортовым процессором, для достижения описанных выше целей.
Как правило, предназначены для ведения разведки. Собранная информация передается по радио в пункт управления через самолет или дрон сопровождения или через спутник.
Примеры: Cicada, TACAD, Pouncer
Тейлситтеры
Беспилотник вертикального взлёта, который, оказавшись в воздухе, поворачивается горизонтально и летит, как дрон самолетного типа. Для посадки такой беспилотник вновь возвращается в вертикальное положение и приземляется на специальные "рёбра", отходящие от крыльев и хвоста, которые служат ему опорой. От конвертопланов такую конструкцию отличает отсутствие поворотных элементов.
способность вертикального взлета как у коптера (не требует катапульты или ВПП)
способность полета по-самолетному с опорой на фиксированное крыло
способность к зависанию в заданной точке
энергоэффективность выше, чем у коптера
простота в использовании
для смены режима со "взлет-посадка" на "полёт" БЛА поворачивается в вертикальной плоскости
Экзотические беспилотники
Беспилотники нетипичной конструкции, не являющиеся массовыми, необычные концепты беспилотников. Это, например: беспилотники с посадкой на воду; беспилотники с возможностью погружаться под воду и взлетать из под воды; беспилотники с возможностью приземления на вертикальную поверхность, способные на ней закрепляться и карабкаться по ней; орнитоптеры (махолеты) и т.п. К ним можно отнести также монокоптеры — коптеры с единственным пропеллером. А также БЛА с искуственными перьями, позволяющими им маневрировать схожим с птицами образом.
Привязные беспилотники
Идея этой конструкции — убрать с беспилотника самую тяжелую его часть — батарею питания. При этом дрон подключается к наземному источнику питания — блоку питания, соединенному с сетью промышленного тока или к мощному аккумулятору. После чего такой показатель, как время непрерывного полета становится очень большим — часы, сутки, недели? Конечно, такой дрон, как правило, не летает взад-вперед, а остается на месте, над точкой, куда ведет его провод питания. Использовать подобные системы можно в двух основных целях — обеспечение наблюдения с помощью бортовой видеокамеры (камер) с возможностью обзора до 360 градусов. Или дрон может выполнять функции антенны, которая позволит вести сеанс связи даже в ситуациях, когда с земли этого бы сделать не получилось из-за кривизны поверхности нашей планеты.
Примеры: PARC, CyPhy, США ; Tether Eye, AeroVironment, США ; Z18 UF, Drone Volt, Франция — список далек от полноты.
Складные беспилотники
Конструкция целого ряда существующих беспилотников позволяет их складывать для удобства переноски. Перед применением такие устройства раскладывают, подготавливая их запуску. Как правило, это не требует использования специальных навыков или применения инструментов.
Примеры: Agras, DJI, Китай; AheadX Transdrone A4, Китай; Ascent AeroSystems Sprite; Mavic PRO, DJI, Китай; Pocket Drone, Odyssey Toys, США; PowerEgg, PowerVision Robot, Китай; Rotem, IAI, Израиль; Snap, Vantage Robotics; S6, Wingsland, Китай; Yuneec Typhoon H и другие.
Миниатюрные беспилотники
Такими можно считать БЛА с "размахом крыльев" до 10 см.
Примеры: Pocket Drone, Odyssey Toys; RoboBee, Гарвардский университет, США; Skeye Nano Drone, Skeeter.
Модульные беспилотники
Беспилотники, которые могут собираться в различной конфигурации в зависимости от задачи из унифицированных модулей.
2017.01.07 В Amazon разработали модульный БЛА, способный перевозить практически любой груз. Оригинальность идеи в том, что БЛА формируется из унифицированных модулей-квадрокоптеров, их число в БЛА определяется грузом, который нужно перевезти. После доставки БЛА может быть переконфигурирован, вновь разобран на отдельные модули-квадрокоптеры.
Рубрика: Технические науки
Статья просмотрена: 8795 раз
Библиографическое описание:
Лоскутников А. А., Сенюшкин Н. С., Парамонов В. В. Системы автоматического управления БПЛА // Молодой ученый. 2011. №9. С. 56-58. URL https://moluch.ru/archive/32/3685/ (дата обращения: 27.11.2019).
Беспилотный летательный аппарат, представляемый обывателем с экранов телевизоров — лишь часть сложного многофункционального комплекса.
В современной России существует как минимум 7 частных фирм, позиционирующих себя как производители БПЛА. Среди них концерн Вега (почти государственная), Текнол, Zala, Иркут, Транзас, Аэрокон, Новик 21 век. Продукция этих фирм охватывает БПЛА массой от 0,25кг ("Инспектор К-01" производства Аэрокон) до 640кг ("Дозор-600" производства Транзас). Все эти БПЛА имеют достоинства и недостатки. Но главный их общий недостаток — цена.
Мини-БПЛА (массой до 5 кг) стремительно обретают популярность в гражданской сфере, где большие БПЛА аэродромного базирования традиционно были недоступны как финансово, так и юридически. За рубежом мини-БПЛА используются для охраны сельхозугодий, картографии, дистанционного химико-физического анализа, контроля всхожести и спелости урожая, химической обработки. Примером этому служат японские БПЛА-вертолёты для фермеров Yamaha RMAX. В России подобная практика только-только начинает внедряться отдельными организациями [3].
Как правило, основная задача, возлагаемая на комплексы БПЛА, – проведение разведки труднодоступных районов, в которых получение информации обычными средствами, включая авиаразведку, затруднено или же подвергает опасности здоровье и даже жизнь людей. Информация собранная боровыми средствами мониторинга должна передаваться потребителю или сохранятся на борту в обработанном виде или сплошным массивом данных. Наибольшее распространение в настоящее время получила малоразмерные комплексы ближнего радиуса действия, что обусловлено их не высокой ценой и серьезной экономией при применении БПЛА для задач подобных типов.
Несомненно, вероятность выполнения задачи беспилотным комплексов большей мере зависит от его приборного оснащения.
Наличие полноценной системы автоматического управления — этим по существу и отличается Беспилотный Летательный Аппарат от дистанционно управляемой модели.
Любая из подсистем БПЛА (наблюдение, связь, электропитание, энергообеспечение) является производной, заимствованной из смежной отрасли техники, в той или иной степени адаптированной к применению. Если вес полезной нагрузки БПЛА 10-15 килограммов, то, можно установить курсовертикаль весом 1,5-2 килограмма (тоесть классическую с электромеханическим гироскопом, хотя, более целесообразно было бы взять дополнительно топлива или аппаратуры) [2].
При создании аппарата, взлетный вес которого не превосходит 3,5-4 кг, его разработчикам приходится применять специальные подходы для обеспечения массогабаритных требований к комплексу.
В основе любого автоматического управления лежит простая последовательность: измерение, сравнение и парирование возмущающего воздействия.
Как правило в современном профессиональном бортовом комплексе навигации и управления, функцию измерения состояния системы выполняет малогабаритная инерциальная интегрированная система (МИНС) [1, 2].
Имея в своем составе триады инерциальных датчиков (микромеханических гироскопов и акселерометоров), а также барометрический высотомер и трехосный магнитометр, и комплексируя данные этих датчиков с данными приемника GPS, система вырабатывает полное навигационное решение по координатам и углам ориентации.
Рисунок 1 –Типовая структурная схема автопилота:
1 – магнитный компас, 2 — барометрический датчик скорости, 3 – барометрический датчик высоты, 4 – ультразвуковой датчик высоты (для взлетов посадок), 5 – система спутниковой навигации, 6 – гировертикаль, 7 – пиродатчик горизонта, 8 – исполнительные механизмы
Для обеспечения задач наблюдения подстилающей поверхности в реальном масштабе времени в процессе полета и цифрового фотографирования выбранных участков местности, включая труднодоступные участки, а также определения координат исследуемых участков местности полезная нагрузка БПЛА [2]должна содержать в своем составе:
• Устройства получения видовой информации:
•Спутниковую навигационную систему;
• Устройства радиолинии видовой и телеметрической информации;
Устройства командно-навигационной радиолинии с антенно-фидерным устройством;
•Устройство обмена командной информацией;
• Устройство информационного обмена;
• Бортовая цифровая вычислительная машина (БЦВМ);
•Устройство хранения видовой информации.
Обзорное курсовое устройство (телевизионное, инфракрасное, радиолокационное и т.п.) закрепляется неподвижно под некоторым углом к строевой оси летательного аппарата, обеспечивающим необходимую зону захвата на местности. В состав обзорного курсового устройства может входить телевизионная камера с широкопольным объективом. В зависимости от решаемых задач может быть оперативно заменена или дополнена тепловизионной камерой, цифровым фотоаппаратом или радиолокационной станцией.
Устройство детального обзора с поворотным устройством состоит из ТК детального обзора с узкопольным объективом и трехкоординатного поворотного устройства, обеспечивающего разворот камеры по курсу, крену и тангажу по командам оператора для детального анализа конкретного участка местности. Для обеспечения работы в условиях пониженной освещенности ТК может быть дополнена тепловизионной камерой (ТПВ) на микроболометрической матрице с узкопольным объективом. Возможна также замена ТК на ЦФА. Подобное решение позволит использовать БЛА для проведения аэрофотосъемки при развороте оптической оси ЦФА в надир.
Радиолинии видовой и телеметрической информации (передатчик и антенно-фидерное устройство) должны обеспечивать передачу видовой и телеметрической информации в реальном или близком к реальному масштабе времени на ПУ в пределах радиовидимости.
Системы командно-навигационной радиолинии (приемник и антенно-фидерное устройство) должны обеспечивать прием в пределах радиовидимости команд пилотирования БЛА и управления его оборудованием.
Комплекс обмена командной информацией обеспечивает распределение командно и навигационной информации по потребителям на борту БПЛА.
Устройство информационного обмена обеспечивает распределение видовой информации между бортовыми источниками видовой информации, передатчиком радиолинии видовой информации и бортовым устройством хранения видовой информации. Это устройство также обеспечивает информационный обмен между всеми функциональными устройствами, входящими в состав целевой нагрузки БЛА по выбранному интерфейсу (например, RS-232). Через внешний порт этого устройства перед взлетом БЛА проводится ввод полетного задания и осуществляется предстартовый автоматизированный встроенный контроль на функционирования основных узлов и систем БЛА.
Спутниковая навигационная система обеспечивает привязку координат (топопривязку) БЛА и наблюдаемых объектов по сигналам глобальной спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС (GPS, ГАЛИЛЕО). Спутниковая навигационная система состоит из одного или двух приемников с антенными системами. Применение двух приемников, антенны которых разнесены по строительной оси БЛА, позволяет определять помимо координат БЛА значение его курсового угла.
Бортовая цифровая вычислительная система обеспечивает управление бортовым комплексом беспилотного аппарата.
Устройство хранения видовой информации обеспечивает накопление выбранной оператором разнообразной информации (изображения, видеоматериалы, сигнатуры излучений) до момента посадки БПЛА. Это устройство может быть съемным или стационарным. В последнем случае должен быть предусмотрен канал съема накопленной информации во внешние устройства после посадки БПЛА.
Встроенный блок питания обеспечивает согласование по напряжению и токам потребления бортового источника питания и устройств, входящих в состав полезной нагрузки, а также оперативную защиту от коротких замыканий и перегрузок в электросети.
Бортовой комплекс БПЛА является полнофункциональным средством навигации и управления беспилотного летательного аппарата. Комплекс обеспечивает: определение навигационных параметров, углов ориентации и параметров движения аппарата (угловых скоростей и ускорений); навигацию и управление при полете по заданной траектории; стабилизацию углов ориентации аппарата в полете; выдачу в канал передачи телеметрической информации о навигационных параметрах, углах ориентации БПЛА. Состав типового бортового комплекса: блок инерциальной навигационной системы; приемник навигационной системы; блок автопилота; накопитель Летных Данных; датчик воздушной скорости В базовой конфигурации управление осуществляется по каналам: элероны; руль высоты; руль направления; контроллер двигателя. Комплекс совместим с радиоканалом РСМ (импульсно-кодовая модуляция) и позволяет управлять БПЛА как в ручном режиме со стандартного пульта дистанционного управления, так и в автоматическом, по командам автопилота. Управляющие команды автопилота генерируются в форме стандартных широтно-импульсно-модулированных (ШИМ) сигналов, подходящих к большинству типов исполнительных механизмов. Физические характеристики:
Для обеспечения связи на значительные расстояния и повышения помехозащищенности за счет пространственной селекции в комплексах управления БПЛА широко используются остронаправленные антенные системы (АС) как на ПУ, так и на БЛА.
Система управления остронаправленной АС включает в себя:
• Собственно остронаправленную АС, радиотехнические параметры которой выбираются, исходя из требований обеспечения необходимой дальности связи по радиолинии.
• Сервопривод АС, обеспечивающий пространственную ориентацию ДН АС в направлении ожидаемого появления излучения объекта связи.
• Систему автоматического сопровождения по направлению (АСН), обеспечивающую устойчивое автосопровождение объекта связи в зоне уверенного захвата пеленгационной характеристики системы АСН.
• Радиоприемного устройства, обеспечивающего формирование сигнала «Связь», свидетельствующего о приеме информации с заданным качеством.
• Система управления антенной системой, обеспечивающий анализ текущего состояния системы управления АС, формирование сигналов управления сервоприводом для обеспечения пространственной ориентации АС в соответствии с полетным заданием и алгоритмом пространственного сканирования.
Таким образом, наиболее важной составляющей беспилотного авиационного комплекса является система управления и связи.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ.
Особенности классификации БПЛА самолетного типа [Текст] / Н. С. Сенюшкин [и др.] // Молодой ученый. — 2010. — №11. Т.1. — С. 65-68.
Беспилотные летательные аппараты./ С.В.Ганин, А.В.Карпенко, В.В.Колногоров, Г.Ф. Петров. СПб : Невский бастион, 1999.- 160с.
1.2.2.4. БПЛА с машущим крылом
БПЛА с машущим крылом (flapping-wing UAV) основаны на бионическом принципе – копировании движений, создаваемых в полете летающими живыми объектами – птицами и насекомыми.
Хотя в этом классе БПЛА пока нет серийно выпускаемых аппаратов и практического применения они пока не имеют, во всем мире проводятся интенсивные исследования в этой области. В последние годы появилось большое количество разных интересных концептов малых БПЛА с машущим крылом.
Главные преимущества, которые имеют птицы и летающие насекомые перед существующими типами летательных аппаратов – это их энергоэффективность и маневренность. Если разработчикам "машущих" БПЛА удастся по показателям энергоэффективности и маневренности приблизиться к тому, что уже имеется в живой природе, то тогда их усилия будут не напрасными, и можно ожидать, что этот класс аппаратов начнет находить свое применение.
Аппараты, основанные на имитации движений птиц, получили название орнитоптеров (англ.: omithopter), а аппараты, в которых копируются движения летающих насекомых – энтомоптерами (англ.: entomopter) [43].
Орнитоптеры.
При создании БПЛА, имитирующих движения птиц, много внимания уделяется механическому приводу крыльев. Механические передачи должны обеспечивать необходимый набор движений и при этом быть простыми и легкими. Кроме махов вверх/вниз с нужной частотой, система управления движением в подходящие по внешним условиям моменты должна реализовывать режим парения, для того, чтобы аппарат мог максимально эффективно использовать набегающие и восходящие потоки воздуха.
Показательным примером в этой области является БПЛА SmartBird германской фирмой Festo, которая известна своими разработками в области бионики. Созданный ей аппарат внешне действительно очень похож на птицу (рис. 1.56). Он выполнен по образу и подобию реальной птицы – серебристой чайки, но несколько крупнее ее по габаритам. Аппарат способен не только собственно летать, но и совершать самостоятельные взлет и приземление. Крылья SmartBird движутся не только вверх и вниз, но также и поворачиваются вокруг собственной оси, что обеспечивает движениям максимальную точность.
БПЛА SmartBird имеет длину 1 м, размах крыльев 2 м, массу 450 г. Питание осуществляется от литий-полимерной двухэлементной аккумуляторной батареи (7,4 В). Потребляемая мощность в режиме выполнения маховых движений всего 23 Вт, в режиме парения еще меньше – 18 Вт.
Аппараты, подобные описанному, в скором времени вполне смогут найти свое место на рынке БПЛА. Военные ведомства различных стран уже оценили очевидные достоинства этих аппаратов при выполнении разведывательных и диверсионных операций.
Энтомоптеры.
БПЛА, имитирующие движения летающих насекомых, условно можно подразделить на имитаторы четырехкрылых и имитаторы двукрылых насекомых. Четырехкрылые (стрекозы, бабочки) совершают более сложные движения, чем двукрылые, и возможностей управления полетом у них гораздо больше. На рис. 1.57 показан пример четырехкрылого энтомоптера, разработанного компанией Festo.
Длина корпуса аппарата составляет 44 см, размах крыльев 63 см. Крылья выполнены из углеродного волокна и полиэфирной плёнки. Показатель частоты взмахов крылом относительно невысокий – 15-20 Гц. Масса аппарата составляет всего 175 г.
Управление полётом робота осуществляется со смартфона. BionicOpter имеет встроенный ARM-микроконтроллер, обеспечивающий стабилизацию полёта. Аппарат оснащен одним основным электродвигателем и восемью сервоприводами. На борту имеется набор сенсоров для предотвращения столкновений с препятствиями. Схема питается от двухсекционного литийполимерного аккумулятора 7,4 В.
Конструкция BionicOpter обеспечивает этому аппарату множество возможностей маневрирования. Каждое крыло, кроме маховых движений, может совершать вращательные движения вокруг своей оси и угловые перемещения в горизонтальной плоскости. Кроме того, хвостовая часть может изгибаться, меняя положение центра тяжести. Благодаря таким возможностям управления, аппарат может, например, мгновенно зависать на месте и перемещаться в горизонтальной плоскости в любую сторону, не изменяя при этом угла тангажа.
Разработки БПЛА, имитирующие двукрылых насекомых, развиваются, в основном, в направлении микроминиатюризации аппаратов. Здесь все достижения, видимо, еще впереди. Развитие технологий новых сверхлегких материалов, источников питания, наноэлектроники и интеллектуального управления в ближайшие годы позволят создать микроминиатюрные насекомоподобные БПЛА, приближающиеся к живым существам и по выполняемым функциям, и по размеру. Появятся (уже появляются) новые концепции управления коллективами микророботов, перед которыми можно будет ставить цели, ранее не достижимые, т.к. эти формации воздушных микророботов будут обладать большими возможностями в силу таких их качеств, как коллективная живучесть, способность многовариантного решения задач, незаметность перемещений, способность к массированным и непрерывным миссиям и т.д.
Пример разработки миниатюрного двукрылого энтомоптера показан на рис. 1.58. Это микро-БПЛА Mobee (Monolithic Bee), разработанный Лабораторией микроробототехники Гарвардского университета (США). Его особенность в том, что он изготовлен по интегральной многослойной технологии. В основе – тонкая углепластиковая пластина, в которой лазером сделаны все необходимые вырезы, затем нанесено еще множество металлических и неметаллических слоев, формирующих необходимые электронные и микроэлектромеханические устройства, включая сенсоры, радиотехнические устройства и актуаторы крыльев [44].
