CC BY
271
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ ELECTRICAL FACILITIES AND SYSTEMS
Ахмеров Ш.Р. Akhmerov S.R.
аспирант Уфимского государственного авиационного технического университета, Россия, г. Уфа
УДК 62-523.8
АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПОДЗАРЯДКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ ВЕРТОЛЕТНОГО ТИПА
В статье рассматриваются преимущества и способы применения малых электрических беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) вертолетного типа. Предложена структура системы управления и подзарядки, позволяющая при наличии группы таких БПЛА организовать выполнение длительных задач мониторинга и сервиса. Рассматривается контактный вариант реализации зарядного терминала для такой системы.
Ключевые слова: мультикоптер, БПЛА, мониторинг, зарядный терминал, матрица контактных площадок.
AUTOMATIC SYSTEM RECHARGE OF ELECTRIC PILOTLESS AIRCRAFT OF HELICOPTER TYPE
In article advantages and methods of application of small electric pilotless aircraft (PLA) of helicopter type are considered. The control system and recharge structure allowing in the presence of group of such PLA to organize performance of long problems of monitoring and service is offered. The contact option of realization of the charging terminal for such system is considered.
Key words: multikopter, BPLA, monitoring, charging terminal, matrix of contact platforms.
В настоящее время различные виды беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) широко применяются для решения обширного круга задач мониторинга и сервиса. Как правило, используются БПЛА самолетного типа, недостатком которых являются высокая стоимость (может достигать десятков миллионов долларов) и невозможность зависания в воздухе, что, в некоторых случаях, не позволяет осуществлять достаточно качественный мониторинг. Высокая стоимость, в свою очередь, ограничивает доступ к подобным БПЛА большинства потенциальных потребителей.
Относительно недавно, 5-7 лет назад, был разработан новый тип БПЛА - мультикоптеры (рис. 1). Это малые многовинтовые БПЛА вертолетного типа, обладающие явными преимуществами пе-
ред другими видами летательных аппаратов (ЛА) при решении определенных задач [1]. Прежде всего это несравнимо более низкая стоимость (около пятисот долларов), что делает их доступными практически для всех потенциальных потребителей. Кроме того, мультикоптеры, как и вертолеты, способны зависать в воздухе и осуществлять вертикальный взлет и посадку [2]. Стоит отметить также и другие преимущества: возможность полета на очень низких высотах, стабильность полета, относительная легкость управления, способность полета в режиме слежения, простота и надежность конструкции. Мультикоптеры являются бесшумными, чрезвычайно маневренными и экологически чистыми аппаратами. Грузоподъемность мультикоптеров составляет 2-5 кг, что позволяет
Рис. 1. Мультикоптер
размещать на них видео- и фотокамеры, а также различные датчики.
Исходя из вышеперечисленного, мультикопте-ры могут быть использованы для решения большого числа задач. В частности, это различные виды мониторинга - охранный, разведывательный; мониторинг всевозможных явлений - природных катаклизмов, больших скоплений людей, автомобильных пробок, куда доступ другой техники затруднен. Есть возможность осуществлять мониторинг загрязненного или радиоактивного воздуха, для чего использовать более дорогостоящую технику нецелесообразно. Большие возможности открывают мультикоптеры для осуществления метеорологического мониторинга.
Кроме того, мультикоптеры могут быть использованы для сервисных функций, а именно: осуществления видео- и фотосъемки с воздуха, перевозки небольших грузов, в качестве ретрансляторов сигнала и др.
Но несмотря на все вышеперечисленные преимущества и потенциальные области применения, мультикоптеры в настоящий момент не нашли промышленного применения, что обусловлено их единственным недостатком - небольшим временем полета. В большинстве случаев бортовой источник энергии мультикоптеров - батарея литий-полимерных аккумуляторов - обеспечивает время полета около тридцати минут. После этого необходима перезарядка. Очевидно, столь малого времени недостаточно для выполнения большинства полетных задач. Потому задача увеличения времени полета является чрезвычайно актуальной в настоящее время.
Решить данную задачу путем установки на мультикоптерах более мощных аккумуляторов не представляется возможным, поскольку это приво-
дит к увеличению веса и, как следствие, большим затратам энергии. Время полета в таком случае все равно не превышает получаса. Использование солнечной энергии также невозможно по причине отсутствия принимающих поверхностей, площадь которых для осуществления полета должна быть не менее восьми квадратных метров.
Решить проблему длительного (возможно, непрерывного) выполнения мониторинга или другой задачи предлагается путем использования наземной зарядной станции и группы взаимозаменяемых мультикоптеров. Когда один мультикоптер при исполнении полетных обязанностей находится на объекте, другие мультикоптеры находятся на зарядном терминале. Прежде, чем батарея летающего мультикоптера полностью разрядится, происходит его замена другим мультикоптером. В большинстве случаев требуется автоматическая работа такой системы, то есть автоматическая подзарядка и дис-петчирование полетов мультикоптеров. Другими словами, необходима система управления, включающая систему навигации для определения текущего положения мультикоптеров и зарядного терминала, а также правильной посадки мультикоптеров на зарядный терминал.
Предлагаемая система (рис. 2) включает в себя группу беспилотных летательных аппаратов, зарядную станцию 3, станцию управления 2 и соответствующее программное обеспечение такой системы. Станция управления вырабатывает команды для беспилотных летательных аппаратов и зарядного терминала, собирает телеметрическую информацию и отслеживает траектории полетов. На рисунке, кроме того, представлены объект мониторинга 1, источник энергии 4, зарядный терминал 5, заряжающийся мультикоптер 6, мультикоптер, находящийся на задании 7.
Рис. 2. Структура предлагаемой системы непрерывного мониторинга
Важной и достаточно сложной частью системы является зарядный терминал, поскольку он должен обеспечивать автоматическую подзарядку приземляющихся на него мультикоптеров. Рассмотрено несколько вариантов реализации терминалов зарядки: двухконтактные терминалы, одноконтактные терминалы и бесконтактные терминалы [3].
Терминал беспроводной зарядки основан на передаче электромагнитной энергии высокой частоты (10 кГц...10 МГц) от наземного источника к аккумулятору посредством связанных резонансных контуров. В отличие от классических зарядных устройств их беспроводные аналоги вместо медного проводника используют дополнительный блок преобразования, аналогичный обычному трансформатору, что приводит к некоторому снижению эффективности КПД этого блока. По данным разных производителей он составляет порядка 70%.
Принцип работы одноконтактного терминала основан на высокой частоте передачи энергии только через один провод. Данный способ известен еще со времен Н. Теслы. В этом случае нет необходимости позиционировать БПЛА точно, потому что площадкой для посадки может служить металлическая пластина достаточно большого размера. Однако коэффициент полезного действия такого терминала ниже, чем для традиционного двухконтактного терминала.
Двухконтактный терминал представляет собой устройство с двумя традиционными разъемами (+, -), которое обеспечивает общий постоянный ток зарядки от наземного источника питания к бортовому аккумулятору. Очевидными преимуществами такого варианта являются простота конструкции и, что немаловажно, высокий КПД.
Заряд аккумуляторных батарей производят от источника постоянного тока. Для протекания заряд-
ного тока необходимо, чтобы напряжение зарядного устройства было больше ЭДС батареи. Аккумулятор и драйвер зарядки находятся на борту БПЛА. Зарядное устройство стабильно выдает одно и то же напряжение, и на борту БПЛА это напряжение при помощи драйвера зарядки по определенному алгоритму преобразуется в нужное для аккумулятора зарядное напряжение.
Наиболее приемлемым представляется двухконтактный терминал по причине наиболее высокого коэффициента полезного действия (КПД) и простоты конструкции. Однако в традиционном исполнении для таких терминалов требуется очень точное позиционирование и посадка мультикопте-ра на контакты. Решить данную проблему предлагается путем использования матрицы контактных площадок (МКП), в которой каждая контактная площадка представляет собой так называемый «умный контакт». Терминал зарядки в таком случае представляет собой плоскую прямоугольную платформу (рис. 3), на поверхности которой расположена матрица прямоугольных контактов, каждый из которых соединен со специальной схемой анализатора-коммутатора, способной определять полярность остаточного напряжения полюсов аккумулятора мультикоптера и подключать к ним в нужной полярности контакты наземного источника питания. В таком случае нет необходимости точной посадки мультикоптера, достаточно того, что мультикоптер просто приземлится на зарядную станцию, коснувшись двумя посадочными электродами, подключенными к полюсам бортового аккумулятора, некоторых отдельных контактов МКП, которые автоматически определят, напряжение какой полярности необходимо подавать. Контакты аккумуляторной батареи мультикоптера должны быть выведены в основание шасси 3, 4 для осущест-
Рис. 3. Активные контакты при посадке мультикоптера на зарядный терминал
вления зарядки по данному методу. На рисунке 3 представлены активные контакты 2, участвующие в процессе зарядки, и неактивные контакты 1.
На рисунке 4 представлена схема «умного контакта». На вход данной схемы (Х1) подается остаточное напряжение с одного из полюсов бортового аккумулятора относительно земли. Неинвертирую-щий усилитель на операционном усилителе DA1 и связке комплементарных транзисторов VT1, VT2 усиливает приложенное напряжение до насыщения, т. е. почти до напряжения источника питания +Е или -Е. При этом срабатывает реле К1 и своими
контактами замыкает выход усилителя на контакт Х1, т. е. вход усилителя. Благодаря этому на выходе будет сохраняться устойчивое состояние. Весь зарядный ток от источника будет протекать через транзистор УТ1 для контактов МКП, на которые попали «положительные» посадочные электроды, или через УТ2 - для контактов МКП, на которые попали «отрицательные» посадочные электроды мультикоптера. После окончания процесса зарядки и взлета аппарата с терминала возврат схемы в исходное дежурное состояние производится коротким импульсом, поступающим на ключ S1.
Рис. 4. Схема «умного контакта»
Рассмотрено три варианта зарядных терминалов для электрических мультикоптеров: бесконтактные, одноконтактные и двухконтактные. При бесконтактном и одноконтактном методе нет необходимости точного позиционирования БПЛА на зарядном терминале, однако эти методы обладают более низким КПД. Поэтому предлагается использовать двухконтактный метод зарядки с применением так называемой матрицы «умных контактов», что позволяет объединить преимущества всех вышеперечисленных методов. Реализованный таким образом терминал зарядки и вся система подзарядки и управления группой мультикоптеров позволят применять мультикоптеры для решения большого круга полетных задач.
Список литературы:
1. Nonami K. Autonomous Flying Robots: Unmanned Aerial Vehicles and Micro Aerial Vehicles [Text] / K. Nonami, et al. - Springer, 2010.
2. UAV SWARM Health Management Project Website [Electronic resourse]. - URL: http://vertol.mit. edu/index.html (дата обращения 21.12.2012).
3. Fetisov V. Continuous monitoring of terrestrial objects by means of duty group of multicopters [Text] / V. Fetisov, et al// XX IMEKO World Congress, 2012.
Грахов П.А. Grakhov P.A.
кандидат технических наук, доцент Уфимского государственного авиационного технического университета, Россия, г. Уфа
Федин А.В. Fedin A. V.
аспирант Уфимского государственного авиационного технического университета, Россия, г. Уфа
УДК 621.313
МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ НА ОСНОВЕ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫХ ПЛАСТИН С УЧЕТОМ УПРУГИХ НАПРЯЖЕНИЙ
В статье рассматриваются вопросы моделирования и исследования магнитострикционных устройств угловых перемещений на базе изгибных деформаций активного элемента. Приведены уравнения, описывающие процессы изгибного деформирования магнитострикционных пластин. Построена и исследована модель с учетом изменения упругих напряжений по толщине активных слоев. Получены статические характеристики исследования магнитострикционных устройств угловых перемещений.
Ключевые слова: магнитострикция, устройство угловых перемещений, микроперемещения, изгибные деформации, упругие напряжения, математическая модель.
ANGULAR MOVEMENTS DEVICES MODELLING ON THE BASIS OF MAGNETOSTRICTION PLATES TAKING INTO ACCOUNT ELASTIC TENSIONS
In the article questions of modelling and research of angular movements magnetostriction devices on the basis of flexural deformations of the active element are considered. The equations describing processes of magnetostriction plates flexural deformation are given. The model taking into account change of elastic tension
