CC BY
302
MaslakAlexander Pavlovich, master, operator, Russia, Anapa, FGAU «MIT «ERA»
УДК 623
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-5-21-27
КВАДРОКОПТЕРЫ: ПРОЕКТИРОВАНИЕ, КОНСТРУИРОВАНИЕ И ИСПЫТАНИЯ
Я.О. Тарасов
Беспилотные летательные аппараты (БЛА), такие как дроны и квадрокоптеры, произвели революцию в авиации. Военное использование беспилотных летательных аппаратов большего размера возросло из-за их способности работать в опасных местах, сохраняя при этом людей-операторов на безопасном расстоянии. В данной статье будет рассматриваться квадрокоптер как небольшой беспилотный летательный аппарат. Это беспилотные летательные аппараты, играющие преобладающую роль в различных областях, таких как наблюдение, военные операции, обнаружение пожара, управление дорожным движением, а также коммерческое и промышленное применение. Основная цель статьи - изучить конструкцию, дизайн и процедуру тестирования квадрокоптера. В предлагаемой системе конструкция основана на приблизительной полезной нагрузке, переносимой квадрокоптером, и весе отдельных компонентов, что дает возможность выбора соответствующих электронных компонентов. Выбор материалов для конструкции основывается на весе, силах, действующих на конструкцию, механических свойствах и стоимости.
Ключевые слова: Беспилотный летательный аппарат, квадрокоптер, BLDC, ESC, пропеллеры, движение, тяга, подъемная сила, микроконтроллер, тестирование.
Квадрокоптер - это летательный аппарат, способный к вертикальному взлету и посадке, который приводится в движение четырьмя несущими винтами, расположенными в одной плоскости параллельно земле. В отличие от стандартных вертолетов, квадрокоптер использует лопасти фиксированного шага в своих несущих винтах, и его движение по воздуху достигается за счет изменения относительной скорости каждого винта. В настоящее время в 21 веке наблюдается невероятная эволюция квадрокоптеров. Инженеры-исследователи различных стран непрерывно работают над внедрением усовершенствованных контроллеров, конструкций, занимаются расчётом и моделированием полета.
На сегодняшний день в специализированных магазинах возможно приобрести квадрокоптер, но из-за высокой цены, далеко не каждый среднестатистический потребитель может себе позволить эту покупку. Основная цель этой статьи - предоставить информацию о проектировании, конструировании и демонстрации квадрокоптера, который мог бы выполнять множество задач в различных областях, чтобы каждый мог легко изготовить квадрокоптер дома по очень низкой цене. Квадрокоптеры можно разделить на две категории в зависимости от размера и веса: Микро и мини.
Принцип работы квадрокоптера заключается в том, что в нем используются две пары идентичных пропеллеров с фиксированным шагом, два из которых вращаются по часовой стрелке, а два других против часовой стрелки. Для достижения контроля используется независимое изменение скорости каждого ротора. Изменяя частоту вращения каждого ротора, можно специально создать желаемую общую тягу; определить местоположение центра тяги как в поперечном, так и в продольном направлении; и создать желаемый общий крутящий момент или усилие поворота. Квадрокоптеры отличаются от обычных вертолетов тем, что в них используются несущие винты, способные динамически изменять шаг лопастей по мере их перемещения вокруг ступицы несущего винта.
Структура квадрокоптера. Основной частью квадрокоптера является рама, имеющая четыре рычага. Рама должна быть легкой и жесткой, чтобы вместить аккумулятор, четыре бесщеточных двигателя постоянного тока , плату контроллера, четыре пропеллера, видеокамеру и различные типы датчиков. Частота вращения двигателя регулируется электронным регулятором скорости (ESC). Для большей стабильности двигатели располагают на равном расстоянии от центра с противоположных сторон. Расстояния между двигателями необходимо регулировать, чтобы избежать любого аэродинамического взаимодействия между лопастями пропеллера. Двигатели монтируются на основной раме или шасси квадрокоптера, как показано на рис.1. Рама изготавливается из углеродных композитных материалов, для увеличения полезной нагрузки и уменьшения веса.
1. Стандартные пропеллеры
2. Толкаюшпе пропеллеры
3. Бесколлекгорные двигатели
4. Посадочное шасси
5. Электронные регуляторы скорости (Electronic Speert Conti oLLeis / ESC)
6. Полетный контроллер
7. Приемник (ресивер)
8. Передатчик
9. Модуль спутниковой навигапии (GPS, ГЛОНАСС, Бэйдоу).
10. Батарея
11. Камера
Рис. 1. Основные элементы квадрокоптера
Бесколлекторный двигатель постоянного тока используются исключительно в квадрокоптерах, поскольку их тяга выше, чем у коллекторных двигателей постоянного тока. Коммутаторы в бесколлекторных двигателях встроены в регулятор скорости, в то время как коллекторы щеточных двигателей постоянного тока расположены непосредственно внутри двигателя.
Бесколлекторные двигатели имеют лучшие характеристики скорости и крутящего момента, высокую эффективность, бесшумно работают, имеют очень высокий диапазон оборотов, имеют более длительный срок службы.
Номинальная мощность двигателя (измеряется в кВ) - это соотношение между частотой вращения и напряжением. Номинальная мощность указывает, с какой скоростью двигатель будет вращаться (об/мин) при приложенном напряжении 1 В. Номинальный ток указывает максимальный ток, который двигатель может безопасно потреблять. Путем измерения электромеханической зависимости, постоянная крутящего момента Kt может быть определена из этого номинального значения Kv[1].
Крутящий момент может быть рассчитан как,
T=IxKt (1)
Номинальная мощность, Kv является критерием выбора двигателей. Kv рейтинг рассчитывается как:
Kt=(0.01794)Kv (2)
Он рассчитывается как:
N=Kv х Шх (3)
Обычно выбираются двигатели мощностью от 850 кВ до 1800 кВ в зависимости от области применения. Если подать 1 вольт на двигатель постоянного тока напряжением 1000 кВ, он будет вращаться со скоростью 1000 об / мин, в то время как при подаче 12 вольт на двигатель он будет вращаться со скоростью 12000 об /мин.
Пропеллеры. Подъемная тяга квадрокоптера обеспечивается за счет вращения пропеллера. как показано на рис.2. Пропеллеры бывают разных размеров и материалов. Они измеряются по их диаметру и шагу в формате (диаметр х шаг). Шаг - это измерение того, как далеко пропеллер продвинется за один оборот. Выбор пропеллера важен для обеспечения соответствующей тяги при зависании в воздухе. Так же важно подбирать соответствующий пропеллер, чтобы тот не перегревал двигатель.
Электронный регулятор скорости (ESC). Команды подаются в виде ШИМ-сигналов, которые принимаются отдельным ESC двигателя и соответственно выводят соответствующую частоту вращения двигателя. ESC преобразует 2-фазный ток батареи в 3-фазную мощность, а также регулирует скорость бесколлекторного двигателя, принимая сигнал с платы управления. ESC, используемый в радиоуправляемых летательных аппаратах, выполняет две функции. Первая заключается в том, чтобы действовать как схема отключения батареи (BEC), позволяющая питать как двигатели, так и приемник от одной батареи. Вторая функция заключается в том, чтобы принимать сигналы приемника и контроллера
полета для подачи нужного тока на двигатели. Каждый ESC имеет номинальный ток, который ограничивает максимальный ток, подаваемый на двигатель чтобы тот не сгорел. Номинальный ток ESC в 1,5 раза выше, чем у усилителя двигателя [3].
Рис. 2. Направления вращения двигателя квадрокоптера [2]
Аккумулятор. Литий-полимерные (LiPo) аккумуляторные батареи используются для квадро-коптеров, поскольку они обладают высокой удельной энергией и малым весом. Аккумулятор используется для питания двигателей и всех электронных компонентов квадрокоптера. Номинальная емкость в миллиампер-часах (мАч) показывает, какой ток батарея может выдавать в течение одного часа. Степень разряда, обозначенная буквой "C", показывает, как быстро аккумулятор может быть безопасно разряжен. LiPo-аккумуляторы можно найти в виде одного элемента (3,7 В) до более чем десяти элементов (37 В). Элементы обычно соединяются последовательно, что повышает напряжение, но дает одинаковое количество ампер в часах. Номинальная мощность ESC выше, чем у усилителя двигателя, поэтому максимальный ток, отводимый двигателем, задается как произведение количества двигателей на максимальный ток, отводимый одним двигателем.[4]
Конструкция квадрокоптера. Имеются различные конструкции и исполнения квадрокопте-ров. Каждая из конструкций направлена на то, чтобы быть более стабильной и маневренной. Стабильный полет БПЛА в значительной степени зависит от конструкции, а сложность в проектировании системы управления возникает из-за более низкой стабильности системы. Движение БПЛА зависит от результирующих сил и моментов относительно центра тяжести. Хорошее количественное соотношение сил и крутящего момента относительно центра масс тела может быть получено с помощью модели Ньютона-Эйлера. Например, если беспилотному летательному аппарату необходимо зависнуть на определенной высоте, моменты относительно центра тяжести должны быть равны нулю. Силы и моменты, приложенные к центру тяжести, зависят от конструкции [5]. Конструкция квадрокоптера включает в себя как аспекты машиностроения, так и аспекты компьютерной инженерии. Краткое описание аспекта компьютерной инженерии приведено на рис. 3. Он осуществляется в два этапа как программный, так и аппаратный соответственно [6].
Правый двигатель
Передний звигател! ESC1
Встроенная камера
Плата контроллера полета ^ Датчик IMU
"Гироскоп
\ ki елером етр "Барометр
Левый двигатель
А
JL.
s* ч Приемопередатчик WIH
<5
Наземная станция
ESC3 Задний
двигатель
ШИМ-ФИМ модуляция
Беспроводной приемник
<-
Р ади отпра в ля-емын
передатчик
Рис. 3. Блок диаграмма квадрокоптера
Конструкция квадрокоптера основана на платформе embedded system, т.е. внутренней системе, представляющей собой комбинацию компьютерного процессора, памяти и периферийных устройств ввода/вывода, выполняющая специальную функцию в рамках более крупной механической или электронной системы. Конструкция состоит из микроконтроллеров, которые управляют общей производительностью квадрокоптера, такой как механизм полета и прямая трансляция видео. ESC используется для управления скоростью вращения винта в зависимости от сигнала от компьютера. Питание квадрокоптера осуществляется от аккумулятора. Эти требования гарантируют, что квадрокоптер поддерживает стабильный полет во время движения или зависания. Обычно в квадрокоптере используются рамы типа X, поскольку они достаточно тонкие и прочные, чтобы выдерживать деформацию из-за нагрузок, а также
23
легкие по весу. Обычно рамки обозначаются как расстояние от двигателя до двигателя или диаметр окружности области рамки. Диаметр окружности каркаса для мини-летательного аппарата обычно составляет от 1/4 м до 1 м. Для мини-летательного аппарата площадь 1/2 м выбирается в соответствии с приложением [4]. Когда рама подвергается нагрузке на изгиб или скручивание, величина деформации зависит от формы поперечного сечения. Для квадрокоптера обычно используется пустотелая рама закрытого поперечного сечения для снижения веса. В то время как жесткость сплошной конструкции и жесткость на кручение замкнутого круглого сечения ниже, чем замкнутого квадратного поперечного сечения, это снижает общий вес. Жесткость можно изменять, изменяя размеры профиля поперечного сечения и толщину стенки.
Выбор деталей. Выбор BLDC, ESC и аккумулятора в значительной степени зависит от полезной нагрузки. Номинальные значения ESC зависят от номинальных значений бесколлекторных двигателей постоянного тока. Выбор двигателей зависит от высоких номинальных значений (об / мин / вольт), высокой тяги, меньшего веса и высокой эффективности. Мощность двигателей зависит от типа лопасти воздушного винта и требуемой полезной нагрузки. Если полезная нагрузка высока, выбирается двигатель с высокой мощностью, для которого требуется более высокий ток ESC. Создаваемая тяга зависит от диаметра и шага пропеллера.
Стабильность полета. Гироскоп посылает входные данные на плату управления через микроконтроллер для стабилизации квадрокоптера во время полета. В соответствии с кодом, записанным в микроконтроллере, он обрабатывает эти сигналы на ESC. Эти сигналы дают команду ESC произвести точную регулировку скорости вращения двигателей, что, в свою очередь, стабилизирует квадрокоптер.
Плата управления также принимает сигналы от приемника радиосистемы (Rx) и передает эти сигналы на микроконтроллер. Как только эта информация будет обработана, контроллер будет посылать различные сигналы на ESC, который будет регулировать скорость вращения каждого двигателя для полета в различных режимах: вверх, вниз, назад, вперед, влево, вправо, рыскание, как показано на рис. 4. Усиление гироскопа по всем 3 осям (крен, тангаж и рыскание) регулируется с помощью 3 регулируемых потенциометров. При необходимости, во время предполетной настройки, гироскоп можно отключить.
Крен и боковое движение Рыскявне н врлшательвое движение
Рис.4. Ориентация квадрокоптера [7]
Механизм движения. Взлет, посадка, движение вперед, назад, вправо и влево - это шесть основных операций, которыми выполняет квадрокоптер.
Взлет - это движение квадрокоптера, который поднимается с земли в положение зависания и наоборот для посадки, как показано на рис.5. Он управляется одновременным увеличением или уменьшением скорости четырех роторов.
Движение вперед и назад регулируется увеличением или уменьшением скорости заднего или переднего несущего винта. Это также влияет на угол тангажа квадрокоптера. Поворот квадрокоптера влево и вправо контролируется изменением угла крена. Поворот квадрокоптера влево и вправо контролируется изменением угла рыскания.
Регулировка угла рыскания происходит путем увеличения / уменьшения частоты вращения ротора против часовой стрелки или уменьшения /увеличения частоты вращения ротора по часовой стрелке.
О о
OG
ос ос оо оо оо оо
Вверх
Bhhi
Вeiti (движение вверх) и посадка (движение вниз)
Бсерез На»д
Движение вперед и назад
оо оооо оо оо оооо оо
Вл.
11апс|шт Г_1 гl.r
Q<? В 0|Н) 1 BapiBP
Движение влево и вправо (управление креном)
Рис. 5. Механизмы движения квадрокоптера [8]
Поворот влево и вправо (управление рысканием)
Блок управления. Плата управления подключается к ESC и приемнику. Эта плата используется для различных операций, выполняемых квадрокоптером, таких как крен, тангаж и рыскание. Микроконтроллер предоставляет набор цифровых и аналоговых выводов ввода-вывода, которые могут быть подключены к различным платам расширения (экранам) и другим схемам. Платы оснащены последовательными коммуникационными интерфейсами, включая USB на некоторых моделях для загрузки программ с персональных компьютеров. Соединение различных электронных компонентов квадрокоптера показаны на рис.6.
Рис.6. Подключение электронных компонентов [4]
Тестирование. Процедура тестирования квадрокоптера приведена на рис. 7. После сборки конструкции двигатели тестируются с различными скоростями и характеристиками тяги. Для этого испытания используется пружинное устройство, в котором один конец пружины прикреплен к двигателю, а другой - к земле. Тяга, создаваемая двигателем, прогнозируется путем наблюдения за отклонением. Пульт дистанционного управления должен быть откалиброван таким образом, чтобы двигатели получали одинаковый импульс при запуске для взлета. Небольшие механические неточности при изготовлении устраняются путем настройки триммера в удаленном блоке. Для обеспечения безопасности полета квадрокоптера проводятся различные тесты отдельных компонентов и всего блока в целом, чтобы убедиться, что все функционирует должным образом. Как правило, на квадрокоптере проводятся два этапа тестирования, которые приведены ниже [6].
Модульные тесты. Полетный контроллер тестируется с помощью PID (Пропорционально-интегрально-производная) настройки. Для обеспечения оптимальной производительности модульное тестирование проходят: барометр и компас, встроенные в полетный контроллер.
Летные испытания. Испытания делятся на предполетные и послеполетные. Для Предполетные испытания проводят чтобы убедиться, что квадрокоптер находится в исправном состоянии перед послеполетными испытаниями. Квадрокоптер проходит калибровку непосредственно перед взлетом.
С
с
Калибр 01 ESC
Испытание двигателя
Контур контроллера
С
с
I Калибровка I гироскопа
RT
данные датчиков
RT
данные датчика с ПЛИС
ПЛИС отправляет ШИМ на ESC. данные на ХБс
Регулятор оборотов для
Обороты в
минуту до ШИМ
Вычисленные
Рис. 7. Технологическая схема системы управления [9]
Преимущества, ограничения и области применения. Квадрокоптеры находят множество применений благодаря своим преимуществам [10]:
- Передача между двигателем и ротором не требуется;
- Переменный шаг пропеллера не требуется;
- Минимальная механическая сложность;
- Низкие эксплуатационные расходы;
- Меньшая нагрузка на центральные пластины;
- Увеличение полезной нагрузки.
Единственным недостатком можно выделить нарушение неприкосновенности частной жизни человека. Квадрокоптер нельзя рассматривать как игрушку, его применяют в различных областях профессиональной деятельности [3]:
- Область исследований;
- Военные, правоохранительные и общественные учреждения;
- Коммерческое использование и аэрофотосъемка;
- Игры с дополненной реальностью;
- Решение проблем с движением;
- Доставка продуктов питания и медикаментов;
- Журналистика и спорт.
Заключение. В статье была рассмотрена механическая структура квадрокоптера, были представлены и описаны его составные части. Произведен расчет мощности и крутящего момента двигателя квадрокоптера. Были рассмотрены различные механизмы движения квадрокоптера. Выявлены преимущества и недостатки квадрокоптеров, а так же области их применения.
Список литературы
1. Никита Гуляев (2017), Проектирование, строительство и Реализация автономного квадрокоптера на открытом воздухе с использованием микрокомпьютера RPi и контроллера полета MultiWii, Сайменский университет прикладных наук, Финляндия. [Электронный ресурс] URL: https://www.theseus.fi/bitstream/handle/10024/133527/Guliaev №кйа.рД?последовательность=1&Разрешен о=у (дата обращения: 10.04.2023).
2. Йесперсен Томас. Квадрокоптеры - как начать, TKJ Electronics. Дания. [Электронный ресурс] URL: http://bloц.tk¡electronics.dk/2012/03/quadcopters-какначатьработv (дата обращения: 10.04.2023).
3. Махен М.А., Анирудх С. Наик, Четана Х.Д., Шашанк А.С. (2014), Проектирование и разработка амфибийного Quadcopter, Международный журнал механических и Технология производства, Том №2, выпуск 7. С. 30-34.
4. Ананд С.С., Матиязаган Р. Дизайн и Изготовление беспилотного летательного аппарата с голосовым управлением Транспортное средство, Журнал аэронавтики и аэрокосмической инженерии, 2016. Том 5. Выпуск 2.
5. Файяз Ахмед, Ю. Шиврадж Нараян. Дизайн и Разработка квадрокоптера для наблюдения Международный журнал инженерных исследований, 2016. Том №5, Выпуск: Специальный выпуск 2, С. 312-318.
6. БО Омидже, В.М. Оден, К.Дж. Джозеф, Джа Эраме. Проектирование и изготовление квадро-коптера с полезной нагрузкой для инспекции и наблюдения за трубопроводами, Международный Журнал перспективных исследований в области электротехники, электроники и приборостроения, 2016. Том №5. Выпуск: 6.
7. Салех Або Эльмакарим (2014), механик квадрокоптера, Общество беспилотных летательных аппаратов. Египет. [Электронный ресурс] URL: lЩp://ua^^sodetv.Ыz.com/2014/06/четыре^ъядерныйcopteг-mechanics.html (дата обращения: 10.04.2023).
8. Харша, Шри (2014). Квадрокоптер, штат Сан-Хосе Университет. Сан-Хосе, Калифорния. [Электронный ресурс] URL: http://www.socialledge.com/si su/index.php?le=S14: Ouadcopter#Подтверждение (дата обращения: 10.04.2023).
9. Эйвинд Магнуссен, Кьелл Эйвинд Скьенхауг. Моделирование, проектирование и экспериментальное исследование конструкции системы квадрокоптера, Университет Агдера. [Электронный ресурс] URL: https://brage.bibsvs.no/xmlui/handle/11250/136686 (дата обращения: 10.04.2023).
10. Анудип М., Дивакар Г., Рави Катукам. Дизайн Квадрокоптер и его изготовление, Международный журнал Инновации в технике и технологиях, 2014. Том №4. Выпуск: 1. С. 59-65.
11. Стаффорд Джесси. Как работает квадрокоптер / Клэй Аллен, Университет Аляски, Фэрбенкс. Проверено в 2015 году. С. 01-20.
Тарасов Ярослав Олегович, магистр, старший оператор, era_1@mil.ru, Россия, Анапа, ФГАУ «ВИТ «ЭРА»
QUADCOPTER: DESIGN, CONSTRUCTION AND TESTING Y.O. Tarasov
Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) like drones and quadcopters have revolutionised flight. They help humans to take to the air in new, profound ways. The military use of larger size UAVs has grown because of their ability to operate in dangerous locations while keeping their human operators at a safe distance. Here quadcopter as a small UAV is discussed. It is the unmanned air vehicles and playing a predominant role in different areas like surveillance, military operations, fire sensing, traffic control and commercial and industrial applications. The main objective of the paper is to learn the design, construction and testing procedure of quad-copter. In the proposed system, design is based on the approximate payload carry by quadcopter and weight of individual components which gives corresponding electronic components selection. The selection of materials for the structure is based on weight, forces acting on them, mechanical properties and cost.
Key words: UAV, quadcopter, BLDC, ESC, propellers, motion, thrust, lift, microcontroller, test.
Tarasov Yaroslav Olegovich, magister, senior operator, era_1@mil.ru, Russia, Anapa, FGA U «MIT
«ERA»
УДК 621.373
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-5-27-31
МОДЕЛИРОВАНИЕ УПРАВЛЯЕМОГО НАПРЯЖЕНИЕМ ГЕНЕРАТОРА ДЛЯ ПОДАВЛЕНИЯ СИГНАЛА СОТОВОЙ СВЯЗИ
М.С. Суворкин
В ходе проведённых исследований был разработан генератор управляемый напряжением, который в дальнейшем будет использоваться для блокиратора сотовой связи. Основные требования к генератору были минимальные, это стабильная работа в заданном диапазоне частот, так как нам здесь не требуется уменьшение шумов и всего остального, задача становится куда проще. Было произведено несколько итераций ГУН, прежде чем готовое устройство внедрили в изделие, в ходе этих итераций были поправлены некоторые ошибки топологии и недочёты, которые всплывали по ходу проверки работоспособности.
Ключевые слова: генератор, управляемый напряжением, ГУН, блокиратор, Microwave office.
ГУН разрабатывается с нуля для удешевления стоимость конечного изделия. И для того, чтобы исключить зависимость от сторонних производителей, намного проще заменить сошедший с производства один транзистор, чем целый ГУН.
За основу ГУН была взята разработка на предприятия АО «КОБРА». В ходе проектирования требовалось заменить дорогостоящие покупные ГУНы на ГУНы своего производства, которые в серийном производстве обходились бы намного дешевле. Это устройство, было полностью изготовлено, проверено и даже внедрено в линейку изделий «ШТИЛЬ».
27
