CC BY
110
155Ы 1992-6502 (Рпп^_
2015. т. 19, № 2 (68).с. 138-144
{ББЫ 2225-2789 (ОпИпе) http://journal.ugatu.ac.ru
удк 629.735-519:629.7.08
Оценка схем построения контактных устройств в посадочных платформах для подзарядки электрических БПЛА с вертикальным взлетом-посадкой
12 3
В. С. Фетисов , Ш. Р. Ахмеров , Р. В. Сизоненко
:^777@гатЫег.ш, ^атИ^Ю®^^^ [email protected] ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (УГАТУ)
Поступила в редакцию 12 января 2015
Аннотация. Рассматриваются наземные зарядные станции на основе открытых контактных площадок для подзарядки электрических беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) с вертикальным взлетом/посадкой. Представлены две оригинальные разработки авторов - это зарядная станция на основе матриц так называемых интеллектуальных контактов и зарядная станция на основе плоских параллельных электродов. Каждая из разработок имеет свои достоинства и недостатки, однако общим для них является возможность постановки БПЛА на зарядку в условиях неточной посадки, а также способность обеспечивать зарядку одновременно нескольких аппаратов.
Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат (БПЛА); вертикальный взлет и посадка; зарядка; аккумуляторная батарея; зарядная станция; посадочная платформа; контактная площадка.
Одной из проблем применения беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) с электрической силовой установкой является относительно небольшая длительность полета вследствие ограниченной удельной энергоемкости источников питания. Эта проблема особенно актуальна для аппаратов с вертикальным взлетом-посадкой (вертолетов, мультикоптеров и др. [1]), которые более энергозатратны по сравнению с аппаратами самолетного типа.
Бортовыми источниками питания в подавляющем большинстве случаев являются батареи литий-ионных гальванических элементов или аккумуляторов. Следовательно, наиболее естественными решениями по увеличению времени функционирования БПЛА является посадка на специальную сервисную платформу, на которой производится замена источников питания или их подзарядка. Хотя существуют и другие способы продления времени работы БПЛА [2], такие как зарядка в воздухе посредством наземного лазера [3], подзарядка от линий электропередач [4], питание БПЛА по тонкому кабелю, связывающему аппарат с наземным источником [5]. Пока эти способы довольно экзотичны и здесь не рассматриваются.
Для организации непрерывного дежурства БПЛА над объектом необходимо использовать группу аппаратов, поэтому и посадочные плат-
формы должны быть способны обслуживать сразу несколько БПЛА.
Передача энергии от наземной зарядной станции в бортсеть БПЛА может осуществляться с помощью как контактных, так и бесконтактных устройств [6]. У каждого такого типа энергопередающих устройств есть свои достоинства и недостатки. Бесконтактные, реализуемые на основе связанных резонансных контуров, нечувствительны к состоянию поверхности посадочной платформы (наличию окислов, пыли, снега и т. д.), но имеют низкий КПД. Контактные, напротив, имеют высокую эффективность передачи энергии, но чувствительны к качеству контактирования. Варианты реализации последних рассмотрены авторами в [7]. Наиболее перспективными признаны посадочные платформы на основе открытых контактных площадок, так как они обеспечивают контактирование с бортовыми посадочными электродами БПЛА даже в условиях неточной посадки аппарата. Предложены две основные схемы построения контактных устройств: это зарядная станция на основе матриц так называемых интеллектуальных контактов и зарядная станция на основе плоских параллельных электродов.
В. С. Фетисов, Ш. Р. Ахмеров и др. • Оценка схем построения
139
ЗАРЯДНЫЕ СТАНЦИИ НА ОСНОВЕ МАТРИЦЫ ИНТЕЛЕКТУАЛЬНЫХ КОНТАКТОВ
Возможные схемы коммутации контактных площадок. Основа первой разработки -аналоговая схема, названная авторами «интеллектуальный контакт». Назначение этой схемы - определение величины и полярности напряжения, переданного площадке от бортового посадочного электрода, с последующим подключением к этой площадке соответствующего напряжения наземного источника питания. Процесс зарядки аккумуляторной батареи БПЛА осуществляется под управлением бортового контроллера зарядки.
В наших предыдущих публикациях [2, 6-9] кратко описывалась идея посадочной платформы на базе матрицы интеллектуальных контактов. Все контактные площадки одинаковые и могут иметь различную форму. Они изолированы друг от друга узкими промежутками. Исходя из конфигурации бортовых посадочных электродов и формы наземных площадок, формулируются требования к размерам и расположению бортовых посадочных электродов. Например, если наземные контактные площадки квадратные, а бортовые посадочные электроды, к которым подключены полюса аккумулятора бортсе-ти, имеют плоскую прямоугольную форму, то ширина этих электродов должна быть больше зазора между наземными контактными площадками, а расстояние между бортовыми электродами должно быть больше диагонали квадрата площадки (для избежания замыкания полюсов) (рис. 1).
Рис. 1. Гексакоптер на матрице интеллектуальных контактов
Рассмотрим схемотехнические особенности реализации управления интеллектуальным контактом. Каждый узел управления интеллектуальным контактом представляет собой аналого-
вую схему на основе операционного усилителя и пары биполярных комплементарных транзисторов. Авторами проанализированы в среде моделирования МюгоСАР различные схемотехнические варианты реализации данного узла и испытано их функционирование на макетах. В итоге схема управления подключением отдельной контактной площадки выглядит так, как показано на рис. 2.
Рис. 2. Аналоговая схема управления интеллектуальным контактом
На вход данной схемы (площадка Х1) подается остаточное напряжение с одного из полюсов бортового аккумулятора GB относительно земли. На некоторые другие площадки (такие, как X2) точно также подается напряжение другой полярности. К площадке X2 подключена аналогичная электронная схема (на рис. 2 не показана). Неинвертирующий усилитель на операционном усилителе DA1 усиливает приложенное напряжение до насыщения. Этим напряжением открывается соответственно один из ключей VT1 или VT2, и напряжение источника питания + Е или - Е подается через ограничивающий резистор R1 на контактную площадку Х1, т. е. вход усилителя. Благодаря этому на выходе будет сохраняться устойчивое состояние. Весь зарядный ток через R1 от источника будет протекать через транзистор VT1 для контактов матрицы, на которые попали «положительные» посадочные электроды, или через VT2 - для контактов, на которые попали «отрицательные» посадочные электроды БПЛА. После окончания процесса зарядки и взлета аппарата возврат схемы в исходное дежурное состояние производится коротким положительным импульсом RESET. Для организации сброса применено твердотельное реле PVT312, обеспечивающее коммутацию сигналов любой полярности.
В результате схемотехнического моделирования и экспериментов было выявлено, что аналоговые схемы управления нормально работают в ограниченном диапазоне номиналов резисто-
ров R1 и R2 (по рис. 2), что обусловлено наличием петли непосредственной положительной обратной связи. Это накладывает некоторые ограничения на количество подключаемых контактных площадок и зарядные токи, поэтому была разработана более совершенная схема управления подключением контактных площадок на основе микроконтроллеров, свободная от указанных недостатков.
Фрагмент такой схемы на микроконтроллере DDI (ATMEGA32L-8AU) показан на рис. 3.
Рис. 3. Схема управления подключением контактных площадокна основе микроконтроллера
Контактные площадки X1-X8 через рези-стивные делители R1, R9-R8, R16 подключены к портам ввода аналоговых сигналов PA0-PA7 микроконтроллера DD1. В дежурном режиме микроконтроллер производит циклический опрос этих портов и анализ их состояния. После посадки БПЛА на матрицу контактных площадок на отдельных из них появляется напряжение, имеющее относительно земли положительную или отрицательную полярность.
Номера выявленных активных площадок и соответствующие полярности запоминаются, после чего обращения к портам PA0-PA7 прекращаются, а на отдельные из цифровых портов вывода PB0-PB7, PC0-PC7 выдаются управляющие сигналы для подключения через ключевые элементы К1-К16 и токоограничивающие резисторы того или иного полюса зарядного источника Е. Команда на размыкание ключей формируется этим же контроллером по сигналам из других подсистем. Преимущество такой
схемы управления состоит в том, что измерительная и исполнительная части разделены, обратная связь отсутствует, а следовательно, отсутствуют предпосылки для случайных сбоев, обусловленные наличием такой связи. Кроме того, практически отсутствуют ограничения на количество одновременно коммутируемых контактных площадок.
По стоимости реализации второй из двух представленных вариантов оказывается лишь немного дороже первого. По компактности и простоте настройки второй вариант также может быть предпочтительнее. Для того чтобы первый вариант мог с ним конкурировать, в нем необходимо использовать свосьмиренные операционные усилители (выпускаемые по 8 элементов в одном корпусе).
Определение предпочтительных вариантов формы и расположения контактных площадок. Большой зарядный ток можно передать на БПЛА только, если площадь контакта бортовых и наземных электродов достаточна для его пропускания. Эта площадь взаимного контактирования зависит от формы контактных площадок, от величины зазора между ними, от размеров и формы бортовых посадочных электродов.
Так как, предположительно, после посадки аппарата расположение бортового посадочного электрода на матрице может быть совершенно произвольным, то площадь контактирования есть величина случайная. Естественно выбрать в качестве критерия оптимальности формы и расположения контактных площадок среднюю площадь контактирования. Однако при этом очень полезно принимать во внимание еще относительное среднеквадратичное отклонение (СКО) этой величины, так как это служит оценкой того, насколько площадь контактирования может измениться в случае неудачного попадания плоского бортового электрода в зону, где преобладают зазоры.
Аналитически оценить площадь контактирования при различных положениях электродов довольно сложно. Поэтому в среде Lab View была написана специальная имитационная программа (рис. 4), позволяющая при заданных форме и размерах бортового посадочного электрода оценить площадь его контактирования с матрицей наземных контактных площадок для всевозможных вариантов расположения.
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
141
Рис. 4. Окно имитационной программы - панель виртуального прибора
Накопленный массив данных затем используется для расчета относительного СКО площади контактирования. Были проанализированы следующие варианты формы и расположения контактных площадок: квадратные с классической матричной укладкой, квадратные с укладкой со сдвигом, гексагональные, круглые с матричной укладкой, круглые с плотной укладкой (рис. 5).
тггг
ш
-ТПГГТ
б
г д
Рис. 5. Варианты форм и укладки контактных площадок: а - квадратные с классической матричной укладкой, б - квадратные с укладкой со сдвигом, в - гексагональные, г - круглые с матричной укладкой, д - круглые с плотной укладкой
В данном имитационном эксперименте с целью уравнивания условий для разных вариантов форм контактных площадок их габаритные размеры а брались одинаковыми, минимальный зазор между площадками везде принимался равным а/20, а размеры прямоугольного бортового электрода были везде одинаковыми со-
ставляли а*4а. Полученные результаты сведены в таблице.
Из результатов следует очевидный вывод, что наиболее предпочтительны квадратные площадки с укладкой со сдвигом. Повторные эксперименты с более узкими бортовыми электродами подтвердили такой вывод. При увеличении зазоров между площадками разница между исследуемыми вариантами становится более резко выраженной. При уменьшении же зазоров разница между вариантами вполне ожидаемо становится меньше и в пределе исчезает (кроме вариантов с круглыми площадками).
Таблица
Результаты имитационного эксперимента
Вариант формы и укладки контактных площадок Средняя площадь СКО,
контактиро- %
вания, р1х
Квадратные с матричной укладкой 146324 1,01
Квадратные с укладкой со сдвигом 146642 0,85
Гексагональные 142527 0,63
Круглые с матричной укладкой 115249 6,46
Круглые с плотной укладкой 131346 2,19
а
в
б
а
Рис. 6. Зарядная станция на основе платформы с плоскими параллельными электродами:
а - структура станции; б - схема установки отдельного аппарата на наземные электроды; в - возможные положения бортовых электродов БПЛА на посадочной платформе
ЗАРЯДНЫЕ СТАНЦИИ НА ОСНОВЕ ПЛОСКИХ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ
В другой предложенной зарядной станции [10] (рис. 6) также используется избыточность наземных электродов. Она содержит систему контактных площадок, выполненных в виде плоских параллельных электродов шириной а, разделенных узкими диэлектрическими прокладками шириной 5.
Половина наземных электродов подключена к «плюсу» наземного источника питания, а другая половина - к «минусу», причем их полярности чередуются.
На борту БПЛА расположены 4 бортовых посадочных электрода, расположенных на концах опорных стоек таким образом, что их точки касания с посадочной платформой лежат в углах квадрата со стороной а + 5, каждый из бортовых электродов подключен через соответст-
вующие диоды одновременно к положительному и отрицательному входному выводу зарядного контроллера, связанного с бортовым аккумулятором GB1.
Благодаря описанным геометрическим особенностям исключено замыкание бортовым электродом соседних плоских параллельных наземных электродов, а главное, что при любом варианте посадки исключена ситуация, когда все четыре бортовых посадочных электрода контактируют только с одним плоским наземным электродом. Таким образом, при посадке обеспечена разнополярность бортовых электродов, т. е. как минимум один из них будет иметь полярность, отличную от других. Это значит, что правильное подключение к зарядному источнику обеспечено при любом расположении аппарата на посадочной платформе. Кроме того, описанная зарядная станция может обслуживать одновременно несколько БПЛА).
В. С. Фетисов, Ш. Р. Ахмеров и др. • Оценка схем построения
143
В приведенном примере БПЛА имеет 4 посадочных электрода. Это характерно для квад-рокоптеров, в которых удобно располагать электроды-стойки под несущими лучами рамы аппарата. В других случаях количество электродов может быть выбрано также в соответствии с количеством несущих лучей. Например, для трикоптера лучше иметь три посадочных электрода, а для гексакоптера - шесть. Причем естественно расположить их в вершинах правильных многоугольников.
В случае расположения бортовых контактов в вершинах квадрата требуется точно соблюдать равенство Ь = а + 5, где Ь - длина стороны квадрата. При расположении электродов в вершинах правильного треугольника также следует соблюдать строгое равенство с = 1,16-(а + 5), где с - длина стороны треугольника. В противном случае все контакты могут оказаться подключенными к одной полярности. В вариантах расположения бортовых контактов в вершинах других правильных многоугольников допустим выбор длины стороны многоугольника в некотором диапазоне. На рис. 7 показаны близкие к предельно допустимым варианты расстановки бортовых электродов для случаев различных правильных многоугольников.
Для варианта расположения в вершинах шестиугольника видно, что для недопущения попадания всех контактов в одну полярность длина стороны должна быть не менее d1 и не более d2. Простые геометрические выкладки позволили получить выражение для допустимого диапазона длины стороны правильного шестиугольника: d = 0,58...1(а + 5).
d2
d,
Рис. 7. Близкие к предельно допустимым
варианты посадки для бортовых электродов, расположенных в вершинах правильных многоугольников
По сравнению с контактными системами на базе матриц интеллектуальных контактов, в системах на базе плоских параллельных электродов площадь контактирования относительно невелика. Достоинством же является отсутствие необходимости размещать в наземной платформе сложную контрольно-распределительную аппаратуру.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Предложенные два типа зарядных станций прошли практическую апробацию и показали свою перспективность. Продолжается их усовершенствование. Описанные два типа платформ имеют свои достоинства и недостатки. Матрицы интеллектуальных контактов в совокупности с плоскими бортовыми посадочными электродами обеспечивают большую площадь контактирования и, как следствие, большие допустимые токи зарядки. Но они относительно дороги и сложны в реализации. Посадочные платформы на базе плоских параллельных наземных электродов и бортовых электродов-стоек, напротив, имеют малую площадь контактирующих поверхностей, но очень просты в реализации и, следовательно, обладают низкой стоимостью. При выборе того или иного решения необходимо также учитывать, что в случае использования платформ на базе матриц интеллектуальных контактов весь процесс зарядки бортовой аккумуляторной батареи (включая контроль по секциям) может контролироваться с помощью только наземной аппаратуры. При использовании же описанного альтернативного решения на борту БПЛА требуется установка диодных распределителей и других устройств (стабилизатора, балансера, измерительно-передающего модуля).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Беспилотная авиация: терминология, классификация, современное состояние / В. С. Фетисов, Л. М. Неугод-никова, В. В. Адамовский, Р. А. Красноперов; под ред. В. С. Фетисова. Уфа: ФОТОН, 2014. 217 с. URL:http://vositef. url.ph/index.files/PUBL/UAV2014.pdf (дата обращения 25.12.2014). [[ V. S. Fetisov (ed.), et al., Unmanned aviation: terminology, classification, state of the art, (in Russian). Ufa: FOTON, 2013. Available: http://vositef.url.ph/index.files/ PUBL/UAV2014.pdf ]]
2. Фетисов В. С., Тагиров М. И., Мухаметзянова А. И. Подзарядка электрических беспилотных летательных аппаратов: обзор существующих разработок и перспективных решений // Авиакосмическое приборостроение. 2013. № 11. С. 7-26. URL: http://vositef.url.ph/index.files/ PUBL/Fetisov_et_al_ASI-2013-11.pdf (дата обращения 25.12.2014). [[ V. S. Fetisov, M. I. Tagirov, A. I. Mukhamet-
zyanova, "Charging for electric UAVs: review of existing developments and perspective solutions," (in Russian), in Aviakosmicheskoye priborostroyeniye, vol. 11, pp. 7-26, 2013. Available: http://vositef.url.ph/index.files/PUBL/Fetisov_et_ al_ASI-2013-11.pdf ]]
3. Nugent T. J., Kare J. T. Power for UAVs. White Paper of Laser Motive, 2010 [Online]. Available: http://lasermotive. com/wp-content/uploads/2010/04/Wire-less-Power-for-UAVs-March2010.pdf
4. Marshall P. T. Power line sentry charging. US Patent 7318564. Publ. 15.01.2008.
5. (2014, Dec. 12) TheHoverMast from Sky Sapience [Online]. Available: http://skysapience.com
6. Fetisov V. S., et al. "Continuous monitoring of terrestrial objects by means of duty group of multicopters," in Proc. of XX IMEKO World Congress "Metrology for Green Grouth", p. 86, 9-14 Sept. 2012, Busan, Korea. Available: http:// vositef.url.ph/index.files/PUBL/Fetisov_Dmitriyev_multicopter s_final.pdf
7. Фетисов В. С. и др. Наземные станции подзарядки электрических беспилотных летательных аппаратов на основе открытых контактных площадок // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2014. Т. 10. № 2. С. 44-53. [[ V. S. Fetisov, et al., "Terrestrial charging station for electrical unmanned aerial vehicles based on open contact pads," (in Russian), in Elektrotekhnicheskiye I informatsionniye komplexy I sistemy, vol. 10, no. 2, pp. 44-53, 2014. ]]
8. Фетисов В. С., Ахмеров Ш. Р., Мухаметзянова А. И.
Зарядный терминал для беспилотных летательных аппаратов на основе матрицы контактных площадок // Альманах современной науки и образования. № 11 (66). Тамбов: Грамота, 2012. C. 206-208. [[ V. S. Fetisov, Sh. R. Akhmerov,
A. I. Mukhametzyanova, "Charging station for UAVs based on contact pad matrix," (in Russian), in Almanakh sovremennoy nauki i obrazovaniya., no. 11 (66), pp. 206-208, 2012. ]]
9. Патент РФ на изобретение № 2523420. Система подзарядки аккумулятора электрического беспилотного летательного аппарата / В. С. Фетисов [и др.]; заявл. 09.01.2013; опубл. 20.07.2014. Бюл. № 20. [[ V. S. Fetisov, et al., Charging system for electrical UAV's battery, patent 2523420 (RU). Publ. 20.07.2014. ]]
10. Патент РФ на полезную модель № 135469. Система подзарядки бортового аккумулятора воздушного робота /
B. С. Фетисов [и др.]; заявл. 02.07.2013; опубл. 10.12.2013. Бюл. № 34. [[ V. S. Fetisov, et al., Charging system for a flying robot on-board battery, Utility Model Patent 135469 (RU). Publ. 10.12.2013. ]]
ОБ АВТОРАХ
ФЕТИСОВ Владимир Станиславович, проф. каф. инф.-измер. техн. Дипл. инж.-эл. по инф.-измер. техн. (УАИ, 1986). Д-р техн. наук (УГАТУ, 2005). Иссл. в обл. беспилотн. авиац. систем, измер. параметров жидких дисперсных сред.
АХМЕРОВ Шамиль Равилевич, асп. каф. инф.-измер. техн. Дипл. маг. техн. и технол. по направлению "Приборостроение" (УГАТУ, 2012). Готовит дис. в обл. систем управления для беспилотных ЛА.
СИЗОНЕНКО Роман Вадимович, маг-нт каф. информ.-измер. техники. Дипл. специалист в обл. информационно-измерительной техники. Готовит дис. в обл. посадочных платформ для беспилотных ЛА.
METADATA
Title: Evaluation of contact device schemes for landing platforms recharging electrical VTOL UAVs. Authors: V. S. Fetisov, S. R. Akhmerov, R. V. Sizonenko. Affiliation:
Ufa State Aviation Technical University (UGATU), Russia. Email: [email protected], [email protected],
[email protected] Language: Russian.
Source: Vestnik UGATU (scientific journal of Ufa State Aviation Technical University), vol. 19, no. 2 (68), pp. 138-144, 2015. ISSN 2225-2789 (Online), ISSN 1992-6502 (Print). Abstract: Terrestrial charging stations based on open contact pads for electrical vertical take-off and landing unmanned aerial vehicles (VTOL UAV) are considered in the paper. Two original authors' development works are presented. These are the charging station based on arrays of the so-called intelligent contact pads and the charging station based on flat parallel electrodes. Each of these projects has own advantages and disadvantages, but both solutions provide arrangement of charging process even in conditions of inaccurate UAV landing, and all the more so, provide charging for a group of UAVs simultaneously. Keywords: unmanned aerial vehicle (UAV); vertical take-off and landing (VTOL); recharging; accumulator battery; charging station; landing platform; contact pad.
About authors:
FETISOV, Vladimir Stanislavovich, Prof., Dept. of Instrumentation and Measurement. Dipl. Electric Engineer (Ufa Aviation Inst., 1986). Cand.of Tech. Sci. (USATU, 1998), Dr. of Tech. Sci. (USATU, 2005). Research in fields of unmanned aviation systems and measurements of liquid disperse systems' parameters.
AKHMEROV, Shamil Ravilevich, postgraduate student, Dept. of Instrumentation and Measurement. Development of monitoring and control system for UAVs.
SIZONENKO, Roman Vadimovich, undergraduate student on Instrumentation Master Program, Dept. of Instrumentation and Measurement. Development of landing platforms for UAVs.
