CC BY
90
Электротехника
УДК 681.326
А.Л. Филатов
ФИЛАТОВ АРТУР ЛЕОНИДОВИЧ - студент Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). Суханова ул., 8, Владивосток, 690950. E-mail: mygryphon@gmail.com
Перспективный движитель для орнитоптера
В настоящей работе рассматриваются проблемы при построении движительной системы орнитоптера. Подход к решению проблемы основан на реализации крыла как простого манипулятора с одной степенью свободы и отказа от редукторов с целью повышения функциональности и надежности. Использование электрической машины, исследований в области орнитологии и программно-аппаратного комплекса позволило нам не только улучшить массогабаритные показатели силовой установки, но и расширить функционал с помощью установки различных режимов работы в зависимости от требуемых задач. Разрабатываемый движитель (равно как и принцип работы) может быть использован не только в беспилотных летательных аппаратах, но, в перспективе, для подъема человека в воздух на высоту до 1000 м. Более того, появилась возможность увеличивать тягу всего машущего летательного аппарата установкой нескольких крыльев (так называемые многокрыльевые системы) и их программной синхронизацией. На основе данной работы строится орнитоптер с движителями на базе бесколлекторных моторов EMAX MT3515, с двумя машущими крыльями размахом в 1,5 м и массой до 2 кг для проведения первых испытаний и изучения машущего полета.
Ключевые слова: орнитоптер, движитель орнитоптера, вентильный двигатель, машущий полет, машущий летательный аппарат, беспилотный летательный аппарат, многокрыльевые летательные аппараты, вентильный сервопривод.
Введение
Беспилотные летательные аппараты (ЛА) на сегодняшний день используются для разных целей - военных, исследовательских, гражданских. Как правило, большинство ЛА строятся либо по схеме планера с мотором, либо с несущими винтами (вертолеты с одним или несколькими винтами), каждая из схем обладает своими достоинствами и недостатками. Однако в живой природе существует несколько иная схема ЛА - летательный аппарат с машущими крыльями, в нем крылья и движитель объединены в одно целое. Они обладают своими преимуществами перед классическими ЛА: высокая маневренность, бесшумность, более высокие предельные углы атаки, возможность взлетать с очень коротких взлетно-посадочных полос под большим углом, теоретически - более низкое энергопотребление. Такие аппараты носят название орнитоптера, или махолета (рис. 1).
Движитель орнитоптера является одним из важных компонентов в машущем ЛА. Его параметры определяют возможности аппарата: максимальная грузоподъемность, скорость, высота полета.
© Филатов А.Л., 2015
При построении орнитоптера, способного поднять человека, перед конструктором возникает проблема следующего характера: при увеличении размаха крыльев частота махов, совершаемая этими крыльями, становится слишком низкой: например, для орнитоптера массой 12 кг и размахом крыльев около 1,5 м нормальный полет возможен при частоте махов 2,5 Гц; для орнитоптера массой около 100 кг и размахом крыльев порядка 8 и более метров ожидаемая частота около 1 Гц. Как правило, маховые движения крыльев создаются при помощи кривошипно-шатунной системы, в таком случае частота махов будет равна количеству оборотов вала двигателя в секунду, а установить амплитуды махов можно изменением радиуса, по которому кривошип будет перемещаться [2].
Рис. 1. Классический вариант движителя
Такой способ достаточно прост, но имеет следующие серьезные недостатки: для существующих двигателей (двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и электрические коллекторные) зависимость момента силы от оборотов двигателя имеет возрастающий характер, поэтому чтобы создавать поступательное движение с требуемым усилием, необходимо использовать редуктор с достаточно большим передаточным числом (например, в орнитоптере ДеЛориера при использовании двигателя внутреннего сгорания мощностью 24 л.с. при 4000 об/мин для получения частоты 1,2 Гц использовался редуктор с передаточным числом 1:60 [3]).
Другая проблема заключается в малом функционале такого движителя: нет возможности на лету изменить амплитуды махов крыльев. Это необходимо для взлета/посадки, чтобы крылья не ударялись о взлетно-посадочную полосу; для уменьшения энергопотребления (известно, что птицы при взлете увеличивают угол маха до максимального (порядка 60° для хищных птиц), но при полете на эшелоне уменьшают его до 5-10 [4]). Следуя статье [4], можно сделать вывод о том, что форма колебаний махов несколько отличается от синусоидальной, что, скорее всего, также необходимо для экономии энергии при полете. Также из-за невозможности изменить амплитуды махов двух разных крыльев отсутствует способность производить рыскание без руля направления. Поскольку для «тяжелых» орнитоптеров большая мощность достигается установкой не более мощного движителя, а нескольких крыльев, работающих в противофазе, существует проблема с синхронизацией или передачей момента на другие крылья.
В связи с этим разработка нового, более компактного и функционального движителя является одной из основных задач при проектировании современных орнитоптеров. Цель данной разработки заключается в создании силовой установки экспериментальной модели телеуправляемого ЛА, пригодного для проведения натуральных испытаний, необходимых для дальнейшего изучения машущего полета, которые, в свою очередь, пригодятся для постройки орнитоптера, способного поднять человека в воздух.
Основная часть
Первым делом при проектировании нового движителя необходимо было учесть недостатки классических схем и, по возможности, добавить новый функционал. Как было отмечено ранее, ДВС, электрические коллекторные и бесколлекторные (управляемые при помощи датчиков Холла или обратной ЭДС) не подходят вследствие возрастающей зависимости момента силы от оборотов вала. Отсюда делаем вывод от том, что нужен двигатель с постоянной или спадающей зависимостью. Решением будет являться использование вентильных электродвигателей, на сегодняшний день широко применяемых в большинстве электротранспорта. Как правило, их зависимость имеет вид, представленный на рис. 2.
Рис. 2. Характеристики вентильного двигателя электромобиля.
Сплошной линией показана зависимость момента силы от оборотов вала
Однако замена такого одного двигателя не принесет должного результата: во-первых, необходимо наличие механического синхронизатора при установке только одного двигателя и механических/электрических синхронизаторов при использовании двух и более, во-вторых, не решаются проблемы, поставленные выше, а именно - низкий функционал (имеется возможность управлять только частотой махов). Поэтому в проектируемом движителе было решено отказаться от кривошипно-шатунной системы, а крылья закрепить напрямую на вал двигателя. Используя теорию, описанную в [4], мы имеем возможность работать с вентильным электродвигателем как с угловым сервоприводом. Структурная схема конечного варианта движителя показана на рис. 3.
Рассмотрим основные блоки, которые входят в состав устройства:
1) интерфейс управления и синхронизации;
2) «маховая» функция;
3) блок цифровой обработки;
4) усилитель мощности.
Рис. 3. Структурная схема движителя орнитоптера: ВД - вентильный двигатель; 1 - датчик механических напряжений; 2 - стопорный механизм; а, р - углы махов; ы - частота махов; 1а, 1ь, 1с - токи в обмотках
двигателя; Т - механическое усилие
Интерфейс управления и синхронизации является соединительным звеном между компьютером, приемником или иными блоками с блоком цифровой обработки. Всего в блоке управления используются:
• USART - для загрузки микропрограммы в память устройства и обмена информацией между модулем и компьютером;
• шина 12С - для подключения дополнительных блоков управления, датчиков или иной периферии;
• порты для обмена данными с приемником/передатчиком;
• четыре канала АЦП: три для датчиков тока и один - для углового датчика;
• шесть каналов ШИМ - для управления усилителем мощности.
«Маховая» функция определяет форму движения крыла в пространстве. Программно может быть определена либо дискретной функцией (массивом данных), либо математическими функциями. Для проведения испытаний использована функция
9 = sin(2f) + а - р ,
где 0 - текущий угол, в который необходимо установить крыло; а -верхний максимальный угол, в который может быть установлено крыло; в - нижний максимальный угол, в который может быть установлено крыло; f - частота махов.
Блок цифровой обработки построен на микроконтроллере (МК) ATmega328. Он представляет собой 8-разрядный CMOS МК архитектуры AVR RISK фирмы Atmel. Ввод и вывод информации в МК осуществляется через интерфейс управления и синхронизации.
В разрабатываемом орнитоптере (рис. 4) силовой установкой является вентильный электродвигатель, обмотки которого соединены по трехфазной
схеме без общей точки. Вал двигателя напрямую соединен с крылом ЛА. В качестве углового датчика применен прецизионный потенциометр, который также установлен на вал. Контроль токов в обмотках достигается при помощи датчиков Холла ACS712. Для того чтобы не тратить энергию в планирующем режиме (когда углы атаки крыльев и фюзеляжа равны), предусмотрен стопорный механизм 2, блокирующий крыло в строго горизонтальном положении. Также для экономии электроэнергии необходимо настраивать создаваемый момент силы в вентильном двигателе. Это достигается при помощи датчика 1 механических напряжений, возникающих на валу, соединяющего крыло и ВД.
Рис. 4. Эскиз движителя орнитоптера с двумя мажущими крыльями без блокирующего механизма, установленный на лонжерон. Эскиз выполнен автором статьи в рамках дипломного проекта
Заключение
Таким образом, благодаря описанному строению движителя появляется возможность управлять не только скоростью (частотой махов), но и амплитудами махов (что необходимо для уменьшения энергозатрат при полете на эшелоне, на взлете/посадке, для изменения курса без руля направления) и создаваемым моментом силы (управляя токами в катушках двигателя). В случае, если требуется большая тяга, имеется возможность установить последующие ряды крыльев с движителями, при этом синхронизация происходит программно, а положение крыльев в четных
рядах будет инвертировано. Массогабаритные показатели такого движителя существенно лучше классических, а отсутствие механических частей увеличивает надежность конструкции.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Brushless Gimbal Direct Drive: Theory and Experiment. 2013. Аvailable at: http://www.olliw.eu/2013/brushless-gimbal-direct-drive/ (дата обращения: 15.04.2015).
2. Croon G.C.H.E. , de, Clercq K.M.E. , de, Ruijsink R., Remes B., Wagter C., de. Design, aerodynamics, and vision-based control of the DelFly. International Journal of Micro Air Vehicles. 2009(1);2: 71-97.
3. DeLaurier J.D. The Development and Testing of a Full-Scale Piloted Orithopter. Canadian Aeronautics and Space Journal. 1999(45);2:72-82.
4. Ritchison G. Avian Biology: Bird Flight I. Eastern Kentucky Univ. АуайаЫе at: http://people.eku.edu/ritchisong/554notes2.html
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
Electrical engineering
Filatov A.
ARTUR L. FILATOV, Student, School of Engineering, Far Eastern Federal University, Vladivostok. 8 Sukhanova St., Vladivostok, Russia, 690950, e-mail: mygryphon@gmail.com
A promising thruster for ornithopter
The article deals with the construction of ortithopter thruster system. The method of attack is based on the realisation of a wing as a manipulator with one degree of freedom and rejection of gearbox in thruster system to increase its functionality and reliability. Using the electrical BLDC motors, the hardware and software system and relying on researches in ornithology made it possible not only to decrease weight and overall dimensions of the thruster, but also to enhance its functionality through the installation of various operating modes depending on required tasks. The thruster being developed (as well as the operation principle) can be used not only in unmanned aerial vehicles, but also, potentially, for lifting a person in the air to a height of 1,000 meters. Moreover, it is possible to increase the traction of the entire flapping aircraft by the installation of several wings (the so-called multi-wing system) and their software synchronisation. On the basis of this work, an ornithopter is being constructed now having thrusters based on the BLDC motors EMAX MT3515, two flapping wings 1.5 meters of span, and the weight up to 2 kg to be tested for the first time and studied as an example of a flapping flight.
Key words: ornithopter, thruster, gimbal direct drive, flapping flight, flapping aircraft, UAV, multi-wing aircraft, BLDC servo.
REFERENCES
1. Brushless Gimbal Direct Drive: Theory and Experiment. 2013. available at: http://www.olliw.eu/2013/brushless-gimbal-direct-drive/
2. Croon G.C.H.E. , de, Clercq K.M.E. , de, Ruijsink R., Remes B., Wagter C., de. Design, aerodynamics, and vision-based control of the DelFly. International Journal of Micro Air Vehicles. 2009(1);2: 71-97.
3. DeLaurier J.D. The Development and Testing of a Full-Scale Piloted Orithopter. Canadian Aeronautics and Space Journal. 1999(45);2:72-82.
4. Ritchison G. Avian Biology: Bird Flight I. Eastern Kentucky Univ. available at: http ://people.eku.edu/ritchisong/554notes2.html
