CC BY
141
УДК 623.746.4-519
ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
М. К. Маркелов1, А. С. Ишков2, Д. А. Новичков3, Н. А. Борисов4
1'2'3'4Пензенский государственный университет, Пенза, Россия
[email protected] [email protected] [email protected] [email protected]
Аннотация. Показана перспектива развития и использования беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Установлено, что роль летательного аппарата увеличивается с их успешным внедрением в различные сферы деятельности, порой связанные с риском для жизни человека. На основе изученных технических решений по построению беспилотника была приведена функциональная схема радиоэлектронной системы БПЛА типа квадрокоптер, рассмотрен принцип работы и показана перспектива использования данной технологии. На основе разработанной функциональной схемы была спроектирована печатная плата полетного контроллера. Одной из ключевых особенностей является использование современных электронных элементов, доступных на сегодняшний день.
Ключевые слова: БПЛА, функциональная схема БПЛА, радиоэлектронная система
Для цитирования: Маркелов М. К., Ишков А. С., Новичков Д. А., Борисов Н. А. Пример реализации радиоэлектронной системы беспилотного летательного аппарата // Вестник Пензенского государственного университета. 2022. № 4. С. 96-102.
Введение
С развитием современных технологий стало возможным создание устройств, способных полностью заменить человека, в частности, в последние годы активно развивается направление, связанное с разработкой беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) [1]. Создание беспилотников различных видов способствует их успешному внедрению в новые условия, порой опасных для жизни человека, в которых они показали свою надежность, простоту в эксплуатации, не требуя обязательно высокого уровня квалификации оператора, и, что немаловажно, меньший уровень совокупных затрат на реализацию определенных задач [1].
В настоящее время управление полетом осуществляется с помощью дистанционного управления (по радиоканалу) или в полуавтоматическом режиме с внедрением навигации по опорным точкам по командам оператора. Значительное развитие нейросетей в последнее время помогает развивать программное управление БПЛА в сторону автономного интеллектуального автопилота.
Такие причины, как потери связи с оператором в связи с большим удалением, особенности местности, помехи и т.д., приводят к потере управления БПЛА, частым авариям. Поэтому актуальным направлением являются повышение автономности полета и, как следствие, увеличение использования современного, модернизированного про-
© Маркелов М. К., Ишков А. С., Новичков Д. А., Борисов Н. А., 2022
96
граммного управления, позволяющего предотвратить данные причины неисправностей. Кроме того, оно необходимо для облегчения работы человека, а также для исключения влияния человеческого фактора, который также служит причиной аварий [2].
Основная часть
Как было уже сказано, на сегодняшний день индустрия беспилотников показывает устойчивую доходность на мировом рынке. Сельское хозяйство и строительство занимают лидирующие позиции по использованию БПЛА в настоящее время. Компания Drone Industry Insights выпустила отчет, в котором рынок беспилотников к 2025 г. будет оцениваться в 42,8 млрд долл. США, превысив показатель в настоящий момент на 10 млрд [3]. Согласно прогнозу, наиболее быстро будет расти отрасль транспорта и складирования. Эта отрасль включает в себя перспективные проекты перевозки пассажиров, грузов, хранение и складирование товаров, а также осмотр и обслуживание инфраструктуры.
Если говорить о производителях дронов, рынок крайне сегментирован. Лидером являются китайские фирмы (SZ DJI Technology, Yuneec International), так как основная часть комплектующих выпускается в Китае. В других странах собирают готовые дроны, лишь добавляя собственные компоненты [3].
Крупнейшим рынком сбыта являются США, а основным заказчиком - Пентагон. Российский сегмент беспилотников составляет 2 % от мирового, но потенциал оценивается в более чем 1 млрд долл. Развитие БПЛА в России выделено в отдельное направление государственной программы НТИ. В разработке находятся более 100 проектов по применению БПЛА. Планируются создание аэротакси и организация воздушного движения к 2025 г. В труднодоступных местах для наземного транспорта и человека будет налажена работа по поискам пропавших людей, доставке медицинских препаратов, анализов из маленьких поселков, мониторингу трубопроводов, сопровождению судов, ледовой разведке, перевозке денег между банковскими отделениями и др. [4].
Так что же такое беспилотный летательный аппарат? Беспилотный летательный аппарат - воздушное судно, управляемое, контролируемое в полете пилотом, находящимся вне борта такого воздушного судна (внешний пилот), либо с участием бортового компьютера. В другом нормативном документе беспилотное воздушное судно (unmanned aircraft) - это воздушное судно, выполняющее автономный полет по предварительно заданному маршруту [5].
История беспилотников началась в 1899 г., когда был продемонстрирован первый в мире радиоуправляемый корабль. Автором был физик и инженер Никола Тесла. В 1910 г. американский военный изобретатель и конструктор Чарльз Кеттеринг, вдохновленный успешными результатами первых пилотов братьев Райт, решил сконструировать летательный аппарат с часовым механизмом, выполняющим функцию автопилота. При достижении винтом двигателя определенного количества оборотов крылья отсоединялись, и машина, снаряженная взрывчаткой, падала на врага. В России же перелеты первого автопилотируемого самолета ТБ-3, разработанного Рубеном Григорьевичем Ча-чикяном, состоялись в 1933 г. в Подмосковье. Затем работы продолжались и во время Великой Отечественной войны. Были созданы такие беспилотники, как СБ (конструктор Неопалимый), УТ-3 (конструктор Никольский) [6].
В настоящее время на вооружении нашей страны стоит целая линейка высокоточных ракетно-бомбовых атакующих беспилотников, таких как «Форпост» (лицензионная копия израильского Searcher-2), «Гром», «Сириус», «Гелиос-РЛД», «Охотник», «Альти-ус», «Орион». Представленные БПЛА относятся к судам самолетного типа [7].
Практический выбор БПЛА обусловлен следующими критериями, такими как конкретные поставленные задачи и цели по его использованию и применение, наличие
компетентных специалистов, которые обладают нужными знаниями, навыками и техникой по управлению ЛА (летательного аппарата), и, конечно, общая цена самого аппарата и его комплектующих.
Необходимо подчеркнуть, что при изучении технических источников с описанием БПЛА структурные схемы современных моделей беспилотников с различным функционалом имеют общую структуру и изучены достаточно полно [1]. После анализа существующих технических решений и данных была разработана функциональная схема для разъяснения процесса работы ЛА типа квадрокоптер. Разрабатываемая система должна стабилизировать БПЛА в пространстве, определять параметры навигации, иметь возможность управления аппаратом по радиоканалу, а также подключения полезной нагрузки - камеры.
Фактически в системе можно выделить несколько блоков: полетный контроллер, схема управления двигателями, приемо-передающая часть, схема питания и полезная нагрузка.
Основной частью является полетный контроллер, состоящий из трехосевого акселерометра, трехосевого гироскопа, трехосевого магнитометра, барометр, сонар, модуль GPS. Полетный контролер обеспечивает передвижение летательного аппарата в пространстве под руководством оператора. Для этого полетный контроллер выполняет следующие функции:
- устанавливает или рассчитывает положение БПЛА в пространстве;
- собирает информацию о внешних управляющих воздействиях;
- рассчитывает корректирующие сигналы для минимизации воздействия внешних дестабилизирующих факторов;
- отправляет управляющие сигналы на двигатели.
Блок управления двигателями включает в себя четыре двигателя, которые напрямую управляются соответствующими контроллерами. При подборе двигателей беспилотного летательного аппарата принимались во внимание следующие критерии, а именно:
- небольшая стоимость;
- высокая развиваемая скорость;
- функционирование на постоянном токе.
Наиболее предпочитаемыми считаются бесколлекторные двигатели, которые используются на профессиональных дронах. По сравнению с коллекторными они более мощные, скорость холостого хода в среднем в два раза больше, соответственно обладают большей подъемной силой. Кроме того, они менее громоздкие и менее склонны к поломкам [1].
Блок приемо-передатчика состоит из трех информативных каналов. Первый канал предназначен для передачи телеметрической информации на пункт управления беспи-лотником в пределах радиовидимости в реальном или близком реальному масштабу времени. Второй канал выполняет функцию приема команд пилотирования БПЛА и управления его оборудованием. Третий канал обеспечивает получение информации с видеокамеры и дальнейшей ее передачи уже по первому каналу.
В соответствии с поставленными задачами блок полезной нагрузки ЛА может быть оснащен и дополнен тепловизионной камерой, цифровым фотоаппаратом или радиолокационной станцией. В нашем случае - видеокамерой.
Встроенный блок питания, состоящий из аккумулятора и стабилизатора, осуществляет согласование по напряжению и токам потребления всех частей радиоэлектронной системы БПЛА.
Исходя из вышеперечисленного, выполнено составление функциональной схемы. Функциональная схема представлена на рис. 1.
Рис. 1. Функциональная схема радиоэлектронной системы БПЛА типа квадрокоптер
Следует выделить принцип работы функциональной схемы радиоэлектронной системы БПЛА.
Обратим внимание, что на разработанной функциональной схеме показано, что полученный от оператора сигнал, основанный на информации с видеокамеры, поступает на вход микроконтроллера. Для ориентации и стабилизации ЛА в пространстве используется несколько датчиков, сигналы с которых также поступают на входы микроконтроллера. Используется информация с датчиков полетного контроллера, которые мы указывали выше.
Микроконтроллер обрабатывает всю полученную информацию и осуществляет управление двигателями с помощью контроллеров (регуляторов оборотов). Для корректировки полученных значений с датчиков существует несколько путей решения, но наиболее распространенным является использование ПИД-регулятора.
Для связи с оператором и взаимодействия с летательным аппаратом необходимо устройство для приема и передачи данных. Вид, модуляция и частота управляющих сигналов зависят от протокола связи между передатчиком и приемником. Протоколы, которые используются в передатчиках, довольно часто выполнены только одним разработчиком. Некоторые бренды дают возможность использовать несколько протоколов, с учетом имеющихся в наличии приемников.
Для передачи используются различные частотные диапазоны. Наиболее распространены следующие [8]:
-433 МГц;
- 900 МГц;
- 1.2-1.3 ГГц;
- 2.4 ГГц;
- 5.8 ГГц.
Чем ниже частота и больше длина волны, тем больше проникающая способность. Однако, не все частоты можно использовать в той или иной стране, так как некоторые диапазоны могут быть зарезервированы для государственных структур или других специальных организаций [8].
В разработанной системе приемо-передающая часть в заданном диапазоне частот использует технологию LoRa. Благодаря возможности передавать данные на большое расстояние с минимальным энергопотреблением данная технология набирает популярность в настоящее время. В основе и передатчика, и приемника чип SX1278RF производства Semtech, который работает в диапазоне 410-441 МГц.
После разработки функциональной схемы была создана электрическая принципиальная схема. На ее основе была спроектирована печатная плата полетного контроллера. В табл. 1 приведены условные обозначения и наименования интегральных микросхем, которые мы использовали для печатной платы.
Таблица 1
Интегральные микросхемы
Условные обозначения Наименования интегральных микросхем
DD1 CAM-M8C
DD2 K1986BK018
DD3 CH201-00ABR LGA
DD4 2SMPB-02E LGA 9pin
DD5 LSM9DSI LGA-24L
Конечный вариант зD-модели печатной платы полетного контроллера проиллюстрирован на рис. 2, 3.
Рис. 2. зD-модель разработанной печатной платы. Верхний слой
Рис. 3. ßD-модель разработанной печатной платы. Нижний слой
Заключение
Таким образом, беспилотные летательные аппараты являются перспективным направлением развития в многочисленных сферах с невероятно успешным вектором внедрения в нашу жизнь.
С полной уверенностью можно утверждать, что БПЛА находят свое широкое применение на практике и позволяют значительно расширить возможности человека в любой сфере деятельности, минимизировать социальные и материальные потери. Трудности и разнообразие задач, поставленных перед БПЛА, можно решить только с помощью комплекса технического обеспечения. На сегодняшний момент комплексный подход работы беспилотника развит слабо, но в данный период силами ученых, изобретателей, конструкторов БПЛА от своих примитивных форм находится в своем постоянном усовершенствовании и модернизации.
В результате проделанной работы была предложена, разработана и проанализирована функциональная схема БПЛА типа квадрокоптер, которая должна стабилизировать ЛА в пространстве, выполнять функцию видеофиксации, передачи данных по радиоканалу, при этом иметь минимальную стоимость электронных компонентов, оборудования и ее комплектующих, доступных для массового производства и обеспечивающих безопасную и качественную работу.
Список литературы
1. Шилов К. Е. Разработка системы автоматического управления беспилотным летательным аппаратом мультироторного типа // Труды МФТИ. 2014. Т. 6, № 4. С. 139-140, 148-149.
2. Семенец В. О., Трухин М. П. Основные параметры систем управления беспилотными аппаратами // Надежность и качество сложных систем. 2018. № 3. С. 65-66.
3. Рынок беспилотных летательных аппаратов 2020-2025: 5 ключевых особенностей. URL: https://skymec.ru
4. Прогнозы по развитию рынка дронов. URL: https://iot.ru
5. История развития и сегодняшний день беспилотной авиации. URL: https:// russiandrone.ru
6. Петушкова В. Б., Потапова С. О. История создания беспилотных летательных аппаратов // Пожарная безопасность: проблемы и перспективы. 2018. Т. 1, № 9. С. 714-716.
7. «Форпост-Р», «Альтиус-У» и новые возможности для армии. URL: https://topwar.ru
8. Бондарев А. Н., Киричек Р. В. Обзор беспилотных летательных аппаратов общего пользования и регулирования воздушного движения БПЛА в разных странах // Информационные технологии и телекоммуникации. 2016. Т. 4, № 4. С. 17-18.
Информация об авторах
Маркелов Максим Константинович, старший преподаватель кафедры «Радиотехника и радиоэлектронные системы», Пензенский государственный университет.
Ишков Антон Сергеевич, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Радиотехника и радиоэлектронные системы», Пензенский государственный университет.
Новичков Дмитрий Александрович, студент, Пензенский государственный университет.
Борисов Никита Андреевич, студент, Пензенский государственный университет.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
