CC BY
109
УДК 681.2.08
Е.А. Карасева
студент,
кафедра «Авиационные приборы и устройства», Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
Т.Г. Рытова
студент,
кафедра «Авиационные приборы и устройства», Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
Т.В. Карасева
канд. тех. наук, доцент, кафедра «Авиационные приборы и устройства», Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
РАЗРАБОТКА ОТЕЧЕСТВЕННОЙ НАВИГАЦИОННОЙ БАЗЫ ДЛЯ КВАДРОКОПТЕРА
Аннотация. В работе представлена проблема разработки и производства навигационных элементов для квадрокоптеров. Произведена разработка, конструктивное решение, а также определены их основные характеристики. Полученные результаты подтвердили возможность реализации данного технического решения.
Ключевые слова: квадрокоптер, акселерометр, гироскоп, беспилотные летательные аппараты.
Е.А. Karaseva, Arsamas polytechnical institute (branch) of Nizhny Novgorod State Technical University
T.G. Rytova, Arsamas polytechnical institute (branch) of Nizhny Novgorod State Technical University
T.V. Karaseva, Arsamas polytechnical institute (branch) of Nizhny Novgorod State Technical University
DESIGUING OF A RUUSSIAN NAVIGATION CIRCUIT FOR QUADROCOPTER
Abstract. The article presents the problem of the development and production of navigation for quadcopters. Produced the development of their design solution, and identified their main characteristics. The obtained results confirmed the engineering solution provided.
Keywords: quadrocopter, accelerometer, gyro, unmanned aerial vehicles.
Сегодня особый интерес в гражданской и военной авиации представляют беспилотные летательные аппараты (БПЛА). Малогабаритные БПЛА уже приблизились к показателям дальности полетов небольших вертолетов. Это позволяет использовать данные аппараты в разных сферах деятельности человека.
Самым популярным из ряда БПЛА является квадрокоптер, который является мехатрон-ным винтокрылым летательным аппаратом. В отличие от радиоуправляемых вертолетов, данный аппарат обладает повышенной стабильностью, режимом автопилотирования, простотой управления, дешевизной обслуживания и ремонта, а также рядом автономных программируемых функций.
Квадрокоптер состоит из многих механических, электрических и электронных модулей: роторы, блок питания и управления, акселерометры и гироскопы. За счет стремительного развития микро- и наноэлектромеханических систем значительно уменьшились габариты и размеры БПЛА. Размеры кристалла микросхемы микроэлектромеханических систем (МЭМС) лежат в диапазоне от 20 мкм до 1 мм, тогда как размеры микромеханических устройств - от 1 до 100 мкм, что делает их весьма подходящими для использования в миниатюрных летательных аппаратах.
Анализируя его состав и элементную базу, которую предлагает рынок, можно прийти к выводу, что основная часть системы является импортозависимой. Интернет «пестрит» информацией,
как создать квадрокоптер самостоятельно, однако с использованием элементов зарубежного производства, которые реализуется в России через дилерские компании. Единственное, что может предложить отечественный рынок - это аккумуляторы, причем в ограниченном ассортименте.
Как следствие, особо актуальной является проблема разработки и производства отдельных элементов для квадрокоптеров с возможностью их реализации в России. Это относится как к разработке гироскопов и акселерометров, так и к элементам управления. Для того чтобы обеспечить высокий уровень конкурентоспособности, они должны базироваться на технологии МЭМС. Поэтому в данной статье предложены варианты разработки навигационных элементов (акселерометр и гироскоп) для будущего отечественного квадрокоптера.
1. Микромеханический гироскоп для квадрокоптера
Анализируя технические характеристики гироскопов для квадрокоптеров, можно определить их основные диапазонные составляющие. Для квадрокоптеров «средней» дальности чаще всего используют гироскопы с диапазоном измерения 300°/с. Предлагаемое конструктивное решение базируется на ЧЭ фирмы ЦНИИ «Электроприбор» (С.-Петербург, Россия). Анализ данной конструкции показал, что формирующаяся электростатическая сила может быть недостаточной для его работы. Поэтому предлагается ЧЭ с увеличенным количеством пальцев ротора.
Предлагаемый гироскоп содержит четыре упругих подвеса, которые попарно имеют разную длину и ширину, а толщина балок одинакова и равна толщине инерционной массы. Режим движения осуществляется при помощи электростатического гребенчатого привода. В режиме движения инерционная масса гироскопа осуществляет колебания по координате у, при
этом все четыре упругих элемента подвергаются деформациям изгиба.
В режиме чувствительности в зависимости от ориентации внешнего воздействия (угловой скорости поворота основания квадрокоптера) возможны два предельных случая. Первый, когда движение происходит по координате а вокруг оси Х, короткие торсионы работают на изгиб, а длинные - на кручение. Второй, когда движение происходит по координате р вокруг оси У, длинные торсионы работают на изгиб, а короткие - на кручение.
При появлении переносных угловых скоростей основания квадрокоптера Ох и Оу, которые для гироскопа являются прецессией, возникают переменные моменты сил Кориолиса, вызывающие колебания ротора по перекрестным осям. Можно считать, что при работе гироскопа демпфируются только упругие элементы.
Ротор (рис. 1) скреплен с подложкой посредством анкера, относительно которого подвес ротора выполнен с помощью двух пар упругих элементов (торсионов). Вибрационное вращение ротора по координате у вокруг оси 2, перпендикулярной к плоскости гироскопа, осуществляется роторными и статорными структурами гребенчатых двигателей. Длина и ширина торсионов разные, а толщина одинакова с толщиной ротора.
Проведя конструкционный рассчет число зубьев у ротора составило 4. Сила, развиваемая одним зубом ротора, определяется по формуле [1]:
р= ^Сии ,
з ДУ0 х оП ,
где е - диэлектрическая проницаемость среды;
е0 - диэлектрическая постоянная;
Ду0 - начальный зазор между пальцами ротора и статора;
иоп - опорное напряжение источника питания;
их - напряжение управления;
с - величина перекрытия пальца ротора и статора.
Расчет показала, что электростатическая сила составила 12,74 • 10 9Н , а величина мо-
1,09 • 10-10Н • м , I
тическом режиме составляет у0 = 0,21 • 10-3 рад = 12 • 10-3°.
мента микродвигателя составила М^,у = 1,09 • 10 10Н • м , при этом угол поворота ротора в ста-
Рисунок 1 - Схема подвеса МГ КК-типа
Для режима движения (РД) по координате у, полагая, что внутренние концы торсионов имеют жесткую связь с анкерами, а силы приложены к наружным концам, которые «свободны» за счет вращательного движения ротора, определяются показатели жесткости и собственных частот. Исходя из конструктивных параметров, они составили:
ву = 5.23 • 10-7Н /м . су0 = 1450 Гц .
Для движения в режиме чувствительности (РЧ) по любой из координат а или р, имея в виду, что при этом два торсиона работают на кручение, а два - на изгиб. Жесткости торсионов при кручении составили:
вкрх = 49,375 • 10-9Н/м , вкру - 39.5 • 10-9Н • м, ва= 505 • 10-9 Н • м, соа0 = 2247 Гц , вр= 196 • 10-9 Н • м , соро = 1400 Гц .
При возможных перемещениях ротора относительно анкера вдоль оси X или У два торсиона подвергаются деформации на изгиб, а один из торсионов, расположенных вдоль оси перемещения ротора, - деформации растяжения, а другой - сжатия.
Полагая, что жесткости стержневых элементов (торсионов) на сжатие и растяжение одинаковы, а изгибные жесткости определяются аналогично предыдущему, получим ву = 31.93Н / м .
Следует обратить внимание на сильную зависимость характеристик микрогироскопа, в частности частот собственных колебаний, от геометрических параметров подвеса.
Для МГ обычно требуется амплитуда колебаний у0 »1° на частоте со= 3000Гц . Требуемое значение можно обеспечить только в резонансном режиме работы, при котором частота генератора, обеспечивающего колебательный режим, отличается от частоты со на 10%.
Добротность, обусловленную внутренним трением в упругих элементах подвеса для МГ, при колебаниях ротора по координате у составила
О = 1,1 • 103.
Исходя из полученного значения добротности, можно получить требуемую амплитуду колебаний ротора g0p »13,2'.
Полная передаточная функция микромеханического гироскопа имеет следующий вид:
КЧЭКППК ус + biS + b0)
W (s) =
""дус
R ^ й 3 ?
a6s + a5s + a4s + a3s + a2s + a1s + a0
где Кчэ - коэффициент передачи ЧЭ;
КПП - коэффициент передачи первичного емкостного преобразователя; КПУ - коэффициент передачи датчика угла; Коб - коэффициент передачи обратной связи; Ку - коэффициент усиления; а!,£>, - коэффициенты передаточной функции; а коэффициент передачи микромеханического гироскопа имеет вид
К,„ К„К„„К„,
К =
чэ у пп пу 1 + КосКуКппКпу
Расчеты показали, что предложенный микрогироскоп может быть использован при построении квадрокоптера. Реализовать данную модель можно путем поверхностной микромеханической обработки.
2. Микромеханический акселерометр для квадрокоптера
Анализируя квадрокоптеры, которые присутствуют на данный момент на рынке, можно определить диапазон для микромеханических акселерометров. Как правило, диапазон микромеханических акселерометров для квадрокоптера не выходит за пределы ± 2д. С целью уменьшения массогабаритных показателей предлагается использовать не 3 акселерометра, а два двухосных акселерометра. В результате образуется один резервный канал.
Элемент кристаллический акселерометра представлен на рисунке 2.
Предлагаемый акселерометр содержит корпусную пластину 1, которая выполнена в виде исходной подложки из монокристаллического кремния. Инерционная масса 2 относительно корпусной пластины образует воздушный зазор. Она выполнена из поликристаллического кремния. Исходя из конструктивных особенностей подвесов, инерционная масса имеет два перемещения: относительно оси X и оси У. Емкостной датчик перемещений 4 реализован через подвижные электроды инерционной массы и неподвижные электроды корпусной пластины. Предлагаемый акселерометр в своей структуре имеет электростатический актюатор 5. Упругие подвесы 3 обеспечивают связь инерционной массы с основанием.
Действие линейного ускорения ах по направлению к осям чувствительности вызывают отклонение инерционной массы 2 от своего первоначального положения. Это приводит к изменению зазора между обкладками по оси Х и площади перекрытия по оси У. Изменяются и емкости датчика перемещения. Выходной сигнал с датчика перемещений преобразуется с помощью электронного блока и по цепи отрицательной обратной связи поступает на актюатор. Это приводит к возникновению электростатической силы, которая стремится возвратить инерционную массу в исходное положение. В результате силы инерции уравновешиваются электростатическими силами актюатора. Напряжение на выходе электронного блока является выходным сигналом акселерометра.
Исходя из заданных параметров, масса составила 31мг, показатели жесткости по первому каналу - 1,73 N/м , по другому - 2,66 N/м .
А-А
Рисунок 2 - Элемент кристаллический Структурная схема при действии ускорения по оси Х представлена на рисунке 3.
вид
Рисунок 3 - Структурная схема акселерометра при действии ускорения по оси Х
Передаточная функция акселерометра при действии ускорения по оси Х будет иметь
W = Wпy • Wдп • Wэп • т
х 1 + Wпy ■ Wдп ■ Wэп ■ Woc
т • К0х • иоп
^11 ^ и
—в2 + 2|—в +1 АЛ •(Те +1) + 2• К0х •£•£№(I + АЛ
с Л„
V С2
Структурная схема при действии ускорения по оси У представлена на рисунке 4.
Рисунок 4 - Структурная схема акселерометра при действии ускорения по оси У
Передаточная функция акселерометра при действии ускорения по оси У:
1
в2 + 2£у — 5 +1 АЛ-(Те +1) + 2• К0у е е0
1
Уровень переходного процесса соответствует аналогичным акселерометрам. Элемент кристаллический предлагается выполнять путем поверхностной микромеханической обработки.
Предложенные разработки основаны на требованиях к элементной базе для квадрокоп-теров. Разработанные конструкции навигационных элементов являются конкурентоспособными зарубежным акселерометрам и гироскопам, входящим в состав квадрокоптеров, что позволяет произвести импортозамещение.
Список литературы:
1. Распопов В.Я. Микромеханические приборы: учебное пособие. - М.: Машиностроение, 2007. - 400 с.
2. Вавилов В.Д. Интегральные датчики: учебник / Нижегород. гос. техн. ун-т. - Нижний Новгород, 2003. - 503 с.
