CC BY
486
УСТРОЙСТВО И ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОПОГРАФИЧЕСКОГО БПЛА МУЛЬТИРОТОРНОГО ТИПА
Вячеслав Константинович Барбасов
Московский государственный университет геодезии и картографии (МИИГАиК), 105064, Россия, Москва, Гороховский пер., 4, студент факультета прикладной космонавтики и фотограмметрии (ФПКиФ), тел. моб.: +7(909)680-55-68, e-mail: krechet [email protected]
В статье рассмотрены технический функционал и конструктивные особенности многороторного беспилотного летательного аппарата, а также его авиационная система.
Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат (БПЛА), многороторные БПЛА, дистанционное зондирование Земли, аэрофотосъемка, СКБ «Кречет», топокоптер «Дредноут».
SETUP AND FEATURES OF MULTI ROTOR TOPOGRAPHIC UAV
Vyacheslav K. Barbasov
Moscow state university of geodesy and cartography (MIIGAiK), student of the faculty of applied cosmonautics and photogrammetry, 105064, Moscow, Russia, Gorochovsky line, 4, mobile: +7(909)680-55-68, email: krechet_kopter@yahoo. com
This article describes technical and functional design features of Multi Rotor Unmanned Aerial Vehicle (UAV) and Unmanned Aircraft System.
Key words: unmanned aerial vehicle (UAV), multirotor UAV, Earth remote sensing, aerial photography, «Krechet», «Dreadnought».
Введение
В статье рассматриваются технические характеристики и принципы функционирования мультиро-торного беспилотного летательного аппарата (БПЛА; [1, 2]), разработанного в СКБ МИИГАиК «Кречет», - топокоптер «Дредноут»
(рис. 1). Аппарат может быть использован для получения снимков, пригодных для создания и обновления карт и планов местности, формирования цифровых моделей местности, 3D-моделей зданий и объектов, тепловизионных карт, проведения панорамной съемки, а также в интересах мониторинга развития чрезвычайных ситуаций (ЧС) природного и техногенного характера.
Техническая спецификация экспериментальной платформы
Технические характеристики БПЛА «Дредноут» приведены в таблице.
Характеристика Значение
Рабочий размер, мм 1100x1100x450
Транспортировочный размер, мм 1100x1100x250
Скорость горизонтального полета, км/ч 0-50
Рабочая высота полета, м 5-1000
Продолжительность полета, мин. до 20
Максимальный взлетный вес, кг 10
Максимальная масса полезной нагрузки, кг 5
Диапазон рабочих температур, °С -25 - +45
Скорость ветра на старте, м/с не более 10
Скорость ветра на высоте 300 м, м/с не более 12
Размер посадочной площадки, м не менее 3x3
Обслуживающий персонал, чел. 2
Двигательная установка (электромотор), шт. 8
Скорость взлета/снижения, м/с ±6
Инерциальная система
Управляется аппарат с помощью микроконтроллера, для стабилизации используются данные, поступающие с платы датчиков, на которой смонтированы три гироскопа, три аналоговых акселерометра и барометр. Последний нужен для удержания высоты в пределах ±0,5 м от заданного значения. Частота обновления контроллера составляет 400 Гц, что обеспечивает достаточный уровень стабилизации. Источники питания размещены сверху аппарата в противовес полезной нагрузке. Это позволяет состыковать геометрический центр и центр масс в точке размещения блока с гироскопами и акселерометрами.
GPS-приемник и магнитометр
Информацию о местоположении и направлении аппарат получает от приемника GPS и магнитометра. Их показания обеспечивают точность позиционирования порядка ±2 м и возможность вести полет по заданному маршруту. С помощью этой аппаратуры также можно упрощенно управлять аппаратом, например, удерживая:
- ориентацию «лицом в одну и ту же сторону»;
- ориентацию «тылом к точке старта»;
- направление объектива на заданную точку при ее облете на определенном расстоянии.
В аппарате реализован режим failsafe, то есть в случае потери связи или малой остаточной емкости аккумулятора аппарат сам вернется к точке старта и осуществит посадку.
Рис. 2. Блок-схема сигнальных соединений БПЛА «Дредноут»
Алгоритм работы пульта управления
Для управления аппаратом используется пульт с цифровым принципом кодирования (PCM) с частотой 2,4 ГГц.
Рассмотрим алгоритм PCM 1024, который применяется в передатчиках Futaba (рис. 2) и обеспечивает относительно небольшую длительность фрейма данных. Последний состоит из синхроимпульса, данных о значении каналов, служебных данных и контрольной суммы. Служебные данные несут сведения о работе в режиме failsafe. В случае возникновения помех, когда обнаруживается несоответствие контрольной суммы, данные фрейма утрачиваются. Общий цикл передачи данных занимает 28,5 мс.
Для уменьшения размера фрейма для каждого сигнала передается то абсолютное значение (все 10 бит), то разностное (в виде изменения, которое имеет меньший размер). В четных фреймах абсолютные значения передаются для каналов 1, 3, 5, 7, 9, в нечетных - для каналов 2, 4, 6, 8. При такой схеме передачи выпадение одного фрейма незначительно влияет на точность данных, а скорость обновления наиболее динамичных каналов остается высокой.
Рис. 3. Приемо-передающее устройство управления
Видеоканал аппарата
В лицевой части аппарата расположена курсовая камера, необходимая для осуществления управления с земли. Главный процессор БПЛА через сервопривод компенсирует наклон камеры по тангажу, кроме того, оператор может сам задавать отклонение камеры по тангажу и рысканью. Данные с курсовой камеры поступают в OSD-блок, где в видеосигнал привносится телеметрическая информация, поступившая от датчиков аппарата, и через видеопередатчик передаются на пульт оператора.
Наземная станция оператора БПЛА
Наземная стация оператора БПЛА представляет собой переносную платформу, на которой смонтированы пульт управления, система приема видео на двух частотах (5705 и 1280 МГц), между которыми оператор может переключаться, и системы вывода видеосигнала на монитор и видеоочки. Первый видеоканал служит для приема изображения камеры на подвесе, второй - для приема сигнала курсовой камеры с телеметрическими данными. На видеоочках установлен head-трекер, который способен отслеживать изменение угла наклона головы в двух плоскостях (тангаж и рысканье), соответствующие сведения через пульт управления поступают в приемник, дополняются значением обратной компенсации платформы, затем сигнал выдается на сервоприводы, которые поворачивают камеру на нужный угол.
Наземная станция оператора камеры
Наземная станция представляет собой платформу, смонтированную на штативе и содержащую монитор и видеоочки для вывода визуальной информации. Для приема сигнала задействованы четыре видеоприемника, работающие на частоте 5705 МГц и имеющие антенны с разными диаграммами направленности. С помощью наземной станции оператора улучшено пилотирование в ручном и полуавтоматическом режимах при использование БПЛА в закрытом
пространстве или для специальных задач в интересах мониторинга развития ЧС.
Наземная станция в кейсе
Для работы с функциональными расширениями в полностью автономном режиме создан так называемый полетный чемоданчик. Он представляет собой кейс, содержащий нетбук с подключенным радиомодемом (частота 900 МГц) и два видеоприемника. Через нетбук, загрузив карты Google Earth, можно наблюдать за перемещением БПЛА, выполнять полет по точкам, управлять аппаратом с помощью джойстика или клавиатуры на расстоянии до 10 км. Можно организовать перемещение по заданному маршруту и менять его «на лету». Видеоприемники работают на частоте 5705 МГц, сигнал поступает на монитор нетбука через аналого-цифровой преобразователь.
Некоторыми полетными функциями аппарата можно управлять через iPpad или iPhone, например, менять коэффициент ПИД -регулятора контроллера.
В карту памяти фотоаппарата встроен Wi-Fi-модуль, что позволяет передавать снимки сразу после создания на любое устройство с платформами Android или iOS.
Заключение
Топокоптер «Дредноут», разработанный в СКБ «Кречет», обладает всеми возможностями, чтобы успешно решать адресованные ему задачи как в ручном, так и в автоматическом режиме, но для стабильного получения качественных результатов необходимо провести серию уточняющих испытаний и обучение обслуживающего персонала.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Барбасов В.К., Орлов П.Ю., Руднев П.Р. Гречищев А.В. Применение малых беспилотных летательных аппаратов для съемки местности и подготовки геоинформационного контента в чрезвычайных ситуациях (в этом же издании).
2. Барбасов В.К., Гаврюшин М.Н., Дрыга Д.О. и др. Многороторные беспилотные летательные аппараты и возможности их использования для дистанционного зондирования Земли // Инженерные изыскания. - 2012. - № 10. - С. 38-42.
3. Зинченко О.Н. Беспилотные летательные аппараты: применение в целях аэрофотосъемки для картографирования. - http://www.racurs.ru/?page=681.
© В.К. Барбасов, 2013
