Современные беспилотные летающие аппараты

Юрий Почанин

Современные беспилотные летающие аппараты

Введение

Современные беспилотные летательные аппараты (БПЛА, дроны) имеют множество преимуществ перед традиционными летательными аппаратами. Они обладают более высокой маневренностью, могут летать на меньших высотах и в труднодоступных местах, а также могут использоваться для различных задач. БПЛА постепенно становятся главной продукцией многих авиационных фирм. Это происходит по ряду причин. БПЛА гораздо дешевле пилотируемых самолетов и вертолетов. Отсутствие пилота позволяет исключить бортовые системы жизнеобеспечения, уменьшить массу и габариты БПЛА, а также увеличить диапазон допустимых перегрузок и влияющих факторов. Большое значение имеет и фактор безопасности- потери беспилотных аппаратов не ведут к потери пилотов. Диапазон существующих и разрабатываемых аппаратов очень широк: от микро- и мини- БПЛА до тяжелых многотонных аппаратов, а также БПЛА, способных выполнять сверхдальние и сверхвысотные полеты длительностью в несколько месяцев. Стремительно расширяется военная область и сферы гражданского применения. Взрывной рост количества разработок БПЛА связано с серьезными технологическими успехами в разных областях:

–появление новых легких и прочных материалов, особенно композитных;

–быстрое развитие микроэлектронной компонентной базы: микроконтроллеров, микросистемных навигационных датчиков, приемопередатчиков радиосигналов, различных СВЧ-устройств, микроэлектронных драйверов сильноточных потребителей, миниатюрных видеокамер и т.д.;

–появление и быстрое развитие высокоэффективных возобновляемых источников питания на основе литий-полимерных аккумуляторов и топливных элементов и др.;

–разработки в области высокоресурсных бесколлекторных электродвигателей, а также реактивных и поршневых двигателей;

–развитие спутниковых систем глобального позиционирования;

–общее развитие вычислительной техники, включая появление специальных операционных систем, интерфейсов, математического и алгоритмического обеспечения.

Разработками в области беспилотной авиационной техники занимаются в разных странах как крупные фирмы, так и небольшие специализированные предприятия.

В современном мире беспилотные летательные аппараты становятся все более популярными и востребованными. Они нашли применение в различных сферах, таких как гражданская авиация, военная промышленность, аграрный сектор, мониторинг окружающей среды и многие другие. БПЛА обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными пилотируемыми самолетами, такими как возможность выполнения задач в опасных или недоступных для человека условиях, более длительное время в полете, более точное выполнение заданных миссий и другие. Однако, одной из основных проблем, с которой сталкиваются разработчики БПЛА, является ограниченность энергетических ресурсов. Традиционные источники энергии, такие как батареи или генераторы, имеют ограниченную емкость и требуют регулярной замены или заправки. Это ограничивает время полета и дальность БПЛА, что сильно ограничивает их эффективность и применимость в различных сферах. В связи с этим, использование солнечной энергии для питания БПЛА становится все более актуальным и перспективным. Разработка БПЛА самолетного типа с питанием от солнечных батарей представляет собой одну из перспективных областей и требует учета различных факторов, таких как энергетическая эффективность, автономность, функциональность и легкость конструкции.

Одним из основных направлений развития БПЛА является улучшение их автономности. Современные БПЛА обладают возможностью автономного взлета, посадки и выполнения миссий без участия оператора. Это достигается благодаря использованию передовых систем автономного управления, которые включают в себя алгоритмы навигации, планирования маршрута, управления полетом и обработки данных с сенсоров. Важным аспектом развития БПЛА является улучшение их функциональности. Современные БПЛА оснащены различными типами сенсоров, такими как камеры, радары, тепловизоры, лидары и другие, что позволяет им выполнять широкий спектр задач, включая разведку, наблюдение, поиск и спасение, аэрофотосъемку и т.д. В конструкции беспилотного аппарата есть спутниковый навигатор и программируемый модуль. Если БПЛА используется для получения, сохранения и передачи информации на пульт оператора, в нем дополнительно устанавливаются карта памяти и передатчик. Конструкция и функциональность меняются в зависимости от назначения аппарата. Есть модели дронов, которые умеют принимать команды человека и реагировать на них. Важно отметить, что развитие и применение БПЛА в гражданской авиации требует разработки соответствующих нормативных и правовых актов, а также внедрения систем безопасности и обеспечения конфиденциальности данных. Еще одним аспектом развития сферы БПЛА является создание более компактных и легких конструкций. Современные технологии позволяют создавать БПЛА из легких композитных материалов, что способствует уменьшению веса и увеличению энергетической эффективности. Кроме того, развитие 3D-печати и других методов производства позволяет создавать сложные формы и интегрировать различные компоненты в одну конструкцию.

Современные технологии и материалы позволяют создавать все более совершенные и эффективные БПЛА, что открывает новые возможности для их применения и развития. Основным преимуществом БПЛА является существенно меньшая стоимость их создания и эксплуатации при условии равной эффективности выполнения поставленных задач.

ГЛАВА 1 КЛАССИФИКАЦИЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАЮЩИХ АППАРАТОВ

Принцип работы беспилотника основан на комбинации сенсорных систем, автопилота и программного обеспечения. Сенсоры, такие, как камеры, радары, лидары и система навигации, собирают информацию об окружающей среде и положении аппарата. Эти данные передаются в автопилот, который обрабатывает информацию и принимает решения о дальнейшем движении и поведении беспилотника, управляя вращением двигателей и отклонением аппарата от заданной траектории.

Принцип и методы управления беспилотником могут отличаться в зависимости от его конкретного назначения. Некоторые беспилотники могут быть полностью автономными и способны выполнять задачи самостоятельно без участия человека. Другие дроны могут быть дистанционно управляемыми, где оператор на земле управляет аппаратом с помощью пульта управления или компьютерного интерфейса. Большинство современных аппаратов, как гражданских, так и военных, могут управляться и оператором, и летать самостоятельно.

БПЛА можно разделить на классы по различным признакам: дальности полета, грузоподъемности, радиусу действия, взлетной массе и т.д., но, пожалуй, наиболее удачной является классификация по взлетной массе, которая позволяет точней и удобней разделить БПЛА на классы. Такой подход позволяет объединить аппараты, схожие по техническим решениям, выполняемым задачам, находящиеся в достаточно узком диапазоне других технических характеристик.

В настоящее время Международной ассоциацией по беспилотным системам AUVSI (Association for Unmanned Vehicle Systems International) разработана методика классификации БПЛА, которая помимо систем управления БПЛА, конструкционных особенностей учитывает множество лётных характеристик, таких как взлетная масса, дальность, высота и продолжительность полета, размеры аппарата и т.д.

1. Система управления БПЛА

Беспилотные летательные аппараты можно квалифицировать по методу управления. Их существует три вида.

а). Дистанционно-пилотируемые летательные аппараты (ДПЛА). К данной категории относятся БПЛА, целиком управляемые оператором с земли. Наиболее распространённым видом управления ДПЛА является передача сигнала по радиочастотному каналу, но в виду возможного присутствия большого количества как наведённых, так и естественных помех в этом диапазоне, такой метод управления наименее надёжен, поэтому сейчас для руководства действиями малых БПЛА всё чаще используется канал 5G. ДПЛА с большим радиусом действия как правило управляются по спутниковым каналам, а беспилотники, действующие в прямой зоне видимости, могут управляться по различным оптическим каналам связи.

б). Автоматические БПЛА с полностью автономной системой управления. Поскольку такие аппараты выполняют запрограммированное полётное задание, то им необходимо иметь встроенный микропроцессор при этом желательно оснащённый нейросетевыми алгоритмами. Другим условием, без которого невозможно самостоятельное ориентирование БПЛА в полёте, является наличие бортового навигационного оборудования. Чаще всего его роль выполняет одно или двух антенный ГНСС приёмник, обеспечивающий получение спутникового сигнала с уточнением координат по RTK (Real Time Kinematic). Однако на случай потери связи со спутником, рекомендуется также включить в состав навигационного комплекса инерциальный измерительный модуль (IMU), который позволяет поддерживать точность курса в автономном режиме. Примером такой интегрированной навигационной системы может служить BW-GI100/200.

в). Гибридная система управления БПЛА, когда оператор с земли может в любой момент подключится к управлению автономным беспилотником или когда, наоборот, БПЛА, потерявший по какой-то причине связь с оператором, способен продолжить полёт в автоматическом режиме. Обычно такую дублирующую систему управления имеют средние и тяжёлые БПЛА с большой дальностью действия.

2.Основные лётные характеристики

Из таблицы 1.1, в которой представлены взлетная масса и дальность действия БПЛА можно выделить четыре основные группы беспилотников (мини БПЛА, лёгкие БПЛА, средние и тяжёлые БПЛА).

Таблица 1.1. Взлетная масса и дальность действия

Категория

Взлетная

масса, кг

Дальность действия, км

Микро и мини БПЛА ближнего действия

0 – 5

25 -40

Легкие БПЛА малого радиуса действия

5 – 50

10 – 70

Легкие БПЛА среднего радиуса действия

50 – 100

70 – 150 (250)

Средние БПЛА

100 – 300

150 – 1000

Средне – тяжелые БПЛА

300 – 500

70 – 300

Тяжелые БПЛА среднего радиуса действия

500 – 1500

70 – 300

Тяжелые БПЛА большой продолжительности

полета

Более 1500

1500

Беспилотные боевые самолеты

Более 500

1500

Последние две категории БПЛА подразумевают специальное применение, поэтому их разработка и производство является почти исключительной прерогативой крупных авиастроительных корпораций, а широкому кругу пользователей более известна первая и вторая категории дронов.

Однако, наиболее перспективной и бурно развивающейся на данный момент категорией считаются лёгкие БПЛА, поскольку потенциальная сфера их применения очень широка (от аэрофотосъёмки и картографирования до перевозки различных грузов в труднодоступной местности, что обходится дешевле использования пилотируемых средств).

3.Виды дронов по способу управления

3.1. Управление по Wi-Fi. Осуществляется с помощью приложения на смартфоне и специального передатчика сигнала внутри квадрокоптера. Чаще используется на бюджетных моделях коптеров. Дальность полета в этом случае не превышает 100-150 м, т.к. радиус действия беспроводной сети небольшой. Самый большой минус технологии – возможны задержки картинки при удалении дрона от пилота, что неудобно при трансляции видео в режиме реального времени. Такие модели оптимальны для съемки селфи, т.к. при этом не требуется большого расстояния между камерой и пользователем. Управление производится с помощью сенсорных кнопок, имитирующих физические стики. Также смартфон удобен для регулировки угла поворота камеры, настройки параметров съемки, просмотра и монтажа уже отснятого материала. Дополнительный плюс – не нужно носить с собой габаритный пульт дистанционного управления.

3.2. Управление по радиоканалу. Позволяет увеличить дальность полета квадрокоптера до нескольких километров и все это время транслировать видео с камеры на экран пульта или смартфона. Частота, на которой чаще всего работают дроны – 2,4 и 5,8 ГГц. Диапазон 2,4 ГГц менее популярен, т.к. картинка здесь более подвержена шумам и размытию (на этой частоте работает много других приборов, создающих помехи для сигнала). Трансляция на частоте 5,8 ГГц происходит с минимальной задержкой картинки, но цена на устройства с этим диапазоном существенно выше. При использовании радиосигнала необходима полноценная аппаратура в виде пульта управления с мощным передатчиком, стиками и кнопками. Возможно также сочетание пульта с телефоном: большинство коптеров имеет соответствующие гнезда и крепления, позволяющие управлять полетом с помощью пульта, а изображение выводить на экран мобильного устройства.

3.3. По выводу изображения с камеры. Вывод картинки с камеры также может происходить разными путями.

3.3.1. FPV. Модели с данной функцией (First Person View – с англ. «вид от первого лица») выводят на экран видео шлема, очков или смартфона все, что снимает камера, установленная в коптере, в режиме реального времени. Трансляция изображения на экран шлема или очков позволяет увидеть то, что «видит» дрон и буквально почувствовать себя в воздухе. Также функция необходима при дальних полетах, т.к. на расстоянии свыше 100 метров дрон уже трудно различим глазами и направлять его придется именно по видео. Применяют технологию не только для развлечения, но и для решения профессиональных задач: осмотра труднодоступных объектов, охраны территории, сельского хозяйства.

3.3.2. На экран телефона или пульта. Также изображение с камеры может выводиться на экран пульта управления или смартфона. Во втором случае необходимо установить на телефон специальное приложение, рекомендованное производителем дрона.

Самые простые модели не транслируют изображение во время полета, а просто записывают его на карту памяти. Посмотреть фото и видео можно будет после того, как коптер приземлится.

4.Конструкция лётной системы БПЛА. Если прибегнуть к классификации БПЛА согласно их конструкционным особенностям, то можно выделить их следующие типы:

–Аэростатические БПЛА;

–Реактивные БПЛА;

–БПЛА самолетного типа (с фиксированным крылом);

-БПЛА вертолетного типа (однороторные);

–Мультикоптерные (мульти роторные) БПЛА;

–Гибридные БПЛА (конвертопланы).

По скорости БПЛА:

–мало скоростные (от 50 до 400 км/ч),

–скоростные (от 400 км/ч до числа М*),

–сверхзвуковые (более числа М).

* М – число Маха, скорость звука в воздухе (у поверхности земли – 1224 км/ч, на высоте 11 км – 1062 км/ч.

По высоте полета БПЛА:

–предельно малых высот (от 0 до 200 м,)

–малых высот (от 200 до 1000 м),

–средних высот (от 1 до 4 км),

–больших высот (от 4 до 12 км),

–стратосферные (более 12 км).

По продолжительности полета:

–менее 2 часов,

–от 2 до 8 часов,

более 8 часов.

Беспилотные летательные аппараты отличаются по назначению, но составные части у них схожи:

–корпус (фюзеляж);

–источник энергии (аккумулятор, солнечные батареи, топливные элементы);

–двигательная установка (на основе различных типов двигателей: электрический, внутреннего сгорания, воздушно-реактивный);

–навигационная система (датчики: гироскоп, акселерометр, альтиметр, ГЛОНАСС/GPS);

–система управления (контроллер, бортовой компьютер, автопилот);

–система связи (радиоприемник, ретранслятор, радиопередатчик);

–съемочная аппаратура (камера, тепловизор);

Ряд других приборов, подбираемых под конкретный БПЛА и его задачи.

ГЛАВА 2 МУЛЬТИРОТОРНЫЕ ДРОНЫ

Мультироторные дроны – наиболее распространенные типы дронов, которые представляют собой летающую платформу с бесколлекторными моторами и пропеллерами. Так дрон с тремя моторами носит название Трикоптер, рис.2.1, с четырьмя моторами носит название – Квадракоптер, рис.2.2, с шестью – Гексакоптер, рис.2.3. с восемью – Октокоптер, рис.2.4. В полете дрон держит горизонтальное положение относительно поверхности земли и может зависать над определенным местом, перемещаться влево, вправо, вперед, назад, вверх и вниз, а также, поворачиваться вокруг своей оси. Все действия совершаются путем изменения тяги на каждом моторе. Преимущества дронов: вертикальный взлет, возможность зависать над объектом.

Обычно трикоптер движется двумя винтами вперед, а третий является хвостовым. Первые два винта имеют противоположные направления вращения и взаимно компенсируют реактивные закручивающие моменты, у хвостового же винта пары нет, поэтому для компенсации его реактивного момента ось вращения этого винта немного наклоняют в сторону, противоположную направлению закручивания. Это делают с помощью специального сервопривода и тяги, которые используются для стабилизации или управления положением аппарата по курсу.

Рис. 2.1. Пример трикоптера

Рис.2.2. Квадрокоптер

Рис. 2.3. Гексакоптер

Рис.2.4. Октокоптер

Гексакоптеры и октокоптеры обладают гораздо большей грузоподъемностью по сравнению с квадрокоптерами и обычно используются для доставки грузов либо на сельхоз- работах для опыления посевов. Преимуществом большого количества роторов является и то, что такие машины способны сохранять устойчивый полет при выходе из строя одного двигателя. Такие аппараты отличаются также меньшим уровнем вибраций, что особенно важно для видеосъемки.

Хотя мультикоптерные дроны просты в изготовлении и относительно дешевы, они имеют много недостатков. Основные из них – ограниченное время полета, ограниченная грузоподъёмность и небольшая скорость. Они не подходят для крупномасштабных проектов, таких как аэрофотосъемка больших площадей. Основная проблема мультикоптеров заключается в том, что им приходится тратить огромную часть своей энергии на борьбу с гравитацией и стабилизацию аппарата в воздухе. В настоящее время большинство многороторных беспилотных летательных аппаратов способны летать всего 20-30 минут с минимальной полезной нагрузкой, такой как видеокамера.

Рассмотрим основные элементы квадрокоптера как наиболее используемого дрона. модели DJI Inspire. Пилотирование квадрокоптера осуществляется с помощью радиоуправления посредством пульта и смартфона. Предусмотрен также режим автопилота. Практически все квадрокоптеры имеют камеры для записи видео и трансляции в реальном времени.

Современный дрон состоит из множества высокотехнологичных компонентов, которые должны слаженно работать друг с другом, рис.2.5.

Рис.2.5. Состав оборудования квадрокоптера

Типовой состав оборудования квадрокоптера для аппаратов с другим количеством роторов он аналогичен.

Команды, принятые приемником, поступают в полетный контроллер в виде широтно-импульсного сигнала. Здесь они с учетом текущей навигационной информации (получаемой в самом полетном контроллере от встроенных микросистемных гироскопов и акселерометров), а также с учетом сигналов с модуля GPS (опционально) преобразуются в широтно-импульсные сигналы управления двигателями, которые подаются на контроллеры частоты вращения двигателей (т.н. ESC – Engine Speed Control). Назначение модулей ESC – преобразование управляющих широтно-импульсных сигналов в синусоидальные трехфазные напряжения для обмоток бесколлекторных электродвигателей. Типовой источник питания для бортовой сети мультикоптеров – это батарея литий-полимерных аккумуляторов. Потребляемые токи – от единиц до сотен ампер в зависимости от размеров аппарата.

Основой любого аппарата являются следующие компоненты:

–силовая рама;

–двигатели и винты;

–системы управления и навигации;

–устройство управления;

–электронные компоненты.

Поговорим про каждый компонент отдельно на примере квадрокоптера.

2.1. Принцип работы квадрокоптера

Квадрокоптеры держатся в воздухе, управляются и перемещаются только за счет несущих пропеллеров. Классический квадрокоптер представляет собой крестообразную раму, на концах лучей которой вертикально закреплены моторы, рис. 2.6.

Рис.2.6. Схема конструкции простейшего квадрокоптера

Воздушные винты, расположенные на диагональных лучах рамы, создают суммарную вертикальную тягу. Синхронно регулируя обороты моторов, можно заставить квадрокоптер подниматься вверх, зависать или опускаться. Если изменить обороты моторов неравномерно, то квадрокоптер отклонится от горизонтального положения и полетит в сторону отклонения. Например, при увеличении оборотов двух задних моторов его задняя часть приподнимется и квадрокоптер полетит вперед. За счет неравномерного изменения оборотов всех моторов квадрокоптер способен лететь в произвольном направлении. Очевидно, что при наклоне рамы за счет появления горизонтальной составляющей вектора тяги Vx уменьшится вертикальная составляющая Vy и квадрокоптер начнет терять высоту. Это явление иногда называют «соскальзыванием», потому что коптер начинает двигаться вниз по диагональной траектории, рис. 2.7, словно скользя по склон у. Поэтому для поддержания высоты при наклоне квадрокоптера обороты всех моторов должны возрасти на некую одинаковую компенсирующую величину.

Рис.2.7. Векторы тяги квадрокоптера

Вращающиеся винты создают реактивный крутящий момент, который старается развернуть квадрокоптер в сторону, противоположную вращению винта. Поэтому в квадрокоптере два винта вращаются по часовой стрелке и два против часовой стрелки, взаимно уравновешивая реактивные моменты. Если увеличить обороты моторов, вращающихся по часовой стрелке, и в равной мере уменьшить обороты у вращающихся против часовой стрелки, то суммарная вертикальная тяга не изменится, однако реактивный момент компенсируется, и рама начнет поворачиваться против часовой стрелки.

Аналогично можно заставить квадрокоптер поворачиваться по часовой стрелке. Оборотами моторов в режиме реального времени управляет специальная вычислительная система на основе достаточно быстродействующего микроконтроллера, так называемый полетный контроллер. Он постоянно опрашивает встроенные гироскопы, акселерометры, барометр, сигналы от приемника радиоуправления и на основе полученных данных рассчитывает управляющие сигналы для каждого мотора в отдельности.

Квадрокоптеры держатся в воздухе только за счет несущих пропеллеров и этим похожи на вертолет. По сравнению с вертолетом механическая часть даже у большого профессионального квадрокоптера предельно проста и не зависит от размеров модели. Это жестко закрепленные на лучах рамы моторы, на валы которых надеты воздушные винты.

2.2. Конструкция рамы

Рассмотрим раму для конструкции «квадрокоптер» – самой распространенной в настоящее время. Прочие мультикоптеры строятся и функционируют по похожему принципу. Рама состоит из двух частей: фюзеляжа (корпуса) и лучей, рис.2.8.

Рис. 2.8. Пример рамы квадрокоптера

В фюзеляже размещается электронная начинка коптера: полетный контроллер, плата распределения питания, аккумулятор. А вот антенны радиоаппаратуры (от приемника пульта ДУ и FPV-передатчика) стараются выносить подальше от корпуса и размещать на лучах.

Камера и другие полезные нагрузки в небольших моделях также размещаются в корпусе коптера, однако в более серьезных моделях они выносятся за его пределы и монтируются на стабилизированном подвесе. Также продвинутый БПЛА может быть оснащен системой сенсоров для детектирования препятствий, которые встраиваются непосредственно в корпус.

В серийных моделях корпус выполняется методом литья из пластика. В типовых моделях для самостоятельной сборки корпус представляет собой две пластины, нижнюю и верхнюю, соединенные стойками на винтах.

Лучи нужны для установки моторов и регуляторов. В серийных моделях регуляторы интегрированы в единую плату и находятся внутри корпуса. Лучи должны быть достаточно прочными и жесткими, чтобы выдержать вес конструкции квадрокоптера, минимизировать вибрации, возникающие в полете, а также быть достаточно устойчивыми к ударам и падениям.

Форма рамы. По расположению моторов относительно направления полета выделяют два основных типа рам: «+» и «X». Подвидом рамы типа «X» является рама типа «Н. Рама типа «Х» или «True-X», рис. 2.9.