XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Введение

Стремительный рост микроэлектроники привел к появлению новых видов устройств. Примером нового вида устройств являются беспилотные летательные аппараты (БПЛА). Сейчас почти каждый из нас при желании может приобрести такое устройство. Существуют различные виды БПЛА: мультикоптеры, дроны и т.д. Но среди всех вариантов, самыми популярными являются БПЛА на базе мультикоптера, они имеют малый размер, легки, очень манёвренные, относительно дёшевы и просты в использовании. Относительно небольшие затраты на работы, широкий спектр аппаратных возможностей малых беспилотных аппаратов на базе мультикоптеров и многие другие качества служат предпосылками для использования этих летательных аппаратов в спасательных службах, исследовательских работах, доставке мелкогабаритных грузов и так далее. Однако, на данном этапе развития они все же имеют различные проблемы.

Целью работы является определение наилучшего вид БПЛА вертолетного типа на основе анализа основных существующих моделей мультикоптеров и математического моделирования основных характеристик полета.

Объект исследования

Мультикоптер представляет собой беспилотный летательный аппарат вертолетного типа, имеющий три и более электродвигателей с воздушными винтами.

В настоящий момент в продаже имеется широкий выбор моделей, которые возможно разделить на три типа: игрушечные дроны, БПЛА общего пользования и профессиональные БПЛА. В данном исследовании рассмотрены мультикоптеры общего назначения, потому что они, в основном строятся по модульному принципу. И соответственно обладают свойством взаимозаменяемости компонентов, что позволяет создать свою собственную модель и упрощает замену поврежденных деталей.

Важными характеристиками мультикоптеров являются основные характеристики полета: время, темп, дальность полета и т.д. Данные характеристика улучшаются благодаря повышению аэродинамических свойства. Данная проблема напрямую связана с полезной нагрузкой и сложностью расположения оборудования, соответственно и с видом мультикоптера. Вид мультикоптера также влияет на увеличение площади основной конструкции и приводит к повышению всей массы дрона. Эту проблему можно решить путем определения наилучшего вида беспилотного летального аппарат на базе мультикоптера.

Результаты исследования и их обсуждение

На основе математического моделирования основных характеристик полета определим наилучший вид БПЛА вертолетного типа.

Рассмотрим четыре основных схемы расположения винтов для мультикоптеров: триоктокоптер (рис. 1а); квадрокоптер (рис.1б); гексакоптер (рис. 1в); октокоптер (рис. 1г).

а) б) в) г)

Рис. 1. Схемы построения мультикоптера: а) Y-схема построения триоктокоптера; Х-схема построения: б) квадрокоптер; в) гексакоптер; г) октокоптер.

Основные характеристики (количество винтомоторных пар и масса БПЛА) рассматриваемых мультикоптеров, которые будем использовать в дальнейших расчетах, приведены в Табл. 1. Винтомоторная пара – винт и мотор мультиоктокоптера, скрепленные вместе и создающие несущую тягу мультиоктокоптера.

Таблица 1. Основные характеристики мультикоптеров

Основные характеристики винтомоторной пары, влияющие на тягу, приведены в Табл. 2. Для моделирования для всех видов мультикоптеров возьмем мотор Tarot 4008/380 KV, аккумулятор LiPo 16000mAh массой 0,378 кг, пропеллер DJI.

Таблица 2. Основные характеристики винтомоторной пары

При моделировании использовали формулу для расчета зависимости тяги (полезной нагрузки) от времени полета:

(1)

где n- количество винтомоторных пар, шт.; Tv-тяга винтомоторной пары – это масса, которую способна поднять одна винтомоторная пара на максимальных оборотах, кг; N_Av – токопотребление одной винтомоторной пары, А/ч.; M_v –масса винтомоторной пары, кг; I –максимальный потребляемый ток, А; M_b – масса батареи, кг; M_up – снаряженная масса - масса БПЛА, кг; t_p-время полета, с.

Из рис. 2 видно, что конструкция винтомоторной группы октокоптера предоставляет большую грузоподъемность при одних и тех же характеристиках других мультикоптеров.

Рисунок 2. Зависимость полезной нагрузки от времени полета.

Для выяснения главных особенностей перемещения октокоптера, особенностей комплекса контроля, необходимо составить математическую модель, которая демонстрирует перемещение дрона.

Рассмотрим основные координатные системы, используемые для описания полета октокоптера (рис.3). Пусть расположение центра масс октокоптера (С) совпадает с началом подвижной системы координат СX₁Y₁Z₁. В неподвижной декартовой системе координат расположение центра массы октокоптера описывается положением координат X, Y, Z.

Рисунок 3. Графическая схема октокоптера.

Исходя из общих теорем динамики, по методике, описанной в работах [2, 3],и с учетом рис.3 получена система нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих изменение обобщенных координат октокоптера под действием внешних сил:

(2)

где m – вес объекта; – проекции скоростей центра масс октокоптера на оси ОХ, ОY, ОZ; J_TP– сумма моментов инерции вращения вокруг оси винта ;I_X,I_Y, I_Z- осевые моменты инерции; d – аэродинамическая постоянная; l₀-расстояние между центрами октокоптера и пропеллера; ψ, θ, φ - углы, задающие положение аппарата в пространстве; Х₁, Y₁, Z₁ –проекции угловой скорости тела на оси подвижной системы координат.

На основе описанной выше математической модели (2) октокоптера проведем компьютерное моделирование на конкретной модели октокоптера DJIS1000 Premium + A2. Его основные характеристики: 8 винтов; вес модели – 4,2 кг; размер рамы – 723 мм; аккумулятор LiPo 16000mAh, вес аккумулятора – 0,378 кг.

Результаты моделирования представлены на рисунках 4 и 5.

Рисунок 4. Модель полета октокоптера

Рисунок 5. Характеристики мотора

Моделирование показало, что оптимальный диапазон скорости полета октокоптера составляет 35-40 км/ч, а критическая скорость 55 км/ч. Максимальная высота полета 3600 м. Наилучшие показатели грузоподъемности октокоптер достигает при скорости 35-40 км/ч.

Заключение

Несмотря на все растущую популярность мультикоптеров, существуют нерешенные проблемы, связанные, как с конструкцией, так и с особенностями эксплуатации. Однако, на данном этапе развития мультикоптеров уже существуют различные методы и знания, позволяющие решить большинство данных проблем. Использование октокопторной схемы построения мультикоптеров создаст условие для расширения сферы их применения.

Список литературы

В Гавриков, Летать! – дрон на компонентах STMicroelectronics // Новости электронники. №2, 2017. https://www.compel.ru/lib/ne/2017/2/3-letat-dron-na-komponentah-stmicroelectronics. (Дата обращения 21.12.2018).

Попов Н. И., Емельянова О. В., Яцун С. Ф.Моделирование динамики полета квадрокоптера. // Вестник Воронежского института ГПС МЧС России. Вып. 4 (13), 2014. С. 69-75. https://cyberleninka.ru/article/v/modelirovanie-dinamiki-poleta-kvadrokoptera. (Дата обращения 12.01.2019).

В.Е. Павловский, С.Ф. Яцун, О.В.Емельянова, С.П.Стуканёва Математическое моделирование робота с переменным вектором тяги. Второй Всероссийский научно-практический семинар «Беспилотные транспортные средства с элементами искусственного интеллекта (БТС-ИИ-2015)» (9 октября 2015г., г. Санкт-Петербург, Россия): Труды семинара. – Санкт-Петербург: Изд-во «Политехника-сервис», 2015. C.99-106.