XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

ВВЕДЕНИЕ

Автоматизация — это процесс применения технологий и систем для выполнения задач с минимальным участием человека. В последние десятилетия автоматизация стала ключевым элементом в различных сферах, включая производство, услуги, транспорт и даже управление данными.

Основная цель автоматизации заключается в повышении эффективности функционирования, снижении затрат и минимизации ошибок, связанных с человеческим фактором, повышении надежности и точности.

Цель работы:

• Изучить методы расчета надежности системы;

• Рассмотреть способы повышения надежности;

• Произвести программный расчет надежности для выбранного объекта.

Актуальность данной темы заключается в широком использовании беспилотных летательных аппаратов, повышении требований безопасности и расширения возможности их функционирования.

В современном мире важно увеличение эффективности, это позволяет выполнять задачи быстрее и более эффективно, что особенно важно в ситуациях, требующих срочного реагирования, таких как поисково-спасательные операции или мониторинг природных катастроф.

Данная работа является актуальной, так как беспилотные летательные аппараты (БПЛА) становятся все более популярными и востребованными в различных областях, начиная от военной сферы и производственного мониторинга до гражданских приложений, таких как наблюдение за окружающей средой, поиск и спасение, агрокультура и даже развлечения. Важным аспектом в работе любого БПЛА является обеспечение его стабильности, управляемости и надежности во время полета.

1Описание функционирования БПЛА

Основной важной частью квадрокоптера является рама, на нее крепятся все компоненты. Форма и размер рамы оказывают значительное воздействие на аэродинамику, летные характеристики квадрокоптера, жесткость всей конструкции и распределение веса. Предъявляемые требования к раме — это легкость и прочность, поэтому лучшим материалом для ее изготовления считается углепластик или карбон, который отличается высокой прочностью, жесткостью и легкостью. Стоит отметить, что рамы выпускаются как в цельной конструкции, так и в раздельной, где тело рамы и лучи соединены не монолитно, а с помощью болтов. Также существуют ее различные формфакторы: «Х», «H» и «+».

Следующим важный компонент – это аккумулятор. На сегодняшний день подавляющая часть БПЛА используют литий-полимерные батареи. Такой выбор связан с рядом преимуществ Li-Po аккумуляторов – они имеют меньший вес, обладают хорошей емкостью, стабильно поддерживают выходное напряжение, обеспечивают высокую скорость зарядки по сравнению с их конкурентами - никель-кадмиевыми NiCad и никель-металлогидридными NiMH батареями. Для питания электронных компонентов квадрокоптера требуется определенное напряжение. Например, для работы электроники и полетного контроллера требуется 5В, а напряжение самого аккумулятора намного больше, поэтому для понижения бортового напряжения используют понижающий регулятор напряжения (BEC или UBEC).

Стабильность полета квадрокоптера полностью зависит от полетного контроллера. На нем установлены датчики, которые мгновенно регистрируют информацию о малейших изменениях углов ориентации квадрокоптера. Затем эти данные поступают в микропроцессор контроллера, который производит сложные математические расчеты и определяет, с какой скоростью должен крутиться каждый мотор в данный момент времени. После каждого расчета полученные сведения подаются на регуляторы оборотов для исполнения [1,2,3].

Изменение высоты полета, маневрирование и изменение скорости полета квадрокоптера обеспечивает двигательная установка. Как правило, используют бесколлекторный тип двигателей. Данное решение обосновывается преимуществом бесколлекторных двигателей – они обладают большей надежностью, износоустойчивостью, имеют меньший вес и размер по сравнению с коллекторным типом.

Движущая сила тяги преобразуется из мощности двигателя за счет воздушных винтов или пропеллеров, которые крепятся к валу двигателя гайкой. На квадрокоптер приходится 4 винта, причем их вращение имеет разное направление. По одной диагонали пропеллеры вращаются по часовой стрелке, а по другой диагонали – против часовой стрелки. Такая конструкция используется для уравновешивания реактивного момента всех винтов. Иначе при вращении винтов в одном направлении, корпус квадрокоптера начал бы вращаться в противоположенную сторону [4].

Рисунок 1 – Направление вращения винтов квадрокоптера

Для регулирования скорости вращения винтов применяют электронный регулятор оборотов или электронный регулятор скорости (ESC). То, как ESC регуляторы оборотов взаимодействуют с двигателями, влияет на скорость и тягу дрона, а также его поведение в воздухе. Для простого понимания — полетный контроллер посредством специального протокола посылает данные регулятору оборотов о том, что нужно прибавить или убавить обороты двигателя. Но двигателю квадрокоптера нельзя просто подать напряжение, так как он трехфазный и требуется попеременно подавать напряжение на определенные участки обмотки. Этим и занимается регулятор оборотов. На нем есть микросхемы, которые называются Мосфеты (MOSFET), и эти платы выполняют роль ключей — открывают и закрывают подачу тока на определенные участки обмотки. MOSFET — это полевой транзистор с изолированным затвором. Когда драйвер затвора подает сигнал — MOSFET открывается и подает ток на определенную область статора, там самым, заставляя магниты вращать колокол двигателя из-за того, что обмотка (статор) попеременно меняет напряжение в определенных частях так, чтобы магниты начинали притягиваться в определенный момент времени к определенной части статора — таким образом, колокол двигателя начинает вращаться. Все это происходит много раз за доли секунды.

Рисунок 2 – Структурная схема БПЛА

Находясь в воздухе, квадрокоптер подвержен воздействию различных сил, оказывающих значительное влияние на его полет. Для преодоления данных возмущений используется активное взаимодействие измерительных устройств, контроллера и двигателей.

Принцип плавного движения квадрокоптера основывается на получении и обработке данных с измерительных устройств, таких как акселерометр, гироскоп, магнитометр, барометр и др. Затем эти данные поступают в полетный контроллер, где полученную информацию обрабатывает микропроцессор. Результатом обработки является корректирующий сигнал, поступающий на электронные регуляторы оборотов для стабилизации дрона. Регуляторы оборотов на основе полученных сигналов изменяют крутящие моменты двигателей.

Управление квадрокоптера оператором происходит с помощью системы радиоуправления, которая состоит из радиопередатчика, находящегося в руках оператора, и радиоприёмника, расположенного на борту аппарата. Передатчик (также часто называемым пультом) имеет две ручки управления, отвечающие за контроль по основным четырём каналам (крен, тангаж, рысканье (курс) и обороты двигателей). Дополнительные тумблеры, кнопки и ручки могут использоваться как для команд различном дополнительным устройствам и функциональному оборудованию, так и для переключения настроек и активации различных автоматических режимов. На экране передатчика отображаются текущие настройки, а также, при наличии обратной связи с летательным аппаратом, данные о полёте, качестве сигнала и состоянии различных бортовых систем (данные телеметрии). Приёмник, находящийся на борту квадрокоптера, получает команды оператора, обработанные микропроцессором передатчика в зависимости от выбранных настроек, по беспроводному каналу. Сигнал от приёмника поступает на полётный контроллер для последующей обработки. Для радиоуправления используются различные частотные диапазоны, самый распространённый на сегодняшний день — от 2400 до 2483,5 МГц, для краткости также называемый 2,4 ГГц.

Маневрирование квадрокоптера включает: 1) подъем и спуск, 2) рысканье, 3) тангаж и крен.

1. Вертикальный подъем зависит от направления вращения пропеллеров. Для того чтобы дрон поднялся в воздух, необходимо создать подъемную силу, равной силе гравитации или превышающей ее. Квадрокоптеры используют конструкцию двигателя и направление вращения винта для создания требуемой тяги, чтобы управлять силой тяжести, воздействующей на летательный аппарат.

Вращение винтов приводит к вытеснению воздуха. Все силы приходят парами (Третий Закон Ньютона), что означает, для каждой силы действия существует равная (по размеру) и противоположная (по направлению) сила противодействия. Поэтому, когда ротор толкает воздух вниз, воздух толкает ротор вверх. Чем быстрее вращаются роторы, тем больше подъемная сила и наоборот.

Дрон может делать три вещи в вертикальной плоскости: зависать, подниматься или опускаться.

Для зависания необходимо, чтобы сила тяги, вызванная вращением винтов, была точно равна действующей силе притяжения.

Подъем вверх достигается путем увеличения тяги (скорости) четырех роторов квадрокоптера так, чтобы сила, направленная вверх, была больше веса и силы тяжести.

Вертикальный спуск или падение вниз требует выполнения полной противоположности подъему. Уменьшается тяга, чтобы сила была направлена вниз.

2. Рыскание (Yaw) – это вращение или поворот квадрокоптера вправо или влево. Это основное движение для вращения мультикоптера. На большинстве дронов это достигается с помощью левой ручки газа влево или вправо.

Если на двигателях квадрокоптера крутящий момент отсутствует, то общий угловой момент должен оставаться постоянным, равным нулю, то же происходит с квадрокоптером в полете. Следовательно, для поворота направо нужно уменьшить обороты вращения 1 и 3 двигателей, тогда корпус квадрокоптера будет вращаться по часовой стрелке, См. рис.1.

3) Тангаж (Pitch) – это движение квадрокоптера вперед или назад. Подача вперед обычно достигается нажатием ручки газа вперед, что заставляет квадрокоптер наклоняться и двигаться вперед от вас. Шаг назад достигается перемещением ручки газа назад.

Крен (Roll) – это движение квадрокоптера вбок, влево или вправо. Он управляется правой ручкой газа, заставляя его летать слева направо.

Поскольку большинство квадрокоптеров симметричны, нет никакой разницы между движением вперед или назад. То же самое относится и к движению из стороны в сторону.

Чтобы лететь вперед, необходимо увеличить число оборотов двигателя квадрокоптера (скорость вращения) роторов 3 и 4 (задние двигатели) и уменьшить частоту вращения роторов 1 и 2 (передние двигатели). Общая сила тяги останется равной весу, поэтому дрон останется на том же вертикальном уровне.

Кроме того, поскольку один из задних роторов вращается против часовой стрелки, а другой по часовой стрелке, увеличенное вращение этих двигателей будет по-прежнему создавать нулевой угловой момент. То же самое относится и к передним роторам, поэтому дрон не вращается.

Большая сила в задней части дрона означает, что он наклонится вперед. Теперь небольшое увеличение тяги для всех роторов приведет к созданию силы тяги, которая уравновешивает вес вместе с движением вперед.

2Расчет надежности системы

Произведем расчет надежности системы автоматизации на примере блока аккумуляторов БПЛА типа квадрокоптер. Логическая схема расчета надежности представлена на рис. 3

Рисунок 3 – Логическая схема расчета надежности. A – аккумулятор, B – жгут распределения питания, C – регулятор скорости, D – бесколлекторный двигатель, E – плата распределения питания.

Приведем значения интенсивности отказов элементов беспилотного летательного аппарата в таблице 1.

Таблица 1 – Интенсивность отказов элементов БПЛА

Обозначение	Элемент	Интенсивность отказов ( ),
A	Интенсивность отказов Li-Po аккумулятора
B	Интенсивность отказов жгута распределения питания
C	Интенсивность отказов регулятора скорости
D	Интенсивность отказов бесколлекторного двигателя
E	Интенсивность отказов платы распределения питания

2.1Расчет показателей надежности

Перед расчетами примем следующие допущения:

1. Все элементы прошли период приработки;

2. Отказы элементов независимы;

3. Справедлив экспоненциальный закон распределения.

Согласно приведённой выше схеме, ее вероятность безотказной работы будет выражаться формулой:

Построим график интенсивности отказов системы, предварительно рассчитав ее по формуле [5,6]:

Ниже представлен код вычислений в программе Matlab.

Рисунок 4 – Код вычислений в программе Matlab

В результате получим график интенсивности отказов от времени

Рисунок 5 – График интенсивности отказов системы

2.2Повышение надежности системы

Повышение надежности можно достичь с помощью следующих некоторых способов [7,8,9]:

1. Увеличение надежности элементов, использование устройств с более высокими показателями надежности.

2. Резервирование элементов системы.

3. Правильная эксплуатация системы.

4. Своевременное обслуживание системы.

Для повышения надежности рассматриваемой системы применим резервирование каждого элемента по отдельности. Соответственно схема примет вид:

Рисунок 6 – Логическая схема расчета надежности для резервированной системы

И вероятность безотказной работы для каждого элемента будет иметь вид:

Тогда вероятность безотказной работы системы будет рассчитываться следующим образом:

Найдем интенсивность отказов данной системы:

Код с вычислениями для резервированной системы представлен ниже

Рисунок 7 – Код вычислений в программе Matlab

График интенсивности отказов для резервированной системы представлен на рис. 8.

Рисунок 8 – График интенсивности отказов для резервированной системы

Определим изменения после внедрения резервирования в систему по формуле (1) и внесем результаты в таблицу 2.

Таблица 2 – Сравнение интенсивности отказов после резервирования системы

t, 105	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
	0,0001525	0,0001519	0,0001498	0,000149	0,0001487	0,0001486	0,0001485	0,0001485	0,0001485	0,0001485
	0,0001041	0,0001324	0,0001412	0,0001448	0,0001465	0,0001474	0,0001479	0,0001482	0,0001483	0,0001484
	1,46	1,14	1,06	1,03	1,015	1,008	1,004	1,002	1,001	1,0006

Из данных Таблицы 2 видно, что резервирование системы позволяет снизить интенсивность отказов в начале эксплуатации практически в 1,5 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В современном мире автоматизация играет ключевую роль в обеспечении надежности и эффективности работы различных систем и процессов. Она позволяет исключить большинство человеческих ошибок, увеличить скорость выполнения задач, улучшить качество продукции и услуг. Благодаря автоматизации управления, контроля и обработки данных, производства могут значительно снизить риск возникновения сбоев, сократить расходы и повысить общую надежность своей деятельности.

В работе была рассмотрена система функционирования БПЛА, для блока аккумуляторов произведен расчет вероятности безотказной работы и интенсивности отказов. Также были построены графики для системы с резервированием и без.

Анализ данных графиков показал, что после резервирования системы интенсивность отказов системы становится значительно меньше. Полученные результаты позволяют говорить o применимости подобной методики настройки и тестирования программно-технического комплекса различной степени сложности.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Основы теории надежности электромеханических комплексов: учебное пособие / П.П. Павлов, Р.С. Литвиненко. – Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2017. – 92 с.;

2. Основы теории надежности технологических процессов в машиностроении: учебное пособие / Ю. М. Правиков, Г. Р. Муслина. – Ульяновск: УлГТУ, 2015. – 122 с.;

3. Основы надежности и работоспособности технических систем: учеб. пособие / Ю. В. Баженов, М. Ю. Баженов; Владим. гос. ун-т им. А. Г. и Н. Г. Столетовых. – Владимир: Изд-во ВлГУ, 2017. – 267 с.;

4. Урок 6. Двигатели. [Электронный ресурс]. URL: https://fpv-club.ru/2023/10/08/%D1%83%D1%80%D0%BE%D0%BA-6-%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D0%B8/ (дата обращения: 05.10.2024);

5. Надежность технических систем и техногенный риск: учеб. пособие: в 2 ч. / А. Б. Корчагин, В. С. Сердюк, А. И. Бокарев. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011.;

6. Надежность при последовательном и параллельном соединениях элементов. [Электронный ресурс]. URL:
   https://studfile.net/preview/5443860/page:3/ (дата обращения: 29.09.2024);

7. Анализ использования показательного распределения в теории надежности технических систем / Р. С. Литвиненко, Р. Г. Идиятуллин, А. Э. Аухадеев // Надежность и качество сложных систем. – 2016. – № 2 (14). – С. 17–22.

8. ГОСТ 27.203-83. Надежность в технике. Технологические системы. Общие требования к методам оценки надежности [Текст]. − Введ. 1984−07−01.

9. Основы теории надежности и диагностика: учебник для студ. высш. учеб. заведений / Н.Я.Яхьяев, А. В. Кораблин. М.: Издательский центр «Академия», 2009. — 256 с.

Код для цитирования: Скопировать