XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Реконструктивная адаптация беспилотного летательного аппарата
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Разработан комплекс технических решений, обеспечивающих реконструктивную адаптацию беспилотного летательного аппарата квадрокоптерного типа для оперативного оповещения и мониторинга чрезвычайных ситуаций.
Квадрокоптер — это беспилотный летательный аппарат вертикального взлёта и посадки, оснащённый четырьмя винтами, обеспечивающими подъёмную силу и управление полётом. Развитие микроэлектроники и систем автоматического управления сделало квадрокоптеры одним из наиболее востребованных типов БПЛА в гражданской сфере.
Современные беспилотные летательные аппараты позволяют выполнять аэрофотосъёмку, мониторинг местности и поиск объектов без непосредственного участия человека, что особенно важно при работе в опасных и труднодоступных зонах. В последние десятилетия квадрокоптеры получили широкое распространение благодаря своей компактности, манёвренности и способности зависать в воздухе.
Цель работы: разработка и создание реконструктивной модели квадрокоптера для оперативного воздушного мониторинга и оповещения в условиях чрезвычайных ситуаций.
Для достижения цели были решены следующие задачи:
-
проанализированы основные типы беспилотных летательных аппаратов и выбрана квадрокоптерная схема;
-
разработана конструкция радиоуправляемого квадрокоптера с установкой необходимого оборудования;
-
проведены испытания модели с полезной нагрузкой — камерой наблюдения;
-
выполнена аэрофотосъёмка местности с последующей обработкой изображений.
Техническая новизна заключается в использовании компактного квадрокоптерного БПЛА для оперативного мониторинга с высоты до 200 м в условиях ограниченного пространства.
Методы и средства исследования: предпроектный анализ, реконструктивная адаптация конструкции квадрокоптера, экспериментальные полёты и анализ полученных данных.
Актуальность работы обусловлена необходимостью получения оперативной информации в зонах чрезвычайных ситуаций, где использование пилотируемой авиации затруднено или невозможно.
Базой исследования являлась МОУ СОШ №51 им. Числова А.М. г. Волгограда.
ГЛАВА I. Принцип работы квадрокоптеров, их достоинства и недостатки.
1.1 Силы, действующие на квадрокоптер в полёте.
В процессе полёта на квадрокоптер действует несколько основных сил, определяющих его движение и устойчивость в воздухе. К таким силам относятся сила тяжести, подъёмная сила, создаваемая винтами, сила сопротивления воздуха, а также управляющие моменты, возникающие при изменении частоты вращения отдельных двигателей. Сила тяжести направлена вертикально вниз и определяется массой летательного аппарата. Подъёмная сила создаётся вращающимися пропеллерами, которые нагнетают поток воздуха вниз, формируя реактивную силу, направленную вверх.
При режиме висения подъёмная сила всех четырёх винтов уравновешивает силу тяжести квадрокоптера. При увеличении оборотов двигателей аппарат начинает набирать высоту, а при уменьшении — снижаться. Управление креном и тангажом осуществляется за счёт разницы тяги противоположных винтов, а поворот вокруг вертикальной оси (рысканье) достигается изменением суммарного крутящего момента. Сила сопротивления воздуха возрастает с увеличением скорости полёта и оказывает влияние на энергопотребление и время нахождения квадрокоптера в воздухе.
1.2 Типы и схемы квадрокоптеров.
Квадрокоптеры относятся к классу многороторных беспилотных летательных аппаратов. Наиболее распространёнными являются схемы X-образной и +-образной компоновки. В X-схеме нос аппарата расположен между двумя передними лучами, что обеспечивает лучшую управляемость и более точную стабилизацию при полёте. +-образная схема проще в настройке, однако используется реже.
Основными преимуществами квадрокоптеров являются возможность вертикального взлёта и посадки, высокая манёвренность, способность зависать на месте и простота управления. К недостаткам можно отнести сравнительно небольшую продолжительность полёта, ограниченную грузоподъёмность и зависимость от погодных условий, в частности от силы ветра. Несмотря на это, квадрокоптеры являются оптимальным решением для задач мониторинга и аэрофотосъёмки на небольших высотах.
1.3 Нагрузка на винтовую систему.
Нагрузка на винтовую систему квадрокоптера определяется отношением полной массы летательного аппарата к суммарной тяге, создаваемой всеми двигателями. Данный параметр напрямую влияет на устойчивость, манёвренность и энергоэффективность полёта. Чем меньше нагрузка на каждый винт, тем ниже требуемые обороты двигателей и тем больше продолжительность полёта.
Для надёжной и безопасной эксплуатации квадрокоптера суммарная тяга всех двигателей должна как минимум в два раза превышать вес аппарата с полезной нагрузкой. Это обеспечивает запас мощности для манёвров, компенсации порывов ветра и экстренного набора высоты. Неправильный подбор винтов или двигателей может привести к перегреву силовой установки и потере устойчивости.
1.4 Выводы первой главы.
В ходе анализа принципов работы квадрокоптеров было установлено, что данная схема является наиболее подходящей для выполнения задач оперативного мониторинга и аэрофотосъёмки. Управление полётом осуществляется за счёт изменения оборотов отдельных винтов, что позволяет точно контролировать положение аппарата в пространстве. Также было выявлено, что нагрузка на винтовую систему играет ключевую роль в обеспечении устойчивости и продолжительности полёта.
ГЛАВА II. Конструктивные особенности квадрокоптера.
2.1 Конструкция.
В качестве основы для реконструктивной модели была выбрана классическая квадрокоптерная рама X-образного типа. Такая конструкция обеспечивает равномерное распределение нагрузок и удобство размещения оборудования. На концах четырёх лучей рамы установлены бесколлекторные электродвигатели с пропеллерами. В центральной части корпуса размещены контроллер полёта, аккумуляторная батарея, приёмник радиоуправления и система стабилизации.
Контроллер полёта является основным управляющим элементом квадрокоптера. Он обрабатывает данные с датчиков и автоматически корректирует работу двигателей, обеспечивая стабильность и управляемость полёта.
2.2 Материалы.
Для изготовления рамы и корпуса квадрокоптера использовались лёгкие и прочные материалы, такие как пластик и композитные элементы. Это позволило снизить массу аппарата без потери жёсткости конструкции. Пропеллеры выполнены из ударопрочного пластика, что обеспечивает их надёжность при эксплуатации. Электронные компоненты защищены от вибраций и механических воздействий с помощью демпфирующих элементов.
2.3 Сборка квадрокоптера.
Процесс сборки квадрокоптера начинается с установки двигателей на лучи рамы. Далее монтируются регуляторы скорости, которые соединяются с контроллером полёта. Аккумуляторная батарея устанавливается в центральной части корпуса для обеспечения правильной центровки. Камера для аэрофотосъёмки размещается как можно ближе к центру тяжести, что снижает влияние полезной нагрузки на устойчивость аппарата. После сборки производится настройка системы управления и пробные испытания.
2.4 Выводы второй главы.
В результате проведённой работы была собрана устойчивая и технологичная конструкция квадрокоптера. Использование лёгких материалов позволило уменьшить массу аппарата и увеличить продолжительность полёта. Правильное расположение всех элементов конструкции обеспечило хорошую центровку и стабильность при выполнении полётных испытаний.
ГЛАВА III. Электросхема модели.
3.1 Электросхема квадрокоптера.
Электросхема квадрокоптера представляет собой совокупность электронных компонентов, обеспечивающих питание, управление и стабилизацию летательного аппарата. Основным источником энергии является литий-полимерная аккумуляторная батарея, которая обеспечивает питание всех систем квадрокоптера. Напряжение от аккумулятора подаётся на регуляторы скорости, которые, в свою очередь, управляют работой бесколлекторных электродвигателей.
Каждый двигатель имеет собственный регулятор скорости, что позволяет независимо изменять частоту вращения каждого пропеллера. Управление регуляторами осуществляется контроллером полёта, который получает сигналы от приёмника радиоуправления, работающего на частоте 2,4 ГГц. Данная частота обеспечивает устойчивую связь и высокую помехозащищённость.
Контроллер полёта является центральным элементом электросхемы. Он обрабатывает данные с гироскопа, акселерометра и других датчиков, анализирует положение квадрокоптера в пространстве и автоматически корректирует работу двигателей. Для ведения аэрофотосъёмки в электросхему также включена камера, питание которой осуществляется от основной аккумуляторной батареи либо от отдельного стабилизированного источника.
3.2 Выводы третьей главы.
Рассмотренная электросхема квадрокоптера отличается простотой и надёжностью. Использование отдельных регуляторов скорости для каждого двигателя обеспечивает точное управление полётом. В ходе испытаний было установлено, что элементы электросхемы устойчиво работают при различных режимах полёта. Продолжительность полёта модели составляет в среднем 5-10 минут, что является достаточным показателем для выполнения задач мониторинга и аэрофотосъёмки.
ГЛАВА IV. Расчёт основных аэродинамических и динамических характеристик.
4.1 Центровка квадрокоптера.
Центр тяжести рассчитывается по формуле:
x_цт = (Σ m · x) / Σ m,
y_цт = (Σ m · y) / Σ m,
где m — масса элемента конструкции, x, y — его координаты.
Центровка является одним из важнейших параметров, влияющих на устойчивость и управляемость квадрокоптера. Центр тяжести аппарата должен находиться как можно ближе к геометрическому центру рамы. При смещении центра тяжести возникает неравномерная нагрузка на двигатели, что приводит к увеличению энергопотребления и ухудшению стабилизации.
В процессе сборки аккумулятор, контроллер полёта и камера размещались таким образом, чтобы их суммарная масса была равномерно распределена относительно центра рамы. Экспериментальные испытания показали, что при правильной центровке квадрокоптер сохраняет устойчивое положение в режиме висения и требует минимальных корректировок со стороны оператора.
4.2 Тяговооружённость квадрокоптера.
Тяговооружённость определяется выражением:
K = T_Σ / (m · g),
где T_Σ — суммарная тяга всех двигателей, m — масса квадрокоптера, g = 9,81 м/с².
Тяговооружённость квадрокоптера определяется отношением суммарной максимальной тяги всех двигателей к полной массе аппарата с полезной нагрузкой. Для стабильного и безопасного полёта данный коэффициент должен быть не менее двух. Это означает, что двигатели способны создать тягу, вдвое превышающую вес квадрокоптера.
В рассматриваемой модели суммарная тяга четырёх двигателей превышает массу аппарата более чем в два раза, что обеспечивает уверенный взлёт, манёвренность и возможность компенсации внешних воздействий, таких как порывы ветра. Повышенная тяговооружённость также положительно влияет на точность управления при аэрофотосъёмке.
4.3 Влияние вязкости воздуха и числа Рейнольдса.
Число Рейнольдса определяется формулой:
Re = (ρ · v · l) / μ,
где ρ — плотность воздуха, v — скорость потока, l — характерный размер лопасти, μ — динамическая вязкость воздуха.
Эффективность работы пропеллеров квадрокоптера во многом определяется характером обтекания лопастей воздушным потоком. Одним из основных параметров, описывающих этот процесс, является число Рейнольдса. Оно зависит от скорости вращения винтов, размеров лопастей и вязкости воздуха.
При рабочих режимах полёта квадрокоптера поток воздуха вокруг пропеллеров носит преимущественно турбулентный характер. Это необходимо учитывать при выборе формы и шага винтов, так как от этого зависит создаваемая тяга и уровень вибраций. Экспериментальные наблюдения показали, что изменение числа Рейнольдса напрямую влияет на эффективность тяги и устойчивость аппарата.
4.4 Выводы четвёртой главы.
В ходе расчётов и практических испытаний были определены основные динамические характеристики квадрокоптера. Установлено, что правильная центровка и достаточная тяговооружённость являются ключевыми факторами устойчивого полёта. Также было подтверждено влияние числа Рейнольдса на эффективность работы винтов и общее аэродинамическое сопротивление.
ГЛАВА V. Практическое применение квадрокоптера.
5.1 Ведение аэрофотосъёмки.
Аэрофотосъёмка с использованием квадрокоптера выполняется путём предварительного задания высоты полёта и маршрута аппарата. Одним из главных преимуществ квадрокоптера является возможность зависания в воздухе, что позволяет получать чёткие и детализированные изображения.
В ходе практических испытаний съёмка проводилась с высоты 20 м, что является оптимальным значением для наблюдения за небольшими участками местности. С данной высоты отчётливо различимы здания, дороги, автомобили и природные объекты. Полученные изображения были обработаны в графическом редакторе с целью повышения контрастности и уменьшения оптических искажений.
5.2 Перспективное применение квадрокоптеров.
Квадрокоптеры находят широкое применение в различных областях деятельности человека. Они используются в поисково-спасательных операциях, мониторинге природных и техногенных катастроф, а также в военной и охранной сфере. Компактные размеры и высокая манёвренность делают такие аппараты малозаметными и удобными для оперативного наблюдения.
В отличие от пилотируемой авиации, применение квадрокоптеров не связано с риском для жизни человека, а стоимость их эксплуатации значительно ниже. Это делает их перспективным средством воздушного мониторинга.
5.3 Выводы пятой главы.
В ходе практического применения модели было установлено, что квадрокоптер эффективно справляется с задачами аэрофотосъёмки и наблюдения. Оптимальной высотой полёта для съёмки небольших территорий является высота 20 м. Полученные материалы могут быть использованы в учебных, исследовательских и демонстрационных целях.
Заключение
В ходе выполнения данной проектно-исследовательской работы была разработана и реализована реконструктивная модель беспилотного летательного аппарата квадрокоптерного типа, предназначенная для оперативного мониторинга и аэрофотосъёмки в условиях чрезвычайных ситуаций.
В процессе работы были изучены принципы действия квадрокоптеров, рассмотрены силы, действующие на аппарат в полёте, а также проанализированы основные схемы и конструктивные особенности многороторных БПЛА. Обоснован выбор квадрокоптерной схемы как наиболее эффективной для выполнения задач вертикального взлёта, зависания и манёвренного полёта на малых высотах.
Была спроектирована и собрана конструкция квадрокоптера с использованием лёгких и прочных материалов, обеспечивающих оптимальное соотношение массы и прочности. Разработанная электросхема показала высокую надёжность и стабильность работы всех систем при различных режимах полёта. Проведённые расчёты центровки, тяговооружённости и аэродинамических характеристик подтвердили соответствие модели требованиям устойчивого и безопасного полёта.
Практические испытания квадрокоптера с полезной нагрузкой в виде камеры продемонстрировали возможность эффективного ведения аэрофотосъёмки с высоты до 20 метров. Полученные изображения обладают достаточной чёткостью и информативностью для использования в целях наблюдения и мониторинга.
Таким образом, поставленная цель работы была достигнута, а все поставленные задачи — выполнены. Разработанная модель квадрокоптера может быть использована в учебных, исследовательских и практических целях, а также имеет перспективы дальнейшего совершенствования и расширения функциональных возможностей.
Список использованных источников
-
Беспилотные летательные аппараты: основы устройства и применения : учебное пособие. — М. : Машиностроение, 2019.
-
Васильев В. И. Аэродинамика летательных аппаратов. — М. : Физматлит, 2018.
-
Жуков А. Н. Основы теории полёта беспилотных летательных аппаратов. — СПб. : БХВ-Петербург, 2020.
-
Калашников С. Г. Электроника и микроконтроллеры в авиамоделизме. — М. : ДМК Пресс, 2017.
-
Козлов И. А. Квадрокоптеры: устройство, сборка и управление. — М. : Наука и техника, 2021.
-
Лебедев А. А. Основы аэродинамики и динамики полёта. — М. : Высшая школа, 2016.