[go: up one dir, main page]

RU171506U1 - UNMANNED AERIAL VEHICLE - Google Patents

UNMANNED AERIAL VEHICLE Download PDF

Info

Publication number
RU171506U1
RU171506U1 RU2016136525U RU2016136525U RU171506U1 RU 171506 U1 RU171506 U1 RU 171506U1 RU 2016136525 U RU2016136525 U RU 2016136525U RU 2016136525 U RU2016136525 U RU 2016136525U RU 171506 U1 RU171506 U1 RU 171506U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
uav
power frame
casing
power
frame
Prior art date
Application number
RU2016136525U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Илья Александрович Манёнок
Алексей Константинович Строев
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Снитч" (ООО "Снитч")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Снитч" (ООО "Снитч") filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Снитч" (ООО "Снитч")
Priority to RU2016136525U priority Critical patent/RU171506U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU171506U1 publication Critical patent/RU171506U1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64CAEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C29/00Aircraft capable of landing or taking-off vertically, e.g. vertical take-off and landing [VTOL] aircraft
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64CAEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C39/00Aircraft not otherwise provided for
    • B64C39/02Aircraft not otherwise provided for characterised by special use

Landscapes

  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)

Abstract

Полезная модель относится к сверхмалым беспилотным летательным аппаратам (далее БПЛА) в форме шара с четырехканальной системой управления и силовой установкой импеллерного типа. Техническим результатом является повышение надежности БПЛА. БПЛА содержит: кожух БПЛА, выполненный в форме шара, усиленный ребрами жесткости; силовой каркас, представляющий собой тонкостенную трубу, внутри которой установлены ламинаторы воздушного потока, причем силовой каркас закрепляется внутри кожуха, образуя полезный объем между внешней стеной силового каркаса и кожухом; силовую установку импеллерного типа, прикрепленную к силовому каркасу и создающую воздушный поток, проходящий через силовой каркас, причем кожух имеет соответствующие отверстия, обеспечивающие поступление воздуха в силовую установку импеллерного типа и вывод его наружу через силовой каркас; органы управления БПЛА, состоящие из четырех закрепленных внутри силового каркаса сервоприводов и четырех аэродинамических поверхностей - рулей, жестко закрепленных на валу соответствующего сервопривода, отклонение которых приводит к изменению положения и ориентации БПЛА в пространстве; систему управления БПЛА для управления силовой установкой импеллерного типа и органами управления БПЛА, закрепленную на внешней стороне боковой стены силового каркаса.The utility model relates to ultra-small unmanned aerial vehicles (hereinafter UAVs) in the form of a ball with a four-channel control system and a propeller-type propulsion system. The technical result is to increase the reliability of the UAV. UAV contains: UAV casing, made in the form of a ball, reinforced with stiffeners; a power frame, which is a thin-walled tube, inside which air flow laminators are installed, and the power frame is fixed inside the casing, forming a usable volume between the outer wall of the power frame and the casing; an impeller type power unit attached to the power frame and creating an air flow passing through the power frame, the casing having corresponding openings providing air to the impeller type power unit and outputting it outward through the power frame; UAV control elements, consisting of four servo drives fixed inside the power frame and four aerodynamic surfaces - rudders rigidly fixed to the shaft of the corresponding servo drive, the deviation of which leads to a change in the UAV's position and orientation in space; UAV control system for controlling the impeller type power plant and UAV control elements, mounted on the outside of the side wall of the power frame.

Description

Область техники.The field of technology.

Полезная модель относится к сверхмалым беспилотным летательным аппаратам (далее БПЛА) в форме шара с четырехканальной системой управления и силовой установкой импеллерного типа.The utility model relates to ultra-small unmanned aerial vehicles (hereinafter UAVs) in the form of a ball with a four-channel control system and a propeller-type propulsion system.

Уровень техники.The level of technology.

В современном уровне техники БПЛА используют для выполнения множества различных задач, в том числе для наблюдения, разведки, захвата цели, целеуказания, сбора данных, передачи данных в системах связи, в качестве ложных целей, для постановки помех и т.д.In the current state of the art, UAVs are used to perform many different tasks, including for surveillance, reconnaissance, target acquisition, target designation, data collection, data transmission in communication systems, as false targets, for jamming, etc.

Например, известен радиоуправляемый ЛА Space Ball фирмы Kyosho (http://www.gizmag.com/kyosho-space-ball/24711/). В данном БПЛА, выполненном в форме шара, используется силовая установка (далее СУ) с соосными несущими, двухлопастными винтами, расположенными друг за другом и вращающимися в разные стороны без автомата перекоса, но с системой балансировки шага лопастей. Винты приводятся в движение двумя независимыми коллекторными электродвигателями через понижающий редуктор. Данная схема обеспечивает только 2 степени свободы. Первая - полет вверх/вниз путем изменения суммарной тяги винтов, которая зависит от угловой скорости электродвигателя. Вторая - направление полета (рыскание), обеспечивается разностью угловых скоростей несущих винтов. Для полета в заданном направлении используется вспомогательная СУ в виде тянущего или толкающего воздушного винта. Она расположена сверху над основными несущими винтами и служит для создания относительно центра масс БПЛА момента, который наклоняет (поворачивает) БПЛА в горизонтальной плоскости. Конструктивно этот БПЛА выполнен из ударопрочных, жестких пластиков наподобии ABS или PLА с использованием технологического метода - литье под давлением. Однако данное устройство имеет ряд недостатков, а именно: открытые несущие винты, повышающие вероятность их повреждения, что ведет к потере управляемости всего БПЛА и понижает общую безопасность при взаимодействии с человеком; из-за использования соосной схемы относительно большие габариты; менее маневренное и управляемое из-за трехканальной системы управления.For example, the known radio-controlled LA Space Ball company Kyosho (http://www.gizmag.com/kyosho-space-ball/24711/). This UAV, made in the shape of a ball, uses a power plant (hereinafter referred to as SU) with coaxial bearing, two-bladed propellers located one after another and rotating in different directions without a swashplate, but with a blade pitch balancing system. The screws are driven by two independent commutator motors through a reduction gear. This scheme provides only 2 degrees of freedom. The first is an up / down flight by changing the total propeller thrust, which depends on the angular speed of the electric motor. The second is the direction of flight (yaw), provided by the difference in angular velocities of the rotors. For flight in a given direction, an auxiliary control system is used in the form of a pulling or pushing propeller. It is located above the main rotors and serves to create relative to the center of mass of the UAV a moment that tilts (rotates) the UAV in the horizontal plane. Structurally, this UAV is made of shockproof, hard plastics like ABS or PLA using the technological method - injection molding. However, this device has several disadvantages, namely: open rotors that increase the likelihood of damage, which leads to loss of controllability of the entire UAV and reduces overall safety when interacting with a person; due to the use of the coaxial scheme, relatively large dimensions; less maneuverable and manageable due to the three-channel control system.

Сущность полезной модели.The essence of the utility model.

Задачей заявленного технического решения является создание БПЛА в форме шара с максимально возможными наименьшими габаритами планера/конструкции в классе сверхмалых БПЛА весом до 0.5 кг, с четырехканальной системой управления и силовой установкой импеллерного типа.The objective of the claimed technical solution is the creation of a UAV in the form of a ball with the smallest possible dimensions of a glider / structure in the class of ultra-small UAVs weighing up to 0.5 kg, with a four-channel control system and an impeller-type power plant.

Техническим результатом является повышение надежности БПЛА.The technical result is to increase the reliability of the UAV.

Указанный технический результат достигается применением специальной конструктивной компоновки всего БПЛА. В частности, заявленный БПЛА содержит: кожух БПЛА, выполненный в форме шара, усиленный ребрами жесткости; силовой каркас, представляющий собой тонкостенную трубу, внутри которой установлены ламинаторы воздушного потока, причем силовой каркас закрепляется внутри кожуха, образуя полезный объем между внешней стеной силового каркаса и кожухом;The specified technical result is achieved by using a special structural layout of the entire UAV. In particular, the claimed UAV contains: a UAV casing made in the shape of a ball, reinforced with stiffeners; a power frame, which is a thin-walled tube, inside which air flow laminators are installed, and the power frame is fixed inside the casing, forming a usable volume between the outer wall of the power frame and the casing;

силовую установку импеллерного типа, прикрепленную к силовому каркасу и создающую воздушный поток, проходящий через силовой каркас, причем кожух имеет соответствующие отверстия, обеспечивающие поступление воздуха в силовую установку импеллерного типа и вывод его наружу через силовой каркас;an impeller type power unit attached to the power frame and creating an air flow passing through the power frame, the casing having corresponding openings providing air to the impeller type power unit and outputting it outward through the power frame;

органы управления БПЛА, состоящие из четырех закрепленных внутри силового каркаса сервоприводов и четырех аэродинамических поверхностей - рулей, жестко закрепленных на валу соответствующего сервопривода, отклонение которых приводит к изменению положения и ориентации БПЛА в пространстве;UAV control elements, consisting of four servo drives fixed inside the power frame and four aerodynamic surfaces - rudders rigidly fixed to the shaft of the corresponding servo drive, the deviation of which leads to a change in the UAV's position and orientation in space;

систему управления БПЛА для управления силовой установкой импеллерного типа и органами управления БПЛА, закрепленную на внешней стороне боковой стены силового каркаса.UAV control system for controlling the impeller type power plant and UAV control elements, mounted on the outside of the side wall of the power frame.

Используемая силовая установка импеллерного типа обладает наименьшим компоновочным объемом в сравнении с одновинтовой или соосной силовой установкой, вследствие чего рабочий воздушный канал также занимает меньший объем относительно объема корпуса всего БПЛА. Увеличенный полезный объем, образованный между силовым каркасом, на котором закреплена система управления БПЛА, и кожухом при столкновениях или жесткой посадке БПЛА дает пространство для упругой деформации кожуха, что предотвращает повреждения системы управления БПЛА. Также кожух предотвращает попадание посторонних предметов, которые могут вывести из строя систему управления БПЛА, а ребра жесткости и силовой каркас повышают прочность кожуха и дополнительно защищают от повреждений органы управления БПЛА, установленные внутри силового каркаса.The impeller type power plant used has the smallest layout volume in comparison with a single-screw or coaxial power plant, as a result of which the working air channel also occupies a smaller volume relative to the entire UAV body volume. The increased net volume formed between the power frame on which the UAV control system is fixed and the casing in case of collisions or a hard landing of the UAV gives space for elastic deformation of the casing, which prevents damage to the UAV control system. Also, the casing prevents the ingress of foreign objects that could damage the UAV control system, and the stiffeners and the power cage increase the strength of the casing and additionally protect the UAV controls installed inside the power cage against damage.

Для лучшего понимания сущности полезной модели, и чтобы более ясно показать, каким образом она может быть осуществлена, далее будет сделана ссылка на прилагаемые чертежи, на которых:For a better understanding of the essence of the utility model, and to more clearly show how it can be implemented, then reference will be made to the accompanying drawings, on which:

фиг. 1 - общий вид БПЛА;FIG. 1 - general view of the UAV;

фиг. 2 - общий вид БПЛА без кожуха;FIG. 2 - a general view of a UAV without a casing;

фиг. 3 - первый этап разборки изделия на узлы, агрегаты и системы;FIG. 3 - the first stage of disassembling the product into components, assemblies and systems;

фиг. 4 - второй этап разборки изделия на узлы, агрегаты и системы;FIG. 4 - the second stage of disassembling the product into components, assemblies and systems;

фиг. 5 - третий этап разборки изделия на узлы, агрегаты и системы;FIG. 5 - the third stage of disassembling the product into components, assemblies and systems;

фиг. 6 - силовой каркас с асимметричными ламинаторами потока.FIG. 6 - power frame with asymmetric flow laminators.

Осуществление полезной модели.Implementation of a utility model.

На фиг. 1 и фиг. 2 изображен общий вид БПЛА в форме шара в кожухе и без кожуха соответственно с различных ракурсов.In FIG. 1 and FIG. 2 shows a general view of a UAV in the form of a ball in a casing and without a casing, respectively, from different angles.

Далее со ссылкой на фиг. 3-5 приведена подробная конструкция БПЛА.Next, with reference to FIG. 3-5 shows the detailed design of the UAV.

На фиг. 3 изображен первый этап разборки изделия на узлы, агрегаты и системы. Кожух, выполненный в форме шара, состоит из двух тонкостенных полусфер - верхнего кожуха 1 и нижнего кожуха 3, и усилен ребрами жесткости с необходимыми отверстиями и лючками для удобства сборки и настройки БПЛА. Отверстие в верхнем кожухе обеспечивает поступление воздуха в силовую установку импеллерного типа 6, прикрепленную к силовому каркасу, а вывод воздуха осуществляется через силовой каркас 5 и отверстие в нижнем кожухе. Также на фиг. 3 изображена система энергообеспечения, представляющая собой левый 2 и правый 4 аккумуляторы, размещаемые внутри корпуса на силовом каркасе 5.In FIG. 3 shows the first stage of disassembling the product into components, assemblies and systems. The casing, made in the shape of a ball, consists of two thin-walled hemispheres - the upper casing 1 and the lower casing 3, and is reinforced with stiffeners with the necessary holes and hatches for the convenience of assembly and adjustment of the UAV. A hole in the upper casing allows air to enter the impeller type 6 power plant attached to the power cage, and air is discharged through the power cage 5 and the hole in the lower casing. Also in FIG. 3 shows the power supply system, which is a left 2 and right 4 batteries placed inside the housing on the power frame 5.

Силовая установка импеллерного типа 6 (далее импеллерная СУ) содержит импеллер - лопаточную воздушную машину (крыльчатку), заключенную в кольцо (статор), приводимый в движение электродвигателем. Данный агрегат является покупным изделием (активно используется в авиамоделизме) и для корректного выбора должен обладать следующими параметрами:The propulsion system of impeller type 6 (hereinafter referred to as impeller SU) contains an impeller — a blade air machine (impeller), enclosed in a ring (stator), driven by an electric motor. This unit is a purchased product (actively used in aircraft modeling) and for the correct choice must have the following parameters:

- диаметр входного отверстия 50-64 мм;- diameter of the inlet 50-64 mm;

- крыльчатка с 5-ю или 6-ю лопастями;- impeller with 5 or 6 blades;

- электродвигатель - бесколлекторный с частотой вращения вала 3500KV-4500KV;- electric motor - brushless with a shaft speed of 3500KV-4500KV;

- вес всей СУ не более 80 грамм;- the weight of the entire SU is not more than 80 grams;

- энергоэффективность=(Макс. Тяга)/(Потр. эл. мощ.)=2.1-2.4 г/Вт.- energy efficiency = (Max. Thrust) / (Cons. electric power.) = 2.1-2.4 g / W.

Система энергообеспечения состоит из двух Li-Po аккумуляторов 2 и 4, соединенных параллельно. Являются покупным изделием и для корректного выбора они должны обладать следующими параметрами:The power supply system consists of two Li-Po batteries 2 and 4 connected in parallel. They are a purchased product and for the correct choice they must have the following parameters:

- емкость: 800-1200 мА⋅ч;- capacity: 800-1200 mAh;

- напряжение: 11.1-14.8 В;- voltage: 11.1-14.8 V;

- количество банок: 3S-4S;- number of cans: 3S-4S;

- максимальный ток разряда: 20-30 С- maximum discharge current: 20-30 C

- вес двух батарей не более 160 г.- the weight of two batteries is not more than 160 g.

Силовой каркас 5 представляет собой, условно, тонкостенную трубу, внутри которой установлены четыре асимметричные ламинатора воздушного потока. Они обеспечивают 80% компенсации реактивного момента от крыльчатки СУ на всех режимах полета, т.е. стабилизируют БПЛА по рысканию. Ламинаторы имеют в сечении форму аэродинамического профиля, определяемого из аэродинамических расчетов и подтверждаемого стендовыми испытаниями. Второй основной задачей силового каркаса 5 является несущая функция, т.е. на него устанавливаются и крепятся все остальные системы и агрегаты. От его прочности и жесткости зависит прочностная характеристика всего БПЛА в целом.The power frame 5 is, conventionally, a thin-walled pipe, inside of which four asymmetric laminators of air flow are installed. They provide 80% of the compensation of the reactive moment from the SU impeller in all flight modes, i.e. stabilize yaw UAVs. Laminators have a cross-sectional shape of the aerodynamic profile, determined from aerodynamic calculations and confirmed by bench tests. The second main task of the power frame 5 is the supporting function, i.e. all other systems and units are installed and attached to it. The strength characteristic of the entire UAV as a whole depends on its strength and rigidity.

На фиг. 4 и 5 изображены второй и третий этапы разборки изделия на узлы, агрегаты и системы. Одним из недостатков импеллерной СУ 6 является наличие при работе вибраций определенной частоты, вызванных неточностью изготовления узлов и деталей данной СУ. Эти вибрации вносят шумы и ошибки в работу инерциально-измерительной системы 10. Для частичного устранения этого явления была разработана система виброизоляций СУ 7. Она заключается в использовании упругих резиновых элементов в узлах крепления инерциальной СУ 6 к силовому каркасу 5 БПЛА. Система управления БПЛА состоит из программной и аппаратной частей, обеспечивающих стабилизацию и управляемый полет БПЛА. Программная часть состоит из программы, написанной на С++, описывающей методы и алгоритмы управления аппаратной частью. Аппаратная часть состоит из: основного контроллера управления 13, контроллера управления 8 бесколлекторным двигателем СУ, четырех сервоприводов 12 и приемопередающего устройства 9. Все элементы аппаратной части являются покупными изделиями, для корректного выбора которых они должны обладать следующими параметрами:In FIG. 4 and 5 depict the second and third stages of disassembling the product into components, assemblies and systems. One of the disadvantages of impeller SU 6 is the presence during operation of vibrations of a certain frequency caused by inaccuracy in the manufacture of components and parts of this SU. These vibrations introduce noise and errors into the operation of the inertial measuring system 10. To partially eliminate this phenomenon, the SU 7 vibration isolation system was developed. It consists in using elastic rubber elements in the attachment points of the inertial SU 6 to the UAV power frame 5. The UAV control system consists of software and hardware that provide stabilization and controlled UAV flight. The software part consists of a program written in C ++ that describes the methods and algorithms for controlling the hardware. The hardware consists of: the main control controller 13, control controller 8 of the SU brushless motor, four servos 12 and a transceiver 9. All elements of the hardware are purchased products, for the correct selection of which they must have the following parameters:

- основной контроллер 13 должен выполнять фильтрацию данных из инерциально-измерительной системы на основе AHRS алгоритма Себастиана Мажвика, следить за состоянием и управлять остальной аппаратной частью в соответствии с заложенными алгоритмами, и должен обладать необходимой и достаточной вычислительной мощностью: ARM архитектура, разрядность 32 бит, частота от 100 MGz, память от 512 кб;- the main controller 13 must filter the data from the inertial measuring system based on the AHRS algorithm of Sebastian Majwick, monitor the state and manage the rest of the hardware in accordance with the laid down algorithms, and must have the necessary and sufficient computing power: ARM architecture, 32 bits, frequency from 100 MGz, memory from 512 kb;

- контроллер управления 8 бесколлекторным двигателем должен соответствовать требованию выдерживать длительные нагрузки током, который потребляет электродвигатель СУ;- the control controller 8 of the brushless motor must meet the requirement to withstand long-term loads of current, which consumes the SU electric motor;

- характеристики сервопривода 12: скорость работы - 0.10 сек/60° при отсутствии нагрузки, блокирующий момент - 0,8 kg*cm, вес - 4,5 г;- servo drive characteristics 12: operating speed - 0.10 sec / 60 ° in the absence of load, blocking moment - 0.8 kg * cm, weight - 4.5 g;

- приемопередающее устройство 9 необходимо для получения внешних команд управления и отправки данных телеметрии БПЛА, которое может быть реализовано с использованием беспроводных интерфейсов Bluetooth, WiFi и т.д.- transceiver device 9 is necessary to receive external control commands and send telemetry data of the UAV, which can be implemented using wireless interfaces Bluetooth, WiFi, etc.

Инерциально-измерительная система 10 определяет положение и ориентацию БПЛА в пространстве, в ее состав входит набор из трех осевых датчиков - акселерометра/гироскопа/магнитометра и барометра, со встроенным фильтром низкого уровня. Указанная система является покупным изделием на основе MEMS технологии, для корректного выбора должно обладать следующими параметрами:The inertial measuring system 10 determines the position and orientation of the UAV in space, it includes a set of three axial sensors - an accelerometer / gyroscope / magnetometer and barometer, with an integrated low-level filter. The specified system is a purchased product based on MEMS technology, for the correct choice should have the following parameters:

- рабочий диапазон гироскопа: ±250°/c;- working range of the gyroscope: ± 250 ° / s;

- чувствительность гироскопа: 16,4 LSB/°/c;- gyro sensitivity: 16.4 LSB / ° / s;

- рабочие диапазоны акселерометра: ±4, ±8g;- operating ranges of the accelerometer: ± 4, ± 8g;

- рабочий диапазон магнитометра: ±4800 мкТл;- working range of the magnetometer: ± 4800 μT;

Органы управления БПЛА 11 состоят из четырех независимых одинаковых аэродинамических поверхностей - рулей, отклонение которых приводит к изменению положения и ориентации БПЛА в пространстве. Рули расположены в одной плоскости, по кругу с шагом 90 градусов, на равном удалении от центра масс. Каждый руль жестко закреплен на валу соответствующего сервопривода 12, а каждый сервопривод устанавливается в специальный конструктивный паз силового каркаса 5 и фиксируется двумя саморезами.The UAV control bodies 11 consist of four independent identical aerodynamic surfaces - rudders, the deviation of which leads to a change in the position and orientation of the UAV in space. The rudders are located in one plane, in a circle with a step of 90 degrees, at an equal distance from the center of mass. Each steering wheel is rigidly fixed to the shaft of the corresponding servo drive 12, and each servo drive is installed in a special structural groove of the power frame 5 and is fixed with two self-tapping screws.

Отклонение рулей осуществляется управлением положения соответствующего сервопривода в диапазоне -20°…+20°. Конструктивно руль представляет собой тонкостенную решетчатую конструкцию со сложной формой в сечении. Форма и размеры сечения определяются из аэродинамических расчетов и подтверждаются стендовыми испытаниями.The steering wheels are deviated by controlling the position of the corresponding servo in the range of -20 ° ... + 20 °. Structurally, the steering wheel is a thin-walled lattice structure with a complex shape in cross section. The shape and size of the cross section are determined from aerodynamic calculations and are confirmed by bench tests.

Центр масс всего БПЛА расположен на вертикальной оси на уровне геометрического центра крыльчатки. При допустимых упрощениях геометрический центра крыльчатки будет условно совпадать с центром приложения полной равнодействующей аэродинамической силы, т.е. схема данного БПЛА статически нейтральная, что повышает маневренность и управляемость ЛА, но в свою очередь усложняет систему управления.The center of mass of the entire UAV is located on the vertical axis at the level of the geometric center of the impeller. With allowable simplifications, the geometric center of the impeller will conditionally coincide with the center of application of the total resultant aerodynamic force, i.e. the scheme of this UAV is statically neutral, which increases the maneuverability and controllability of the aircraft, but in turn complicates the control system.

Основным материалом, используемым для производства силового каркаса 5, кожуха и аэродинамических рулей, - АБС пластик в виде прутка диаметром 1.75 мм, используемый для 3D печати. Данный пластик обладает необходимой прочностью и жесткостью при относительно малом удельном весе, легко поддается механообработке и постобработке.The main material used for the production of the power frame 5, the casing and the aerodynamic rudders is ABS plastic in the form of a rod with a diameter of 1.75 mm, used for 3D printing. This plastic has the necessary strength and stiffness with a relatively low specific gravity, is easily amenable to machining and post-processing.

Технология производства деталей - экструзионная послойная 3D печать, обеспечивающая удовлетворительную точность, минимальную стоимости печати 1 куб. см., максимальную скорость. Также 3D печать позволяет получить сложную форму, геометрию детали, которую нельзя (или дорого) получить другими технологиями производства. Это достоинство 3D печати уменьшает общее количество деталей, крепежных элементов, что в свою очередь уменьшает общий вес конструкции.The technology for the production of parts - extrusion layer-by-layer 3D printing, providing satisfactory accuracy, minimum printing cost of 1 cubic meter. see maximum speed. 3D printing also allows you to get a complex shape, part geometry, which cannot (or expensive) be obtained by other manufacturing technologies. This advantage of 3D printing reduces the total number of parts, fasteners, which in turn reduces the overall weight of the structure.

На фиг. 6 изображен силовой каркас с асимметричными ламинаторами воздушного потока с различных ракурсов, а также в различных сечениях.In FIG. 6 shows a power frame with asymmetric laminators of air flow from various angles, as well as in various sections.

Далее будет описан принцип работы заявленного БПЛА.Next, the principle of operation of the claimed UAV will be described.

Импеллерная СУ 6 была выбрана, т.к. при минимальной требуемой энергоэффективности 2.1-2.4 г/Вт обладает самыми меньшими габаритами рабочего тела - крыльчатки (64 мм) - в диаметре, относительно соосной двух винтовой или одновинтовой СУ. Управление тягой регулируется оборотами электродвигателя через контроллер управления бесколлекторным двигателем 8, который получает сигналы управления от основного контроллера управления 13. Крыльчатка, создавая подъемную силу, также создает реактивный момент, равный по величине и противоположно направленный моменту на валу электродвигателя. Этот момент относительно вертикальной оси создает угловую скорость, которая закручивает корпус в противоположную сторону вращения крыльчатки. Для компенсации реактивного момента в силовой каркас 5 установлены четыре ламинатора воздушного потока с асимметричным профилем в сечении. Под действием воздушного потока, созданного крыльчаткой, на поверхности ламинатора возникает аэродинамическая сила определенной величины и направления. Проекция этой силы на горизонтальную ось относительно вертикальной оси создает момент, противоположно направленный реактивному моменту. Сумма моментов от всех 4 ламинаторов компенсирует 80-90% реактивного момента, остальную часть компенсируют 4 аэродинамических руля одновременным отклонением в одну сторону на одну и туже величину угла. Управление по каналу рыскания также осуществляется одновременным отклонением всех 4 рулей, уменьшая или увеличивая компенсирующий момент ламинаторов. Форма профиля, размеры в сечении и площадь поверхности ламинатора определяются из условия необходимой величины аэродинамической силы ламинатора. Аэродинамическая сила ламинатора определяется как 1/4 МРЕАК, МРЕАКВАЛ ДВ., а МВАЛ ДВ.МЕХНАГ, где МРЕАК - момент реактивный, МВАЛ ДВ. - момент на валу двигателя, РМЕХ - мощность механическая, ΩНАГ - угловая скорость с нагрузкой на валу двигателя.Impeller SU 6 was chosen because with the minimum required energy efficiency of 2.1-2.4 g / W, it has the smallest dimensions of the working fluid — the impellers (64 mm) —in diameter, relative to the coaxial two screw or single screw SU. Traction control is regulated by the motor revolutions through the control controller of the brushless motor 8, which receives control signals from the main control controller 13. The impeller, creating a lifting force, also creates a reactive moment equal in magnitude and oppositely directed to the moment on the motor shaft. This moment relative to the vertical axis creates an angular velocity that rotates the housing in the opposite direction of rotation of the impeller. To compensate for the reactive moment, four air flow laminators with an asymmetric profile in cross section are installed in the power frame 5. Under the influence of the air flow created by the impeller, an aerodynamic force of a certain size and direction appears on the surface of the laminator. The projection of this force on the horizontal axis relative to the vertical axis creates a moment opposite to the reactive moment. The sum of the moments from all 4 laminators compensates for 80-90% of the reactive moment, the rest of it is compensated by 4 aerodynamic rudders by simultaneous deviation in one direction by the same angle. The control along the yaw channel is also carried out by the simultaneous deviation of all 4 rudders, decreasing or increasing the compensating moment of the laminators. The shape of the profile, the dimensions in cross section and the surface area of the laminator are determined from the condition of the required aerodynamic force of the laminator. The aerodynamic force of the laminator is defined as 1/4 M REAK , M REAK = M VAL DV. , and M VAL DV. = Ρ MEX / Ω NAG , where M REAK is the reactive moment, M VAL DV. is the moment on the motor shaft, P FUR is mechanical power, Ω NAG is the angular velocity with a load on the motor shaft.

Угловая скорость двигателя с нагрузкой на валу измеряется на стенде датчиком угловых скоростей. Мощность механическая РМЕХЭЛЕК×КПД двигателя. Зная требуемую величину силы ламинатора по аэродинамическим справочникам, выбирается профиль с наилучшим качеством в заданном диапазоне скоростей воздушного потока. В любой из доступных САПР строиться 3D модель геометрии ламинаторов, силового каркаса и модель импеллера. Далее в специализированной программе для аэрогидромоделирования (например Flow Simulation) проводится серия проверочных расчетов (минимум 10 продувок), полученные данные анализируются, при необходимости вносятся изменения в геометрию ламинаторов и процесс повторяется вновь.The angular speed of the engine with the load on the shaft is measured at the bench by the angular velocity sensor. Mechanical power P MECH = P ELEK × engine efficiency. Knowing the required value of the strength of the laminator according to aerodynamic manuals, a profile with the best quality is selected in a given range of air flow velocities. In any of the available CAD systems, a 3D model of the geometry of laminators, a power frame, and an impeller model are built. Then, in a specialized program for aerohydromodeling (for example, Flow Simulation), a series of verification calculations (at least 10 purges) is carried out, the data obtained are analyzed, if necessary, changes are made to the geometry of the laminators and the process is repeated again.

Под действием воздушного потока, созданного крыльчаткой, на поверхностях аэродинамических рулей при их отклонении возникает аэродинамическая сила определенной величины и направления, которая относительно центра масс БПЛА создает момент. Этот момент изменяет ориентацию, поворачивает БПЛА относительно продольной или поперечной оси, по тангажу или по крену. Посредством первой пары рулей, расположенных диагонально, регулируют тангаж, а посредством другой пары рулей - регулируют крен. Форма, размеры в сечении и площадь поверхности рулей определяются из условия необходимой и достаточной величины, создаваемой аэродинамической силой на максимальном угле отклонения. Величина требуемой силы определяется из требований к быстродействию системы управления.Under the influence of the air flow created by the impeller, the aerodynamic force of a certain size and direction, which creates a moment relative to the center of mass of the UAV, arises on the surfaces of the aerodynamic rudders when they are deflected. This moment changes orientation, rotates the UAV relative to the longitudinal or transverse axis, along pitch or roll. By means of the first pair of rudders located diagonally, the pitch is adjusted, and by means of another pair of rudders, the pitch is adjusted. The shape, size in section and the surface area of the rudders are determined from the conditions of the necessary and sufficient value created by the aerodynamic force at the maximum deflection angle. The magnitude of the required force is determined from the requirements for the speed of the control system.

Инерциально-измерительная система 10 посылает измеренные по трем осям данные акселерометра/гироскопа/магнитометра в основной контроллер, затем данные фильтруются алгоритмом AHRS Себастиана Мажвика, и на выходе фильтра определяются текущие углы положения БПЛА (тангаж, крен и угол рыскания). Эти данные - углы обновляются с частотой 200 Hz. Далее углы вычитаются из текущих значений системы правления (в режиме зависания крен и тангаж=0), если есть рассогласование (не 0), значение этого рассогласования поступает в ПИД регулятор, ПИД регулятор на основе значения рассогласования формирует управляющий сигнал сервоприводам, сервоприводы отклоняют рули, рули создают управляющие силы, силы поворачивают БПЛА в нужную сторону для устранения рассогласования. Т.е. система управления БПЛА является замкнутой с отрицательной обратной связью по положению.The inertial measuring system 10 sends the accelerometer / gyroscope / magnetometer data measured in three axes to the main controller, then the data is filtered by Sebastian Majvik's AHRS algorithm, and the current UAV position angles (pitch, roll and yaw angle) are determined at the filter output. This data - angles are updated at a frequency of 200 Hz. Further, the angles are subtracted from the current values of the control system (in the hang mode, roll and pitch = 0), if there is a mismatch (not 0), the value of this mismatch is sent to the PID controller, the PID controller, based on the mismatch value, generates a control signal to the servos, the servos reject the rudders, the steering wheels create control forces, the forces turn the UAV in the right direction to eliminate the mismatch. Those. The UAV control system is closed with negative position feedback.

Для полета в заданном направлении контроллер через приемопередающее устройство 9 принимает сигнал оператора БПЛА (или сигнал вышестоящей системы управления, автопилота, ИИ). Этот сигнал содержит новые текущие значения углов крена или тангажа, и ПИД регулятор будет устранять ошибку по положению не относительно 0, а относительно нового значения. Также произойдет отклонение вертикальной оси БПЛА, что приведет к появлению проекции тяги на горизонтальную ось, т.е. появится горизонтальная сила, которая будет создавать линейное перемещение БПЛА. Однако проекция тяги на вертикальную ось будет меньше изначальной тяги, в следствии чего БПЛА начнет снижение. Для устранения снижения система управления БПЛА в момент отклонения от вертикали должна увеличить тягу на коэффициент, пропорциональный углу отклонения.For flight in a given direction, the controller through the transceiver 9 receives the signal from the UAV operator (or the signal from a higher-level control system, autopilot, AI). This signal contains the new current values of the roll or pitch angles, and the PID controller will eliminate the position error not with respect to 0, but with respect to the new value. Also, the vertical axis of the UAV will deviate, which will lead to the appearance of a projection of the thrust on the horizontal axis, i.e. a horizontal force will appear, which will create a linear movement of the UAV. However, the projection of thrust on the vertical axis will be less than the original thrust, as a result of which the UAV will begin to decline. To eliminate the reduction, the UAV control system at the moment of deviation from the vertical should increase thrust by a factor proportional to the deviation angle.

Для определения всех коэффициентов ПИД регуляторов в каждом канале управления создается 3D модель сборки всего БПЛА со всеми узлами и системами с требуемым взаимным расположением. Для каждого узла, детали и системы определяется максимально допустимый вес. Далее данная сборка конвертируется в специальный формат Mathlab Simulink, где предварительно описываются все механические связи и зависимости. Запускается математическое моделирование механики и системы управления. По результатам математического моделирования редактируются необходимые параметры системы управления.To determine all the coefficients of the PID controllers in each control channel, a 3D assembly model of the entire UAV with all the nodes and systems with the required relative position is created. For each node, part and system, the maximum allowable weight is determined. Further, this assembly is converted into a special Mathlab Simulink format, where all mechanical relationships and dependencies are preliminarily described. Mathematical modeling of mechanics and control systems is launched. Based on the results of mathematical modeling, the necessary parameters of the control system are edited.

Представленная конструкция БПЛА позволяет обеспечить высоким уровнем защиты органы и систему управления БПЛА, уменьшить вес БПЛА и увеличить долю полезной нагрузки по сравнению с известными БПЛА, выполненными с одновинтовой или соосной силовой установкой.The presented UAV design allows providing a high level of protection for UAV control elements and control system, reducing UAV weight and increasing the share of payload in comparison with the known UAVs made with single-rotor or coaxial power plant.

Claims (9)

1. Беспилотный летательный аппарат (БПЛА), содержащий:1. Unmanned aerial vehicle (UAV), containing: кожух БПЛА, выполненный в форме шара, усиленный ребрами жесткости;UAV casing, made in the form of a ball, reinforced with stiffeners; силовой каркас, представляющий собой тонкостенную трубу, внутри которой установлены ламинаторы воздушного потока, причем силовой каркас закрепляется внутри кожуха, образуя полезный объем между внешней стеной силового каркаса и кожухом;a power frame, which is a thin-walled tube, inside which air flow laminators are installed, and the power frame is fixed inside the casing, forming a usable volume between the outer wall of the power frame and the casing; силовую установку импеллерного типа, прикреплённую к силовому каркасу и создающую воздушный поток, проходящий через силовой каркас, причем кожух имеет соответствующие отверстия, обеспечивающие поступление воздуха в силовую установку импеллерного типа и вывод его наружу через силовой каркас;an impeller type power unit attached to the power frame and creating an air flow passing through the power frame, the casing having corresponding openings providing air to the impeller type power unit and outputting it outward through the power frame; органы управления БПЛА, состоящие из четырех закрепленных внутри силового каркаса сервоприводов и четырех аэродинамических поверхностей - рулей, жестко закрепленных на валу соответствующего сервопривода, отклонение которых приводит к изменению положения и ориентации БПЛА в пространстве;UAV control elements, consisting of four servo drives fixed inside the power frame and four aerodynamic surfaces - rudders rigidly fixed to the shaft of the corresponding servo drive, the deviation of which leads to a change in the UAV's position and orientation in space; систему управления БПЛА для управления силовой установкой импеллерного типа и органами управления БПЛА, закрепленную на внешней стороне боковой стены силового каркаса.UAV control system for controlling the impeller type power plant and UAV control elements, mounted on the outside of the side wall of the power frame. 2. БПЛА по п. 1, отличающийся тем, что упомянутые рули расположены в одной плоскости, по кругу с шагом 90 градусов, на равном удалении от центра масс, расположенного на вертикальной оси на уровне геометрического центра крыльчатки.2. UAV according to claim 1, characterized in that the said rudders are located in one plane, in a circle with a step of 90 degrees, at an equal distance from the center of mass located on the vertical axis at the level of the geometric center of the impeller. 3. БПЛА по п. 1, отличающийся тем, что система управления БПЛА является замкнутой с отрицательной обратной связью по положению.3. UAV according to claim 1, characterized in that the UAV control system is closed with negative position feedback. 4. БПЛА по п. 1, отличающийся тем, что крепления силовой установки к силовому каркасу оснащены системой виброизоляции.4. UAV according to claim 1, characterized in that the fastenings of the power plant to the power frame are equipped with a vibration isolation system.
RU2016136525U 2016-09-12 2016-09-12 UNMANNED AERIAL VEHICLE RU171506U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016136525U RU171506U1 (en) 2016-09-12 2016-09-12 UNMANNED AERIAL VEHICLE

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016136525U RU171506U1 (en) 2016-09-12 2016-09-12 UNMANNED AERIAL VEHICLE

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU171506U1 true RU171506U1 (en) 2017-06-02

Family

ID=59032615

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016136525U RU171506U1 (en) 2016-09-12 2016-09-12 UNMANNED AERIAL VEHICLE

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU171506U1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2734363C1 (en) * 2020-02-28 2020-10-15 Артур Георгиевич Арутюнов Examination of aircraft surface using unmanned aerial vehicle
RU2752110C1 (en) * 2020-12-09 2021-07-22 ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ КАЗЕННОЕ ВОЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Modular unmanned aerial vehicle with traction propellers protection system
RU215859U1 (en) * 2022-11-29 2022-12-30 Сергей Александрович Мосиенко UNMANNED COLEOPTER
WO2023219532A1 (en) * 2022-05-10 2023-11-16 Общество с ограниченной ответственностью "Звезда" Aircraft

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070200027A1 (en) * 2006-02-24 2007-08-30 Johnson Samuel A Aerial robot
US20100147993A1 (en) * 2008-12-12 2010-06-17 Honeywell International Inc. Hybrid power for ducted fan unmanned aerial systems
RU2518143C2 (en) * 2012-09-04 2014-06-10 Юрий Сергеевич Воронков Vertical take-off and landing aircraft
WO2015149000A1 (en) * 2014-03-27 2015-10-01 The Board Of Regents For Oklahoma State University Spherical vtol aerial vehicle

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070200027A1 (en) * 2006-02-24 2007-08-30 Johnson Samuel A Aerial robot
US20100147993A1 (en) * 2008-12-12 2010-06-17 Honeywell International Inc. Hybrid power for ducted fan unmanned aerial systems
RU2518143C2 (en) * 2012-09-04 2014-06-10 Юрий Сергеевич Воронков Vertical take-off and landing aircraft
WO2015149000A1 (en) * 2014-03-27 2015-10-01 The Board Of Regents For Oklahoma State University Spherical vtol aerial vehicle

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2734363C1 (en) * 2020-02-28 2020-10-15 Артур Георгиевич Арутюнов Examination of aircraft surface using unmanned aerial vehicle
RU2752110C1 (en) * 2020-12-09 2021-07-22 ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ КАЗЕННОЕ ВОЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Modular unmanned aerial vehicle with traction propellers protection system
RU2788216C1 (en) * 2022-05-10 2023-01-17 Александр Павлович Сенкевич Aircraft
WO2023219532A1 (en) * 2022-05-10 2023-11-16 Общество с ограниченной ответственностью "Звезда" Aircraft
RU215859U1 (en) * 2022-11-29 2022-12-30 Сергей Александрович Мосиенко UNMANNED COLEOPTER

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US12466551B2 (en) Aerial vehicle with uncoupled heading and orientation
Mokhtari et al. Dynamic feedback controller of Euler angles and wind parameters estimation for a quadrotor unmanned aerial vehicle
CN109195866B (en) Selectively propelling a propulsion unit for an aerial vehicle
US9663236B1 (en) Selectively thrusting propulsion units for aerial vehicles
Bouabdallah et al. Design and control of an indoor coaxial helicopter
US20170274991A1 (en) Selectively thrusting propulsion units for aerial vehicles
Emran et al. Robust nonlinear composite adaptive control of quadrotor
Carholt et al. Design, modelling and control of a single rotor UAV
RU171506U1 (en) UNMANNED AERIAL VEHICLE
CN109070999B (en) Coaxially aligned propellers of an aircraft (AERIAL VEHICLE)
Derafa et al. Super twisting control algorithm for the four rotors helicopter attitude tracking problem
Emelyanova et al. The synthesis of electric drives characteristics of the UAV of “convertiplane–tricopter” type
US20200354046A1 (en) Differential Rotor Speed Resonance Avoidance System
Hrishikeshavan et al. Control of a quad rotor biplane micro air vehicle in transition from hover to forward flight
KR101622277B1 (en) Modularized Quad-Rotor control system and control method thereof
Takeuchi et al. Development and control of tilt-wings for a tilt-type quadrotor
Mokhtari et al. Robust control for attitude tracking problem for a quadrotor unmanned aerial vehicle
Opazo et al. Analytical and Experimental Power Minimization for Fixed-Pitch Coaxial Rotors in Hover
Frigioescu et al. Development of an Uav platform for autopilot implementation and validation
Cai et al. A self-rotary aerial robot with passive compliant variable-pitch wings
Davoudi et al. Physics-based modeling for autonomous operation of unmanned aerial systems in extreme gusts
Derafa et al. Non-linear control algorithm for the four rotors UAV attitude tracking problem
Czerwiński et al. Mathematical model, computer aided design and programming of a multifunctional flying object
Bershadsky et al. The semi-coaxial multirotor
Zhang et al. Flight design and dynamics analysis of a new water-air UAV

Legal Events

Date Code Title Description
MM9K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20170913