Талабанова Н.Е., Масягина Д.А., Смелов Д.А.
РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА С ПРИМЕНЕНИЕМ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ *
Аннотация:
в данной статье затрагивается задача проектирования беспилотного летательного аппарата типа «квадракоптер» отвечающего заданным масса-габаритным требованиям, маневренности и времени автономной работы. Для обеспечения изделия требуемыми характеристиками предлагается использовать в его составе двигатель на основе печатных плат.
Ключевые слова:
беспилотные устройства, двигатель, печатные обмотки, квадрокоптер, робот
В настоящее время беспилотные летательные аппараты находят все большее применение в различных сферах. Их используют с целью обеспечения безопасности при работе в экстремальных условиях, в труднодоступных местах, а также для изучения местности и наблюдения за погодными условиями. Для выполнения описанных задач малогабаритные беспилотные летательные аппараты должны иметь высокую маневренность. Этого можно добиться с помощью интеграции в состав робота двигателей на основе печатных плат.Разработку модели БПЛА типа квадрокоптер следует начать с определения её состава и структуры. Предполагается, что подъем в воздух квадрокоптера осуществляется с помощью 4-х несущих винтов, приводящихся в движение бесколлекторным двигателем в бездатчиковом режиме [1]. Управление двигателями осуществляется с помощью полетного контроллера, включающего в себя приемопередающий модуль. Квадракоптер оснащен экстероцептивным сенсором (видеокамерой). Питание в данной системе автономно и представляет собой аккумуляторные батареи. Разработанная структурная схема представлена на рисунке 1. /Рисунок 1. Структурная схема робота-квадрокоптера.На первом этапе разработки модели предлагается осуществить проектирование конструкции квадрокоптера. Произведем выбор типа несущей конструкции – рамы БПЛА. На сегодняшний день существует множество конфигураций рам, предназначенных для различных аэродинамических схем БПЛА. Так как в данной статье рассматривается БПЛА типа «квадракоптер» была выбрана Х-конфигурация рамы. Она является самой распространенной, так как обладает простотой и универсальностью. Одним из важных параметров конструкции квадрокоптера является характерных размер рамы D. Данный параметр должен лежать в тех пределах значений, которые необходимы для сохранения возможности применения беспилотного аппарата в труднодоступных местах. Для разрабатываемой модели диапазон значений характерного размера положим равным 100-120 мм. Неотъемлемой частью конструкции квадрокоптера являются винты. Определяющим параметром при выборе винта является его номинальная тяга, а также диаметральный размер, который должен соответствовать характерному размеру корпуса. Для подавляющего числа хорошо спроектированных винтов КПД составляет более 80% [2]. Положим массу разрабатываемого изделия (включая электронные компоненты) равной 150 г. Тогда, приняв запас по требуемой тяге в 1,2-1,5 раз, можно определить расчетную тягу – 225 г. При наличии двигателей в количестве четырех штук расчетная тяга будет составлять 56 г. Для разрабатываемого квадрокоптера были выбраны винты GF3018-2.Второй этап разработки предполагает выбор компонентной базы квадрокоптера. Осуществим подбор полетного контроллера, приемника, полезной нагрузки. Произведем расчет аккумуляторных батарей для обеспечения автономного передвижения робота в течении не менее 10 минут. Из ряда полетных контроллеров, представленных на рынке, был выбран GEPRC GEP-35A-F411 AIO [3]. Недостатком данной модели является отсутствие приемопередатчика. Соответственно, дополнительно был выбран миниатюрный приёмник TBS NanoRX.В состав разрабатываемого квадракоптера входит экстероцептивный сенсор – видеокамера. Важно, чтобы она была миниатюрной и не лишала БПЛА манёвренности. Для разрабатываемого квадрокоптера была подобрана камера AIO 5.8G VTX Cam, включающая в себя встроенный видеопередатчик.На третьем этапе после выбора компонентов и зная номинальное напряжение и ток электродвигателей можно определить параметры аккумуляторной батареи. Наиболее распространёнными в применении являются литий-полимерные (LiPo) аккумуляторные батареи (далее АБ), которые имеют высокую удельную емкость [4]. Определим требуемое напряжение АБ. Необходимое для двигателя напряжение составляет 0,9 В, учтя также питание для бортовой электроники, примем напряжение АБ - 3,7 В. Для обеспечения питания видеокамеры (5 В) будем использовать импульсный повышающий преобразователь. Далее необходимо определить емкость АБ. Расчет минимальной емкости АБ производился исходя из максимального тока потребления, который определяется электродвигателем. Его значение составляет 24,7 А. Усилитель мощности электродвигателя при этом без учета КПД потребляет от батареи 23 Вт. Для четырех электродвигателей общий ток потребления от АБ составляет 24 А [5]. Тогда минимальная емкость АБ составляет 4,8 Ач. При указанном потреблении емкости АБ хватит на 12 минут полета. Исходя из выполненной оценки минимальной емкости аккумулятора, была подобрана модель АБ типа ROBITON LGC3000 20A. Произведя подбор компонентов и проанализировав существующие на мировом рынке аналоги определим эскизный облик робота-квадрокоптера. Учтем, что необходимо предусмотреть монтажные отверстия для крепления электродвигателей к раме, расположение дополнительных регулировочных элементов относительно осей квадрокоптера для поиска и регулировки центра масс. А также учтем особенно расположения полетного контроллера. Его необходимо крепить к раме с помощью специальных стоек-демпферов и располагать в центре масс. Следуя данным требованиям, была разработана трехмерная модель (рисунок 2)./Рисунок 2. 3D-модель эскизного облика квадрокоптера.В представленной статье предложена модель робота квадрокоптера в состав которой входит собственно разработанный двигатель с печатными обмотками. Применение данного двигателя позволило увеличить маневренность, снизить шум и вибрации. По результатам разработки возможно дальнейшие изготовление изделия в целях последующей отладки и использования по целевому назначению.
Номер журнала Вестник науки №12 (69) том 1
Ссылка для цитирования:
Талабанова Н.Е., Масягина Д.А., Смелов Д.А. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА С ПРИМЕНЕНИЕМ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ // Вестник науки №12 (69) том 1. С. 892 - 897. 2023 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/11317 (дата обращения: 17.05.2024 г.)
Вестник науки СМИ ЭЛ № ФС 77 - 84401 © 2023. 16+