Основы разработки дронов-ликбез

(Различия между версиями)
Перейти к: навигация, поиск
(Удалено содержимое страницы)
Строка 1: Строка 1:
разработка--------автор Книжников ВВ
 
  
 
Эксплуатационный выбор
 
 
При выборе облика платформы всегда надо опираться на все эксплуатационные свойства бпла----например
 
 
1) по надежности компонентов первым идёт лк----затем классический мотопланер---потом самолёт---утка-----мультикоптер---вертолёт ! более подробно смотри статьи "сопромат","механика"
 
 
2) по стабильности полёта  первым идёт мультикоптер---вертолёт ---мотопланер---самолёт---утка----лк ! более подробно смотри статью "аэродинамика"
 
 
3) по экономии энергии и ветро-пробиваемости первым идёт мотопланер---самолёт---лк---вертолёт---мульти ! более подробно смотри статью "динамика"
 
 
4) по минимальным габаритам в сложенном состоянии первым идёт мультикоптер----вертолёт ---лк---самолёт---мотопланер ! более подробно смотри статью "композит"
 
 
5) по простоте взлёта и посадки первым идёт мультикоптер----вертолёт ------мотопланер-----самолёт-----лк ! более подробно смотри статью "пусковые устройства"
 
 
6) по манёвримости первым идёт мультикоптер----вертолёт ------лк----утка----самолёт-----мотопланер!
 
 
Соответственно квадрокоптер по совокупности всёх потребительских свойств в 4 раз хуже мотопланера---так как для динамической устойчивости и управляемости у квадрокоптера четыре ВМГ против одной на планере и  прожорливость на крейсере у мультикоптера в 4 раза больше, чем у самолёта плюс его планирующие свойства!
 
 
Основываясь на статистике применения различных БПЛА в боевых условиях электро-дроны мультикоптерного типа живут всего 2-3 вылета или 1-1.5 часа до сбивания против 4-6 миссий или 4-6 часов  у крылатого типа, то есть самолёт в 4-6 живучее коптера при суровых условиях применения за счёт высокой крейсерской скорости 60-80 км/ч против 30-40 км/ч при одинаковой стоимости ла!!!
 
 
А вот на гражданке общая живучесть на примере паркфлаеров самолётного типа в среднем 50-100 часов полного ресурса против 5-10 часов у квадрокоптеров!
 
 
 
сравнение совокупных качеств дронов крылатого типа и мультикоптера!
 
 
хар-ка ------------------------------ самолёт ------------------------------- мультикоптер
 
 
аэрокачество -----------------------6-12------------------------------------1
 
 
самостабилизация ----------------- устойчив ------------------------------- нет
 
 
деталей платформы ----------------------6-10------------------------------------3-10
 
 
кол-во крепежа ----------------------------6-18------------------------------------12-72
 
 
уязвимость --------------------------- руль высоты -------------------------- пропеллер и мотор
 
 
особенность --------------------------- планирование ------------------------- зависание
 
 
САС ------------------------------------ не обязательно ------------------------- парашют
 
 
настройка ла ----------------------------4-6 функций ----------------------------8-10 функций
 
 
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
 
 
электро-компонеты ---------------- самолёт ------------------------------- квадрик
 
 
аккумулятор ----------------------- ЛИ-ОН -------------------- ЛИ-ПО в 4 раза  больше
 
 
кол-во э-ВМГ ------------------------1-2------------------------------------4-8
 
 
кол-во серво -------------------------2-6-------------------------------------0-1
 
 
регулятор хода---------------------1-2 простые --------------------------- 4в1 сложные
 
 
ру приёмник-------------------4-6 канальный PWM------------------6-8 канал. PPM, Sbus
 
 
автопилот----------------------3F-4F------------------------------------------4F-7F
 
 
GPS приёмник --------------------nmea----------------------------------------ublox
 
 
магнитный компас ----------------- не обязательно ------------------------- есть
 
 
барометр ------------------------------ не обязательно ------------------------- есть
 
 
датчик воздуш. потока -------------- есть ---------------------------------------- нет
 
 
эксплуатация и ресурс------------------большой---------------------постоянные ремонты от падений
 
 
совокупность всех решений ------------ просто ------------------------ очень сложно!!!
 
 
Вывод------мультикоптеры благодаря их сверх-манёвримости хороши для полётов в лесу между деревьями и в помещениях но недолго, а вот на открытой
 
местности самолёты полностью отвечают всем требованиям продолжительной эксплуатации---это высокий крейсер, большая дальность и грузоподъёмность плюс
 
высокая живучесть в целом!!!
 
 
 
Оптимизация
 
 
Основная задача инженера при проектировании дрона ---это оптимизация всех параметров и  относительных размеров элементов при условии начальных габаритов и ттх!
 
 
Один из самых простых способов  в мировой практике--- это прямое копирование уже отработанных схем и решений конструкции типа а ля клон с некоторыми незначительными изменениями,чтобы не нарушать авторское право, а также линейное масштабирование отработанного узла или корпуса в целом на основе удачного дрона с учётом доступности технологий!
 
 
Графический метод оптимизации  любой консоли по закону усеченного конуса  или его плоской  проекции например----
 
 
Всегда старайтесь применять трапецевидную консоль крыла  с сужением 1.5-2 по ряду положительных причин----
 
 
близкое к эллипсному распределению подъёмной силы по размаху и максимум АК----
 
 
оптимальная эпюра момента на изгиб по сопромату то есть минимальное сечение балки или лонжерона  в корневище крыла а значит и вес крыла ----
 
 
также минимальный момент инерции ----
 
 
очень технологично при композитном исполнении при позитивной формовки по пеноядру----
 
 
всё это в сумме дает оптимальные характеристики в целом для ла !
 
 
Также проектируются все силовые балки типа лучей, хвостов, стоек, пилонов, форма килей и стабилизаторов!
 
 
Применять конструктив типа  монокок-----то есть рабочая силовая  жесткая обшивка с минимум внутреннего поддерживающего каркаса типа шпангоутов и стрингеров! Хороший пример замкнутого контура многосекционный бутылочный фюзеляж или пустотелые тонкостенные композитные корпуса отлитые или отформованные в матрицах !
 
 
 
Метод---одна вторая
 
 
При проектировании дрона любого типа можно  использовать правило одна вторая для относительной массы компонентов или  схему дерева !
 
 
1)  сухая масса  носителя-платформы это одна вторая от полной взлетной,ползущей или плавающей 50%---- соответственно  плюс одна вторая общего груза 50% ----где полезный груз 25% и топливо (аккумулятор) 25% тоже по одной второй!
 
 
2)  масса  носителя состоит из  одной второй массы силовой платформы типа планер бпла или корпус лодки  или шасси с кузовом! соответственно плюс одна вторая на силовой приводной механизм  типа вмг и авионика, где электро вмг или двс привод с трансмиссией  одна вторая и плюс управляющая электроника одна вторая по массе!
 
 
3)  планер состоит из крыла одной второй массы и одной второй фюзеляжа с оперением или у мультиротора  масса  лучей  равна массе силового  центрального корпуса , а  масса кузова и шасси с колесами  также равны или одна вторая  по соотношению.
 
 
 
Например---- заказчик просит возить полезную нагрузку в 2 кг не менее 2 часов типа подвесной  цифровой  профессиональной камеры  с оптическим зумом на гироплатформе  в защитном прозрачном колпаке----сразу прикидываем, что топливо не менее 2 кг ----итого  груз 4 кг! 
 
полётная масса 8 кг ---- значит масса снаряженного сухого бпла около 4 кг-----
 
из них планер 2 кг и силовой привод с авионикой тоже 2 кг-----
 
из них крыло 1 кг и фюзеляж с оперением тоже 1кг ----
 
винтомоторная группа с регулятором и силовыми проводами около 1 кг и исполнительные серво приводы с управляющей электроникой типа автопилот, телеметрия, радиомодем  и курсовой видео
 
онлайн с бортовым электропитанием тоже 1 кг!
 
 
Это ориентировочный весовой расклад -----далее исходя из доступных технологий, материалов и промышленных комплектующих вносятся уточнения по каждой категории при условиях дополнительных опций типа колесное шасси, САС на парашюте или гидро-поплавки, наличие дополнительного и дублирующего оборудования!
 
 
 
Методы оптимизации дрона в зависимости от задачи
 
 
Поставленная задача заказчиком определяет для разработчика тактико-технические характеристики (ТТХ) беспилотника!!!
 
То есть задача определяет поиск экстремума или максимальной эффективности основного требуемого физического параметра!
 
например для----
 
 
1) долголёта крылатого типа в режиме баражирования----- основной параметр это максимальное  время непрерывной автожизни на одной зарядке в часах
 
 
2) дальнолёта крылатого типа в режиме максимальной дальности----- основной параметр это пробег в километрах
 
 
3) грузовика крылатого типа---- возможность взять максимум полезной нагрузки в килограммах
 
 
груз на дальность 25% от полётной массы-----пиковый груз 40%, но недалеко------и вообще масса груза с топливом это 50% для многоразового БПЛА-----для камикадце можно и 60% лишь бы при старте планёр не сломался от перегрузок-----сопромат конструкции!!!
 
 
4) перехватчика крылатого типа---- это максимальная скорость в км/ч и перегрузка при боевом пилотаже
 
 
5) специфические задачи типа минимального размера бпла или вертикальный взлёт или посадка с неподготовленной площадки ----обычно используются мультиротарные коптерные платформы или дирижабли
 
 
Из-за нелинейности реальных физических функций в комплексном уравнении всегда есть пик или экстремум в виде горки или ямки показывающий максимальную эффективность по искомому параметру!
 
Так как начальных вводных много, как-то полётная масса,габариты,скорости ветра,энергетика то это сильно сужает поле поиска и облегчает инженерную задачу
 
Обычно расчёт ведётся как запас располагаемой энергии на борту----чем больше удельная энергия источника или аккумулятора тем выше показатели по дальности и времени,а по удельной мощности СУ определяется максимальная скорость и грузоподъёмность дрона!!!
 
 
Для каждого типа беспилотника в зависимости от задачи есть свой оптимум относительной массы компонентов----поэтому существует такое большое разнообразие в облике , конструкциях и технологиях изготовления!
 
 
Некоторые параметры противоречат друг другу----например чем больше масса полезного груза,тем меньше топлива можно взять в полёт и значит меньше дальность миссии или чем мощнее ВМГ, тем меньше кпд при крейсере и время автожизни
 
 
на практике в авиамоделизме масса конструкции планёра всегда около 1/3=(30-35)%  от полётной!!!
 
 
 
НАЗВАНИЕ100%------------КРЫЛЬЯ%----ФЮЗЕЛЯЖ%----ОПЕРЕНИЕ%----ШАССИ%----АВИОНИКА%-----ВИДЕО%-----ВМГ%-----АККУ%-----ГРУЗ%
 
 
Долголёт(планер)-------------------30------------------10---------------------5-------------------0-------------------5------------------5----------------5------------40---------0
 
 
Дальнолёт(БПЛА)-----------------20------------------10---------------------5-------------------0-------------------5-------------------5-----------------5------------40--------10
 
 
Грузовик(двухмоторник)-----------15------------------10--------------------5--------------------5------------------5-------------------5----------------10-----------20--------25
 
 
Перехватчик(лк)-----------------25-------------------5---------------------0--------------------0------------------10-------------------5----------------15-----------30--------10
 
 
Коптер(квадрик)-----------------лучи7------------центр8--------------------0--------------------5------------------10------------------10----------------20-----------40----------0
 
 
масса аккумулятора желательно  не менее двух масс вмг----например mакку=2 mвмг=2(mв+mбк+mрх)=2(5+30+10)=90грамм
 
 
более подробно смотри статьи "методы оценки ла " , " Предел электро ЭМУ-ликбез "
 
         
 
 
Запас прочности
 
 
Применение коэффициента запаса прочности на разрушение в сопромате в 1.62  от максимальной эксплуатационной  перегрузки в сечении всегда позволяет на практике гарантировано сделать живучую и легкую конструкцию  ла!
 
 
В силовой электротехники запас по токопроводимости проводов, регуляторов хода электромоторов, аккумуляторов тоже лучше брать как 1.6-----то
 
есть производитель гарантирует максимальный ток регулятора хода 32 ампер то на практике лучше не нагружать более 20а  и силовые полевые транзисторы гарантированно не перегорят, сечение проводов тоже увеличить в 1.6 от расчетной на тепловой максимальный нагрев!
 
 
Долго играющая мощность  электромотора не должна превышать 0.6 от максимальной разрешенной производителем  с запасом по току в 1.6--- тоже  самое с акку написано ток 10С значит на практике не более 6С, максимальный расчетный момент на сервоприводах всегда 0.6 от заявленного производителем.
 
 
Объясняется этот запас разбросом условий эксплуатации от идеальных лабораторных в первую очередь от температуры окружающего воздуха и условий охлаждения и как следствие  температуры самого электро-компонента---чего бы там не писали производители, всегда не более +50 град по С.
 
 
 
Окраска беспилотников
 
 
Все наружные поверхности корпусов дронов соприкасающиеся с агрессивной средой в которой много химических загрязнителей, воды, соли, пыли и песка обработаны защитным слоем в простонародье краска!
 
Водостойкое защитное покрытие всегда состоит из основы органической смолы типа нитро, акрил, алкид, полиэфир, эпокси и наполнителя с цветным пигментом!
 
Для удобства нанесения кистью, валиком  или через пульвизатор краску обычно разбавляют рекомендованным органическим растворителем------  например ацетон, спирт, бензин и другие!
 
Для лучшей адгезии краски к металлам и стеклопластику используют промежуточный слой специальной грунтовки, рекомендуемой производителем!
 
 
Цветовая гамма краски для дрона выбирается на вкус и пожелание заказчика----
 
обычно гражданские дроны делают яркими, контрастными красками для лучшего наблюдения и поиска типа красные, желтые, оранжевые цвета !
 
 
Для военных целей используют маскировочную окраску под тип местности-----зеленый оттенок цвета летом ,белый зимой,серый или коричневый в межсезонье,черный в ночь!
 
 
 
Расположение компонентов в беспилотнике
 
 
1) Радиомодем и другие излучатели электромагнитных волн располагать как можно дальше от автопилота и жпс приёмника ---например в хвост или на кончик крыла
 
 
2) Также с силовыми проводами, импульсными источниками тока, рулевыми машинками,видеокамерами, аккумулятором, регуляторами хода и электромоторами подальше от малоточной чувствительной электроники, которую надо экранировать и заземлить----
 
 
обычно вмг и акку располагают в носу бпла при тянущей схеме, сервоприводы на плоскостях и в хвосте, а в центр именно управляющую слаботочную электронику типа автопилота, жпс приёмника  и приемника ру!
 
 
3) Все информационные провода скрутить в витую пару или в экран с заземлением типа коаксил!
 
 
4) Внимание некоторые жпс приёмники забиваются диапазоном радиомодема или видеопередатчика или радиостанции----надо подбирать! типичные разрешённые диапазоны 40 мгц, 433 мгц, 900 мгц, 1.2 ггц, 2.4 ггц, 5.8ггц .
 
 
5) Силовые провода и информационные шлейфы развести по разные борта фюзеляжа.
 
 
6) Антенны приемников и передатчиков на ла располагать перпендикулярно или на одной оси вертикально вниз и вверх для снижения взаимного влияния напряженностью поля и только снаружи корпуса.
 
 
7) Все металлические и карбоновые детали корпуса дрона обязательно соединить электрически и заземлить на минус---
 
иначе железки будут работать как паразитные не согласованные элементы и расстраивать антенны.
 
 
более подробно смотри статью "радиопомехи"
 
 
 
Дублирование
 
 
Вообще в авиации правило удвоения или дублирования функции очень повышает надежность и живучесть ла в целом ----например
 
 
1) двух моторность,
 
 
2) разрезные аэрорули,
 
 
3) двойные карбюраторы и системы зажигания,
 
 
4) двойные баки и резервное электропитание от дополнительного акку,
 
 
5) двойные запараллеленные тумблера,
 
 
6) двойная топливная магистраль и двойные тормоза ,
 
 
7) две бутылки воды и два типа радиостанции встроенная и переносная ,
 
 
8) дублирующий монтаж --с начало приклеить, потом зашурупить на локтайт, любое сращение силовых деталей бондажить свм ниткой или стеклотканью на клею,
 
 
9) все электро разъемы с фиксирующими замками и двойными клеймиками то есть гнездами питания,
 
 
10) двойной крепеж особо важных компонентов типа мотора, сервоприводов или качалок и петель----
 
если в теории хватит двух-трех точек крепежа, то на практике всегда четыре-шесть и контровка,
 
 
И всегда помнить----ни какого трения при вибрациях не существует,поэтому все соединения и резьбы надо контрить!!!
 
 
 
Момент инерции
 
 
Так как вращение летательного аппарата происходит вокруг точки центра масс ----то моменты инерции по осям определяют угловое ускорение на реакцию управлении в целом---
 
 
Момент инерции  (МИ) тела относительно оси вращения проходящей через центр масс это сумма произведений массы элементов на квадрат расстояния между цм элемента до цм ла----- МИ(кгм2)=mr^2!!!
 
 
Поэтому сумма этих моментов у лк относительно поперечной оси Y обычно самая маленькая и отклик на тангаж самый отзывчатый!
 
Относительно продольной оси X, чуть больше и и поэтому реакция по крену ниже!
 
Максимальная сумма моментов по вертикальной оси Z самая большая и по рысканью самая медленная реакция на руль поворота !
 
 
1) консоль крыла или стабилизатора или киля трапецевидной формы имеет наименьший ми против прямоугольного---
 
 
2) тонкий конус хвостовой балки лучше ---
 
 
3) хвостовое оперение всегда делать как можно легче----мотор,пилот, груз и бак располагать как можно ближе к центру масс и у вас получиться отзывчатый ла идущей за штурвалом--так делаются все учебные и спортивно-пилотажные  самолёты.
 
 
У грузопассажирских и бпла, где полезный груз размазан вдоль фюзеляжа--- ми очень большой и самолёт сильно тупит по тангажу---так как топливо обычно в крыльях, то при взлёте ми по крену максимален и вялый отклик!
 
 
Помнить всегда, что рулить этими утюгами надо очень медленно и осторожно--- то есть минимальные расходы и не стараться заложить крутой вираж---иначе легко сорвать в штопор!
 
 
Кстати длинные крылья у классических планеров и лк с большим удлинением крыла сильно тупят по крену и наоборот резкие по тангажу----тандемы вертлявы по крену и тупые по тангажу----и лишь у короткокрылой классики оптимальные отзывы на управление по всем осям ---то есть типичные поршневые спортивно-пилотажные самолёты и гоночные лк.
 
 
Также двухмоторники на крыльях сильно тупят по крену и рысканью, а вот двухмоторники по продольному тандему типа тяни нос-толкай хвост сильно тупят по тангажу и тоже по рысканью, четырех или трех точечные конвертопланы из за большого разноса масс вмг по длине лучей очень сильно тупят по всем осям и двух стояночное шасси с хвостовым костылем имеет ми меньше, чем трех стояночного с передним рулевым
 
 
Чтобы разгрузить лонжерон по перечному изгибу в центроплане, нужно равномерно распределять начинку и топливо по размаху крыла.
 
 
Перегрузка в вираже грузового  бпла не должна превышать 2.5 же!
 
с учётом коэф запаса прочности 1.62---перегрузка на разрушение 4же
 
 
Основной секрет мастерства при проектировании любого изделия----это то простое решение которое само собой напрашивается и есть самый правильный подход!
 
 
Внимание!----самый главный принцип в авиации это минимальная достаточность функций и компонентов!!!
 
 
если можно обойтись без ненужной роскоши то сразу за борт, так как это лишняя масса и  повышенный риск на отказ системы в целом----например
 
 
1)убираемые шасси и сильная механизация крыла(закрылки,предкрылки,энцепторы,винглеты)
 
 
2)складной винт и ВИШ
 
 
3)световое, звуковое и видео оборудование
 
 
4)переизбыточный многофункциональный автопилот и многоканальная система управления
 
 
5)складные и разборные конструкции типа механических замков для элементов крепления крыла , хвоста и электроразъёмов для электроники
 
 
6)любая механизация в самом нагруженном месте всегда ведёт к повышенной аварийности, лишней массе и уменьшением ресурса ла-----например механизм изменяемой стреловидности крыла, механизм перекоса лопастей в вертолёте-----поворотный механизм вмг в конвертопланах !!!
 
 
В полевых условиях всегда применять первичные способы проверки работоспособности дрона по отдельности!!!
 
 
1) зафиксировать дрон ---- дать полный газ на ДВС и потом погазовать в различных положениях бпла в пространстве
 
 
2) последовательно проверить правильность руление всех функций
 
 
3) если взять за оба кончика крыла и поднять ла, то эмулируем перегрузку на крыло в 2.5  же
 
 
4) если ла легкий то взять одной рукой за кончик крыла и горизонтально вывесить фюзеляж-----постепенно дать газ и смотреть на угол возвышения, то синус угла и есть тяго-вооружённость---то есть при 20 градусах будет 0.33----при 30гр уже 0.5---при 45гр 0.7---при 60 гр 0.85----при вертикали  1!!!
 
 
 
Основное правило первого испытательного запуска---не бороться ПИДами-триммерами со следствием кривой работы, а устранение самой причины неисправности
 
 
 
1)кривая геометрия изделия---крутка и углы установки,
 
 
2)неправильная центровка----обычно слишком задняя
 
 
3)биение-вибрации от несбалансированного ВМГ,
 
 
4)слишком большие расходы серво----углы руления,
 
 
5)пере или недо регулирование ПИДов автопилота,
 
 
6)неграмотное расположение чувствительной радиоэлектроники,
 
 
7)отсутствие пассивной защиты элементов  конструкции,
 
 
8)холодная пайка и неполный электроконтакт в разъёмах,
 
 
9)люфты или закусы механики,
 
 
10)несоответствие  направлению руления или стабилизации----реверс команд!
 
 
Первое испытание всегда проводить только в ручном визуальном режиме!!!
 
 
смотри статью "Экономика дронов"
 
 
 
 
[[Файл:двухмоторник.jpg]]
 

Версия 14:14, 4 августа 2023

Личные инструменты
Пространства имён
Варианты
Действия
Навигация
Инструменты
Группа ВКонтакте