Дроноведение-ликбез

Дроноведение --------автор Книжников Вадим (можно найти в ВК)---я тут главный "по тарелочкам", то есть по дронам!

НАШ КОСМИЧЕСКИЙ КОРАБЛЬ "ПИОНЕР" ВСЕГДА И ВЕЗДЕ ПРЕЛОМЛЯЯ ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ ПЛЫВЁТ К НЕИЗВЕСТНОЙ ЗВЕЗДЕ!!!

Предлагаю вашему вниманию научно-популярную книгу типа методичка для вузов,где описан опыт и знания использования дронов-беспилотников работающих в трех средах----воздух, вода, земля! то есть автономные транспортные системы без ручного управления человеком на борту.

Определение

Дрон----это профессиональное самодвижущее механическое транспортное устройство типа платформы с мобильным источником энергии, системой стабилизации 
и автономным  управлением то есть робот без присутствия человека на борту! Радиоуправляемые авиа-судо-авто модели это игрушки и не являются  дронами 
в принципе!!! 

смотри статью "ТАУ-ликбез"

платформы делятся на сухопутные типа вездехода, которые ездят, ползают или ходят по твердой поверхности------ летающие по воздуху типа самолёта и вертолёта------плавающие по воде или под водой типа катера или подводная лодка.

Основная работа дронов ---это удаленное исследование типа наблюдение за объектом или его поиск, забор и анализ проб, физическое воздействие и манипуляция с интересующим предметом, транспортировка грузов,
сброс и взятие грузов ----то есть наличие манипулятора с несколькими степенями свободы уже необходимая вещь.

Классификация по ТТХ

Независимо от типа платформы----дроны делятся на классы по техническим возможностям и полному ресурсу

Например "нанодрон"---экспериментальный класс карманного беспилотника маленький по габаритам, чтоб в любую дырку мог пролезть, массой 10-100 грамм, радиусом действия до 100 метров и временем автожизни до 10 минут, полный ресурс на отказ всего 2-5 часов, перегрузка до 8же!

1) микродрон---- лёгкий массой до одного килограмма с автономной жизнью до одного часа и радиусом действия до одного км для оперативной работы в поле при прямой видимости и замкнутых помещениях и пещерах, полный ресурс на отказ всего 20-50 часов, перегрузка до 7же!

2) минидрон -----переносной одним человеком, массой от 1 до 10 кг и габаритами в сложенном состоянии до 1,5 метра, с автономной активной жизнью от часа до пяти, радиус действия до 10 км, высотность до 2км для оперативной работы на открытых пространствах, перегрузка до 6же, ресурс 50-150 часов.

3) мидидрон-----транспортируемый на автомобиле или катере, массой от 10 до 100 кг и габаритами до 4 метров, время активной жизни 6-12 часов, радиусом действия до 100км и потолок 4 км, перегрузка до 5же, ресурс 150-500 часов----типичные тактические разведчики.

4) максидрон----- крупные стационарного базирования типа аэродром, гараж, порт, от 100 до 1000 кг, время жизни до суток, габариты до 10 метров, дальность до 1000 км, потолок 8 км, перегрузка 4же, ресурс 500-1500 часов-----ударные боевые беспилотники

5) мегадрон---- полноразмерные транспортные средства могут перевозить груз до тонны, стартовой массой от 1 до 10 тонн, габариты свыше 10 метров, автожизнь до недели, дальность до 10 000 км потолок 16 км, 3же, ресурс до 10 000 часов,---- стратегические разведчики.

смотри статью "пусковые устройства" и "ЭТС-ликбез"

Классы климатической защиты

Основные требования у пользователя дронами это допустимый климатический диапазон----рабочий перепад температур окружающей среды, влажность, ветро-пробиваемость, изменение атмосферного давления, устойчивость к химическим загрязнителям и пыли!!!

Например "нанодрон" самый нежный в эксплуатации----температура воздуха +10-+20гр по С, влажность воздуха до 50%, ветер до 5 м/с, нет герметизации !

1) микродроны имеют низкий класс защиты и температура воздуха 0-+30гр по С, влажность воздуха до 60%, ветер до 10 м/с, условная герметизация.

2) минидроны уже более выносливые---температура воздуха -10 -+40 гр С, ветер до 15 м/с, влажность 70%, условная герметизация внутренних отсеков.

3) мидидроны----- температура -20-+50 гр С, влажность 80%, ветер до 20 м/с, частично герметизирован.

4) максидроны-----температура -40-+60 гр С, влажность 90%, ветер до 25 м/с, полная герметизация.

5) мегадроны--- -50-+70 гр С, 100%, 30м/с, внутренний наддув, полный контакт с соленой морской водой.

смотри статью "лётные условия"

Поколение

Сейчас массово выпускаются дроны первого поколения-----а именно требующие полного человеческого обслуживания типа подзарядка акку или их замена, заправка топливом, чистка и ремонт дрона, ручная замена дополнительного навесного оборудования -----это уровень удаленного инструмента!

второе поколение понемногу внедряется-----это самозарядка от сети или стационарной электростанции, автомойка, автозамена навесного оборудования, согласованное коллективное действие группы дронов типа рой------- уровень гаража!

третье поколение ----характеризуется уже самостоятельным поиском источников энергии и переработка биомассы типа мусора в спиртовое топливо, самодиагностика и полный авторемонт на базе дронов------- уровень насекомого улья!

четвертое поколение----самоклонирование и полная коллективная автономность------ уровень дрессированного животного!

пятое поколение----искусственный интеллект, мирный социум с человеком, самообразование и исследование мира----уровень гуманоида,андроид.

Типичное устройство беспилотника

Строение любого дрона ----это сложная комплексная задача состоящая из "железок" и спецов:

1) специализированной механической платформы типа самолёт, вертолёт, катер, автомобиль, вездеход, амфибия -----специалисты авиа-судно-автомеханики.

2) носителя источника энергии типа электрический аккумулятор и зарядное устройство, блок управления мощностью, бак с органическим топливом и насосом, солнечная батарея и электрогенератор----электрик.

3) силового установки типа электромотор или двс и движителя типа колесо, гусеница, пропеллер, импеллер, ступня----моторист.

4) система автоматического управления типа автопилот с системой стабилизации ------оператор-программист.

5) исполнительные приводы типа электро-рулевых машинок, актуаторов, гидроусилителей, рулей и механические рычаги ----электромеханик.

6) периферийные датчики обратной связи автопилота с окружающим миром типа----электронщик.

микрофоны и ультразвуковые-излучатели, чтобы слышать ----

светодиоды и видеокамеры, чтобы видеть----

гироскопы и акселерометры, чтобы держать равновесие и не упасть----

газоанализаторы, чтобы нюхать---

датчики давления, чтобы осизать среду и предметы---

лидар и радар, чтобы измерять расстояние до объекта----

жпс позиционирование и координаты для ориентации в пространстве планеты Земля

7) специализированное навесное оборудование типа буры, резаки, сварочники и рука манипулятор----техник.

8) средства удаленной передачи информации типа телеметрии и внешнего управления через радиомодемы----радиоинженер.

Преобразование энергии ---машина

Цепь преобразований энергии в автономных силовых установках (СУ)--- машина состоит из следующих звеньев: аккумулятор -----магистраль-----блок управления мощностью-----двигатель---редуктор-----движитель-----среда!!!

1) аккумулятор или накопитель потенциальной энергии----например электрические батареи с плотностью удельной энергии 300-900 кДж/кг или углеводородное топливо типа бензин, керосин, масло, метан, пропан 42 Мдж/кг или спирты, органические растворители с удельной тепловой энергией горения в кислороде 20 Мдж/кг,ионистор и электро-конденсатор,а также механическая пружина или газ в болоне под давлением!смотри статью"Электро-аккумуляторы-ликбез"

2) топливная магистраль или энергетический путепровод----трубки и шланги высокого давления или электропровода, как элементы доставки энергии до потребителя!

3) блок управления мощностью (БУМ)----распределяет количество энергии на потребителя, например атмосферный карбюратор у ДВС, электрический регулятор хода у электромоторов, регулятор расхода топлива в реактивных двигателях, вентиль в пневматике и гидравлике! "Регуляторы хода-ликбез"

4) двигатель----преобразователь потенциальной энергии в механическую:например двигатели внутреннего сгорания (ДВС) типа поршневой и турбинный, электродвигатель (ЭД), пороховой ракетный ускоритель или жидкостный ракетный двигатель! "Тепловые машины-ликбез"

5) редуктор----механическое устройство изменяющее момент на валу и частоту вращения для сопряжения с движителем или изменяемое сопло в реактивных двигателях! "Механика-ликбез"

6) движитель----преобразователь механической мощности вращения в кинетическую мощность потока отбрасывания среды по реакции силы называемой тягой---- например колесо, гусеница, гребной винт, пропеллер, крыльчатка, плавник!"Воздушные винты-ликбез"

7) среда или рабочее тело----непосредственно последнее звено взаимодействия движителя с внешнем миром это воздух, вода и земля!

Резервные источники электроэнергии на больших дронах -----помимо солнечных батарей иногда на двс приводных энерго-мото-установках используют электрогенератор прямо от движка или от ветротурбины!

смотри статью "тепловые машины-ликбез" и "силовые электроприводы-ликбез"

Модульность

Сейчас прорабатывается идея универсальной модульности и стандартизации электроразъёма и механического замка по типу конструкторов лего------то есть это коробочка с оговоренными габаритами и стандартным много-пиновым разъёмом ----внутри какой то законченный электронный компонент типа видеопередатчик, камера, световой модуль,телеметрия, приёмник, автопилот, датчик, регуль или блок питания -----их последовательное или параллельное соединение дают быстро собрать или заменить нужную электронную конфигурацию сау! Плюсы модульности это гарантированная механическая защита и полная герметизация со своим климат контролем!

САУ и авионика

Система автоматического управления сейчас базируется на микроэлектронике типа микрокомпьютер ------то есть имеется тактовый генератор с частотой от 12-16 мгц и выше запускающий микропроцессор уровня 486, пентиум 1 и выше с разрешением 8-16-32 бит с озу и пзу с обвесом ацп и цап и кучей всяких цифровых портов различных протоколов связи для подключения периферийных устройств типа датчиков и исполнительных механизмов по шим.

За последние 10-12 лет уже появились восемь поколений автопилотов от ф1 до ф8---- самые первые и простые имели до четырех выходов по шим на рулевые машинки и выполняли только команды газ, тангаж, крен и рысканье для автономного управления самим дроном в пространстве-----теперь уже выходов не менее восьми для управлением видео подвесом и манипулятором.

смотри статью "Системы автоматического управления-ликбез"

Смартфон

В теории вместо специфичного автопилота можно подключить современный смартфон или планшетник через юсб порт и сразу поиметь жпс позиционирование и магнитный компас, гиро и аксель стабилизацию, датчики температуры, давления, управление через вай фай и цифровой видеолинк-----просто там это всё уже имеется, нужно только адаптированное программное обеспечение.

Интерфейс

Здесь показано история развития интерфейса или типы внешнего управления беспилотниками-----

1) поколение кнопочное----самое простое решение дискретной команды это нажатие кнопочного выключателя или тензодатчика ----применяется в управлении на ик пультах бытовой техники и клавиатура для компьютера

2) поколение механическое----пропорциональная команда зависит от положения ручки джойстика по углу и работает через потенциометр или датчик холла----применяется в системах радиоуправления и игровых джойстиках

3) поколение электронно-инерционное-----пропорциональная команда формируется положением платформы с акселерометрами в ладони или на голове----хед-трекеры и ру

4) поколение визуальное----сканирует по видеокамере движение зрачков человека и используется в шлемах прицеливания и сопровождения объекта

5) поколение голосовое-----распознавание голосовых речевых команд через звуковую карту компьютером для управлением интернетом и дронами

6) поколение мысленное----считывание электрических биоимпульсов с головы оператора, пока в стадии экспериментов.

Виды дистанционного управления---методы передачи управляющих команд удаленному дрону

1) проводное по тонкой проволке для подводных и сухопутных дронов до 1000 м

2) по оптоволоконной линий для подводных и сухопутных дронов дальность до 10 км

3) по ультрозвуковой волне в воде для подводных аппаратов до 300 м

4) ик лучевое для сухопутных дронов до 10м

5) радиоволновое для летающих и плавающих дронов до 200 км при прямой видимости

6) лазерное для дальней космической связи до 1 миллиардов км

смотри статьи "Радиосвязь-ликбез" и "Оптика-ликбез"

Обратная связь

Для знания реального месторасположения дрона используется онлайн трансляция телеметрии с борта на СНУ через блок ОСД на видео картинке курсовой камеры прямо на приёмный ЖК-монитор или на компьютерный маршрутизатор с гугл или яндекс картами через телеметрический блок на 433Мгц или 900Мгц!

Для оперативного высотного мониторинга поверхности Земли наблюдателю необходимо прямая трансляция видеоизображения картинки с борта--------

1) стандартное одноканальное аналоговое телевидение в ПАЛ режиме и ЧМ модуляции в выделенных диапазонах 1.2Г, 2.4Г, 5.8Г-----650 твл, 25 кадр/с!

2) стандартное одноканальное цифровое телевидение с задержкой (25-50)мс в выделенных диапазонах 1.2Г, 2.4Г, 5.8Г----(1080х720) и (1920х1080)!

3) широкополосное цифровое телевидение с задержкой (100-300)мс через вай-фай интернет поколением 4Г и 5Г------- до 4К качество!

4) защищённое широкополосное цифровое онлайн-фото по принципу "слайд-шоу" с задержкой (1-5)секунд в качестве 8К!

смотри статью "телевидение-ликбез"

Ресурс компонентов

Из опыта малой авиации----рекомендуется вести  журнал ресурса ла или дрона, замены жидкостей и комплектующих-----где указана дата использования и выработка в часах эксплуатации.

Ресурс любого компонента сильно зависит от нагрузки механической или электрической по функции обратной параболической зависимости износа----то есть при нагрузке в одну десятую от предельной на разрушение период жизни растёт в 10 в 4-8 степени раз в обратной зависимости от температуры нагрева компонента или так называемого термического старения !

Например видеопередатчик если использовать при четверти мощности излучения проработает в 100 раз дольше или например тот же мотор при работе на среднем газу при достаточном охлаждении проработает в 100 раз дольше чем при максимальной загрузке на полном газу---- любое форсирование по удельной мощности и увеличению температуры резко сокращает срок службы!

например срок службы трактора 10-20 лет в зависимости от климата против гоночного автомобиля "формулы 1" с ресурсом всего несколько часов!

Облики и формы беспилотников

летательные аппараты делятся на схемы аэродинамической компоновки или по принципу создания подъёмной силы ----- например

ракеты----на основе порохового ускорителя или ЖРД по закону сохранения импульса,

где конструкция состоит из конусного обтекателя-головки самонаведения, тонкостенного трубчатого корпуса, баков и хвостового Х-образного стабилизатора с рулевыми машинками!

крылатые ---- на основе аэродинамической подъёмной силы Жуковского,

где конструкция состоит из удобно обтекаемого фюзеляжа, моторамы с СУ и баком, несущего крыла(центроплан + консоли), хвостового оперения(киль+стабилизатор), посадочное шасси, воздушные рули и авионики! например---- классические самолёты и планера типа моноплан или биплан с хвостовым оперением, летающее крыло типа бесхвостка, утка с передним горизонтальным оперением, тандем с двумя несущими продольными плоскостями, аэрошют --- это планирующий парашют с вмг, многовинтовые конвертопланы

винтокрылые-----на основе реактивной тяги пропеллера по третьему закону Ньютона,

где конструкция состоит из несущих винтов, моторамы с СУ и баком, корпуса и шасси, авионики! коптер---- это одновинтовой вертолёт с рулевым винтом, мультикоптерные платформы по кол-ву несущих пропеллеров типа би(2)--три(3)---квадро(4)---гекса(6)---окто(8), автожир с несущим пассивным винтом и толкающим пропеллером

воздухоплавающие ---- на основе закона Архимеда,

где конструкция состоит из сверхтонкой оболочки с лёгким инертным газом, гондолы и СУ с баком!например управляемые дирижабли, аэростаты типа воздушного шара

смотри статью "Основы разработки дронов-ликбез"

1) Из летающих дронов по типу аэродинамической компоновки среди класса микродронов квадрокоптеры заняли устойчивую нишу по простоте запуска и посадки на любой пятачок, их функционала как раз хватает для выполнения недолгих оперативных заданий типа художественная съёмка или быстрый поиск объекта сверху----тип вмг только на электро бк моторах и ли-по аккумуляторах.

2) Среди минидронов летающее крыло наиболее востребовано по причине простоты конструкции, удобству обслуживания, транспортировки и приемлемой дальности и продолжительности полёта для оперативной работы типа рутинного мониторинга наземных объектов---- тип вмг электро на литий ионных акку.

3) А вот у мидидронов лидирует схема классического моноплана, где гарантированны приличные ттх и экономичность при многочасовых миссиях----- вмг это обычно бензиновый или метанольный поршневой двухтактный двс.

4) Летающие максидроны это полноразмерные ла типа самолёт или вертолёт аэродромного базирования ----вмг только на поршневом четырёх тактном двс или газовой турбине.

5) Среди мегадронов лидер это мотопланер типа классика---- обычно применяются турбовинтовые су,но есть варианты электро вмг на солнечных батареях и рассматривается возможность применения компактной атомной энергоустановки!

6) У сухопутных дронов чётко определилась схема вездехода на полноприводных мотор-колёсах кол-вом 4-6 штук обычно на электро-акку--- причём независимо от класса дрона компоновка не меняется, а просто масштабируется !

Есть ещё разновидность сухопутных дронов это шагающие андройды для работы в помещениях, где есть ступеньки и пороги-----они имитируют походку и движения человека ----все на электроприводах, но срок автономной жизни и ресурс механизмов невысок и пока это игрушки.

7) У водоплавающих дронов лидируют катамараны и тримараны из за повышенной боковой остойчивости и мелкой посадки на воду -----в основном это мониторинг дна пресных озер, рек и прибрежной морской зоны или рыболовные хобби! Подводные роботы мало распространены из за сложности полной герметизации и химической агрессивности соленой воды в первую очередь на приводную механику----обычно это бочкообразный герметичный корпус с внешними электроприводами и манипулятором.

смотри статью "Оптимизация комплектации-ликбез"

Мониторинг

Круглогодичное наблюдение с высоты за прибрежными водами и береговой полосой актуально всегда и везде, так как эта зона повышенного риска для людей----- например изменение цвета воды и разливы загрязнений для мониторинга экологии, надзор за браконьерами и купающимися летом и любителями подлёдной рыбалки зимой,сезонные миграции птиц, рыб и водоплавающих животных, поиск потеряшек----одним словом рыбнадзор и мчс с воздуха на дронах амфибиях со стационарных баз наблюдения ! Обязательно передача телеметрии жпс координат в прямой трансляции видео онлайн!!!

смотри статью "Аналог против Цифры---онлайн видео"

Сельское хозяйство

Отдельный интерес применения бпла это сельское хозяйство!

1) с высоты птичьего полёта хорошо видны оттенки цвета урожая и спелость культур в разных участках посева на больших полях или в степи----обычно это крылатые ла класса минидрон!

2) разброс трихограмм (мелкие насекомые-хищники размером с крупу манку) на спелый урожай для его сохранности до уборки с малой высоты 2-5 метров!

3) распыление защитных химических препаратов на растения от вредителей особенно удачно на террасах горных склонов типа виноградники и другие фрукты, где доступ тяжелой техники затруднён----обычно эту нишу занимают коптеры класса мидидрона полётной массой 20-50 кг!

Мощный автопилот снабжён ртк навигацией ----это продублированный датчик жпс с точностью позиционирования плюс-минус 10 см,а также лазерный дальномер типа лидар!

Мировым лидером в сельхоз дронах это японская фирма ямаха со своим бензиновым классическим вертолетом и временем автожизни до пару часов!

У электричек плотно заняли нишу мильти-роторные коптеры типа гекса(6) и окто(8) с временем автожизни до получаса----также применяются конвертопланы и гибриды для увеличения продолжительности полёта до 1-2 часов!

Военные дроны

В вооруженных силах многих стран входят боевые дроны всех классов и стихий----это основа "москитной авиации" работающей по точечным целям!

Главное отличие военных дронов от гражданских -это приоритет надежности и простоты эксплуатации в боевых условиях против экономичности в коммерческом применении гражданским дронами!!!

Эти многоразовые роботы условно делиться на наблюдателей-разведчиков с мощной видео оптикой на разный спектор света и ударные с возможностью несения подвесного вооружения типа бомбы, ракеты, мины, торпеды и стрелковое оружие типа помпового ружья или пулеметов, а также роботы-саперы!

К одноразовым невозвращаемым дронам-камикадзе относятся все самонаводящиеся ракеты и бпла, где взрывчатое вещество является интегрированной частью конструкции----их принцип выстрелил и забыл.

Все комплектующие для военных и космических дронов имеют самые высокие классы точности и защиты-----и поэтому электроника выглядит громоздко, мало серийна и стоит на порядки дороже гражданских аналогов! Доступ сильно ограничен!

Там, где давно откажется работать любая гражданская техника-----военная будет исправно продолжать выполнять задачу!

Это совсем другой уровень физических возможностей техники и обычно на 20-25 лет опережают товары ширпотреба!

Например слева основные решения для военных дронов -------справа для коммерческих гражданских по типу конструкции!!!

1) Мультироторные платформы только гекса и окто-коптеры------------квадро и три-коптеры!

2) ВМГ тянущая и многодвигательная для самолётов с принудительным обдувом крыльев-----толкающая одномоторная!

3) Взлёт и посадка на впп на колёсном или лыжном не убираемом шасси---- старт с катапульты и посадка на парашюте!

4) Быстросъёмный подвесной блочный груз-----интегрированная в конструкцию планера или катера полезная нагрузка!

5) Шести -восьмиколёсный сухопутный дрон с полным приводом----четырех-трех колесное шасси для сухопутных платформ!

6) Классическая аэродинамическая компоновка планера с хвостовым стабилизатором и килем-------летающее крыло, утка с пго, крыло-тандем!

Крейсер

Диапазон крейсерской скорости дрона определяется скоростью относительно жпс координат, а не относительно среды------это очень важно для воздушных и водоплавающих дронов, где сама среда имеет природные течения относительно планеты! то есть плавание против течение реки или полёт против ветра требует повышенной скорости дрона относительно среды и значит увеличенного расхода энергии, чтобы он двигался вперед, а не стоял на месте относительно земли!

и наоборот при движении по течению газ можно прибрать ----лишь бы скорость воздушная не стала бы ниже скорости сваливания, когда крылья уже не держат! Обычно ветер у земли ниже в 1.5-2 раза, чем на верху и этим надо пользоваться при проложении маршрута -----то есть

по ветру летим высоко на 1/3 газа, при полёте против ветра жмемся к земле на 2/3 расхода

Поэтому датчики ЖПС и динамического давления среды или "трубка пито" жизненна необходима--- то есть диапазон воздушных крейсерских скоростей меняется от скорости планирования на малом газу до максимальной на полном газу---первый режим!

по телеметрии это пик соотношений между скоростью относительно земли и силой потребляемого тока

"Рой" дронов

Роем называют скоординированную группу летающих роботов для эффективного выполнения задачи миссии по аналогии стаи птиц, косяка рыб, атары овец!

Концепцией роя уже занимаются во всём мире и у нас тоже----но эта оригинальная программа с учетом производства носителей, самой электроники и программного обеспечения стоит от одного миллиарда долларов сразу-----можно пойти другим, то есть используя недорогие китайские пенопластовые авиамодели и доступную электронику "Ардуино" нанять команду спецов айтишников-математиков и написать ПО на" рой"!

1)Расстояние между ботами в группе зависит от "железа" это 10м-100м между ботами внутри роя!обмен информации идёт по цепочки типа "вай-фай"

2)Один бот может общаться одновременно только с тремя-четырьмя соседями по рою —--иначе мозгов не хватит —-----всё как у людей на коллективной пьянке за столом!

3)Дальность стратегического управления роя идёт по радио через СНУ на "ведущего", а сама компактная компания типа в "автономке"