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.
Процессы описывающие беспилотники основываются на теории общей физики ----- а именно есть только три векторных взаимно перпендикулярных измерения ----- гравитационное, магнитное,электрическое и скалярное это время, то есть 4-мерное пространство !
Взаимодействуют между собой только одноимённые поля через дифференциал по времени---dt !!!
Существует всего четыре базовых величин это длина в метрах, масса в килограммах,заряд в кулонах и время в секундах по системе стандартных измерений----СИ! Остальные величины и законы физики---- это производные-деление и интегральные-умножение четырёх основных!
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 возможностям
0)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!
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.
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 3км для оперативной работы на открытых пространствах.
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 6 км----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 10 км-----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 20 км---- стратегические разведчики.
смотри статью "ЭТС-ликбез"
Классы климатической защиты
Основные требования у пользователя дронами это ресурс в часах и допустимый климатический диапазон----рабочий перепад температур окружающей среды, влажность, ветро-пробиваемость, переносимая перегрузка на удар, изменение атмосферного давления, устойчивость к химическим загрязнителям и пыли!!!
1) микродроны имеют самый низкий класс защиты и ресурс----температура воздуха -0-+30гр по С, влажность воздуха до 80%, ветер до 10 м/с, условная герметизация и полный ресурс на отказ всего 10-50 часов, перегрузка до 8ж!
2) минидроны уже более выносливые---температура воздуха -20 -+40 гр С, ветер до 15 м/с, влажность 85%, условная герметизация внутренних отсеков, перегрузка до 7 ж, ресурс 50-150 часов
3) мидидроны----- температура -30-+50 гр С, влажность 90%, ветер до 20 м/с, перегрузка до 6 ж, ресурс 150-500 часов, частично герметизирован
4) максидроны-----температура -50 -+60 гр С, влажность 95%, ветер до 25 м/с, перегрузка 5ж, полная герметизация, ресурс 500-1500 часов
5) мегадроны--- -60-+70 гр С, 100%, 30м/с, 4 ж, до 10 000 часов, внутренний наддув, полный контакт с соленой морской водой.
смотри статью "пусковые устройства"
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:
1) специализированной механической платформы типа самолёт, вертолёт, катер, автомобиль, вездеход, амфибия.
2) носителя источника энергии----типа электрический аккумулятор, бак с органическим топливом, солнечные батареи и зарядные устройства.
3) силового установки типа электромотор или двс и движителя типа колесо, гусеница, пропеллер, импеллер, ступня.
4) система автоматического управления типа автопилот с системой стабилизации и блоком управления мощностью.
5) исполнительные приводы типа электро-рулевых машинок, актуаторов, гидроусилителей и механические рычаги.
6) периферийные датчики обратной связи автопилота с окружающим миром типа
микрофоны и ультро-излучатели, чтобы слышать ----
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.
8) средства удаленной передачи информации типа телеметрии и внешнего управления через радиомодемы.
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 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 к/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 реактивной тяги двигателя по закону сохранения импульса
крылатые ---- на основе аэродинамической подъёмной силы Жуковского
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
коптер---- это несущий 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
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!
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,стада 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-1000м 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 через СНУ на "главаря" или вожака, а сама компактная компания типа шайка в "автономке"