Редактирование: 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, беспилотник  ----это самодвижущее механическое транспортное устройство типа платформы с автономным источником энергии, системой стабилизации и автономным  управлением или робот без присутствия человека на борту! 

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" 

[[Файл:тандем.jpg]]
[[Файл:квадрок.jpg]]