Дроноведение-ликбез

Дроноведение --------автор учёный-физик Книжников ВВ (замечания и предложения отправлять по мылу [email protected])

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!

платформы деляться 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.

классы по ттх Независимо от типа платформы----дроны деляться на классы по возможностям

0)нанодрон---экспериментальный класс переносного беспилотника маленький по габаритам, чтоб в любую дырку мог пролесть, массой 10-100 грамм, радиусом действия до 100 метров и временем автожизни до 10 минут!

1) микродрон---- лёгкий массой до одного килограмма с автономой 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 пространстах.

3) мидидрон-----транспортируюмый 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 "пусковые устройства"

классы климатической защиты

Основные требования у пользователя дронами это ресурс в часах и допустимый климатический диапазон----рабочий перепад температур окружающей среды, влажность, ветропробиваемость, 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 5ж-----объясняется это физически малыми размерами механизмов и толщинами стенок на сопромат то есть микродрон очень нежный в обращении

2) минидроны уже более выносливые---температура воздуха -20 -+40 гр С, ветер до 15 м/с, влажность 85%, условная герметизация внутрених отсеков, перегрузка до 6 ж, ресурс 50-150 часов

3) мидидроны----- температура -30-+50 гр С, влажность 90%, ветер до 20 м/с, перегрузка до 7 ж, ресурс 150-500 часов, частично герметизирован

4) максидроны-----температура -50 -+60 гр С, влажность 95%, ветер до 25 м/с, перегрузка 8ж, полная герметизация, ресурс 500-1500 часов

5) мегадроны--- -60-+70 гр С, 100%, 30м/с, 10 ж, до 10 000часов, внутрений наддув, полный контакт с соленой морской водой.

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 дрессированого животного!

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

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 двигателя типа электромотор или двс и движителя типа колесо, гусиница, пропеллер, импеллер, ступня.

4) система автоматического управления типа автопилот и система стабилизации с блоком управления мощности.

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

6) переферийные датчики обратной связи автопилота с окружающим миром типа

микрофоны и ультраизлучатели, 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 батарии с плотностью удельной энергии 100-250 вт час/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, также механическая пружина или газ в балоне под давлением!

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 колличество энергии на потребителя, например атмосферный карбюратор у ДВС, электрический регулятор хода у электромоторов, регулятор расхода топлива в реактивных двигателях, газовый редуктор или винтиль в пневматике!

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!

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

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!

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 энергомотоустановках используют электрогенератор прямо от движка или от ветротурбины!

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 многопиновым 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 или 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 перифирийных устройств типа датчиков и исполнительных механизмов по шим.

За последнии 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.

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----хедтрекеры 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

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 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 "формулы1" 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

крылатые ---- 

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-----

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 --

управляемые дирижабли, аэростаты типа воздушного шара

1) Из летающих дронов по типу аэродинамической компановки среди класса микродронов квадрокоптеры заняли устойчивую нишу по простоте запуска и посадки на любой пяточок , 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 ионых 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 моторколёсах кол-вом 4-6 штук обычно на электро вмг--- причём независимо от класса дрона компановка 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 водоплавующих 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 гермитизации и химической агрессивности соленой воды впервую очередь на приводную механику----обычно это бочкообразный гермитичный корпус с внешними электроприводами и манипулятором.

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!!!

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 мильтироторные 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) Мультиротарные 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 неубираемом 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 компановка 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 !