БПЛА (Беспилотный Летательный Аппарат) — это автономный летательный аппарат, способный выполнять задачи без прямого участия человека на борту. БПЛА часто используются в различных областях, включая военную, гражданскую и научно-исследовательскую сферы.

Беспилотные летательные аппараты имеют различные размеры и конфигурации, от небольших мультироторных квадрокоптеров до крупных стратегических беспилотных самолетов. Они могут быть использованы для разведки, наблюдения, мониторинга, поиска и спасения, доставки грузов, аэрофотосъемки, сельскохозяйственных работ и других задач.

Структура беспилотных летательных аппаратов

Общая структура БПЛА мультироторного типа

Беспилотные летательные аппараты мультироторного типа имеют особую структуру, состоящую из нескольких роторов, которые обеспечивают вертикальный взлет и посадку, а также управление и стабилизацию в полете. Вот основные компоненты и структура такого БПЛА :

1. Рама: Рама является основной структурной составляющей БПЛА мультироторного типа. Она выполняется из легких и прочных материалов, таких как углепластик, алюминий или композитные материалы. Рама обычно имеет крестовидную конструкцию с центральной платформой, на которой располагаются электронные компоненты и другие системы управления.
2. Винтомоторная группа (ВМГ): ВМГ создает силу тяги, необходимую для поддержания БПЛА в воздухе и обеспечения вертикального взлета и посадки. Она преобразует электрическую энергию из источника питания в механическую энергию, приводящую во вращение пропеллеры.
3. Инерциальная система навигации (ИНС): Инерциальная система навигации является совокупностью датчиков, которые обеспечивают измерение и мониторинг движения, ориентации и ускорения летательного аппарата. ИНС использует принципы инерции и законы Ньютона для определения положения и скорости БПЛА без прямой зависимости от внешних источников, таких как GPS или радионавигационные системы.
4. Полетный контроллер: Полетный контроллер в БПЛА является центральным устройством управления и контроля полета. Он выполняет ряд важных функций, которые обеспечивают стабильность, управляемость и безопасность полета.
5. Аккумуляторная батарея (АКБ): АКБ обеспечивает питание моторов и всей электроники на борту БПЛА.
6. Аппаратура управления (АУ): Аппаратура управления для БПЛА мультироторного типа используется для контроля и управления полетом таких БПЛА. Она состоит из различных компонентов, включая пульт управления и систему передачи данных.

Описанная выше структура представляет общую концепцию и основные элементы таких БПЛА.

Винтомоторная группа БПЛА мультироторного типа

Винтомоторная группа является одной из ключевых компонентов БПЛА мультироторного типа, отвечающей за создание тяги и управления полетом. Она состоит из нескольких моторов, приводящих в действие пропеллеры, и соответствующих систем управления.

В БПЛА используются 2 основных типа электромоторов:

1)    Коллекторные моторы:

Коллекторные моторы имеют вращающуюся часть, содержащую коммутаторы и щетки, которые обеспечивают электрическое подключение к ротору. Этот тип моторов требует постоянного подключения к источнику энергии и регулярного обслуживания щеток. Коллекторные моторы обычно менее эффективны, имеют более низкую мощность и более высокий уровень шума, по сравнению с бесколлекторными моторами.

2)    Бесколлекторные моторы (БК моторы):

Бесколлекторные моторы стали предпочтительным выбором в современных БПЛА. Они не имеют коммутаторов и щеток, что делает их более эффективными и надежными. Благодаря отсутствию трения, БК моторы обладают более высокой мощностью, лучшей эффективностью и меньшим уровнем шума. Они также имеют более длительный срок службы и требуют меньшего обслуживания по сравнению с коллекторными моторами.

Коллекторный мотор отличается от БК мотора как конструктивными особенностями (рис. 1), так и принципом работы.

Рассмотрим конструктивные отличия. Из рисунка 1.А видно, что ротор (1) мотора коллекторного типа, в отличие от бесколлекторного, имеет катушки, у которых простая схема намотки, а постоянные магниты (как правило, два) установлены на статоре (2). Помимо этого, на валу установлен коллектор, к которому подключаются щетки, подающие напряжение на обмотки якоря.

Принцип работы коллекторного мотора: когда на одну из катушек подается напряжение, происходит ее возбуждение, и образуется магнитное поле. Оно вступает во взаимодействие с постоянными магнитами, это заставляет проворачиваться якорь и размещенный на нем коллектор. В результате питание подается на другую обмотку и цикл повторяется.

Частота вращения якоря такой конструкции напрямую зависит от интенсивности магнитного поля, которое, в свою очередь, прямо пропорционально напряжению. То есть, чтобы увеличить или уменьшить обороты, достаточно повысить или снизить уровень питания. А для реверса необходимо переключить полярность. Такой способ управления не требует специального контролера .

Бесколлекторный мотор, также известный как мотор с постоянными магнитами, является электрическим двигателем, который отличается от традиционных коллекторных моторов отсутствием щеток и коллектора. Он состоит из статора (неподвижной обмотки) и ротора (вращающейся части), на котором закреплены магниты с постоянным магнитным полем.

Принцип работы бесколлекторного мотора основан на применении электронной коммутации. Внутри статора обмотки размещены таким образом, чтобы создать магнитное поле с постоянной полярностью. Ротор содержит магниты с постоянным магнитным полем с альтернативной полярностью. Когда подается электрический ток на определенные обмотки статора, магнитное поле статора взаимодействует с магнитным полем ротора, создавая крутящий момент, который приводит к вращению ротора.

Для работы БК мотору необходим электронный регулятор скорости (ESC - Electronic Speed Controller), который включает обмотки таким образом, чтобы векторы магнитных полей якоря и статора были ортогональны друг к другу. Наглядно этот процесс продемонстрирован на рисунке 2.

Для каждого перемещения якоря необходимо выполнять определенную коммутацию в обмотке статора двигателя бесколлекторного типа. Такой принцип работы не позволяет плавно управлять вращением, но дает возможность быстро набрать обороты.

Чтобы определить, когда производить переключения, ESC отслеживает положение якоря при помощи датчиков Холла. Если привод не снабжен датчиком Холла, то в расчет берется обратная ЭДС, которая возникает в неподключенных катушках статора. Электронный регулятор скорости отслеживает эти изменения и задает порядок коммутации.

Большинство БК моторов являются трехфазными. Для управления таким приводом в ESC имеется преобразователь постоянного напряжения в трехфазное импульсное (см. рис.3).

Чтобы объяснить, как работает БК мотор, следует вместе с рисунком 3 рассматривать рисунок 2, где поочередно изображены все этапы работы мотора.

1)    На катушки «А» подается положительный импульс, в то время как на «В» — отрицательный, в результате якорь сдвинется. Датчиками зафиксируется его движение и будет подан сигнал для следующей пары фаз коммутации.

2)    Катушки «А» отключаются, и положительный импульс подается на «С» («В» остается без изменения).

3)    На «С» — положительный, «А» — отрицательный.

4)    На «В» — положительный, «А» — отрицательный.

5)    На «В» — положительный, «С» — отрицательный.

6)    На «А» — положительный, «С» — отрицательный. Далее цикл повторяется.

Работа ESC основана на принципе коммутации фаз бесколлекторных моторов. В бесколлекторных моторах нет коммутаторов и щеток, как в коллекторных моторах, и поэтому необходим автоматизированный механизм электронной коммутации.

Процесс работы ESC следующий:

1. Получение сигнала управления: ESC получает широтно-импульсно модулированный сигнал (ШИМ-сигнал) управления от полетного контроллера. Этот сигнал с определенной длительностью импульса определяет требуемую скорость вращения мотора.
2. Коммутация фаз: ESC управляет коммутацией фаз бесколлекторного мотора.
3. Регулирование скорости: ESC контролирует скорость вращения мотора исходя из изменения длительности импульса ШИМ-сигнала, который подается на мотор. Импульс с большей длительностью увеличивает скорость, а импульс с меньшей длительностью снижает скорость.
4. Защитные функции: ESC также может включать различные защитные функции. Например, он может обнаруживать перегрев мотора или перегрузку, и автоматически снижать ток или отключать мотор для предотвращения повреждений.

ESC играет важную роль в управлении бесколлекторными моторами, обеспечивая точное регулирование скорости и контроль работы моторов в соответствии с заданными параметрами управления.

Еще одной важной составляющей винтомоторной группы являются пропеллеры. Пропеллеры отвечают за создание аэродинамической силы и генерацию тяги, необходимой для взлета и управления аппаратом в воздухе. Пропеллеры преобразуют вращательное движение моторов воздушного судна в горизонтальную силу тяги, которая позволяет БПЛА двигаться вперед, подниматься вверх, опускаться или изменять направление.

Основные характеристики пропеллеров в БПЛА:

1. Диаметр и шаг: Пропеллеры имеют определенный диаметр, который определяет размер лопастей, и шаг, который определяет изменение расстояния за один оборот пропеллера. Диаметр и шаг пропеллера выбираются в зависимости от требуемой тяги и производительности БПЛА.
2. Количество лопастей: Пропеллеры состоят из одной или нескольких лопастей, которые создают аэродинамическую силу при вращении. Лопасти могут иметь различную форму и профиль, включая плоские, изогнутые или развёрнутые. Они могут быть изготовлены из различных материалов, таких как пластик, углепластик или композиты.
3. Направление вращения: Пропеллеры в БПЛА могут вращаться по часовой стрелке или против часовой стрелки. При мультироторных конфигурациях, пропеллеры располагаются парами, где пропеллеры в каждой паре вращаются в противоположных направлениях, чтобы обеспечить баланс тяги и управляемости, как показано на рисунке 4.

Винтомоторная группа БПЛА мультироторного типа, состоящая из бесколлекторных моторов, ESC и пропеллеров, обеспечивает точное управление тягой, позволяет осуществлять маневры, изменять скорость и направление полета. Она играет важную роль в обеспечении стабильности, маневренности и контроля полета.

Инерциальная система навигации (ИНС) в БПЛА

Инерциальная система навигации (ИСН) является одним из ключевых элементов современных навигационных систем. Она позволяет определять положение, ориентацию и перемещение объекта в пространстве без использования внешних опорных точек или сигналов. ИСН состоит из нескольких датчиков, которые измеряют различные параметры движения, такие как ускорение, угловая скорость, магнитное поле и атмосферное давление. Рассмотрим основные компоненты инерциальной системы навигации.

Акселерометр представляет собой датчик, который измеряет ускорение объекта в трех проекциях. Он основан на принципе инерции, согласно которому тело сохраняет свое состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на него не действуют внешние силы. Акселерометр состоит из груза и датчиков, которые измеряют силу, возникающую при изменении скорости или направления движения. Груз, подверженный ускорению, создает силу инерции, которая преобразуется в электрический сигнал с помощью датчиков. Затем полученные данные могут быть использованы для определения ускорения объекта в трехмерном пространстве.

Следующим элементом ИСН является гироскоп, который предназначен для измерения угловой скорости вращения объекта. Он основан на законе сохранения углового момента, что позволяет гироскопу сохранять ориентацию своей оси вращения в пространстве. Гироскоп состоит из ротора, который может свободно вращаться вокруг своей оси, и кольца, на котором ротор установлен. При вращении объекта ротор гироскопа сохраняет свою ориентацию в пространстве, и изменение угловой скорости объекта может быть определено по изменению ориентации ротора. Измеренные значения угловой скорости могут быть использованы для определения ориентации и изменений ориентации объекта.

Магнитометр представляет собой датчик, способный измерять магнитное поле вокруг объекта. Он использует взаимодействие магнитного поля Земли и других магнитных полей для определения ориентации объекта. Магнитометры позволяют измерять направление магнитного поля и могут быть использованы для определения ориентации объекта относительно магнитного севера. Эти датчики широко применяются в навигационных системах для определения азимута.

Барометр представляет собой датчик, который измеряет атмосферное давление. Перемены в атмосферном давлении могут быть использованы для определения высоты объекта над уровнем моря. Барометры могут измерять давление с помощью электронных или механических датчиков и преобразовывать его в высоту с использованием соответствующих алгоритмов.

На рынке представлены следующие модели датчиков, описанных выше, которые широко используются в различных устройствах:

• ADXL345 - Трехосевой цифровой акселерометр с интерфейсом I2C и SPI.
• MPU-6050 - Комбинированный модуль, включающий трехосевой акселерометр и трехосевой гироскоп.
• LIS3DH - Малогабаритный трехосевой цифровой акселерометр с высокой разрешающей способностью.
• L3GD20 - Трехосевой цифровой гироскоп с интерфейсами I2C и SPI.
• MPU-9150 (MPU-9250) - Комбинированный модуль, включающий трехосевой гироскоп, трехосевой акселерометр и трехосевой магнетометр.
• ITG-3200 - Трехосевой цифровой гироскоп с высокой чувствительностью и низким уровнем шума.
• HMC5883L (QMC5883) - Цифровой трехосевой магнитометр с интерфейсом I2C.
• MAG3110 - Трехосевой низкопотребляющий цифровой магнитометр.
• AK8963 - Трехосевой цифровой магнитометр с интерфейсом I2C и SPI.
• BMP280 (BMP180) - Цифровой барометр и термометр с высокой разрешающей способностью и низким энергопотреблением.
• MS5611 - Цифровой барометр высокой разрешающей способностью для измерения атмосферного давления.
• LPS25H - Низкопотребляющий цифровой барометр с интерфейсом I2C и SPI.

Эти модели являются лишь некоторыми из множества доступных на рынке .

Акселерометр, гироскоп, магнитометр и барометр являются основными компонентами инерциальной системы навигации. Используя информацию, полученную от этих датчиков, ИСН способна определить положение, ориентацию и перемещение объекта в трехмерном пространстве. Акселерометр обеспечивает информацию о линейном перемещении и ускорении, гироскоп - об угловой скорости и ориентации, магнитометр - о направлении и азимуте, а барометр - о высоте и вертикальной скорости. Комбинированное использование этих датчиков позволяет достичь высокой точности и надежности навигационных систем.

Полетный контроллер в БПЛА

Полетный контроллер является важной частью системы управления беспилотного летательного аппарата мультироторного типа. Он выполняет ряд ключевых функций, связанных с управлением полетом, стабилизацией, навигацией и автономностью БПЛА. Общая структура полетного контроллера состоит из аппаратной и программной частей.

Аппаратная часть полетного контроллера включает в себя микроконтроллер, память, входы и выходы для подключения ИСН и дополнительных датчиков, а также коммуникационные интерфейсы для обмена данными с другими устройствами, например, с аппаратурой управления или персональным компьютером (ПК) наземной станции. Программная часть полетного контроллера состоит из специализированного программного обеспечения (ПО), которое выполняет основные функции управления полетом.

Полетный контроллер выполняет следующие основные функции:

• Управление полетом и стабилизация:

Полетный контроллер обеспечивает управление и стабилизацию полета БПЛА. Он получает данные от различных датчиков, таких как акселерометры, гироскопы и магнитометры, и анализирует их для определения текущего положения, ориентации и скорости БПЛА. Затем он вычисляет и отправляет соответствующие команды актуаторам, таким как электронные регуляторы скорости (ESC) моторов, для управления движением и стабилизации БПЛА в воздухе.

• Навигация:

Полетный контроллер также может выполнять функции навигации, позволяющие БПЛА определять свое местоположение и следовать заданному пути. Для этого контроллер использует данные из различных датчиков, таких как GPS, барометр и датчики ускорения, чтобы определить координаты местоположения, высоту и скорость БПЛА. На основе этих данных полетный контроллер может вычислить требуемые управляющие команды для достижения целевой точки назначения или выполнения заданного полетного маневра.

• Автономность:

Полетный контроллер обеспечивает автономность БПЛА путем выполнения сложных алгоритмов и принятия решений на основе входных данных от датчиков и других источников информации. Он может поддерживать автоматический полет, выполнять полетное задание, оптимизировать траектории полета, избегать препятствий и обеспечивать безопасность полета. Полетный контроллер также может поддерживать функции автоматической посадки, возврата на базу и точного задержания в воздухе.

• Коммуникация и связь:

Полетный контроллер обеспечивает коммуникацию с другими устройствами, такими как аппаратура управления или ПК наземной станции. Он передает данные о состоянии БПЛА, получает команды от оператора или других систем, и осуществляет обмен информацией для выполнения совместных операций или передачи данных для анализа и обработки.

В целом, полетный контроллер является центральным устройством управления и навигации в БПЛА мультироторного типа. Он объединяет аппаратную и программную составляющие для обеспечения управления полетом, стабилизации, навигации и автономности. Это позволяет БПЛА мультироторного типа выполнять разнообразные задачи, включая аэрофотосъемку, мониторинг, поиск и спасение, а также научные и исследовательские миссии.