WWW.INFO.Z-PDF.RU
БИБЛИОТЕКА  БЕСПЛАТНЫХ  МАТЕРИАЛОВ - Интернет документы
 


«ЦЕНТРАЛЬНЫЙ АДМИНИСТРАТИВНЫЙ ОКРУГ Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение города Москвы Лицей 30998475408324Автор: Дремов Александр Олегович, 9 «Е» класс Руководители: ...»

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ АДМИНИСТРАТИВНЫЙ ОКРУГ

Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение города Москвы Лицей 30998475408324Автор: Дремов Александр Олегович, 9 «Е» класс

Руководители: Ольховская Елена Александровна, учитель физики, ГБОУ Лицей №1581

Укладов Александр Владимирович,руководитель кружка«Авиамоделирование» ЦДЮТ«Пилот» СВАО

Автор: Дремов Александр Олегович, 9 «Е» класс

Руководители: Ольховская Елена Александровна, учитель физики, ГБОУ Лицей №1581

Укладов Александр Владимирович,руководитель кружка«Авиамоделирование» ЦДЮТ«Пилот» СВАО

10801355307878№1581 при МГТУ имени Н.Э.Баумана

Проектная работа

Разработка и постройка БПЛА самолётного типа для профессионального применения

Москва – 2017

ОглавлениеTOC \o "1-3" \h \z \uВведение PAGEREF _Toc477022916 \h 2Актуальность PAGEREF _Toc477022917 \h 3Цель работы. PAGEREF _Toc477022918 \h 3Задачи PAGEREF _Toc477022919 \h 3Методы исследования PAGEREF _Toc477022920 \h 4Разработка модели PAGEREF _Toc477022921 \h 4Улучшение существующей модели PAGEREF _Toc477022922 \h 7Постройка PAGEREF _Toc477022923 \h 9Электронная составляющая PAGEREF _Toc477022924 \h 9Испытания PAGEREF _Toc477022925 \h 10Возможность модифицирования PAGEREF _Toc477022926 \h 11Перспективы PAGEREF _Toc477022927 \h 11Заключение PAGEREF _Toc477022928 \h 11Список литературы и интернет ресурсов PAGEREF _Toc477022929 \h 12Приложение PAGEREF _Toc477022930 \h 13

ВведениеВ наши дни, ввиду развития технологий, появилась возможность использования беспилотного летательного аппарата (далее БПЛА) в гражданских целях. В основном БПЛА применяются в военных целях и крупными компаниями для локальных нужд, но я считаю, что основная причина задержки использования в гражданском секторе - высокая стоимость. Серийно выпускаемые беспилотники имеют огромное количество функций, однако использование дорогостоящих материалов и оборудования, выпускаемого этими же компаниями, делает БПЛА неоправданно дорогими.

Я решил построить БПЛА самостоятельно, используя общедоступные материалы и электронику. Основными требованиями к будущей модели были:

относительно низкая стоимость;

доступность материалов и простота изготовления;

наличие функции автоматического полёта;

использование потоковой передачи видеоизображения;

возможность использования в картографировании местности;

высокая грузоподъёмность;

длительное время полёта;

наличие всех остальных функций, присущим профессиональным БПЛА.

АктуальностьБПЛА имеет огромные возможности для применения. Например, с помощью беспилотных систем можно контролировать техническое состояние объектов и их безопасность и функционирование. К таким объектам могут относиться территории на большом удалении или в трудных местах. Например: трубопровод, ЛЭП, предприятия ТЭК. Ввиду высокой протяженности и территориальной обширности объектов наблюдение с воздуха является наиболее эффективным средством сбора данных об их состоянии.[7] Также модель может быть использована в земледелии. С помощью беспилотника можно определять зоны угнетенной и засушливой растительности, некачественный посев.

Рассмотрев существующие аналоги, я выяснил выяснил, что их средняя стоимость составляет около 1 000 000 рублей. Проведя подробный анализ на примере модели GeoScan201 [10], я выяснил, что реальная стоимость модели не превышает 80 000 рублей. Такое различие между ценой производства и рыночной стоимостью может оказаться непосильной для гражданского сектора.

Цель работы.Доказать, что самостоятельно можно изготовить профессиональный беспилотный летательный аппарат для выполнения широкого спектра задач, провести полевые испытания

ЗадачиВыбрать оптимальную схему БПЛА;

Построить действующую модель БПЛА;

Провести полевые испытания;

Доработка модели после испытаний;

Сравнить модель с аналогами на рынке;

Рассмотреть практическое применение.

Методы исследованияИзучение материалов по данной теме;

Моделирование;

Экспериментальный;

Объяснение явлений.Разработка моделиВсе БПЛА можно разделить на две группы: мультироторные системы (квадрокоптеры, трикоптеры, октокоптеры и т.д.) и системы самолетного типа (модели, летающие за счет подъемной силы крыла).

Мультироторные системы, в отличие от самолетных, имеют возможность зависать на месте, что позволяет производить более качественную съемку неподвижных объектов. Но для удержания модели в воздухе используется от 3 моторов, которые на протяжении всего полета должны быть включенными, затраты энергии гораздо больше, чем у самолета, что ведет к короткому полетному времени. Учитывая этот фактор, я выбрал модель самолетного типа, так как длительность полета для меня является ключевым фактором.

Разработка модели началась с выбора схемы БПЛА и его типа.

Рис. 1. Известные модели БПЛА. [9]

6352984500

В своем выборе я учитывал:

Большую площадь крыла;

Высокие обтекаемые качества;

Высокое качество крыла;

Простота схемы;

В итоге я пришёл к выводу, что лучшим решением будет выбор самолета типа летающее крыло или бесхвостка (далее ЛК). Схема ЛК имеет минимальное аэродинамическое сопротивление, высокую площадь крыла и содержит минимум элементов, облегчая процесс постройки.

Выбранная геометрия крыла имеет удлинение 4,68. Это оптимальное удлинение, которое позволяет использовать термические потоки и одновременно снижает индуктивное сопротивление, повышая качество крыла. Также крыло имеет стреловидность, которая обеспечивает продольную устойчивость самолета.

В своей модели я выбрал S-образный профиль NASA M-6. Профиль данного типа имеет отличие от обычного тем, что при увеличении угла атаки центр приложения силы смещается назад, а не вперёд, как у обычного профиля. Вследствие этого появляется момент, стремящийся вернуть угол атаки в исходное положение. Так же этот профиль дополнительно обеспечивает продольную устойчивость. [Табл.1 Характеристика профиля Nasa M-6 [9]]

На основании данных таблицы был построен график, позволивший выявить самый эффективный угол атаки. Это угол 4,5 градуса. При таком угле качество крыла достигает своего пика.

График 1 Зависимость качества от угла атаки.

Я сделал электронную таблицу для анализа того, как повлияет изменение параметров (вводные данные) на характеристики самолета в целом. Это позволило мне оптимизировать выбор параметров самолета в целом.

Табл. 2 Электронная таблица для расчета показаний

Число Ответ Вводные данные: Не для редактирования. Y-Подъёмная сила(кг) 1,83351363500191 р воздуха(кг/м^3)= 1,125 = E2 \# "0" \* MERGEFORMAT1,125 X-Сопротивление(кг) 0,980816326530612 V полёта(М/с)= 10 = E3/10*36 \# "0" \* MERGEFORMAT36 Км/час

Качество = E5/E6 \# "0" \* MERGEFORMAT1,86797752808989 S крыла(дм^2)= 48 = E4/100 \# "0" \* MERGEFORMAT0,48 М^2

Cxi - Индуктивное сопротивление(кг) 0,00306581740976645 Cy= 0,665 = E5 \# "0" \* MERGEFORMAT0,665 Подъем. Сила /масса = B2/F8 \# "0" \* MERGEFORMAT1,41039510384762 Cx = 0,356 = E6 \# "0" \* MERGEFORMAT0,356 Удельная нагрузка на несущую поверхность = E8/E4 \# "0" \* MERGEFORMAT27,0833333333333 САХ(М)= 0,326 = E7 \# "0" \* MERGEFORMAT0,326 М

Re = 70*E3*E7*1000 \# "0" \* MERGEFORMAT228200 Вес (гр) 1300 = E8/1000 \# "0" \* MERGEFORMAT1,3 Кг

Удлинение крыла 4,6875 Размах(дм)= 15 = E9/10 \# "0" \* MERGEFORMAT1,5 М

Общее сопротивление аэродинамическое (кг) = B5+B3 \# "0" \* MERGEFORMAT0,983882143940379 Динамическая вязкость воздуха= 1,85 = E10 \# "0" \* MERGEFORMAT1,85 (Н. c / м2) x 10^-5

Величина вектора R 2,07936839355775 Тяга(гр) 900 = E11/1000 \# "0" \* MERGEFORMAT0,9 Кг

Угол атаки(град) 5 0,0872664625997165 Рад

При разработке была создана 3D модель самолета с помощью продуктов компании Autodesk для продувки в виртуальной авиационной трубе для выявления критических углов атаки и общей картины движения потоков.

Рис.2 3D модель

68262548260000Рис.3 Продувка модели в авиатрубе: вид спереди

91503562103000Рис.4 Продувка модели в авиатрубе: вид сбоку

Итоги продувки в авиатрубе:

Опровергнуто пагубное влияние обтекателя на КПД винта из-за возмущения вихревых потоков.

Получена полная картина обтекания модели.

Подобрана оптимальная форма и площадь винглетов.

Улучшение существующей моделиСамолёт схемы ЛК летает по тем же законам, что и самолеты классической схемы. На крыло самолёта действует подъемная сила, создаваемая профилем крыла. Вследствие закона Бернулли, под крылом создаётся зона повышенного давления, а над крылом - пониженного. Из-за разницы давлений создаётся подъемная сила.

Недостатки модели Решение для моей модели

Голландский шаг

(перетекание потоков в нижней части крыла между консолей, следствием чего является «Скольжение» по инерции) Использование большого удлинения и стреловидности крыла, а также применение винглетов

Минимум места для размещения электроники Внедрение верхнего обтекателя, под которым в дальнейшем и разместилась вся электроника.

В итоге разработанная мной модель имеет следующие преимущества:

Высокая площадь несущей поверхности, так как самим самолетом и является крыло.

Легкость транспортировки.

Высокие скоростные характеристики, без потери эффективности расхода энергии.

Постройка•Материалы.

Спрессованный плиточный пенопласт, сосновые рейки, 3 мм фанера и виниловая пленка. (Суммарные затраты 1900 руб)

•Перенос чертежей на материал.

Я вырезал консоли будущего крыла из пенопласта. Самым сложным этапом постройки было изготовление нервюр. По проекту каждая консоль крыла должна включать в себя в общей сложности 20 нервюр. Построив корневую нервюру и отмасштабировав, я получил 10 шаблонов. В качестве лонжерона я использовал рейку 20*10 мм. В корне крыла использовался лонжерон 40*10 мм.

•Сборка крыла.

Собрав скелет из нервюр, я обшил его пенопластом снизу. Далее я повторил это действие для второй консоли. После того, как все нервюры и лонжероны были на месте, я принялся обклеивать верхнюю часть. На этом этапе самолёт был собран.

• Установка и настройка электроники.

Этот этап включает в себя монтаж сервомеханизмов, мотора, автопилота, всех датчиков и проводки.

Электронная составляющаяПостроенный мною БПЛА имеет тот же набор функций и возможностей, что и серийно выпускаемый. На этот самолёт я установил бесколлекторный мотор 1100 об/В, с винтом 9*6 тяга должна быть около 1кг. Управление отклоняемыми поверхностями осуществляется сервомеханизмом с усилием 3 кг/см. Мозгом и сердцем самолета является автопилот на базе Arduino, который может выполнять полностью автоматический полет. Автопилот выполняет ряд задач, без которых полет самолета не может использоваться целенаправленно. Плата стабилизирует самолет в горизонт с помощью корректировки сигнала, отправляемого сервомеханизмам, которые в свою очередь создают компенсирующие силы, выравнивающие модель. С помощью барометра автопилот следит за высотой и не позволит залететь на критическую высоту по ошибке оператора. Борт БПЛА питается от LiPo аккумулятора емкостью 4500 mAh, с возможностью расширения до 9000 mAh. Это позволяет производить полет в течении 1,5 часа.

Передача радиосигнала осуществляется с помощью радиопередатчика 2,4 GHz, мощностью 600 mW, этого хватает на осуществление управления в радиусе 6 км. Отправка потокового видео с полетной информацией происходит с помощью видео передатчика частотой 5.8 GHz аналогично, дальности хватает на 6 км. Также присутствует передатчик телеметрии частотой 433 MHz. На самолете используется 3 вида антенн:

Vee-диполь На телеметрийный модуль установлен Vee-диполь. Его диаграмма направленности немного вытянута в сторону угла между плечами. Это помогает получить более стабильный сигнал при возврате на базу.

Монополь Используется на приемнике сигнала управления самолетом. Монополь имеет всенаправленную диаграмму направленности

Клевер На видео передатчике установлена антенна типа “Клевер”. Она имеет круговую поляризацию, а диаграмма направленности имеет форму тора. Это позволяет получить стабильный видео сигнал при любом положении самолета.

В качестве курсовой камеры используется Sony, но перед тем, как подать видеосигнал к передатчику, сигнал проходит через OSD модуль, накладывая всю полетную информацию на видео. Для определения местоположения и функционирования автопилота используется GPS модуль с поддержкой ГЛОНАС и GPS. Взлёт самолета осуществляется с резиновой катапульты.

ИспытанияМодель была испытана в полевых условиях. В результате первого полета выяснилось, что БПЛА имеет переднюю центровку, из-за нее самолет становится неуправляемым и появляется крутящий момент, стремящийся перевернуть его через нос. Эта проблема была исправлена с помощью переноса аккумулятора из носовой части в хвостовую.

Далее на модели происходила настройка PID регулятора автопилота и всех остальных управляющих систем. Последний этап тестирования - контрольный полет для уверенности в том, что самолет полностью готов.

Возможность модифицированияЛюбой конечный продукт может быть модифицирован в лучшую сторону. В моей модели главным элементом для модификации является возможность мгновенной посадки на парашюте. Это бы облегчило выбор места для взлёта и посадки.

Взлёт осуществляется с катапульты с последующим набором высоты, требования к месту взлёта минимальны. Но так как самолёт имеет очень маленькую удельную нагрузку на несущую поверхность и лобовое сопротивление, БПЛА может долго планировать. Это неопровержимый плюс при выполнении задач, но превращается в минус при посадке. Приходится строить глиссаду далеко от места посадки, для того, чтобы было время погасить скорость. Парашют бы решил эту проблему.

Следующей модификацией может быть установка LongRangeSystem. Эта модификация позволит увеличить радиус управляемого с земли полёта до 50 км, но эта модификация требует как материальных, так и конструктивных затрат. Лучшим решением я считаю внедрение усилителя сигнала в уже существующие передающие радио модули.

ПерспективыУстановка GoPro в дно самолета для получения снимков поверхности и составления карты местности.

Провести полноценный анализ труднодоступной местности.

ЗаключениеЯ сделал действующий БПЛА самолетного типа (летающее крыло). Стоимость конечного продукта вышла в разы меньше, чем цена аналогичных БПЛА. Стоит отметить, что более 90% от общей стоимости приходится на электронику. На своём примере я показал, что беспилотный комплекс необязательно должен быть дорогим для достижения поставленных целей. Я считаю, что внедрение БПЛА в гражданский сектор принесло бы большое количество плюсов.

Список литературы и интернет ресурсовК.Н. Дробович, В.А. Макаров, С. С. Чесноков. Физика. Практический курс для поступающих в университеты. Москва, Физматлит, 2010.

Б.М. Яворский, Ю.А. Селезнев Справочное руководство по физике для поступающих в ВУЗы и самообразования, Москва, Наука, 1979.

Реализация аэродинамического принципа полета. http://oat.mai.ru/book/glava04/4_4/4_4.htmПАРКФЛАЕР. Сайт для авиамоделистов http://www.parkflyer.ru/blogs/view_entry/1730/Авиамоделирование. http://www.aviamodeling.narod.ru/planer.htmБиблиотека Ихтика Физика. Астрономия. http://ihtik.lib.ru/2012.03_ihtik_physic/Методы управления беспилотными летательными аппаратами в общем воздушном пространстве с использованием полетной информации при автоматическом зависимом наблюдении.http://www.dslib.net/vozd-navigacia/metody-upravlenija-bespilotnymi-letatelnymi-apparatami-v-obwem-vozdushnom.htmlРуководство по распознанию дронов http://www.popsci.com/article/technology/guide-spotting-and-hiding-dronesСправочник авиационных профилей http://kipla.kai.ru/liter/Spravochnic_avia_profiley.pdfГеоскан. https://www.geoscan.aero/ru/products/

Приложение-232410527685Приложение 1. Свидетельство о регистрации модели

Приложение 2.

Табл.1 Характеристика профиля Nasa M-6 [9]

Cx Cy Угол атаки Качество

0,0108 -0,202 -3 = B2/A2 \# "0" \* MERGEFORMAT-19

0,0093 -0,097 -1,5 = B3/A3 \# "0" \* MERGEFORMAT-10

0,0008 0,016 0 = B4/A4 \# "0" \* MERGEFORMAT20

0,0097 0,126 1,5 = B5/A5 \# "0" \* MERGEFORMAT13

0,0111 0,237 3 = B6/A6 \# "0" \* MERGEFORMAT21

0,0147 0,340 4,5 = B7/A7 \# "0" \* MERGEFORMAT23

0,0212 0,456 6 = B8/A8 \# "0" \* MERGEFORMAT22

0,0356 0,665 9 = B9/A9 \# "0" \* MERGEFORMAT19

0,0565 0,875 12 = B10/A10 \# "0" \* MERGEFORMAT15

0,0816 1,073 15 = B11/A11 \# "0" \* MERGEFORMAT13

0,1188 1,222 18 = B12/A12 \# "0" \* MERGEFORMAT10

0,1861 1,169 21 = B13/A13 \# "0" \* MERGEFORMAT6

Похожие работы:

«Резолюция конференции педагогических работников "Развитие системы образования: от результатов к осознанному выбору профессиональной деятельности учащихся" г. Старые Дороги 23 августа 2016 года 23 августа 2016 года прошла конфе...»

«Лабораторная работа №1 "Исследование движения тел в диссипативной среде" Какие параметры характеризуют исследуемую систему как диссипативную? От каких величин зависит коэффициент сопротивления движе...»

«17 марта 2017 года в ГБПОУ "Брянский областной колледж искусств" (ул.Горького, д.35) состоится Брянская областная открытая теоретическая олимпиада по сольфеджио, посвященная 230-летию со дня ро...»

«ПРОЕКТ Кодекс профессиональной этики педагогических работников образовательных организаций Алтайского края1. Общие положения1.1. Кодекс профессиональной этики педагогических работников организаций, осуществляющих образовательную деятельность на территории Алтайского края (далее Кодекс), соответствует Конституции Российской...»

«В нашем детском саду проводятся краткосрочные образовательные практики (КОП).Предлагаем Вашему вниманию фото детей подготовительной к школе группы №3 "ПОЧЕМУЧКИ" на краткосрочных образовательных практиках:ЗНАКОМСТВО С ТЕХНИКОЙ "ТОРЦЕВАНИЯ" В АППЛИКАЦИИ. воспитатель О.А.Бабаева Актуальность Техник...»

«Победа – это исходя из определения В. Даля то, что происходит после беды. Победа в военном сражении, в соревновании. То есть всегда победе предшествует какое-то серьёзное испытание. Ситуация конкурсов, соревнований стрессовая сама по себе, схожа с ситуацией экзаменов, но усугубляется к тому же незнакомой обстановкой, ограниченностью времени...»

«Примерно разпределение! УЧИЛИЩЕ.. учебна годинаГОДИШНО ТЕМАТИЧНО РАЗПРЕДЕЛЕНИЕПО ФИЗИКА И АСТРОНОМИЯ за IХ клас, ЗАДЪЛЖИТЕЛНА ПОДГОТОВКА Годишен хорариум: 36 учебни седмици х 2ч седмично = 72 ч.годишно Учебник по Физик...»








 
2018 www.info.z-pdf.ru - «Библиотека бесплатных материалов - интернет документы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 2-3 рабочих дней удалим его.