XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Проектирование БПЛА для осуществления доставки грузов в труднодоступные районы РФ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Игошева С.М. 1

---

1МАОУ "Лицей №38"

Еделев А.Ю. 1

---

1МАОУ "Лицей №38"

Работа в формате PDF

1.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Актуальность

Россия – огромная страна, с разнообразным рельефом. И он далеко не везде ровный и удобный для перемещения по земле. Горные местности, непроходимые леса, болота, и другие не позволяют человеку дойти или доехать до некоторых мест нашей страны. Также, в таких районах живут люди, которым необходимы товары первой необходимости. В этой ситуации может помочь БПЛА (беспилотный летательный аппарат). Он обладает многими преимуществами в отличии, даже, от самолета и вертолета. Он с легкостью может доставить необходимый груз. Необходима только небольшая взлетная полоса.

Проблема

Проблема доставки грузов в труднодоступные места из-за сложного рельефа местности.

Цель

Разработка и создание цифрового прототипа беспилотного летательного аппарата (БПЛА) самолетного типа, способного эффективно решить проблему труднодоступной доставки грузов в удаленные районы России, используя отечественные комплектующие и инженерные разработки.

Задачи

1. Изучить различные компоновки, сделать таблицу с технологическими решениями.

2. Описать функционал БПЛА.

3. Выбрать ПО для БПЛА.

4. Создать эскиз, учитывая все аспекты разработки ЛА.

5. Создать цифрового двойника.

6. Произвести прочностные расчеты.

7. Подобрать необходимые компоненты и составить смету.

8. Разработать радиоэлектронную цепь БПЛА.

9. Разработать бортовое ПО.

10. Произвести необходимые физико-математические расчеты.

11. Придумать и описать все технологические процессы для создания прототипа БПЛА.

План работы над проектом

1. Изучить различные компоновки, сделать таблицу с технологическими решениями.

2. Описать функционал БПЛА.

3. Создать эскиз, учитывая все аспекты разработки ЛА.

4. Создать цифрового двойника.

5. Произвести прочностные расчеты.

6. Подобрать необходимые компоненты и составить смету.

7. Разработать радиоэлектронную цепь БПЛА.

8. Разработать бортовое ПО.

9. Произвести необходимые физико-математические расчеты.

10. Придумать и описать все технологические процессы для создания прототипа БПЛА.

Аналитический этап

Преимущества и недостатки БПЛА самолетного типа

Преимущества

• Большая длительность полета

• Высокая скорость

• Максимальная высота полета

• Передача информации в реальном времени

• Низкий уровень шума

• Низкий уровень вибрации

Недостатки

• Нет возможности пилотировать на одном месте

• Для взлета нужна ВПП или катапульта

Области применения БПЛА самолетного типа

БПЛА самолетного типа может применяться в различных сферах.

Рассмотрим применение БПЛА в с/х, геодезии и мониторинге:

Сельское хозяйство: Использование БПЛА для планирования и контроля этапов сельскохозяйственного производства, а также для химической обработки посевов и других растений

Геодезия: Архитектура, кадастр, строительство зданий и сооружений, добыча полезных ископаемых и др.

Мониторинг: Мониторинг мостов, труднодоступных или опасных объектов, мониторинг городских свалок, ж/д путей, мониторинг хода работ и др.

Рассмотрим подробнее применение различных типов беспилотников:

Для сельского хозяйства необходим БПЛА, способный распылять удобрения, анализировать местность, и выполнять другие задачи, поставленные агрономами. Для их выполнения лучше подходит БПЛА мультироторного типа. А БПЛА самолетного типа можно применять на протяженных объектах.

Мониторинг. Если необходимо изучить большие территории, то необходим БПЛА самолетного типа. Если же необходимо находиться на одном месте, следить за чем то, то для этих задач лучше подходит мультироторный БПЛА.

Геодезия. Точнее преодоление больших расстояний и доставка грузов. Для таких задач подходит БПЛА самолетного типа. Благодаря его аэродинамическим качествам, он способен быстро и экономично долетать до места назначения. Хотелось бы отметить, что для данной задачи также подойдет БПЛА мультироторного типа. Ведь не везде есть ВПП или просто наличие ровной дороги. Но я остановлю свой выбор на БПЛА самолетного типа.

Возможный функционал и конструктивные особенности БПЛА самолетного типа

1. Дистанционное управления с возможностью автопилотирования.

2. Оснащение видеокамерой.

3. Контроль работы всех подсистем с помощью полетного контроллера.

4. Индикация о потенциальных ЧС, проблемах.

5. Возможность в воздухе открыть багажный отсек.

6. Защита от самопроизвольного открытия багажного отсека.

7. Оснащение высотометром

8. Оснащение авиагоризонтом

Изучение компоновок и аэродинамических схем БПЛА

Системный анализ аналогичных БПЛА

Исследуемый БПЛА самолетного типа. Такой тип имеет как достоинства, так и недостатки. Они были описаны ранее. Сравним этот тип и другие.

Разновидности типов БПЛА:

• Беспилотники самолётного типа.

• Мультироторные аппараты.

• Модели аэростатического типа.

• Беспилотные конвертопланы и гибридные модели

Мультироторные БПЛА:

К мультироторным относятся БПЛА, имеющие независимые 2 и более несущих винта. Реактивные моменты уравновешиваются за счет вращения винтов попарно в разные стороны. Используются для видео и фотофиксации обстановки с высоты, визуальной разведки на местности, контроля границы, поиска и преследования правонарушителя/противника в условиях плохой видимости, наблюдения за толпой, поиск угроз и др.

Преимущества

• Вертикальный взлет и посадка, зависание Высокая маневренность и малые габариты

• Простота в обслуживании и ремонте

Недостатки

• Малая продолжительность полета

• Зависимость от погодных условий

• Сложность управления для FPV

• Высокий уровень шума

Аэрокосмические БПЛА:

Аэростаты имеют оболочку, заполненную газом или нагретым воздухом, для создания подъемной силы (силы Архимеда). Используются для долгосрочного наблюдения, связи, метеорологии и других задач.

Преимущества

• Продолжительность полета на протяжении нескольких дней или недель

• Большая грузоподъемность

Недостатки

• Ограниченная маневренность и скорость

• Большая зависимость от погодных условий

• Большие размеры и масса

Беспилотные конвертопланы и гибридные модели:

Гибридный БПЛА - летательный аппарат с поворотными (или фиксированными) винтами, которые при взлете и посадке работают как подъемные, а при горизонтальном полете как тянущие, в полете подъемная сила обеспечивается фиксированным крылом. Сочетают преимущества БПЛА самолётного мультироторного типа, что дает гибкость при выполнении различных задач. Используются для полетов на большие расстояния и с большой полезной нагрузкой, таких как поисково-спасательные операции и выращивание сельскохозяйственных культур

Преимущества

• Вертикальный взлет и посадка, зависание

• Высокая скорость и маневренность

• Большие, чем у мультироторов, время полета и полезная нагрузка

Недостатки

• Сложность обслуживания и ремонта

• Зависимость от погодных условий

• Дороговизна, сложность управления

Таким образом мы еще раз убедились в том, что БПЛА самолетного типа подходит нам больше всего, т.к. он наиболее лучшим образом подходит для выполнения поставленной перед нами задачи.

Практическая часть

Эскиз концепции БПЛА

Узлы, детали и облик БПЛА самолетного типа

Прочностные расчёты БПЛА самолетного типа

Прочностные расчеты - определение наименьших размеров поперечного сечения элементов конструкции, при которых исключается возможность разрушения конструкции при действии заданных нагрузок. Другими словами напряжения, возникающие в рассматриваемых поперечных сечениях, не должны превышать расчетного сопротивления материала

Расчет устойчивости

Р асчет собственных колебаний

Здесь представлены прочностные расчеты отдельных частей БПЛА, а именно крыла, стабилизатора и киля (крыло и стабилизатор в нашем БПЛА отличаются только размером). Т.к. они наиболее подвержены неблагоприятному влиянию окружающей среды.

Синим отмечена зона, которая меньше всего подвержена разрушениям, и испытывает меньше всего нагрузки. Красным же, наоборот, зона, подверженная наибольшему разрушению и испытывающая наибольшую нагрузку.

Смета проекта

Электрическая схема и радиоэлектронная цепь БПЛА

Включает в себя 6 сервоприводов, батарейный отсек, винт, регулятор скорости, плата Arduino UNO

Бортовое программное обеспечение

(алгоритмы, команды, функции)

Код включает в себя

1. Подключение 6 сервоприводов (элероны, закрылки, руль высоты, руль поворота, открывание/закрывание багажного отсека, винт)

2. датчик MPU9250 Девяти осевое (Гироскоп + акселерометр + Компас) устройство MEMS MotionTracking™

Принцип работы программы:

Оператором задается угол, на который нужно повернуть элероны, закрылки, руль высоты или руль поворота. После чего, команда выполняется. Также оператор может либо открыть багажный отсек, либо закрыть его. А управление двигателем осуществляется путем увеличения или уменьшения мощности по кнопке на пульте управления.

Программный стек технологий

• КОМПАС 3D

КОМПАС-3D – это российская импортонезависимая система трехмерного проектирования, ставшая стандартом для тысяч предприятий и сотен тысяч профессиональных пользователей.

КОМПАС-3D широко используется для проектирования изделий основного и вспомогательного производств в таких отраслях промышленности, как машиностроение (транспортное, сельскохозяйственное, энергетическое, нефтегазовое, химическое и т.д.), приборостроение, авиастроение, судостроение, станкостроение, вагоностроение, металлургия, промышленное и гражданское строительство, товары народного потребления и т. д.

• Arduino UNO

Arduino IDE — это интегрированная среда разработки для Windows, MacOS и Linux, разработанная на Си и C++, предназначенная для создания и загрузки программ на Arduino-совместимые платы, а также на платы других производителей.

Простая и функциональная среда разработки для создания создания собственного ПО, которым управляются многочисленные устройства, собранные начинающими и опытными электронщиками.

• Fritzing

Fritzing – Бесплатная программа для инженеров и конструкторов, помогающая создавать и документировать прототипы электрических цепей и схем, в том числе на базе Arduino и Raspberry Pi.

Физико-математические расчёты

Аэродинамические расчеты (давление, турбулентность, диссипация, турбоэнергия)

Результат расчета силы сопротивления и подъема крыла

(результат расчета собственных частот крыла)

Максимальная взлетная масса — допустимая масса самолета с дополнительным запасом топлива, вооружением или грузом.

где m_констр = f₁ (m₀, параметры крыла) – масса конструкции; m_с.у = f₂ (m₀, параметры силовой установки) – масса силовой установки; m_об.упр = f₃ (m₀, параметры оборудования управления и всего самолета) – масса оборудования и управления; m_топл = f₄ (m₀, V, L, H, c_P, K=c_y/c_x, режим полета) – масса топлива; m_ц.н = const – заданная целевая нагрузка; m_сл = const – известная служебная нагрузка и снаряжение

Дальность полета — дальность полета при допустимых изменениях во взлетной массе самолета, то есть, возможно, с неполной загрузкой и дополнительным топливом.

Максимальная скорость — скорость, достижимая на прямолинейном участке с постоянной высотой и заданной массой самолета.

Значение взлетной массы, дальности полета и максимальной скорости рассчитывались с помощью других БПЛА, характеристики которых схожи с характеристиками нашего БПЛА.

Таким образом максимальная взлетная масса составила 120 кг, дальность полета без дозаправки – 700 км, а максимальная скорость нашего БПЛА – 150 км/ч.

Технологические процессы

• Моделирование

• 3D-печать (узлы)

• Обработка деталей (шлифовка)

• Разметка стеклопластика

• Резка стеклопластика

• Обработка

• Сборка

• Пайка радиокомплектующих

• Установка радиокомплектующих

• Прошивка радиокомплектующих

• Калибровка

(перейдя по QR-коду можно подробнее увидеть как детали, сборочный чертеж БПЛА, так и радиосхему)

Выводы

Мы разработали и создали цифровой прототип беспилотного летательного аппарата (БПЛА) самолетного типа, способного эффективно решить проблему труднодоступной доставки грузов в удаленные районы России

Произвели все необходимые технологические расчеты.

Предложили новую концепцию энергоносителя БПЛА для более выгодных и устойчивых доставок.

В наших планах и дальше реализовывать данный проект, совершенствовать технологии автоматической и ручной доставки, привносить свежие идеи, аналогичные использованию водорода, использовать базу отечественной электроники, задавая тенденции для ее развития.

Использованная литература и источники

Источники:

• https://www.kbgo.ru/blog/primenenie_bespilotnika_s_vertikalnim_vzletom_i_posadkoi

• https://ts2.space/ru/каковы-ожидаемые-материалы-и-вариант/#gsc.tab=0

• https://school-science.ru/15/22/50757

• https://studopedia.su/14_70145_o-vibore-aerodinamicheskoy-komponovki-letatelnogo

• https://dzen.ru/a/ZH8L_-RucQcXDsuJ

• https://sch1794s.mskobr.ru/files/Razdelyi_sayta/Kadetyi/PREDPROF_ekzamen/Презентация.pptx.pdf

• https://aeromotus.ru/uavs-in-geodesy-opportunities-and-prospects/

• https://robotrends.ru/robopedia/oblasti-primeneniya-bespilotnikov

• https://studfile.net/preview/859264/page:3/

Литература:

• Беспилотные летательные аппараты. Основы механики управляемого полёта / Горбатенко С.А. // URSS -2020. - 140 с.

• Рэндал У. Биард, Тимоти У. МакЛэйн Малые беспилотные летательные аппараты: теория и практика Москва: ТЕХНОСФЕРА, 2015. – 312 c.

• Richard K. Barnhart • Stephen B. Hottman Douglas M. Marshall •Eric Shappee INTRODUCTION TO UNMANNED AIRCRAFT SYSTEMS /CRC Press. - 2012. - 214 p.

• Беспилотные летательные аппараты. Справочное пособие /Издательско-полиграфический центр “Научная книга”. - 2015. -615 с.

• Афанасьев П.П., Голубев И.С., Новиков В.Н., Парафесь С.Г.,Пестов М.Д., Туркин И.К. Беспилотные летательные аппараты /Издательство МАИ. - 2008. - 656 с.