КИРМ “Шершень”. Подвижный модуль и модуль обеспечения

XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

КИРМ “Шершень”. Подвижный модуль и модуль обеспечения

Назаров Д.О. 1Велетень А.А. 1
1г. Москва, ГБОУ Школа № 2044 имени А. С. Серебрякова
Кондрашова Кристина Олеговна 1
1 ГБОУ Школа № 2044 имени А. С. Серебрякова
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Актуальность:

Изменение характера войны делает новые вызовы к средствам обнаружения угроз (человек, дрон). Вследствие постоянной модернизации вооружения резко увеличивается риск солдата быть замеченным и уничтоженным. Поэтому необходимо обеспечить солдата индивидуальным средством разведки окружающего пространства, с помощью которого можно будет безопасно получать разведданные.

Новизна:

Предоставление нового технического решения, не имеющего аналогов.

Проблема:

Отсутствие подходящих решений для КИРМ Шершень

Цель:

Продумать и напечатать подвижный модуль и модуль обеспечения КИРМ Шершень

Практическая значимость:

Реализованные модули кладут начало новому комплексу, ускоряя его реализацию.

Задачи:

1. Проанализировать информацию о строении квадрокоптера и посадочных станциях;

2. Продумать модули системы;

3. Сделать эскизы модулей;

4. Создать виртуальные ЗD-модели в среде разработки 3D моделирования;

5. Частично реализовать прототипы в виде ЗD-модели;

6. Показать преимущества и недостатки выдвинутого решения;

Методы:

1. Анализ существующих решений;

2. Дебаты с другом/коллегой по проекту;

3. Обращение к ресурсам интернета;

4. 3D-моделирование;

5. 3D-печать;

6. Черчение.

Краткий обзор используемой литературы и источников:

  1. Приёмы устранения технических противоречий. ТРИЗ для чайников - Данная книга содержит в себе приёмы устранения технических противоречий. Знания, полученные в этой книги помогли реализовать технические решения при создании элементов модулей.

  2. AlexGyver. Квадрокоптер своими руками [Часть 1 - сборка и подключение]. Данный видео-контент позволил сделать краткий экскурс по составу квадрокоптера. Также этот материал на начальном этапе помог понять степень сложности создания и прошивки квадрокоптера, переубедив нас создавать вживую комплекс и все сопутствующие модули.

  3. Все о квадрокоптерах | PROFPV.RU. Данный текстовый материал позволил подробнее изучить элементы квадрокоптера, сделал экскурс по существующим элементам.

Личный вклад:

Велетень Андрей - продумал и создал модуль обеспечения комплекса. Участвовал в продумывании модулей комплекса. Сделал текстовый документ.

Назаров Даниил - продумал и создал подвижный модуль. Участвовал в продумывании модулей комплекса. Сделал презентацию, документы в приложении.

Глава 1. Теоретическая часть

1. Что такое КИРМ Шершень?

КИРМ – комплекс индивидуальной разведки местности. В основе данного комплекса лежит квадрокоптер, который соединён проводом с посадочной станцией. От посадочной станции квадрокоптер соединяется с пультом. Данный комплекс придуман нами и в данный момент находиться на стадии концепции (замысел). Подробнее о данном комплексе можно узнать, перейдя по ссылке в приложении.

Рис.1. Схематичное изображение комплекса

2. Что реализуется в проекте «КИРМ Шершень. Подвижный модуль и модуль обеспечения.»?

В этом проекте реализуются 2 модуля из этой концепции (подвижный модуль и модуль обеспечения). Обращаем внимание, что по ряду причин мы занимались продумыванием исключительно этими модулями, не затрагивая остальные!

3. Подвижный модуль:

3.1. Требования к Подвижному модулю, на основе которых был создан модуль.

(подробнее в” КИРМ Шершень. Концепция” (см. приложение)). Стоит заметить, что модуль был реализован не по всем критериям, которые были заданы в 1 части проекта. Это обусловлено необходимостью выбора компромиссного решения, соответствующего наиболее важным критериям:

  • Малогабаритность;

  • Прочность конструкции;

  • Наличие полезной нагрузки;

  • Защищённость винтов и полётного контроллера;

  • Возможность к маскировке;

  • Возможность замены комплектующих;

  • Цена комплектующих;

  • Простота создания элементов конструкции;

  • Простота в сборке конструкции;

3.2. Состав подвижного модуля.

Подробнее о характеристиках элементов, их преимуществах смотрите в таблице (см. приложение).

3.2.1. Созданные элементы:

  1. Центральный блок.

  2. Боковая защита пропеллеров.

  3. Верхняя защита пропеллеров.

  4. Верхняя и нижняя пластины.

3.2.2. Покупные элементы:

  1. Регулятор оборотов + полётный контроллер + плата разводки питания.

Роль регулятора оборотов:

  1. Регуляция скорости оборотов двигателей.

Роль полётного контроллера:

  1. Преобразования команд модуля управления и подача команд на регуляторы оборотов.

Роль платы разводки питания:

  1. Распределение тока на элементы Подвижного модуля и на элементы комплекса.

  1. Бесщёточный двигатель.

  2. Пропеллер.

  3. Болтики и гайки под резьбу М3, М4.

  4. Хомут.

3.3. Материалы для создания модуля:

3.3.1. ABS пластик. Используется для создания боковой, верхней защиты пропеллеров, центрального блока. Данный пластик выбран из-за своей дешевизны, прочности, популярности, стойкости к влаге, жёсткости.

3.3.2. Карбон. Используется для создания верхней и нижней пластины. Выбран ввиду своей прочности, лёгкости и популярности.

3.4. Преимущества модуля:

  1. Размеры. Итоговая конструкция модуля имеет размеры 200мм на 200мм на 91мм. Это сильно усложняет задачу противника по попаданию и выведению из строя модуля.

  2. Возможность установки элементов из модуля маскировки.

  3. Боковой захват для пальцев. В конструкции предусмотрено так называемое “пузико”, благодаря которому возможен захват модуля пальцами рук.

  4. Возможность быстрого снятия верхней защиты и последующей замены пропеллера ввиду наличия быстросъёмного расходника – хомута.

  5. Присутствие места на элементы модулей управления, связи, питания и радиоразведки.

3.5. Недоработки конструкции:

  1. Присутствие лишнего веса. Из-за опасений по поводу прочности конструкции было сделана чрезмерно прочная конструкция. После детального обзора прототипа и crash-теста пришло понимание о возможности значительно облегчить конcтрукцию.

  2. Отсутствует защиты от влаги. К сожалению, на данный момент не было найдено надёжного способа защитить от влаги электронные компоненты модуля.

  3. Потеря значительной тяги из-за неудачного расположения винтов. Данный недостаток был выявлен после сборки прототипа.

3.6. Важные замечания:

  1. Я занимался исключительно продумыванием Подвижного модуля. Поэтому есть вероятность того, что на модуле может не хватить места.

  2. Данный модуль не летает, поскольку для того, чтобы он выполнял свой функционал, необходимы остальные модули системы, большинство из которых не продуманы и не реализованы.

3.7. Параметры модуля:

    1. Себестоимость модуля – 16 744 рублей. В подсчёт стоимости входят: стоимость покупных компонентов, стоимость затраченного материала на созданные элементы. Расходные материалы (припой, флюс), затраты на электроэнергию не входят в подсчёт стоимости. Стоит отметить, что была подсчитана приближённая примерная стоимость модуля, поскольку, во-первых, цены на элементы постоянно меняются, во-вторых, не представляется возможным подсчитать затраты на доставку и сборку модуля.

    2. Масса модуля – 559 г. В подсчёт массы модуля входят: масса элементов модуля, масса расходных материалов (флюс, припой). Стоит отметить, что взлётная масса отличается от массы модуля (не учитываются элементы других модулей).

4. Посадочная станция:

4.1. Вводная информация:

Посадочный ангар - устройство для хранения, транспортировки и полностью автоматического наземного обслуживания беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) вертикального взлета и посадки. Комплекс обеспечивает автономное выполнение миссии БПЛА. Первое назначение посадочной станции — хранение дрона до того момента, пока он не понадобится. Существующие разработки нацелены на автоматическое позиционирование дрона на платформе, защиту дрона от внешнего воздействия.

4.2. Состав подвижного модуля.

Подробнее о характеристиках элементов, их преимуществах смотрите в таблице (см. приложение).

4.2.1. Созданные элементы:

  1. Платформа.

  2. Катушка.

  3. Крепление для подвижного модуля.

  4. Защитный корпус для всей электроники.

4.2.2. Покупные элементы:

  1. Мотор.

  2. Переключатель.

  3. Шестерёночная передача.

  4. Болтики и гайки под резьбу М6, М8.

  5. Подшипник.

  6. Провода.

4.3. Материалы для создания модуля:

4.3.1. ABS пластик. Используется для создания частей платформы, крепление для катушки, крепление для подвижного модуля. Данный пластик выбран из-за своей дешевизны, прочности, популярности, стойкости к влаге, жёсткости.

4.4. Преимущества модуля:

  1. Размеры. Итоговая конструкция модуля имеет размеры 300мм на 350мм на 89мм. Удобен для закрепления на тактическом рюкзаке. Не увеличивает силуэт солдата.

  2. Небольшой вес. Модуль сделан из пластика, что позволяет не сильно увеличивать и без того тяжёлое снаряжение солдата.

  3. Простота в замене. Модуль состоит из множества деталей, которые при поломке легко заменить.

4.5. Недоработки модуля:

  1. Конструкция. Ввиду отсутствия необходимых для создания такого масштаба проекта модуль был недоработан. Стоит отметить, что большая часть модуля была продумана и проходит реализацию в виде прототипа. На данный момент это является ключевым недостатком модуля.

  2. Неудобное в эксплуатации крепление квадрокоптера к платформе. К сожалею, на данный момент не было найдено альтернативное решение по скрепке этих частей. Задвижка на креплении не зафиксирована на платформе. Также креплением будет сложно попасть в отверстие на квадрокоптере для дальнейшего закрепления на платформе в условиях боевых действий.

4.6. Важные замечания:

  1. Я занимался исключительно продумыванием модулем обеспечения.

4.7. Параметры модуля:

  1. Себестоимость модуля – 3015 рублей. В подсчёт стоимости входят: стоимость покупных компонентов, стоимость затраченного материала на созданные элементы. Расходные материалы (припой, флюс), затраты на электроэнергию не входят в подсчёт стоимости. Стоит отметить, что была подсчитана приближённая примерная стоимость модуля, поскольку, во-первых, цены на элементы постоянно меняются, во-вторых, не представляется возможным подсчитать затраты на доставку и сборку модуля.

  2. Масса модуля – 2300 г. В подсчёт массы модуля входят: масса элементов модуля, масса расходных материалов (флюс, припой).

Глава 2. Практическая часть.

1.Ход работы при создании модулей:

  1. Зарождение идеи

  2. Взвешивание собственных сил

  3. Создание примерного эскиза

  4. Поиск покупных элементов.

  5. Создание 3D моделей элементов модулей.

  6. Создание 3D моделей целостных модулей.

  7. Реализация созданных элементов Подвижного модуля на 3D принтере.

2. Процесс создания 3D моделей.

3D модели создавались в ПО Компас-3D. Данный раздел является самым важным в этом проекте, поскольку в нём представлены ход работы по созданию элементов модулей, технические решения, проблемы, которые были решены в ходе моделирования.

2.1. Создание элементов подвижного модуля:

1. Процесс создания верхней рамы:

• Выбор типа пластины. Первоначально я проанализировал существующие виды рам, чтобы определиться с наиболее подходящей под мой модуль. Выбор пал на раму формы “H”. Преимущества данной рамы заключаются в том, что присутствует значительное место для размещения элементов модуля под рамой. Также данный тип рамы довольно прочен. Из минусов такого типа – довольно большой вес относительно других типов рам.

• Расположение крепёжных элементов для центрального блока. Необходимо было продумать расположение отверстий под крепёжные элементы так, чтобы они не мешали другим элементам модуля и выполняли свой функционал. Было решено сделать 8 крепёжных отверстий, по 2 отверстия перед лучом. Это позволило более надёжно закрепить центральный блок к верхней раме, что увеличило прочность конструкции модуля.

• Продумывание крепления боковой защиты к раме. Необходимо было при минимальной затрате площади рамы надёжно закрепить боковую защиту. Было решено выдавить по бокам рамы 8 квадратиков. Это позволило уменьшить вес конструкции за счёт минимальной площади под крепления. Из минусов такого решения – при очень сильном ударе есть вероятность надлома этого крепления.

• Продумывание ширины рамы у основания. Была задача минимизировать размер основания рамы с целью уменьшения веса элемента. Для этого было решено впритык поставить между собой «полётник» и центральный блок.

• Продумывание ширины лучей рамы. Была задача минимизировать размер ширины лучей с целью уменьшения веса элемента. Было решено сделать размер, который был чуть больше диаметра крепления.

• Создание пространства под fpv-камеру. Было решено учесть место под модуль управления, поэтому был создан выступ впереди рамы.

• Выбор толщины элемента. После прочтения статьи о раме, было решено создавать элемент с толщиной 3мм. По словам автора статьи, такая толщина является “золотой серединой”. Преимущество данной толщины в небольшом весе и достаточной прочности.

2. Процесс создания центрального блока:

• Выбор формы. Была задача минимизировать объём элемента с целью уменьшения веса элемента. Размеры блока рассчитывались под размеры верхней рамы. Высота блока была выбрана с учётом высоты fpv-камеры.

• Создание «пузика». Была задача улучшить удобство в эксплуатации модуля для удобного захвата рукой во время взлёта и посадки, поэтому были созданы нижние выступы. Их размер был выбран с опорой на размер руки создателя. Также данные выступы выполняют роль крепления Подвижного модуля к модулю обеспечения.

3.Создание нижней рамы:

• Выбор формы. Было решено создавать раму, опираясь на размеры центрального блока. Первоначально задумывалось создать крепления под посадочные ножки, но идея вскоре была отвергнута ввиду бесполезности данного элемента.

4. Процесс создание боковой защиты пропеллера:

• Определение с внутренними размерами. Поскольку 3-х дюймовые пропеллеры имели диаметр 76,2мм, было решено создать проём диаметром 80мм, оставив зазор 1,9 мм. Это позволило компактнее расположить боковые защиты.

• Определение с точками опоры. Было решено создать 3 точки опоры. Это позволило укрепить связь между рамой и этим элементом. Из минусов такого хода – при замене элемента придётся снимать верхнюю защиту, пропеллер, выкручивать болты центрального блока.

• Определение с толщиной элемента. Было решено сделать элемент толщиной 10мм. Главным преимуществом такого хода – значительное увеличение прочности. Из минусов – с увеличением толщины увеличивается вес элемента.

• Определение с крепёжными элементами между боковой и верхней защитой. Было решено использовать хомуты. Это позволило значительно улучить удобство при снятии верхней защиты.

• Определение с крепёжными элементами между боковой защитой и рамой. К сожалению, не было найдено компромиссных решений, и пришлось использовать болтики с резьбой М3. Данный болтик очень мал, и его неудобно снимать и закручивать. В будущем планируется придумать альтернативу данному решению.

5. Процесс создания верхней защиты пропеллера:

• Определение с диаметром элемента. Диаметр элемента был выбран с учётом диаметра боковой защиты пропеллера.

• Определение с рисунком элемента. Рисунок элемента был выбран с учётом возможности проделывания в нём отверстий для модуля маскировки.

2.2. Создание элементов модуля обеспечения:

1. Платформа.

Её размеры были выбраны не случайно. Они примерно повторяют размеры тактического рюкзака российской армии. Это было сделано для того, чтобы платформу можно было легко закрепить на верхней части рюкзака с помощью утягивающих ремней, под которые сделаны прорези на платформе, и чтобы не увеличивать силуэт солдата. Также платформа сделана четырёх составной, чтобы была возможность напечатать её на большинстве 3D-принтеров, в том числе на школьном.

2. Катушка.

Катушка состоит из стержня и двух его креплений к платформе. Крепления сделаны невысокими и приземистыми с дополнительными вынесенными креплениями для винтов, что по задумке должно обеспечить устойчивость конструкции катушки. Одно из креплений стержень будет проходить насквозь, чтобы к этому концу стержня прикрепить мотор.

3. Крепление для подвижного модуля.

Крепление будет состоять из двух выступов, совмещающихся с отверстиями на подвижном модуле.

3. Прототипы.

3.1. Прототип Подвижного модуля:

1. Общие характеристики:

  1. Задействованные материалы: SLA пластик (верхняя пластина, нижняя пластина, центральный блок, боковая защита, верхняя защита).

  2. Задействованные принтеры: 3D принтер Anycubic Photon M3 Max (верхняя пластина, нижняя пластина, центральный блок, боковая защита, верхняя защита).

2. Процесс создания:

  1. Печать: верхняя пластина, нижняя пластина, центральный блок, боковая защита, верхняя защита.

1. Предоставление 3D модели специалисту в области 3D печати.

2. Полировка напечатанных изделий.

3. Сборка.

3.2. Модуль обеспечения:

1. Общие характеристики:

  1. Задействованный материал: SLA пластик.

  2. Задействованный принтер: 3D принтер Anycubic Photon M3 Max (куски платформы, крепление для подвижного модуля, катушка) и

2. Процесс создания:

  1. Печать: куски платформы, крепление для подвижного модуля, катушка.

1. Предоставление 3D модели специалисту в области 3D печати.

2. Полировка напечатанных изделий.

3. Сборка

4. Возникшие трудности:

1. Школьный принтер сильно искажал круглые отверстия в элементах, превращая окружность в многоугольник.

2. Школьный принтер по непонятным причинам периодически плохо печатал. Приходилось разбирать его и чистить.

3. Малое количество информации о подобных концепциях.

4. Большая себестоимость модулей. Из-за этого пришлось печатать покупные элементы для создания полноты картины.

Глава 3. Заключение

1. Результаты работы:

  1. В результате работы реализован подвижный модуль «КИРМ Шершень». В дальнейшем именно от этой конструкции будут основываться последующие версии.

  2. В результате работы реализован модуль обеспечения «КИРМ Шершень».

  3. В результате работы были получены знания в строении квадрокоптера. Также был получен опыт в моделировании рамы квадрокоптера.

  4. В результате работы были получены знания в строении ЗD-принтера, в моделировании в Компас-3D, в работе в Polygon- X.

2. Планы на будущее:

  1. Получить недостающие знания в рамках института.

  2. В рамках вузовского проекта доработать нынешние разработки и на их основе создать новую версию модуля и реализовать её вживую.

  3. В рамках вузовского проекта завершить создание комлекса и реализовать его вживую.

Глава 4. Источники

  1. Все о квадрокоптерах | PROFPV.RU : [сайт]. – 2018. – URL: https://profpv.ru/chto-takoe-kvadrokopter-vidy-i-tipy(дата обращения: 03.07.2023). – Текст : электронный.

  2. Певзнер, Л. Х. Приёмы устранения технических противоречий. ТРИЗ для чайников : техническая литература / Л. Х. Певзнер ; под редакцией Н. Сотниковой, Е. Гин – Москва : КТК “Галактика”, 2021.- 164 с.- ISBN 978-5-6040718-0-9.- Текст : непосредственный.

3. YouTube : [сайт].- 2005.- URL: https://www.youtube.com/watch?v=oYB5XStjWKs (дата обращения: 03.07.2023). – Изображение. Устная речь : электронные.

Глава 5. Приложение

1. Ссылка на проект КИРМ Шершень. Концепция:

Текстовый документ: https://docs.google.com/document/d/1tSQ6XKjIkqJhakK0LsWKE9KcQMQJZhE7/edit?usp=sharing&ouid=107093417465809497772&rtpof=true&sd=true

Презентация:

https://docs.google.com/presentation/d/1QTEDk4kYMnDJagD7YYRp6YPRZPL8_wlZ/edit?usp=sharing&ouid=107093417465809497772&rtpof=true&sd=true

2.Ссылка таблицу с расчётами и элементами модулей: https://docs.google.com/spreadsheets/d/1xqmdgaye552jfOW0cqat1k32HJHgn4tB/edit?usp=sharing&ouid=107093417465809497772&rtpof=true&sd=true

3.История создания проекта в фотографиях: https://docs.google.com/document/d/1kAYNZg8LWq1ZmuDWUQpVHA1f5qcOB39a/edit?usp=sharing&ouid=107093417465809497772&rtpof=true&sd=true

Ссылка на презентацию: https://docs.google.com/presentation/d/1_5sVd1VeVSwHvZWO8eLTojTN9r6_8YIv/edit?usp=sharing&ouid=107093417465809497772&rtpof=true&sd=true

Просмотров работы: 74