FPV самолет на радиоуправлении

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Иванов Д.А. 1

---

1МБОУ СОШ №7

Кунгина И.А. 1

---

1МБОУ СОШ №7

Работа в формате PDF

1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Есть много людей, занимающихся FPV- дронами или самолётами. Вообще стоит сначала пояснить, что такое FPV. FPV – от англ.(FirstPersonalView) или “вид от первого лица” это видео система на БПЛА(беспилотном летательном аппарате), состоящая из видео-камеры, передатчика видеосигнала, приемника видеосигнала и устройства, воспроизводящего этот сигнал в реальном времени, т.е. экран.¹Камера и видеопередатчик расположены на самом БПЛА, а приемник и экран – на земле. Данная система позволяет в реальном времени наблюдать видео прямо с БПЛА.

Для чего же нужны FPV- дроны и самолёты? В большинстве своем – это просто хобби, однако есть и коммерческое применение – видеосъемка различных местностей или объектов. Пилот, как правило договаривается с заказчиком о съемке, после производит облёт, в процессе которого записывает видео с БПЛА, и монтирует само видео, после отдает заказчику.

Мы предлагаем попробовать создать собственный FPV- планер для полётов и записать видео хорошего качества преимущественно на средних высотах(1 – 2км над землей).

Актуальность: На сегодняшний день тема FPV- дронов и самолётов довольно активно развивается и очень востребована вразных сферах деятельности.

Цель работы: создание FPV-планера, способного вести видео-съемку с различной высоты.

Объектом исследования является беспилотные летательные аппараты

Предметом исследования является модель FPV-планера, ведущего видео-съемку.

Задачи:

1. Изучить теоретический материал по данной теме;

2. Найти все комплектующие материалы;

3. Смоделировать планер;

4. Провести тестовые полёты и провести калибровку необходимых параметров;

5. Записать видео материалы на бортовую камеру;

6. Смонтировать несколько видео;

7. Разработать инструкцию по его использованию.

Методы исследования: теоретический, экспериментальный, моделирование.

Глава 1

Теоретическая часть.

1.1.Классификация FPV- самолётов.

FPVсамолёты, как и обычные самолёты, классифицируются по различным показателям, таким как тип двигателя, размер, взлетная масса, тип аэродинамической схемы и другие.

Типы двигателя. Бывают следующие: турбо-реактивный (характеристики: очень дорогой, очень мощный, требовательный, необходимо время для запуска, быстро кончается топливо, большой вес); двигатель внутреннего сгорания (характеристики: средняя цена, средняя мощность, небольшие требования, относительно простой запуск, топлива хватает ненадолго, большой вес) и бесщеточный электродвигатель (характеристики: достаточно дешев, средняя мощность, не требователен, мгновенный запуск, есть возможность отключать в полёте, заряда батареи при рациональном использовании хватит надолго).

Размеры и взлетная масса. Чем больше размер и взлетная масса, тем плавнее и стабильнее полёт. Так же , чем больше размах крыла, тем больше эффективность планирования (полёт без использования двигателя) и меньше крейсерская скорость.

Типы аэродинамической схемы. для FPVсамолетов характерны два типа аэродинамической схемы: Классическая и летающее крыло. Классическая форма имеет крыло и хвостовое оперение, она более стабильна в полёте, и имеет большую взлетную массу, чем летающее крыло. Летающее крыло – форма, в которой есть только одно крыло, без хвостового оперения, в полёте нестабильна, зато имеет большую крейсерскую скорость, соответственно планировать на нем очень трудно.

В соответствии с нормами Российского законодательства, любой БПЛА массой свыше 150 грамм должен быть зарегистрирован в Федеральном агентстве воздушного транспорта (Приложение 3). FPVсамолет был зарегистрирован 26.04.2023 с присвоением государственного уникального номера 064а478, что подтверждается Уведомлением о постановке на учет беспилотного воздушного судна.

Глава 2

Практическая часть

2.1.Характеристики модели

Был выбран планер со следующими характеристиками: классическая аэродинамическая схема среднего размера, с основным материалом – EPP пластик, небольшой взлетной массы, с электрическим бесколлекторным низкооборотным двигателем. Почему именно такие параметры? Классическую аэродинамическую схему мы выбрали, так как она самая надежная и устойчивая к тряске. Планерный тип был выбран, так как он самый экономичный по энергоресурсам и даже может набирать высоту в восходящих потоках воздуха без использования винто-моторной группы. Для удобной перевозки, мы выбрали средние размеры и вес, так же в отличие от малых размеров, планеры со средними размерами имеют лучшую стабильность в полёте, что способствует улучшению качества записи видео. EPP пластик, или вспененный полиэтилен является основным материалом, так как он обладает низкой плотностью, высокой стойкостью к внешней среде, высокой пластичностью (способен смягчать удары) и высокой ремонтопригодностью и податливостью. Мотор – электрический, так как самый дешевый, удобный, легкий и экономичный в плане энергопотребления.

2.2.Описание работы электроники

Во главе всей электронной части стоит полётный контроллер, это специальная плата, на которой имеется проводной порт подключения к компьютеру для загрузки программы, настроек или для передачи информации на компьютер; система преобразования напряжения для запитки всех устройств самолёта; откалиброванный барометр для измерения высоты полёта; откалиброванный акселерометр для измерения ускорения по всем осям; откалиброванный гироскоп, для отслеживания изменения угла наклона по всем осям; микропроцессор, он же главный вычислительный элемент всего самолёта, способен принимать и выводить различную информацию прямо на видео в видео сигнал камер, брать управление на себя частично или полностью, при отсутствии сигнала управления, полностью берет на себя контроль над самолётом. Так же на борту присутствует отдельный GPS модуль, способный передавать местоположение и направление движения для полетного контроллера. Для приема сигнала управления и передачи аналогового видеосигнала используется приемник и видеопередатчик соответственно. В качестве питания используется 3 Li-ion аккумулятора (АКБ) формата 18650. Сервоприводы приводят в движение все рулевые поверхности самолёта, которые ими управляются и запитывают полетный контроллер. В винто-моторную группу входят электромотор, складной винт, который способен складываться пополам, когда не крутится и регулятор оборотов ESC, который управляет мотором и управляется от контроллера. Так же на борту имеется две видеокамеры, одна просто передает видеосигнал в контроллер, а другая записывает видео на SD карту памяти, но тоже способна передавать видеосигнал. Первая видеокамера расположена сверху на хвостовом оперении и смотрит ровно вперед, а вторая, которая записывает видео находится на левой консоли крыла и направлена вниз под небольшим углом. Для управления используется аппаратура управления, внешне напоминает пульт, по сути, это пульт управления и передатчик в одном корпусе. Для приема и воспроизведения видеосигнала используется FPV шлем, по сути это приемник видео и экран в одном корпусе, который надевается на голову.

Протоколы связи между модулями:

• ПК-приемник – CRSF (проводной)

• ПК-GPSмодуль – UART (проводной)

• ПК-видеокамера – аналоговый (проводной);

• ПК-видеопередатчик – SmartAudio и аналоговый (проводной);

• ПК-сервопривод –ШИМ (проводной)

• ПК-ESC– ШИМ (проводной)

• Аппаратура управления-приемник–ELRS(беспроводной)

• Видеопередатчик-FPV шлем (беспроводное аналоговое видео)

Схема подключения: см. приложение 1 и 2

2.3. Экономический расчет изготовления изделия

В таблице представлен экономический расчет изготовления модели

Общая сумма составила 41247₽

Важное примечание: так как все элементы были куплены в интернет-магазине “Aliexpress”, то цена на них могла измениться с момента покупки, поэтому точную сумму говорить нет смысла, ведь цены могут поменяться.

2.4. Технологическая карта

2.5. Радиосвязь

Одна из важнейших для понимания систем – это система радиосвязи, которая в нашем случае делится на две подсистемы: видеосвязь и сигнал управления.

Начнем с видеосвязи. В FPV сегменте существует 2 типа видеосвязи: аналоговая и цифровая. Аналоговая видеопередача — основа FPV полётов, именно работа данной системы позволила пользователям получать изображение с дрона в режиме реального времени. Она отличается высокой скоростью передачи, а также большой дальнобойностью.

Минусом этого формата являются помехи, которые могут возникать при ухудшении сигнала. Однако аналоговая видеопередача не имеет задержки и позволяет получать видео с БПЛА даже на больших расстояниях.

Данная система использует частоты в районе 5.8 Ггц или в районе 1.2 Ггц.

FPV5.8 Ггц как правило разделяется на 48 каналов (частот), а чтобы было удобнее в них ориентироваться, была создана сетка 6 на 8 (приложение 4), где к каждому из каналов (частоте) присвоена буква (A, B, C, D, E, F) и цифра от 1 до 8. Разумеется для видеопередачи и передатчик и приемник должны быть настроены на один и тот же канал. Данный диапазон используется для относительно недалёких полётов и более прост в использовании, чем 1.2 Ггц, так же он больше подходит для новичков ввиду того, что оборудование для данного диапазона продается уже готовым и компактным.

FPV 1.2 Ггц используется для полётов на дальность, так как в отличии от 5,8 Ггц, сигнал данного диапазона более устойчив к влаге в атмосфере и спокойно может проходить сквозь некоторые объекты, такие как например деревья. Однако у данной системы есть и множество минусов: во-первых, антенны для данной частоты более громоздкие; во-вторых, у этого диапазона меньше каналов, а именно 8;в-третьих, для данных частот нет готовых видеоприемников в комплекте с экраном и приходится подключать приемник 1.2 Ггц (закреплённый на штативе рядом с пилотом) к видеопередатчику 5,8 Ггц, и уже с него передавать видео на шлем или экран; в-четвёртых, качество видео хуже чем у систем на 5.8 Ггц; Разумеется, данный диапазон позволяет летать в разы дальше, чем система на 5.8 Ггц, однако за дальность приходится платить размерами, качеством видео, и удобством. Так же это “устаревшая технология” и рынок оборудования 1.2 Ггц очень мал.

Так же на рынке в последнее время появилось всё больше цифровых видеосистем, которые являются относительно новой разработкой. Данные системы отличаются высоким качеством передачи сигнала, а так же они не уступают по дальности аналоговым системам 5.8Ггц. Однако данные системы стоят в разы дороже аналоговых и к тому же все компоненты видеосистемы необходимо покупать от одной компании, ведь у всех цифровых систем разный механизм кодирования видеосигнала.

2.6. Полет FPV

Разумеется, перед полётом необходима подготовка, необходимо включить всё оборудование, проверить его работоспособность, включить DVR и запись видео на самом самолёте, далее нужно снять самолёт с предохранителя (поставить из режима Disarmв Arm), после чего в режиме полёта “Autolunch” кинуть самолёт вперед под небольшим углом к горизонту, предварительно установив РУД на нужный уровень тяги (примерно 70%). После броска самолёт сам начнет лететь в направлении броска и набирать высоту до 30 метров. Для выведения самолёта из режима полёта “Autolunch”, необходимо просто начать двигать стики, после самолёт перейдет в ручной режим полёта.

Однако в ручном режиме полёта есть несколько переключаемых модификаций: “Manual” – полностью ручное управление; “Acro” – автопилот будет помогать выравниваться после крена или тангажа; “Angle” – автопилот будет ограничивать углы крена и тангажа; “Horizon”– автопилот помогает выравнивать самолёт пилоту; “Altitudehold” – автопилот выдерживает одну высоту, пилот при этом может управлять только курсом и креном.

Так же кроме ручного режима есть и автоматический, который имеет переключаемые модификации: “Autolunch” – режим автовзлёта, заменяет пилота во время взлёта и набора высоты, крайне полезен, когда у пилота нет напарника, запускающего самолёт и роль этого напарника заменяет сам пилот, а роль пилота на себя берет самолёт и контролирует набор высоты сам; “Holdposition” – удержание позиции вокруг точки, в которой был включён режим;“Cruise” –удержаниекурсаивысоты, то естьавтопилот поведет самолёт прямо по курсу; “Returntohome (RTH)” – возврат на точку взлёта и посадка; “Failsafe (FS)” – настраиваемый протокол, то как самолёт поведет себя при потере сигнала (в нашем случае он включит режим RTH), один из важнейших режимов, так как активируется при потере сигнала и отвечает за безопасность, данный режим не раз спасал наш планер от потери.

Теперь, когда был совершён взлёт, у нас имеется огромный простор действий. Например, можно вести съемку с высоты или найти восходящий поток, отключить мотор и начать набирать высоту в нём. Обычно такие потоки образуются прямо над различными водоёмами или просто увлажнённой или горячей почвой и восходят под кучевыми облаками на высоте примерно от 700м до 7км.

Далее идёт этап даже более важный и сложный, чем взлёт, этап – посадки. Хоть этот этап и сложнее взлёта, тем не менее он не такой опасный и у опытного пилота трудностей с ним не возникнет. Для начала необходимо выйти на посадочный курс (желательно против ветра) и начать снижение с пониженной или (в случае планера) отключенной тяге, если до начала посадочной полосы еще далеко, то следует держаться в нескольких метрах от земли при слабой тяге. При достижении ВПП необходимо продолжить снижение и если условия позволяют, то коснуться земли и в тот же момент отключить тягу и поставить самолёт в режим предохранителя. Если же условия не позволяют коснуться земли (большая скорость или высота), то нужно начать набор высоты и уйти на второй круг, после повторить попытку.

Заключение

Выполнение данной работы способствует развитию умений и навыков по созданию чего-то нового, полезного и интересного.

В современном мире БПЛА используются очень широко, например, это может быть хобби; съемка местности; использование в мониторинге территории; в промышленных, аграрных и иных целях; на производстве. Это уникальный инструмент, который можно создать своими руками.

В ходе выполнения работы, мы приобрели весьма обширные знания и опыт в сфере FPV аппаратов: подбор деталей, сборка, настройка, регистрация созданного планера, пилотирование, монтирование видео.

Создание FPV планера в домашних условиях удалось (см. приложение 5 и 6), для чего было потрачено много времени, трудов. Так же нам удалось собрать и обработать большой объем видеоматериалов.

После обработки, получились красивые видеоматериалы в хорошем качестве (см. приложение 7).

Список литературы

1.https://dzen.ru/a/Za9TmbG-NBstZcid

2.https://inavfixedwinggroup.com/

3.https://biography.wikireading.ru/2421

4. https://mydrone.ru/fpv-spravochnik/#digitalvtx

5.https://products.groupdocs.app/viewer/txt

6.https://youtube.com/playlist?list=PLFKMu32cyH6HKIx94tfsXvzm0murvewDn&si=sN-66ewTikofRYSi

Приложение

Приложение 1

приложение 2 приложение 3

Приложение 4

П риложение 5 Приложение 6

Приложение 7 - https://drive.google.com/drive/folders/11kHBc62XqjDxost-duFjUuBrnZxfS7v2?usp=drive_link