XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Проектирование и изготовление держателя (крепления) для ПК-камеры к корпусу квадрокоптера с использованием программного обеспечения Компас (например, Компас 3D)
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
«Беспилотный летательный аппарат (БПЛА) (дрон) представляет собой воздушное судно без пилота..., которое выполняет полет без командира воздушного судна на борту и либо полностью дистанционно управляется издругого места с земли, с борта другого воздушного судна, из космоса, либо запрограммировано и полностью автономно» – определение БПЛА, одобренное Ассамблеей ИКАО [1].
Актуальность работы. В настоящее время БПЛА, квадрокоптеры нашли широкое применение в гражданской и военной авиации, где они выполняют аэрофотосъемку наземных объектов, участвуют в поисково-спасательных работах, осуществляют разведку местности, выполняют боевую работу и т. д. БПЛА по сравнению с пилотируемыми летательными аппаратами отличаются относительно низкой стоимостью, несложной технологией изготовления, не требуют применения аэродромов к тому же современная электроника позволяет автоматически строить точную траекторию движения аппарата [2].
Одним из важных компонентов квадрокоптера является камера, обеспечивающая съемку или передачу данных. Для надежной и стабильной фиксации камеры к корпусу квадрокоптера требуется специально спроектированный держатель, который должен обеспечивать минимальные вибрации и устойчивость во время полета [3].
В МБОУ «Лицей №83 – Центр образования» наш класс относится к инженерному классу авиастроительного профиля. Перед учащимися стала задача в подготовке инженерно-конструкторского проекта. Работая над данным проектом, мы в полной мере использовали профессиональные компетенции, приобретенные в период обучения, а также приобрели новые компетенции, связанные с разработкой деталей квадракоптера.
Данный проект посвящен разработке и изготовлению высококачественного держателя для ПК камеры, который будет интегрирован в корпус квадрокоптера. Используя передовое программное обеспечение Компас, мы создадим уникальную и надежную конструкцию, способную обеспечить стабильную съемку с воздуха. Этот захватывающий процесс включает в себя тщательный обзор всех компонентов квадрокоптера, определение требований к держателю, 3D-моделирование и оптимизацию дизайна, а также выбор оптимальных материалов и технологий изготовления [4].
Проект имеет практическое значение, так как мы знакомимся с теорией и практикой управления, сбора и проектирование изготовление запасных деталей на квадракоптеры. Проект включает в себя как теорию полета и управления, так и практику проектирование, создание дополнительных деталей на квадракоптеры.
Цель данного проекта — разработать и изготовить держатель для ПК камеры, который будет крепиться к корпусу квадрокоптера, с использованием Компас 3D.
В рамках проекта предстоит решить несколько ключевых задач:
- исследовать существующие конструкции держатель для ПК-камеры;
- проектирование держателя: создание 3D-модели держателя камеры с учетом всех конструктивных особенностей квадрокоптера;
- расчет прочности: анализ прочности конструкции для предотвращения деформаций и повреждений;
-изготовление прототипа: создание модели держателя с использованием 3D-печати;
- тестирование и настройка: проверка работоспособности держателя на практике, включая анализ вибраций и стабилизации камеры.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
1.1 Требования к держателю камеры
Для успешного проектирования держателя важно учитывать следующие ключевые требования:
-
Устойчивость к вибрациям.Вибрации от моторов квадрокоптера могут повлиять на качество изображения, поэтому конструкция держателя должна минимизировать вибрации.
-
Легкость конструкции. Чем легче держатель, тем меньше нагрузки на квадрокоптер, что улучшает его летные характеристики.
-
Прочность и надежность. Держатель должен выдерживать нагрузки, возникающие при полете (например, при маневрах или внешних воздействиях).
-
Простота монтажа. Держатель должен легко крепиться к корпусу квадрокоптера и обеспечивать надежную фиксацию камеры [5, 6].
1.2 Проектирование в ПО Компас. ПО Компас — это мощная система для создания трехмерных моделей, разработки чертежей и анализа конструкций.
Основные этапы проектирования в Компас включают:
-
Создание 3D-модели. На основе размеров квадрокоптера и камеры разрабатывается эскиз, который затем преобразуется в 3D-модель. Моделируются все необходимые крепежные элементы и крепления для камеры.
-
Использование параметрического моделирования. В Компасе можно задать параметры конструкции (например, размеры камеры или квадрокоптера), что позволяет быстро адаптировать проект под изменяющиеся требования.
-
Анализ прочности и деформаций. Встроенные инструменты для расчета прочности помогают определить, насколько жесткой и устойчивой будет конструкция в условиях работы квадрокоптера.
-
Экспорт чертежей. После завершения проектирования создаются чертежи для дальнейшего производства держателя [7].
1.3 Этапы выполнения проекта
1. Изучение и анализ требований. Для начала проводим исследование, включающее:
- измерение размеров камеры и квадрокоптера
- определение оптимального места для размещения камеры на корпусе квадрокоптера
- выбор типа материалов для изготовления держателя (например, пластик, металл, композитные материалы).
Каждый из материалов обладает достоинствами и недостатками, так, пластик (например, ABS или PLA) — легкий, но может иметь низкую прочность на излом; металлы (например, алюминий) — обеспечивают высокую прочность, но добавляют вес; композитные материалы (углепластик или стеклопластик) — сочетание легкости и прочности, идеально подходят для аэрокосмических приложений.
-
Проектирование держателя
а) Эскизирование. На первом этапе разрабатываются эскизы и определяются основные размеры держателя. Важно правильно распределить массу камеры и обеспечить равновесие квадрокоптера.
б) Создание 3D-модели в Компас. На основе эскизов создается 3D-модель держателя. Разработка крепежных элементов и обеспечение их совместимости с корпусом квадрокоптера.
в) Проверка на прочность. В Компасе проводим расчет на прочность, чтобы убедиться, что конструкция выдержит нагрузки при полете и не деформируется.
-
Изготовление прототипа
а) Выбор технологии изготовления. Для прототипирования используется 3D-печать (например, с использованием материала PLA или ABS). Это быстрый и экономичный метод для создания прототипов. В случае необходимости массового производства можно использовать ЧПУ-обработку или литье.
б) Изготовление держателя. После создания модели в Компас, данные для производства экспортируются в соответствующий формат (STL для 3D-принтера, DXF для ЧПУ).
-
Тестирование и проверка
а) Проверка установки на квадрокоптере. После изготовления держателя проверяется, насколько хорошо он подходит к корпусу квадрокоптера и камере.
б) Тестирование на полетах. Проводится полет квадрокоптера с установленной камерой, чтобы проверить, как держатель влияет на стабильность камеры. Измеряются вибрации и устойчивость изображения, чтобы убедиться в эффективности дизайна.
в) Корректировка конструкции. Если обнаружены проблемы (например, чрезмерные вибрации или неудобства при монтаже), вносятся изменения в конструкцию и материал держателя [5].
1.4 Возможности расширения
В дальнейшем данная разработка может быть адаптирована для использования более крупных или специализированных камер, а также интегрирована в другие модели квадрокоптеров. Это позволит расширить сферу применения и повысить функциональность летательного аппарата.
1.5 Перспективы развития
Проведенная работа демонстрирует потенциал использования передовых CAD-систем, таких как Компас, для решения задач проектирования и производства, комплектующих для беспилотной техники. Это направление будет продолжать развиваться в связи с ростом популярности квадрокоптеров и других дронов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В рамках проектной деятельности мы посещали занятия в КНИТУ-КАИ. Смоделировали держатель для ПК-камеры к корпусу квадрокоптера с использованием программного обеспечения Компас 3D и распечатали его на 3Д принтере.
Этапы работы представлены в виде фотоотчета:
1.Изучение теоретического материала, расширение кругозора в сфере авиации
2.Оценка габаритов квардокоптера и камеры
3. Моделирование держателя
4. Печать держателя
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проектирование и изготовление держателя ПК камеры для квадрокоптера с использованием ПО Компас включает в себя несколько ключевых этапов: от анализа требований и проектирования модели до изготовления прототипа, и тестирования. Важно учитывать механические и аэродинамические параметры, чтобы обеспечить надежную работу устройства.
Разработка держателя с использованием Компас позволяет эффективно управлять процессом проектирования, проводить расчеты и тестирования, а также оперативно вносить изменения в конструкцию. Это позволяет создать надежное и функциональное решение для крепления камеры к квадрокоптеру.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
-
Зулькарнаев, В. У. Практическое применение беспилотных летательных аппаратов в современном мире / В. У. Зулькарнаев, В. Р. Камалова // Инновации в науке. - 2016. - № 56-2. - С. 23-27.
-
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D1%83%D0%BB%D1%8C%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%BE%D0%BF%D1%82%D0%B5%D1%80
-
http://kvadrokopters.com/blog/interesnoe/kak-rabotaet-kvadrokopter/
-
https://macrodmin.ru/2014/01/veshaem-kameru-na-kvadrokopter-ar-drone-2/
-
Попков, М. А. Проектирование и оптимизация несущей системы квадрокоптера / М. А. Попков, М. В. Чугунов. - Текст непосредственный // Молодой ученый. — 2018. — № 14 (200). — С. 30-35. — URL: https://moluch.ru/archive/200/49131/
-
https://www.customelectronics.ru/
-
https://kompas.ru/source/info_materials/2020/Азбука%20КОМПАС-3D.pdf