БПЛА

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

Личный портфель

БПЛА

Милованович Л.С. 1
1АНОО Ломоносовская школа Зелёный мыс
Попова Е.Г. 1
1АНОО Ломоносовская школа Зелёный мыс
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение:

Я давно интересуюсь темой летательных аппаратов, в прошлом году готовил презентацию и проектно-исследовательскую работу «Моё увлечение - авиация» и выступал на конференции. В ней я рассказывал об истории покорения воздушного пространства и о истории самолётостроения. Мой интерес к этой теме растет, и я начал изучать БПЛА. Беспилотные летательные аппараты играют ключевую роль в современных технологиях и экономике благодаря своим уникальным возможностям и широкому применению.

Актуальность: В своей работе я хочу рассказать о широком применении беспилотных авиационных системах. Эти технологии начали активно развиваться в последние десятилетия и находят все большее применение в различных сферах деятельности. Увеличение эффективности, снижение затрат, удобство и доступность с каждым днём становятся острой темой для исследований. В ходе работы были изучены особенности применения дронов.

Таким образом, тема моего проекта: Особенности применения БПЛА

Цель исследования: изучить особенности применения БПЛА в мирных целях

Задачи:

  1. изучить историю БПЛА;

  2. исследовать строение и сферу применения;

  3. исследовать применение беспилотных авиационных систем в секторе сельского хозяйства и доставке медикаментов в труднодоступные места.

Объект исследования: Беспилотные летательные аппараты

Предмет исследования: использование БПЛА в мирных целях

Методы исследования: поиск и сбор информации, изучение литературных источников, выбор дрона, проведение практического исследования.

Гипотеза исследования: Зависит ли сфера использования БПЛА от его конструктивных особенностей

1. Теоретическая часть

1.1. История

Долгое время беспилотные летательные аппараты использовались только в военных целях. Потому что электроника тех времен была громоздкой и дорогостоящей в обслуживании, такое себе могли позволить только военные. Первый беспилотник представлял собой доработанный самолет и мог управляться с морского судна на расстоянии до 5 км. Он использовался в качестве воздушной мишени.

В 1898 году на выставке изобретений в Нью-Йорке сербский изобретатель Никола Тесла представил первую радиоуправляемую модель лодки. Железяка плавала по бассейну. Не было видно проводов и из неё торчала антенна, а управлялась она за бассейном. Это было прорывом в технике. Похоже это было на беспилотник, только плавающий.

Также беспилотником можно назвать и знаменитый советский орбитальный корабль «Буран». Он совершил полет в автоматическом

режиме без экипажа на борту.[1]

Широкое распространение и развитие технологий произошло в последние 20-30 лет благодаря достижениям в области электроники, связи и материаловедения. Первоначально БПЛА использовались главным образом в военных целях, таких как разведка и ударные операции. С течением

времени находят применения в гражданском секторе, включая фотографии, мониторинг, сельское хозяйство и логистику.

Устройство беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) является сложным и технически продвинутым. 

1. 2 Строение БПЛА

Для начала я изучил основные части БПЛА.

  1. Рама

  2. Электромоторы

  3. Пропеллеры

  4. Регулятор оборотов

  5. Полетный контроллер

  6. Аккумуляторные батареи

  7. Радио аппаратура управления

Рама

Рама – это основной и несущий элемент конструкции квадрокоптера, к которому крепятся все прочие комплектующие. Рама состоит из двух частей: фюзеляж и лучи. Пример представлен на рисунке 2.

На фюзеляже обычно размещают электронику и полезную нагрузку, а на лучах – моторы и регуляторы. Рама квадрокоптера должна быть достаточно прочной, чтобы не сломаться после первого падения или столкновения с препятствием. Когда говорят про размер дрона, обычно упоминают именно размер рамы. Если дрон имеет размер меньше 15 см, то он является микро-дроном, а от 15 до 30 см – уже мини-дрон.

Рамы изготавливаются из пластика, дерева, стекловолокна, текстолита, алюминия и так далее. Самым популярным материалом для рам является карбон. Он очень легкий, прочный. Рама из карбона прослужит намного дольше, чем рама из другого материала. Но несмотря на это, у карбона есть небольшой минус: он очень хорошо проводит электричество, и если оголенные провода коснутся рамы, то может произойти короткое замыкание.

Моторы

Э лектромоторы бывают двух видов: бесколлекторные и коллекторные. Бесколлекторные моторы надежные и мощные, поэтому их используют и в мини-дронах, и в более крупных аппаратах. А коллекторные моторы используются в малоразмерных дронах, то есть микро- и мини-дронах и игрушках, потому что они простые, небольшие и недорогие. Пример представлен на рисунке 3.

При выборе мотора необходимо обращать внимание на характеристику «рейтинг KV». Рейтинг KV – максимальное число оборотов, которое может развить мотор без потери в мощности при заданном напряжении.

При максимальной тяге силовой установки в два килограмма идеальный вес дрона должен составлять не более половины этого значения, то есть 1 кг.

Пропеллеры

В оздушный винт или пропеллер – движитель, который создаёт тягу за счёт отбрасывания воздуха. Пример представлен на рисунке 4.

Рис. 4

В инты в беспилотниках имеют 2 или 3 лопасти. Чем меньше диаметр винта, тем его легче ускорять или замедлять, такая функция необходима во время акробатического полета. Существуют 2 вида несущих винтов, которые вращаются по часовой стрелке, либо против часовой стрелки. Чтобы определить направление вращения, необходимо обратить внимание на наклон лопасти. Если правая кромка лопасти выше – вращение идет по часовой стрелке (CW), если левая кромка – против часовой (CCW).

Регулятор оборотов – это регулятор хода или скорости. Задача регулятора оборотов заключается в передаче энергии от аккумулятора к бесколлекторному мотору. Пример представлен на рисунке 5.

Полетный контроллер

Беспилотникам необходима стабилизация в полете для сохранения баланса беспилотного летательного аппарата в воздухе. Для этого используют полетный контроллер, рисунок 6.

Полетный контроллер – электронное устройство, представляющее собой вычислительную систему, работающую по сложным алгоритмам и управляющую полетом беспилотного летательного аппарата.

Основными параметрами, по которым выбирается полетный контроллер, являются его размер, прошивка, процессор, датчики, порты и комплектация.

Аккумуляторные батареи

А ккумулятор – устройство для накопления энергии с целью ее последующего использования. Большинство дронов питаются от литий-полимерных аккумуляторов. Чтобы увеличить напряжение аккумулятора, элементы соединяют последовательно и формируют одну батарею. Показатель того, сколько тока можно получить от аккумулятора в течение часа, называется емкостью и измеряется в мАч (mAh). С увеличением емкости аккумулятора соответственно увеличивается время полета, но также увеличивается масса и физические размеры аккумуляторной батареи. Пример представлен на рисунке 7.

Р адиоаппаратура управления

Обычно управление БПЛА осуществляется человеком с помощью радиоаппаратуры управления на земле. На БПЛА установлен приемник, принимающий команды оператора и далее отправляющий их на полетный контроллер. Пример представлен на рисунке 8.

1.3 Типы БПЛА

По разнообразию конструкции существует 4 основных типа беспилотных летательных аппаратов:

  • Мультироторные – мультикоптерные дроны;

  • Беспилотник с неподвижным крылом;

  • Однороторный дрон – беспилотный вертолет;

  • Гибридные дроны.

Мультироторные дроны – это наиболее распространенные типы дронов. Дрон с четырьмя моторами носит название – Квадракоптер, с шестью – Гексакоптер, с восемью – Октокоптер. В полете дрон держит горизонтальное положение относительно поверхности земли и может зависать над определенным местом, перемещаться влево, вправо, вперед, назад, вверх и вниз, а даже поворачиваться вокруг своей оси. Управление полетом не требует специальной подготовки. Мультикоптерные дроны имеют много недостатков. Основные из них – это ограниченное время полета, ограниченная грузоподъёмность и небольшая скорость. Большинство многороторных беспилотных летательных аппаратов способны летать всего 20 - 30 минут с минимальной полезной нагрузкой, такой как видеокамера.

Беспилотники с неподвижным крылом

БПЛА с неподвижным крылом отличаются по конструкции от аппаратов с несколькими вращающимися двигателями. Для полета, и создания подъемной силы они используют "крыло", как его используют обычные самолеты. Эти беспилотники не могут зависать на месте в воздухе, борясь с гравитацией. Вместо этого они могут двигаться вперед по заданному курсу и до тех пор, пока позволяет их источник энергии. Такие беспилотники идеально подходят для картографирования или наблюдения. Для него требуется специальная "взлетная полоса", либо пусковая установка в виде катапульты. Чтобы благополучно посадить аппарат обратно на землю, также потребуется взлетно-посадочная полоса, парашют или сеть.

Однороторный дрон – беспилотный вертолет

Однороторные дроны очень похожи по конструкции на настоящие вертолеты. У одноготорного дрона есть один большой ведущий винт плюс небольшой по размеру винт на хвосте, чтобы контролировать курс. Однороторные дроны имеют более высокое время полета и могут даже приводиться в действие двигателями внутреннего сгорания. Также они требуют специальной подготовки для управления. Большие размеры лопастей несущего винта представляют опасность. Были зафиксированы несчастные случаи нанесения травм винтом радиоуправляемого вертолета.

Гибридные дроны

Гибридные версии сочетают в себе преимущества моделей с неподвижным крылом – более высокое время полета, с преимуществами моделей на основе винтов – возможность парения.Гибридные конструкции летательных аппаратов проектировались с 1960-х годов, но не имели особого успеха. Однако эти конструкции получили новую жизнь благодаря датчикам нового поколения.[3]

2. Сферы применения БПЛА

Конструкция определяет возможное применение. Отрасли, в которых используются беспилотные летательные аппараты уже довольно много.

  • геодезия и картография;

  • сельское хозяйство (в части контроля и обработки полей);

  • фермерство;

  • аэрофотосъемка,

  • обычная фото и видео съемка;

  • предпроектные исследования и контроль объектов строительства;

  • доставка товаров;

  • мониторинг протяженных объектов.[5] 

Принцип и методы управления беспилотником могут отличаться в зависимости от его конкретного назначения. Некоторые беспилотники могут быть полностью автономными и способны выполнять задачи самостоятельно без участия человека. Другие дроны могут быть дистанционно управляемыми, где оператор на земле управляет аппаратом с помощью пульта управления или компьютерного интерфейса. Большинство современных аппаратов, как гражданских, так и военных, могут управляться и оператором, и летать самостоятельно.[2]

Почему я решил исследовать применение дронов в сельском хозяйстве?

Мне нравится смотреть научные ролики инженера, изобретателя Марка Робера. В одном из своих видео он размышлял о высадке деревьев с помощью дронов. На сколько это будет эффективнее? Вопросом о скорости задаваться не стоит, это и так понятно.

Для начала на разведку отправляют дрон поменьше для исследования местности. Затем программа определяет, где лучше высаживать деревья, чтоб они хорошо росли. Для каждого дрона задаётся маршрут полёта. После этого в дрон загружают семена, которые они должны сбросить. В дрон всаживают нечто похожее на шайбу, а в этой шайбе заложены разные семена. Также там есть питательные вещества и удобрения, которые помогут семенам прорасти. А самым интересным мне показалось решение, с помощью которого возможно будет отпугнуть грызунов – решили обработать семена веществом.

«Неужели это возможно?» - задался я вопросом. Так я стал читать про использование дронов не только в качестве камеры, но и про решение в разных других областях.

2.1 Применение БПЛА в сельском хозяйстве

В сельском хозяйстве широко применяются беспилотные летательные аппараты [2–4, 8]. БПЛА значительно сократили рабочее время, что привело к повышению стабильности, точности измерений и производительности. Их применение способствовало расширению многих областей̆ сельского хозяйства, включая разведку и распыление удобрений, посев семян, распознавание сорняков, повышение плодородия, картированию и прогнозу урожая. Современные дроны применяют для отслеживания состояния растений, мониторят состояние почвы и полевые условия. А также борются с вредителями.

Для наблюдения за полями используют два вида БПЛА, отличающиеся своей конструкцией и летными характеристиками:

Самолетного типа или Летающее крыло – наиболее удобный вариант для облета больших территорий, характеризующийся высокими аэродинамическими показателями. Но, из-за особенностей конструкции беспилотник должен постоянно двигаться и поэтому не может работать в режиме зависания над объектом, а также осуществлять съемку на ограниченных территориях.

Коптерные беспилотники или дроны  – могут оснащаться различным количеством винтов, что позволяет отлично справляться со съемкой в одном месте для обследования небольшого земельного участка, трехмерного моделирования, опрыскивания. Квадрокоптеры отличаются простой конструкцией, стабильностью полета и надежностью.

Для распыления пестицидов используются доработанные серийные БПЛА или специально разработанные сельскохозяйственные дроны. Тип несущей конструкции и вид оснащения рабочими инструментами зависят от грузоподъёмности и назначения аппарата. Для работы на очень больших площадях применяются тяжёлые беспилотники, способные поднять в воздух 1 тонну полезной нагрузки, и больше.

Изучая тему сельского хозяйства, я выяснил, что легендарный самолёт Ан-2 был незаменим во многих сферах, в том числе и в сельском хозяйстве. На нём совершались полёты над полями при маленькой высоте от 2 до 5 метров. Из-за маленькой высоты было уйма препятствий: крыши домов, деревья, вышки, электропровода. Из-за установки аппаратуры ухудшались лётные характеристики этой машины. Также при работе с опыливателем происходило налипание химикатов в передней части.

Дрон в сравнении с Ан-2

  • БПЛА более лёгкий из-за отсутствия систем и лётчика

  • Более высокий коэффициент весовой отдачи за счёт отсутствия несущих частей

  • Не имеет ограничения по высоте полёта

  • Минимальная высота работы позволяет более качественно разбрызгивать химикаты

  • Управление аппаратом доступно

  • Имеет запас для модернизации

2.2. Применение БПЛА в медицине

После того как мы с папой изучили применение дронов в сельском хозяйстве, я узнал, что дроны могут использовать и в медицине, например, транспортировать лекарства. Это значительно ускоряет доставку медикаментов, например в места, которые «отрезаны от цивилизации», например из-за паводков, землетрясений и т.п.

В мире растет число пациентов, нуждающихся в медицинской помощи, включая экстренную. Это стимулирует сегмент быстрой доставки медицинских препаратов и материалов. 

Возможные направления

  • Доставка образцов крови или тканей для анализов из клиник в лаборатории, из удаленных населенных пунктов в лабораторию в райцентре или городе 

  • Доставка органов для трансплантации. 

  • Доставка запаса крови для экстренного переливания туда, где это требуется.

  • Доставка антидота к месту, где находится пострадавший от укуса ядовитой змеи.

Преимущества есть и у самолетов, и у мультикоптеров. Коптеры отличаются прекрасной маневренностью, умеют взлетать и садиться вертикально, но имеют малую грузоподъемность и не способны летать долго. Самолеты, напротив, могут оставаться в воздухе часами и даже сутками, брать на борт много груза, но при этом нуждаются во взлетно-посадочной полосе и не слишком маневренны.

Дроны, которые содержат 6 или даже 8 винтов могут перевозить грузы большей массы и быть более скоростными. Благодаря наличию большего числа «двигателей». Некоторые мультикоптеры с 8, 10 или 12 двигателями способны перевозить особенно тяжелые грузы массой приблизительно до 30 кг.

В период изучения темы беспилотных систем, я наткнулся на компанию, которая одна из первых стала использовать дроны в службе доставки медицинских товаров. Компания Zipline успешно доставляет медикаменты в удалённые клиники. С 2016 года Zipline ведет свою деятельность в Руанде. Она производит 500 доставок в день в радиусе обслуживания 75 километров. Беспилотники Zipline снабжают местные больницы кровью и медикаментами первой необходимости.

Беспилотник не садится в месте доставки, а сбрасывает посылку с парашютом. Груз приземляется в зоне посадки диаметром 5 м.  У беспилотника два винта, для надежности работы, а он может безопасно летать только с одним работающим винтом. Компания осуществила уже больше 47 тыс. коммерческих вылетов в разных странах. БПЛА доставляют медицинские препараты в любое место в пределах 80 км от распределительного центра Zipline менее чем за 45 минут. Беспилоты летают со скоростью 101 км/ч на высоте 400-500 метров.[6]

 

Выводы:

БПЛ – это летательные аппараты, которые могут выполнять задачи без участия человека. Применение БПЛА показывает высокую эффективность и перспективность. Учитывая территорию и неравномерное развитие инфраструктуры, в России эффект от масштабного использования дронов может быть даже больше, чем в других странах. Поэтому развития и внедрения технологий дронов улучшит глобальную логистику, позволит сократить затраты, так как дрон способен быстро проходить большие расстояния и собирать информацию с разных ракурсов. Он удобен для аэрофотосъемки, получения видеозаписей.

Заключение:

Интересно наблюдать как люди используют технологии для решения важных задач.

Беспилотные летательные аппараты играют важную роль в научных исследованиях. Они используются для изучения окружающей среды, обнаружения и изучения диких животных и многого другого. Благодаря своей маневренности и способности летать в недоступных для человека местах, они предоставляют новые возможности для научных открытий.

Временной ресурс полета и ограничения по грузоподъемности могут ограничивать применение беспилотников.

Несмотря на существующие проблемы и вызовы, их потенциал для улучшения эффективности и снижения затрат продолжает привлекать внимание исследователей, предпринимателей и правительств по всему миру. 

Список источников информации

  1. Ковалёв, Михаил Анатольевич

К560 Беспилотные летательные аппараты вертикального взлета:

сборка, настройка и программирование: учебное пособие /

М.А. Ковалёв, Д.Н. Овакимян. – Самара: Издательство Самарского

университета, 2023 – 96 с.

  1. https://hi-tech.mail.ru/review/100586-bpla/#anchor168544561356072858

  2. https://aviatest.aero/articles/tipy-bespilotnykh-letatelnykh-apparatov-obzor/

  3. https://eftgroup.ru/blog/raznoe/tochnoe-zemledelie/?ysclid=m5pgd48w51538588819

  4. Яценков В. С.

Я92 Твой первый квадрокоптер: теория и практика. – СПб.: БХВ-Петербург, 2016. – 256 с.: ил. – (Электроника)

  1. https://russiandrone.ru/news/zipline_samoletnye_bpla_dlya_dostavki_medikamentov_i_srochnykh_meditsinskikh_gruzov/?ysclid=m6cpct3lpm365342719

11

Просмотров работы: 83