Оператор, управляющий ударным или разведывательным беспилотным аппаратом, стал в последнее время одной из ключевых фигур современной войны. Об этих людях уже снимают фильмы, об их профессии спорят: кто они — боевые пилоты или геймеры? А где же учат на операторов военных БПЛА у нас, в России? Ответ прост — в Коломне. И здесь многое приходится начинать сначала.
Строго говоря, тема беспилотной авиации для нашей страны вовсе не нова. Крылатыми ракетами в СССР занялись сразу после Великой Отечественной (с копирования «летающей мотоциклетки» ФАУ-1), и ныне мы занимаем в этой сфере лидирующие позиции в мире. А что такое крылатая ракета, как не беспилотный самолет? В СССР же был построен космический челнок «Буран», который задолго до Boeing X-37 слетал в беспилотном режиме на орбиту и вернулся.
Реактивные и одноразовые
Отечественные БПЛА с разведывательными функциями тоже имеют давнюю историю. В середине 1960-х на вооружение строевых частей начали поступать тактические беспилотные самолеты-разведчики (ТБР-1) и дальние беспилотные самолеты-разведчики (ДБР-1), ставшие развитием беспилотных самолетов-мишеней. Это была серьезная авиатехника совсем не компактных размеров. ТБР весил почти три тонны, мог летать на высоте до 9000 м со скоростью до 900 км/ч, для чего был оснащен турбореактивным двигателем. Цель — фоторазведка при дальности полета 570 км. Пуск осуществлялся с направляющих под углом 20 градусов к горизонту, а для разгона применялись пороховые ускорители. ДБР-1 и вовсе летал на сверхзвуке (до 2800 км/ч) и имел дальность до 3600 км. Взлетная масса — более 35 т! При всем этом у разведывательных БПЛА первого поколения была неважная точность выхода к заданному объекту, и эти аппараты — тяжелые, турбореактивные — были… одноразовыми, а потому применение их оказалось делом накладным.
В середине 1970-х на вооружение Советской армии поступил беспилотный разведывательный комплекс ВР-3, основой которого стал турбореактивный БПЛА «Рейс». Это уже была многоразовая система, предназначенная для ведения воздушной разведки объектов и местности в тактической глубине в интересах сухопутных войск и ударной авиации. Самолет был полегче своих одноразовых предшественников — взлетная масса 1410 кг, имел маршевую скорость до 950 км/ч и техническую дальность полета 170 км. Нетрудно подсчитать, что даже при полной заправке полет «Рейса» мог длиться не более десяти минут. Аппарат способен вести фото-, телевизионную и радиационную разведку с передачей данных на командный пункт почти в реальном времени. Посадка БПЛА осуществлялась по команде бортовой автоматической системы управления. Стоит заметить, что «Рейс» до сих пор стоит на вооружении армии Украины и применялся в так называемой АТО.
В 1980-е годы в мире стало развиваться третье поколение БПЛА — легких недорогих дистанционно управляемых аппаратов с разведывательными функциями. Нельзя сказать, что СССР остался в стороне от этого процесса. Работы по созданию первого отечественного мини-ДПЛА были начаты в 1982 году в НИИ «Кулон». К 1983 году был разработан и прошел летные испытания ДПЛА многоразового применения «Пчела-1М» (комплекс «Строй-ПМ»), предназначенный для ведения телевизионной разведки и постановки радиоэлектронных помех средствам связи, работающим в УКВ-диапазоне. Но потом началась перестройка, а за ней 90-е, которые для развития отечественной беспилотной авиации оказались потерянными. К началу нового тысячелетия старые советские наработки морально устарели. Пришлось срочно пускаться вдогонку.
В тренажерном классе военнослужащие, проходящие обучение в коломенском Центре, осваивают управление БПЛА пока что в виртуальном пространстве. Лишь пройдя подготовку на тренажере, оператор допускается к управлению реальным аппаратом. На такое обучение может уйти от 2,5 до 4 месяцев.
Для настоящих авиаторов
В старинном русском городе Коломне, рядом с музеем-фабрикой знаменитой яблочной пастилы расположился Государственный центр беспилотной авиации МО. Это, как сейчас принято говорить, главный российский центр компетенции по обучению и переподготовке техников и операторов, управляющих БПЛА военного назначения. Предшественником центра был Межвидовой центр беспилотных летательных аппаратов — структура, которая под разными названиями и с разными пунктами дислокации существует уже три десятка лет. Но именно сейчас БПЛА попали в сферу особого внимания военного руководства страны. Об этом говорит хотя бы тот факт, что доставшийся в наследство Центру военный городок (раньше он принадлежал Коломенскому артиллерийскому училищу, созданному еще при Александре I) активно перестраивается и обустраивается. Часть зданий сносят (вместо них будут построены другие), часть капитально реконструируют. На территории части будут возведены новый клуб и стадион. Через Центр проходит вся поступающая в войска беспилотная техника, специалисты Центра подробно ее изучают, а затем передают свои знания курсантам, приезжающим в Коломну со всей страны.
Для работы с БПЛА (по крайней мере с теми, что приняты на снабжение в наших Вооруженных силах) требуются усилия трех специалистов. Во-первых, это оператор управления аппаратом — он задает курс полета, высоту, производит маневры. Во-вторых, это оператор управления целевой нагрузкой — в его задачу входит непосредственно ведение разведки с помощью тех или иных сенсорных блоков (видео/ИК/радиоразведка). В-третьих, готовит БПЛА к полету и осуществляет пуск техник беспилотного аппарата. Подготовка всех этих трех категорий военнослужащих и ведется в стенах Центра. И если место техника всегда рядом с «железом», то операторы первоначально обучаются в классах за дисплеями тренажеров. Интересно, что оператор управления собственно аппаратом меняет курс БПЛА, вычерчивая линии на электронной карте местности, в то время как картинку с камеры в реальном времени получает оператор управления целевой нагрузкой.
В отличие от армии США, где в операторы БПЛА последнее время стали приглашать геймеров-авиасимуляторщиков, в наших ВС пока сохраняется консервативный подход. У геймеров, считают в Центре, нет того опыта общения с реальной стихией, который имеют настоящие пилоты, весьма предметно представляющие себе поведение ЛА в неблагоприятных метеоусловиях. У нас пока считается, что для управления БПЛА больше подходят люди с профессиональной авиационной подготовкой — бывшие пилоты и штурманы. Срок обучения в Центре варьируется от 2,5 до 4 месяцев и зависит от размеров, дальности и функциональной нагрузки летательного аппарата.
Пока малые формы
В американском фильме «Хорошее убийство» рассказывается о судьбе оператора БПЛА Reaper — этому человеку, находящемуся на пункте управления в США, приходилось наносить ракетные удары по людям на другом конце земного шара. Начальство, чьи приказы герой фильма был обязан выполнять, считало этих людей террористами. Человеческая драма разворачивается на фоне очень красиво и эффектно показанных сцен дистанционной войны с помощью ударных БПЛА. Нашим военнослужащим оказаться на месте героя «Хорошего убийства» в ближайшем будущем, к счастью или к сожалению, вряд ли суждено. Прототипы ударных беспилотников в нашей стране сейчас активно разрабатываются, некоторые из них уже выходят на испытания, но до принятия их на вооружение пока далеко. Постперестроечный «разрыв» отбросил Россию в сфере военной беспилотной авиации лет на 10−15 назад по сравнению с Западом, и что-то наверстывать мы начинаем только сейчас. Отсюда пока еще не очень широкая номенклатура БПЛА, применяющихся в нашей армии.
Когда стало ясно, что быстро подтянуть отечественные технологии к минимальным современным требованиям не получится, наша оборонная промышленность решила наладить сотрудничество с одним из мировых лидеров в разработке БПЛА военного назначения — с Израилем. Согласно договору, заключенному в 2010 году с компанией Israel Aerospace Industries Ltd., на Уральском заводе гражданской авиации началось лицензионное производство легкого носимого аппарата BirdEye 400 и разведывательного БПЛА среднего класса SEARCHER под названиями «Застава» и «Форпост» соответственно. «Форпост», кстати, единственный принятый у нас на снабжение аппарат (БПЛА принимаются в наших ВС «на снабжение», как боеприпасы, а не «на вооружение», как боевая техника), который взлетает и садится по-самолетному, то есть с разбегом и пробегом. Все остальные запускаются с катапульт, а приземляются на парашюте. Это говорит о том, что пока в нашей армии эксплуатируются БПЛА в основном небольшого размера с малой полезной нагрузкой и сравнительно небольшим радиусом действия.
Показателен в этом смысле комплект БПЛА из комплекса «Наводчик-2». Тут применяются четыре аппарата под общим названием «Гранат» и с индексами от 1 до 4.
«Гранаты» 1 и 2 — это легкие (2,4 и 4 кг) носимые БПЛА небольшого радиуса действия (10 и 15 км) с электромоторами. «Гранат-3» — аппарат с радиусом действия до 25 км, и в качестве силовой установки в нем использован бензиновый двигатель, как и в «Гранате-4». Последний имеет дальность до 120 км и может нести на себе разного рода полезную нагрузку: фото/видеокамеру, ИК-камеру, оборудование РЭБ и пеленга сотовой связи. Пункт управления «Гранатом-4», в отличие от «младших» моделей, базируется в кунге армейского грузовика «Урал». Тем не менее этот БПЛА, равно как и его собрат по классу «Орлан-10», запускаются с металлических направляющих с помощью резинового жгута.
Все четыре «Граната» произведены российской компаний «Ижмаш — беспилотные системы», что, конечно, является шагом вперед по сравнению с клонированием израильских аппаратов. Но, как признают в Центре, до полного импортозамещения в этой области еще далеко. Такие хайтек-компоненты, как микросхемы или оптические системы, приходится покупать за рубежом, и даже компактные бензиновые моторы нужных параметров наша промышленность пока не освоила. При этом в области программного обеспечения наши конструкторы демонстрируют мировой уровень. Осталось доработать «железо».
Растворившиеся в небе
Практические занятия по управлению БПЛА проходят на полигоне, расположенном на окраине Коломны. В день посещения Центра здесь отрабатывалось управление легкими носимыми аппаратами — BirdEye 400 (он же «Застава») и «Гранатом-2». Пуск с резинового жгута — и вскоре аппарат исчезает в небе. Только тут понимаешь главное преимущество БПЛА этого класса — малозаметность. Оператор же, сидящий под тентом, в небо не смотрит. Перед ним пульт управления, который условно можно назвать «ноутбуком», и вся информация о местоположении БПЛА отражается на экране. Оператору приходится лишь активно работать стилусом. Когда BirdEye спускается на небольшую высоту и становится видимым, его можно спутать с хищной птицей, нарезающей круги в поисках добычи. Только скорость явно побольше птичьей. И вот команда на посадку — раскрывается парашют, и БПЛА приземляется, смягчая удар о землю с помощью надутой «подушки безопасности».
Конечно, нашей армии нужны БПЛА большей дальности, с большим радиусом действия, с большей полезной нагрузкой, с ударными функциями. Рано или поздно они встанут в строй и обязательно прибудут в Коломну. Здесь будут учить работать с ними. Но пока идет активное изучение имеющегося арсенала. Тема военных беспилотников в России явно на подъеме.
Так сложилось, что новички, никогда раньше не имевшие дел с квадрокоптерами считают, что это очень сложная техника. На практике же получается совершенно противоположная ситуация. Освоить полет на летающей машине крайне просто. Но стоит отметить, что владельцу все же придется потратить немного времени на обучение, так как квадрики имеют ряд отличий от других радиоуправляемых игрушек. Итак, как управлять квадрокоптером?
Как вы уже догадались никакие курсы управления заканчивать не нужно, а управлять дроном придется с помощью специального пульта. По сути, все пульты для квадрокоптеров стандартны и слегка напоминают джойстики для игровых приставок. Они оснащаются двумя рычагами управления, где левый обычно связан с движением в вертикальной плоскости, а правый в горизонтальной.
Если вы нажмете на левом рычаге джойстика вверх, то аппарат начнет набирать высоту, а если вниз — то он будет опускаться вниз. При этом вправо и влево отвечает за вращение дрона вокруг своей оси.
За тангаж и крен отвечает правый рычаг. При нажатии вниз — нос квадрика опустится. Если нажимать вверх, то он начнет подниматься. При этом вправо и влево отвечают за наклоны в соответствующую сторону.
Некоторые современные модели также имеют поддержку управления через приложение в смартфоне. При этом сам дрон и телефон нужно соединить через WiFi.
Режимы
Перед запуском обязательно нужно ознакомиться с режимами, которые встроены в ваш дрон.
- Ручной полет. Это самый сложный режим, но в то же время и самый интересный. В нем вы полностью берете управление на себя, а никакая дополнительная стабилизация не работает. Отлично подходит для тех, кто уже немного освоился в управлении и хочет поднять свой уровень мастерства пилотирования и научиться исполнять трюки.
- Стабильный полет. Он рассчитан на съемку фотографий или видео. Выбирая его, в работу вступает встроенный акселерометр, который позволит стабильно удерживать аппарат в воздухе. Этот режим можно назвать режимом для новичков, который идеально подойдет для всех тех, кто только что приобрел оборудование.
- GPS навигация. В этом режиме можно задать маршрут, по которому дрон сделает пролет. Своего рода автопилот и удобная фишка, особенно если вы не хотите контролировать каждый шаг своего БПЛА.
- Управление дроном с телефона. Каждая или планшета (причем работает и на Android и на iOS). Дрон ведёт прямую трансляцию картинки, которую захватывает его камера. Ее отображает мобильное устройство, подключенное к коптеру напрямую через WiFi. Очень полезная вещь, рекомендуем!
Первый запуск и подготовка к нему
Итак, ваш новый квадрокоптер уже перед вами, но вы пока не умеете его запускать. С чего начать?
- . Почти все они поставляются в частично разобранном виде, поэтому навыки сборки конструктора вам очень пригодятся.
- Припасите запасной аккумулятор. Современные модели редко могут протянуть в воздухе больше 10 минут. А для полноценной тренировки этого времени не достаточно.
- Обязательно прикупите несколько запасных частей. Аварии неизбежны, а особенно часто ломаются именно пропеллеры.
- Далее следует : акселерометр, компас и GPS.
Остается только бегло просмотреть прилагаемую инструкцию и можно попробовать поднять в воздух свой первый аппарат.
Как научиться поднимать квадрокоптер?
Ни в коем случае не торопитесь, и не старайтесь поднять его на огромную высоту. Для начала можно обойтись простыми маневрами.
Например, попробуйте взлететь, развернуть дрон, отдалить его от себя на несколько метров. Если вы новичок, не стоит тренироваться в помещениях. Для этого лучше найти спокойную и тихую площадку, где отсутствует ветер. Почему погода должна быть безветренной? Прежде всего, вы сможете научиться ощущать квадрокоптер, привыкнуть к тонкостям его управления.
Кроме того, ветряной поток способен вызывать ряд сложностей во время полета. Нередко приходилось сталкиваться с ситуациями, когда новички не успевают быстро остановить устройство, и оно врезается в окружающие предметы.
На первых этапах никогда не запускайте аппарат слишком высоко, особенно в тех ситуациях, когда недалеко от вас находится огромное количество людей. При совершении малейших ошибок техника может не только упасть и сломаться, но также травмировать окружающих людей. Вращающиеся лопасти могут нанести серьезные увечья.
Останавливайте свой выбор на безлюдных местах, желательно не асфальтированных. Таким образом, когда устройство всё-таки упадет, оно не получит сильные повреждения корпуса.
Если вы новичок, никогда не направляйте аппарат сторону рек. Затем, уже после освоения базовых навыков, вы сумеете полноценно пользоваться квадрокоптером над реками, на территории парков и мест, где сосредоточено большое количество людей.
Неопытным пользователям не нужно приобретать дорогостоящие модели. Вне зависимости от аккуратности обучения управлению или места для тренировочных полетов, всё-таки нередко приходится сталкиваться с ситуацией, когда коптеры падают. С другой стороны, техника предлагает широкие возможности для новичков, упрощающих маневрирование в сложных местах – четвертые Фантомы даже анализируют обстановку с помощью бортовых датчиков, предотвращая столкновения.
Перед тем как начать тренировку, заранее убедитесь в том, что аккумуляторная батарея, установленная на борту, полностью заряжена. Категорически запрещается запуск летательных устройств, в которых заряд батареи составляет не более 50%. Во-первых, тренировка окажется непродолжительной, а во-вторых, при наборе большой высоты устройство может полностью разрядиться ещё в воздухе.
Аннотация : в данной статье приведена ТРИЗ-эволюция систем управления беспилотными летательными аппаратами, начиная с первых и заканчивая современными, с их описанием, техническими противоречиями и возможным дальнейшим развитием.
Ключевые слова : система управления, беспилотный летательный аппарат, БПЛА.
Annotation: In this article we present TRIZ-evolution of control systems of unmanned aerial vehicles, that is starting with the original and ending with the modern, with their description, technical contradictions and possible further development.
Keywords: control system, unmanned aerial vehicle, UAV.
В настоящее время беспилотные летательные аппараты (БПЛА) достаточно сильно развиты и имеют широкий круг применений. За век своего существования БПЛА как увеличились в своих размера до десятков метров, так и уменьшились до нескольких миллиметров; их диапазон скорости, грузоподъёмности тоже существенно расширился.
Однако системы управления БПЛА неизменно развивались и продолжают развиваться. Рассмотрим эволюцию систем управления БПЛА, начиная от систем управления первых беспилотных «воздушных торпед» до систем управления современных беспилотников. Для современных БПЛА ограничимся мини и микро классами аппаратов (вес до 30 кг).
Как всегда бывает, первыми БПЛА разрабатывали военные, и только в XXI веке началось активное развитие БПЛА гражданского назначения.
1. Исторически первый БПЛА .
Исторически первым БПЛА считается «Жук» Кеттеринга (см. рис. 1). Это один из первых успешных проектов беспилотного летательного средства. По заказу армии США в 1917 году изобретатель Чарльз Кеттеринг разработал свою экспериментальную беспилотную «воздушную торпеду», которая стала предшественником крылатых ракет. Целью было создать дешёвый и простой беспилотный самолёт-снаряд для армейского авиационного корпуса.
Рисунок 1 – Жук Кеттеринга.
Аппарат получился достаточно компактный, в отличие от «крылатой бомбы» Сперри, разрабатываемой и испытываемой в тоже время. «Жук» имел цилиндрический корпус из дерева, к которому крепилась бипланная V-образная коробка.
Беспилотное средство было оснащено дешёвым четырёхцилиндровым двигателем и инерциальной автоматической системой управления. После старта, питающийся электричеством от двигателя, гироскоп обеспечивал стабилизацию «Жука» по направлению . Гироскоп был соединён с вакуум-пневматическим автопилотом (рис. 2), который осуществлял управление рулём направления. Блок-схема системы управления «Жука» представлена на рисунке 3.
Рисунок 2 – Вакуум-пневматический автопилот (пример)
Управление рулём высоты осуществлялось аналогичным образом, но датчиком в этом случае уже являлся барометрический альтиметр.
Перед стартом на беспилотном аппарате задавали значение высоты и максимальное количество оборотов пропеллера, что соответствовало пройденному расстоянию; раскручивали гироскоп. Запуск происходил с рельсовой катапульты, «Жук» выходил на заданную высоту и летел по прямой в сторону цели. Специальное устройство отсчитывало обороты пропеллера и по достижении нужного расстояния (количества оборотов пропеллера сравнялось с заданным), высвобождался пружинный механизм, который отключал двигатель и выбивал болты, держащие крылья. Корпус аппарата падал вниз и достигал цели.
Рисунок 3 – Блок-схема системы управления
«Жук» Кеттеринга предназначался для обстрела городов, крупных промышленных центров и мест сосредоточения войск противника на дистанции до 120 км. Он успешно прошёл испытания, в отличие от «воздушной торпеды» Сперри, и был прият на вооружение. Система показала себя лучше, успешней и дешевле предыдущих, но Первая мировая война закончилась, и заказ так и не был выполнен . Всего было изготовлено 45 машин.
У «Жука» Кеттеринга были реализованы простейшие функции автопилота: управление рулём высоты и рулём направления, отсчитывание пройдённого расстояния, отключение двигателя и сброс крыльев. Неудачи в испытаниях были связаны с проблемами удержания аппарата на курсе. Аппарат мог отклониться от курса как при запуске с рельсовой катапульты, так и во время полёта. Кроме того, «воздушная торпеда» под действием ветра могла завалиться на крыло и упасть. Примитивный автопилот хоть и пытался придерживаться курса, но с сильными порывами ветра или ошибкой при запуске справиться не мог.
Представим алгоритм управления «Жука» Кеттеринга:
1) Перед стартом задавались максимальная высота и число оборов пропеллера.
2) Происходил запуск с рельсовой катапульты.
3) Аппарат выходил на заданную высоту (контроль высоты осуществлялся с помощью барометрического альтиметра).
4) Автопилот поддерживал неизменный курс благодаря воздействию гироскопа (полёт представлял собой движение по прямой).
5) При достижении заданного числа оборотов (нужного расстояния), происходило отключение двигателя и сброс крыльев. Корпус аппарата падал вертикально вниз в цель.
Аппарат имел малую дальность и мог двигаться только по прямой из пункта «А» в пункт «Б». Маршрут с большим количеством точек был невыполнимой задачей, как и возвращение аппарата на место старта.
Выявим технические противоречия (ТП), имеющиеся в описываемой системе, для единообразия в формулировках противоречий все рассматриваемы системы будем называть БПЛА:
ТП1. При повышении степени стабилизации БПЛА по крену, путём введения стабилизирующих элементов на крыльях, недопустимо повышается вес аппарата.
ТП2. При повышении степени стабилизации БПЛА по крену, путём введения стабилизирующих элементов на крыльях, недопустимо повышается сложность конструкции.
ТП3. При повышении степени стабилизации по курсу недопустимо уменьшается расстояние до цели.
ТП4. При повышении сложности маршрута недопустимо повышается сложность конструкции.
Противоречие ТП4 было разрешено использованием приёмов вынесения, непрерывности полезного действия, «посредника», путём замены инерциального автопилота на систему радиоуправления. Этап ТРИЗ-эволюции представлен на рисунке 4.
Рисунок 4 – Первый этап эволюции.
2. Новая веха : появление радиоуправляемых летательных аппаратов .
В 1930-х годах армия США получила предложения поставлять радиоуправляемые беспилотные самолёты для различных нужд. Среди компаний, сделавших предложение, была Radioplane Company. Основана она Дени Реджинальдом, бывшим пилотом британской королевской авиации, который эмигрировал в США и стал актёром, а позже основал магазин и компанию по производству радио моделей самолётов .
Radioplane Company предложила армии США линейку радиоуправляемых моделей самолётов, среди которых присутствовала модель Radioplane OQ-2 (рис. 5). Это первый дистанционно-пилотируемый летательный аппарат (ДПЛА), поступивший в массовое производство. В общем было произведено 15000 моделей. Эксплуатация проводилась вплоть до 1948 года .
Radioplane OQ-2 представлял собой самолёт-мишень для обучения зенитных расчётов. Длина – 2,65 м. Размах – 3,73 м. Взлётный вес – 47 кг. Максимальная скорость – 137 км/ч. Максимальное время полёта – 1 час.
Рисунок 5 – Внешний вид Radioplane OQ-2
Запуск происходил с катапульты, а управлялась беспилотная радио модель оператором с земли, который мог имитировать различный ситуации (например, заход истребителя для атаки). Если аппарат оставался цел после полёта, посадка происходила с помощью выбрасываемого парашюта и неубираемого шасси (было не у всех моделей), которое смягчало удар о землю. Блок-схема системы управления представления на рисунке 6.
Рисунок 6 – Блок-схема радиоуправления
Радиоуправление позволило беспилотникам следовать по сложным маршрутам и выполнять сложные манёвры в воздухе, превосходя в этом «Жука» Кеттеринга и «Крылатую торпеду» Сперри. Аппараты получили возможность возвращаться на стартовую позицию, что увеличило количество их использования. Малогабаритная конструкция Radioplane OQ-2 и простота позволили развивать ему большие скорости и покрывать большее расстояние. Однако появилась проблема с малым потолком использования в 2438 м.
Аппаратура того времени позволяла эффективно использовать Radioplane OQ-2 только в поле видимости оператора. Именно так оператор с земли мог производить управление беспилотником. Если аппарат вылетал из радиуса видимости, то его можно было контролировать только радаром, что не обеспечивало эффективного наблюдения и снижало точность позиционирования.
При рассмотрении Radioplane OQ-2 можно выявить следующие противоречия:
ТП5. При увеличении дальности, путём увеличения пунктов управления по маршруту движения радиоуправляемого аппарата, недопустимо увеличивается объём наземной аппаратуры управления.
ТП6. При увеличении дальности, путём увеличения пунктов управления по маршруту движения радиоуправляемого аппарата, недопустимо увеличивается количество персонала.
ТП7. При увеличении дальности, путём увеличения объёма топливного бака, недопустимо увеличивается вес.
Второй этап эволюции показан на рисунке 7.
Противоречие ТП7 было разрешено использованием приёмов вынесения, непрерывности полезного действия, «посредника».
Рисунок 7 – Второй этап эволюции
3. Разработки второй мировой войны .
Фау-1 – самолёт-снаряд, прообраз современных крылатый ракет, состоял на вооружении армии Германии в середине Второй мировой войны (рис. 8). Эта ракета создана в рамках проекта «Оружие возмездия». Проект беспилотного аппарата разработан немецкими конструкторами Робертом Луссером и Фритцем Госслау. Разработка производилась в период 1942-1944 гг .
Фау-1 была построена по самолётной схеме, в задней части корпуса над рулём курса крепился реактивный двигатель. В процессе разработки проекта появилась необходимость ввести стабилизаторы и гироскоп для стабилизации аппарата во время полёта.
На земле перед запуском беспилотному аппарату задавали значения высоты и курса, а так же дальность полёта. Наведение выполнялось по магнитному компасу. После пуска аппарата (производился с катапульты, либо с самолёта-носителя – модифицированного бомбардировщика Heinkel He 111 H-22) он летел с помощью автопилота по заданному курсу и на заранее определённой высоте. Стабилизация по курсу и тангажу осуществлялась на базе показаний 3-степенного гироскопа: по тангажу суммировались с показаниями барометрического датчика высоты; по курсу – со значениями угловых скоростей от двух 2-степенных гироскопов, используемых для уменьшения колебаний снаряда. Управление по крену отсутствовало, так как Фау-1 была достаточно устойчива вокруг продольной оси .
Рисунок 8 – Внешний вид Фау-1
Автопилот был пневматическим устройством, работающим на сжатом воздухе. Золотники пневматических машинок рулей курса и высоты приводились в действие воздушным давлением, в зависимости от показаний гироскопов. Сами гироскопы раскручивались также сжатым воздухом. Расстояние полёта задавалось на специальный механический счётчик, а прикреплённый на нос снаряда анемометр постепенно сводил значение к нулю. По достижении нулевого значения происходило разблокирование ударных взрывателей и отключение двигателя. Примерна блок-схема показана на рисунке 9.
Длина – 7.75 м. Размах крыльев – 5,3 (5,7) м. Максимальная скорость – 656 км/ч (по мере расходования топлива скорость доходила до 800 км/ч). Дальность доходила до 280 км.
Фау-1 могла летать только по прямой (как «Жук» Кеттеринга), однако покрывала большее расстояние и развивала гораздо большую скорость.
Рисунок 9 – Блок-схема системы управления.
После рассмотрения Фау-1 были выделены следующие технические противоречия:
ТП8. При упрощении процесса старта, путём отказа от катапульты, недопустимо увеличивается сложность конструкции.
ТП9. При увеличении сложности маршрута недопустимо увеличивается сложность оборудования.
ТП10. При увеличении сложности маршрута недопустимо увеличивается вес аппарата.
На основе вышеописанных противоречий выделен второй этап ТРИЗ-эволюции беспилотных летательных аппаратов (рис. 10).
Противоречия ТП8 и ТП9 были разрешены с помощью приёмов вынесения, непрерывности полезного действия, «посредника», путём замены самолётной схемы на вертолётную.
Рисунок 10 – Третий этап эволюции.
4. Противолодочный вертолёт .
Проект американского беспилотного летательного аппарата, а если точнее бдеспилотного вертолёта. Gyrodyne QH-50 DASH – первый в мире беспилотный вертолёт принятый на вооружение (рис. 11). Первый его полёт состоялся в 1959 году, и вплоть до 1969, когда ВМС США отказались от проекта, было произведено 700 аппаратов различных модификация. Изначально проектировались как штатное противолодочное вооружение ракетных крейсеров .
Рисунок 11 – Внешний вид Gyrodyne QH-50 DASH
Вертолёт был в длину 3,9 м, в высоту 3 м.. Вес неснаряжённого и снаряжённого соответственно 537 кг. и 991кг. Максимальный взлётный вес 1046 кг. Максимальная скорость 148 км/ч. и дальность 132 км. Практический потолок 4939 м. На борту нёс 33,6 галлонов топлива .
В отличие от предыдущих систем, аппарату не требовалась взлётная полоса или оборудование (например, катапульта), а требовалась небольшая ровная поверхность.
Беспилотный вертолёт разрабатывался для старта с палубы корабля. Перед запуском к нему подвешивали торпеды.
Контроль управления вёлся с пульта оператора (блок-схема системы управления представлена на рис. 12). На пульт также приходили данные о состоянии аппарата, сигналы оружейной системы. В дальнейшем было предложено ввести два пульта управления. По требованию, один пульт должен был находиться на палубе, а другой в командном пункте.
Так как торпеды весили много, пришлось отказаться от телеаппаратуры. Поэтому запускали сразу два вертолёта: один с аппаратом обнаружения и целеуказания; второй с вооружением.
Проект Gyrodyne QH-50 DASH был отменён из-за несовершенства системы управления и конструктивных дефектов, почти половина аппаратов разбились. Во время полёта у беспилотного вертолёта могло произойти самопроизвольное отключение аппаратуры управления. Также сказалось начало войны во Вьетнаме. Но использование беспилотного вертолёта вплоть до 2006 года как учебное пособие, объект экспериментов и т.д.
Рисунок 12 – Блок-схема системы управления.
Выделим противоречия беспилотного вертолёта Gyrodyne QH-50 DASH:
ТП11. При уменьшении габаритов беспилотного аппарата недопустимо уменьшается показатель полезной нагрузки.
ТП12. При уменьшении габаритов беспилотного аппарата недопустимо уменьшается дальность полёта.
Противоречия ТП10 и ТП11 были разрешены с помощью приёмов вынесения, объединения, универсальности, замены механической схемы, путём создания доступных контроллеров полёта для авиамоделистов.
По этим противоречиям составим этап ТРИЗ-эволюции (рис. 13).
Рисунок 13 – Четвёртый этап эволюции.
5. « Беспилотники » в массы . Полётные контроллеры для моделирования .
В наше время беспилотные летательные аппараты перестали быть военными «игрушками». В начале XXI века всё больше и больше различных БПЛА находят применение в гражданских сферах: аэросъёмка, доставка грузов, отдых и досуг, образование и др. Появилось множество схем конструкций (мультикоптеры, самолётного типа и др.). Теперь их можно спокойно купить в магазинах или даже сделать самому при покупке определённых комплектующих. О них и пойдёт речь далее.
Полётный контроллер – это основная плата управления, обеспечивающая функционирование беспилотного летательного аппарата.
Одним из первых популярных полётных контроллеров XXI века был MultiWii (рис. 14). Это открытый проект полётного контроллера на основе Arduino (аппаратной вычислительной платформе, основными компонентами которой являются простая плата ввода/вывода и среда разработки на языке Processing/Wirin (Си подобный)). Используется как элемент системы управления самодельных беспилотных аппаратов (в частности для мультикоптеров). Название MultiWii исторически сложилось потому, что в первых версиях были задействованы гироскопы из контроллера к игровой консоли Nintendo Wii.
Рисунок 14 – Внешний вид платы MultiWii
В данный момент платформа поддерживает большое количество сенсоров. Изначально нужно было докупать гироскопы из контроллера Wii Motion Plus и акселерометр из контроллера Wii Nunchuk, однако сейчас этого делать не нужно.
Так как основой проекта служит Arduino, то подключаемые модули (GPS, радио передатчик и т.д.) совместимо с проектом полётного контроллера ArduPilot (подробнее о нём поговорим ниже). По своей сути это плата с контактами, а не готовая система управления, к которой радиолюбитель может присоединять различные модули (в соответствии с нужными целями). Есть возможность настроить управление по радио пульту (с помощью приемника/передатчика радиосвязи) либо простые функции автопилота, такие как движение по точкам (необходим модуль GPS) и удержание курса (магнитометр). Естественно всё это возможно только при правильной настройке контроллера.
Изначально на плате был 8-битный микроконтроллер ATMega328 (тактовая частота до 20MHz, FLASH-память 32кб, SRAM-память 2кб), либо ATMega2560 (тактовая частота 16MHz, FLASH-память 256кб, SRAM-память 8кб). Но, т. к. проект является открытым, появились любительские версии с 32-битным STM32. Так же присутствуют встроенные датчики MPU6050 (3-осевой гироскоп и 3-осевой акселерометр), BMP085 (барометр) и HMC5883L (электронный магнитный компас). Информация представлена в общем виде и может отличаться для различных версий плат.
На рисунке 15 показана блок-схема системы управления.
Предполагаемый алгоритм управления:
1) Необходимо подключить все необходимые для задачи пользователя модули, предварительно записав программу в микроконтроллер (официальную или самодельную).
3) В зависимости от конструкции беспилотного аппарата, следует произвести запуск.
Полётные контроллеры в основном предназначались для радиоуправления. Хоть они и поддерживали некоторые функции автопилота, оператору приходилось контролировать полёт. Например, двигаясь по точкам маршрута, летающий аппарата может врезаться в возникшее препятствие, если не будет принято своевременных мер. Это относится и к остальным моделям полётных контроллеров, описанных ниже.
Рисунок 15 – Блок-схема системы управления.
ТП13. При повышении гибкости настройки управления контроллера недопустимо повышается сложность кода.
ТП14. При повышении гибкости настройки управления контроллера недопустимо повышается количество часов, требуемых на это.
Противоречия ТП13 и ТП14 были разрешены с помощью приёмов вынесения, объединения, универсальности, замены механической схемы.
Этап эволюции показан на рисунке 16.
Рисунок 16 – Пятый этап эволюции.
6. Новые аналоги .
Контроллер CopterControl3D (CC3D) создан в рамках открытого проекта Open Pilot,начатого в 2009 году (рис. 17). Как и MultiWii является небольшой и относительно дешевой программируемой платой, но в отличие от неё разрабатывался специально для квадрокоптеров. Так же получил своё программное обеспечение OpenPilot GCS для настройки. Примерно 90% квадрокоптеров используемых для управления First Person Viev (FPV, вид от первого лица – управление осуществляется не только по радио каналу, но и по дополнительному каналу принимается на экран видео в реальном времени) собираются любителями именно на этом контроллере.
Рисунок 17 – Внешний вид платы CC3D
На плате присутствует 32-битный микроконтроллер STM32F103 72MHz с FLASH-памятью 128кб и чип MPU6000 (совмещает 3-осевой гироскоп и 3-осевой акселерометр).
Информация представлена в общем виде и может отличаться для различных версий плат.
Блок-схема системы управления показана на рисунке 18 (отличия только в интерфейсах подключения устройств).
Рисунок 18 – Блок-схема системы управления
В системе выявлены следующие противоречия:
ТП15. При повышении гибкости управления контроллера, путём добавления функций автопилота, недопустимо повышается сложность кода.
ТП16. При повышении универсальности использования контроллера недопустимо повышается сложность кода.
Противоречия ТП15 и ТП16 были разрешены с помощью приёмов вынесения, универсальности, самообслуживания, «посредника».
Этап эволюции представлен на рисунке 19.
Рисунок 19 – Шестой этап эволюции
7. Решение от Arduino.
Полётный контроллер ArduPilot Mega (рис. 20), разработанный компанией Arduino. Главным отличием от предыдущих является поддержка не только летающих беспилотных аппаратов, но наземных и лодочных систем. Так же помимо радиоуправляемого дистанционного пилотирования – автоматическое управление по заранее созданному маршруту, т.е. полет по точкам, а так же обладает возможностью двухсторонней передачей телеметрических данных с борта на наземную станцию (телефон, планшет, ноутбук и т.д.) и ведение журнала во встроенную память.
Рисунок 20 – Внешний вид платы
Контроллер поддерживает программирование, как и прочие продукты Arduino, язык программирования Arduino (является стандартным C++ с некоторыми особенностями). При грамотной настройке позволяет превратить любой аппарат в автономное средство и эффективно использовать его не только в развлекательных целях, но и для выполнения профессиональных проектов. По сравнению с вышеописанными платами более стабильно ведёт себя во время полёта, может неплохо выполнять некоторые фигуры полёта.
Контроллер поддерживает авиасимулятор через ПО Mission Planner, который позволят настроить управление, проложить маршрут и т.д.
На плате установлен микроконтроллеры ATMega2560 и ATMega32U2 (8-битный, тактовая частота 16 MHz, FLASH-память 32кб, SRAM-память 1 кб), датчики MPU6000 и MS5611 (барометр).
Блок-схема системы управления показана на рисунке 21.
Рисунок 21 – Блок-схема системы управления.
В рассмотренной системе были выявлены следующее противоречие:
ТП17. При повышении гибкости управления контроллера недопустимо уменьшается универсальность использования контроллера.
ТП18. При повышении качества платы недопустимо повышается цена.
ТП19. При повышении гибкости управления контроллера недопустимо повышается сложность схемы подключения периферии.
Противоречия ТП17 и ТП18 были разрешены с помощью приёмов объединения, дешёвой замены, универсальности, путём создания универсального полётного контроллера.
На рисунке 22 показан этап эволюции.
Рисунок 22 – Седьмой этап эволюции.
8. Новое поколение .
Pixhawk – полетный контроллер нового поколения (рис. 23), дальнейшая разработка проекта PX4 и программного кода Ardupilot от 3DRobotics. В контроллере присутствует операционная система реального времени NuttX.
Контроллер поддерживает большое количество систем:
наземные, воздушные, наводные. Поддерживает различные модули и стандарты для их связи. Из-за своей универсальности и стал популярным. Поддерживает использование ПО Mission Planner как ArduPilot.
Рисунок 23 – Внешний вид контроллера Pixhawk
На плате установлен 32-битный микропроцессор STM32F427 Cortex M4 (168MHz, FLASH-память 2 Мб, RAM- память 256кб) и 32-битный сопроцессор STM32F103. Так же присутствуют датчики: ST Micro L3GD 20 – 3-осевой гироскоп, ST Micro LSM303D – 3-осевой акселерометр/магнитометр, MPU6000 - 3-осевой акселерометр/гироскоп, MEAS MS5611 – барометр.
Блок-схема системы управления показана на рисунке 24.
Рисунок 24 – Блок-схема системы управления.
Выявим противоречия описанной системы:
ТП20. При повышении гибкости управления аппарата недопустимо повышается сложность аппаратуры управления.
Противоречия ТП20 были разрешены с помощью приёмов объединения, универсальности, путём создания многофункционального БПЛА с открытым кодом для любительских разработок.
Этап эволюции представлен на рисунке 25.
Рисунок 25 – Восьмой этап эволюции.
9. Готовое решение .
В 2010 году французская фирма Parrot выпустила на рынок свой беспилотный летательный аппарат AR.Drone. Через пару лет была выпущена обновлённая версия Parrot AR.Drone 2.0 (рис. 29). Проект квадрокоптера был полностью открыт для идей пользователей, что помогло ему стать хитом.
У Parrot AR.Drone 2.0 имеются четыре мотора мощностью 14,5 Вт. Максимальная скорость – 18 км/ч. Масса дополнительной полезной нагрузки – 150 г. Процессор ARM Cortex A8 с частотой 1 ГГц. с 800 Гц. DSP TMS320DMC64x для обработки видео сигналов. RAM DDR2 1Гбит. Две камеры: основная для съёмки и режима FPV с разрешением 720p; дополнительная камера с разрешением 240p для измерения горизонтальной скорости, расположена снизу.Wi-Fi точка для подключения устройства управления (смартфон или планшет с ОС Android или iOS) .
Рисунок 29 – Внешний вид Parrot AR.Drone 2.0
Открытость проекта позволяет к готовому аппарату подключать дополнительные компоненты. Это была одна из привлекательных черт описываемого квадрокоптера. Также пользователи могли программировать его полётный контроллер, либо создавать различные приложения для управления на языках C, Java и Objectiv-C.
Примерная блок-схема управления представлена на рисунке 30.
Одна из главных проблем всех беспилотных летающих аппаратов заключается в том, что если во время режима автопилота перед ними возникнет препятствие (будь то стена, дерево, другой летающий аппарат или даже человек) столкновения не избежать. Максимум на что можно рассчитывать, что БПЛА попытается остановиться или оператор вовремя вмешается в процесс. Однако, если прогнозы развития верны и в ближайшее время нас ожидает дальнейшее развитие рынка беспилотных летательных аппаратов, эта проблема будет всё больше набирать актуальность.
Рисунок 30 – Блок-схема системы управления.
Выявленные противоречия:
ТП21. При добавлении дополнительной аппаратуры, повышающей функционал автопилота, недопустимо повышается вес аппарата.
10. Дальнейшее развитие .
Дальнейшее развитие беспилотных систем, в том числе БПЛА, заключается во внедрении в систему управления искусственного интеллекта. Интеллектуальная система управления позволит ещё больше развить функции автопилота, автоматизировать беспилотные аппараты. При этом действия оператора сводятся только к подготовке аппарату к началу полёта и непосредственно к самому запуску.
Но возникает техническое противоречие ТП21. Это противоречие разрешается принципами объединения, универсальности, непрерывности полезного действия, «посредника».
Интеллектуальную систему управления можно реализовать на микропроцессорном компьютере (например, Raspberry Pi) с несколькими датчиками (2 видео камеры и лидар). Такая система при движении по заданному маршруту сможет определить появившееся препятствие, которым может быть человек, другой БПЛА или дерево, стена, которые не заметил оператор при составлении маршрута. Данная система будет распознавать объекты методом компьютерного зрения и определять вектор движения этих объектов. После определения вектора движения, система сравнит его с вектором БПЛА и построит маршрут уклонения с минимальным уходом с маршрута. Такая схема несильно повлияет свои весом на характеристики беспилотного летательного аппарата, но значительно повысит степень его «выживаемости».
Литература и примечания :
Куда полетит беспилотник без пилота – День за днем [электронный ресурс] // LIVEJOURNAL.COM: Живой журнал. – Электрон. данные. URL: http://novser.livejournal.com/9293
99.html OQ-2 [электронный ресурс] // AVIA.PRO: Новости авиации. – Электрон. данные. URL: http://avia.pro/blog/oq-2
(дата обращения 14.11.2016 г.). – Заглавие с экрана.
Фау-1 [электронный ресурс] // ANAGA.RU: Информационный портал «Столичный комитет». 2008 г. – Электрон. данные. URL: http://anaga.ru/v-1.htm (дата обращения
17.12.2016 г.). – Заглавие с экрана. Gyrodyne Helicopter Co. Mfg of QH-50 series of VTOL
UAVs. [электронный ресурс] // GYRODYNEHELICOPT ERS.COM: Информационный сайт. – Электрон. данные. URL: http://www.gyrodynehelicopters.com/dash_weapon_system.htm
(дата обращения 14.11.2016 г.). – Заглавие с экрана.
AR.Drone 2.0: обзор возможностей и дополнений [электронный ресурс] // XAKER.RU: Электронный журнал. – Электрон. данные. URL:
Как устроен дрон? По какому принципу работает? Для всех, кто хоть немного интересуется робототехникой, - это актуальные вопросы. В свою очередь, предлагаем на них максимально подробные ответы. Итак, начнем с самого начала.
Что такое дрон?
Так называют летательные аппараты, управляемые либо человеком дистанционно с помощью пульта, либо посредством бортового компьютера (последние обычно предназначены для выполнения военных или других специальных задач). Термин «дрон» изначально возник, скорее, как шутливое прозвище и не являлся полноценным научным понятием. Дронами (в переводе с английского «трутень») еще в прошлом веке называли авиационную технику из-за специфического шума двигателей, напоминавшего гул пчелиного улья. Сейчас данный термин используется в основном в публицистике; в профессиональных кругах более популярны понятия «беспилотный летательный аппарат» или просто «беспилотник».
Виды дронов
Современные модели беспилотников очень разнообразны. Между собой они отличаются в первую очередь своим предназначением. К примеру, бывают коммерческие дроны (еще их называют гражданскими). Эти летательные аппараты выполняют общественно полезные функции - перевозят грузы, удобряют поля, помогают в строительстве зданий, в научных исследованиях и т.д. Другая крупная категория дронов - потребительские. Сюда входят различные игрушечные дроны. Они предназначены для развлечения на досуге, с их помощью можно, например, устроить настоящие гонки или снимать интересные видео с высоты птичьего полета. Третья крупная группа включает в себя военные или боевые беспилотники. Они характеризуются более сложной конструкцией и способны выполнять куда больше функций по сравнению с другими своими «собратьями». Отметим, что далее в этой статье будут рассматриваться дроны именно первых двух категорий. Как уже говорилось выше, военные модели сильно отличаются и их лучше рассматривать отдельно.
В 2014 году Федеральное управление гражданской авиации США разделило дроны по классам. Каждый класс соответствует классу воздушного пространства, в котором беспилотник способен летать. Так, класс G включает в себя аппараты, способные подняться на высоту до 360 метров. К классам В, С, D относятся дроны, летающие на высоте до 3000 метров. Класс А - это беспилотники, покорившие высоту от 5400 до 18 000 метров над землей.
Из каких элементов состоит дрон?
Конечно, каждый беспилотник по-своему уникален, но все же есть несколько основных элементов, которые присутствуют в конструкции любого такого устройства. Среди них:
- рама;
- полетный контроллер;
- двигатели;
- пропеллеры;
- регуляторы оборотов;
- аккумуляторы.
Рама - это основа любого беспилотника. К ней крепятся все остальные элементы. От того, насколько она прочна и надежна, зависит общий срок эксплуатации дрона. Изготавливают раму из полимеров или сплавов легких металлов. Также могут использовать карбон или другие материалы, отличающиеся легкостью и прочностью одновременно.
Полетный контроллер является, по сути, «мозгом» дрона. Он принимает сигналы, исходящие от пульта управления (или бортового компьютера) и перенаправляет их в двигатели или другие элементы конструкции. Чем больше сигналов способен принять контроллер, тем больше функций способен выполнить дрон в целом. В свою очередь, на количество принимаемых сигналов влияет количество датчиков, встроенных в полетный контроллер.
У разных дронов полетный контроллер может состоять из разных элементов, но все же есть определенный базовый набор, обязательный для любого беспилотника. Он включает в себя:
- главный процессор - принимает и обрабатывает команды;
- барометр (датчик, определяющий высоту полета аппарата);
- акселерометр (устройство, измеряющее ускорение аппарата);
- гироскоп (датчик, определяющий положение дрона в пространстве);
- стрелка направления (указывает направление, в котором должен лететь дрон);
- GPS-навигатор (определяет географическое положение дрона);
- Wi-Fi;
Двигатели, пропеллеры и регуляторы оборотов. Элементы конструкции, отвечающие за полет дрона. Обычно конструкцией предусмотрено четыре двигателя, каждый из которых присоединен к пропеллерам. Регуляторы оборотов задают скорость дрона, исходя из данных, полученных от полетного контроллера.
Аккумуляторы. Очевидно, что этот элемент конструкции обеспечивает функционирование всех элементов дрона. От емкости аккумуляторной батареи также зависит максимальная высота, на которую способен подняться беспилотник. Большинство коммерческих и потребительских дронов не отличается большими размерами, аккумуляторы, встроенные в них, также невелики. Из-за этого не удается обеспечить значительную продолжительность их полета. Решение этой проблемы является одной из приоритетных на данных момент.
Как летает дрон?
Коммерческие и потребительские дроны в подавляющем большинстве управляются посредством пульта (среди военных встречаются и полностью автоматизированные). Пульт настроен на определенные каналы (минимальное их количество - четыре), через которые направляет сигналы в полетный контроллер дрона. Последний, обработав сигнал, перенаправляет его на регулятор оборотов, который задает дрону нужную скорость путем вращения пропеллеров.
Кстати, все пропеллеры дрона вращаются в разных направлениях (одна пара по часовой стрелке, другая - против нее). Только так можно обеспечить максимальную стабильность полета. Параметры вращения пропеллеров также определяют специфику полета. Например, если все винты работают с одинаковой скоростью - аппарат взлетает. Если один из пропеллеров работает быстрее - дрон слегка наклоняется и двигается в заданном направлении. Если же сразу два пропеллера заработали быстрее - дрон поворачивается в заданную ими сторону.
В качестве послесловия
Из описанного выше становится понятно, что принцип работы дрона довольно прост. Имея достаточные познания в инженерии, можно сконструировать собственный беспилотник в домашних условиях. Опять же, подчеркнем, что только человек с хорошими инженерными навыками сможет справиться с этой задачей. Для таких специалистов, кстати, есть даже специальный ресурс (ecalc.ch), позволяющий спроектировать макет дрона и продумать принцип его действия в режиме онлайн.
Рассказать друзьям
