Bezpilotný prostriedok pre letecké snímkovanie

   Keď hovoríme o budúcnosti lietadiel, hovoríme najmä o technologicky dokonalých strojoch, ktorých súčasťou sú nepochybne bezpilotné prostriedky. Súčasný pokrok robí z týchto zariadení plných elektroniky a inteligentných systémov nenahraditeľnú zložku vojenského aj civilného letectva. Cieľom našej práce bolo vytvoriť bezpilotný prostriedok vhodný pre letecké snímkovanie za veľmi nízku cenu. Projekt sa boril s množstvom problémov, ktoré neskôr dostávali výrobu prostriedku do časovej tiesne. No nič nie je nemožné a výsledkom je bezpilotný prostriedok kategórie mini s rozpätím krídel 3 m.

   Pre návrh základných častí letúňa boli použité všeobecne známe teoretické a empirické podklady z oblasti aerodynamiky. Pri návrhu krídla sme vychádzali z plošného zaťaženia lietadla. Pre overenie letových vlastností lietadla s určitým plošným zaťažením bol skonštruovaný model lietadla s inštalovanou telemetriou. Pomocou nej bolo možné merať výšku, rýchlosť, zrýchlenie. Po prepočte nameraných veličín sme získali dôležitý údaj a to kĺzavosť lietadla. Meranie, najmä rýchlosti a výšky, na danom modeli s rozpätím 3 m sme vykonávali pod rôznym plošným zaťažením. Lietadlo vystúpalo do výšky 200m, následne sme merali čas za aký poklesne na 50 m. Ako najvhodnejšia alternatíva sa javila hodnota plošného zaťaženia na 55 g/dm². Celková plocha krídla tak bola určená na 0,91 m². Prostriedok bol konštruovaný ako hornoplošník. Vysoké umiestnenie motorov na krídle znižovalo riziko ich poškodenia pri zlom pristátí. Z aerodynamického i konštrukčného hľadiska bol hornopološník najvhodnejšou koncepciou pre navrhovaný model.

   Rozmery tvar trupu sa odvíjali od umiestnenia komponentov prostriedku, pozostávajúcich z avionického vybavenia lietadla. Chvostové a riadiace plochy boli navrhované tak, aby model disponoval dostatočnou mierou stability a riaditeľnosti.

   Ako konštrukčný materiál draku bol použitý prevažne tvrdený polystyrén s laminovaným povrchom. Jeho veľmi dobré vlastnosti zvýrazňovala najmä nízka cena a dostupnosť. Spojenie chvostových plôch s trupom ako aj spojenie krídiel bolo realizované uhlíkovými trubkami. Cena draka prostriedku bez pohonu a prvkov riadenia odpovedala sume 170 EUR. Prostriedok je poháňaný dvoma elektromotormi značky Turnigy TR 3548 . Vytrvalosť lietadla vo vzduchu je približne dve hodiny s akčným rádiusom 10 km na legálnej frekvencii 5,8 MHz s použitím smerových antén.

   Avionické a senzorické vybavenie stroja pozostáva z telemetrického systému,  prvkov riadenia a vybavenia pre letecké snímkovanie. Pri návrhu telemetrického systému sme vychádzali zo skúseností získaných počas návrhu a stavby elektronických obvodov a potreby snímania veličín pre riadenie bezpilotného prostriedku. Navrhnutý telemetrický systém meria základné veličiny potrebné pre riadenie bezpilotného prostriedku, ktorými sú polohové uhly, odoberaný prúd, teplota motorov, napätie akumulátorov, poloha GPS, indikovaná rýchlosť, skutočná rýchlosť, barometrická výška, vario, otáčky motora a intenzita signálu.

Obr. 1 Bloková schéma telemetrického systému

   Srdcom celého zapojenia je vývojová platforma MBED , ktorá je osadená 32 bitovým mikroprocesorom Cortex-M3 taktovaným na frekvenciu 96 Mhz. Mikrokontrolér Mbed sa stará o výpočet polohových uhlov z údajov trojosového gyroskopu, trojosového akcelerometra a výpočet indikovanej rýchlosti. V budúcnosti bude využitý ako autopilot. Ako pomocný mikrokontrolér je použitý mikroprocesor firmy Atmel Atmega16, ktorý bude neskôr nahradený jeho modernejšou verziou Atxmega 16. Pomocný mikrokontrolér zabezpečuje meranie otáčok, napätia batérie, odoberaného prúdu a spracúva údaje získané z prijímača GPS. Tieto namerané údaje sú odosielané na zem do riadiaceho stanoviska. Komunikácia medzi pomocným a hlavným mikrokontolérom je zabezpečená zbernicou I2C. Bezdrôtový prenos je realizovaný pomocou bezdrôtového modulu RFM22 firmy RF Hope, ktorý je pripojený k pomocnému mikrokontroléru cez zbernicu SPI .

   Terminál na príjem dát je tvorený mikrokontolérom ATmega664 a grafickým monochromatickým displejom s rozlíšením 240*128 bodov. Napájanie celej riadiacej elektroniky zabezpečuje dvojčlánkový Li-Pol akumulátor a stabilizovaný zdroj vytvorený obvodom U1 a blokovacími kondenzátormi. Záporné napätie cca -12 V pre nastavenie kontrastu displeja je generované spínaným DC-DC meničom s obvodom MC34063.

   Program pre mikroprocesor terminálu je napísaný v jazyku Bascom-AVR. Mikrokontrolér riadi displej, aj všetky pripojené periférie. Program po zapnutí mikrokontroléru najprv inicializuje displej a pripojené periférie, potom vypíše úvodnú obrazovku a prejde na hlavný program, ktorý obsluhuje komunikáciu s prijímačom a zobrazuje prijaté dáta na displeji.

   Palubná elektronika je tvorená vývojovou platformou Mbed NXP LPC1768, ktorá obsahuje 32 bitový mikrokontolér s jadrom Cortex-M3 a pomocným 8-bitovým mikrokontrolérom ATmega16. Riadiaci mikrokontolér komunikuje pomocou zbernice I2C s trojosím gyroskopom ITG3200 s digitálnym výstupom a 16 bitovým AD prevodníkom, trojosovým magnetometrom HMC5883L, trojosovým akcelerometrom BMA180, barometrickým senzorom BMP085, 16 bitovým A/D prevodníkom ADS1100 a pomocným mikrokontrolérom ATmega16, ktorý meria napätia jednotlivých akumulátorov, odoberané prúdy, otáčky motorov a spracúva údaje z GPS prijímača.

   Na riadenie je zatiaľ použitá šesťkanálová RC súprava firmy Hitec Optic 6 osadená VF modulom pracujúcim v pásme 2,4 GHz od firmy Mzk servis a 7 kanálový prijímač. Na riadenie výškového kormidla, smerového kormidla a krídielok sú použité modelárske servomechanizmy.
Vybavenie pre letecké snímkovanie pozostáva z dvoch kamerových systémov a to: kamera umiestnená v prednej časti trupu lietadla s prenosom signálu na zem a kamery s vlastnou pamäťou situovanej na spodnej časti ľavého krídla. V prípade získania ďalších finančných prostriedkov bude letúň v budúcnosti dovybavený ďalšími, kvalitnejšími optickými zariadeniami.

Obr. 2 Finálna verzia bezpilotného prostriedku

   Vízia budúcnosti so sebou prináša ďalšie zaujímavé vylepšenia daného modelu ako napríklad umiestnenie tretej pohonnej jednotky a tým možnosť vertikálneho vzletu lietadla, či nové a kvalitnejšie monitorovacie zariadenia. Taktiež je tu možnosť vytvorenia a inštalovania autopilotnej elektroniky, ktorá by výrazné zvýšila aplikačné možnosti tohto bezpilotného prostriedku pre letecké snímkovanie.