Bezposádkový prostriedok typu Trikopter
Autori (študenti LF TUKE): Bc. Jozef Ostrožnický
Problematikou bezposádkových dopravných prostriedkov sa ľudstvo zaoberalo už v období druhej svetovej vojny. V tej dobe bolo ich využitie hlavne pre vojenské účely. Dnes, v čase dlhodobého mieru, sa postupne začali bezposádkové prostriedky viac a viac presadzovať aj v civilnom sektore (monitorovanie terénu, rekreačné lietanie a pod). Letecká fakulta nedisponuje žiadnym reálnym a funkčným lietadlom, tak sa snaží presadiť aspoň na pôde bezposádkových prostriedkov. Našou úlohou bolo navrhnúť a skonštruovať prostriedok s tromi rotormi - trikopter.
Pre návrh boli použité všeobecne známe teoretické podklady dostupné z internetových diskusií, ako aj vlastné skúsenosti v oblasti leteckého modelárstva. Pri návrhu konštrukcie sme počítali so situáciou, že dôjde ku haváriám v čase nastavovania jednotlivých riadiacich prvkov elektroniky, a tak sme sa rozhodli pre modulárnu konštrukciu, ktorá bude dostatočne pevná, ale aj pružná, aby prekonala i tie najťažšie pristátia alebo aj havárie. Na základe týchto nami kladených nárokov sme sa rozhodli pre konštrukciu pozostávajúcu z cuprextitových dosiek a hliníkových ramien. Ramená tvoril profil Jokel 10x10 mm s hrúbkou 1mm. Vo vnútri ramien boli vedené prívodné vodiče pre motory. Podvozok trikopteru tvoria tri duralové pásoviny o hrúbke 3 mm a šírke 30 mm. Pre potreby zníženia hmotnosti boli v doskách vyrezané prstencové otvory.
Obr. 1 Stredové dosky, hliníkový Jokel
Srdcom konštrukcie boli teda dva cuprextitové dosky medzi ktoré bol umiestnený palubný akumulátor, prijímač a servomechanizmus. Jedinečnosťou nášho prevedenia je spôsob natáčania zadného rotora. Servomechanizmus (ako už bolo spomenuté bol umiestnený v strede trikopteru medzi doskami) pozostával so samotného servopohonu s pákovým prevodovým ústrojenstvom, ktoré otáčalo hriadeľ. Hriadeľ bola vedená vo vnútri zadného ramena v špeciálnou puzdre jedinečnej konštrukcie. Týmto usporiadaním sme dosiahli zvýšenie estetičnosti trikopteru. Klasické prevedenia majú servopohon umiestnený na konci ramena, čo okrem iných negatívnych vplyvov posúva aj ťažisko trikopteru.
Let trikopteru zabezpečovali tri modelárske synchrónne motory TR 2217 v spojení s pravotočivými vrtuľami GWS 10 x 4,7. Napájanie motorov zabezpečoval vysoko kvalitný trojčlánkový akumulátor Li-Pol s kapacitou 3000 mAh, ktorý umožňoval let vo vise po dobu 8 minút. Pri užitočnej hmotnosti (nosnosti) 500 g bola doba letu približne 6 minút. Na palubu je teda možné umiestniť senzorické vybavenie pre uskutočnenie rozličných meraní. Stabilizáciu prostriedku zabezpečovali štyri jednoosové gyroskopy HK 401B.
Obr. 2 Bloková schéma zapojenia elektrickej časti
Po úspešnom dokončení konštrukcie a overení jej dostatočnej robustnosti ako aj nastavení prvkov palubnej elektroniky sme sa začali zamýšľať nad možnosťami snímania parametrov na palube trikopteru. Pre tieto merania bol použitý mikrokontrolér Arduino Duemilanove osadený mikroprocesorom ATmega 168 s taktovacou frekvenciou 16 MHz. Mikrokontrolér má 10 bitové prevodníky na analógových vstupoch a podporuje aj I2C a SPI zbernice. Na začiatku sme uskutočnili merania prúdu pretekajúceho do motorov, ako aj meranie napätia palubného akumulátora pomocou snímača AttoPilot 90A.
Obr. 3 Meranie prúdu a napätia
Po tejto skúsenosti sme vyskúšali telemetrický prenos dát pomocou Xbee modulu pripojeného k mikrokontroléru Arduino Duemilanove ale aj zápis dát na pamäťovú kartu pomocou modulu OpenLog, ktorý komunikoval s mikrokontrolérom Arduino pomocou sériovej komunikácie. Prvé merania letových parametrov boli uskutočnené v uzavretej miestnosti, kde sme simulovali let po trajektórii v tvare štvorca.
Obr. 4 Bloková schéma meracieho reťazca
Pre meranie zrýchlení, uhlových rýchlosti, magnetického poľa a následný prepočet na polohové uhly sme použili IMU jednotku 9 DOF stick v spojení s mikrokontrolérom Arduino. Rozmery tejto IMU jednotky sú 11 x 35 x 1,9 mm a hmotnosť 2 gramy. 9 DOF obsahuje trojosový ADXL345 akcelerometer, trojosový HMC5843 magnetometer a trojosový ITG3200 gyroskop. IMU jednotka komunikuje s mikrokontrolérom Arduino Duemilanove pomocou I2C zbernice. Hmotnosť meracieho reťazca Arduino, IMU jednotka a OpenLog-u s pamäťovou kartou prípadne s modulom Xbee neprevyšuje 100 g. Nasnímané uhly pozdĺžneho sklonu, priečneho náklonu ale aj magnetického kurzu z tohto demonštračného letu sú na nasledovnom obrázku.
Obr. 5 Vybrané letové parametre
Bohužiaľ z nedostatku času a poruche v avionickom vybavení trikopteru neboli uskutočnené ďalšie merania letových parametrov. Merací reťazec bol ale overený a v najbližšej dobe budú uskutočnené dôkladné merania letových parametrov aj s následným vyhodnotením.
Obr. 6 Finálna verzia trikoptera
Záverom je praktická realizácia bezposádkového prostriedku s tromi rotormi, odskúšanie letových vlastností, snímanie jednotlivých parametrov a ich následného spracovania a vyhodnotenia. Víziou do budúcnosti je implementácia rôznych senzorov a navigačnej IMU jednotky, slúžiacej nie len k stabilizácii letu a uľahčeniu celkového riadenia, ale aj samotné plnenie vopred naprogramovaných i za letu aktualizovaných misií.
Obr. 7 Fotodokumentácia z letových ukážok trikoptera
- prečítané 5581x