EA030859B1 - Method and device for improving stabilization and manoeuvring ability of unmanned flying vehicles (ufv) using a gyroscopic effect - Google Patents

Method and device for improving stabilization and manoeuvring ability of unmanned flying vehicles (ufv) using a gyroscopic effect Download PDF

Info

Publication number
EA030859B1
EA030859B1 EA201600501A EA201600501A EA030859B1 EA 030859 B1 EA030859 B1 EA 030859B1 EA 201600501 A EA201600501 A EA 201600501A EA 201600501 A EA201600501 A EA 201600501A EA 030859 B1 EA030859 B1 EA 030859B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
gyroscope
rotor
moment
rotation
ufv
Prior art date
Application number
EA201600501A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
EA201600501A1 (en
Inventor
Ариф Мир Джалал оглы ПАШАЕВ
Тогрул Иса оглы КАРИМЛИ
Original Assignee
Национальная Академия Авиации
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Национальная Академия Авиации filed Critical Национальная Академия Авиации
Priority to EA201600501A priority Critical patent/EA030859B1/en
Publication of EA201600501A1 publication Critical patent/EA201600501A1/en
Publication of EA030859B1 publication Critical patent/EA030859B1/en

Links

Abstract

The proposed invention (a method and a device) is related to control systems and is intended for improving UFV stability and manoeuvring ability; it can be used for control and correction of various dynamic objects including small-size satellites. The objective of the invention is decreasing UFV sensitivity to influence of wind and turbulence without increasing flying speed, and improvement of stability and manoeuvring ability at the same time. For improving the above-listed parameters, UFV, together with compensation of the gyroscopic moment and propeller moment reaction, must increase the kinetic moment by means of a gyroscope. This is attained by that the gyroscope is installed, relative to the UFV centre of gravity, opposite the propeller (in case of a rear position of the propeller, the gyroscope is installed in the front part), rotation of the gyroscope rotor is directed contrary to the propeller rotation (rotation axles of the gyroscope rotor and the propeller are in alignment); the device having a high kinetic moment becomes less sensitive to influence of wind and turbulence, stability of flying increases; to change the flight path, the rotation axle of the gyroscope rotor is turned by means of electric motors (stabilization and moments motors) and reduction gears mounted on rotation axles of rotatable frames so that direction of generated gyroscopic moments coincide with the UFV turning direction. Coincidence of directions of gyroscopic moments with moments of the elevation rudder and directional rudder improves UFV manoeuvring ability. Stabilization and changing the angular position of UFV heel about the longitudinal axis are performed by increasing or decreasing the rotational speed of the gyroscope rotor with an adjustable inertia moment.

Description

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ (45) Дата публикации и выдачи патентаDESCRIPTION OF THE INVENTION TO THE EURASIAN PATENT (45) Date of publication and issuance of the patent

2018.10.31 (21) Номер заявки2018.10.31 (21) Application Number

201600501 (22) Дата подачи заявки201600501 (22) Application Date

2016.02.25 (51) Int. Cl. В64С17/06 (2006.01)2016.02.25 (51) Int. Cl. BC64S17 / 06 (2006.01)

В64С19/00 (2006.01)W64S19 / 00 (2006.01)

В64С19/02 (2006.01) (54) СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПОВЫШЕНИЯ СТАБИЛИЗАЦИИ И МАНЕВРЕННОСТИ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ (БЛА) С ПРИМЕНЕНИЕМ ГИРОСКОПИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА (43) 2017.08.31 (96) 2016/005 (AZ) 2016.02.25 (71) (73) Заявитель и патентовладелец:В64С19 / 02 (2006.01) (54) METHOD AND DEVICE FOR INCREASING STABILIZATION AND MANOVELITY OF UNILTERLY AIRCRAFT (UAV) WITH THE USE OF GYROSCOPIC EFFECT (43) 2017.08.31 (96) 2016/005))) ()) ()) ()) (95) 2016/005 ()) ()) (95) (31) 2016/005 (31) 2016/005 (93) 2016/005 (43) 2016/005 (43) 2016/005 (43) 2016/005 Applicant and Patent Owner:

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ АВИАЦИИ (AZ) (72) Изобретатель:NATIONAL AVIATION ACADEMY (AZ) (72) Inventor:

Пашаев Ариф Мир Джалал оглы, Каримли Тогрул Иса оглы (AZ) (56) US-B2-7051608Pashaev Arif Mir Jalal oglu, Karimli Togrul Isa oglu (AZ) (56) US-B2-7051608

US-B2-6729580US-B2-6729580

RU-C1-2084826RU-C1-2084826

SU-A1-355494 (74) Представитель:SU-A1-355494 (74) Representative:

Нифталиев Г.В. (AZ)Niftaliev G.V. (AZ)

030859 Bl (57) Предлагаемое изобретение (способ и устройство) относится к системам управления и предназначено для повышения устойчивости и маневренности БЛА и может быть использовано для управления и коррекции различных динамических объектов, в том числе и малогабаритных спутников. Целью изобретения является уменьшение чувствительности БЛА к влиянию ветра и турбулентности без увеличения скорости полета, а также повышение устойчивости и одновременно маневренности. Для улучшения указанных параметров БЛА наряду с компенсацией гироскопического и реакции моментов винта необходимо увеличивать кинетический момент с помощью гироскопа. Это достигается тем, что гироскоп устанавливается относительно центра тяжести БЛА напротив винта (при заднем расположении винта гироскоп устанавливается в передней части), вращение ротора гироскопа направлено против вращения винта (ось вращения ротора гироскопа и винта находятся на одной прямой); устройство, обладающее высоким кинетическим моментом, становится менее чувствительным к влиянию ветра и турбулентности, повышается устойчивость полета; для изменения траектории полета ось вращения ротора гироскопа поворачивается с помощью электрических двигателей (двигатели стабилизации и моментов) и редукторов, находящихся на осях вращения поворотных рам, таким образом, чтобы направления созданных гироскопических моментов совпадали с направлением поворота БЛА. Совпадение направлений гироскопических моментов с моментами руля высоты и руля направления способствует повышению маневренности БЛА. Стабилизация и изменение углового положения крена БЛА вокруг продольной оси осуществляются увеличением или уменьшением скорости вращения ротора гироскопа с регулируемым инерционным моментом.030859 Bl (57) The present invention (method and device) relates to control systems and is intended to increase the stability and maneuverability of the UAV and can be used to control and correct various dynamic objects, including small-sized satellites. The aim of the invention is to reduce the sensitivity of the UAV to the influence of wind and turbulence without increasing the speed of flight, as well as increasing stability and maneuverability at the same time. To improve the specified parameters of the BLA, along with the compensation of gyroscopic and reaction of the screw moments, it is necessary to increase the kinetic moment with the help of a gyroscope. This is achieved by the fact that the gyroscope is installed relative to the center of gravity of the BLA opposite the screw (when the screw is in the rear, the gyroscope is installed in the front), the gyroscope rotor rotates against the screw rotation (the axis of rotation of the gyroscope rotor and the screw are on the same line); a device with a high kinetic moment becomes less sensitive to the effects of wind and turbulence, and flight stability increases; To change the flight path, the axis of rotation of the gyroscope rotor is rotated using electric motors (stabilization motors and torques) and gears located on the axes of rotation of the swivel frames so that the directions of the generated gyroscopic moments coincide with the direction of rotation of the UAV. The coincidence of the directions of gyroscopic moments with the moments of the elevator and the rudder contributes to increasing the maneuverability of the UAV. Stabilization and change of the angular position of the roll of the UAV around the longitudinal axis is carried out by increasing or decreasing the speed of rotation of the gyroscope rotor with an adjustable inertial moment.

030859 В1030859 B1

Предлагаемые изобретения (способ и устройство) относятся к системам управления и предназначены для увеличения устойчивости и маневренности беспилотных летательных аппаратов (БЛА) и могут быть использованы для управления и коррекции различных динамических объектов, в том числе и малогабаритных спутников.The proposed inventions (method and device) relate to control systems and are intended to increase the stability and maneuverability of unmanned aerial vehicles (UAVs) and can be used to control and correct various dynamic objects, including small satellites.

Все самолеты в пространстве маневрируют управляющими поверхностями за счет создания аэродинамических моментов. Для обеспечения максимального момента управления управляющие поверхности располагаются по мере возможности на максимально отдаленных расстояниях от центра масс самолетов. Управляющими поверхностями (киль, стабилизатор, рули направления и высоты, элероны, предкрылки, спойлеры) осуществляются угловые стабилизации воздушных судов (ВС) и создаются аэродинамические моменты. Летательные аппараты определенных конструкций могут маневрировать по двум осям одной управляющей поверхностью, такой как, например, элевоны (комбинация руля высоты и элеронов), руль V-образного оперения (функции рулей направления и высоты), дифференциальный стабилизатор [1]. При проектировании БЛА и ВС безопасность полетов и быстрота маневрирования, устойчивость и управляемость считаются основными задачами.All airplanes in space maneuver the control surfaces by creating aerodynamic moments. To ensure maximum control moment, the control surfaces are located as far as possible at the most distant distances from the center of mass of the aircraft. Control surfaces (keel, stabilizer, rudders and heights, ailerons, slats, spoilers) are angular stabilized aircraft (A) and aerodynamic moments are created. Aircraft of certain structures can maneuver along two axes with one control surface, such as, for example, elevons (a combination of elevator and ailerons), a rudder of the V-shaped tail (directional and elevator functions), a differential stabilizer [1]. When designing a UAV and aircraft, safety and speed of maneuvering, stability and control are considered to be the main objectives.

В зависимости от технической задачи для увеличения маневренности БЛА известно использование различных конструкций, основанных на аэродинамических способах [2].Depending on the technical task to increase the maneuverability of the UAV, the use of various designs based on aerodynamic methods is known [2].

Во многих конструкциях БЛА, состоящих из планера и силовой установки (авиационный двигатель и винт) с горизонтальным взлетом и посадкой (ГВП), винтовой двигатель, создающий тягу, находится за центром массы. (Жирным шрифтом выделены признаки, присущие предмету заявляемого изобретения.) Если винт вращается по часовой стрелке, то на БЛА действует равный по величине и противоположный по направлению левый кренящий момент; если винт вращается против часовой стрелки, то на БЛА действует равный по величине и противоположный по направлению правый кренящий момент реакции винта. При малой скорости БЛА и больших оборотах винта кренящий момент реакции винта достигает максимального значения. Кроме этого, если у БЛА винт вращается по часовой стрелке и установлен спереди от центра масс, то при правом вираже созданный гироскопический момент отклоняет БЛА вниз, а при левом вираже гироскопический момент отклоняет БЛА вверх. При расположении винта в хвостовой части гироскопический момент отклоняет БЛА в противоположную сторону.In many UAV designs, consisting of a glider and a power plant (aircraft engine and propeller) with horizontal takeoff and landing (PRT), the screw engine that creates thrust is located behind the center of mass. (The signs inherent in the subject matter of the claimed invention are highlighted in bold type.) If the screw rotates clockwise, the left heeling moment of equal magnitude and opposite in direction acts on the UAV; if the screw rotates counterclockwise, then the UAV is equal in magnitude and opposite in the direction of the right heeling moment of the screw’s reaction. With a low speed BLAH and high rotations of the screw, the heeling moment of the screw's reaction reaches its maximum value. In addition, if the UAV's screw rotates clockwise and is set up in front of the center of mass, then the created gyroscopic moment deflects the BLAH downward when the right turn is right and the gyroscopic moment deflects the BLAh upward when the left turn turns. When the screw is located in the tail part, the gyroscopic moment deflects the BLA in the opposite direction.

Если винт вращается против часовой стрелки и установлен спереди от центра масс, при правом вираже созданный гироскопический момент отклоняет БЛА вверх, а при левом вираже гироскопический момент отклоняет БЛА вниз. При расположении винта в хвостовой части гироскопический момент отклоняет БЛА в противоположную сторону. При кабрировании или пикировании гироскопические моменты создают нежелательные моменты рыскания БЛА влево или вправо [1]. В условиях взлета или посадки с боковым ветром на БЛА ГВП действуют гироскопические моменты винта, отклоняющие траектории полетов вверх или вниз, вследствие чего может произойти опасный аварийный режим. Недостатком известного способа и устройства является то, что БЛА, осуществляющие полеты в условиях ветра при низких значениях скоростей, на малых и больших высотах (близких к практическому статическому потолку полета), не обеспечены достаточной устойчивостью полета.If the screw rotates counterclockwise and is set to the front of the center of mass, the gyroscopic moment created by the right bend deflects the BLAH upwards, and when the left turn is the gyroscopic moment deflects the BLAH downwards. When the screw is located in the tail part, the gyroscopic moment deflects the BLA in the opposite direction. When pitching or diving gyroscopic moments create undesirable moments of yaws BLA left or right [1]. In the conditions of take-off or landing with side wind, the screw gyroscopic moments act on the GVP BLAH, deflecting flight paths up or down, as a result of which dangerous emergency operation can occur. The disadvantage of this method and device is that BLAH, flying in wind conditions at low speeds, at low and high altitudes (close to the practical static flight ceiling), are not provided with sufficient flight stability.

Известен малогабаритный летательный аппарат с самостабилизирующимися аэродинамическими поверхностями, состоящий из фюзеляжа, аэродинамических поверхностей с возможностью вращения относительно продольной оси летательного аппарата и хвостового оперения, предназначенного для осуществления стабилизации малогабаритного летательного аппарата в плоскости траектории и управления при полете по баллистической траектории, основанный на аэродинамическом способе управления [3]. (Жирным шрифтом выделены признаки, присущие предмету заявляемого изобретения.) Недостатком известного способа и устройства является бесполезность его использования в БЛА с винтовыми двигателями, осуществляющими полеты на малых скоростях при критических режимах устойчивости, так как при полетах, выполняемых на малых скоростях в условиях турбулентности, эффективность аэродинамических поверхностей, создающих управляющие моменты, имеет малые значения. Для предотвращения сваливания, вызванного изменением горизонтального положения БЛА, необходимо увеличить скорость полета, но при этом не следует превышать допустимую скорость во избежание чрезмерной перегрузки.Known compact aircraft with self-stabilizing aerodynamic surfaces, consisting of the fuselage, aerodynamic surfaces with the possibility of rotation relative to the longitudinal axis of the aircraft and tail unit, designed to implement the stabilization of a small aircraft in the plane of the trajectory and control when flying along a ballistic trajectory, based on the aerodynamic method of control [3]. (Signs inherent in the subject matter of the claimed invention are highlighted in bold type.) The disadvantage of the known method and device is the uselessness of its use in BLAH's with screw engines flying at low speeds with critical stability modes, as during flights performed at low speeds in turbulent conditions, the efficiency of aerodynamic surfaces, creating control moments, has small values. To prevent stalling caused by a change in the horizontal position of the UAV, it is necessary to increase the flight speed, but do not exceed the allowable speed to avoid excessive overload.

Известен также газодинамический способ управления БЛА, выполняющим полеты в диапазоне высот 35-45км [4]. В системах ориентации больших космических аппаратов (КА) применяется газодинамический способ, включающий в себя двигатель коррекции траектории и системы микродвигателей стабилизации, каждая из которых состоит из 4-х двигателей стабилизации КА в канале крена и 4-х двигателей стабилизации в каналах тангажа и рыскания. (Жирным шрифтом выделены признаки, присущие предмету заявляемого изобретения.) Кратковременный режим работы и невозможность применения на малогабаритных БЛА ГВП являются недостатками известного способа; избыточность конструктивных элементов и массогабаритных показателей являются также недостатками известного устройства.Also known gas-dynamic method of controlling UAVs, flying in the altitude range of 35-45km [4]. The systems of orientation of large spacecraft (SC) use a gas-dynamic method that includes a trajectory correction engine and a stabilization micromotor system, each of which consists of 4 SC stabilization engines in a roll channel and 4 stabilization engines in the pitch and yaw channels. (The signs inherent in the subject matter of the claimed invention are highlighted in bold type.) The short-term operation mode and the impossibility of using it on small-sized GVP BLAH are disadvantages of the known method; the redundancy of structural elements and weight and size indicators are also disadvantages of the known device.

Известны силовые гироскопические комплексы (СГК), создающие гироскопические моменты в системах стабилизации и ориентации тяжелых и средних КА. СГК создают управляющие моменты в режимах стабилизации и программных поворотов КА относительно опорной системы координат [5]. (Жирным шрифтом выделены признаки, присущие предмету заявляемого изобретения.) Невозможность применения на малогабаритных БЛА ГВП является недостатком известного способа; избыточность констKnown power gyroscopic complexes (SGK), creating gyroscopic moments in the systems of stabilization and orientation of heavy and medium satellites. SGCs create control moments in the modes of stabilization and software rotation of the spacecraft relative to the reference coordinate system [5]. (The signs inherent in the subject matter of the claimed invention are highlighted in bold type.) The impossibility of using GVP on small-sized UAVs is a disadvantage of the known method; redundancy const

- 1 030859 руктивных элементов и массогабаритных показателей являются недостатками известного устройства.- 1 030859 ructive elements and weight and size parameters are disadvantages of the known device.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту (способу) является способ использования гироскопического момента для управления летательным аппаратом (транспортным средством) [6]. Создание гироскопического момента, являющегося основой способа, осуществляется с помощью нескольких гироскопов. Гироскопический момент возникает, когда на ось гироскопа начинает действовать сила, стремящаяся привести ее в движение, т.е. создающая вращающий момент относительно центра подвеса. Под действием этого вращающего момента возникают силы Кориолиса, поэтому конец оси гироскопа будет отклоняться не в сторону действия силы, а в направлении, перпендикулярном к этой силе, и в результате гироскоп начнет вращаться вокруг оси с постоянной угловой скоростью. (Жирным шрифтом выделены признаки, присущие предмету заявляемого изобретения.) Неучет направления вращения винта на малогабаритных БЛА ГВП и, вследствие этого, невыполнение компенсации момента реакции и гироскопического момента винта при эволюциях БЛА являются недостатком известного способа.The closest in technical essence to the claimed object (method) is the method of using the gyroscopic moment to control the aircraft (vehicle) [6]. Creating gyroscopic moment, which is the basis of the method, is carried out using several gyroscopes. A gyroscopic moment occurs when a force begins to act on the axis of the gyroscope, which tends to set it in motion, i.e. creating torque relative to the center of suspension. Under the action of this torque, Coriolis forces arise, therefore the end of the gyroscope axis will deviate not in the direction of the force, but in the direction perpendicular to this force, and as a result the gyroscope will begin to rotate around the axis with a constant angular velocity. (The signs inherent in the subject matter of the claimed invention are highlighted in bold type.) Failure to take into account the direction of rotation of the screw on small-sized GVP UAVs and, as a result, failure to compensate for the reaction time and gyroscopic torque of the screw during the evolution of the UAV are a disadvantage of the known method.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту (устройству) является устройство управления летательным аппаратом (транспортным средством) [6]. Устройство позволяет технически осуществить способ использования гироскопического момента для управления летательным аппаратом (транспортным средством) и содержит корпус, центральную ось со штангами, гироскопы с системами крепления к штангам. Система крепления содержит раму, систему крепления, наклона и поворота рамы, держатель гироскопа. Корпус и центральная ось закреплены через систему дополнительного момента. (Жирным шрифтом выделены признаки, присущие предмету заявляемого изобретения.) Наличие дополнительного второго гироскопа для нейтрализации возникающих моментов инерции и реакции (момента обратного действия) при раскручивании гироскопа (ротора) или его торможении, относительно большие массогабаритные показатели, избыточное время запуска и торможения гироскопов из-за больших моментов инерции гироскопов являются недостатками устройства.The closest in technical essence to the claimed object (device) is the control device of the aircraft (vehicle) [6]. The device allows you to technically implement the method of using the gyroscopic moment to control the aircraft (vehicle) and includes a housing, a central axis with rods, gyroscopes with attachment systems to rods. The mounting system includes a frame, a system for mounting, tilting and rotating the frame, a gyroscope holder. The body and the central axis are fixed through an additional moment system. (Signs inherent in the subject matter of the claimed invention are highlighted in bold.) The presence of an additional second gyroscope to neutralize the occurring moments of inertia and reaction (reversal moment) when the gyroscope (rotor) is unwound or decelerated, relatively large weight and size parameters, excessive gyro launch and deceleration times from - due to the large moments of inertia of the gyroscopes are the disadvantages of the device.

Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение чувствительности БЛА к влиянию ветра и турбулентности без увеличения скорости полета, а также повышение устойчивости и одновременно маневренности.The task of the invention is to reduce the sensitivity of the UAV to the influence of wind and turbulence without increasing the speed of flight, as well as increasing stability and maneuverability.

Технический результат достигается тем, что гироскоп устанавливается относительно центра тяжести БЛА напротив винта (при заднем расположении винта гироскоп устанавливается в передней части), вращение ротора гироскопа направлено против вращения винта (ось вращения ротора гироскопа и винта находятся на одной прямой); устройство, обладающее высоким кинетическим моментом, становится менее чувствительным к влиянию ветра и турбулентности, увеличивается устойчивость полета; для изменения траектории полета ось вращения ротора гироскопа поворачивается с помощью электрических двигателей (двигатели стабилизации и моментов) и редукторов, находящихся на осях вращения поворотных рам таким образом, чтобы направления созданных гироскопических моментов совпадали с направлением поворота БЛА. Совпадение направлений гироскопических моментов с моментами рулей высоты и направления способствует увеличению маневренности и уменьшению времени переходного режима пилотирования БЛА. Стабилизация и изменение углового положения крена БЛА вокруг продольной оси осуществляется увеличением или уменьшением скорости вращения ротора (момента реакции) гироскопа с регулируемым инерционным моментом.The technical result is achieved by the fact that the gyroscope is installed relative to the center of gravity of the BLA opposite the screw (when the screw is in the rear, the gyroscope is installed in the front), the rotation of the gyroscope rotor is directed against the rotation of the screw (the axis of rotation of the gyroscope rotor and the screw are on the same line); a device with a high kinetic moment becomes less sensitive to the effects of wind and turbulence, and flight stability increases; To change the flight path, the axis of rotation of the gyroscope rotor is rotated using electric motors (stabilization motors and torques) and gearboxes located on the axes of rotation of the swing frames in such a way that the directions of the generated gyroscopic moments coincide with the direction of rotation of the UAV. The coincidence of the directions of the gyroscopic moments with the moments of the elevators and directions promotes an increase in maneuverability and a decrease in the time of the transitional mode of piloting the BLAH. Stabilization and change of the angular position of the roll of the UAV around the longitudinal axis is carried out by increasing or decreasing the speed of rotation of the rotor (reaction time) of the gyroscope with an adjustable inertial moment.

Преимуществами способа и устройства повышения стабилизации и маневренности беспилотных летательных аппаратов гироскопическим эффектом следует считать:The advantages of the method and device for increasing the stabilization and maneuverability of unmanned aerial vehicles are the gyroscopic effect:

1) увеличение диапазона режимов полета, ограниченного низкой эффективностью аэродинамических рулей при полетах БЛА на малых скоростях в условиях ветра, турбулентности и высотах, близких к практическому потолку;1) an increase in the range of flight modes, limited by the low efficiency of aerodynamic control surfaces during UAV flights at low speeds in conditions of wind, turbulence and altitudes close to the practical ceiling;

2) увеличение быстроты маневрирования БЛА;2) increase the speed of maneuvering UAVs;

3) уменьшение чувствительности к влиянию ветра и повышение устойчивости траектории движения, необходимые при аэрофотосъемке, уменьшение амплитуды и времени переходного режима пилотирования БЛА, способствующие полету с экономным расходом топлива.3) reducing sensitivity to wind and improving the stability of the trajectory of movement required for aerial photography, reducing the amplitude and time of the transitional mode of piloting a UAV, contributing to flight with economical fuel consumption.

Способ повышения стабилизации и маневренности беспилотных летательных аппаратов с применением гироскопического эффекта, заключающийся в использовании гироскопического момента, показан на схеме (фиг. 1). Схема состоит из корпуса гироскопа 1, фюзеляжа 2, ротора гироскопа 3, внутренней рамы гироскопа 4, внешней рамы гироскопа 5, электрических двигателей 6, редукторов 7, руля направления 8 и руля высоты 9, создающих аэродинамические моменты элеронов 10. К аэродинамическим моментам добавляются дополнительно созданные гироскопические моменты. Корпус гироскопа 1 жестко соединен в точке А фюзеляжа 2 на одной линии с осью винта. Напротив винта в подвижной (вверх или вниз) внутренней раме 4 установлен вращающийся с большой скоростью ротор гироскопа 3. Внутренняя рама устанавливается во внешней раме 5. Эта рама может поворачиваться влево или вправо и устанавливается в корпусе гироскопа. На внешней раме установлен электрический двигатель 6 (двигатель стабилизации и момента) и редуктор 7, поворачивающий ось вращения внутренней рамы. Например, если ротор гироскопа вращается по часовой стрелке (против направления вращения винта), то при отклонении внутренней рамы электрическим двигателем и редуктором вверх созданный гироскопический момент отклоняет БЛА вправо, а при отклонении внутренней рамы вниз - отклоняет БЛА влево, что способствует увеA method for increasing the stabilization and maneuverability of unmanned aerial vehicles using the gyroscopic effect, which consists in using the gyroscopic moment, is shown in the diagram (Fig. 1). The scheme consists of gyroscope body 1, fuselage 2, gyroscope rotor 3, gyroscope inner frame 4, gyroscope outer frame 5, electric motors 6, gearboxes 7, rudder 8 and elevator 9, creating aerodynamic moments of ailerons 10. Additional aerodynamic moments are added created gyroscopic moments. The housing of the gyroscope 1 is rigidly connected at point A of the fuselage 2 in line with the axis of the screw. Opposite the screw in the movable (up or down) inner frame 4, the rotor of the gyroscope 3 is set to rotate at high speed. The inner frame is installed in the outer frame 5. This frame can be rotated to the left or right and installed in the gyroscope case. On the outer frame there is an electric motor 6 (engine of stabilization and torque) and gearbox 7, which rotates the axis of rotation of the inner frame. For example, if the gyro rotor rotates clockwise (against the direction of rotation of the screw), then when the internal frame is deflected by the electric motor and gearbox, the created gyroscopic moment deflects the BLAH to the right, and if the internal frame is deflected downward, it deflects

- 2 030859 личению эффективности руля направления 8, особенно на малых скоростях полета и в критических режимах устойчивости. Установленный в корпусе гироскопа электрический двигатель 6 (двигатель стабилизации и момента), редуктор 7 и поворачивающаяся ось вращения внешней рамы обеспечивают стабилизацию и момент управления тангажом БЛА. Например, если ротор гироскопа вращается по часовой стрелке (против направления вращения винта), то при отклонении внешней рамы электрическим двигателем и редуктором влево созданный гироскопический момент отклоняет БЛА вверх, а при отклонении внешней рамы вправо - отклоняет БЛА вниз, что способствует увеличению эффективности руля высоты 9, особенно на малых скоростях полета и в критических режимах устойчивости. Если направления вращения ротора и винта противоположны, а моменты инерции ротора гироскопа и винта равны и при этом положения элеронов нейтральны, то БЛА не кренится. Для стабилизации траектории полета БЛА по крену и создания кренящего момента за счет увеличения (по часовой стрелке) скорости вращения ротора гироскопа с регулируемым инерционным моментом БЛА кренится влево, а за счет уменьшения скорости вращения ротора - БЛА кренится вправо. Таким образом достигается улучшение эффективности элеронов 10, особенно на малых скоростях полета и в критических режимах устойчивости.- 2 030859 the effectiveness of the rudder 8, especially at low flight speeds and in critical modes of stability. The electric motor 6 installed in the gyroscope case (engine of stabilization and torque), gearbox 7 and the turning axis of rotation of the outer frame provide stabilization and moment of control of the BLA pitch. For example, if the gyroscope rotor rotates clockwise (against the direction of rotation of the screw), then when the external frame is deflected by the electric motor and gearbox to the left, the created gyroscopic moment deflects the BLAH upwards, and when the external frame is deflected to the right, deflects the elevator 9, especially at low flight speeds and in critical stability modes. If the directions of rotation of the rotor and screw are opposite, and the moments of inertia of the rotor of the gyroscope and screw are equal and the positions of the ailerons are neutral, then the UAV does not roll. To stabilize the flight path of the UAV in roll and create a heeling moment due to an increase (clockwise) rotor speed of the gyroscope with an adjustable inertial moment the UAV rolls to the left, and due to a decrease in the rotor speed, the UAV rolls to the right. Thus, an improvement in the efficiency of the ailerons 10 is achieved, especially at low flight speeds and in critical stability modes.

На фиг. 2 показаны направления созданных управляющих гироскопических моментов (если винт установлен в хвостовой части, а гироскоп в носовой части) изменением плоскости вращения ротора гироскопа. При отклонении ротора гироскопа (фиг. 2а) вправо гироскопический момент создает пикирующий момент БЛА. При отклонении ротора гироскопа (фиг. 2б) влево гироскопический момент создает кабрирующий момент БЛА. При отклонении ротора гироскопа (фиг. 2в) вниз гироскопический момент отклоняет БЛА влево. При отклонении ротора гироскопа (фиг. 2г) вверх гироскопический момент отклоняет БЛА вправо. Эти управляющие гироскопические моменты добавляются к аэродинамическим моментам рулей направления 8 и высоты 9 и способствуют увеличению быстроты маневрирования БЛА.FIG. Figure 2 shows the directions of the created control gyroscopic moments (if the screw is installed in the tail section and the gyroscope in the nose section) by changing the plane of rotation of the gyroscope rotor. When the gyro rotor deviates (Fig. 2a) to the right, the gyroscopic moment creates a dive moment of the UAV. When the gyroscope rotor deviates (Fig. 2b) to the left, the gyroscopic moment creates a coupling moment of the BLAH. When the rotor of the gyroscope (Fig. 2c) is deflected downward, the gyroscopic moment deflects the BLAH to the left. When the gyroscope rotor deviates (Fig. 2d), the gyroscopic moment upwards rejects the BLAH to the right. These control gyroscopic moments are added to the aerodynamic moments of the rudders of direction 8 and height 9 and contribute to an increase in the maneuvering speed of the BLAH.

На фиг. 3 изображено устройство повышения стабилизации и маневренности беспилотных летательных аппаратов с применением гироскопического эффекта на базе гироскопа с регулируемым инерционным моментом ротора.FIG. 3 shows a device for improving the stabilization and maneuverability of unmanned aerial vehicles using a gyroscopic effect on the basis of a gyroscope with an adjustable inertial moment of the rotor.

Устройство состоит из оси 11, внутреннего диска 12, направляющих трубок 13, пружин 14, тяжелых шариков 15, регулировочных винтов 16 и внешнего диска 17. Установленный на оси ротор состоит из внутреннего диска 12, направляющих трубок 13, внутри которых находятся пружины 14, способствующие увеличению динамичности ротора, перемещающиеся в зависимости от управляемого числа оборотов оси, подвижных шариков 15 и предназначенных для балансировки ротора регулировочных винтов 16. Направляющие трубки вдоль радиуса закреплены на внешнем диске 17. Ось ротора вращается с помощью двигателя с регулируемым числом оборотов (на схеме не изображено). Регулировочными винтами также можно выполнить наладку момента инерции ротора. При запуске ротора гироскопа с регулируемым инерционным моментом из-за расположения тяжелых шариков массой m вблизи радиуса Ri минимальное значение момента инерции J (J=mR1 2) способствует увеличению разгона ротора, т.е. уменьшается время запуска ротора гироскопа. С увеличением оборотов ротора гироскопа под действием центробежных сил тяжелые шарики, изготовленные из тантала или из тяжелых сплавов стали, преодолевая силу упругости пружин, перемещаются к внешнему диску, увеличивая момент инерции ротора. Одновременно с увеличением оборотов ротора увеличение массы во внешнем диске увеличивает нарастание момента реакции ротора. С увеличением момента инерции в зависимости от оборотов ротора увеличивается его кинетический момент, при этом можно получить большой управляющий гироскопический момент ротора гироскопа (создается электрическими двигателями 6 и редукторами 7). При максимальном значении оборотов ротора из-за расположения шариков около внешнего диска управляющий гироскопический момент и момент обратной реакции ротора имеют максимальные значения (J=mR22), что важно на малых скоростях полета и критических режимах устойчивости БЛА [7]. С уменьшением оборотов ротора сила упругости пружины, преобладая над центробежной силой, способствует перемещению шариков к центру ротора. В результате этого уменьшается момент инерции ротора, который вызывает быстрое торможение ротора. Быстрый разгон и быстрое торможение ротора позволяют управлять противодействующим по направлению моментом реакции ротора, что используется при управлении БЛА по крену вокруг оси X. Таким образом, повышение устойчивости и стабилизация траектории полета, а также быстрое маневрирование БЛА относительно осей X, Y, Z осуществляются одним гироскопическим устройством с регулируемым моментом инерции.The device consists of an axis 11, an internal disk 12, guide tubes 13, springs 14, heavy balls 15, adjustment screws 16 and an external disk 17. Mounted on an axis, the rotor consists of an internal disk 12, guide tubes 13 inside which are springs 14 contributing increasing the rotor dynamism, moving depending on the controlled speed of the axis, the moving balls 15 and the adjusting screws 16 intended for balancing the rotor. The guide tubes along the radius are fixed on the outer disk 17. The rotor axis is rotated out with the help engine with adjustable speed (not shown in the diagram). Adjusting screws can also adjust the moment of inertia of the rotor. When starting the rotor of the gyroscope with an adjustable inertial moment due to the location of heavy balls of mass m near the radius Ri, the minimum value of the moment of inertia J (J = mR 1 2 ) increases the acceleration of the rotor, i.e. decreases the start time of the gyro rotor. As the gyroscope rotor increases under the action of centrifugal forces, heavy balls made from tantalum or from heavy alloys of steel, overcoming the elastic force of the springs, move to the external disk, increasing the moment of inertia of the rotor. Simultaneously with an increase in the rotor revolutions, the increase in mass in the external disk increases the increase in the reaction time of the rotor. With an increase in the moment of inertia, depending on the rotor revolutions, its kinetic moment increases, and you can get a large controlling gyroscopic moment of the gyroscope rotor (created by electric motors 6 and gearboxes 7). At the maximum rotor speed, due to the location of the balls near the outer disk, the controlling gyroscopic moment and the moment of the rotor back reaction have maximum values (J = mR2 2 ), which is important at low flight speeds and critical stability modes of BLAH [7]. With a decrease in rotor speed, the spring force of the spring, dominating over the centrifugal force, promotes the movement of the balls to the center of the rotor. As a result, the moment of inertia of the rotor decreases, which causes rapid deceleration of the rotor. Rapid acceleration and rapid deceleration of the rotor make it possible to control the rotor moment of reaction, which is opposed in the direction, which is used to control the BLAH by tilting around the X axis. Gyroscopic device with adjustable moment of inertia.

Источники информацииInformation sources

1. Principles of Flight. JAA ATPL. Theoretical knowledge manual. Oxford Aviation, Frankfurt, Germany, 2001. p.366, p.561.1. Principles of Flight. JAA ATPL. Theoretical knowledge manual. Oxford Aviation, Frankfurt, Germany, 2001. p.366, p.561.

2. Unmanned aircraft systems. UAVS design, development and deployment. Reg Austin. 2010 John Wiley & Sons Ltd, United Kingdom, p. 34-37, figure 3.7.2. Unmanned aircraft systems. UAVS design, development and deployment. Reg Austin. 2010 John Wiley & Sons Ltd, United Kingdom, p. 34-37, figure 3.7.

3. Патент RU № 2489313, МПК: В64С 5/00, F42B 10/62. Борисенко А.Б., Лазаренков СМ., Никитенко А.В. Малогабаритный летательный аппарат с самостабилизирующимися аэродинамическими поверхностями. 10.08.2013, Бюл. № 22.3. Patent RU No. 2489313, IPC: В64С 5/00, F42B 10/62. Borisenko AB, Lazarenkov SM., Nikitenko A.V. Small-sized aircraft with self-stabilizing aerodynamic surfaces. 08/10/2013, Byul. No. 22

4. Лебедев А.А., Чернобровкин Л.С. Динамика полета беспилотных летательных аппаратов. Учебное пособие для вузов. М., Машиностроение, 1973. стр. 44-47.4. Lebedev A.A., Chernobrovkin L.S. Flight dynamics of unmanned aerial vehicles. Textbook for universities. M., Mechanical Engineering, 1973. p. 44-47.

- 3 030859- 3 030859

5. Бортовые системы управления космическими аппаратами. Учебное пособие. Бровкин А.Г., Бурдыгов Б.Г., Гордийко С.В. и др. Под редакцией Сырова А.С. М. МАИ, 2010. стр. 80-98.5. Onboard spacecraft control systems. Tutorial. Brovkin A.G., Burdygov B.G., Gordiyko S.V. and others. Edited by Syrova A.S. M. MAI, 2010. p. 80-98.

6. Патент RU № 2495789, МПК: В64С 17/06. Тарасов А.А. Способ использования гироскопического момента для управления летательным аппаратом (транспортным средством) и устройство управления летательным аппаратом. 20.10.2013, Бюл. №29.6. Patent RU No. 2495789, IPC: VS64 17/06. Tarasov A.A. The method of using gyroscopic moment to control the aircraft (vehicle) and the control device of the aircraft. 10/20/2013, Bull. №29.

7. Курс физики. Учебное пособие для вузов. Трофимова Т.И. 11-е издание. М., Академия, 2006. стр. 34-35.7. The course of physics. Textbook for universities. Trofimova T.I. 11th edition. M., Academy, 2006. p. 34-35.

Claims (2)

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAIM 1. Способ повышения стабилизации и маневренности беспилотного летательного аппарата, снабженного винтом вращения, с применением гироскопического эффекта, состоящего из корпуса, гироскопа, рамы, системы наклона и поворота рам, включающей внутреннюю и внешнюю рамы, двигатели стабилизации и моментов, отличающийся тем, что стабилизация и управление осуществляются одним гироскопом, причем направления осей вращения ротора гироскопа и винта летательного аппарата совпадают, а направление вращения указанного винта и ротора гироскопа противоположны, при этом стабилизация и управление летательного аппарата (по углу крена) выполняется созданием дополнительного момента инерции за счет увеличения или уменьшения скорости вращения ротора гироскопа в результате регулирования момента инерции.1. A method of increasing the stabilization and maneuverability of an unmanned aerial vehicle equipped with a rotation screw using a gyroscopic effect consisting of a body, a gyroscope, a frame, an inclination and rotation system of frames, including an internal and external frame, stabilization engines and moments, wherein stabilization and control is carried out by a single gyroscope, and the directions of the axes of rotation of the rotor of the gyroscope and propeller of the aircraft coincide, and the direction of rotation of the specified screw and rotor of the gyroscope is false, the stabilization and control of the aircraft (the angle of roll) is performed by creating an additional moment of inertia by increasing or decreasing the gyro rotor speed by adjusting the moment of inertia. 2. Устройство повышения стабилизации и маневренности беспилотных летательных аппаратов с применением гироскопического эффекта, работа которого осуществляется с применением способа по п.1 и использованием ротора гироскопа с регулируемым моментом инерции, состоящее из дискового ротора, отличающееся тем, что направляющие ротора представляют собой радиально размещенные трубки в диске, причем каждая трубка содержит подвижный шарик, пружину и регулировочный винт, установленный в плоскости вращения ротора для изменения момента инерции ротора.2. Device to increase the stabilization and maneuverability of unmanned aerial vehicles using a gyroscopic effect, which is carried out using the method according to claim 1 and using a gyro rotor with an adjustable moment of inertia, consisting of a disk rotor, characterized in that the rotor guides are radially placed tubes in the disk, each tube contains a movable ball, a spring and an adjusting screw installed in the plane of rotation of the rotor to change the moment of inertia of the mouth ora y 1y 1 Фиг. 1FIG. one - 4 030859 а б в г- 4 030859 a b c Фиг. 2FIG. 2 Фиг. 3FIG. 3 ОABOUT
EA201600501A 2016-02-25 2016-02-25 Method and device for improving stabilization and manoeuvring ability of unmanned flying vehicles (ufv) using a gyroscopic effect EA030859B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EA201600501A EA030859B1 (en) 2016-02-25 2016-02-25 Method and device for improving stabilization and manoeuvring ability of unmanned flying vehicles (ufv) using a gyroscopic effect

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EA201600501A EA030859B1 (en) 2016-02-25 2016-02-25 Method and device for improving stabilization and manoeuvring ability of unmanned flying vehicles (ufv) using a gyroscopic effect

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA201600501A1 EA201600501A1 (en) 2017-08-31
EA030859B1 true EA030859B1 (en) 2018-10-31

Family

ID=59686681

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201600501A EA030859B1 (en) 2016-02-25 2016-02-25 Method and device for improving stabilization and manoeuvring ability of unmanned flying vehicles (ufv) using a gyroscopic effect

Country Status (1)

Country Link
EA (1) EA030859B1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU355494A1 (en) * Б. Вересова, А. П. Гурь нов, М. К. Петрочук , Б. В. Уткин DOUBLE HOSE STABILIZER
RU2084826C1 (en) * 1992-04-13 1997-07-20 Олег Петрович Домашкевич Gyroscopic centrifugal device
US6729580B2 (en) * 2001-04-05 2004-05-04 Northrop Grumman Corporation Method and system for directing an object using gyroscopes
US7051608B2 (en) * 2001-10-17 2006-05-30 Ingenieria, Diseno Y Analisis, S.L. Gyroscopic actuator

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU355494A1 (en) * Б. Вересова, А. П. Гурь нов, М. К. Петрочук , Б. В. Уткин DOUBLE HOSE STABILIZER
RU2084826C1 (en) * 1992-04-13 1997-07-20 Олег Петрович Домашкевич Gyroscopic centrifugal device
US6729580B2 (en) * 2001-04-05 2004-05-04 Northrop Grumman Corporation Method and system for directing an object using gyroscopes
US7051608B2 (en) * 2001-10-17 2006-05-30 Ingenieria, Diseno Y Analisis, S.L. Gyroscopic actuator

Also Published As

Publication number Publication date
EA201600501A1 (en) 2017-08-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11433999B2 (en) Vehicle capable of taking off and landing vertically and operating in water, land, air and submarine environments
WO2017020097A2 (en) Method and device for increasing the stability and manoeuvrability of an unmanned aerial vehicle (uav) using a gyroscopic effect
US7520466B2 (en) Gyro-stabilized air vehicle
EP3188966B1 (en) Tilt winged multi rotor
CN107639984B (en) Sea, land, air and water amphibious four-purpose tilting three-rotor unmanned aerial vehicle capable of taking off and landing vertically
US5289994A (en) Equipment carrying remote controlled aircraft
US11305873B2 (en) Air, sea and underwater tilt tri-rotor UAV capable of performing vertical take-off and landing
US8561937B2 (en) Unmanned aerial vehicle
US11485477B2 (en) Flying apparatus
US11613349B2 (en) Vertical take off and landing (VTOL) aircraft with vectored thrust having continuously variable pitch attitude in hover
RU2769822C1 (en) Aircraft with unrelated degrees of freedom
JP2015501751A (en) Method and apparatus for vertical / short-range take-off and landing
WO2000015497A2 (en) Gyrostabilized self propelled aircraft
JP2004503430A (en) Aircraft improvements
JP2010254264A (en) Unmanned aircraft landing and departing perpendicularly by tilt wing mechanism
NL2017971A (en) Unmanned aerial vehicle
GB2553604B (en) Aerodynamically fully actuated drone (Sauceron) and drone chassis aerodynamic supporting trusses (Lings)
EP3904204B1 (en) Manned aircraft
CN111098649A (en) Aerocar control system and method and aerocar
WO2007108794A1 (en) Gyro-stabilized air vehicle
JP2009234551A (en) Vertical takeoff and landing aircraft having main wing installation angle changing device
US20190077498A1 (en) Aircraft Including Inclined Rotor Array
KR20160010711A (en) multicopter
CN107444606B (en) Novel aircraft and aircraft system
US10908618B2 (en) Rotor control law for multi-rotor vehicles systems and methods

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): AM AZ BY KZ KG TJ TM RU

NF4A Restoration of lapsed right to a eurasian patent

Designated state(s): AZ BY RU

MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): AZ BY RU