PL230353B1 - Układ sterowania dla automatycznie sterowanych statków powietrznych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ sterowania dla automatycznie sterowanych statków powietrznych a w szczególności w układzie paralotni.

Z polskiego zgłoszenia patentowego P.385219 znana jest paralotnia, która zawiera skrzydło, mające sztywną strukturę nośną w postaci wypełniającego szkieletu konstrukcyjnego, utworzonego z połączonych rur zaś powłoka pokrywająca szkielet, jest zamknięta. Natomiast ze zgłoszenia patentowego P.385541 znana jest paralotnia ze sztywnym skrzydłem, które składa się z dwóch sztywnych płatów nośnych, z których jeden znajduje się wyżej niż drugi, połączonych za pomocą co najmniej dwóch łączników, umieszczonych na końcach płatów.

Z niemieckiego opisu patentowego DE102010035274 znana jest paralotnia wyposażona w uprząż w postaci szelek i tylnych pasów tworzących siedzisko dla pilota. Zarówno szelki jak i uprząż są przewidziane do rozłącznego łączenia czaszy z szelkami i linkami. Paralotnia ma możliwość podłączenia i mocowania jednostki dla pasów tylnych, gdzie możliwości leżą w połączeniu z linami nośnymi. W paralotni jednostki podłączenia są zaprojektowane jako haczyki zatrzaskowe, które są zamknięte lub otwarte za pomocą zatrzasków.

Statek powietrzny w układzie paralotni składa się z czaszy, linek i sterówek oraz podwieszenia. Czasza paralotni jest konstrukcją komorową, która pod ciśnieniem przepływającego przez nią powietrza uzyskuje profil aerodynamiczny. Na dolnej części krawędzi natarcia znajdują się wloty, przez które pod wpływem prędkości postępowej dostaje się powietrze. Jego zwiększone ciśnienie powoduje wypełnienie płata i uzyskanie profilu aerodynamicznego. Bardzo istotne dla prawidłowej pracy skrzydła jest, by nie zwalniało poniżej prędkości minimalnej. Z powodu zbyt niskiego ciśnienia następuje wtedy deformacja profilu i utrata siły nośnej.

Z dolną częścią żeber związane są linki nośne, a z krawędzią spływu - sterówki.

Linki umocowane są do uprzęży za pomocą taśm nośnych w dwóch punktach, co ułatwia sterowanie, natomiast do skrzydła w kilkudziesięciu, dzięki czemu siły są równomiernie rozłożone i utrzymują właściwy kształt płata.

Sterówki umocowane są do krawędzi spływu skrzydła. W odróżnieniu od linek nośnych, ich dolne końce nie są przymocowane nieruchomo do taśm nośnych, lecz przeprowadzone przez bloczek i zakończone uchwytami (po jednym do każdej z rąk pilota). Poprzez zaciąganie sterówki następuje zmiana kąta natarcia jednej z połówek skrzydła powodująca skręcanie paralotni w wybranym kierunku.

Podwieszenie stanowi około 90% masy całkowitej statku powietrznego. Jego rolą jest zarówno przenoszenie ładunku użytecznego, niezbędnych systemów sterowania, podwozia itp., jak i zapewnienie stateczności całej paralotni. Środek aerodynamiczny (punkt do którego przyłożone są siły aerodynamiczne) w paralotni znajduje się znacznie nad środkiem ciężkości (punkt w którym przyłożone są siły masowe). Taka konstrukcja zapewnia stateczność paralotni. Paralotnia w trakcie normalnego lotu (w trakcie którego linki są napięte) składa się z dwóch ciał, które możemy uznać za sztywne: podwieszenia i czaszy. Ciała te połączone są przegubem który blokuje względne przesunięcia oraz wprowadza pewne ograniczenia w osi względnego odchylenia. Oznacza to że ruch statku powietrznego w układzie paralotni rozpatrywać możemy jako ruch układu o 9 stopniach swobody:

• Trzech współrzędnych liniowych w osiach X, Y, Z • Trzech kątach orientacji przestrzennej podwieszenia Ψ (płaszczyzna ΧΥ), Φ (płaszczyzna YZ), Θ (płaszczyzna XZ) • Trzech kątach orientacji czaszy względem podwieszenia ΔΨ (płaszczyzna ΧΥ), ΔΦ (płaszczyzna YZ), ΔΘ (płaszczyzna XZ)

Taki układ odniesienia (związany z podwieszeniem), jest naturalny gdy jednostka sterująca paralotnią znajduje się w podwieszeniu. Wymaga on jednak ciągłej analizy dziewięciu, a nie sześciu jak w przypadku sztywnych statków powietrznych, zmiennych położenia obiektu.

Okazało się że powyższy układ możemy zmienić na dwa układy współrzędnych, jeden związany z podwieszeniem a drugi z czaszą. Kąty transformacji układu ΧΥΖ (związanego z podwieszeniem) na układ XC YC ZC (związany z czaszą) to odpowiednio kąty ΔΨ (płaszczyzna ΧΥ), ΔΦ (płaszczyzna YZ), ΔΘ (płaszczyzna XZ).

Ruch paralotni możemy rozważać w układzie współrzędnych związanym z czaszą XC YC ZC traktując kąty - ΔΨ (płaszczyzna ΧΥ), - ΔΦ (płaszczyzna YZ), - ΔΘ (płaszczyzna XZ) jako kąty transformacji z układu XC YC ZC na ΧΥΖ.

PL 230 353 Β1

Sterowanie automatyczne statkami powietrznymi odbywa się przy pomocy autopilota, będącego zwykle połączeniem jednostki obliczającej kąty orientacji przestrzennej (zwykle IMU) obliczającej kąty Ψ (płaszczyzna ΧΥ), Φ (płaszczyzna YZ), Θ (płaszczyzna XZ), sensora nawigacyjnego dostarczającego pozycję ΧΥΖ oraz zespołu regulatorów (zwykle PID) obliczających reakcje sterów na aktualny stan lotu.

Oznacza to że ogólnodostępne autopiloty pozwalają na analizę ruchu obiektu jedynie w 6 stopniach swobody: ΧΥΖ i Ψ Φ Θ.

Aby wykorzystać taki autopilot do sterowania paralotnią, należy zaniedbać 3 z 9 stopni swobody. Tradycyjne podejście, w którym podwieszenie zawiera wszystkie mechanizmy układu sterowania wymusza związanie układu współrzędnych jednostki obliczającej kąty orientacji przestrzennej z podwieszeniem (układ ΧΥΖ Ψ Φ Θ), a co za tym idzie zaniedbanie kątów ΔΨ, ΔΦ, ΔΘ.

Takie podejście prowadzi do braku możliwości reagowania na ruchy względne czaszy, co jest niezwykle istotne w sterowaniu paralotnią.

Celem wynalazku jest udoskonalenie możliwości sterowania, automatycznie sterowanym statkiem powietrznym w układzie paralotni, poprzez umożliwienie wykrywania i pomiaru kątów orientacji przestrzennej czaszy paralotni przez układ sterowania, czyli związanie układu współrzędnych jednostki obliczającej kąty orientacji przestrzennej z układem współrzędnych czaszy XC YC ZC oraz zaniedbaniu kątów -ΔΨ, -ΔΦ, ΔΘ jako nieistotnych z punktu widzenia sterowania.

Istota wynalazku polega na połączeniu jednostki pomiaru położenia kątowego z czaszą, poprzez rozdzielenie podwieszenia na dwie połączone przegubem części. Dolna część przenosi całą masę użyteczną natomiast w górnej mieści się jednostka pomiaru położenia kątowego (ewentualnie wraz z autopilotem).

Górna część podwieszenia jest związana z czaszą w tradycyjny sposób, co pozwala na wykrycie przez autopilot wszelkich odchyleń kątowych i reakcję na nie. Przegub łączący obie części podwieszenia jest skonstruowany w taki sposób, że pozwala na przemieszczenia kątowe w osi pochylenia i przechylenia, blokując jednocześnie przemieszczenia w osi odchylenia (ze względów praktycznych opisanych dalej).

Przedmiot wynalazku został uwidoczniony w przykładowym wykonaniu na rysunku schematycznym na którym Fig. 1 przedstawia podwieszenie z podziałem na górną i dolną część połączone przegubami w osi przechylenia i osi pochylenia, Fig. 2 obrazuje ruch czaszy w płaszczyźnie Y-Z a Fig. 3 przedstawia ruch czaszy w płaszczyźnie Χ-Ζ.

Podwieszenie według wynalazku łączy kąty Φ Θ orientacji przestrzennej czaszy z kątami orientacji przestrzennej czaszy, uniezależniając je jednocześnie od kątów orientacji podwieszenia (zaniedbanie -ΔΦ, -ΔΘ). Kąt odchylenia względnego -ΔΨ nie jest uniezależniony od pozycji podwieszenia, lecz jest to podyktowanie znacznie mniejszym znaczeniem tego kąta dla sterowania paralotnią oraz względami praktycznymi konstrukcji podwieszenia (np. obrót w osi odchylenia byłby nie pożądany przy zastosowaniu napędu).

W trakcie lotu w atmosferze, czasza 5 wykonuje nieustanne ruchy względem podwieszenia 1. Dzieje się tak ze względu na to, że atmosfera jest w nieustannym ruchu, co powoduje ciągłe zmiany kąta natarcia czaszy 5 (również niesymetryczne, inne na lewej i prawej połówce), a co za tym idzie ciągłe zmiany położenia środka aerodynamicznego czaszy. Ruchy te, jeśli ich amplituda jest zbyt duża, mogą prowadzić do takiej zmiany rozkładu ciśnień na czaszy, że linki 6 ulegną zluzowaniu, a co za tym idzie czasza 5 ulegnie deformacji doprowadzając do niebezpiecznego stanu lotu.

Ze względu na znaczną różnicę momentów bezwładności czaszy 5 i podwieszenia 1, ruchy czaszy 5 nie powodują jednoczesnych ruchów podwieszenia 1. Rolą pilota (lub autopilota w paralotni sterowanej automatycznie) jest takie używanie sterówek, aby kąty orientacji czaszy pozostały w bezpiecznym zakresie.

Wejście paralotni w obszar powietrza który opada (duszenie) powoduje zmniejszenie kąta natarcia czaszy 5, a co za tym idzie przesunięcie środka aerodynamicznego do tyłu i dynamiczne wychylenie czaszy 5 do przodu. W układzie tradycyjnym wychylenie czaszy 5 o kąt ΔΘ nie powoduje zmiany orientacji przestrzennej podwieszenia 1, a co za tym idzie uniemożliwia pomiar kąta ΔΘ i prawidłową reakcję na niego (przyhamowanie czaszy 5 obydwoma sterówkami).

W układzie według wynalazku zmiana pozycji kątowej czaszy 5 o kąt ΔΘ powoduje zmianę pozycji górnej części podwieszenia 1 o taki sam kąt, co umożliwia jego pomiar i reakcję poprzez zahamowanie czaszy 5 obydwoma sterówkami.

Analiza reakcji na wejście we wznoszącą się masę powietrza (noszenie) jest odwrotna.

PL 230 353 Β1

W wyniku wejścia w niesymetryczny podmuch powietrza, w którym powietrze po prawej stronie czaszy wznosi się względem powietrza opływającego lewą stronę czaszy 5, środek aerodynamiczny czaszy przesuwa się w prawo, co powoduje przechylenie czaszy w lewo. W układzie według wynalazku zmiana położenia kątowego czaszy 5 powoduje jednoczesną zmianę położenia kątowego górnej części podwieszenia 1 wraz z jednostką obliczającą kąty orientacji przestrzennej, co pozwala na natychmiastową reakcję na zaistniały stan lotu (przyhamowanie podniesionej części czaszy). Podobna do opisanej sytuacja ma miejsce przy starcie paralotni. Start odbywa się poprzez dynamiczne podniesienie czaszy 5 z ziemi za pomocą linek 6 przymocowanych do krawędzi natarcia czaszy. W trakcie tego manewru często zdarza się niesymetryczne podniesienie czaszy 5, co może doprowadzić do konieczności przerwania startu. W trakcie startu kąty orientacji przestrzennej podwieszenia 1 są zablokowane poprzez kontakt z podłożem. W układzie według wynalazku przechylenie czaszy 5 o kąt ΔΦ powoduje przechylenie górnej, zawieszonej przegubowo 2 części podwieszenia 1, co umożliwia pomiar kąta przechylenia i jego pomiar w celu odpowiedniej reakcji (zahamowanie podniesionej części czaszy).

Claims (3)

Zastrzeżenia patentowe

1. Układ sterowania dla automatycznie sterowanych statków powietrznych a w szczególności paralotni składających się z czaszy, linek i sterówek oraz podwieszenia i autopilota, znamienny tym, że ma połączone jednostki pomiaru położenia kątowego z czaszą (5), poprzez rozdzielenie podwieszenia na dwie połączone przegubem (2 i 3) części podwieszenia górną (1) i część podwieszenia dolną (4) tak, że zmiana pochylenia czaszy (5) o kąt ΔΘ powoduje zmianę pozycji górnej części podwieszenia (1) o kąt ΔΘ, natomiast przechylenie czaszy o kąt ΔΦ powoduje przechylenie górnej części podwieszenia o kąt ΔΦ.

2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że dolna część podwieszenia (4) przenosi całą masę użyteczną, natomiast w górnej części podwieszenia (1) mieści się znana jednostka pomiaru położenia kątowego (ewentualnie wraz z autopilotem).

3. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że górna część podwieszenia (1) jest związana z czaszą (5) w znany sposób, zaś przegub (2 i 3) łączący obie części podwieszenia (1 i 4) umożliwia przemieszczenia kątowe w osi pochylenia i przechylenia, blokując jednocześnie przemieszczenia w osi odchylenia.