RU2683133C1

RU2683133C1 - Unmanned aerial tethered system

Info

Publication number: RU2683133C1
Application number: RU2018115029A
Authority: RU
Inventors: Михаил Сергеевич Левчук; Сергей Анатольевич Левчук; Сергей Валерьевич Воскресенский
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Стрелец" (ООО "Стрелец")
Priority date: 2018-04-23
Filing date: 2018-04-23
Publication date: 2019-03-26

Abstract

FIELD: aircrafts.SUBSTANCE: unmanned aerial tethered system comprises the tethered power station, unmanned aerial vehicle (UAV) with payload and engine, connected to the coaxial multidirectional propellers, connected to UAV by the rigid coupling aerodynamic stabilizer, to which the bearing cable ring is fixed, providing communication with the tethered power station, at that, the bearing cable to the UAV attachment point is selected so that the UAV displacement under the cross wind action is compensated by the coaxial propeller offset in direction of wind in certain manner.EFFECT: enabling the UAV stabilization system simplification and increase in the payload.1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к авиационной технике в частности к стабилизации положения беспилотного привязного летательного аппарата (БПЛА) относительно наземной станции привязного питания (СПП).The invention relates to aircraft, in particular to stabilizing the position of an unmanned tethered aircraft (UAV) relative to the ground station tethered power (SPP).

Привязные БПЛА применяются с целью поднятия полезной нагрузки на высоту и фиксации положения относительно СПП. Из-за погодных условий (ветра) БПЛА может смещаться относительно СПП. Для стабилизации положения БПЛА обычно применяют решения со сложной системой датчиков положения и автоматической регулировкой положения БПЛА, либо с ручной подстройкой положения БПЛА.The tethered UAVs are used to raise the payload to the height and fix the position relative to the SPP. Due to weather conditions (wind), the UAV can move relative to the SPP. To stabilize the UAV's position, solutions are usually used with a complex system of position sensors and automatic UAV position adjustment, or with manual adjustment of the UAV's position.

Известны БПЛА, которые имеют 4 и более винтомоторных групп (http://el-shema.ru/publ/radiosvjaz/multikoptery/4-l-0-72). Недостатком указанного БПЛА является сложность технического исполнения, так как винтомоторные группы располагаются на радиально расположенных балках. Это усложняет крепеж всей конструкции, требует наличия датчиков положения и сложной многофакторной обработки сигналов от них.UAVs are known that have 4 or more rotor-motor groups (http://el-shema.ru/publ/radiosvjaz/multikoptery/4-l-0-72). The disadvantage of this UAV is the complexity of the technical design, since the propeller groups are located on radially located beams. This complicates the fixture of the whole structure, requires position sensors and complex multi-factor processing of signals from them.

Известна система автоматического управления высотой полета беспилотного летательного аппарата по патенту РФ №2 290 346 (МПК В04С 13/18, G05D 1/04). Система обеспечивает стабилизацию высоты полета БПЛА без перерегулирования после быстрого изменения высоты полета.A known system for automatically controlling the flight altitude of an unmanned aerial vehicle according to the patent of the Russian Federation No. 2,290,346 (IPC V04C 13/18, G05D 1/04). The system provides stabilization of the UAV flight altitude without overshooting after a quick change in flight altitude.

Известен Способ увеличения продолжительности полета беспилотного летательного аппарата и Устройство для его осуществления. Патент РФ №2 403 184, МПК В64С 31/02. Данным изобретением решена задача увеличения продолжительности безмоторного полета БПЛА и планеров путем компенсации потерь высоты за счет использования энергии конвективных структур атмосферного пограничного слоя без участия оператора и увеличения подъемной силы беспилотного летательного аппарата на основе использования дополнительной подъемной силы, создаваемой упомянутыми конвективными структурами атмосферного пограничного слоя.The known Method of increasing the duration of the flight of an unmanned aerial vehicle and Device for its implementation. RF patent №2 403 184, IPC ВСС 31/02. This invention solved the problem of increasing the duration of a non-motorized flight of UAVs and gliders by compensating for altitude losses by using the energy of convective structures of the atmospheric boundary layer without the participation of the operator and increasing the lifting force of an unmanned aerial vehicle based on the use of additional lifting force created by the said convective structures of the atmospheric boundary layer.

Известен Способ формирования интегрального адаптивного сигнала стабилизации планирующего движения беспилотного летательного аппарата и Устройство для его осуществления. Патент РФ №2 460 113, МПК G05D 1/08, G05B 13/00, G06F 7/00. Данным изобретением решена задача повышения точности управления в условиях широкого диапазона высот и скоростей полета и действия возмущающих факторов.A known method of forming an integrated adaptive signal for stabilizing the planning movement of an unmanned aerial vehicle and Device for its implementation. RF patent No. 2 460 113, IPC G05D 1/08, G05B 13/00, G06F 7/00. This invention solved the problem of improving control accuracy in a wide range of altitudes and flight speeds and the action of disturbing factors.

Однако описанные системы и способы имеют недостатки, поскольку требуют сложного управления пространственным положением БПЛА, и связаны с необходимостью многофакторной отработки сигналов датчиков, в том числе с учетом длины свободной привязи и подъемной силы летательного аппарата, с этим связаны недостаточная надежность, а также высокая стоимость оборудования для их реализации.However, the described systems and methods have disadvantages because they require complex control of the UAV spatial position, and are associated with the need for multifactorial processing of sensor signals, including taking into account the length of the leash and the lift of the aircraft, insufficient reliability and high cost of equipment are associated with this for their implementation.

Наиболее близким решением к предлагаемому является Способ управления беспилотным привязным летательным аппаратом и беспилотный авиационный комплекс по патенту РФ №2 441 809, МПК В64С 39/02.The closest solution to the proposed one is the Control method of an unmanned tethered aircraft and an unmanned aerial system according to the patent of the Russian Federation No. 2 441 809, IPC ВСС 39/02.

Беспилотный авиационный комплекс содержит наземную станцию, беспилотный летательный аппарат с движителем и его приводом, привязь, включающую силовой трос, связывающий наземную станцию с БПЛА, и многофункциональный кабель, а также механизм для регулирования длины привязи, и систему управления положением и стабилизации БПЛА.An unmanned aircraft complex contains a ground station, an unmanned aerial vehicle with a propulsion unit and its drive, a leash including a power cable connecting the ground station to the UAV, and a multifunction cable, as well as a mechanism for regulating the leash length, and a UAV position control and stabilization system.

Однако описанный способ управления положением и стабилизации БПЛА имеет недостатки, связанные с тем, что для реализации данного способа необходимо наличие в БПЛА датчиков положения и требуется сложная многофакторная обработка сигналов от них.However, the described method for controlling the position and stabilization of the UAV has disadvantages due to the fact that the implementation of this method requires the presence of position sensors in the UAV and requires complex multi-factor processing of signals from them.

Технической задачей предлагаемого решения является увеличение полезной нагрузки в условиях бокового ветра при облегчении конструкции, тем самым упрощение системы стабилизации.The technical task of the proposed solution is to increase the payload in crosswind conditions while lightening the structure, thereby simplifying the stabilization system.

Эта задача решена тем, что в системе, содержащей БПЛА, снабженный расположенными в его корпусе полезной нагрузкой и двигателем, который связан с соосными разнонаправленными винтами, и аэродинамический стабилизатор (АДС), связанный с БПЛА жесткой связкой, к которой крепится кольцо силового троса, обеспечивающего связь со станцией привязного питания (СПП), при этом точка крепления силового троса к БПЛА выбрана так, что смещение БПЛА под воздействием бокового ветра компенсировано отклонением соосного винта в сторону ветра при удовлетворении соотношения:This problem is solved in that in a system containing a UAV equipped with a payload located in its housing and an engine that is connected with coaxial multidirectional screws, and an aerodynamic stabilizer (ADS) connected to the UAV with a rigid ligament to which the power cable ring is attached, providing connection with the power supply station (SPP), while the point of attachment of the power cable to the UAV is selected so that the drift of the UAV under the influence of the side wind is compensated by the deviation of the coaxial screw towards the wind when satisfied relationship:

F_БПЛА*r_БПЛА<F_АДС*r_АДС, где:F_ UAV * r_ UAV <F_ADS * r_ADS, where:

F_БПЛА - сила, действующая на БПЛА со стороны ветра;F_ UAV - the force acting on the UAV from the wind;

r_БПЛА - расстояние от центра масс БПЛА до точки крепления силового троса на жесткой связке;r_ UAV - the distance from the center of mass of the UAV to the point of attachment of the power cable to a rigid bundle;

F_АДС - сила, действующая на АДС со стороны ветра;F_АДС - force acting on the wind from the wind;

r_АДС - расстояние от центра масс АДС до точки крепления силового троса на жесткой связке.r_ADS - distance from the center of mass of the ADF to the point of attachment of the power cable to a rigid bundle.

Сущность изобретения пояснена чертежом:The invention is illustrated in the drawing:

Фиг. 1 показан общий вид Системы.FIG. 1 shows a general view of the System.

Фиг. 2 - показано положение Системы при наличии бокового ветраFIG. 2 - shows the position of the System in the presence of cross-wind

Фиг. 3 - показаны силы, действующие на Систему.FIG. 3 - shows the forces acting on the System.

Корпус БПЛА (1), содержащий полезную нагрузку и двигатель (на чертеже не показаны), механически связан с соосными противоположно-направленными винтами (2). При этом корпус БПЛА жестко связан с АДС (3), причем ось жесткой связки (4) сонаправлена с осью вращения соосных винтов. Силовой трос (5), связывающий Систему с СПП, крепится к жесткой связке при помощи кольца (6) крепления силового троса. Кольцо закреплено на жесткой связке в точке крепления (7) посредством шарнирного механизма, обеспечивающего свободное вращение/отклонение кольца 6 относительно оси жесткой связки 4.The UAV casing (1), containing the payload and the engine (not shown in the drawing), is mechanically connected to the coaxial opposite directional screws (2). In this case, the UAV body is rigidly connected with the ADS (3), and the axis of the rigid ligament (4) is aligned with the axis of rotation of the coaxial screws. The power cable (5) connecting the System with the SPP is attached to a rigid bundle using the ring (6) of the power cable. The ring is fixed on a rigid ligament at the attachment point (7) by means of a hinge mechanism that provides free rotation / deviation of the ring 6 relative to the axis of the rigid ligament 4.

Двигатель БПЛА1 при помощи соосных винтов 2 обеспечивает режим БПЛА1, при котором его подъемная сила превышает вес БПЛА1 вместе с силовым тросом и полезной нагрузкой, обеспечивающим его подъем на заданную высоту. Высоту подъема БПЛА1 задают длиной силового троса 5, связывающего БПЛА1 с СПП. Стабилизация БПЛА1 в условиях наличия бокового ветра осуществляется посредством АДС3, управляющего отклонением соосных винтов 5 БПЛА1 относительно вертикали таким образом, что подъемная сила, обеспечиваемая соосными винтами 5, имеет составляющую, направленную против направления ветра. АДС3 обеспечивает вертикальную подъемную силу БПЛА1 с учетом наличия бокового ветра. Точка привязи Системы расположена между БПЛА1 и АДС3The UAV1 engine with the help of coaxial screws 2 provides the UAV1 mode, in which its lifting force exceeds the weight of the UAV1 together with the power cable and payload, which ensures its rise to a given height. The UAV1 lifting height is set by the length of the power cable 5 connecting the UAV1 with the SPP. UAV1 stabilization in the presence of a crosswind is carried out by ADS3, which controls the deflection of the UAV1's coaxial screws 5 relative to the vertical so that the lifting force provided by the coaxial screws 5 has a component directed against the direction of the wind. ADS3 provides vertical lift UAV1 taking into account the presence of side wind. System anchor point is located between UAV1 and ADS3

Работает Система следующим образом. В отсутствие бокового ветра, поскольку подъемная сила превышает вес БПЛА1, при подъеме БПЛА1 расположится строго над СПП. При этом высота подъема БПЛА1 определена длиной силового троса 5, а положение БПЛА1 - положением СПП. При возникновении бокового ветра БПЛА1 начнет смещаться по направлению ветра. Сила (F_БПЛА), действующая со стороны ветра на БПЛА1, зависит от формы и площади поверхности БПЛА1. Сила (F_АДС), действующая со стороны ветра на АДС3, также зависит от формы и площади поверхности АДС3. Точка крепления силового троса 5 выбрана так, чтобы выполнялось соотношение:The system works as follows. In the absence of a crosswind, since the lifting force exceeds the weight of the UAV1, when lifting the UAV1 will be located strictly above the SPP. In this case, the UAV1 lifting height is determined by the length of the power cable 5, and the UAV1 position is determined by the position of the SPP. When a side wind occurs, the UAV1 will begin to shift in the direction of the wind. The force (F_ UAV) acting from the wind side on UAV1 depends on the shape and surface area of UAV1. The force (F_ADS) acting from the wind side on the ADS3 also depends on the shape and surface area of the ADS3. The attachment point of the power cable 5 is selected so that the ratio:

F_БПЛА*r_БПЛА<F_АДС*r_АДС,F_ UAV * r_ UAV <F_ADS * r_ADS,

при этом связь БПЛА-АДС будет отклоняться от вертикального положения навстречу ветру (см. Фиг. 2) до положения, пока не уравновесятся силы F_БПЛА и F_АДС с силами натяжения силового троса и подъемной силой БПЛА.in this case, the UAV-ADS connection will deviate from the vertical position in the direction of the wind (see Fig. 2) to the position until the forces F_UVA and F_ADS are balanced with the forces of tension of the power cable and the lifting force of the UAV.

Рассмотрим силы, действующие на Систему (см. Фиг. 3).Consider the forces acting on the System (see Fig. 3).

Величины сил F_БПЛА и F_АДС зависят от скорости ветра и эффективных площадей сечения БПЛА и АДС, S_БПЛА и S_АДС соответственно. Сила тяжести F_т, действующая на Систему, определяется массой АДС и БПЛА вместе с привязью. Подъемная сила F_п создается соосными винтами, приводимыми в движение двигателем БПЛА. Сила натяжения силового троса F_нт создается избыточным действием подъемной силы F_п. Подъемная сила F_п сонаправлена с осью жесткой связки БПЛА-АДС. При этом отклонение от вертикали связки БПЛА-АДС будет компенсироваться составляющей подъемной силы БПЛА, направленной против ветра.The values of the forces F_BLAA and F_ADS depend on the wind speed and the effective cross-sectional area of the UAV and ADV, S_ UAV and S_ADS, respectively. The gravity force F_t acting on the System is determined by the mass of the ADS and the UAV along with the leash. The lifting force F_n is created by coaxial screws driven by the UAV engine. The force of tension of the power cable F_nt is created by the excessive action of the lifting force F_p. The lifting force F_p is aligned with the axis of the rigid UAV-ADS ligament. In this case, the deviation from the vertical of the UAV-ADS ligament will be compensated by the lift component of the UAV directed against the wind.

Таким образом, решена задача упрощения системы стабилизации привязного БПЛА в условиях возможного бокового ветра, облегчения конструкции (обусловленного отсутствием датчиков положения и сложных систем управления, применением двух соосных винтов вместо четырех), следовательно, увеличена полезная нагрузка и обеспечено повышение эффективности работы всей системы.Thus, the task of simplifying the stabilization system of a tethered UAV in the conditions of a possible crosswind, simplifying the design (due to the lack of position sensors and complex control systems, using two coaxial screws instead of four) was solved, therefore, the payload was increased and the overall system performance was improved.

Claims

An unmanned tethered aviation complex containing a tethered power station, an unmanned aerial vehicle (UAV) with a payload and an engine connected with coaxial multidirectional propellers, an aerodynamic stabilizer connected to the UAV by a rigid coupling, to which a power cable ring is attached, which provides communication with the tethered power station , while the point of attachment of the power cable to the UAV is selected so that the UAV displacement under the influence of the side wind is compensated by the deviation of the coaxial screw towards the wind, pr satisfying relationships:

F_ UAV * r_ UAV <F_ADS * r_ADS, where:

F_ UAV - the force acting on the UAV from the wind;

r_ UAV - the distance from the center of mass of the UAV to the point of attachment of the power cable to a rigid bundle;

F_АДС - force acting on the wind from the wind;

r_ADS - the distance from the center of mass of the ADF to the point of attachment of the power cable to a rigid bundle.