RU2727333C1

RU2727333C1 - Lightweight unmanned aerial vehicle of helicopter type

Info

Publication number: RU2727333C1
Application number: RU2020101176A
Authority: RU
Inventors: Владимир Станиславович Фетисов; Рафаэль Айдарович Кильметов
Priority date: 2020-01-10
Filing date: 2020-01-10
Publication date: 2020-07-21

Abstract

FIELD: aviation.SUBSTANCE: invention relates to aircraft engineering, particularly, to small-size unmanned aerial vehicles. Helicopter-type unmanned aerial vehicle comprises a cylindrical body, in the central part of which along its symmetry axis there is a power plant with two coaxial rotors of opposite rotation, fixed on electric motor shafts, several control blades are located inside the housing in the zone of action of air flow from propellers and fixed on shafts of corresponding servo drives. Number of blades and corresponding servo drives is equal to three. Each blade is shaped multi-piece consists of two or more inserted rigid stiff strips, curvilinear surfaces of which correspond to side surfaces of elliptical cylinders, forming straight lines of which at neutral position of servo drives have vertical direction. Axis of rotation of each servo drive lies in the middle horizontal secant plane of the blade and coincides with axes of its ellipses-sections.EFFECT: reduced weight of device and reduced power consumption.1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к авиационной технике, а именно к малоразмерным беспилотным летательным аппаратам вертолетного типа, предназначенным для полетов в сильнопересеченном пространстве: внутри аварийных зданий, в заводских цехах, в лесных массивах и т.д. Аппарат может быть использован для целей мониторинга, разведки, перевозки небольших грузов, монтажных или сервисных операций и др.The invention relates to aeronautical engineering, namely to small-sized unmanned aerial vehicles of a helicopter type, intended for flights in a highly intersected space: inside emergency buildings, in factory workshops, in forests, etc. The device can be used for monitoring purposes, reconnaissance, transportation of small loads, installation or service operations, etc.

Известны различные беспилотные летательные аппараты (БПЛА) вертолетного типа, способные совершать вертикальные взлет и посадку и содержащие: двигательную установку (на базе тепловых или электрических двигателей); энергетический источник (топливный бак или аккумулятор); один или два воздушных винта; фюзеляж, совмещающий функции несущей конструкции и защиты винтов; механизм управления движением, обеспечивающий, как минимум, маневры аппарата в горизонтальной плоскости с изменением углов рысканья, крена и тангажа.Known various unmanned aerial vehicles (UAVs) of the helicopter type, capable of vertical takeoff and landing and containing: a propulsion system (based on thermal or electric motors); energy source (fuel tank or battery); one or two propellers; fuselage, combining the functions of the supporting structure and propeller protection; a motion control mechanism that ensures, at a minimum, the aircraft maneuvers in the horizontal plane with a change in the yaw, roll and pitch angles.

Механизм управления движением может быть выполнен по-разному. Например, в БПЛА с тороидальным фюзеляжем и соосно расположенными внутри него противоположно вращающимися винтами [US Pat. №5152478. МПК В64С 29/00. Publ. Oct. 6, 1992] управление движением осуществляется за счет циклического изменения шага винтов. Однако сам механизм циклического изменения шага винта - довольно сложное и дорогостоящее устройство.The motion control mechanism can be implemented in different ways. For example, in a UAV with a toroidal fuselage and coaxially located inside it oppositely rotating propellers [US Pat. No. 5152478. IPC В64С 29/00. Publ. Oct. 6, 1992] motion control is carried out by cyclically changing the pitch of the screws. However, the mechanism of cyclic change of the screw pitch itself is a rather complicated and expensive device.

Известны БПЛА с вертикальным взлетом-посадкой с другими, более простыми способами управления движением. Например, это может быть сделано за счет изменения центра масс аппарата. Так, в БПЛА [Патент РФ на полезную модель №82674. МПК В64С 29/00. Опубл. 10.05.2009] с двумя соосными винтами и сферическим корпусом управление движением осуществляется за счет смещения центра масс аппарата с помощью механического устройства в нижней части корпуса. Такое устройство имеет большие массу и габариты и не всегда обладает достаточным быстродействием.Known UAVs with vertical take-off and landing with other, simpler methods of motion control. For example, this can be done by changing the center of mass of the vehicle. So, in the UAV [RF patent for a useful model №82674. IPC В64С 29/00. Publ. 05/10/2009] with two coaxial screws and a spherical body, the motion control is carried out by displacing the center of mass of the apparatus using a mechanical device in the lower part of the body. Such a device has a large mass and dimensions and does not always have sufficient speed.

В другом подобном БПЛА [Патент РФ №2504500. МПК В64С 29/00. Опубл. 20.01.2014] смещение центра масс выполняется за счет организованного перетока жидкости внутри фюзеляжа. Недостатки у этого варианта такие же, как у предыдущего.In another similar UAV [RF Patent No. 2504500. IPC В64С 29/00. Publ. 01/20/2014] the displacement of the center of mass is performed due to the organized overflow of fluid inside the fuselage. The disadvantages of this option are the same as the previous one.

Часто механизм управления движением БПЛА с вертикальным взлетом-посадкой реализуют на основе отклоняемых с помощью сервоприводов плоских или криволинейных поверхностей (лопаток), расположенных под винтами. Такой подход обеспечивает в большинстве случаев достаточное быстродействие. Возможно использование для управления 2, 4 или 3 сервоприводов.Often the mechanism for controlling the movement of UAVs with vertical take-off and landing is implemented on the basis of flat or curved surfaces (blades) that are deflected by means of servo drives, located under the propellers. This approach provides sufficient performance in most cases. Can be used to control 2, 4 or 3 servos.

В БПЛА [US Pat. №9725170. МПК В64С 17/00. Publ. Aug. 8, 2017] для приведения в движение управляющих лопаток использовано 2 сервопривода, оси вращения которых лежат в горизонтальной плоскости и перпендикулярны друг другу. К оси вращения каждого сервопривода жестко прикреплено по 2 лопатки, которые совершают угловые перемещения как единое целое. Одна пара управляющих лопаток реализует изменение угла крена, другая -угла тангажа БПЛА. Управление по углу рысканья аппарата осуществляется за счет изменения соотношения частот вращения двух разнонаправленных соосных винтов аппарата. Недостатками данной конструкции являются: нерациональность компоновки (размещение сервоприводов на внешней части фюзеляжа приводит к смещению центра масс, а размещение их в центральной части усложняет и утяжеляет механическую передачу к лопаткам), большая нагрузка на сервоприводы, невозможность управления углом рысканья за счет управляющих лопаток, что заставляет использовать для этого более энергозатратное управление за счет вращения винтов.The UAV [US Pat. No. 9725170. IPC В64С 17/00. Publ. Aug. 8, 2017] to drive the control blades, 2 servo drives are used, the axes of rotation of which lie in the horizontal plane and are perpendicular to each other. Two blades are rigidly attached to the axis of rotation of each servo, which perform angular movements as a whole. One pair of control blades implements the change in the roll angle, the other - the UAV pitch angle. Control by the yaw angle of the apparatus is carried out by changing the ratio of the rotational speeds of two multidirectional coaxial screws of the apparatus. The disadvantages of this design are: the irrationality of the layout (the placement of the servos on the outer part of the fuselage leads to a shift in the center of mass, and their placement in the central part complicates and makes the mechanical transmission to the blades heavier), a large load on the servos, the inability to control the yaw angle due to the control blades, which forces to use for this more energy-intensive control due to the rotation of the screws.

В БПЛА [US Pat. №6691949. МПК В64С 27/22. Publ. Feb. 17, 2004] для приведения в движение управляющих лопаток использовано 4 размещенных в центре независимых друг от друга сервопривода, причем к оси каждого из них прикреплена своя лопатка. Углы между соседними осями составляют по 90°. При таком решении может быть обеспечено управление за счет отклонения лопаток не только по углам крена и тангажа, но и по углу рысканья (без изменения вращения винтов). Недостатками данного решения являются: избыточное количество сервоприводов (как показано ниже, достаточно 3-х), и как следствие, неиспользованные возможности уменьшения массы; необходимость применения для эффективного управления движением аппарата лопаток большой площади или отклонения их на значительные углы, что приводит к слишком интенсивной работе сервоприводов и их быстрому износу.The UAV [US Pat. No. 6691949. IPC В64С 27/22. Publ. Feb. 17, 2004] to drive the control blades, 4 servo drives located in the center, independent of each other, are used, and its own blade is attached to the axis of each of them. The angles between adjacent axes are 90 ° each. With such a solution, control can be ensured by deflecting the blades not only in the roll and pitch angles, but also in the yaw angle (without changing the rotation of the propellers). The disadvantages of this solution are: an excessive number of servos (as shown below, 3 is enough), and as a result, unused opportunities to reduce the mass; the need to use large area blades for effective control of the movement of the apparatus or their deflection at significant angles, which leads to too intensive operation of the servo drives and their rapid wear.

Эффективность управления за счет отклоняемых поверхностей можно повысить, если увеличить количество синхронно отклоняемых лопаток. В этом случае суммарная площадь лопаток, одновременно отклоняемых одним сервоприводом, увеличивается, и угол отклонения может быть уменьшен. Такое решение применяется, например, в [US Pat. №5295643. МПК В64С 27/22. Publ. Mar. 22, 1994]. Однако в данной конструкции сложность и громоздкость механизмов передачи движения от сервоприводов на лопатки приводит к увеличению массы аппарата.The control efficiency due to the deflected surfaces can be increased by increasing the number of synchronously deflected blades. In this case, the total area of the blades simultaneously deflected by one servo increases, and the deflection angle can be reduced. This solution is applied, for example, in [US Pat. No. 5295643. IPC В64С 27/22. Publ. Mar. 22, 1994]. However, in this design, the complexity and cumbersomeness of the mechanisms for transmitting motion from the servo drives to the blades leads to an increase in the mass of the apparatus.

Наличие трех управляющих лопаток в нижней части летательного аппарата в зоне действия воздушного потока, создаваемого воздушными винтами, вполне достаточно для стабилизации аппарата и изменения углов крена, тангажа и рысканья без задействования для этих целей вращения самих несущих винтов. Такое решение применяется, например, в летательном аппарате [Евразийский патент №021156. МПК В64С 27/10. Опубл. 30.04.2015]. Оно упрощает управление и в итоге облегчает конструкцию по сравнению с решениями, в которых используется циклическое изменение шага винтов. Однако данная конкретная конструкция относится к пилотируемым аппаратам, для управления лопатками используется ручной привод. Кроме того, конструкция не является защищенной и не может эксплуатироваться в замкнутых и сильнопересеченных пространствах.The presence of three control blades in the lower part of the aircraft in the zone of action of the air flow created by the propellers is quite enough to stabilize the aircraft and change the angles of roll, pitch and yaw without involving the rotation of the rotors themselves for these purposes. This solution is used, for example, in an aircraft [Eurasian patent No. 021156. IPC В64С 27/10. Publ. 04/30/2015]. It simplifies handling and ultimately lightens the design compared to solutions that use cyclic screw pitch. However, this particular design relates to manned vehicles and uses a manual drive to control the blades. In addition, the structure is not protected and cannot be used in confined and strongly intersected spaces.

Другим известным решением, в котором используется только 3 управляющих элемента, является БПЛА [Патент РФ №2455198. МПК В64С 27/00. Опубл. 10.07.2012]. Этот аппарат имеет цилиндрический фюзеляж, внутри которого размещены два соосных противоположно вращающихся несущих винта с соответствующими электродвигателями. Управление по крену и тангажу осуществляется с помощью трех импеллеров, равномерно распределенных по внешней поверхности фюзеляжа. Выходы импеллеров направлены вертикально вниз. Вертикальные воздушные потоки импеллеров обеспечивают эффективную стабилизацию аппарата и изменения углов крена и тангажа, вызывающие поступательные перемещения аппарата в горизонтальной плоскости. Однако вращательное движение аппарата вокруг своей оси импеллеры обеспечить не могут, поэтому для этого приходится использовать изменение частот вращения несущих винтов, что не вполне энергоэффективно. Кроме того, сами импеллеры представляют собой вентиляторы с собственными электродвигателями, которые заключены в кольцевые каналы, что в совокупности имеет значительную массу.Another well-known solution, which uses only 3 control elements, is the UAV [RF Patent No. 2455198. IPC В64С 27/00. Publ. 10.07.2012]. This device has a cylindrical fuselage, inside of which there are two coaxial counter-rotating main rotor with corresponding electric motors. Roll and pitch control is carried out using three impellers evenly distributed over the outer surface of the fuselage. The impeller outlets are directed vertically downward. The vertical air flow of the impellers provides effective stabilization of the vehicle and changes in the roll and pitch angles that cause translational movements of the vehicle in the horizontal plane. However, the impellers cannot provide the rotational movement of the apparatus around its axis, therefore, for this it is necessary to use a change in the rotational speed of the rotor, which is not quite energy efficient. In addition, the impellers themselves are fans with their own electric motors, which are enclosed in annular channels, which together have a significant mass.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является малоразмерный беспилотный летательный аппарат вертолетного типа [US Pat. №7510142. МПК В64С 27/08. Publ. Mar. 31, 2009. Fig.6], содержащий цилиндрический корпус, в центральной части которого по оси его симметрии размещена силовая установка с двумя соосными винтами противоположного вращения, закрепленными на валах соответствующих электродвигателей, четыре управляющих лопатки, находящихся внутри корпуса в зоне действия воздушного потока от винтов и закрепленных на валах соответствующих сервоприводов, которые равномерно распределены в нижней части корпуса по его наружной поверхности. Силовая установка прикреплена к корпусу посредством нескольких плоских вертикальных держателей. Электронные блоки распределены в аппарате по наружной поверхности корпуса и защищены снаружи легким цилиндрическим кожухом. Аппарат получает электроэнергию с наземного источника по разматываемому кабелю в форме переменного высокого напряжения, которое на борту преобразуется с помощью трансформатора и выпрямителя в постоянное напряжение. По тому же кабелю передаются команды и телеметрическая информация. Благодаря имеющемуся в составе электронных блоков микроконтроллеру и набору датчиков (GPS, гироскоп, акселерометр, барометр и др.) осуществляется управление аппаратом: микроконтроллер выдает управляющие сигналы на сервоприводы или электродвигатели, необходимые для стабилизации его положения или выполнения команд по перемещению. При этом четыре независимых сервопривода с отклоняемыми лопатками позволяют осуществить управление по углам крена, тангажа и рысканья, а изменение частот вращения винтов используется для изменения силы тяги при спуске и подъеме.The closest in technical essence to the proposed invention is a small unmanned aerial vehicle of the helicopter type [US Pat. No. 7510142. IPC В64С 27/08. Publ. Mar. 31, 2009. Fig. 6], containing a cylindrical body, in the central part of which, along the axis of its symmetry, there is a power plant with two coaxial screws of opposite rotation, fixed on the shafts of the corresponding electric motors, four control blades located inside the body in the zone of action of the air flow from screws and fixed on the shafts of the corresponding servo drives, which are evenly distributed in the lower part of the case along its outer surface. The power plant is attached to the body by means of several flat vertical holders. Electronic units are distributed in the device along the outer surface of the case and are protected from the outside by a light cylindrical casing. The device receives electricity from a ground source through an unwound cable in the form of alternating high voltage, which is converted on board by means of a transformer and rectifier into direct voltage. Commands and telemetry information are transmitted over the same cable. Thanks to the microcontroller and a set of sensors (GPS, gyroscope, accelerometer, barometer, etc.) included in the electronic units, the device is controlled: the microcontroller sends control signals to the servos or electric motors necessary to stabilize its position or execute movement commands. At the same time, four independent servos with deflectable blades allow control over the angles of roll, pitch and yaw, and the change in the rotational speed of the propellers is used to change the traction force during descent and ascent.

Рассмотренный аппарат имеет следующие недостатки, связанные с недоиспользованием резервов снижения массы и потребляемой энергии:The considered apparatus has the following disadvantages associated with the underutilization of reserves for reducing mass and energy consumption:

- избыточное количество сервоприводов и связанных с ними лопаток. Наличие трех, а не четырех, управляющих лопаток и соответствующих сервоприводов вполне достаточно для стабилизации аппарата и изменения углов крена, тангажа и рысканья;- an excessive number of servos and associated blades. The presence of three, not four, control blades and the corresponding servos is quite enough to stabilize the apparatus and change the angles of roll, pitch and yaw;

- неэффективность применяемых плоских одиночных лопаток. Для качественного управления движением аппарата такими лопатками необходимо иметь лопатки большой площади или отклонять их на значительные углы, что приводит к слишком интенсивной и энергозатратной работе сервоприводов и их быстрому износу.- the inefficiency of the used flat single blades. For high-quality control of the movement of the apparatus with such blades, it is necessary to have blades of a large area or to deflect them at significant angles, which leads to too intensive and energy-consuming operation of the servos and their rapid wear.

Задачей данного изобретения является создание облегченного энергоэффективного беспилотного летательного аппарата вертолетного типа для полетов в сильнопересеченном пространстве.The objective of this invention is to create a lightweight, energy-efficient unmanned aerial vehicle of a helicopter type for flights in a highly intersected space.

Технический результат заключается в уменьшении массы аппарата и снижении его энергопотребления, что обеспечивает при неизменной энергоемкости бортового источника питания увеличение времени полета и (или) массы полезной нагрузки.The technical result consists in reducing the mass of the apparatus and reducing its energy consumption, which provides an increase in the flight time and (or) the mass of the payload at a constant energy intensity of the onboard power supply.

Задача решается тем, что в известном беспилотном летательном аппарате вертолетного типа, содержащем цилиндрический корпус, в центральной части которого по оси его симметрии размещена силовая установка с двумя соосными винтами противоположного вращения, закрепленными на валах соответствующих электродвигателей, несколько управляющих лопаток, находящихся внутри корпуса в зоне действия воздушного потока от винтов и закрепленных на валах соответствующих сервоприводов, которые равномерно распределены в нижней части корпуса по его наружной поверхности, внесены следующие изменения:The problem is solved by the fact that in the known unmanned aerial vehicle of the helicopter type, containing a cylindrical body, in the central part of which, along the axis of its symmetry, there is a power plant with two coaxial propellers of opposite rotation, fixed on the shafts of the corresponding electric motors, several control blades located inside the body in the zone the action of the air flow from the screws and the corresponding servo drives fixed on the shafts, which are evenly distributed in the lower part of the case along its outer surface, the following changes have been made:

количество лопаток и соответствующих сервоприводов равно трем; каждая лопатка является фигурной и многосоставной и состоит из двух или более вставленных друг в друга замкнутых жестких полос, криволинейные поверхности которых соответствуют боковым поверхностям эллиптических цилиндров, образующие прямые которых при нейтральном положении сервоприводов имеют вертикальное направление, причем ось вращения каждого сервопривода лежит в средней горизонтальной секущей плоскости лопатки и совпадает с осями ее эллипсов-сечений, длины этих осей для всех эллипсов-сечений лопатки равны, а длины осей, перпендикулярных оси вращения сервопривода, распределяются согласно формуле:the number of blades and the corresponding servos is three; each blade is shaped and multi-piece and consists of two or more closed rigid strips inserted into each other, the curved surfaces of which correspond to the lateral surfaces of elliptical cylinders, the straight lines of which, with the neutral position of the servos, have a vertical direction, and the axis of rotation of each servo lies in the average horizontal secant the plane of the blade and coincides with the axes of its ellipses-sections, the lengths of these axes for all ellipses-sections of the blade are equal, and the lengths of the axes perpendicular to the axis of rotation of the servo are distributed according to the formula:

где

- длина i-ой оси, i=1…n, n - количество вставленных друг в друга цилиндров, а - длина оси внешнего цилиндра,Where

is the length of the i-th axis, i = 1 ... n, n is the number of cylinders inserted into each other, and is the length of the axis of the outer cylinder,

высота полос цилиндрических поверхностей составляет (0,1…0,3)R, где R - радиус цилиндрического корпуса аппарата; габаритные размеры лопаток и высота их расположения относительно нижней кромки корпуса выбраны таким образом, чтобы при максимальном угловом отклонении лопаток они не касались друг друга, внутренней поверхности корпуса, нижнего винта и поверхности земли;the height of the strips of cylindrical surfaces is (0.1 ... 0.3) R, where R is the radius of the cylindrical body of the apparatus; the overall dimensions of the blades and the height of their location relative to the lower edge of the body are chosen so that at the maximum angular deflection of the blades they do not touch each other, the inner surface of the body, the lower propeller and the ground surface;

силовая установка закреплена в корпусе аппарата с помощью трех пустотелых балок, угол между каждыми соседними балками равен 120°; цилиндрический контейнер оборудования с диаметром в несколько раз меньше диаметра корпуса аппарата, заключающий в себе источник питания, электронные блоки и полезную нагрузку, расположен соосно с корпусом аппарата и закреплен с помощью таких же трех пустотелых балок над его верхней кромкой.the power plant is fixed in the body of the apparatus using three hollow beams, the angle between each adjacent beams is 120 °; a cylindrical container of equipment with a diameter several times smaller than the diameter of the apparatus body, containing a power source, electronic units and a payload, is located coaxially with the apparatus body and fixed with the help of the same three hollow beams above its upper edge.

Сущность изобретения поясняется следующими иллюстрациями. На фиг. 1 показан вид аппарата спереди, а на фиг. 2 вид сверху. На фиг. 3 показан продольный ломаный разрез (А-А по фиг. 2), а на фиг. 4 - поперечный разрез в нижней части аппарата на уровне осей вращения лопаток (Б-Б по фиг. 1). На фиг. 5 показана схема распределения отклонений лопаток для выполнения аппаратом типовых маневров.The essence of the invention is illustrated by the following illustrations. FIG. 1 shows a front view of the apparatus, and FIG. 2 top view. FIG. 3 shows a longitudinal broken section (A-A in FIG. 2), and FIG. 4 is a cross-section in the lower part of the apparatus at the level of the axes of rotation of the blades (B-B in Fig. 1). FIG. 5 shows a diagram of the distribution of blade deflections for performing typical maneuvers by the apparatus.

На иллюстрациях цифрами обозначены: 1 - цилиндрический корпус аппарата; 2 - контейнер оборудования; 3 - верхние пустотелые балки; 4 - нижние пустотелые балки; 5 - верхний двигатель; 6 - верхний винт; 7 - нижний двигатель; 8 - нижний винт; 9 - сервоприводы; 10 - фигурные многосоставные лопатки; 11 - полезная нагрузка; 12 - блок электроники; 13 - источник питания.In the illustrations, numbers indicate: 1 - cylindrical body of the apparatus; 2 - equipment container; 3 - upper hollow beams; 4 - lower hollow beams; 5 - upper engine; 6 - top screw; 7 - lower engine; 8 - bottom screw; 9 - servos; 10 - curly multi-piece blades; 11 - payload; 12 - electronics unit; 13 - power supply.

Основу конструкции аппарата образует цилиндрический корпус 1, внутри которого по оси его симметрии расположена силовая установка, состоящая из верхнего двигателя 5, на валу которого закреплен верхний воздушный винт 6, и нижнего двигателя 7, на валу которого закреплен нижний воздушный винт 8. Вал верхнего двигателя 5 направлен вверх, а вал нижнего двигателя 7 - вниз. Направления вращения винтов 6 и 8 взаимно обратны, но направления воздушных потоков от обоих винтов направлены вниз.The basis of the structure of the apparatus is formed by a cylindrical body 1, inside of which, along the axis of its symmetry, there is a power plant, consisting of an upper engine 5, on the shaft of which the upper propeller 6 is fixed, and a lower engine 7, on the shaft of which the lower propeller 8 is fixed. 5 is directed upwards, and the shaft of the lower motor 7 is directed downwards. The directions of rotation of screws 6 and 8 are mutually opposite, but the directions of air flows from both screws are directed downward.

Двигатели 5 и 7 закреплены в центре корпуса 1 посредством трех пустотелых балок 4, лежащих в горизонтальной плоскости, причем угол между каждыми соседними балками равен 120°. Балки 4 совмещают функции держателей силовой установки и распорок между силовой установкой и цилиндрическим корпусом.The motors 5 and 7 are fixed in the center of the housing 1 by means of three hollow beams 4 lying in a horizontal plane, the angle between each adjacent beams being 120 °. Beams 4 combine the functions of the power plant holders and spacers between the power plant and the cylindrical body.

Такие же три пустотелые балки 3 установены таким же образом у верхней кромки корпуса 1. Они являются держателями цилиндрического контейнера оборудования 2 и распорками между этим контейнером и корпусом 1.The same three hollow beams 3 are installed in the same way at the upper edge of the body 1. They are the holders of the cylindrical container of equipment 2 and spacers between this container and the body 1.

Кроме того, пространство внутри пустотелых балок 3, 4 используется для прокладки электрических проводов (на рисунках не показаны), связывающих двигатели 5, 7, сервоприводы 9 с контейнером оборудования 2, в котором находятся полезная нагрузка 11 (например, видеокамера), блок электроники 12 (может включать в себя различные электронные узлы: командный радиоприемник, полетный контроллер, навигационные датчики, драйверы двигателей и др.) и источник питания 13 (например, аккумуляторная батарея).In addition, the space inside the hollow beams 3, 4 is used for laying electrical wires (not shown in the figures) connecting motors 5, 7, servos 9 with equipment container 2, which contains payload 11 (for example, a video camera), electronics unit 12 (may include various electronic components: command radio, flight controller, navigation sensors, engine drivers, etc.) and a power source 13 (for example, a battery).

Три сервопривода 9 равномерно распределены в нижней части корпуса 1 по его наружной поверхности. Валы сервоприводов направлены к центру корпуса 1, их оси лежат в одной горизонтальной плоскости и углы между соседними осями равны 120°. На валы сервоприводов жестко насажены фигурные многосоставные лопатки 10. Расположение сервоприводов 9 и размер лопаток 10 выбраны так, что при всех возможных углах поворота валов сервоприводов 9 лопатки 10 не задевают друг друга, внутреннюю поверхность корпуса 1, нижний винт 8 и поверхность земли.Three servos 9 are evenly distributed in the lower part of the housing 1 along its outer surface. The shafts of the servos are directed to the center of the housing 1, their axes lie in the same horizontal plane and the angles between adjacent axes are 120 °. Figured multi-piece blades 10 are rigidly mounted on the shafts of the servos. The arrangement of the servos 9 and the size of the blades 10 are chosen so that at all possible angles of rotation of the shafts of the servo drives 9, the blades 10 do not touch each other, the inner surface of the housing 1, the lower screw 8 and the surface of the earth.

Конструкция фигурных многосоставных лопаток 10, выполненных из легкого тонкого материала, отличается повышенной площадью взаимодействия с потоком набегающего воздуха при их отклонении, что делает такие лопатки гораздо более эффективными по сравнению с одиночными плоскими лопатками. Это позволяет ограничить углы поворота валов сервоприводов малыми значениями (порядка ±5° против ±40° для одиночной плоской лопатки такой же высоты), что делает работу сервоприводов более экономичной и надежной). Кроме того, повышенная полная эквивалентная площадь лопатки позволяет значительно сократить ее высоту, и, как следствие, сократить высоту и массу аппарата в целом.The design of shaped multi-piece blades 10, made of light thin material, is characterized by an increased area of interaction with the incoming air flow when they are deflected, which makes such blades much more efficient compared to single flat blades. This makes it possible to limit the angles of rotation of the shafts of the servo drives to small values (of the order of ± 5 ° versus ± 40 ° for a single flat blade of the same height), which makes the operation of the servos more economical and reliable). In addition, the increased total equivalent area of the blade makes it possible to significantly reduce its height and, as a result, to reduce the height and weight of the apparatus as a whole.

Аппарат работает следующим образом.The device works as follows.

По радиокомандам с земли или для стабилизации своего текущего положения блоком электроники 12 вырабатываются сигналы для управления исполнительными устройствами - двигателями 5, 7 и сервоприводами 9. При этом аппарат может выполнять подъем/посадку, зависание в точке или маневры (изменение угла рысканья для поворота вокруг своей оси, изменение угла тангажа для движения вперед/назад, изменение угла крена для движения влево/вправо).By radio commands from the ground or to stabilize its current position, the electronics unit 12 generates signals to control the actuators - motors 5, 7 and servo drives 9. In this case, the apparatus can perform lifting / landing, hovering at a point or maneuvers (changing the yaw angle to turn around its axis, change the pitch angle for forward / backward movement, change the roll angle for left / right movement).

Значения частоты вращения для винтов 6, 8 поддерживаются одинаковыми для взаимокомпенсации закручивающего момента. Для подъема аппарата блок электроники 12 выдает управляющие сигналы на синхронное увеличение частот вращения двигателей 5 и 7, для спуска - на уменьшение частот их вращения.The speed values for screws 6, 8 are kept the same to compensate for the torque. To lift the apparatus, the electronics unit 12 issues control signals for a synchronous increase in the rotational speeds of engines 5 and 7, for lowering - to decrease their rotational speeds.

Для выполнения типовых движений - вращения вокруг своей оси, наклона по тангажу и крену блок электроники 12 выдает управляющие сигналы на повороты валов соответствующих сервоприводов 9. На фиг. 5 на упрощенных видах аппарата сверху схематично показаны соответствующие отклонения лопаток 10 при условии, что за переднее направление аппарата принято направление, совпадающее с осью одной из лопаток (F). Двум другим лопаткам присвоены условные обозначения L (левая) и R (правая). Тогда для выполнения вращения все три лопатки должны отклониться в одном направлении на одинаковые углы (фиг. 5, а). Для изменения угла тангажа передняя лопатка (F) должна оставаться в нейтральном (вертикальном) положении, а лопатки L и R - обе отклониться на один и тот же угол в сторону направления F или в обратную сторону в зависимости от желаемого знака угла тангажа (фиг. 5, б). Для изменения угла крена передняя лопатка (F) отклоняется в определенном направлении (например, по часовой стрелке) на некоторый угол α, а лопатки L и R - обе отклоняются на один и тот же угол 0,5α в противоположную сторону (против часовой стрелки), при этом суммарный закручивающий момент M_F+M_L+M_R равен нулю, имеет место только отклонение аппарата по крену (фиг. 5, в).To perform typical movements - rotation around its axis, pitch and roll tilt, the electronics unit 12 generates control signals for the rotations of the shafts of the corresponding servos 9. In FIG. 5, in simplified views of the apparatus from above, the corresponding deflections of the blades 10 are schematically shown, provided that the forward direction of the apparatus is taken as the direction coinciding with the axis of one of the blades (F). The other two blades are designated L (left) and R (right). Then, to perform rotation, all three blades must deflect in one direction at the same angles (Fig. 5, a). To change the pitch angle, the front blade (F) must remain in a neutral (vertical) position, and the blades L and R must both deviate by the same angle towards the direction F or in the opposite direction, depending on the desired sign of the pitch angle (Fig. 5 B). To change the roll angle, the front blade (F) is deflected in a certain direction (for example, clockwise) by a certain angle α, and the blades L and R both deflect by the same angle 0.5α in the opposite direction (counterclockwise) , while the total twisting moment M _F + M _L + M _R is equal to zero, there is only a deviation of the apparatus along the roll (Fig. 5, c).

Таким образом, трех лопаток вполне достаточно для стабилизации аппарата и управления им.Thus, three blades are sufficient to stabilize the apparatus and control it.

Элементы конструкции предлагаемого летательного аппарата могут быть реализованы на основе легких композитных материалов. Например, корпус 1, контейнер оборудования 2, пустотелые балки 3 и 4 могут быть изготовлены из углепластика. Для снижения массы аппарата в цилиндрическом корпусе 1 из углепластика может быть выполнен только каркас, который обтянут еще более легким пористым материалом, например, элапором. Фигурные многосоставные лопатки 10 могут быть также изготовлены из тонкого листового углепластика либо отлиты из пластика или изготовлены методом 3D-печати. Количество вставленных друг в друга элементов (замкнутых полос) с сечениями в форме эллипсов для каждой лопатки может быть выбрано от 1 до 5 и более. Оптимальное количество - 2…3. При количестве таких элементов 2 и более жесткость всей лопатки повышается. Большое количество элементов выбирать нецелесообразно по причине увеличения массы лопатки. При большом количестве элементов в лопатке ее высота может быть уменьшена, однако при очень малой высоте начинают проявляться кавитационные явления и у лопатки снижается эффективность перенаправления воздушного потока. Оптимальная высота полос цилиндрических поверхностей составляет (0,1…0,3)R, где R - радиус цилиндрического корпуса аппарата.The structural elements of the proposed aircraft can be implemented on the basis of lightweight composite materials. For example, body 1, equipment container 2, hollow beams 3 and 4 can be made of CFRP. To reduce the weight of the apparatus, only a frame can be made of carbon fiber in a cylindrical body 1, which is covered with an even lighter porous material, for example, elapore. Shaped multi-piece blades 10 can also be made from thin sheet CFRP or molded from plastic or made by 3D printing. The number of elements inserted into each other (closed strips) with sections in the form of ellipses for each blade can be selected from 1 to 5 or more. The optimal amount is 2 ... 3. When the number of such elements is 2 or more, the rigidity of the entire blade increases. It is impractical to choose a large number of elements due to the increase in the mass of the blade. With a large number of elements in the blade, its height can be reduced, however, at a very low height, cavitation phenomena begin to appear and the efficiency of air flow redirection of the blade decreases. The optimum height of the strips of cylindrical surfaces is (0.1 ... 0.3) R, where R is the radius of the cylindrical body of the apparatus.

Другие комплектующие являются стандартными: двигатели 5,7 - бесколлекторные электродвигатели постоянного тока с питанием от специальных драйверов (ESC); сервоприводы 9 - управляемые ШИМ-сигналом, например, SG90; воздушные винты 6,8 - пластиковые или углепластиковые двух- или многолопастные; источник питания - батарея литий-ионных аккумуляторов. Все узлы, входящие в блок электроники 12, также являются стандартными и широко распространенными.Other components are standard: motors 5,7 - brushless DC motors powered by special drivers (ESC); servos 9 - controlled by a PWM signal, for example SG90; propellers 6.8 - plastic or carbon fiber double or multi-blade; power source - a battery of lithium-ion batteries. All assemblies included in electronics 12 are also standard and widespread.

В рассмотренном аппарате устранены недостатки прототипа и других аналогов, связанные с недоиспользованием резервов снижения массы и потребляемой энергии, а именно:In the considered device, the disadvantages of the prototype and other analogs associated with the underutilization of reserves for reducing mass and energy consumption are eliminated, namely:

- устранено избыточное количество сервоприводов и связанных с ними лопаток. Наличие трех, а не четырех, управляющих лопаток и соответствующих сервоприводов вполне достаточно для стабилизации аппарата и изменения углов крена, тангажа и рысканья. Это позволяет упростить конструкцию, уменьшить массу аппарата и энергопотребление;- eliminated the excessive number of servos and associated blades. The presence of three, not four, control blades and the corresponding servos is quite enough to stabilize the apparatus and change the angles of roll, pitch and yaw. This allows you to simplify the design, reduce the weight of the device and reduce energy consumption;

- неэффективные плоские одиночные лопатки заменены фигурными многосвязными лопатками, имеющими большую суммарную площадь взаимодействия с воздушным потоком. Это позволяет реализовать качественное управление с очень небольшим диапазоном изменения углов отклонения лопаток, а значит, с небольшим диапазоном изменения углов вращения валов сервоприводов, что снижает их энергопотребление, увеличивает надежность и продлевает ресурс;- ineffective flat single blades are replaced by curly multi-connected blades with a large total area of interaction with the air flow. This allows realizing high-quality control with a very small range of blade deflection angles, which means with a small range of change in the angles of rotation of the shafts of the servo drives, which reduces their power consumption, increases reliability and extends the resource;

- большая площадь взаимодействия фигурных многосвязных лопаток с воздушным потоком позволяет уменьшить их высоту относительно высоты плоской одиночной лопатки. Это достоинство в совокупности с небольшими углами отклонения лопаток позволяет уменьшить общую высоту аппарата, что дает дополнительный выигрыш в массе и энергопотреблении.- a large area of interaction of figured multi-connected blades with an air flow allows to reduce their height relative to the height of a single flat blade. This advantage, in combination with small angles of deflection of the blades, makes it possible to reduce the overall height of the apparatus, which gives an additional gain in weight and energy consumption.

Снижение массы и энергопотребления аппарата в конечном счете повышает эффективность его использования, т.е. при сохранении энергоемкости бортового источника питания могут быть повышены время полета и (или) масса полезной нагрузки.Reducing the mass and energy consumption of the apparatus ultimately increases the efficiency of its use, i.e. while maintaining the energy intensity of the onboard power supply, the flight time and / or the payload mass can be increased.

Claims

An unmanned aerial vehicle of a helicopter type, containing a cylindrical body, in the central part of which, along the axis of its symmetry, there is a power plant with two coaxial propellers of opposite rotation, fixed on the shafts of the corresponding electric motors, several control blades located inside the body in the zone of action of the air flow from the propellers and fixed on the shafts of the corresponding servo drives, which are evenly distributed in the lower part of the housing along its outer surface, characterized in that:

the number of blades and the corresponding servos is three;

each blade is shaped and multi-piece and consists of two or more closed rigid strips inserted into each other, the curved surfaces of which correspond to the lateral surfaces of elliptical cylinders, the straight lines of which, with the neutral position of the servos, have a vertical direction, and the axis of rotation of each servo lies in the average horizontal secant the plane of the blade and coincides with the axes of its ellipses-sections, the lengths of these axes for all ellipses-sections of the blade are equal, and the lengths of the axes perpendicular to the axis of rotation of the servo are distributed according to the formula:

Where

the height of the strips of cylindrical surfaces is (0.1 ... 0.3) R, where R is the radius of the cylindrical body of the apparatus; the overall dimensions of the blades and the height of their location relative to the lower edge of the body are chosen so that at the maximum angular deflection of the blades they do not touch each other, the inner surface of the body, the lower propeller and the ground surface;

the power plant is fixed in the body of the apparatus using three hollow beams, the angle between each adjacent beams is 120 °;

a cylindrical container of equipment with a diameter several times smaller than the diameter of the apparatus body, containing a power source, electronic units and a payload, is located coaxially with the apparatus body and fixed with the help of the same three hollow beams above its upper edge.