RU154874U1 - POST SURVEILLANCE ON THE BASIS OF A TETABLE UNMANNED AIRCRAFT - Google Patents

Abstract

Пост наблюдения на базе привязного беспилотного летательного аппарата, содержащий наземную станцию, беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки, привязь и механизм регулирования длины привязи, многофункциональный кабель, систему стабилизации беспилотного летательного аппарата на основе блока датчиков пространственного положения и наземного блока управления, отличающийся тем, что привязь представляет собой совокупность четырех тросов, растянутых между беспилотным летательным аппаратом и механизмом регулирования длины привязи, который состоит из четырех соответствующих барабанных механизмов, расположенных в углах квадратной наземной станции, причем беспилотный летательный аппарат соединен многофункциональным кабелем с наземным блоком управления, содержащим четыре управляющих выхода, соединенных с управляющими входами соответствующих барабанных механизмов.Observation post on the basis of a tethered unmanned aerial vehicle, comprising a ground station, an unmanned aerial vehicle of vertical take-off and landing, a leash and a mechanism for adjusting the leash length, a multifunctional cable, an unmanned aerial vehicle stabilization system based on a block of spatial position sensors and a ground control unit, characterized in that the leash is a combination of four cables stretched between an unmanned aerial vehicle and the mechanism is regulated I the length of a leash, which consists of four drums respective mechanisms disposed in the corners of a square ground station, the drone aircraft multifunction cable connected with a ground control unit, comprising four control outputs connected to control inputs of respective drum mechanisms.

Description

Полезная модель относится к системам наблюдения за местностью, реализуемым на основе беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). В состав поста наблюдения обычно входит БПЛА, оборудованный видеоаппаратурой, и наземная станция, на которой формируются команды управления и обрабатывается поступающая информация.The utility model relates to terrain monitoring systems implemented on the basis of unmanned aerial vehicles (UAVs). The observation post usually includes a UAV equipped with video equipment, and a ground station, where control commands are generated and incoming information is processed.

Существует класс БПЛА, в которых летательный аппарат не свободно перемещается в пространстве, а привязан тросом регулируемой длины к наземной станции [Фетисов B.C., Кулбаев Б. Р. Содержание и развитие концепции «Привязанный беспилотный летательный аппарат» // Альманах современной науки и образования. - 2014. - №3 (82). - С. 170-173. - Тамбов: Грамота, 2014. http://scjournal.ru/articles/issn_1993-5552_2014_3_47.pdf]. Техническое решение заключается в том, что для выполнения многих задач наблюдения не обязательно задействовать летательный аппарат большого радиуса действия - достаточно просто поднять его на определенную высоту (имеется в виду БПЛА с вертикальным взлетом-посадкой). При этом по коммуникационно-силовому кабелю с земли на борт подается питание, а также осуществляется обмен информацией. Такое решение имеет множество преимуществ: отсутствие необходимости иметь на борту запас топлива или энергоемкий аккумулятор, практически неограниченное время висения в воздухе, очень малая вероятность потери аппарата, невозможность перехвата радиоданных противником и т.д.There is a class of UAVs in which the aircraft does not move freely in space, but is tied by a cable of adjustable length to a ground station [Fetisov B.C., Kulbaev B. R. Content and development of the concept of “Tethered unmanned aerial vehicle” // Almanac of modern science and education. - 2014. - No. 3 (82). - S. 170-173. - Tambov: Diploma, 2014. http://scjournal.ru/articles/issn_1993-5552_2014_3_47.pdf]. The technical solution consists in the fact that to perform many surveillance tasks it is not necessary to use a long-range aircraft - just raise it to a certain height (I mean UAVs with vertical take-off and landing). At the same time, power is supplied from the ground to the board via a communication and power cable, and information is also exchanged. This solution has many advantages: there is no need to have a fuel supply or an energy-consuming battery on board, an almost unlimited time of hanging in the air, a very low probability of losing the device, the inability to intercept radio data by the enemy, etc.

В посту наблюдения с привязным БПЛА наземная станция может быть как стационарной, так и мобильной. В известном устройстве [PCT Patent № WO 2007/ 141795. B64C 27/20. Unmanned air vehicle system. Publication Date: 13.12.2007] сам БПЛА представляет собой квадрокоптер, четыре пропеллера которого позволяют стабилизировать положение аппарата по сигналам бортовых датчиков положения. Единый кабель совмещает в себе функции удерживающего троса и коммуникационно-силового кабеля. При наборе высоты кабель разматывается с помощью барабанного механизма, а при снижении - аналогично сматывается этим механизмом.In an observation post with a fixed UAV, a ground station can be either stationary or mobile. In a known device [PCT Patent No. WO 2007/141795. B64C 27/20. Unmanned air vehicle system. Publication Date: 12/13/2007] the UAV itself is a quadrocopter, the four propellers of which make it possible to stabilize the position of the device according to the signals of the onboard position sensors. A single cable combines the functions of a holding cable and a communication-power cable. When climbing, the cable is unwound using a drum mechanism, and when it is reduced, it is unwound similarly by this mechanism.

Недостатками аналога являются сложность управления аппаратом и недостаточная надежность системы стабилизации при значительных ветровых нагрузках.The disadvantages of the analogue are the difficulty in controlling the device and the insufficient reliability of the stabilization system with significant wind loads.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является беспилотный авиационный комплекс [патент РФ №2441809, B64C 39/02. Способ управления привязным летательным аппаратом и беспилотный авиационный комплекс. Опубл. 10.02.2012], включающий в себя наземную станцию, БПЛА вертикального взлета и посадки, привязь и механизм регулирования длины привязи, многофункциональный кабель, систему стабилизации БПЛА на основе датчиков пространственного положения и блок управления. БПЛА вертикального взлета и посадки представляет собой платформу, в центре фюзеляжа которой имеется широкий цилиндрический вертикальный вырез, внутри которого размещены два электродвигателя с воздушными винтами, создающими вертикальную подъемную силу, но вращающиеся в противоположных направлениях. Изменением соотношения скоростей вращения можно осуществлять поворот корпуса аппарата в горизонтальной плоскости. В нижней части аппарата подвешена целевая нагрузка (гиростабилизированная видеокамера).The closest in technical essence and the achieved result to the claimed is an unmanned aircraft complex [RF patent No. 2441809, B64C 39/02. A control method for a tethered aircraft and an unmanned aerial system. Publ. 02/10/2012], which includes a ground station, UAVs of vertical take-off and landing, a leash and a leash length regulation mechanism, a multi-function cable, a UAV stabilization system based on spatial position sensors and a control unit. The UAV of vertical take-off and landing is a platform in the center of the fuselage of which there is a wide cylindrical vertical cutout, inside which are placed two electric motors with propellers that create vertical lift, but rotate in opposite directions. By changing the ratio of rotation speeds, it is possible to rotate the apparatus body in a horizontal plane. The target load is suspended in the lower part of the device (gyro-stabilized video camera).

Привязь представляет собой удерживающий трос, связывающий БПЛА с наземной станцией. Параллельно с ним протянут многофункциональный кабель, по которому на борт подается электропитание, а также осуществляется обмен информацией. Механизм регулирования длины привязи представляет собой барабанный механизм, установленный на наземной станции. Он снабжен электроприводом и тормозным устройством, которые позволяют производить намотку-размотку троса для регулирования высоты, сохраняя при этом постоянный натяг троса.A leash is a holding cable that connects a UAV to a ground station. In parallel with it, a multifunctional cable is stretched, through which power is supplied to the board, and information is also exchanged. The leash length regulation mechanism is a drum mechanism mounted on a ground station. It is equipped with an electric drive and a brake device, which allow the winding-unwinding of the cable to adjust the height, while maintaining a constant tightness of the cable.

Для стабилизации горизонтального положения БПЛА при отклонениях троса от вертикали на борту имеются два дополнительных барабанных механизма с соответствующими управляющими тросиками, которые жестко закреплены под аппаратом в непосредственной близости от него на основном удерживающем тросе. По сигналам системы датчиков положения осуществляется намотка или размотка управляющих тросиков для выравнивания положения аппарата по крену и тангажу.To stabilize the horizontal position of the UAV when the cable deviates from the vertical, there are two additional drum mechanisms on board with the corresponding control cables, which are rigidly fixed under the device in the immediate vicinity of it on the main holding cable. According to the signals of the position sensor system, control cables are wound or unwound to align the position of the apparatus with respect to roll and pitch.

Блок управления наземной станции служит для формирования и посылки команд для тяговых электродвигателей БПЛА, электропривода наземного барабанного механизма и его тормозного устройства.The ground station control unit serves to form and send commands for UAV traction motors, ground drum mechanism and its braking device.

Таким образом, в устройстве значительно упрощено управление положением БПЛА за счет применения системы дополнительных управляющих тросиков.Thus, the device has greatly simplified control of the position of the UAV through the use of a system of additional control cables.

Однако применяемая привязь и система управления положением не могут обеспечить достаточную устойчивость аппарата в условиях значительных ветровых нагрузок, особенно при порывистом ветре, так как один удерживающий трос может резко изменять свой наклон относительно вертикали, что будет приводить к изменению высоты, крена и тангажа БПЛА, которые система управления, в силу своей инерционности, не всегда будет успевать отрабатывать.However, the used leash and position control system cannot provide sufficient stability of the device in conditions of significant wind loads, especially in gusty winds, since one holding cable can sharply change its inclination relative to the vertical, which will lead to a change in the UAV height, roll and pitch, which the control system, due to its inertia, will not always have time to work out.

Задача данной полезной модели - создание системы удерживающих и регулирующих тросов, облегчающих управление аппаратом и делающих его пространственное положение более стабильным.The objective of this utility model is to create a system of holding and regulating cables that facilitate control of the device and make its spatial position more stable.

Технический результат - простота стабилизации положения беспилотного летательного аппарата и его устойчивость в условиях значительных ветровых нагрузок.The technical result is the simplicity of stabilization of the position of an unmanned aerial vehicle and its stability in conditions of significant wind loads.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в посту наблюдения, содержащем наземную станцию, беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки, привязь и механизм регулирования длины привязи, многофункциональный кабель, систему стабилизации беспилотного летательного аппарата на основе датчиков пространственного положения и наземный блок управления, в отличие от прототипа привязь представляет собой совокупность четырех тросов, растянутых между беспилотным летательным аппаратом и механизмом регулирования длины привязи, который состоит из четырех соответствующих барабанных механизмов, расположенных в углах квадратной наземной станции, причем беспилотный летательный аппарат соединен многофункциональным кабелем с наземным блоком управления, у которого имеется четыре управляющих выхода, соединенных с управляющими входами соответствующих барабанных механизмов.The problem is solved, and the technical result is achieved by the fact that in the observation post containing a ground station, an unmanned aerial vehicle of vertical take-off and landing, a leash and a mechanism for adjusting the leash length, a multi-function cable, an unmanned aerial vehicle stabilization system based on spatial sensors and a ground unit control, unlike the prototype leash is a combination of four cables stretched between an unmanned aerial vehicle and a mechanism ohm adjusting the length of a leash, which consists of four drums respective mechanisms disposed in the corners of a square ground station, the drone aircraft multifunction cable connected with a ground control unit, which has four control outputs connected to control inputs of respective drum mechanisms.

Существо полезной модели поясняется чертежом. На фигуре показана схема поста наблюдения.The essence of the utility model is illustrated in the drawing. The figure shows a diagram of the observation post.

Основу поста наблюдения составляют наземная станция 1 и БПЛА 2. БПЛА 2 связан с наземной станцией привязью, состоящей из четырех одинаковых тросов 3, а также многофункциональным кабелем 4. Барабанные механизмы 5, расположенные в углах квадратного основания наземной станции 1, используются для сматывания и разматывания тросов 3. Многофункциональный кабель 4 подсоединен к наземному блоку управления 6, у которого есть еще четыре выхода, подключенных к соответствующим управляющим входам барабанных механизмов 5. БПЛА имеет два воздушных винта 7 и 8, с возможностью создания вертикальной подъемной силы и вращения в противоположных направлениях (для компенсации закручивающего реактивного момента). Воздушные винты 7 и 8 связаны с блоком электродвигателей 9. БПЛА содержит блок датчиков пространственного положения 10 (показан условно) и целевую нагрузку 11. Блок электродвигателей 9, блок датчиков пространственного положения 10 и целевая нагрузка 11 электрически связаны с многофункциональным кабелем 4, который опущен вниз на наземную станцию 1, в центре основания которой имеется отверстие 12, через которое многофункциональный кабель 4 при опускании БПЛА 2 собирается и укладывается произвольным образом.The basis of the observation post is ground station 1 and UAV 2. UAV 2 is connected to the ground station by a leash, consisting of four identical cables 3, as well as a multifunction cable 4. Drum mechanisms 5, located in the corners of the square base of ground station 1, are used for unwinding and unwinding cables 3. A multi-function cable 4 is connected to the ground control unit 6, which has four more outputs connected to the corresponding control inputs of the drum mechanisms 5. The UAV has two propellers 7 and 8, with the possibility of creating vertical lifting force and rotation in opposite directions (to compensate for the twisting reactive moment). Propellers 7 and 8 are connected to the electric motor unit 9. The UAV contains a block of spatial position sensors 10 (shown conditionally) and a target load 11. The electric motor block 9, a block of spatial position sensors 10 and a target load 11 are electrically connected to a multifunction cable 4, which is lowered down to ground station 1, in the center of the base of which there is an opening 12 through which the multi-function cable 4, when lowering the UAV 2, is assembled and laid arbitrarily.

Описанный пост наблюдения работает следующим образом.The described observation post works as follows.

По команде с наземного блока управления 6 по многофункциональному кабелю 4 на БПЛА 2 проходит команда на включение блока электродвигателей 9, который вращает винты 7 и 8, создающие вертикальную подъемную силу. Электропитание на двигатели подается по тому же многофункциональному кабелю 4. Одновременно с этим с наземного блока управления 6 на все барабанные механизмы 5 подается сигнал на разматывающее вращение барабанов, что дает возможность разматываться одновременно всем четырем тросам 3. При этом БПЛА 2 поднимается вместе с многофункциональным кабелем 4. При достижении беспилотным летательным аппаратом определенной высоты с наземного блока управления 6 на все барабанные механизмы 5 подается команда на остановку вращения, и размотка тросов 3 прекращается. Если положение БПЛА 2 отличается от горизонтального (углы крена и тангажа отличаются от нуля), то соответствующие датчики из состава блока датчиков пространственного положения 10 вырабатывают сигналы, передающиеся по многофункциональному кабелю 4 в наземный блок управления 6, в котором происходит их преобразование в соответствующие компенсирующие команды для барабанных механизмов 5, то есть при перекосе БПЛА 2 в какую-либо сторону происходит небольшое дозированное вращение барабанов и размотка соответствующих тросов 3 до тех пор, пока не будет достигнуто горизонтальное положение аппарата.On command from the ground control unit 6 through a multi-function cable 4 to the UAV 2, a command passes to turn on the motor unit 9, which rotates the screws 7 and 8, creating a vertical lifting force. Power is supplied to the engines via the same multifunction cable 4. At the same time, a signal is sent to all drum mechanisms 5 from the ground control unit 6 to the unwinding rotation of the drums, which makes it possible to unwind all four cables at the same time 3. In this case, the UAV 2 rises with the multifunction cable 4. When the unmanned aerial vehicle reaches a certain height from the ground control unit 6, all drum mechanisms 5 are given a command to stop rotation, and unwind the cables 3 pr is spinning. If the position of the UAV 2 differs from the horizontal (roll and pitch angles differ from zero), then the corresponding sensors from the array of spatial position sensors 10 generate signals transmitted via the multifunction cable 4 to the ground control unit 6, in which they are converted to the corresponding compensating commands for drum mechanisms 5, that is, when the UAV 2 is skewed in any direction, a small dosed rotation of the drums and unwinding of the corresponding cables 3 occurs until the horizontal position of the device udet achieved.

Постоянное вращение воздушных винтов 7 и 8 тянет БПЛА 2 вверх и поддерживает тросы 3 в натянутом состоянии. Наличие четырех тросов делает положение аппарата стабильным даже при значительном ветре.The constant rotation of the propellers 7 and 8 pulls the UAV 2 up and supports the cables 3 in a taut state. The presence of four cables makes the position of the device stable even with significant wind.

Так как питание на блок электродвигателей 9 подается с земли, то висеть на заданной высоте БПЛА 2 может практически непрерывно. При этом целевая нагрузка 11 (например, видеокамера) также может непрерывно выполнять свои функции.Since the power to the motor unit 9 is supplied from the ground, then the UAV 2 can hang at a predetermined height almost continuously. In this case, the target load 11 (for example, a video camera) can also continuously perform its functions.

Для спуска БПЛА 2 на наземную станцию 1 с наземного блока управления 6 по многофункциональному кабелю 4 на БПЛА 2 проходит команда на уменьшение частоты вращения блока электродвигателей 9. С выходов наземного блока управления 6 на барабанные механизмы 5 передаются управляющие сигналы на сматывание тросов 3. БПЛА 2 опускается до достижения им наземной станции 1.To launch the UAV 2 to the ground station 1 from the ground control unit 6 through a multi-function cable 4 to the UAV 2, a command to reduce the speed of the electric motor unit 9 passes. From the outputs of the ground control unit 6, control signals are sent to the winding cables 3. UAV 2 lowers until it reaches ground station 1.

Реализация предлагаемого поста наблюдения достаточно проста. В нем используются хорошо известные и доступные элементы. Наземная станция 1 может быть размещена либо на ровной площадке на грунте, либо на плоской крыше здания. Тросы 3 должны быть легкими и прочными, они могут быть сделаны, например, из капрона. Барабанные механизмы 5 реализованы на основе электродвигателей с редукторами. Они широко применяются в грузоподъемной технике. Блок датчиков пространственного положения 10 может включать в себя, например, широко применяемые микросистемные гироскопические и акселерометрические датчики. Наземный блок управления 6 может быть реализован на серийном микроконтроллере или промышленном одноплатном компьютере.The implementation of the proposed observation post is quite simple. It uses well-known and affordable elements. Ground station 1 can be placed either on a flat platform on the ground, or on a flat roof of a building. Cables 3 should be light and strong, they can be made, for example, from kapron. Drum mechanisms 5 are implemented on the basis of electric motors with gears. They are widely used in lifting equipment. The array of spatial position sensors 10 may include, for example, widely used microsystem gyroscopic and accelerometric sensors. Ground control unit 6 can be implemented on a serial microcontroller or industrial single-board computer.

Предлагаемая полезная модель выгодно отличается от аналогов, имеющих привязь на основе одного удерживающего троса, простотой управления и более стабильным положением аппарата в условиях ветровых нагрузок.The proposed utility model compares favorably with peers having a leash on the basis of one holding cable, ease of control and more stable position of the device in conditions of wind loads.

Claims (1)

Пост наблюдения на базе привязного беспилотного летательного аппарата, содержащий наземную станцию, беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки, привязь и механизм регулирования длины привязи, многофункциональный кабель, систему стабилизации беспилотного летательного аппарата на основе блока датчиков пространственного положения и наземного блока управления, отличающийся тем, что привязь представляет собой совокупность четырех тросов, растянутых между беспилотным летательным аппаратом и механизмом регулирования длины привязи, который состоит из четырех соответствующих барабанных механизмов, расположенных в углах квадратной наземной станции, причем беспилотный летательный аппарат соединен многофункциональным кабелем с наземным блоком управления, содержащим четыре управляющих выхода, соединенных с управляющими входами соответствующих барабанных механизмов.

Observation post on the basis of a tethered unmanned aerial vehicle, comprising a ground station, an unmanned aerial vehicle of vertical take-off and landing, a leash and a mechanism for adjusting the leash length, a multifunctional cable, an unmanned aerial vehicle stabilization system based on a block of spatial position sensors and a ground control unit, characterized in that the leash is a combination of four cables stretched between an unmanned aerial vehicle and the mechanism is regulated I the length of a leash, which consists of four drums respective mechanisms disposed in the corners of a square ground station, the drone aircraft multifunction cable connected with a ground control unit, comprising four control outputs connected to control inputs of respective drum mechanisms.

Images