RU2728451C1 - Aircraft takeoff and landing aircraft safety system - Google Patents

Abstract

FIELD: aviation.SUBSTANCE: aircraft vertical elevation and landing safety system comprises an altitude sensor, an accelerometer, a gyroscope, electronic stroke controllers (ESC), electric motors of rotors, an on-board flight computer configured to process information from altitude-velocity parameters sensors and its comparison with predetermined threshold permissible values, formation of control signals of electric motors of rotors in a certain manner and attenuation of signals in case of transition of threshold values.EFFECT: limitation of pitch, roll and yaw angles, horizontal speed during takeoff and landing, higher flight stability, increased safety of pilot and surrounding objects.1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области авиации, а именно к летательным аппаратам (ЛА) вертикального взлета и посадки, например, мультикоптерам и квадрокоптерам, переносящим пилота на борту.The invention relates to the field of aviation, namely to vertical take-off and landing aircraft (AC), for example, multicopters and quadcopters carrying the pilot on board.

Из уровня техники известна полуавтоматическая система предотвращения выхода угла тангажа самолета за пределы эксплуатационного диапазона (см. патент RU 2490168 на изобретение, опубл. 20.08.2013).A semi-automatic system is known from the prior art to prevent the pitch angle of an aircraft from going beyond the operational range (see patent RU 2490168 for invention, publ. 08/20/2013).

Сущность изобретения заключается в том, что значение сигнала, управляющего приводом руля высоты, и поступающего с ручки управления через электродистанционную систему управления (ЭДСУ) сравнивается в селекторе с сигналами, которые формируют в автопилоте подсистемы и стабилизации угла тангажа. В случае, если сигнал с ЭДСУ становится больше значения, которое формирует подсистема для стабилизации максимально допустимого угла тангажа, управление передается этой подсистеме автопилота. Аналогичное, по сути, действие происходит, если сигнал с ЭДСУ становится меньше значения, которое формирует подсистема для стабилизации минимально допустимого угла тангажа. В этом случае выход селектора коммутируется с подсистемой автопилота.The essence of the invention lies in the fact that the value of the signal controlling the elevator drive and coming from the control stick through the fly-by-wire control system (EDSU) is compared in the selector with the signals that are formed in the autopilot of the subsystem and stabilization of the pitch angle. If the signal from the EDSU becomes greater than the value that the subsystem generates to stabilize the maximum allowable pitch angle, control is transferred to this autopilot subsystem. A similar, in fact, action occurs if the signal from the EDSU becomes less than the value that is formed by the subsystem to stabilize the minimum allowable pitch angle. In this case, the selector output is connected to the autopilot subsystem.

Известная из уровня техники система имеет иное применение - предназначена для использования в самолетах и имеет самолетные принципы управления по сравнению с заявленной системой. Данную систему невозможно использовать в ЛА - мультикоптерах.The system known from the prior art has a different application - it is intended for use in aircraft and has aircraft control principles in comparison with the claimed system. This system cannot be used in multirotor aircraft.

Из уровня техники известна система управления ЛА (см. патент RU 2537883 на изобретение, опубл. 10.01.2015).An aircraft control system is known from the prior art (see patent RU 2537883 for invention, publ. 10.01.2015).

Система управления ЛА содержит вычислительное средство, средство управления двигателем, управляющее работой двигателя на основании сигнала управления тягой, средство перемещения управляющей поверхности, осуществляющее перемещение управляющих поверхностей на основании сигнала управления углом отклонения управляющей поверхности, и средство обнаружения отказа/повреждения управляющей поверхности, способное обнаруживать неисправность по меньшей мере одной из управляющих поверхностей. В случае обнаружения неисправности по меньшей мере одной из управляющих поверхностей вычислительное средство вычисляет сигнал управления тягой и сигнал управления углом отклонения управляющей поверхности. Во втором варианте система управления ЛА, помимо охарактеризованных выше средств, содержит фильтр регулирования быстродействия, который регулирует быстроту реакции двигателя и быстроту реакции управляющих поверхностей. Достигается обеспечение устойчивости полета летательного аппарата.The aircraft control system contains computing means, an engine control means that controls engine operation based on a thrust control signal, a control surface movement means that moves control surfaces based on a control surface deflection angle control signal, and a control surface failure / damage detection means capable of detecting a malfunction at least one of the control surfaces. In the event of a failure of at least one of the control surfaces, the computing means calculates the thrust control signal and the control signal for the control surface deflection angle. In the second version, the aircraft control system, in addition to the means described above, contains a speed control filter that regulates the speed of the engine response and the speed of the control surfaces. EFFECT: ensuring stability of flight of an aircraft.

Известная из уровня техники система также имеет иное применение - предназначена для использования в самолетах и имеет самолетные принципы управления по сравнению с заявленной системой.The system known from the prior art also has a different application - it is intended for use in aircraft and has aircraft control principles in comparison with the claimed system.

Известные из уровня техники системы невозможно использовать на малых высотах, в них задействованы иные средства аэродинамического управления: рули высоты, рули направления, в отличии от заявленной системы, в которой управление осуществляется только двигателями, имеющими иное расположение (вертикальное).The systems known from the prior art cannot be used at low altitudes, they involve other means of aerodynamic control: elevators, rudders, in contrast to the claimed system, in which control is carried out only by engines having a different arrangement (vertical).

Техническими результатами заявленного изобретения являются:The technical results of the claimed invention are:

- ограничение углов тангажа, крена и рыскания, а также горизонтальной скорости при взлете и посадке за счет изменения частоты вращения электродвигателей;- limiting the angles of pitch, roll and yaw, as well as the horizontal speed during takeoff and landing by changing the rotational speed of the electric motors;

- увеличение точности позиционирования ЛА;- increasing the accuracy of aircraft positioning;

- повышение устойчивости полета;- increasing flight stability;

- увеличение безопасности пилота, окружающих людей и объектов.- increasing the safety of the pilot, surrounding people and objects.

Технические результаты достигаются тем, что система безопасности летательного аппарата вертикального взлета и посадки включает:Technical results are achieved by the fact that the safety system of a vertical takeoff and landing aircraft includes:

- датчик высоты, акселерометр и гироскоп;- height sensor, accelerometer and gyroscope;

- бортовой полетный компьютер;- onboard flight computer;

- электронные регуляторы хода (ESC);- electronic speed controllers (ESC);

- электродвигатели несущих винтов;- rotor motors;

при этом бортовой полетный компьютер выполнен с возможностью:while the on-board flight computer is configured to:

- обработки информации и данных, поступающих с датчика высоты, акселерометра и гироскопа и их сравнения с заранее установлеными пороговыми допустимыми значениями;- processing information and data from an altitude sensor, accelerometer and gyroscope and comparing them with predetermined threshold values;

- ограничения коэффициента заполнения ШИМ и ослабления сигналов управления, поступающих с джойстиков, в случае, если высота ниже порогового допустимого значения, а показания с акселерометра и гироскопа превышают заданные допустимые максимальные углы крена, тангажа, скорость рыскания и горизонтальную скорость;- limitation of the PWM duty cycle and attenuation of control signals coming from the joysticks if the altitude is below the threshold allowable value, and the readings from the accelerometer and gyroscope exceed the specified allowable maximum angles of roll, pitch, yaw rate and horizontal speed;

- формирования сигналов управления электродвигателями несущих винтов и оборотами винтов через электронные регуляторы хода (ESC), обеспечивая равномерное перераспределение или увеличение тяги к электродвигателям несущих винтов, увеличивая скорость их работы для проведения необходимого смещения и маневра;- generating signals to control the rotor motors and propeller revolutions through electronic controllers (ESC), providing a uniform redistribution or increase of thrust to the rotor motors, increasing their speed to carry out the necessary displacement and maneuver;

- управления скоростями вращения каждого отдельного независимого несущего винта;- speed control of each individual independent rotor;

- обеспечения синхронной работы электродвигателей несущих винтов.- ensuring the synchronous operation of the rotor motors.

Признаки и сущность заявленного изобретения поясняется в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежом (см. фиг. 1), где показан пример реализации системы безопасности ЛА вертикального взлета и посадкиThe features and essence of the claimed invention are explained in the following detailed description, illustrated by the drawing (see Fig. 1), which shows an example of the implementation of the security system of aircraft vertical takeoff and landing

На фигуре 1 обозначено следующее:Figure 1 indicates the following:

1 - датчик высоты, акселерометр, гироскоп;1 - height sensor, accelerometer, gyroscope;

2 - бортовой полетный компьютер;2 - onboard flight computer;

3 - электронные регуляторы хода (ESC);3 - electronic speed controllers (ESC);

4 - электродвигатели;4 - electric motors;

5 - джойстики.5 - joysticks.

Бортовой полетный компьютер (2) (см. фиг. 1) считывает показания с датчика высоты (2). При нахождении мультикоптера ниже определенной допустимой пороговой высоты включается режим помощи при взлете и посадке. В этом режиме бортовой полетный компьютер (2) непрерывно проверяет показания с акселерометра (2) и гироскопа (2) и в случае, если они превышают заданные максимальные углы крена, тангажа, скорость рыскания и горизонтальную скорость, то бортовой полетный компьютер (2) путем ограничения коэффициента заполнения ШИМ компенсирует воздействие. В свою очередь, сигналы управления, поступающие с джойстиков (5) ослабляются так, чтобы максимальное положение стика равнялось максимальному углу или скорости отклонения при посадке. Таким образом, увеличивается точность позиционирования летательного аппарата. Выше определенной допустимой пороговой высоты режим помощи отключается и мультикоптер управляется в обычном режиме.The on-board flight computer (2) (see Fig. 1) reads the readings from the altitude sensor (2). When the multicopter is below a certain allowable threshold altitude, the takeoff and landing assistance mode is activated. In this mode, the on-board flight computer (2) continuously checks the readings from the accelerometer (2) and gyroscope (2), and if they exceed the specified maximum angles of roll, pitch, yaw rate and horizontal speed, then the on-board flight computer (2) by PWM duty cycle limiting compensates for the impact. In turn, the control signals from the joysticks (5) are attenuated so that the maximum position of the stick is equal to the maximum angle or speed of deflection during landing. Thus, the positioning accuracy of the aircraft is increased. Above a certain acceptable threshold altitude, assist mode is disabled and the multicopter is operated normally.

Одним из преимуществ данной системы является то, что она исключает опрокидывание летательного аппарата (мультикоптера), столкновение лопастей винтов с поверхностью, на которую приземляется летательный аппарат (мультикоптер) и, следовательно, обеспечивает безопасность не только пилота, но и окружающих людей и объектов.One of the advantages of this system is that it excludes overturning of the aircraft (multicopter), collision of the propeller blades with the surface on which the aircraft (multicopter) lands and, therefore, ensures the safety of not only the pilot, but also the surrounding people and objects.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить: аналоги с совокупностью существенных признаков, тождественных и идентичных существенным признакам заявленной системе, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленной системы условию патентоспособности «новизна».The analysis of the state of the art made it possible to establish that there are no analogues with a set of essential features identical and identical to the essential features of the claimed system, which indicates that the claimed system meets the "novelty" condition of patentability.

Результаты поиска известных решений с целью выявления существенных признаков, совпадающих с отличительными от аналогов существенными признаками заявленной системы, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники, а также не установлена известность влияния отличительных существенных признаков на указанные автором технические результаты. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».The results of the search for known solutions in order to identify essential features that coincide with the essential features of the claimed system that are distinguishable from analogues have shown that they do not follow explicitly from the prior art, and the influence of distinctive essential features on the technical results indicated by the author has not been established. Therefore, the claimed invention meets the "inventive step" requirement of patentability.

На данный момент изготовлен опытный образец и успешно проведены испытания ЛА - мультикоптера.At the moment, a prototype has been made and tests of an aircraft - a multicopter have been successfully carried out.

Claims (11)

Система безопасности летательного аппарата вертикального взлета и посадки, включающая:Security system for vertical take-off and landing aircraft, including: - датчик высоты, акселерометр и гироскоп;- height sensor, accelerometer and gyroscope; - бортовой полетный компьютер;- onboard flight computer; - электронные регуляторы хода (ESC);- electronic speed controllers (ESC); - электродвигатели несущих винтов;- rotor motors; при этом бортовой полетный компьютер выполнен с возможностью:while the on-board flight computer is configured to: - обработки информации и данных, поступающих с датчика высоты, акселерометра и гироскопа и их сравнения с заранее установлеными пороговыми допустимыми значениями;- processing information and data from an altitude sensor, accelerometer and gyroscope and comparing them with predetermined threshold values; - ограничения коэффициента заполнения ШИМ и ослабления сигналов управления, поступающих с джойстиков, в случае, если высота ниже порогового допустимого значения, а показания с акселерометра и гироскопа превышают заданные допустимые максимальные углы крена, тангажа, скорость рыскания и горизонтальную скорость;- limitation of the PWM duty cycle and attenuation of control signals coming from the joysticks if the altitude is below the threshold allowable value, and the readings from the accelerometer and gyroscope exceed the specified allowable maximum angles of roll, pitch, yaw rate and horizontal speed; - формирования сигналов управления электродвигателями несущих винтов и оборотами винтов через электронные регуляторы хода (ESC), обеспечивая равномерное перераспределение или увеличение тяги к электродвигателям несущих винтов, увеличивая скорость их работы для проведения необходимого смещения и маневра;- generating signals to control the rotor motors and propeller revolutions through electronic controllers (ESC), providing a uniform redistribution or increase of thrust to the rotor motors, increasing their speed to carry out the necessary displacement and maneuver; - управления скоростями вращения каждого отдельного независимого несущего винта;- speed control of each individual independent rotor; - обеспечения синхронной работы электродвигателей несущих винтов.- ensuring the synchronous operation of the rotor motors.

Images