Принципы полёта беспилотных летательных аппаратов¶

Полёт беспилотника — управляемый полёт беспилотного летательного аппарата (БПЛА), при котором функции пилота выполняют бортовые системы автоматического управления, навигации и связи, а наземный оператор управляет аппаратом дистанционно или задаёт маршрут заранее. Полёт БПЛА основан на тех же аэродинамических принципах, что и полёт пилотируемого самолёта или вертолёта, однако автоматика обеспечивает устойчивость и управление аппаратом в реальном времени с высокой частотой коррекций, недоступной живому пилоту.

¶Классификация БПЛА по схеме полёта

По аэродинамической схеме беспилотники делятся на две основные группы.

¶Самолётного типа

Аппараты самолётного типа получают подъёмную силу за счёт неподвижного крыла, создающего разность давлений при наборе воздушной скорости. Для взлёта им требуется разбег по полосе или катапульта, для посадки — полоса либо парашют. Крыло может быть:

• прямым (простая конструкция, характерна для малых разведывательных БПЛА);
• стреловидным (снижает волновое сопротивление на дозвуковых скоростях);
• со сверхкритическим профилем (повышает эффективность на крейсерских скоростях).

Такие аппараты экономичны на больших маршрутах и способны长时间 находиться в воздухе, однако требуют взлётно-посадочной инфраструктуры.

¶Мультироторные

Мультироторные БПЛА (квадрокоптеры, гексакоптеры, октокоптеры) создают подъёмную силу винтами, осями которых задан вертикальный вектор тяги. Подъёмная сила регулируется изменением частоты вращения каждого винта независимо. Для удержания положения в воздухе аппарат использует гироскопы, акселерометры и барометры, а для удержания позиции по горизонтали — приём GPS-сигнала. Мультироторы способны взлетать и садиться вертикально, висеть на месте и маневрировать в стеснённых условиях, но расходуют энергию на постоянное вращение винтов, поэтому время полёта у них ограничено (обычно 20–60 минут).

¶Гибридные схемы

Существуют переходные схемы: конвертопланы (вертикальный взлёт и переход к полёту на крыле), аппараты с несущим винтом и крылом (типа «вертолёт-самолёт»). Они совмещают вертикальный взлёт с дальностью маршрута, свойственной самолётной схеме.

¶Устройство системы управления

Полёт БПЛА обеспечивают несколько взаимосвязанных систем.

¶Бортовой компьютер и полётный контроллер

Полётный контроллер (flight controller) — вычислительное устройство, обрабатывающее данные датчиков и формирующие управляющие сигналы на сервоприводы и регуляторы оборотов двигателей. Основные алгоритмы:

• PID-регулятор — поддерживает заданный угол крена, тангажа и рыскания, непрерывно сравнивая текущее и целевое значение;
• фильтр Калмана — объединяет данные гироскопа, акселерометра и GPS, оценивая истинное положение аппарата с учётом ошибок каждого датчика;
• навигация по инерциальной системе — между обновлениями GPS продолжает вычислять положение по данным акселерометра и гироскопа.

Частота обработки данных в современных полётных контроллерах составляет от 1 до 8 кГц, что позволяет реагировать на возмущения быстрее, чем это сделал бы пилот.

¶Датчики

• гироскоп и акселерометр (обычно объединены в одном MEMS-чипе) — измеряют угловые скорости и линейные ускорения;
• барометр — определяет высоту по давлению воздуха;
• GPS-приёмник — задаёт координаты и скорость;
• магнитометр (компас) — определяет магнитный азимут;
• ветровой датчик или датчик воздушной скорости — на самолётных БПЛА.

¶Сервоприводы и рулевые поверхности

На самолётных БПЛА сервоприводы отклоняют элероны, руль высоты и руль направления. На мультироторах управление осуществляется изменением оборотов каждого двигателя через регуляторы ESC.

¶Принципы управления в полёте

¶Подъёмная сила и тяга

Для вертикального полёта (мультиротор) суммарная тяга винтов должна компенсировать вес аппарата. Для горизонтального (самолётная схема) подъёмная сила крыла пропорциональна квадрату скорости, поэтому аппарат должен поддерживать минимальную скорость, иначе крыло перестаёт создавать достаточную подъёмную силу.

¶Маневрирование

• Крен (наклон вбок) — для изменения направления у мультиротора: аппарат наклоняется, и горизонтальная составляющая тяги разворачивает его.
• Тангаж (наклон вперёд/назад) — изменение высоты или скорости.
• Рыскание — разворот вокруг вертикальной оси.

У самолётных БПЛА маневры выполняются отклонением рулевых поверхностей, как у обычного самолёта.

¶Навигация и связь

¶Управление по каналу связи

Оператор передаёт команды по радиоканалу (обычно в диапазонах 900 МГц, 2,4 ГГц или 5,8 ГГц). Для передачи видео используется отдельный канал с аналоговым или цифровым сигналом. Дальность связи зависит от мощности передатчика, чувствительности приёмника и наличия помех: у любительских БПЛА — единицы километров, у военных и промышленных — десятки и сотни километров через спутниковый канал.

¶Автономный полёт

Заранее заданный маршрут (миссия) загружается в полётный контроллер в виде набора точек с координатами и высотами. Аппарат проходит точки автоматически, корректируя курс по GPS. При потере связи с оператором многие БПЛА выполняют аварийную программу: возврат на точку взлёта (RTH — Return to Home) или посадка на текущем месте.

¶Применение

Беспилотники применяются в сельском хозяйстве (опрыскивание полей), геодезии и картографии (аэрофотосъёмка), мониторинге инфраструктуры (линии электропередач, газопроводы), доставке грузов, а также в военных целях (разведка, ударные комплексы). В России производством и применением БПЛА занимаются компании «Кронштадт» (самолётные аппараты «Форпост», «Иноходец»), «ЗALA Аэро» («Ланцет») и ряд других предприятий.

¶Историческая справка

Первые беспилотные аппараты — ракеты-мишени и самолёты-снаряды — применялись ещё в Первой и Второй мировых войнах. Серийный квадрокоптер DJI Phantom, запущенный в 2013 году, сделал мультироторные БПЛА доступными массовому пользователю и определил их современную конструкцию.

Источники:

• Классификация и аэродинамика БПЛА (учебные материалы по авиатехнике)
• Принципы работы полётных контроллеров и навигационных систем
• Справочные данные по применению беспилотников в промышленности и сельском хозяйстве