Квадрокоптер в сельском хозяйстве (оценка возможностей применения)

СЕВЕРНОЕ ОКРУЖНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

Работа учащихся 10 А класса Лицея №1575 САО г. Москвы

Смирнова Ивана

Малышева Николая

Петрушина Дмитрия

Руководители работы: Н. В. Кошелева

М. Ю. Калягин

Москва 2013

Паспорт работы

Образовательное учреждение: ГОУ Лицей №1575

Адрес: г. Москва, ул. Усиевича д.6

Телефон: (499) 151-89-24

E-mail: [email protected]

Район: Аэропорт

Авторы работы: Смирнов Иван, Малышев Николай, Петрушин Дмитрий

Название работы: Квадрокоптер в сельском хозяйстве (оценка возможностей применения)

Основной предмет: Физика

Предметный цикл: Физика

Руководители работы : М. Ю. Калягин , Н. В. Кошелева

Способ представления работы на защите: постерный доклад

Подпись руководителей работы

Подпись исполнителей работы

Аннотация.

Тема: Квадрокоптер в сельском хозяйстве

Авторы: Смирнов Иван, Малышев Николай, Петрушин Дмитрий

Научные руководители: Н. В. Кошелева, М. Ю. Колягин

Актуальность: Крестьянские фермерские хозяйства — рациональная и эффективная форма хозяйствования , которая имеет больший, чем другие виды хозяйств, запас прочности и способность выжить в периоды экономических трудностей и кризисов. Именно сейчас важно, чтобы фермерские хозяйства развивались, и новые технические идеи для облегчения труда и повешения эффективности работы фермеров сейчас как никогда актуальны.

Проблема: Но фермеры сталкиваются с большим количеством проблем. Среди них - изношенности старой и высокая стоимость новой поливочной техники, воды, горюче-смазочных материалов, электроэнергии и т.п. Необходимо найти техническое решение, которое позволит фермеру с наименьшими затратами повысить эффективность своего хозяйства.

Гипотеза: А что если спроектировать беспилотный летательный аппарат, на базе квадрокоптера, который мог бы взять на себя ряд функций по обслуживанию фермерских хозяйств?

Предмет исследования: Летательные беспилотные платформы. Их использование и функции.

изучение тематической литературы

создание графиков и таблиц по компонентам аппарата

выбор необходимых элементов управления и запчастей

создание проекта модели действующего квадрокоптера для сельского хозяйства

Краткое описание: Работа посвящена беспилотным летательным аппаратам – одному из видов БЛА – квадрокоптеру и его использованию в сельском хозяйстве.

Выводы: Поддержка российских фермеров – государственная программа. И цель технических специалистов – помочь фермерам, разрабатывая и осуществляя новые идеи технических средств-помощников. Беспилотный летательный аппарат на базе квадрокоптера, осуществляющий функции по обслуживанию полей – именно то, что может помочь стать успешными многим фермерским хозяйствам.

Библиография:

1. 
   www. toyhobby.ru
   
2. 
   www. pilotage.ru
   
3. 
   И.Н. Кибец, В.И. Кибец «Физика Справочник» , 1977г.
   
4. 
   Р. Д. Джексон «Helicopters» , Омега, 2010г.
   

Содержание :

Введение.

1. История развития беспилотных летательных аппаратов, квадрокоптеров

2. Области применения квадрокоптеров

3. Устройство и составные части квадрокоптера

4. Динамические характеристики составляющих квадрокоптера (графическое и табличное представление) для нужд сельского хозяйства.

5. Выбор наиболее выгодной траектории для орошения поля

6. Проектирование действующей модели квадрокоптера

Заключение.

Введение.

Из всех летательных платформ, таких как самолёты, вертолёты, средства на воздушной подушке – самыми дешёвыми и простыми в управлении и эксплуатации являются квадрокоптеры. Их мы и рассматривали в нашей работе.

Когда речь заходит о квадрокоптерах, большинство из нас представляет себе устройство с достаточно скромными характеристиками — скорее игрушку на радиоуправлении, чем что-то, достойное наименования «беспилотный летающий аппарат». У многих вызывают недоумение инициативы внедрить квадрокоптеры в самые важные отрасли хозяйства. Трудно поверить, что на базе этих игрушек можно построить что-то серьёзное.

Тем не менее, технологии, лежащие в основе квадрокоптеров — аккумуляторы, навигационное оборудование, бортовые компьютеры — развиваются очень быстро. Современные профессиональные беспилотники с четырьмя роторами очень сильно отличаются от любительских игрушек. Они способны летать под проливным дождём, в мороз и жару, они могут продержаться в воздухе около часа, а управлять ими сможет даже ребёнок.

И многими серьезными компаниями уже созданы профессиональные аппараты, предназначенных для применения в промышленности, видеонаблюдении, аэрофотосъёмке и военном деле.



1. История развития беспилотных летательных аппаратов, квадрокоптеров

Многовинтовые вертолёты разрабатывались ещё в первые годы вертолётостроения. Недостатком этих аппаратов была сложная трансмиссия, передававшая вращение одного мотора на несколько винтов.

О летающем механизме под названием «квадрокоптер» впервые заговорили в 1922 году, когда в Дейтоне (США) поднялся в воздух вертолет с четырьмя винтами.

 Впоследствии он совершил около 100 полетов, но в серийное производство так и не пошел: изобретение попросту опередило свое время – производить столь сложные летательные аппараты в ту пору было технологически нецелесообразно. Автор проекта Георгий Александрович Ботезат, несмотря на успех, к винтокрылым машинам больше не возвращался.

Вновь о квадрокоптерах вспомнили в 1950-х, однако дальше прототипов дело не продвинулось, хотя уже тогда их позиционировали как беспилотные аппараты.

Несмотря на прохладное отношение со стороны большой авиации, квадрокоптеры снискали популярность среди авиамоделистов: простота в постройке и наладке, возможность серийного изготовления простых и недорогих узлов для сборки, появление микроконтроллеров (упростивших управление) сделали их доступными каждому.

Энтузиасты нашли применение квадрокоптерам в аэрофотосъемке, использовали их при отладке взаимодействия между роботами. Разработан трехкилограммовый робот-разведчик и наблюдатель. Он может держаться в воздухе до 50 минут с полезной нагрузкой. В качестве этой нагрузки в стандартной комплектации выступают обычная и инфракрасная видеокамеры, установленные на стабилизирующей платформе. Видео с камер в реальном времени может транслироваться на базовую станцию, которая может находиться на расстоянии до 3 километров, с возможностью увеличения расстояния до 5 километров.

Квадрокоптер может работать при ветре до 65 км/ч и переносить кратковременные порывы до 90 км/ч. Он не боится дождя и снега и летает при температурах от -30 до +50 градусов. Навыки пилотирования для управления квадрокоптером почти не требуются — достаточно отметить на карте целевую точку и высоту, и беспилотник автоматически полетит к ней, ориентируясь по GPS. Джойстик нужен только для более тонких и точных манёвров.

Военные рассматривают эти устройства в качестве разведчиков и легких средств подавления огневых точек: способность нести небольшой вес (до 10 кг, в редких случаях – до 50) позволяет без проблем оснастить их взрывчаткой или легким пулеметом. 

Стоимость таких квадрокоптеров составляет порядка нескольких десятков тысяч долларов. Крупные компании, научные и государственные организации, которые чаще всего заказывают целые комплексы, оплачивают внедрение, обслуживание и установку на беспилотники специфического оборудования. При массовом производстве и некоторых компромиссах в характеристиках, подобные дроны вполне могут стоить во много раз меньше.

Используют квадрокоптеры и в спасательных операциях, метеорологии, в спортивных целях и пр. Но до сих пор эти устройства так до конца и не переросли стадию средств развлечения.

Крестьянские фермерские хозяйства — рациональная и эффективная форма хозяйствования , которая имеет больший, чем другие виды хозяйств, запас прочности и способность выжить в периоды экономических трудностей и кризисов. Но фермеры сталкиваются с большим количеством проблем. Среди них - изношенности старой и высокая стоимость новой поливочной техники, воды, горюче-смазочных материалов, электроэнергии и т.п.

Необходимо найти техническое решение, которое позволит фермеру с наименьшими затратами повысить эффективность своего хозяйства. Квадрокоптер мог бы взять на себя ряд функций по обслуживанию фермерских хозяйств. Например, осуществлять не только съемку и контроль за состоянием поля, но и обеспечить орошение и опрыскивание, тем самым сэкономить трудовые, денежные и материальные ресурсы.                  

3. Устройство и составные части квадрокоптера

          Квадрокоптер является беспилотным летательным аппаратом (БЛА). Он представляет собой платформу с четырьмя роторами, одна пара которых вращается по часовой стрелке, другая – против часовой стрелки. По сравнению с БЛА вертолетного типа с несущим и рулевым винтами, квадрокоптеры обладают рядом преимуществ, таких как: надежность и простота конструкции, большая стабильность, компактность и маневренность, малая взлетная масса при существенной массе полезной нагрузки.

Каждый его пропеллер приводится в действие собственным электромотором, питаемым от мощных батарей и управляемых микрокомпьютером. Задача последнего – поддерживать машину в полете, обеспечивая синхронность работы двигателей в зависимости от показаний датчиков, преобразовывать команды оператора в изменения режимов работы двигателей.

Размещены все узлы на раме. Рама должна быть сбалансированной (значим вес каждого винтика), жесткой (чтобы выдерживать нагрузки) и упругой (чтобы гасить колебания и не рассыпаться при неудачном приземлении). Необходимо соблюсти все эти условия, грамотно разместить узлы и дополнительное оборудование, выдержать требования к прочности и виброзащите.

Для изменения скорости вращения используются регуляторы оборотов – по одному на каждый привод. Соединяется все это хозяйство при помощи специальных коннекторов, приобретаемых отдельно. Разумеется, не обойтись без аппаратуры для дистанционного управления.

Современные квадрокоптеры используют бесколлекторные электродвигатели и литий-полимерные аккумуляторы в качестве источника энергии.

Поднимаемый полезный груз моделями квадрокоптеров среднего размера и грузоподъемности — от 500гр до 2—3 кг, что позволяет поднять в воздух небольшую фото или видеокамеру.

Скорость полета мультикоптера может быть самой разной - от нуля (неподвижное висение в точке) до 100-110 км/ч. Запас энергии батарей позволяет отдельным моделям квадрокоптеров улетать на расстояние до 7-12 км.

На практике же радиус действия (максимальное расстояние, на которое они способны улететь с последующим возвратом в точку взлета) обычно ограничено прямой видимостью (100—200 м при ручном управлении) либо дальностью действия аппаратуры радиоуправления и видеолинка. При этом лучшие образцы подобной аппаратуры, использующие усилители мощности радиосигнала и систему направленных антенн, способны обеспечивать стабильные радиоуправление и видеолинк на расстояния до 100 км.



4. Динамические характеристики составляющих (графическое и табличное представление)

Таблица данных об аккумуляторах

Таблица построена в соответствии с данными об аккумуляторах, которые можно установить на квадрокоптер массой не превышающий 4 килограмма.

В таблице представлены двигатели которые возможно установить на квадрокоптер. Их нужно выбирать в зависимости от массы аккумулятора и задачи, которая ставиться перед квадрокоптером.

Ёмкость, мА/ч

Масса, кг

График зависимости мощности двигателя от массы

Мощность, Вт

Масса, Кг

5. Выбор наиболее выгодной траектории для орошения поля

После проведённых расчётов и определения задач, которые ставятся перед аппаратом, был выбран именно такой вариант траектории. Он позволит наиболее аккуратно и точно оросить каждое растение необходимым веществом.

Была проделана работа по выбору подходящих частей, для выполнения поставленной перед аппаратом задачей. Для различных размеров поля или количества опыляемых растений запчасти могут меняться.

Рассмотрим вариант применения квадрокоптера для орошения 3 кустов смородины. Стандартная версия квадрокоптера, по расчётам, должна орошать без дозаправки удобрениями 3 куста чёрной смородины. Под днищем аппарата расположена ёмкость с удобрением, которое выпрыскивается по заданной программе, исходя из расстояния между растениями. Были изучены полётные характеристики аппарата и его полётные возможности. Предполагается изготовление устройства для орошения растений. Масса удобрений для одного куста чёрной смородины 150 граммов, а значит, квадрокоптер должен поднимать 500 граммов. Но во время подъёма груз испытывает ускорение, следовательно, вес увеличивается. Зная максимальное ускорение квадрокоптера можно узнать, что масса, которую должен поднимать квадрокоптер составляет 650 граммов.

Исходя из этих данных, были выбраны следующие комплектующие квадрокоптера:

Радиоуправляемый квадрокоптер WL Toys V262 с 6-осевым гироскопом и автоматической стабилизацией.

электродвигатель Power 10 Brushless Outrunner Motor - 4штуки. Данный выбор был обусловлен подходящим соотношением массы и мощности устройства.