Квадрокоптер в сельском хозяйстве (оценка возможностей применения)

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ
СЕВЕРНОЕ ОКРУЖНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ
Квадрокоптер в сельском хозяйстве
(оценка возможностей применения)
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: liceum1575@mail.ru
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
2
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.
Цели: Разработать модель квадрокоптера, способного осуществлять не только
съемку, контроль за состоянием поля, но и обеспечить орошение и
опрыскивание, тем самым сэкономить трудовые, денежные и материальные
ресурсы.
3
Методы: Поиск, изучение и обработка научной литературы, учебников;
обобщение и систематизация теоретических знаний и практических опытов ;
создание действующей модели устройства.
План: определение терминов квадрокоптер и его составные части
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.
4
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.
5
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.
6
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.
7
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.
2. Области применения квадрокоптеров
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.
8
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.
9
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
10
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.
11
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.
12
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
13
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.
14
15
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.
Индекс
аккумулятора
AE-2200-3S-30S
AE3300-2S-25H
AE-5000-3S-40H
AE-6000-2S-25H
AE-4000-2S-25H
AE-5000-6S-40S
AE-2200-3S-25S
AE-5000-2S-50H
RC15705
RC15076
RC15074
RC6950
SLPB
6545135HS1
2S1P
SPB 563369H1
3S1PSPB9545135HS1
LiPol 2500mAh
Pilotage
EVO50004S1P
EVO37002S1P
EVO37003S1P
EVO15003S1P
Масса Ёмкость Напряжение Разрядность Wmax г/ёмк
SPB 653496H1
2S1P
208
226
442
356
244
782
195
294
280
316
589
196
195
2200
3300
5000
6000
4000
5000
2200
5000
5000
7000
5000
3700
3200
11.1
7,4
11.1
7,4
7,4
22.2
11.1
7.4
7,4
7,4
14.8
7,4
7,4
30
25
40
25
25
40
25
50
25
50
40
25
10
104
385
1300
4800
11,1
11,1
10
10
12,5
12,4
150
2500
11,1
10
16,6
514
196
305
126
5000
3700
3700
1500
14,8
7,4
11,1
11,1
10
10
10
50
40
9,7
18,8
12,1
11,9
102
2100
7,4
10
16
20,5
100
80
50
50
10,5
14,6
11,3
16,8
16,3
6,3
11,2
17
17,8
22,1
8,4
18,8
16,4
После оценки характеристик была выбрана модель AE-2200-3S-30S
16
Таблица данных двигателей
В таблице представлены двигатели которые возможно установить на
квадрокоптер. Их нужно выбирать в зависимости от массы аккумулятора и
задачи, которая ставиться перед квадрокоптером.
Название и индекс двигателя
Power 25 Brushless Outrunner Motor, 1250Kv
(EFLM4025B)
Power 52 Brushless Outrunner Motor, 590Kv
(EFLM4052A)
Park 250, 2200Kv Brushless Outrunner
(EFLM1130)
Park 340 Brushless Outrunner Motor, 1700Kv
(EFLM1155)
Power 10 Brushless Outrunner Motor, 1100Kv
(EFLM4010A)
Power 110 Brushless Outrunner Motor, 295Kv
(EFLM4110A)
V50 410KV Brushless Outrunner Motor (VENF8043)
ADH-300XL 5250Kv Brushless Outrunner Motor
(THP300XL-5250)
EH-200 4900Kv Brushless Outrunner Motor
(THPEH-200-4900)
Масса,г
Мощность,Вт
183
840
346
1132
14
58
32
128
122
384
490
1938
312
1234
33
480
25
220
После оценки характеристик была выбрана модель Power 10 Brushless Outrunner
Motor, 1100Kv (EFLM4010A)
17
График зависимости ёмкости аккумулятора (мА/ч) от его массы (г)
Ёмкость, мА/ч
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
100
200
300
400
500
600
Масса, кг
График зависимости мощности двигателя от массы
Мощность, Вт
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
100
200
300
400
500
600
Масса, Кг
18
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.
6. Проектирование действующей модели квадрокоптера
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
19
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.
аккумулятор AE-2200-3S-30S, - 2 штуки. Была выбрана именно эта модель
аккумулятора. Она обладает небольшой массой и подходящим напряжением.
20
Заключение.
Крестьянские фермерские хозяйства — рациональная и эффективная форма
хозяйствования. Именно сейчас важно, чтобы фермерские хозяйства развивались,
и новые технические идеи для облегчения труда и повешения эффективности
работы фермеров сейчас как никогда актуальны. Наш аппарат – одна из таких
идей. Мы надеемся, что он уменьшит труд фермеров, и сократит время, требуемое
на полив и удобрение полей и плантаций. И цель технических специалистов –
помочь фермерам, разрабатывая и осуществляя новые идеи технических средствпомощников. Беспилотный летательный аппарат на базе квадрокоптера,
осуществляющий функции по обслуживанию полей – именно то, что может
помочь стать успешными многим фермерским хозяйствам.
21