Bezzałogowy aparat latający

TECHNICZNE ZAKŁADY NAUKOWE
im. gen. Władysława Sikorskiego
42-200 Częstochowa
ul. Jasnogórska 84/90
tel. 34 324 47 27, 34 324 35 51
fax. 34 324 51 79
BEZZAŁOGOWY APARAT LATAJĄCY
BZYK
DOKUMENTACJA TECHNICZNA
TECHNICZNE ZAKŁADY NAUKOWE W CZĘSTOCHOWIE
Bezzałogowy aparat latający – BZYK
Geneza projektu
Pomysł zbudowania samolotu bezzałogowego przez uczniów klasy lotniczej
powstał na początku 2011 roku. Samolot wybudowany został na wrześniowe
zawody w Bezmiechowej własnym nakładem projektanta, wtedy to po bardzo
dobrym
przyjęciu
naszego
pomysłu
powstał
pomysł
wybudowania
profesjonalnego
samolotu.
Projekt
otrzymał
nazwę
"BZYK".
Członkami zespołu są uczniowie Technicznych Zakładów Naukowych o specjalizacji: technik
mechanik lotniczy i technik awionik, a opiekunem projektu jest dr inż. Robert Bąbka.
STRONA 2 / 23
TECHNICZNE ZAKŁADY NAUKOWE W CZĘSTOCHOWIE
Bezzałogowy aparat latający – BZYK
Grupa projektowa
 Mateusz Głowacki -skoczek spadochronowy, główny pomysłodawca i
organizator projektu, uczeń klasy o specjalizacji technik mechanik lotniczy,
jeden z założycieli "projektu BZYK";
 Daniel Kwasek - główny konstruktor bezzałogowca, pilot szybowcowy,
modelarz z dużym doświadczeniem. jeden z założycieli "projektu BZYK",
uczeń klasy o specjalizacji technik mechanik lotniczy;
 Tomasz Wójcik - księgowy
projektu oraz pilot szybowcowy, instruktor
częstochowskiej modelarni, jeden z głównych wykonawców bezzałogowca.
jeden z założycieli "projektu BZYK", uczeń klasy o specjalizacji
technik mechanik lotniczy;
 Łukasz Grajcar - wykonawca konstrukcji laminatowych oraz pilot
szybowcowy jeden z założycieli "projektu BZYK", uczeń klasy o
specjalizacji technik mechanik lotniczy;
 Grzegorz Kubacki - modelarz, pasjonat lotnictwa, uczeń klasy o
specjalizacji technik mechanik lotniczy;
 Krzysztof Matysek - fotograf projektu, pilot paralotniowy, jeden z
założycieli "projektu BZYK", uczeń klasy o specjalizacji technik
mechanik lotniczy;
 Mateusz Pytel - skoczek spadochronowy, uczeń klasy o specjalizacji
technik mechanik lotniczy;
 Robert Siwek - modelarz, uczeń klasy o specjalizacji technik mechanik
lotniczy.
STRONA 3 / 23
TECHNICZNE ZAKŁADY NAUKOWE W CZĘSTOCHOWIE
Bezzałogowy aparat latający – BZYK
Projekt wstępny
ZAŁOŻENIA OGÓLNE
Projekt musi być zgodny z regulaminem konkursu Bezzałogowy Statek Powietrzny
(BSP) - edycja 2012.
Podstawowe wymagania stawiane przez regulamin konkursu przed systemem:
•
maksymalna masa startowa nie może przekraczać 5 kg
•
w stanie gotowym do transportu płatowiec musi mieścić się w pojemniku
transportowym o wymiarach wewnętrznych 1000 x 300 x 350 mm.
BSP musi być wyposażony w system odzysku, zapewniający wyhamowanie
prędkości lotu i bezpieczne lądowanie z prędkością pionową nie
przekraczającą 7m/s.
•
Założenia dodatkowe projektu, nie zawsze wynikające z regulaminu konkursu
BSP:
•
Duża powtarzalność w przypadku wykonania produkcji seryjnej
•
Konstrukcja wykonana na rdzeniu styrodurowym
STRONA 4 / 23
TECHNICZNE ZAKŁADY NAUKOWE W CZĘSTOCHOWIE
Bezzałogowy aparat latający – BZYK
OPIS MISJI I SPOSÓB JEJ REALIZACJI
Zadanie polega na opracowaniu systemu wykorzystującego Bezzałogowy Statek
Latający zdolnego do realizacji :
•
Odnalezienia obiektów w postaci białych tablic w kształcie kwadratu o boku
długości 1,5m z wymalowanymi po przekątnych czarnymi pasami o szerokości
•
0,3m. Tablica ta jest umieszczona w kwadracie 1000m na 1000m. Należy
podać współrzędne z dokładnością do 25m (0,0002 stopnia szerokości i
długości geograficznej)
•
Ciągła obserwacja nieruchomego obiektu naziemnego przez 60 sekund
•
Lot po założonej trasie z odchyłką do 80m
Do wykonania powyższych zadań został zbudowany samolot bezzałogowy,
wykonujący autonomiczny lot po zadanej trasie. Samolot posiada ruchomą głowice
obserwacyjną o 2 stopniach swobody oraz kamerę (GO PRO). Obraz z kamery jest
przekazywany w czasie rzeczywistym do stacji naziemnej, gdzie operator prowadzi
obserwacje terenu i lokalizuje poszukiwane punkty. Po zlokalizowaniu punktu
samolot wykonuje nad nim krążenie pozwalające ciągłą obserwacje punktu.
STRONA 5 / 23
TECHNICZNE ZAKŁADY NAUKOWE W CZĘSTOCHOWIE
Bezzałogowy aparat latający – BZYK
Mechanika BSL- Bzyk
UKŁAD BSL ORAZ GŁÓWNE PARAMETRY
Procent powierzchni nośnej do powierzchni całkowitej w skrzydle względem
układu klasycznego jest prawię o połowę większy, co świadczy o tym, że praktycznie
cały model wytwarza siłę nośna, a nie tylko jego elementy. Skrzydło jest mniejsze,
jego współczynnik obciążenia względem ciężaru i rozpiętości jest dużo mniejszy
względem układu klasycznego co skutkuje dużo mniejszym obciążeniem powierzchni
prosta budowa, centropłat i dwie końcówki, mało części do uszkodzenia podczas
eksploatacji, zajmuje mało miejsca awaryjność układu znacznie mniejsza niż w
przypadku układu klasycznego, tylko 2 powierzchnie sterowe, dużo mniej elementów
ruchomych co skutkuje zmniejszeniem prawdopodobieństwa awarii dużo zwinniejsze
i zwrotniejsze od układu klasycznego
•
Kształt, układ modelu : Latające skrzydło
•
Rozpiętość: 1,70 m
•
Długość : 0,70 m
•
Masa: 4,300 kg
•
Profil: ZAGI 12
•
Powierzchnia nośna: 46 dm2
•
Obciążenie powierzchni nośnej: 93,5 g/dm2
•
Podwozie: ruchome z napędem pneumatycznym
•
Spadochron:
Czasza spadochronu została umieszczona na grzbiecie kadłuba. Zamykana jest z
góry klapką blokowaną serwomechanizmami. Zwalnianie klapki odbywa się za
pomocą otwarcia zatrzasków przez serwomechanizmy następnie 4 magnesy, które
są ustawione tymi samymi biegunami odpychają klapkę pociągając za sobą
spadochron.
STRONA 6 / 23
TECHNICZNE ZAKŁADY NAUKOWE W CZĘSTOCHOWIE
Bezzałogowy aparat latający – BZYK
WYZNACZENIE CIĘCIWY AREODYNAMICZNEJ ORAZ ŚRODKA CIĘŻKOSCI
Podczas realizacji zamierzonych założeń projektowych latającego skrzydła
wyznaczono orientacyjnie jego parametry zapewniające stabilność w locie. Do
wyznaczenie geometrii płata wykorzystano skrypt programu Excel (autor skryptu
Mitja Glusic, http://www2.arnes.si/~lzs1/aerodynamic/programs.htm) wyznaczający
parametry średniej cięciwy aerodynamicznej dla wykonywanego projektu.
Rys. 1. Wyznaczenie średniej cięciwy aerodynamicznej dla BSL BZYK
Oszacowanie położenia środka ciężkości wykonano na podstawie graficznego
zobrazowania mas obciążających i wyznaczeniu metodą średniej ważonej (na
podstawie: Analiza masowa. Grabowski Tomasz, Materiały Pomocnicze
-Politechnika Warszawska) .
X c=
∑ masaelementu k∗ polozenieelementu k
∑ masaelementu k
Konstrukcję przewidziano tak, aby można było w miarę elastycznie przemieszczać
masy w celu „dostrojenia” BSL.
STRONA 7 / 23
TECHNICZNE ZAKŁADY NAUKOWE W CZĘSTOCHOWIE
Bezzałogowy aparat latający – BZYK
Elektronika BSL- Bzyk
OSD – ON SCREEN DISPLAY
Rys. 2. Budowa OSD PITLAB &ZBIG
Parametry OSD PITLAB & ZBIG:
•
Napięcie Zasilania: 12V
•
Zakres napięcia pomiaru video: 0-15V
•
Możliwość zamontowania własnego pomiaru poprzez ADC np. Temperatura,
Prąd, Prędkość powietrza, Prędkości PROP, RS SI, itp.
•
Sygnały video: Standard PAL lub NTSC
•
GPS: Odbiornik GPS zasilany 5V
•
Płyta OSD wymiary 50mm x 70mm
OSD Pitlab&Zbig Funkcje:
•
Oprogramowanie umozliwia użytkownikowi dowolną reorganizacje wyglądu
ekranu
•
Większość obiektów wyświetlajacych obiekty graficzne można dowolnie
przemieszczać i właczać ich widoczność
STRONA 8 / 23
TECHNICZNE ZAKŁADY NAUKOWE W CZĘSTOCHOWIE
Bezzałogowy aparat latający – BZYK
•
Każdy obiekt ma zestaw bitów określających jego parametry
•
Przedefiniowanie układy ekranu można zapisać od pliku. Połączenie z PC do
konfiguracji / kalibracji za pomocą dedykowanego programu komputerowego
•
Wykrywanie GPS i konfiguracji automatycznie.
•
Prędkość w (kmh) lub stopy (mph): programowana
•
•
Zero wysokości dla lotniska: programowana
W pełni konfigurowany układ ekranu
Rys. 3.Montaż nadajnika OSD w BSL Bzyk
STRONA 9 / 23
TECHNICZNE ZAKŁADY NAUKOWE W CZĘSTOCHOWIE
Bezzałogowy aparat latający – BZYK
AUTOPILOT
Jako moduł autopilota został zastosowany Ardupilot Mega 2 (APM2). System
bazuje na projekcie opensource: ArduPlane i posiada możliwości rozbudowy o
dodatkowe czujniki jak sonar, GPS, radiomodem poprzez wyprowadzone na PCB
liczne złącza analogowe oraz I2C. Software napisany w Arduino zapewnia przyjemn
a prace ze względu na dość prostą składnie języka. Do obsługi powstał prosty i
przejrzysty interfejs, pozwalający na pełną konfigurację. Moduł autopilota zmatowany
praktycznie na jednym PCB zapewnia kompaktowość i łatwość montażu. Do
komunikacji z komputerem można użyć kabla USB lub modułu radiomodemu
wpiętego w gniazdo UART. W BSL Bzyk zastosowano drugą opcję, co zapewnia
przekaz danych telemetrycznych. Dane te pozwalają na konfigurację autopilota
podczas jego pracy. Wszystkie dane pochodzące z czujników wyświetlane są w
przejrzysty sposób w programie „Mission plane”. Autopilot pozwala na lot po trasie
bez ograniczenia ilości PZ, pozwala na autonomiczny start oraz lądowanie, krążenie
and punktem, utrzymywanie wysokości, powrót do domu po utracie sygnału.
Wyposażenie autopilota:
ARDUPILOT MEGA 2:
•
opcjonalnie telemetria na 433M
•
czujnik ciśnienia dynamicznego
•
rurka PITOTA
•
GPS Mediatek
Rys. 4.Montaż autopilota OSD w BSL Bzyk
STRONA 10 / 23
TECHNICZNE ZAKŁADY NAUKOWE W CZĘSTOCHOWIE
Bezzałogowy aparat latający – BZYK
Elementy autopilota:
•
Rdzeń Ardunio
•
2x pamięć FLASH
•
Kompas cyfrowy - Honeywell's HMC5883L-TR.
W opcji na PCB GPS Mediatek MT3329 module.
•
System otwarty z Invensense's 6 DoF Accelerometer/ Gyro MPU- 6000. Czujnik
ciśnienia: MS5611-01BA03, pomiary -. ATMEGA2560 i ATMEGA32U2
Rys. 5. Oprogramowanie bazowe Mission Planner do komunikacji z autopilotem
STRONA 11 / 23
TECHNICZNE ZAKŁADY NAUKOWE W CZĘSTOCHOWIE
Bezzałogowy aparat latający – BZYK
ODBIORNIK – NADAJNIK RC ELERES 433MHZ 100MW RFM22B
Rys. 6. Moduły RX/TX 433Mhz/100mW
Odbiornik – Nadajnik RC- parametry techniczne:
•
Częstotliwość: 433mhz
•
12 kanałów
•
atmega 328p
•
moduły radiowe rf22b
•
hopping po 20 kanałach
•
wyjście: ppmsum, sbus,
•
przy ppmsum 4 kanały binarne
•
funkcja lokalizatora w razie zgubienia modelu
•
możliwość telemetrii
•
moc 100mW
•
failsafe
STRONA 12 / 23
TECHNICZNE ZAKŁADY NAUKOWE W CZĘSTOCHOWIE
Bezzałogowy aparat latający – BZYK
NAPĘD
BSL napędzany jest dwoma silnikami NTM Propeller Drive 35-48 Series 900KV / 815
W
Rys. 7. NTM Prop Drive 35-48 Series 900KV /815 W – w BSL Bzyk zastosowano 2 napędy typu
Brussless DC
Rys. 8. Charakterystyki napędu NTM Prop Drive 35-48 Series 900KV /815 W z zasilaniem 4x3,7V
STRONA 13 / 23
TECHNICZNE ZAKŁADY NAUKOWE W CZĘSTOCHOWIE
Bezzałogowy aparat latający – BZYK
Specyfikacja napędu:
•
Model: NTM Prop Drive Series 3548 900kv
•
KV: 900 rpm/v
•
Poles: 3
•
Motor Wind: 7T
•
Max current: 55A
•
Max Power: 570W @ 12V (3S) / 815 @ 15V (4S)
•
Shaft: 5mm
•
Weight: 171g
•
ESC : 60A
•
Cell count: 3S~4S Lipoly
•
Bolt Holes: 18,9mm & 25mm
•
Bolt Thread: M3
•
Connection: 3,5mm Bullet-connector
STEROWANIE NAPĘDU
Do zasilania napędu zastosowano sterowniki 6T Atmega8: 2X Turnigy Plush 60A
Rys. 9. Moduł sterowania napędem DC Turnigy Plush 60A
STRONA 14 / 23
TECHNICZNE ZAKŁADY NAUKOWE W CZĘSTOCHOWIE
Bezzałogowy aparat latający – BZYK
SERWOMECHANIZMY STERUJĄCE STEROLOTKAMI
Rys. 10. Serwomechanizmy Corona DS- 939MG
Parametry serwomechanizmów Corona DS- 939MG:
•
Waga: 12,5g
•
Napięcie: 4,8-6V
•
Prędkość: 0,14s/60deg
•
Pobór Prądu: 200-240mA
•
Moment Obrotowy: 2,5kg/cm – 4,8V, 2,7kg/cm – 6V
•
Długość dźwigni: 28mm
•
Długość Przewodu: 215mm
•
Potencjometr: dwu suwakowy
•
Łożysko: kulkowe MR85
•
Zębatki: Metal
STRONA 15 / 23
TECHNICZNE ZAKŁADY NAUKOWE W CZĘSTOCHOWIE
Bezzałogowy aparat latający – BZYK
NADAJNIKI SYGNAŁU WIZYJNEGO
Rys. 11. Nadajnik sygnału wizyjnego FOX- 800A
Parametry Techniczne Nadajnika FOX- 800A:
•
Model: Fox-800A
•
Częstotliwośc Pracy:1,2Ghz
•
Moc Promieniowania sygnału: 800mW
•
Zasięg: 800-1600m (max 3500m)
•
Ilośc kanałów: 8
•
Strojenie nadajnika: wybór kanału za pomocą zworki
•
Wymiary: 53x45x19mm
•
Waga: 82g
•
Zasilanie: 12VDC
•
Pobór Prądu: 260mA
•
Złącze Antenowe: SMA
•
STRONA 16 / 23
TECHNICZNE ZAKŁADY NAUKOWE W CZĘSTOCHOWIE
Bezzałogowy aparat latający – BZYK
ODBIORNIKI SYGNAŁU WIZYJNEGO
Rys. 12. Odbiornik sygnału wizyjnego FOX- R02
Parametry odbiornika FOX- R02 :
•
Model Fox-R02
•
Napięcie: 12VDC
•
Pobór Prądu: 250mA
•
Częstotliwość wyjściowa: (do wyboru) 0,9G/1,2G/1,3G
•
Liczba Kanałów: 13
•
Moc wyjściowa: Nie dotyczy
•
Wyjście Video: 1 Vp-p (FM)
•
Wyjście Audio: 1 VP-p (FM)
•
Masa: 126g
•
Wymiary: 115x80x21mm
•
Kolor: Srebrny
•
Min poziom sygnału: -85dBm
•
Zasięg Pracy: bez rozbudowy 400-800m (max 3500)
•
Temperatura pracy: -10do ~+50'C
•
Złącze antenowe: SMA R/P
STRONA 17 / 23
TECHNICZNE ZAKŁADY NAUKOWE W CZĘSTOCHOWIE
Bezzałogowy aparat latający – BZYK
OBWODY ZASILANIA I STABILIZACJI NAPIĘCIA
Rys. 13. Moduł zasilania niskonapieciowego 5/6V BEC TRUNIGY
Parametry modułu 5/6V BEC TRUNIGY:
•
Wyjście: 5V/8A lub 6V/8A
•
Wejście: 6-12,6V (2-3 Cell Lipoly)
•
Wymiary: 42x39x9mm
•
Waga: 34g
STRONA 18 / 23
TECHNICZNE ZAKŁADY NAUKOWE W CZĘSTOCHOWIE
Bezzałogowy aparat latający – BZYK
ELEKTRONIKA BAZY
NAZIEMNEJ
NAZIEMNA STACJA KONTROLI LOTU
W skład NSKL wchodzą:
•
dwa monitory 19'
•
komputer PC, nadajnik sterowania RC
•
dwa odbiorniki Audio Video.
Rys. 14. Stacja bazowa
PPM expander: moduluje sygnał ppm 12kanałów, zbiera sygnały ze wszystkich
urządzeń, Aktualne oprogramowanie wewnętrzne umożliwia:
•
Generowanie od 4 do 12 kanałów wyjściowych PPM.
•
Przyjmowanie od 4 do 12 kanałów PPM na wejściu aparatury.
•
Przyjmowanie od 2 do 8 kanałów PPM na wejściu HT.
STRONA 19 / 23
TECHNICZNE ZAKŁADY NAUKOWE W CZĘSTOCHOWIE
Bezzałogowy aparat latający – BZYK
•
Dokładanie lub przeplatanie od 0 do 6 kanałów wewnętrznych - analogowych
•
Dokładanie lub przeplatanie od 0 do 8 kanałów z HeadTrackera.
•
Jeśli nie ma podłączonego HT kanały wybrane do współpracy z HT mogą być
automatycznie remapowane dowolnymi innymi kanałami.
•
-Możliwość pracy bez sygnału wejściowego (jako samodzielny modulator
PPM z max 6 wejściami).
•
Dowolna konfiguracja kanałów - można kanały wyjściowe dowolnie
poukładać, nie koniecznie po kolei.
•
Regulacja endpointów dla każdego z kanałów wewnętrznych
•
Regulacja subtrim'ów dla każdego z kanałów wewnętrznych
•
Regulacja zakresu i punktu zerowego sygnału z potencjometru dla każdego z
kanałów wewnętrznych
•
Możliwość zaprogramowania dual rate dla dowolnych kanałów wewnętrznych
(jeden przełącznik załączający dual rate dla wybranych w konfiguracji
kanałów).
•
Programowane rewersy dla wybranych kanałów wewnętrznych.
•
Możliwość spowolnienia pracy wybranych kanałów - przydatne przy powolnym
wysuwaniu podwozia sterowanym z przełącznika ect. Możliwa jest regulacja
prędkości pracy serw na spowolnionych kanałach.
•
Dwa zestawy ustawień wybierane przełącznikiem.
•
Łatwa aktualizacja oprogramowania z poziomu PC kablem USB.
DIVERSITY:
•
układ przełaczający sygnał video na mocniejszy z 2 głowic
•
procesor arm
•
ekran dotykowy 3,5”
•
wyświetla poziomy sygnałów
•
polaryzacja RS SI ujemna i dodatnia
•
manualne przełączanie głowic
STRONA 20 / 23
TECHNICZNE ZAKŁADY NAUKOWE W CZĘSTOCHOWIE
Bezzałogowy aparat latający – BZYK
EFEKT KOŃCOWY
STRONA 21 / 23
TECHNICZNE ZAKŁADY NAUKOWE W CZĘSTOCHOWIE
Bezzałogowy aparat latający – BZYK
Kosztorys
BUDOWY PROJEKTU
„BZYK”
Nazwa elementu
SILNIK RC-TIMER
REGULATOR TURNIGY BRAIN 40A
PAKIET NAPĘDOWY
PAKIET ODBIORCZY
SERWOMECHANIZM
MODUŁ RC
NADAJNIK A/V
KAMERA HD
KAMERA PODGLĄD 540TVL
AUTOPILOT
IMU
GPS
OSD
GIMBAL
AUDIOMODEM
KABLE
ŚMIGŁA
KOMPOZYTY
ŻYWICA
SNAPY, BALSA KLEJE
MONITOR
TRACKANTENA
HEADTRACKER
GOOGLE
VIDEOSPLITER
NAGRYWARKA
SKRZYNKA
APARATURA
DIVERSITY
WTYKI,KABLE
ZASILACZ/AKUMULATOR
ANTENY
RDZENIE
REKLAMA
Razem
ilość
2
2
4
2
8
1
2
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
-
jedn.
miar.
Szt.
Szt.
Szt.
Szt.
Szt.
Szt.
Szt.
Szt.
Szt.
Szt.
Szt.
Szt.
Szt.
Szt.
Szt.
Szt.
Szt.
Szt.
Szt.
Szt.
Szt.
Szt.
Szt.
Szt.
-
Cena[zł]
200
300
150
50
720
900
450
900
170
300
200
100
300
300
200
50
100
300
200
200
300
300
300
800
50
200
150
250
150
200
200
150
200
660
10000
STRONA 22 / 23
TECHNICZNE ZAKŁADY NAUKOWE W CZĘSTOCHOWIE
Bezzałogowy aparat latający – BZYK
SPON S O R Z Y
STRONA 23 / 23