Мухаметзянова А. И.
Уфимский государственный авиационный
технический
университет, Россия
Зарядный терминал для беспилотных
летательных аппаратов на основе матрицы контактных площадок
Актуальность
данного исследования определяется тем, что мультикоптеры применяются во всем
мире и постепенно начали проникать во многие сферы жизни. Мультикоптер может быть использован
как дешевое и безопасное средство для получения фото- и видеоизображений с
воздуха для многих целей, таких как: мониторинг ситуации на дорогах, разведка,
инспекция крыш и труб, наблюдение природных катаклизмов (пожары, наводнения,
землетрясения), контроль популяций диких животных и т.д. Небольшой полезный
груз, который могут нести мультикоптеры (около 500-700 гр.) - еда, медицинские
препараты и др. могут быть с помощью них переправлены людям, доступ спасателей
к которым ограничен, а использование вертолетов невозможно и опасно. Мультикоптеры –
беспилотные летательные аппараты (БПЛА) специального типа с очевидными
преимуществами для задач мониторинга. БПЛА находят широкое применение для
мониторинга различных объектов. Обычно задачи мониторинга включают сбор
информации, измерение некоторых параметров объекта или окрестностей локальной
зоны и (или) отображение собранных данных.
Обычно бортовой источник
энергии – аккумуляторная батарея, которая обеспечивает типичное время полета
30-40 минут, но этого времени недостаточно для исследования объектов [1].
Зачастую требуется длительный полет мультикоптера. Организация длительного
режима наблюдения была бы возможна при наличии наземной зарядной станции и
группы БПЛА. Актуальной проблемой здесь является: заход БПЛА на посадку и его
точное позиционирование на зарядной станции. Подлет к станции выполняет программа полета, использующая координаты
БПЛА со встроенного приемника GPS. Затем вступает в действие более точная
подсистема посадки [1]. Когда один
мультикоптер при исполнении полетных обязанностей находится на объекте, другие
БПЛА находятся на зарядной станции. Прежде, чем батарея летающего аппарата полностью
разрядится, происходит замена БПЛА:
разряженный мультикоптер должен приземлиться на зарядную станцию, а другой
(полностью заряженный) идет на объект.
Мультикоптер имеет два
электрода шасси, один подключен к плюсовому выводу аккумулятора, другой к
отрицательному. При приземлении БПЛА на зарядную платформу, электроды шасси
мультикоптера образуют электрический контакт с металлическими площадками
платформы. Очевидными преимуществами такого варианта являются простота зарядки
схемы и минимум потерь энергии. Для упрощения процесса заряда аккумуляторной
батареи мультикоптера предлагается реализовать зарядную платформу в виде
матрицы контактных площадок. Для простоты расположения, удобства производства и с целью минимизации
зазоров между площадками, выгоднее их изготовить в виде квадратов. При этом
максимальная диагональ площадки ограничена расстоянием между двумя электродами
шасси БПЛА, так как необходимо исключить ситуацию замыкания разнополярных
контактов аккумулятора на одну контактную площадку. Для полноценной двухконтактной
зарядки аккумулятора БПЛА, необходимо, чтобы оба электрода шасси находились
строго на контактных площадках. Следовательно, чтобы избежать того, что БПЛА
одним электродом шасси может приземлиться в зазор между площадками, нужно
ограничить зазор между контактными площадками шириной электрода шасси БПЛА.
Одним из альтернативных вариантов
построения зарядной станции является схема зарядной платформы БПЛА на основе
матрицы контактных площадок с использованием микроконтроллера. При контакте
мультикоптера с матрицей контактных площадок остаточное напряжение с
разряженного аккумулятора поступает на те площадки, с которыми контактирует.
Этот остаточный сигнал поступает на сигнальные коммутаторы, используемые для
анализа полярности поступающего сигнала. Поочередно с каждой контактной
площадки сигнал снимаемый с БПЛА, поступает через сигнальный коммутатор на
усилитель-анализатор. Усилитель-анализатор обеспечивает большое входное
сопротивление, ограничивает проходящий через сигнальный коммутатор ток, и усиливает полученный сигнал. Перебор
анализируемых в данный момент контактных площадок осуществляется с помощью
микроконтроллера. Микроконтроллер выполняет цикл опроса по всем адресам. В его
функции так же входит анализ полученного сигнала и управление силовыми
коммутаторами, подключенными к источнику двухполярнго питания. Согласно данным,
полученным при анализе подключений контактов матрицы контактных площадок,
микроконтроллер задает адреса подключения к контактам аккумулятора положительного
или отрицательного напряжения от источника питания. Коммутацию выбранных
адресов осуществляет силовой коммутатор. Достоинствами данной схемы является
высокая экономичность, так как для ее построения используется всего один
операционный усилитель и один микроконтроллер. Наличие микроконтроллера
является недостатком данной схемы, так
как его необходимо программировать, а это как затраты на сам микроконтроллер,
его программирование, так и на программное обеспечение для этого. Данный
вариант не является лучшим и в смысле надежности, так как большинство элементов
в схеме соединены последовательно между собой, и следовательно выход из строя
микроконтроллера или усилителя повлечет за собой отказ работы всего зарядного
терминала. Но, если число контактных площадок велико, то для быстрого опроса
адресов площадок необходимо внедрить микроконтроллерную систему.
Зарядный терминал на основе матрицы
контактных площадок можно реализовать по более упрощенной схеме. К каждой
контактной площадке присоединена схема анализаторов-коммутаторов, которые в
общей массе образуют матрицу анализаторов-коммутаторов. Информация, в виде
положительного или отрицательного остаточного напряжения с аккумулятора,
поступает через контактные площадки на анализатор, который усиливает полученный
сигнал и посылает его на коммутатор, который присоединяет к своей контактной
площадке напряжение от источника питания с соответствующей полярностью, что
обеспечивает подзарядку аккумуляторной батареи. Такая структура является простой
в аппаратной реализации и в эксплуатации, а также оптимальной по конечной
стоимости производства, когда матрица задана небольшим числом контактных
площадок. Каждая контактная площадка здесь работает автономно, и выход из строя
одной не влияет на работу других.
Исходя из преимуществ матрицы
контактных площадок по сравнению с другими способами подзарядки аккумуляторов
беспилотных летательных аппаратов (это высокий КПД), необходимо обеспечить
также низкое потребление энергии в ждущем режиме. Исходя из этого требования,
необходимо чтобы каждый элемент схемы имел ток потребления в ждущем режиме
порядка микроампер.
Мультикоптеры могут обеспечить
мобильный беспроводной доступ к удаленным местам. Но, несмотря на то, что
мультикоптеры являются достаточно маневренными аппаратами и ими легко
управлять, проблема точного позиционирования их на матрице контактных площадок
остается актуальной.
Источник информации: