Absztrakt

HÍRVILLÁM Horváth Zoltán [email protected]

AZ UAV REPÜLÉS STABILIZÁLÁSÁNAK KÉRDÉSEI

Absztrakt A szerz bemutatja a pilóta nélküli repül eszközök (Unmanned Aerial Vehicle, UAV) repülés stabilizálásának egy új módszerét. Rámutat, hogy egy szenzor alkalmazásával hogyan lehet növelni a repülés stabilitását, és ez milyen hatással van ez az irányítást végz re. Példaként bemutat egy általa tervezett szenzort. The author describes the unmanned air vehicles (Unmanned Aerial Vehicle, UAV) flight to a new stabilization method. Indicates that a sensor that how to increase the stability of flight, and what effect does this have to control investigator. As it shows an example of planned sensors. Kulcsszavak: UAV, repülésbiztonság ~ UAV, air traffic safety

BEVEZETÉS A jelenlegi korszer kis- és közepes magasságon feladatot végrehajtó pilóta nélküli repül gépek repülése során a repülés horizontális irányának változtatása, a küls hatásokra való gyors reagálás tapasztalt szakembert igényel. Fordulóba vitt repül eszköznél, illetve, pl. széllökés által kibillentett repül eszköz esetén az eszközre ható er k figyelembe vétele létfontosságú. A merevszárnyú repül eszközök háromdimenziós pozíció váltását a tér három irányának megfelel (a függ leges- és vízszintes vezérsíkon, valamint a szárnyakon található) kormánylapokkal hajtják végre. A repülés során a fordulók kivitelezése, a váratlan (széllökés által keltett) pozícióváltás hatására megváltozik a szerkezetre ható er k iránya. Ennek következménye, hogy nem irányváltoztatás, hanem man ver kivitelezése a megoldás (több irányú man ver egyidej , mérlegelt kivitelezése). Ez a cikk olyan szenzor megalkotásáról, alkalmazható szenzorok kutatásáról szól, melyek által biztosítható, hogy a repül szerkezet automatizált módon, a rá ható er k függvényében automatikusan vegye fel azt a pozíciót, mely által irányítása csak irányváltást és nem man ver kivitelezését igényelje. Ez által a kezel személyzettel szemben támasztott követelmények csökkenthet k, a repülés biztonsága és a repül eszköz autonómiája növelhet . 1. A REPÜL

SZERKEZETRE HATÓ ER

ÉRZÉKELÉSE

Forduló, vagy széllökés hatására fellép megbillenés kompenzálásának automatizált kivitelezése egyszer síti a pilóta feladatát. A repül szerkezet szárnysíkja, ha mer leges a repül eszközre ható er irányával, akkor elegend a függ leges vezérsíkra kiadott „jobbra balra” parancs a forduló kivitelezéséhez. A szükséges bedöntésr l a repül eszköz

314

I. évfolyam – 1. szám gondoskodik. Kivitelezésének alapja, hogy a repül eszköz szárnyai által kijelölt függ leges sík és a repül szerkezetre ható er k irányának összehasonlításaként hibajel keletkezzen. Billenés esetén a szárnysíkot kell összehasonlítani a nehézségi gyorsulásvektor irányával, vissza kell térni vízszintes síkú repülésre. Forduló esetén viszont a repül szerkezetre ható ered er kiegészül a centripetális er vel, melyet érzékelni kell (1. ábra).

1. ábra: A repül szerkezet és a rá ható er k viszonya Az érzékel eszköz repül szerkezetbe történ fix beépítést követ en a billenés detektálható. Forduló végrehajtása során a következ egyszer számítás mutat rá a detektálás szükségességére. Például, ha: a repülés sebessége = 100 km/h; a fordulás sugara = 100 m; akkor: a centripetális gyorsulás = 7,72 m/s2; a repül szerkezetre ható nehézségi és centripetális gyorsulás összege = 12,48 m/s2 az er iránya a függ legeshez képest = 38,19°.

2. AZ ÉRZÉKEL

ALKATRÉSZ FELÉPÍTÉSE

A rendszer f elemeként egy olyan változó paraméterrel rendelkez alkatrész kialakítása a cél, mely megfelel finomsággal képes közölni a repül szerkezet bed lésének mértékét, és nincs halmozódó hibája. Kapacitás változás el állítására egy ívben (pl. kör alakú vezet cs ben) meghajlított cs ben folyó anyag erre képes (2. ábra). A továbbiakban az alkatrész kialakítását indokolom.

315

HÍRVILLÁM

2. ábra: Az érzékel alkatrész felépítése és helyettesít képe

2.1. Szerkezeti kialakítás A 2. ábrán látható, hogy az érzékel két, egymástól elszigetelt félköríven hajlított eloxált alumíniumcs re épül (anódok). Az acélgy r k (katód) csak a higannyal létesítenek elektromos kontaktust. A szigetel gy r k a rendszer zártságát biztosítja. Ez alapján kapunk egy olyan kondenzátorpárt, mely kondenzátorok kapacitásváltozása, síkjában történ elfordulás hatására ellentétes irányú. A kondenzátorok kapacitása és kapacitás változása a síkkondenzátorok mintájára könnyen számítható. Az ellentétes irányú változás kínálja a wheastone-hídban történ alkalmazást. 2.2. A kondenzátorok kialakítása Anódként az alumíniumcs alkalmazása kis fajsúlya miatt ideális. Eloxációval (kémiai oxidáció, anódos oxidáció) az alumínium felületén szigetel réteg hozható létre (Al2O3), mely szigetel réteg (dielektrikum) a technológia függvényében 1…50 mikrométer vastagságú, lágy, hajlítható, vagy korund keménység lehet. Az Al2O3 relatív permittivitása 7. A cs bels el maratásával a fegyverzet felülete akár egy nagyságrenddel növelhet . Az alumínium er s redukálószer, a higany közepes oxidálószer. Ez biztosítja, hogy az érintkezés során az Al2O3 szigetel réteg stabil, a higany nem oldja fel, viszont az így kialakított eszköz egy elektrolit kondenzátor, tehát polaritásérzékeny. Hibás polarizáció hatására a kialakított Al2O3 szigetel réteg feloldódik, és a higany közvetlen kapcsolatba kerül az alumíniummal. Katódként folyadékként tökéletesnek t nik a higany fegyverzetként történ alkalmazása. Feltételezzük, hogy az UAV nem megy át negatív gyorsulásba. Ekkor a higanycsík a cs ben mindig „alul”, a gravitáció és a centripetális gyorsulás haladás irányára mer leges vektorkomponensének hatására veszi fel pozícióját (a cs aljára folyik, de a fordulóban bed l). Alkalmazását jó vezet képessége is indokolja. Nagy tömege és nagy felületi feszültsége okán a fedélzeti rezonancia nagy valószín séggel nem tépi szét a folyamatos katódcsíkot. A gyorsulásvektor változására gyorsan reagál. Nem nedvesít. Széles h mérséklettartományban (-38 °C ÷ 357 °C) folyékony.

316

I. évfolyam – 1. szám Viszont ne felejtkezzünk meg néhány hátrányáról. Ha az Al2O3 réteg sérülése folytán közvetlen kapcsolatba kerül az alumíniummal, vele amalgámot képez. A szigetel rétegnek tökéletesnek kell lennie. Ugyan ez az indoka annak, hogy a higannyal az elektromos kontaktust acélgy r n keresztül terveztem, ugyanis a higany az acéllal nem képez amalgámot. Másik hátránya az, hogy er sen mérgez és illékony, ezért mindenféleképpen zárt rendszerben lehet csak alkalmazni. 2.3. Az érzékel modellezése A számítások során az alábbi paraméterek figyelembe vételével néhány elméleti számítás eredménye: Adatok_1: • • • • •

a cs görbületi sugara: 2,5 cm; a cs bels üregének átmér je: 5 milliméter; a higanycsík ebb l 80 fokos nyílásszöget tölt fel (ekkor a higany tömege: 9.28 gramm); szigetel réteg (Al2O3) vastagsága: 20 mikrométer; katódbevezetés szigetel gy r jének szélessége: 3 milliméter.

d lés:

10 fok balra

5 fok balra

1 fok balra

0 fok vízszint

1 fok jobbra

5 fok jobbra

10 fok jobbra

Cbal

0.989 nF

0.883 nF

0.798 nF

0.776 nF

0.755 nF

0.670 nF

0.564 nF

Cjobb

0.564 nF

0.670 nF

0.755 nF

0.776 nF

0.798 nF

0.883 nF

0.989 nF

Adatok_2: • • • • •

a cs görbületi sugara: 5 cm; a cs bels üregének átmér je: 4 milliméter; a higanycsík ebb l 60 fokos nyílásszöget tölt fel (ekkor a higany tömege: 8.91 gramm); szigetel réteg (Al2O3) vastagsága: 10 mikrométer; katódbevezetés szigetel gy r jének szélessége: 5 milliméter.

d lés:

10 fok balra

5 fok balra

1 fok balra

0 fok vízszint

1 fok jobbra

5 fok jobbra

10 fok jobbra

Cbal

2.524 nF

2.184 nF

1.912 nF

1.844 nF

1.776 nF

1.504 nF

1.165 nF

Cjobb

1.165 nF

1.504 nF

1.776 nF

1.844 nF

1.912 nF

2.184 nF

2.524 nF

317

HÍRVILLÁM

3. EGY VEZÉRL

ÁRAMKÖR LEHETSÉGES KIALAKÍTÁSA

A továbbiakban egy áramkör felépítését és m ködését mutatnám be, mely alkalmas lehet irányítási funkciók ellátására (3. ábra).

3. ábra: Az érzékel eszközt alkalmazó szenzor áramköri rajza Az általam alkalmazott áramkör ±15V tápfeszültséget igényel ennek kialakítása példaként LM2700 step-up PWM DC/DC konverterrel megvalósítható, katalógusában a szükséges kapcsolási rajz és a kimen feszültség beállításához szükséges feszültségosztó számítása megtalálható. A szenzor m ködése a következ : •

•

•

•

318

U1A m veleti er sít re felépített astabil multivibrátor 100kHz-es, ±12V-os négyszögjelet állít el egyrészt az érzékel elemet tartalmazó wheadstone-híd gerjesztéséhez, másrészt csatlakozik egy szorzóáramkör egyik bemenetéhez. A szorzóáramkör bemeneti amplitúdója R7 potenciométerrel szabályozható. Erre a szorzóáramkör linearitásának biztosítása érdekében van szükség. C1, C2, C4, C5 wheadstone-híd kiegyenlítését biztosítja C1tr trimmerkondenzátor. Erre még a küldetés kezdete el tt a földön, a hibajel nullázása érdekében van szükség (vízszintes szárnysík esetén). U2A m veleti er sít és A1 szorzóáramkör egy AD633 négynegyedes szorzóáramkört szimulál. Egyik bemenete U1A multivibrátor leosztott jele, másik a wheadstone-híd két hídpontja. Az alapjelhez képest a hídpontról levett feszültség fázisa (jobbra, vagy balra mutat a gyorsulásvektor a szárnysíkhoz képest) 0° vagy 180° fázisugrást mutat, amplitúdója közel lineárisan arányos a hibával. Az alapjel fel és lefutási hibáiból ered feszültségingadozást R6, C6 integrátor simítja ki.

I. évfolyam – 1. szám •

•

U1B-re épített er sít er sítése R4 potenciométerrel szabályozható. Meghatározza, hogy a maximális ±12V kimen feszültség mekkora szögtartományban oszoljon meg. Az áramkör transzferkarakterisztikája (függ leges: hibafeszültség ±12 V, vízszintes: er hatás iránya ±90°) a 4. ábrán látható.

4. ábra: Az áramkör transzfer karakterisztikája

4. EGYÉB LEHET SÉGEK Az elektronikai piacon fenti problémák megoldására számos alkatrész fellelhet , melyek különböz specifikációknak megfelel en képesek elfordulás, vagy gyorsulás mérésére. Példaként a KELAG Künzli Elektronik AG számos változatát gyártja az erre a célra is alkalmazható szenzoroknak. Ezen szenzorok m ködési elve is a kapacitásváltozás mérésén alapul (5. ábra).

5. ábra: A szenzor „lelke” Ezen érzékel k a kapacitásváltozás következtében keletkez hibajelet típustól függ en analóg és digitális formában (soros és párhuzamos formában) is képesek közölni.

319

HÍRVILLÁM

ÖSSZEGZÉS, KÖVETKEZTETÉSEK: A bemutatott jeladók könnyen integrálhatók a fedélzeti rendszerbe. Könny ek, olcsók egyszer felépítés ek. Alkalmazásuk során automatikusan gondoskodnak arról, hogy a repül szerkezetre ható er legyen mer leges a szárnysíkra, ezáltal növeli a repülés stabilitását, egyszer síti a repülés irányítását, sz kíti a forduló sugarát. A modellezéshez, tervezéshez és teszteléshez alkalmazott szoftverek: • •

Multisim 2001 Education, áramkör tervez - és analizáló program; Borland Pascal 7.0 szoftverfejleszt környezet.

FELHASZNÁLT IRODALOM: [1]

Az alumínium felületkezelése, http://www.sasovits.hu/cnc/ontes/Al_feluletkezeles.pdf

[2]

Az aluminium eloxálása, http://elektron.uw.hu/elektro/egyeb/eloxalas.pdf

[3]

Eloxálás Rádióamat rök zsebkönyve, M szaki Kiadó 1967 http://www.sasovits.hu/cnc/irodalom/eloxalas.pdf

[4]

Sulinet: Passzivitás és korrózió, http://www.sulinet.hu/tart/fncikk/Kidb/0/30271/index.html

[5]

AD 633: Low Cost Analog Multiplier, http://www.analog.com/static/importedfiles/data_sheets/AD633.pdf

[6]

LM2700 600kHz/1.25MHz, 2.5A, Step-up PWM DC/DC Converter, http://www.national.com/ds/LM/LM2700.pdf

[7]

Borbély Gábor: Elektronika II. (A m veleti er sít és kapcsolástechnikája) http://www.szechenyizala.sulinet.hu/dokumentumok/Tananyag/elektronika/Elektronika2.pdf

[8]

Precision ±1.7g Single-/Dual-Axis iMEMS Accelerometer, AXDL204 http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADXL204.pdf

[9]

Application manual: Acceleration, inclination an vibration sensor SCA series http://www.kelag.ch/industriesensoren/besch/SCA_UG_E.pdf

[10]

Preliminary SCA1000 and SCA1020 Series http://www.vti.fi/midcomserveattachmentguide1431941e79a12e44ed615e204785f58/SCA1000_accelerometer_180105.pdf

[11]

The SCA103T Differential Inclinometer Series http://www.vti.fi/midcomserveattachmentguidc914062fbf2c76a3d7cff8016e0dc09a/SCA103T_inclinometer_datasheet+_8261700A .pdf

[12]

SCA610 Series, Accelerometer/Inclinometer, http://www.vti.fi/midcomserveattachmentguid3e9dbe96363583705f8e7d7923d5f9bc/SCA610_accelerometer_Rev_3.pdf

320

I. évfolyam – 1. szám [13]

The SCA61T Inclinometer Series, http://www.vti.fi/midcom-serveattachmentguid2b9fadebe6fa4a0c24f144cd55fda22d/SCA61T_inclinometer_datasheet_8261900A.pd f

[14]

SCA620 Series, Accelerometer, http://www.vti.fi/midcom-serveattachmentguid97369a0919e2987f574d12a7f1f41e45/DN_accelerometer_sca620_260804.pdf

[15]

The SCA100T Dual Axis Inclinometer Series, http://www.vti.fi/midcomserveattachmentguid30e230919288bbb060588d83d7501b7f/SCA100T_inclinometer_datasheet_8261800 A.pdf

321