Система безопасности летательного аппарата вертикального взлета и посадки Российский патент 2020 года по МПК B64C13/00 G05D1/00 B64C27/00 

Изобретение относится к области авиации, а именно к летательным аппаратам (ЛА) вертикального взлета и посадки, например, мультикоптерам и квадрокоптерам, переносящим пилота на борту.

Из уровня техники известна полуавтоматическая система предотвращения выхода угла тангажа самолета за пределы эксплуатационного диапазона (см. патент RU 2490168 на изобретение, опубл. 20.08.2013).

Сущность изобретения заключается в том, что значение сигнала, управляющего приводом руля высоты, и поступающего с ручки управления через электродистанционную систему управления (ЭДСУ) сравнивается в селекторе с сигналами, которые формируют в автопилоте подсистемы и стабилизации угла тангажа. В случае, если сигнал с ЭДСУ становится больше значения, которое формирует подсистема для стабилизации максимально допустимого угла тангажа, управление передается этой подсистеме автопилота. Аналогичное, по сути, действие происходит, если сигнал с ЭДСУ становится меньше значения, которое формирует подсистема для стабилизации минимально допустимого угла тангажа. В этом случае выход селектора коммутируется с подсистемой автопилота.

Известная из уровня техники система имеет иное применение - предназначена для использования в самолетах и имеет самолетные принципы управления по сравнению с заявленной системой. Данную систему невозможно использовать в ЛА - мультикоптерах.

Из уровня техники известна система управления ЛА (см. патент RU 2537883 на изобретение, опубл. 10.01.2015).

Система управления ЛА содержит вычислительное средство, средство управления двигателем, управляющее работой двигателя на основании сигнала управления тягой, средство перемещения управляющей поверхности, осуществляющее перемещение управляющих поверхностей на основании сигнала управления углом отклонения управляющей поверхности, и средство обнаружения отказа/повреждения управляющей поверхности, способное обнаруживать неисправность по меньшей мере одной из управляющих поверхностей. В случае обнаружения неисправности по меньшей мере одной из управляющих поверхностей вычислительное средство вычисляет сигнал управления тягой и сигнал управления углом отклонения управляющей поверхности. Во втором варианте система управления ЛА, помимо охарактеризованных выше средств, содержит фильтр регулирования быстродействия, который регулирует быстроту реакции двигателя и быстроту реакции управляющих поверхностей. Достигается обеспечение устойчивости полета летательного аппарата.

Известная из уровня техники система также имеет иное применение - предназначена для использования в самолетах и имеет самолетные принципы управления по сравнению с заявленной системой.

Известные из уровня техники системы невозможно использовать на малых высотах, в них задействованы иные средства аэродинамического управления: рули высоты, рули направления, в отличии от заявленной системы, в которой управление осуществляется только двигателями, имеющими иное расположение (вертикальное).

Техническими результатами заявленного изобретения являются:

- ограничение углов тангажа, крена и рыскания, а также горизонтальной скорости при взлете и посадке за счет изменения частоты вращения электродвигателей;

- увеличение точности позиционирования ЛА;

- повышение устойчивости полета;

- увеличение безопасности пилота, окружающих людей и объектов.

Технические результаты достигаются тем, что система безопасности летательного аппарата вертикального взлета и посадки включает:

- датчик высоты, акселерометр и гироскоп;

- бортовой полетный компьютер;

- электронные регуляторы хода (ESC);

- электродвигатели несущих винтов;

при этом бортовой полетный компьютер выполнен с возможностью:

- обработки информации и данных, поступающих с датчика высоты, акселерометра и гироскопа и их сравнения с заранее установлеными пороговыми допустимыми значениями;

- ограничения коэффициента заполнения ШИМ и ослабления сигналов управления, поступающих с джойстиков, в случае, если высота ниже порогового допустимого значения, а показания с акселерометра и гироскопа превышают заданные допустимые максимальные углы крена, тангажа, скорость рыскания и горизонтальную скорость;

- формирования сигналов управления электродвигателями несущих винтов и оборотами винтов через электронные регуляторы хода (ESC), обеспечивая равномерное перераспределение или увеличение тяги к электродвигателям несущих винтов, увеличивая скорость их работы для проведения необходимого смещения и маневра;

- управления скоростями вращения каждого отдельного независимого несущего винта;

- обеспечения синхронной работы электродвигателей несущих винтов.

Признаки и сущность заявленного изобретения поясняется в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежом (см. фиг. 1), где показан пример реализации системы безопасности ЛА вертикального взлета и посадки

На фигуре 1 обозначено следующее:

1 - датчик высоты, акселерометр, гироскоп;

2 - бортовой полетный компьютер;

3 - электронные регуляторы хода (ESC);

4 - электродвигатели;

5 - джойстики.

Бортовой полетный компьютер (2) (см. фиг. 1) считывает показания с датчика высоты (2). При нахождении мультикоптера ниже определенной допустимой пороговой высоты включается режим помощи при взлете и посадке. В этом режиме бортовой полетный компьютер (2) непрерывно проверяет показания с акселерометра (2) и гироскопа (2) и в случае, если они превышают заданные максимальные углы крена, тангажа, скорость рыскания и горизонтальную скорость, то бортовой полетный компьютер (2) путем ограничения коэффициента заполнения ШИМ компенсирует воздействие. В свою очередь, сигналы управления, поступающие с джойстиков (5) ослабляются так, чтобы максимальное положение стика равнялось максимальному углу или скорости отклонения при посадке. Таким образом, увеличивается точность позиционирования летательного аппарата. Выше определенной допустимой пороговой высоты режим помощи отключается и мультикоптер управляется в обычном режиме.

Одним из преимуществ данной системы является то, что она исключает опрокидывание летательного аппарата (мультикоптера), столкновение лопастей винтов с поверхностью, на которую приземляется летательный аппарат (мультикоптер) и, следовательно, обеспечивает безопасность не только пилота, но и окружающих людей и объектов.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить: аналоги с совокупностью существенных признаков, тождественных и идентичных существенным признакам заявленной системе, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленной системы условию патентоспособности «новизна».

Результаты поиска известных решений с целью выявления существенных признаков, совпадающих с отличительными от аналогов существенными признаками заявленной системы, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники, а также не установлена известность влияния отличительных существенных признаков на указанные автором технические результаты. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

На данный момент изготовлен опытный образец и успешно проведены испытания ЛА - мультикоптера.

Система безопасности летательного аппарата вертикального взлета и посадки содержит датчик высоты, акселерометр, гироскоп, электронные регуляторы хода (ESC), электродвигатели несущих винтов, бортовой полетный компьютер, выполненный с возможностью обработки информации от датчиков высотно-скоростных параметров и сравнения ее с заранее установленными пороговыми допустимыми значениями, формирования сигналов управления электродвигателями несущих винтов определенным образом и ослабления сигналов в случае перехода пороговых значений. Обеспечивается ограничение углов тангажа, крена и рысканья, горизонтальной скорости при взлете и посадке, повышение устойчивости полета, увеличение безопасности пилота и окружающих объектов. 1 ил.

Система безопасности летательного аппарата вертикального взлета и посадки, включающая:

- датчик высоты, акселерометр и гироскоп;

- бортовой полетный компьютер;

- электронные регуляторы хода (ESC);

- электродвигатели несущих винтов;

при этом бортовой полетный компьютер выполнен с возможностью:

- обработки информации и данных, поступающих с датчика высоты, акселерометра и гироскопа и их сравнения с заранее установлеными пороговыми допустимыми значениями;

- ограничения коэффициента заполнения ШИМ и ослабления сигналов управления, поступающих с джойстиков, в случае, если высота ниже порогового допустимого значения, а показания с акселерометра и гироскопа превышают заданные допустимые максимальные углы крена, тангажа, скорость рыскания и горизонтальную скорость;

- формирования сигналов управления электродвигателями несущих винтов и оборотами винтов через электронные регуляторы хода (ESC), обеспечивая равномерное перераспределение или увеличение тяги к электродвигателям несущих винтов, увеличивая скорость их работы для проведения необходимого смещения и маневра;

- управления скоростями вращения каждого отдельного независимого несущего винта;

- обеспечения синхронной работы электродвигателей несущих винтов.