СТЕНД ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО ТЕСТИРОВАНИЯ И НАСТРОЙКИ СИСТЕМ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА МУЛЬТИРОТОРНОГО ТИПА Российский патент 2024 года по МПК B64F5/60 B64U10/10 

1. Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к средствам испытания авиационной техники, а именно к стендам для комплексных испытаний и тестирования беспилотных летательных аппаратов (далее – БПЛА) мультироторного типа, и может быть использовано для безопасной настройки систем автоматической стабилизации и управления БПЛА, а также для проверки максимальной массы полезной нагрузки, которую способен поднять БПЛА.

2. Уровень техники

Из уровня техники известен стенд пилотирования беспилотных летательных аппаратов [Патент на полезную модель RU 203805 U1 «Стенд пилотирования беспилотных летательных аппаратов». МПК: G09B 9/08; заявка: 2020135387 от 27.10.2020].

Устройство имеет конструкцию, обеспечивающую вращение БПЛА на 360 градусов в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, имитирующую все режимы полета. Для этого стенд пилотирования БПЛА содержит пространственную раму куба, уголки, механизм вращения в плоскостях, люльку, соединенные между собой с помощью подшипниковых узлов и винтов, при этом в пространственную раму включены вибродемпферы, которые соединены с нижней частью вертикальных профилей, прикрепленных к горизонтальным профилям, соединенных с нижним осевым профилем в нижней плоскости и верхним осевым профилем в верхней плоскости, соединенные подшипниковыми узлами с механизмом вращения в плоскостях, состоящей из кольцевой рамы большого диаметра, которая соединена с помощью подшипниковых узлов с кольцевой рамой меньшего диаметра, которая соединена с люлькой, состоящей из трех пластин, подшипниковыми узлами, обеспечивающих вращение в каждой из трех взаимно перпендикулярных плоскостей на 360 градусов.

Недостатками выбранного аналога является то, что он имеет технически сложную конструкцию, ограниченные степени подвижности, в частности не предусматривает возможность тестирования БПЛА в режиме висения, существенно ограничивает габаритные размеры допустимых для испытания БПЛА и не имеет возможность испытывать массу полезной нагрузки, которую может поднять БПЛА.

Также из уровня техники известен стенд для испытаний БПЛА вертикального взлета и посадки на режиме висения и взлета [Патент на полезную модель RU 187871 U1 «Стенд для испытаний беспилотного летательного аппарата вертикального взлета и посадки на режиме висения и взлета». МПК: B64C 27/08, G01M 9/06; заявка: 2018131645 от 12.11.2018].

Устройство включает основание, стойку, жестко соединенную с основанием, вертикальный полый вал, который установлен с возможностью перемещения вдоль своей оси, при этом основание выполнено в виде массивного сварного соединения, например, из стали, введена балка прямоугольной формы, закрепленная на верхнем конце вала, два подвижных дугообразных рельса для наклона БПЛА по углу крена, две пары пластин, например, трапециевидной формы, которые расположены по бокам балки, по две с каждой стороны и закрепленных с помощью болтов, ролики для перемещения по ним рельсов, которые расположены по три штуки между каждой парой пластин, пара вилок, расположенных на концах рельсов и скрепляющие их между собой с помощью болтов и гаек, подвижная разборная люлька, которая соединена с вилками двумя осями, для обеспечения наклона БПЛА по углу тангажа.

Недостатками данного аналога является то, что он имеет технически сложную конструкцию, ограниченные степени подвижности, существенно ограничивает габаритные размеры допустимых для испытания БПЛА и не имеет возможность испытывать массу полезной нагрузки, которую может поднять БПЛА.

Наиболее близким по уровню техники к предлагаемому техническому решению (прототипом) является стенд для комплексного тестирования модулей беспилотного воздушного судна мультироторного типа [Патент на полезную модель RU 211674 U1 «Стенд для комплексного тестирования модулей беспилотного воздушного судна мультироторного типа». МПК G09B 9/048, СПК G09B 9/048; заявка: 2022106435 от 12.03.2022].

Устройство выполнено в виде основания со стойками и механизмом, обеспечивающим движение макета БПЛА, который в соответствии с заявляемым техническим решением размещен между стойками основания и выполнен в виде сферического подшипника со штоком, установленным в его внутреннее кольцо.

Для размещения механизма, обеспечивающего движение макета БПЛА между стойками, стенд для комплексного тестирования модулей БПЛА может иметь корпус подшипника. При этом корпус подшипника может быть соединён со стойками винтовыми креплениями.

Стенд для комплексного тестирования модулей беспилотного воздушного судна мультироторного типа может быть снабжен механизмом самовыравнивания штока, выполненным в виде конуса. Механизм самовыравнивания штока может быть размещен соосно с механизмом, обеспечивающим движение макета БПЛА, на ребре жесткости, закрепленном в нижней части стенда между стоек основания параллельно корпусу подшипника.

Недостатками данного стенда по отношению к заявляемому техническому решению является то, что он имеет технически сложную конструкцию, не имеет возможность испытывать массу полезной нагрузки, которую может поднять БПЛА. Кроме того, конструкция данного технического решения позволяет осуществлять тестирование режимов работы по тангажу и крену только после вывода БПЛА на взлетный режим.

3. Раскрытие сущности изобретения

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи – разработать стенд максимально простой конструкции с минимальным количеством деталей для проведения безопасных испытаний широкой номенклатуры БПЛА, обеспечивающего возможность перемещения БПЛА по всем степеням свободы: взлет (посадка), тангаж, крен и рыскание, проверки максимальной массы полезной нагрузки, которую способен поднять БПЛА, а также возможность поточного изготовления стендов при помощи аддитивных технологий.

Техническим результатом изобретения является создание стенда для безопасной настройки систем автоматической стабилизации и управления БПЛА мультироторного типа, обеспечивающего возможность имитировать все режимы полета БПЛА, а также проверку максимальной массы полезной нагрузки, которую способен поднять БПЛА.

Технический результат достигается за счет механизма, обеспечивающего движение БПЛА, который размещен на одной вертикальной оси и выполнен в виде основания с шаровым шарниром, прижимной ограничительной гайки шарового шарнира, цилиндра с шаровым шарниром, механизмом самовыравнивания с резиновыми амортизаторами, стопорной гайки поршня, поршня с площадкой, тензодатчика, крепежной пластины и модуля обработки и индикации. При этом все механические элементы стенда могут быть изготовлены методом трехмерной печати.

Кроме того, наличие тензодатчика позволяет провести проверку максимальной массы полезной нагрузки, которую способен поднять БПЛА. Также стенд спроектирован специально для возможности поточного изготовления методом трехмерной печати, все механические детали стенда (в том числе амортизаторы) изготавливаются методом трехмерной печати. Одновременно с этим присутствует возможность мгновенного масштабирования стенда в большую сторону под БПЛА практически любого размера путем равнозначного изменения масштаба изготавливаемых деталей в программе перед отправкой на печать. Суммарное сочетание всех вышеперечисленных факторов приводит к возможности быстрого, дешевого и массового производства стендов в любых условиях, без привязки к промышленной инфраструктуре со сложным станочным оборудованием.

Схематичная конструкция стенда для комплексного тестирования и настройки систем БПЛА мультироторного типа представлена на фиг. 1-3, где приняты следующие обозначения:

1 – основание с шаровым шарниром;

2 – прижимная ограничительная гайка шарового шарнира;

3 – цилиндр с шаровым шарниром;

4 – резиновый амортизатор;

5 – механизм самовыравнивания;

6 – поршень с площадкой;

7 – стопорная гайка поршня;

8 – тензодатчик;

9 – крепежная пластина;

10 – модуль обработки и индикации.

Основание с шаровым шарниром (1) позволяет надежно закрепить стенд на любой тяжелой рабочей поверхности винтами, для чего в основании предусмотрены специальные технологические отверстия, тем самым исключается необходимость создавать стенд большой массы для предотвращения взлета БПЛА вместе с конструкцией. Также на основании c шаровым шарниром (1) предусмотрена посадочная часть шарового шарнира в которую вставляется цилиндр с шаровым шарниром (3), таким образом реализуется сочленение с полной степенью свободы во всех направлениях вертикальной плоскости, что обеспечивает движение БПЛА по тангажу и крену (ось Х₁ и Х₂), а также сочетание этих направлений. Цилиндр с шаровым шарниром (3) снабжен механизмом самовыравнивания (5) с резиновыми амортизаторами (4) и может отклоняться от вертикальной оси в любом направлении на угол до 20 градусов. Для фиксации цилиндра с шаровым шарниром (3) используется прижимная ограничительная гайка шарового шарнира (2), которая, кроме того, ограничивает угол наклона цилиндра с шаровым шарниром (3) на величину до 20 градусов.

Для того, чтобы подвижные детали стенда постоянно находились в строго вертикальном положении и не наклонялись под воздействием веса установленного БПЛА в стороны, применяется механизм самовыравнивания (5), который представляет из себя 4 опорные штанги, расположенные под углом 90 градусов относительно друг друга. На опорные штанги устанавливаются резиновые амортизаторы (4), которые находясь в постоянном натяжении, обеспечивают вертикальное положение всей конструкции. Механизм самовыравнивания (5) обеспечивает перемещение БПЛА по всем степеням свободы: взлет (посадка), тангаж, крен и рыскание. Кроме того, создаваемое резиновыми амортизаторами (4) натяжение имитирует сопротивление воздушного потока при тестировании рабочих режимов БПЛА по тангажу и крену (ось Х₁ и Х₂) и возвращает БПЛА в нормальное горизонтальное положение при снятии нагрузки с двигателей. Для реализации возможности проверки работы БПЛА в режиме взлета и висения используется поршень с площадкой (6), который имеет возможность перемещаться по оси Z при подачи нагрузки на двигатели БПЛА в режиме взлет. Кроме того, поршень с площадкой (6) свободно вращается вокруг центральной оси стенда (ось вращения Y), что позволяет тестировать работу БПЛА в режиме рысканья. Поршень с площадкой (6) и крепежной пластиной (9) может перемещаться по оси Z при любых углах наклона по осям X₁ и X₂.

Для ограничения хода движения поршня с площадкой (6) по оси Z используется стопорная гайка поршня (7), которая препятствует выходу поршня из цилиндра. Между поршнем с площадкой (6) и крепежной пластиной (9) установлен тензодатчик (8), который фиксирует усилие, развиваемое БПЛА на максимальной тяге.

БПЛА фиксируется на крепежной пластине (9) с помощью резиновых лент, также изготовленных методом трехмерной печати, ленточных креплений типа «велкро» или пластиковых стяжек.

Тензодатчик (8) конструктивно представляет собой металлическую конструкцию, внутри которой расположены резисторы с электросхемой.

При выводе БПЛА на максимальный взлетный режим поршень с площадкой (6) упирается в стопорную гайку поршня (7) и усилие, создаваемое БПЛА, передается на тензодатчик (8), тем самым определяется максимальная масса полезной нагрузки, которую способен поднять БПЛА. Данные с тензодатчика (8) обрабатываются модулем обработки и индикации (10), который имеет в своем составе плату обработки сигнала, элемент питания и семисегментный индикатор для отображения числового значения массы поднимаемого груза.

Стенд может быть изготовлен из металла, а также с помощью обычного или литьевого прессования, методом трехмерной печати.

Новизна предлагаемого стенда для комплексного тестирования и настройки систем БПЛА мультироторного типа заключается в том, что он позволяет осуществлять безопасные полноценные испытания широкой номенклатуры БПЛА за счет простоты и надежности конструкции, кроме того суммарная масса деталей стенда, на которых фиксируется БПЛА и поднимает их в процессе проведения испытаний, не превышает 150 г (фиг. 4), что позволяет работать на микро БПЛА и проверять их, в том числе в режиме взлета.

4. Краткое описание чертежей, иных графических материалов

Фиг. 1. Стенд в разрезе.

1 – основание с шаровым шарниром;

2 – прижимная ограничительная гайка шарового шарнира;

3 – цилиндр с шаровым шарниром;

4 – резиновый амортизатор;

5 – механизм самовыравнивания;

6 – поршень с площадкой;

7 – стопорная гайка поршня;

8 – тензодатчик;

9 – крепежная пластина.

Фиг. 2. Стенд в прямоугольной изометрической проекции.

1 – основание с шаровым шарниром;

2 – прижимная ограничительная гайка шарового шарнира;

3 – цилиндр с шаровым шарниром;

4 – резиновый амортизатор;

5 – механизм самовыравнивания;

6 – поршень с площадкой;

7 – стопорная гайка поршня;

8 – тензодатчик;

9 – крепежная пластина;

10 – модуль обработки и индикации.

Фиг. 3. Стенд в режиме работы на максимальном вылете и угле наклона.

1 – основание с шаровым шарниром;

2 – прижимная ограничительная гайка шарового шарнира;

3 – цилиндр с шаровым шарниром;

4 – резиновый амортизатор;

5 – механизм самовыравнивания;

6 – поршень с площадкой;

7 – стопорная гайка поршня;

8 – тензодатчик;

9 – крепежная пластина;

10 – модуль обработки и индикации.

Фиг. 4. Изображение стенда с закрепленным БПЛА «Бумеранг».

5. Осуществление изобретения

Заявленный стенд для комплексного тестирования и настройки систем БПЛА мультироторного типа был изготовлен с помощью 3D-принтера, в качестве материала использовался пластик PETG, резиновые амортизаторы были изготовлены из пластика TPU (фиг. 4).

В качестве БПЛА использовался FPV-дрон на основе 5-дюймовой рамы «Бумеранг».

Испытания стенда для комплексного тестирования и настройки систем БПЛА мультироторного типа и проверки максимальной массы полезной нагрузки, которую способен поднять БПЛА с закрепленным на нем БПЛА «Бумеранг» (фиг. 4) проводились на базе отделения лабораторных исследований научного отдела (исследования направлений и проблем развития в области робототехники и противодействия ее применению) центра научно-технических исследований Главного центра научных исследований Федеральной службы войск национальной гвардии Российской Федерации.

По результатам испытаний была определена максимальная масса полезной нагрузки БПЛА «Бумеранг», которая составила 2,8 кг, а также подтверждена принципиальная возможность испытания БПЛА по тангажу, рысканью, крену с помощью стенда для комплексного тестирования и настройки систем БПЛА мультироторного типа.

Стенд для комплексного тестирования и настройки систем БПЛА мультироторного типа содержит основание, на котором расположена посадочная часть для шарового шарнира, в которую вставляется цилиндр с шаровым шарниром, снабженный механизмом самовыравнивания с резиновыми амортизаторами, а также прижимной ограничительной гайкой для фиксации цилиндра, поршень с площадкой, стопорную гайку поршня, тензодатчик, крепежную пластину и модуль обработки и индикации. Обеспечивается возможность имитировать все режимы полета БПЛА, а также проверку максимальной массы полезной нагрузки, которую он способен поднять. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Стенд для комплексного тестирования и настройки систем БПЛА мультироторного типа, содержащий механизм, обеспечивающий движение БПЛА по всем степеням свободы: взлет (посадка), тангаж, крен и рыскание, выполненный в виде механизма на одной вертикальной оси и включающий: основание с шаровым шарниром, прижимную ограничительную гайку шарового шарнира, цилиндр с шаровым шарниром, механизм самовыравнивания с резиновыми амортизаторами, поршень с площадкой, стопорную гайку поршня, а также крепежную пластину для фиксации БПЛА, закрепленную на площадке поршня, тензодатчик, расположенный между поршнем с площадкой и пластиной, модуль обработки и индикации.

2. Стенд по п. 1, отличающийся тем, что цилиндр с шаровым шарниром выполнен с возможностью отклонения от вертикальной оси в любом направлении на угол до 20 градусов.

3. Стенд по п. 1, отличающийся тем, что поршень с площадкой и крепежной пластиной выполнен с возможностью перемещения по оси Z при любых углах наклона по осям X1 и X2.

4. Стенд по п. 1, отличающийся тем, что все механические детали стенда (включая резиновые амортизаторы) могут быть изготовлены методом трехмерной печати.