УЧЕБНЫЙ НАБОР-КОНСТРУКТОР ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ КОНСТРУКЦИИ И АЭРОДИНАМИКИ ПОЛЁТА МУЛЬТИРОТОРНОГО БЕСПИЛОТНОГО АППАРАТА Российский патент 2025 года по МПК G09B9/20 G09B9/08 G01M9/06 B64U10/13 

Изобретение относится к учебным наборам-конструкторам и предназначено для изучения конструкции и аэродинамики мультироторных беспилотных аппаратов в режиме «полёт на привязи», а также электротехники, электроники и других прикладных курсов, связанных с конструированием БПЛА, их балансировкой, испытаниями и тонкостями управления, изучением аэродинамики полёта.

Из области техники известен стенд для испытаний беспилотного летательного аппарата вертикального взлета и посадки на режиме висения и взлета (см. патент на полезную модель RU № 187871, Кл. B64C 27/08, опубл. в 2019 г.). Это техническое решение позволяет проводить испытания БПЛА больших масс и габаритных размеров с возможностью выравнивания в пространстве и устойчивого взлета, посадки и висения. Перед началом испытания беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки устанавливают на люльку 8, причем за счет выполнения люльки разборной, имеется возможность изменения конструкции люльки под конкретный аппарат и его размещение на ней может происходить без помощи крепежа. Под действием веса беспилотного аппарата вертикальный вал 2 перемещается вниз с помощью подшипников 10, установленных внутри стойки 9. При запуске и работе подъемных винтов беспилотного аппарата вал 2 перемещается вдоль своей оси. В ходе проведения испытания может выясниться, что тяга, создаваемая одним или несколькими подъемными винтами больше или меньше потребной тяги, необходимой для устойчивого взлета и висения беспилотного аппарата.

Известен стенд для комплексного тестирования модулей беспилотного воздушного судна мультироторного типа (см. патент на полезную модель RU № 211674, Кл. G09B 9/048, опубл. в 2022 г.). Механизм, обеспечивающий движение макета БВС, выполнен в виде сферического подшипника 4 со штоком 5, установленным в его внутреннее кольцо. В сферических подшипниках соприкасающиеся между собой поверхности скольжения имеют сферическую форму, за счет чего его внутреннее и внешнее кольца могут не только вращаться друг относительно друга, но и наклоняться набок. Схема установки сферического подшипника 4 следующая: его наружное кольцо вставляется в корпус подшипника 3, а во внутреннее кольцо устанавливается шток 5, на котором размещен макет БВС 6, образуя подвижный узел для перемещения макета БВС по осям α и β в режиме качения.

Известен стенд для испытаний беспилотного летательного аппарата. В котором платформа установлена подвижно на вертикальной направляющей и снабжена устройством нагружения с тросом, один конец которого закреплен на платформе, а на втором конце через систему блоков подвешен груз, причем на платформе установлен неподвижно двухосевой шарнир для крепления беспилотного летательного аппарата (см. патент на полезную модель RU № 200947, Кл. G01M 9/06, опубл. в 2020 г.). При включении двигателей конвертоплана 5 проверяется работа измерительной системы, установленной внутри вертикальной направляющей 2, а также на борту конвертоплана 5. Шарнир 4 позволяет осуществлять повороты конвертоплана в горизонтальной плоскости. Cвязь с конвертопланом и передача данных оператору осуществляется по каналу Bluetooth. По заданному алгоритму конвертоплан 5 выполняет различные маневры, направленные на определение создаваемой подъемной силы и проверяется его устойчивость при повороте в горизонтальной плоскости относительно осей x и y. Варьируя массу груза 9, можно задавать различные величины подъемной силы. Стенд позволяет определять кинематические характеристики конвертоплана.

Известен стенд для испытаний квадрокоптеров. Этот стенд конструктивно похож на вышеописанный (см. патент на полезную модель RU № 163054, кл. B64C 27/12, опубл. в 2016 г.). На платформе 9 закрепляется квадрокоптер 10. Посредством привода 5 платформа 9 с закрепленным квадрокоптером 10 осуществляет наклон относительно оси горизонтального вала 6. Затем, после включения тяги квадрокоптера 10 произойдет вращение всей конструкции относительно оси вала 3. При этом создается тормозящий момент за счет муфты-тормоза 11, прямо пропорциональный току, подаваемому на муфту 11. В зависимости от величины этого момента и конструктивных размеров стержня 6 можно измерить тяговое усилие, развиваемое квадрокоптером 10. Также возможен наклон платформы 9 с квадрокоптером 10 относительно оси вала 8 за счет привода 7, благодаря чему можно измерять тяговое усилие квадрокоптера при различных углах наклона вектора тяги его винтов.

Известна механическая система научно-исследовательского и учебно-испытательного стенда четырехвинтового беспилотного летательного аппарата (см. CN108932892, кл. G09B25/00, опубл. в 2018 г.). Изобретение раскрывает механическую систему научно-исследовательского и учебно-испытательного стенда четырехроторного беспилотного летательного аппарата. Суть механической системы заключается в том, что четырехроторный беспилотный летательный аппарат, который может совершать движения с несколькими степенями свободы, преобразуется в испытательный стенд для беспилотных летательных аппаратов, который может совершать движение качения только с одной степенью свободы. Механическая система включает четырехроторный беспилотный летательный аппарат и стенд из алюминиевого профиля; часть четырехроторного беспилотного летательного аппарата состоит из пропеллеров, двигателя без щеток, трубных зажимов, трубы из углеродного волокна, верхней и нижней центральных пластин, центрального вала, датчика угла наклона и кронштейна для кодирования. Один конец трубы из углеродного волокна неподвижно соединен с центральными пластинами с помощью трубных зажимов и болтов, а другой конец соединен с бесщеточным двигателем с помощью трубных зажимов и болтов; пропеллер установлен на бесщеточном двигателе; центральный вал неподвижно соединен с нижней центральной пластиной; центральный вал неподвижно соединен с опорой из алюминиевого профиля с помощью выравнивающего подшипникового устройства; устройство центрирующего подшипника состоит из вертикального гнезда подшипника и центрирующего подшипника. Стенд с алюминиевым профилем создается путем соединения множества алюминиевых профилей размером 30 * 30 с помощью уголков, Т-образных болтов и гаек / с применением испытательного стенда могут быть решены наиболее актуальные проблемы при исследованиях современных многороторных беспилотных летательных аппаратов.

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является стенд пилотирования беспилотных летательных аппаратов, содержащий пространственную раму куба, уголки, механизм вращения в плоскостях, люльку, соединенные между собой с помощью подшипниковых узлов и винтов, причем 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 (см. патент на полезную модель RU № 203805, Кл. G01M 9/06, опубл. в 2021 г.). В отличие от предыдущего технического решения этот стенд предназначен для первоначального обучения внешних пилотов (операторов беспилотных летательных аппаратов), повышения уровня квалификации, восстановление квалификации после перерыва. Стенд обеспечивает отработку действий экипажа на всех этапах полета.

Техническая проблема заключается в том, что описанные устройства не предназначены для использования в интерактивных обучающих школьных программах. Конструкции этих объектов не предусматривают возможности многократной сборки-разборки стенда (модуля для изучения аэродинамики полета мультироторного беспилотного аппарата) в школьных условиях. Возможности вышеописанных стендов ограничены узконаправленными задачами. В них остается нерешённой задача достижения максимальной простоты и наглядности, когда школьники сами собирают модуль с подвижными деталями и проводят исследования мультироторных беспилотных аппаратов. Решение данной задачи не должно ограничиваться только возможностью обучения, оно должно давать возможность проводить различные демонстрации и ставить эксперименты.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи повышения доступности и наглядности деталей учебного набора-конструктора с возможностью проведения многократной его сборки-разборки и безопасных испытаний мультироторных беспилотных аппаратов, проведения различных демонстраций и изменения условий проведения опытов и экспериментов при визуализации получаемых результатов. Особенно важным является то, что эта задача решена для достаточно сложного по решаемым задачам набора при его простоте, безопасности и наглядности.

Решение поставленной технической задачи достигается за счет того, что учебный набор-конструктор для изучения конструкции и аэродинамики полёта мультироторного беспилотного аппарата, содержащий монтажное основание, каркас, на котором установлена посредством подшипников внешняя поворотная кольцевая рама, связанная с внутренней поворотной кольцевой рамой посредством подшипников, оснащённой элементами крепления мультироторного беспилотного аппарата, при этом учебный набор-конструктор выполнен сборно-разборным, причём каркас выполнен в виде треугольных стоек, а внешняя поворотная кольцевая рама связана со стойками посредством осевых подшипников с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси, при этом внутренняя поворотная кольцевая рама связана с внешней поворотной кольцевой рамой также посредством осевых подшипников с возможностью вращения вокруг оси, расположенной в плоскости внешней поворотной кольцевой рамы, причем внутренняя поворотная кольцевая рама снабжена ребрами, расположенными под углом друг к другу и в одной плоскости с внутренней поворотной кольцевой рамой, центрально расположенной площадкой с центральным отверстием, при этом ребра расположены таким образом, что внешними концами они примыкают к внутренней грани внутренней поворотной кольцевой рамы, а внутренними концами связаны с центральной площадкой, при этом центральная площадка снабжена опорным подшипником с элементами крепления, расположенным в её центральном отверстии, и подвижной опорной площадкой, закреплённой на опорном подшипнике и снабжённой отверстиями для крепления на ней мультироторного беспилотного аппарата. Внешняя поворотная кольцевая рама и внутренняя поворотная кольцевая рама выполнены пластиковыми. Осевые подшипники выполнены быстросъёмными.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен пример сборки учебного набора-конструктора для изучения конструкции и аэродинамики полёта мультироторного беспилотного аппарата в сборке, в изометрии. На фиг. 2 – то же, без мультироторного беспилотного аппарата, в изометрии. На фиг. 3 – то же, узел рыскания, в изометрии. На фиг. 4 – то же, узел рыскания, выборка 1/4, в изометрии.

Учебный набор-конструктор для изучения конструкции и аэродинамики полёта мультироторного беспилотного аппарата предназначен для многократной сборки-разборки при монтаже учебного или исследовательского оборудования и решении задач, связанных с управлением мультироторных беспилотных аппаратов, исследований особенностей их движения, балансировки и совершенствования в режиме «полёта на привязи», а также для проведения занятий в интерактивном режиме. Такой набор-конструктор можно использовать для исследований различных мультироторных беспилотных аппаратов, независимо от количества винтовых групп и размеров беспилотного аппарата (при необходимости) путём масштабирования размеров набора-конструктора. В данном техническом решении приведён пример использования учебного набора-конструктора для сборки и испытаний квадрокоптера.

В конструкции учебного набора-конструктора использованы в основном легкие и прочные пластиковые детали (или детали из материалов с подобными свойствами), что особенно важно для работы по школьным программам. Учебный набор-конструктор для изучения конструкции и аэродинамики полёта мультироторного беспилотного аппарата содержит монтажное основание 1, которое может быть выполнено сборно-разборным (на фигуре не показано), и две стойки 2 треугольной формы. Крепление стоек 2 на монтажном основании 1 можно осуществлять самыми простыми средствами, например, за счёт прочной фрикционной посадки штифтов, расположенных по нижней грани стоек 2, внутри гнезд монтажного основания 1. Треугольная форма пластиковых стоек 2 даёт возможность при малом весе детали достигать её достаточной жесткости. В верхней части стоек 2 расположены осевые подшипники 3, предназначенные для установки в них двух осей 4 внешней поворотной кольцевой рамы 5 и размещенные под углом 180° относительно друг друга на внешней грани кольцевой рамы 5. Подшипники 3 предназначены для поворота внешней поворотной кольцевой рамы 5 относительно горизонтальной оси на стойках 2 на 360°. На внешней кольцевой раме 5 закреплены дополнительные осевые подшипники 6, закрепленные под 90° к осям 4 на внутренней грани кольцевой рамы 5 и предназначенные для установки в них дополнительных осей 7, закреплённых на внутренней поворотной кольцевой раме 8 таким образом, чтобы кольцевая рама 8 могла вращаться вокруг осей 7 и, соответственно, относительно кольцевой рамы 5. Внутренняя кольцевая рама 8 также выполнена из лёгкого пластика (или подобного материала), но имеет более сложную форму, обусловленную её назначением. Она снабжена ребрами 9, расположенными под углом друг к другу и в одной плоскости с рамой 8 таким образом, что внешними концами они примыкают к внутренней грани рамы 8, а внутренними концами связаны с центральной площадкой 10. Центральная площадка 10 выполнена с центральным отверстием под опорный подшипник 11 с элементами 12 крепления и предназначена для установки «узла рыскания» - подвижной опорной площадки 13, снабжённой отверстиями 14 для крепления на ней мультироторного беспилотного аппарата 15.

Приведённый в качестве примера на фиг. 1 четырёхроторный беспилотной аппарат (квадрокоптер) 15 имеет облегченную пространственную конструкцию: его плоская рама 17 изготовлена из пластика и представляет собой кольцо, внутри которого размещены элементы крепления сборно-разборного типа, а снаружи установлены защитные полудуги 18. Квадрокоптер снабжён двумя крестообразными пластиковыми основаниями 19 и 20 с элементами 21 креплений. Основание 20 имеет опорные цилиндрические ножки для установки в отверстия 14 подвижной опорной площадки 13. Все вышеперечисленные элементы связаны между собой посредством втулок 23 моторов 24 с винтами 25. Втулки 23 имеют на своей цилиндрической поверхности канавки для размещения в них всех элементов креплений рамы 17 и оснований 19 и 20. В центре между основаниями 19 и 20 установлен аккумулятор 26, а на верхнем основании 19 установлена электронная плата 27. Для сборки деталей использованы соединения фрикционного типа, которые легко собираются и разбираются.

Поскольку набор-конструктор предназначен для обучения детей, которые не только его собирают и разбирают, но и испытывают, конструкция мультироторного беспилотного аппарата 15 с винтами 25 моторов 24 должна иметь средства защиты для исключения травм от вращающихся винтов 25. Такими средствами могут быть защитные полудуги 18, расположенные с наружной стороны рамы 17 аппарата 15.

Учебный набор-конструктор предназначен для изучения конструкции и аэродинамики мультироторных беспилотных аппаратов, в том числе и квадрокоптеров, в режиме «полёт на привязи», а также электротехники, электроники и других прикладных курсов, связанных с конструированием БПЛА, их балансировкой, испытаниями и тонкостями управления, изучением аэродинамики полёта. Его используют следующим образом. Поскольку все детали хранятся в компактом сложенном виде, то сборку начинают с набора-конструктора, изображённого на фиг. 2, поэтапно соединяя стойки 2 с монтажным основанием 1. Подготавливают «узел рыскания» - подвижную опорную площадку 13 с отверстиями 14 для крепления на ней мультироторного беспилотного аппарата 15 и устанавливают опорный подшипник 11 с элементами 12 крепления на центральную площадку 10 внутренней рамы 8. Внутреннюю кольцевую раму 8 с установленной на ней подвижной опорной площадкой 13 вывешивают осями 7 на подшипники 6 рамы 5, которую, в свою очередь, вывешивают на подшипники 3 осями 4. Если все детали подобраны правильно, набор-конструктор приобретает вид, как показано на фиг. 2. Он готов к установке мультироторного беспилотного аппарата 15.

Изображённый на фиг. 1 квадрокоптер собирают следующим образом. Два крестообразных пластиковых основания 19 и 20 с элементами креплений 21 и плоскую раму 17 с элементами креплений соединяют с помощью втулок 23 в собранном виде с винтами 25 и моторами 24, закрепляя элементы креплений в канавках, выполненных на поверхности втулок 23. Между крестообразными пластиковыми основаниями 19 и 20 устанавливают аккумулятор 26, а на основании 19 закрепляют электронную плату 27. Поскольку основание 20 имеет опорные цилиндрические ножки для установки в отверстия 14 подвижной опорной площадки 13, то установку мультироторного беспилотного аппарата 15 можно считать завершенной. После проверки плотности и прочности соединений всех разъёмных деталей можно приступать к исследованиям.

Предпочтительно занятия начинать с балансировки мультироторного беспилотного аппарата 15. Т.к. аппарат 15 имеет автономную систему управления, сигналом, поступающим на электронную плату 27 с пульта (на рисунке не показано) от оператора, можно включать моторы 24 поочередно, попарно и одновременно. Крен, который покажет внешняя рама 5, можно компенсировать небольшими грузилами (например, пластилином) и добиться идеальной балансировки аппарата 15. Далее можно начать отработку таких манёвров аппарата 15, как рыскание, тангаж и крен. Тангаж (наклон аппарата 15 вперёд или назад) осуществляют путём увеличения скорости задних моторов 24 и уменьшения скорости передних (или наоборот). Этот манёвр вызывает движение внутренней рамы 8. Крен (поворот аппарата 15 вокруг его продольной оси - оси, которая проходит от носа до хвоста) осуществляют изменением числа оборотов правых и левых моторов 24, в зависимости от того, в какую сторону нужно повернуть аппарат 15. Этот манёвр вызывает движение внешней рамы 5. Рыскание (поворот квадрокоптера вокруг своей оси влево или вправо) – это эффект возникновения моментов, когда одна пара моторов 24 начинает вращаться чуть быстрее другой пары. Этот манёвр вызывает вращение подвижной опорной площадки 13 вокруг опорного подшипника 11. Учебный набор-конструктор позволяет изучать и другие манёвры аппарата 15, например, такие, как взлёт и посадка, набор высоты, зависание и другие.

После проведения всех исследований учебный набор-конструктор для изучения конструкции и аэродинамики полёта мультироторного беспилотного аппарата разбирают и готовят к хранению в сложенном виде. Конструктивные особенности набора-конструктора и его фрикционных соединений позволяют оперативно и качественно проводить не только сборку, но и разборку устройства. К последующим занятиям набор-конструктор всегда доступен и работоспособен.

Данное изобретение предназначено для поставки в учебные заведения в виде набора-конструктора с инструкцией по сборке конструктора и мультироторного беспилотного аппарата, для проведения опытов и демонстраций со всеми необходимыми для этого деталями. Его использование в программе обучения дает возможность одновременного получения не только теоретических знаний, но и приобретения практических навыков в работе, связанной с конструированием БПЛА, их балансировкой, испытаниями и тонкостями управления.

Таким образом, технический результат, достигаемый с использованием заявленного изобретения, заключается в повышении доступности и наглядности деталей учебного набора-конструктора с возможностью проведения многократной его сборки-разборки и безопасных испытаний мультироторных беспилотных аппаратов, проведения различных демонстраций и изменения условий проведения опытов и экспериментов при визуализации получаемых результатов. Особенно важным является то, что технический результат достигается для достаточно сложного по решаемым задачам набора-конструктора при его простоте, безопасности и наглядности.

Изобретение относится к учебным приборам-конструкторам и предназначено для изучения аэродинамики беспилотных аппаратов. Учебный набор-конструктор для изучения аэродинамики полёта мультироторного беспилотного аппарата содержит монтажное основание, каркас, внешнюю поворотную кольцевую раму, связанную с внутренней поворотной кольцевой рамой. Набор выполнен сборно-разборным. Каркас выполнен в виде треугольных стоек. Внешняя поворотная кольцевая рама связана со стойками посредством осевых подшипников с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси. Внутренняя поворотная кольцевая рама связана с внешней поворотной кольцевой рамой также посредством осевых подшипников с возможностью вращения вокруг оси, расположенной в плоскости внешней поворотной кольцевой рамы. Внутренняя кольцевая рама снабжена ребрами, центрально расположенной площадкой с центральным отверстием. Центральная площадка снабжена опорным подшипником с элементами крепления, расположенными в её центральном отверстии, и подвижной опорной площадкой, закреплённой на опорном подшипнике, с отверстиями для крепления мультироторного беспилотного аппарата. Обеспечивается возможность проведения многократной сборки-разборки, изменения условий проведения опытов и экспериментов при визуализации получаемых результатов. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Учебный набор-конструктор для изучения конструкции и аэродинамики полёта мультироторного беспилотного аппарата, содержащий монтажное основание, каркас, на котором установлена посредством подшипников внешняя поворотная кольцевая рама, связанная с внутренней поворотной кольцевой рамой посредством подшипников, оснащённой элементами крепления мультироторного беспилотного аппарата, отличающийся тем, что учебный набор-конструктор выполнен сборно-разборным, причём каркас выполнен в виде треугольных стоек, а внешняя поворотная кольцевая рама связана со стойками посредством осевых подшипников с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси, при этом внутренняя поворотная кольцевая рама связана с внешней поворотной кольцевой рамой также посредством осевых подшипников с возможностью вращения вокруг оси, расположенной в плоскости внешней поворотной кольцевой рамы, причем внутренняя поворотная кольцевая рама снабжена ребрами, расположенными под углом друг к другу и в одной плоскости с внутренней поворотной кольцевой рамой, центрально расположенной площадкой с центральным отверстием, при этом ребра расположены таким образом, что внешними концами они примыкают к внутренней грани внутренней поворотной кольцевой рамы, а внутренними концами связаны с центральной площадкой, при этом центральная площадка снабжена опорным подшипником с элементами крепления, расположенными в её центральном отверстии, и подвижной опорной площадкой, закреплённой на опорном подшипнике и снабжённой отверстиями для крепления на ней мультироторного беспилотного аппарата.

2. Учебный набор-конструктор по п. 1, отличающийся тем, что внешняя поворотная кольцевая рама и внутренняя поворотная кольцевая рама выполнены пластиковыми.

3. Учебный набор-конструктор по п. 1, отличающийся тем, что осевые подшипники выполнены быстросъёмными.