KNL/Melavio OSA WARSZAWA 2009
SPIS TREŚCI 1. Zespół...3 2. Projekt koncepcyjny systemu...4 2.1. Opis realizacji misji...4 2.2. Wybór układu płatowca...4 2.3. Dobór głównych parametrów geometrycznych i masowych...4 3. Naziemna stacja kontroli lotu...5 4. Systemy pokładowe...7 5. Projekt wstępny płatowca...11 5.1. Obliczenia charakterystyk aerodynamicznych...11 5.2. Obliczenia osiągów...14 6. System spadochronu...15 7. Projekt konstrukcyjny płatowca...16 7.1. Budowa systemów sterowania...16 7.2. Zabudowa systemu rozpoznawczego...16 7.3. Obliczenie wyważenia...17 7.4. Obliczenia wytrzymałościowe...18 8. Opis budowy...19 9. Kosztorys i finansowanie...22 10. Próby w locie...23 2
1. Zespół Zespół tworzą osoby z dwóch kół naukowych działających przy Wydziale Mechanicznym Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej Koła Naukowego Lotników i Koła Naukowego Awioników - Melavio. Projekt został rozpoczęty w marcu 2006 roku, pod kierownictwem Dominika Głowackiego. Z KNL do pracy przystąpili: Czarek Janas, Marcin Ruszkowski, Paweł Różański i Grzegorz Wnuk, którzy prezentowali projekt na Warsztatach. Ze strony Melavio udział wzięli: Marcin Kasprzyk, Filip Abdel Malek i Grzegorz Zamecznik. W pierwszej edycji konkursu podczas MIWL 2006 zaprezentowany został latający płatowiec z zamontowaną kamerą i aparatem fotograficznym.. Zespół zajął pierwsze miejsce. Rok później, podczas MIWL 2007 projekt również został oceniony najwyżej. Zaprezentowano wtedy latający płatowiec, z czujnikami IMU i GPS, które przesyłały dane na ziemię, prezentowane na komputerze stacji naziemnej. W modelu była również zamontowana kamera przesyłająca obraz na ziemię w czasie rzeczywistym. Ponadto zespół zaprezentował w locie działanie systemu spadochronowego. Skład zespołu: Marcin Kasprzyk, Cezary Janas, Grzegorz Zamecznik. W roku 2008 podczas MIWL zaprezentowano system BSL wzbogacony o aparat fotograficzny wykonujący zdjęcia pionowe. Spust aparatu przyciskany był serwem, którym sterował pilot. Zdjęcia wykonywane były na komendę operatora stacji naziemnej. Dane kontaktowe: Instytut Techniki Lotniczej i Mechaniki Stosowanej na Wydziale MEiL PW: Zakład Automatyki i Osprzętu Lotniczego Ul. Nowowiejska 24, Warszawa 00-665 Tel. 2347515 Organizacja zespołu : Kamil Karpiesiuk pilotaż, prace warsztatowe, Marcin Kasprzyk koordynator projektu ze strony Melavio, integracja systemów Grzegorz Zamecznik programowanie. prace przejściowe: Projekt zabudowy wyposażenia w kadłubie modelu bezzałogowego statku latającego autor: Paweł Różański, Analiza MES konstrukcji skorupowego skrzydła bezzałogowego statku latającego autor: Grzegorz Wnuk prace inżynierskie Projekt stacji naziemnej dla bezzałogowego statku latającego Autor: Marcin Kasprzyk Analiza porównawcza MES konstrukcji skrzydeł modelu bezzałogowego statku latającego autor: Grzegorza Wnuka prace magisterskie: Prototyp komputera pokładowego bezzałogowego statku latającego klasy mini autor: Marcin Kasprzyk Analiza drgań samowzbudnych typu flatter modelu bezzałogowego statku latającego autor Dominik Głowacki
2. Projekt koncepcyjny systemu Wstępne założenia projektowe: Maksymalna rozpiętość : 2m Maksymalna masa startowa : 5kg Zasięg : 20km Długotrwałość lotu : 30-45 minut Prędkość przelotowa :17m/s Spełnienie ograniczeń wymiarowych stawianych przez regulamin. 2.1. Opis realizacji misji. Samolot startuje wyrzucany z ręki przez operatora i wznosi się sterowany ręcznie, za pomocą radia RC. Następnie system sterowania zostaje przełączony na automatyczny. Dolot do wyznaczonego obszaru poszukiwań, przeszukiwanie obszaru, oraz powrót do bazy następuje automatycznie. Samolot w obszarze poszukiwań po wyznaczonej trasie, jak na rysunku poniżej. Obserwacja prowadzona jest przez operatora za pomocą kamery na ruchomej, sterowanej głowicy przesyłającej obraz na ziemię w czasie rzeczywistym. Po wstępnym zlokalizowaniu punktu poszukiwań, samolot nalatuje nad punkt i wykonuje zdjęcie aparatem fotograficznym. Powrót do bazy następuje automatycznie po zlokalizowaniu i sfotografowaniu punktu. Samolot nadlatuje nad bazę i otwiera spadochron do lądowania. Możliwe jest również przejęcie kontroli nad samolotem przez pilota i wykonanie klasycznego lądowania. Po lądowaniu z aparatu fotograficznego zczytywane są zdjęcia i lokalizowane dokładne położenie poszukiwanej planszy ze znakiem. Synchronizując czas wykonania zdjęcia z danymi trasy lotu pochodzącej z GPS odnajdujemy koordynaty miejsca wykonania zdjęcia. Po dokonaniu poprawki na wysokość lotu modelu i odchylenie samolotu wyliczamy położenie poszukiwanego punktu na ziemi. Schemat trasy lotu przedstawiono na rys.2.1. Rys. Rys.2.1 Schemat misji 2.2. Wybór układu płatowca. Wybrany układ płatowca Osy to dwusilnikowy, wolnonośny grzbietopłat. Skrzydło trójdzielne, prostokątny centropłat z trapezowymi końcówkami. Gondolowe silnikowe na skrzydle. Usterzenie w ukladzie T. Dane techniczne płatowca: Rozpiętość 1,9m Długość 1,5m Wysokość 0.32m Masa 3,8kg 2.3. Dobór głównych parametrów geometrycznych i masowych. Główne wymiary geometrii płatowca wynikają z ograniczeń narzucanych przez poprzedni i obecny regulamin konkursu. Rozpiętość skrzydła 190cm wynika z wymogu zmieszczenia obrysu płata po przekątnej kwadratu 1,5x1,5m. Długość kadłuba i wysokość statecznika pionowego wynika z wymogu zmieszczenia zdemontowanego płatowca w skrzyni transportowej 30x35x100cm. Masa samolotu ograniczona jest do 5kg. Wynika to z zapisów regulaminu konkursu.
3. Naziemna stacja kontroli lotu Naziemna stacja kontroli lotu (NSKL) zapewnia odbiór i zobrazowanie danych pilotażowo nawigacyjnych oraz obrazu TV w czasie rzeczywistym. Dane oraz obraz są zapisywane na dyskach stacji. Stacja służy również do archiwizacji i analizy zdjęć wykonanych w czasie lotu aparatem pokładowym. NSKL składa się z komputera, odbiorników radiowych z antenami, źródła energii (generator lub akumulator). Komputer służy do odbioru danych pilotażowo-nawigacyjnych, późniejszej analizy odebranych informacji oraz do prezentacji i rejestracji obrazu z pokładowej kamery TV. Do transmisji danych wykorzystuje się radiomodem MAXSTREAM. Obraz TV odbierany jest odbiornikiem TW-801T. Obydwa tory radiowe pracują na częstotliwości 2,4GHz. Odbiorniki oraz nadajniki korzystają z anten prętowych o wzmocnieniu 6dB. Łączność jest dwukierunkowa. Do samolotu wysyłane są komendy sterujące kamerą TV oraz aparatem fotograficznym. Interfejs stacji naziemnej (rys. ) służy do prezentacji: danych pilotażowo - nawigacyjnych, poziomu napięcia zasilania wyposażenia pokładowego sterowanie aparatem fotograficznym sterowanie kamerą dziobową Umożliwia kontrolę parametrów transmisji danych (zawartość bufora wejściowego, częstotliwość odświeżania informacji, wybór portu wejściowego). Rys.3.1 Interfejs stacji naziemnej. Dane pilotażowe prezentowane są na zespolonym wskaźniku sztucznego horyzontu. Mapę terenu umieszczono z prawej strony ekranu. Na mapę rzutowany jest obraz przebytej drogi, aktualna pozycja samolotu, wyznaczona trasa wraz z punktami zwrotnymi. Dane odbierane przez stacje są rejestrowane w plikach tekstowych. Informacje wyświetlane na ekranie stacji wykorzystuje operator w celu naprowadzania pilota na zaplanowaną ścieżkę lotu. Po wylądowaniu, na komputerze można odtworzyć przebiegu lotu. Do analizy należy wykorzystać program umożliwiający tworzenie wykresów. Obraz z kamery TV rejestrowany na komputerze obrazu można po locie obejrzeć w dowolnym programie do odtwarzania filmów.
Program stacji naziemnej umożliwia sterowanie kamerą pokładową wykorzystując klawiaturę komputera stacji naziemnej. Program obsługuje się następującymi klawiszami: klawisz Z G [] w,s,a,d i Strzałki N B Prawy przycisk myszy Lewy przycisk myszy F1 F2 Funkcja Wykonanie zdjęcia Wyznaczenie pozycji początkowej ZOOM mapy Przesuwanie mapy Włączenie trybu dodawania punktów trasy na mapę Obracanie kamerą Wybranie kolejnego punktu trasy Wybranie poprzedniego punktu trasy Wyjście a trybu dodawania punktów trasy Wybieranie i przeciąganie punktu trasy Zapisywanie aktualnych punktów trasy Wczytanie zapisanych punktów trasy
4. Systemy pokładowe Wyposażenie pokładowe BSL OSA składa się z urządzeń obserwacyjnych, czujników, komputera przeliczającego (przelicznik), nadajników danych i obrazu z antenami, zasilania. Schemat wyposażenia prezentuje rys4.1. W układzie sterowania wykorzystano śmigłowcowy giroskop FUTABA. Giroskop został włączony pomiędzy komputer pokładowy a serwomechanizm kierunku. Urządzenia obserwacyjne to aparat fotograficzny OLYMPUS SP700 (rys.4.2 )oraz przemysłowa kamery telewizyjna YK2015 (fot.4.1). Rys.4.1 Schemat blokowy wyposażenia pokładowego
Dane techniczne OLYMPUS SP700 Max rozdzielczość zdjęcia : 2816 x 2112 pixeli (6Mpixel) Max rozdzielczość filmu : 640 x 480 pixeli Zoom : 1x 3x Wyjścia : USB, Avout Karta pamięci : xd Wymiary : 97,5 x 56,5 x 24,5 mm Masa : 140 g Temp pracy : 0 C 40 C Rys.4.2 OLYMPUS SP700 Dane techniczne YK2015 Standard : CCIR 50Hz Przetwornik obrazu : 1/3" CCD Color Sony Hi-Res. Super HAD Rozdzielczość przetwornika : 752(H) x 582(V) Czułość : 0.4 lux/f2,0 Rozdzielczość : 470 linii Balans bieli : auto Migawka elektroniczna : 1/50-1/110000 sec. Zasilanie : DC 12V; 110mA Temperatura pracy :-10 C +50 C Wymiary : 38mm x 38mm x 32mm Waga : 30g Fot.4.1 Moduł kamery TV
Dane pilotażowo-nawigacyjne dostarcza odbiornik GPS GARMIN 15L (fot.4.2) z anteną SQUARE MCX (fot.4.3 ) oraz inercyjny układ odniesienia (AHRS) 3DM GX1 (fot.4.4) firmy Microstrain. Dane techniczne GPS15L: Wymiary Waga Zasilanie Pobór prądu Zakres temperatur : 36 x 46 x 8 mm : 14 g : 3,3-5 V DC mv : max. 100 ma : -30 do 80 C Fot.4.2 Odbiornik GARMIN 15L Fot.4.3 Antena SQUARE MCX Dane techniczne 3DM GX1 Zakres pomiarowy czujników : giro 300 /sec ;przyspieszeniomierze 5 g ; magnetometry 1.2 Gauss Zakres pomiarowy : 360 st we wszystkich osiach Dokładność pomiarów : 2 st dla szybkozmiennych warunków Wyjście : RS232, RS485 Napięcie zasilające : 5,2Vdc 12Vdc Pobór prądu : 65 ma Wymiary : 65 x 90 x 25 mm Masa : 75 g fot.4.4 3DM GX1
Komputer (przelicznik) oparto na czterech procesorach ATMEL ATMEGA8. Dwa stanowią interfejs pomiędzy procesorem głównym a czujnikami (GPS oraz IMU), jeden wykorzystano do sterowania serwomechanizmami. Jeden z procesorów pełni rolę głównego procesora, który odpowiada za transmisję danych pomiędzy stacją naziemną a samolotem, monitorowanie napięcia akumulatorów pokładowych, obliczenia nawigacyjne, realizację algorytmu autopilota. Procesory przeliczają dane z czujników i wysyłają je głównego procesora, który wykorzystuje dane w procesie sterowania samolotem. Fot.4.5 Płyta przelicznika Płyta komputera (fot.4.5) umożliwia rozszerzenie możliwości obsługi dodatkowych urządzeń przez dodanie dwóch procesorów. Pełną konfiguracja przelicznika przedstawia rys.4.3. Płyta przelicznika ma wymiary 70 x 110 mm i masę (z procesorami) 70g. Przelicznik jest zasilany napięciem 7,5V 15V z pakietu akumulatorów. Stabilizator przelicznika zasila również GPS oraz układ IMU. Rys.4.3 Schemat budowy płyty przelicznika
5. Projekt wstępny płatowca. 5.1. Obliczenia charakterystyk aerodynamicznych. Obliczenia aerodynamiczne zostały przeprowadzone w programie XFLR5. Wyniki przedstawiono na poniższych wykresach. Wykres 5.1. Cz(Cx)
Wykres 5.2 Cz(alfa) Wykres 5.3 Aerodynamiczna funkcja Enegretczna (alfa)
Wykres 5.4 doskonałości (alfa) Dobór napędu został dokonany za pomocą programu Motocalc 7. Wykres 5.5 Ciąg (prędkość lotu), Opory (prędkość lotu) dla silników pracujących na pełnej mocy
5.2. Obliczenia osiągów. Prędkości wyliczone, dla trzech przykładowych mas startowych przedstawiono w tabeli 5.1. m1=2,5kg m2=3kg m3=4,5kg Vopt [m/s] 9,114 9,984 12,227 Wopt [m/s] 0,813 0,891 1,091 Vek [m/s] 6,925 7,586 9,291 Wek [m/s] 0,713 0,782 0,957 Tabela 5.1 Prędkości lotu dla różnych mas startowych
6. System spadochronu Czasza spadochronu mieści się w luku na grzbiecie kadłuba za skrzydłem i głównymi włącznikami.. Zamykana z góry klapką mocowaną trzema sworzniami. Umieszczenie komory w kadłubie pokazuje rys.6.1. Jeden sworzeń jest ruchomy, sterowany serwomechanizmem. Dno luku spadochronowego jest ruchome napędzane sprężyną. Po zwolnieniu klapki cały układ wypychany jest z komory przez sprężynę. Czasza spadochronu jest zapakowana w pokrowcu. Dzięki odpowiedniemu systemowi linek i zawleczek paczka z czaszą otwiera się dopiero po minięciu stateczników, eliminując tym samym niebezpieczeństwo zaplątania się w stery. Po otwarciu czaszy, samolot opada w pozycji poziomej, z lekkim pochyleniem na ogon. Przykład prawidłowego lądowania na spadochronie pokazuje fot.6.1. Rys.6.1 komora spadochronu Fot.6.1 Opadanie na spadochronie
7. Projekt konstrukcyjny płatowca Płatowiec w układzie wolnonośnego górnopłata z dwoma elektrycznymi (trójfazowymi) silnikami umieszczonymi w gondolach pod skrzydłami. Skrzydło trójdzielne z centropłatem i trapezowymi końcówkami. Konstrukcja centropłata i uszu wykonana jest z styropianowego rdzenia oraz zalaminowanego tkaniną szklaną balsowego poszycia oraz sosnowego dźwigara. Do centropłata doczepione są węglowe gondole silnikowe. Końcówki z centropłatem łączone są za pomocą duraluminiowych okuć. Kadłub będący nosicielem systemów sterowana, przekazywania obrazu, rejestracji danych, oraz systemu ratunkowego, składa się z dwóch części. Część zasadnicza łącząca skrzydło wraz ze statecznikami zawiera: zasilenie realizowane przez akumulatory Li-Pol, serwomechanizmy napędzające stery, akcelerometry i giroskopy oraz spadochron ratunkowy. Część przednia zawiera przelicznik cyfrowy, moduł zasilający, radiomodem, aparat fotograficzny, kamera oraz nadajnik obrazu. Usterzenie w układzie T. 7.1. Budowa systemów sterowania. Systemy sterowania realizują ruch powierzchni sterowych za pomocą serwomechanizmów umieszczonych bezpośrednio na statecznikach. Napęd sterów odbywa się bezpośrednio przez sztywne popychacze. 7.2. Zabudowa systemu rozpoznawczego. Głównymi elementami są kamera na ruchomej głowicy, oraz aparat fotograficzny. Oba urządzenia zamocowane są do modułu elektroniki mieszczącego się w przedniej części kadłuba. Kamera ma zakres obserwacji 160st w płaszczyźnie poziomej i 80st w płaszczyźnie pionowej. Kamera jest umieszczona na dziobie kadłuba w półsferycznej przeźroczystej kopule. Aparat fotograficzny umieszczony jest dolnej części modułu elektroniki. Rys7.1 Rozmieszczenie komputera pokładowego
7.3. Obliczenie wyważenia Proces został przeprowadzony w Systemie CATIA. Rys7.2 Program CATIA podczas obliczania momentów bezwładności Masa [g] 4429,006 Gx [mm] 136 Gy [mm] -0,12 Gz [mm] 83,375 M1 [kgxm2] 0,134 M2 [kgxm2] 0,278 M3 [kgxm2] 0,394 IoxG [kgxm2] 0,145 IoyG [kgxm2] 0,272 IozG [kgxm2] 0,389 IxyG [kgxm2] 0,029 IxzG [kgxm2] 0,035 IyzG [kgxm2] -0,007 Rys.7.3 Rozmieszczenie środków ciężkości urządzeń pokładowych
7.4. Obliczenia wytrzymałościowe Do tego celu użyto programu Ansys. Rys.7.4 Naprężenia poszycia skrzydła Rys.7.5. Naprężenia w dźwigarze
8. Opis budowy Kadłub o strukturze przekładkowej wykonany jest z kompozytu szklano epoksydowego ze wzmocnieniami z włókien węglowych i kevlarowych, oraz wypełniacza Herex. Foremniki negatywowe służące do laminowania kadłuba zostały zbudowane na bazie frezowanego numerycznie pozytywowego modelu. Dzięki temu proces produkcji kadłuba można powtarzać z dużą powtarzalnością. Rys.8.1 Pozytywowe modele foremników Fot.8.1 Kadłub Budowa skrzydła oparta jest na rdzeniu styropianowym krytym drewnem balsowym. Elementem nośnym prócz skorupy zewnętrznej jest sosnowy dźwigar. Rdzenie styropianowe cięte są
za pomocą wycinarki CNC, dającej dobre odwzorowanie profilu i wymiarów. Oklejanie skorupą z drewna przeprowadza się z pomocą podciśnienia. Fot.8.2 Skrzydło Gondole silnikowe zbudowane są w całości z kompozytu węglowo epoksydowego. Laminowane w kompozytowych foremnikach z dociskami sylikonowymi. Foremniki negatywowe, tak jak w przypadku kadłuba zostały zbudowane na bazie frezowanych numerycznie modeli pozytywowych. Fot.8.3 Modele gondoli silnika Rys. 8.2 Model wirtualny gondoli silnika Kadłub płynnie przechodzi w statecznik pionowy, który stanowi jego integralną część. Tak jak kadłub, statecznik ma budowę kompozytową, przekładkową. Dźwigarek nośny wykonano z włókien węglowych. Ster kierunku to drewniana konstrukcja kratownicowa kryta folią termokurczliwą. Taką samą budowę ma statecznik poziomy. Proces budowy obejmujący laminowanie podciśnieniowe kadłuba i gondol silnikowych, oklejenie rdzeni skrzydła skorupą drewnianą, sklejenie kratownicy statecznika zajmuje ok. dwóch
tygodni pracy jednej osoby. Montaż i zintegrowanie systemów sterowania, ratowniczych i elektroniki zajmuje kolejny tydzień. Po trzech tygodniach od rozpoczęcia budowy model jest gotowy do wstępnego oblotu. Materiały i oprzyrządowanie potrzebne do budowy: Negatywowe foremniki kadłuba, gondol silnikowych, foremniki zakładek na połączenie połówek kadłuba. Tkanina szklana Interglas 50g/m2, Herex 55 2mm, żywica epoksydowa MGS L285, rowing węglowy TEX800, tkanina węglowa jednokierunkowa 80g/m2, tkanina węglowa klasyczna 160g/m2, pasta rozdzielcza Lakier akrylowy, dwuskładnikowy, kompresor i pistolet lakierniczy Drewno balsowe, deski o grubości 1, 2, 3, 5, 6 i 10mm. Drewno sosnowe, listwy 5x4mm i długości 1m Sklejka modelarska 1, 2, 3mm grubości Rdzenie styropianowe do budowy skrzydła Instalacja próżniowa do laminowania podciśnieniowego, szczelne rękawy foliowe, tkaniny drenażowe i delaminażowe Modelarska termokurczliwa folia do oklejania Duralowe okucia połączeń skrzydła Pręty węglowe fi 3mm, rurki aluminiowe fi 4mm i f 5mm Płatowiec ma konstrukcję modułową. Dwudzielny kadłub, trójdzielne skrzydło i odejmowany statecznik poziomy. Każdy z tych elementów można zbudować oddzielnie i zamontować we wcześniej zbudowanym płatowcu jako część zamienna.
9. Kosztorys i finansowanie Pierwsze dwa lata prac nad projektem były finansowane z budżetu uczelni, oraz Samorządu Studentów. Pozyskaliśmy na ten cel m.in. kilka grantów rektorskich., dofinansowanie ze strony Dziekana Wydziału MEiL, oraz granty z Puli na prace naukowe i badawcze z budżetu Samorządu Studentów PW. W roku 2008 projekt był w większości finansowany ze środków pochodzących od prywatnych firm, sponsorów KNL.. W roku 2009 projekt był finansowany z pozyskanego przez koło MELAVIO grantu rektorskiego.
10. Próby w locie BSL OSA wykonała kilkanaście testów w locie. Testowaniu podlegały systemy sterowania, urządzenia rozpoznania, systemy transmisji danych i obrazu, oprogramowanie stacji naziemnej, przelicznik pokładowy wraz z czujnikami. Przykładowe wyniki prób w locie systemu rozpoznania przedstawiają poniższe fotografie. Fot.10.1 Zdjęcie pionowe z aparatu Fot.10.2 Zdjęcie pionowe wykonane z dużej wysokości
Przykładowy zapis parametrów lotu pokazano na wykresie 10.1. Rys.10.1 Zarejestrowane parametry lotu Zarejestrowane wskazania giroskopów i przyspieszeniomierzy pokazano na rys.10.2. Przedstawia on surowe dane z czujników przetworzone na postać cyfrową. Na wykresie widać moment startu (duże przyspieszenie w osi x), wznoszenie i zakręt. Rys.10.2 Zarejestrowane wskazania czujników IMU
Równocześnie z testowaniem urządzeń pokładowych testowano program stacji naziemnej. Przykładowy obraz ekranu pokazano na rys.10.3. Prezentuje on jedną ze wcześniejszych wersji stacji naziemnej. Rys.10.3 Screen stacji naziemnej