Боевые FPV-дроны. Управление. Конструкция. Практическое пособие

Виталий Берёзкин

Боевые FPV-дроны. Управление. Конструкция. Практическое пособие

Глава 1

Что такое FPV-дрон

FPV-дрон (First-Person View – вид от первого лица) – это беспилотный летательный аппарат, оснащенный камерой, которая передает видео с помощью беспроводной связи на очки виртуальной реальности или видеоочки пилота. Благодаря этой технологии пилот может ощущать полное присутствие в воздушном пространстве и видеть все, что видит дрон, будто он находится внутри летательного аппарата.

Конструкция и принцип работы FPV-дрона

FPV-дроны имеют обычную для квадрокоптера конструкцию, состоящую из рамы, электроники, моторов и гироскопа.

Человек держит в руках FPV-дрон

Студент Тамбовского государственного технического университета держит в руках FPV-дрон. Фото: Алексей Сухоруков / РИА Новости

Принцип работы FPV-дрона заключается в управлении БПЛА с помощью специальных очков. Пилот, сидя в удобном месте, видит все, что происходит вокруг дрона, будто находится внутри него. Он может контролировать движения дрона, основываясь на получаемой в режиме реального времени видеоинформации.

Гоночные дроны

Так выглядит гоночный FPV-дрон

Гоночные FPV-дроны. Фото: Dmyers86 / wikimedia.org

Эти дроны специально разработаны для высокоскоростных гоночных соревнований. Они легкие, маневренные и способны достигать больших скоростей. Гоночные дроны часто имеют компактный и аэродинамический дизайн.

Дроны для авиасъемки

FPV-дрон для авиасъемки

FPV-дрон для авиасъемки. Фото: youtube.com

Эти дроны специально разработаны для съемки высококачественных аэрофотографий и видеозаписей. Они оснащены стабилизированными камерами, ведущими съемку в высоком разрешении, и обеспечивают длительное время полета для охвата большей территории.

Дроны для фристайла

FPV-дрон для фристайла с дополнительной камерой

FPV-дрон для фристайла с дополнительной камерой. Фото: youtube.com

Дроны для фристайла являются универсальными и позволяют пилотам выполнять различные фигуры сложного пилотажа. Они сочетают в себе маневренность и хорошую управляемость для выполнения трюков и записи динамичного видео.

Военные дроны

Военный дрон – беспилотник "Владлен Татарский"

Беспилотник "Владлен Татарский". Фото: Телеграм-канал "Русский беспилотник" / https://t.me/BPLAROSTOV

В последнее время начали активно появляться новые FPV-дроны, предназначенные для использования в военных целях. Они оснащены специальными средствами для подвеса боеприпасов, используют защищенные каналы связи и устойчивы к воздействию средств РЭБ противника.

Как выглядит беспилотник в небе и чем он отличается от самолета

читайте также

Как выглядит беспилотник в небе и чем он отличается от самолета

Преимущества FPV-дрона перед обычным квадрокоптером

FPV-дроны имеют ряд преимуществ перед обычными

Квадрокоптерами.

Высокая скорость. Малый вес, компактные размеры и аэродинамический дизайн позволяют FPV-дронам развивать большую

скорость, чем их обычные аналоги.

Ощущение полета. FPV-беспилотники обеспечивают вид от первого лица, позволяя оператору почувствовать, что он находится внутри дрона. Таким образом они помогают пилоту погрузиться в состояние полета глубже, чем обычные дроны.

Точное управление. С помощью очков оператор видит окружающую обстановку "глазами" беспилотника, а значит может более точно управлять дроном, преодолевая различные препятствия. Видеоизображение, получаемое с камеры беспилотника, позволяет операторам оценивать обстановку и принимать взвешенные решения на ходу. Такая обратная связь в реальном времени очень важна при выполнении сложных маневров или навигации в труднодоступных местах.

Улучшенная аэрофото- и видеосъемка. FPV-беспилотники обеспечивают уникальную перспективу для съемки аэрофото- и видеоматериалов. Возможность видеть то, что видит беспилотник, позволяет операторам творчески подходить к построению кадра и снимать динамичные фотографии и видеоролики.

Использование FPV-дронов в мирное время

Пилот FPV-дрона принимает участие в гонках

Пилот FPV-дрона принимает участие в гонках. Фото: Slakteriitis / wikimedia.org

FPV-дроны широко используются в различных областях:

Развлечения. Гонки FPV-беспилотников приобрели популярность как соревновательный вид спорта, когда пилоты на высоких скоростях преодолевают сложные трассы. Кроме того, FPV-беспилотники используются для развлекательных полетов.

Авиасъемка. FPV-беспилотники произвели революцию в области аэрофото- и видеосъемки, позволив профессионалам делать захватывающие кадры, которые используются в кинематографе, при продвижении объектов недвижимости, проведении геодезических исследований и т.д.

Поисковые и спасательные операции. Маневренность и возможность получения видеоизображения в режиме реального времени делают FPV-беспилотники ценным инструментом для поисково-спасательных отрядов. Они помогают быстро осмотреть большую территорию, обеспечить обзор с высоты птичьего полета, найти пропавших людей или оценить потенциальную опасность той или иной ситуации.

Наблюдение и безопасность. FPV-беспилотники, оснащенные камерами высокого разрешения, используются для наблюдения и обеспечения безопасности. Они позволяют контролировать большие территории и обеспечивать охрану периметра, собирая и передавая информацию о нарушителях.

Сельское хозяйство и защита окружающей среды. FPV-беспилотники могут быть оснащены специализированными датчиками для мониторинга состояния сельскохозяйственных культур, обнаружения болезней растений, оценки состояния почвы и наблюдения за изменениями окружающей среды.

Промышленность. FPV-беспилотники используются для обследования инфраструктуры, такой как линии электропередач, мосты и трубопроводы.

Бойцы радиоэлектронного фронта: зачем нужны и как работают комплексы РЭБ

Бойцы радиоэлектронного фронта: зачем нужны и как работают комплексы РЭБ

Применение FPV-дронов в военных целях

FPV-дрон с миной

FPV-дрон с миной. Фото: Виталий Белоусов / РИА Новости

FPV-беспилотники находят широкое применение и в военных операциях. Они могут не только выполнять роль разведчика, но и наносить удары по силам противника:

Разведка. FPV-дроны позволяют осуществлять разведку территории, не подвергая риску личный состав. Они могут быть использованы для наблюдения за противником, обнаружения объектов и сбора разведывательной информации. Благодаря своей маневренности и небольшим размерам, FPV-дроны могут проникать в труднодоступные места и получать ценные данные, оставаясь незамеченными.

Поддержка операций. FPV-дроны могут использоваться для поддержки боевых операций. Они могут служить в качестве наблюдательных пунктов, передавая информацию о положении и передвижениях противника, обнаружении минных опасных препятствий и т.д.

Уничтожение противника. FPV-дроны также могут быть использованы в качестве оружия. Для этого их вооружают различными боеприпасам, от ручных гранат до выстрелов к РПГ, превращая таким образом в подобие дрона-камикадзе. Целью FPV-дронов-камикадзе является нанесение максимального ущерба цели путем столкновения с ней, которое приводит к подрыву боевого заряда. За время проведения спецоперации такие дроны доказали, что могут уничтожать не только живую силу, но и бронированную технику противника. При этом FPV-технология позволяет оператору максимально точно навестись на цель, а малая заметность дрона часто позволяет застигнуть противника врасплох.

.

1

НАЗНАЧЕНИЕ,

СОСТАВ,

ТТХ

И

ПРИНЦИПЫ

РАБОТЫ

БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Развитие беспилотной авиации определило многообразие сфер применения БпЛА. Наиболее активно их используют в военном деле, что существенно повлияло на тактику применения многих видов вооружения и военной техники.

Назначение беспилотных летательных аппаратов, применяемых в военном деле, определяется решаемыми задачами. Задачи подразделяются на ударные, разведывательные, специальные, учебные и другие. Для их решения разрабатываются БпЛА различной конструкции со специализированными полезными (целевыми) нагрузками.

БпЛА различают не только по способу их применения, но и по конструкции, тактико-техническим характеристикам (по размерам самих аппаратов, взлетной массе, дальности, высоте, скорости, продолжительности полета и др.). Рассмотрим более подробно классификацию БпЛА по конструкции.

1.1

Классификация

БпЛА

по

конструкции

Как известно конструкция летательного аппарата (ЛА) зависит от принципа создания подъемной силы, который заложен в основу его полета. Известны следующие принципы полета [1]:

Баллистический.

Аэродинамический.

Ракетодинамический (реактивный).

Аэростатический.

Баллистический принцип полета – это полет свободно брошенного тела, происходящий под действием силы тяжести. Подъемная сила определяется силой инерции летящего тела. Для совершения полета по баллистическому принципу тело должно обладать начальным запасом высоты или скорости, поэтому баллистический полет называют также пассивным.

Аэродинамический принцип полета основан на третьем законе Ньютона, согласно которому пластина, помещенная под каким-то углом в воздушный поток, надавливает на него и испытывает ответное давление со стороны потока.

Реактивный принцип полета также основан на третьем законе Ньютона, но взаимодействие летательного аппарата с окружающим его воздухом не является обязательным для него условием. Сущность реактивного принципа заключается в том, что необходимая для полета подъемная сила создается в результате сгорания топлива, при котором образуются газы, обладающие большой энергией. Эти газы, вытекая с большой скоростью из сопла двигателя наружу, создают реактивную силу противоположного направления.

Аэростатический принцип полета основан на законе Архимеда, по которому на тело, находящееся в газовой среде, действует подъемная сила, равная весу вытесненного им газа. По такому принципу летают дирижабли, аэростаты, воздушные шары.

В настоящее время наибольшее распространение конструкции БпЛА использующие аэродинамический и аэростатический принципы создания подъемной силы (рисунок 1.1).

БпЛА аэростатического типа

БпЛА самолетного типа

БпЛА вертолетного типа

БпЛА с гибридной конструкцией

БпЛА мультироторного типа

Рисунок 1.1 – Виды БпЛА по конструкции

БпЛА аэростатического типа – это особый класс БпЛА, в которых подъемная сила создается преимущественно за счет архимедовой силы, действующей на баллон, заполненный легким газом (как правило, гелием).

Этот класс представлен, в основном, беспилотными дирижаблями – летательными аппаратами легче воздуха, представляющими собой комбинацию аэростата с движителем (обычно это винт (пропеллер, импеллер) с электрическим двигателем или ДВС) и системы управления ориентацией [1]. Основным недостатком этого типа БпЛА является низкая маневренность, поэтому они как правило применяются в привязном варианте (на тросе).

БпЛА самолетного типа – это класс БпЛА, в которых подъемная сила создается аэродинамическим способом за счет напора воздуха, набегающего на неподвижное крыло. БпЛА самолетного типа, как правило, отличаются большой длительностью полета, большой максимальной высотой полета и высокой скоростью. Недостатками БпЛА самолетного типа являются необходимость использования пусковых установок, взлетно-посадочных полос, невозможность неподвижного зависания в воздухе на одном месте.

БпЛА вертолетного типа – класс БпЛА, в которых подъемная и движущая силы на всех этапах полета создаются одним или несколькими несущими винтами с приводом от одного или нескольких двигателей [2]. Крыло либо отсутствует вовсе, либо играет вспомогательную роль. Очевидными преимуществами БпЛА вертолетного типа являются способность зависания в точке и высокая маневренность. Основным недостатком вертолетной схемы БпЛА является невысокая скорость полета.

БпЛА с гибридной конструкцией – это класс БпЛА с вертикальным взлетом и посадкой. Под этими аппаратами подразумеваются все БпЛА, которые способны контролируемо менять направление вектора тяги и совмещает в себе конструкционные принципы самолета и квадрокоптера. Он имеет преимущества вертикального взлета за счет наличия дополнительных двигателей, установленных в горизонтальной плоскости, и одновременно может развивать высокую скорость, благодаря аэродинамической схеме с неподвижным крылом за счет толкающего или тянущего винта.

БпЛА мультироторного типа – особый класс БпЛА вертолетного типа. Мультикоптер (многороторный вертолет) – летательный аппарат, построенный по вертолетной схеме, с тремя и более несущими винтами [3]. Их достоинством является относительно низкая стоимость, легкость в управлении, возможность вертикального взлета с неподготовленной площадки и способность зависания в воздухе, а также высокая точность позиционирования. Недостатками являются низкая скорость, высокие энергозатраты, ограниченный радиус действия, непродолжительное время полета.

Существует несколько разновидностей мультикоптеров, различающихся количеством и расположением двигателей относительно центра аппарата: бикоптер; трикоптер; квадрокоптер; гексакоптер; октокоптер.

Квадрокоптер – самый популярный мультикоптер, так как четыре – это оптимальное число электродвигателей для баланса цены, производительности, стабильности и времени полета.

1.2

Принципы

полета

БпЛА

квадрокоптерного

типа

Для того, чтобы эффективно применять FPV-дроны, оператор БпЛА должен в совершенстве овладеть навыками управления этим типом БпЛА. Выполняя полет по маршруту и осуществляя боевое маневрирование, оператор FPV-дрона должен постоянно оценивать положение БпЛА в пространстве и прогнозировать его реакцию на перемещение органов управления. Для этого ему необходимо понимать, какие силы действуют на квадрокоптер в полете, а

также от каких параметров зависят его динамические и маневренные характеристики.

Конструкция квадрокоптера, как и вертолета, реализует аэродинамический принцип полета, потому что подъемная и движущая силы на всех этапах полета создаются несколькими воздушными (несущими) винтами – пропеллерами.

Воздушный винт (пропеллер) – лопастной движитель, создающий при вращении тягу за счет отбрасывания воздуха назад с некоторой дополнительной скоростью, приводимый во вращение двигателем и преобразующий крутящий момент двигателя в силу тяги Т.

Лопасти воздушного винта, закреплены на вращающейся оси (на валу двигателя или редуктора) таким образом, чтобы передняя кромка лопасти была направлена в сторону вращения (это важно учитывать при сборке квадрокоптера), а сами лопасти установлены под небольшим углом (угол установки) к набегающему потоку. Аэродинамические силы, действующие на горизонтально установленный воздушный винт квадрокоптера, изображены на рисунке 1.2. Набегающий воздушный поток обтекает лопасти воздушного винта. Расстояние, пройденное воздушным потоком по верхней (выгнутой) кромке лопасти, больше, чем расстояние, пройденное по его нижней поверхности, соответственно скорость воздушного потока на верхней кромке будет выше, чем на нижней. Появившаяся разница скоростей воздушного потока по закону Бернулли приводит к разнице давлений. Разница в давлениях дает подъемную силу Cy [4].

подъемная сила

движущая сила вращения

вертикальная составляющая потока воздуха

воздушный поток

тяга на валу

полная аэродинамическая

сила

сила сопротивления

ось вращения винта

Рисунок 1.2 – Аэродинамика несущего винта

Подъемная сила, возникающая на лопастях, преобразуется в тягу воздушного винта Т, приложенную к его втулке. Так как у квадрокоптера четыре винта, то для того чтобы квадрокоптер оторвался от земли суммарная сила тяги пропеллеров Тсум должна быть больше силы тяжести G = mg.

На рисунке 1.3 изображена упрощенная конструктивная схема квадрокоптера и схема сил, воздействующих на него.

Квадрокоптер имеет шесть степеней свободы. Движение квадрокоптера представляет собой совокупность поступательного движения в декартовой трехмерной системе координат, а также вращательное движения вокруг каждой

из трех взаимно перпендикулярных осей [5]. На рисунке 1.3 оси земной системы координат обозначены X, Y, Z; а оси связанной системы координат – х, у, z.

M1 ω3

y

ψ

T y

T сум

z

θ

T4

T3

T1

M4

ω4

ω1

Q

M3

o

T x

T2

M2

ω2

ϕ

x

Y

G=mg

Z

O

X

Рисунок 1.3 – Схема сил, действующих на квадрокоптер в полете

На квадрокоптер, как и на все летательные аппараты, действует сила тяжести G и сила сопротивления воздуха Q. Подъемная (Ty) и пропульсивная (Tx, – толкающая вперед и/или Tz, – толкающая вбок) силы создаются несущими винтами квадрокоптера. Cилы тяги Тi каждой винтомоторной группы складываются в суммарную силу тяги Tсум=T1+T2+T3+T4, которая в общем случае приложена к центру масс квадрокоптера.

Вращение квадрокоптера вокруг одной из осей связанной системы координат x, y, z приводит к наклону вектора тяги Tсум в сторону вращения и он раскладывается на составляющие Tx, Ty, Tz. Если квадрокоптер зависает горизонтально и неподвижно, то это значит, что вектор тяги Tсум направлен вертикально вверх и полностью перешел в подъемную силу Ty, которая уравновесила силу тяжести G, то есть Ty = G.

При вращении на угол θ вокруг оси z (тангаж – pitch) появляется продольная составляющая тяги Tx и квадрокоптер начинает движение вперед или назад.

При вращении на угол ϕ вокруг оси x (крен – roll) появляется боковая составляющая тяги Tz и квадрокоптер начинает смещаться влево или вправо.

При вращении коптера на угол ψ вокруг оси y (рыскание – yaw) вектор тяги Tсум на висении не наклоняется. В случае если коптер находится в горизонтальном полете, то поворачиваются продольная и боковая

составляющие вектора тяги Tx и Tz, которые заставляют поворачиваться вектор скорости квадрокоптера в направлении рыскания.

Важно помнить, что при неизменной тяге двигателей увеличение продольной или боковой составляющей вектора тяги приводит к уменьшению подъемной силы Ty. Поэтому при наклонах коптера для сохранения высоты полета необходимо координированно увеличивать тягу двигателей.

Изменение величины и направления вектора тяги осуществляется посредством наклона и поворота квадрокоптера в нужную сторону, а также изменением частоты вращения винтов. Возникающие при этом силы заставляют квадрокоптер двигаться вперед или назад, влево или вправо, вверх или вниз. Продольная, поперечная и вертикальная составляющие скорости образуют в пространстве траекторию движения квадрокоптера, которая может быть довольно сложной [5].

Для того чтобы определить, каким образом осуществляются наклоны и повороты квадрокоптера в нужную сторону, рассмотрим рисунок 1.3, на котором изображены угловые скорости вращения двигателей ωi и создаваемые винтомоторной группой реактивные моменты Mi. Необходимо обратить внимание на направление и толщину стрелок, чем толще стрелки, тем больше величина, которую они обозначают.

Квадрокоптер меняет направление вращения вокруг центра масс за счет изменения скорости вращения каждого из пропеллеров. Когда дрон парит, соседние пропеллеры вращаются в противоположных направлениях, чтобы поддерживать устойчивость дрона. Изменяя скорость вращения каждого из двигателей, можно манипулировать силами тяги Ti и моментами Mi, которые заставляют дрон вращаться и перемещаться во всех трех измерениях.

За согласованное изменение скорости вращения электродвигателей отвечает полетный контроллер, а оператор лишь задает желаемые суммарную тягу, крен, тангаж и рыскание с помощью ручек управления (стиков) на пульте управления. Полетный контроллер, как правило, имеет несколько автоматических режимов, например, поддержания высоты, ограничения крена и тангажа, а также акробатические режимы для опытных пилотов.

Основные режимы полета квадрокоптера, соответствующие им изменения положений органов управления, и то, как они реализуются полетным контроллером путем изменения частоты вращения двигателей, приведены на рисунке 1.4. Направление вращения и скорость вращения обозначены стрелками, чем толще стрелки, тем выше скорость вращения.

Выполнение более сложных пространственных маневров достигается комбинацией перечисленных выше простых маневров. Поэтому оператор дрона должен уметь согласованно работать одновременно двумя стиками, управляя одновременно тангажом, креном, рысканием и тягой, заставляя коптер двигаться по заданной траектории.

x x x x x

z z z z z

Зависание

Набор высоты

Снижение

Рыскание влево

Рыскание вправо

x x x x

z z z z

Наклон и полет вперед

Наклон и полет назад

Наклон и полет влево

Наклон и полет вправо

15

Правый стик

Левый стик

Рисунок 1.4 – Основные маневры квадрокоптера

1.3

Основные

ТТХ

коммерческих

БпЛА

квадрокоптерного

типа

По целевому назначению БпЛА принято разделять на три группы: коммерческие, потребительские и боевые. Коммерческие БпЛА в отличие от потребительских обладают расширенными возможностями и функциональностью, поэтому они оказались востребованными для решения задач военного назначения. Сейчас на рынке доступно множество различных типов коммерческих дронов, каждый из которых имеет свой набор функций и преимуществ. На основе опыта боевого применения коммерческих БпЛА мультироторного типа наибольшую популярность получили квадрокоптеры производителей DJI, Autel, Xiaomi (таблица 1.1) [6].

Таблица 1.1 – Основные типы коммерческих БпЛА квадрокоптерного типа

Наименование

Камера

Время полета