Система стабилизации напряжения в системе электроснабжения БПЛА

Моделирование системы стабилизации напряжения в системе электроснабжения беспилотного летательного аппарата в программе MATLAB/Simulink.

Я, Гасанова Рената Азадовна, студентка Дальневосточного государственного университета путей сообщения, занимаюсь научной деятельностью с 2019 года.
Программа MATLAB/Simulink позволила мне смоделировать, а в последствии и усовершенствовать схему устройства стабилизации напряжения БПЛА.
Представленный мною проект принимал участие во Всероссийском фестивале "Студенческая весна 2021" и занял второе место; также проект принимал участие в конференции ДВГУПС и занял третье место. 
Данная система стабилизации напряжения была запатентована в 2020 году.

Техническим результатом является расширение функциональных возможностей устройства для управления тиристорами трехфазного мостового выпрямителя путем построения трех каналов управления по числу фаз, в каждом из которых осуществляется синхронизация, управление и регулирование фазы выходных прямоугольных импульсов управления, их формирование и усиление, обеспечивающие стабилизацию выходного напряжения при изменении величины амплитуды и частоты его входного напряжения, поступающего от трехфазного синхронного генератора.

Результаты исследования, а также разработанная компьютерная модель могут использоваться также и в других сферах, где присутствует необходимость в стабилизации напряжения. Следует отметить, что благодаря полученным в ходе исследования данным стало возможным в кратчайшие сроки собрать устройство стабилизации и провести его испытания непосредственно на объекте.

Проведенное математическое моделирование работы устройства для управления тиристорами трехфазного мостового управляемого выпрямителя с настройкой устройства для управления тиристорами на стабилизацию выходного напряжения выпрямителя на уровень 50 В показало, что при изменении линейного напряжения синхронного генератора с 40 до 80 В и частоты переменного тока с 400 до 800 Гц, стабилизация выходного напряжения Uстаб трехфазного мостового выпрямителя была осуществлена на уровне 50 В с отклонением в сторону увеличения до 54 В и в сторону уменьшения до 47 В, что составляет 7% отклонения при увеличении и 6% при уменьшении. Это является хорошим результатом стабилизации.

ВВЕДЕНИЕ

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) начали приобретать популярность в гражданских сферах с 2010 года. Изначально БПЛА представляли собой крупногабаритные и дорогостоящие комплексы, которые зачастую применялись в военных целях. Именно последнее десятилетие стало прорывом в сфере беспилотных технологий.

Тенденция связана с миниатюризацией вычислительных систем, а также с развитием спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и GPS. В этот период происходит оптимизация размеров, веса, а также стоимости летательных аппаратов уже нового уровня, и которые становятся доступными на ряду с технологиями бытового характера. Области применения таких летательных аппаратов настолько разнообразны, что на сегодняшний день мировой объем продаж составил свыше 9,4 миллионов аппаратов.

Одной из перспективных сфер является сельское хозяйство, применяющее беспилотные летающие аппараты для эффективного управления производством. В небольших хозяйствах фермеры могут осуществлять контроль и вручную, но площади посевных полей не всегда позволяют это сделать оперативно. Большинство оценок, производимых в таких случаях, делаются наземным путем при помощи выезда на поля экспертной группы. С плоскости невозможно оценить весь масштаб происшествия. Поэтому для ускорения этого процесса необходимо использовать аэрофотосъемку в том числе летающих роботов – беспилотные летательные аппараты. Фермеры будут использовать пестициды и фугнициды только там, где это действительно необходимо, и в меньших количествах; таким образом будет предотвращено заражение пищи и окружающей среды химикатами, и к тому же будут сэкономлены деньги. 
Следовательно, максимальной результативности здесь можно добиться, только владея актуальной и точной информацией о площади, рельефе, специфики грунта полей. Но для наблюдения за полями используют всего два вида БПЛА, отличающиеся своей конструкцией и летными характеристиками:

Коптерные беспилотники или дроны – могут оснащаться различным количеством винтов, что позволяет отлично справляться с точечной съемкой в одном месте для обследования небольшого земельного участка, трехмерного моделирования, опрыскивания. Квадрокоптеры отличаются простой конструкцией, стабильностью полета и надежностью. К недостаткам БПЛА этого вида можно отнести небольшую скорость и ограниченное время полета из-за чего радиус действия меньше, чем у самолетных дронов.

Самолетного типа или Летающее крыло – наиболее удобный вариант для облета больших территорий, характеризующийся высокими аэродинамическими показателями. БПЛА этого типа лучше всего подходит для мониторинга протяженных объектов или съемки в условиях значительного удаления. Но, из-за особенностей конструкции беспилотник должен постоянно двигаться и поэтому не может работать в режиме зависания над объектом, а также осуществлять съемку на ограниченных территориях.

Но при создании БПЛА, требуемого для решения конкретных задач, возникает проблема, связанная с контролем оборотов на двигателе. Т.к. в беспилотнике используется несколько двигателей, то количество оборотов на них должно быть одинаково, иначе БПЛА может стать неуправляемым.

Цель работы: стабилизировать напряжение питания БПЛА.

Задача проекта: разработать модель устройства стабилизации.

Объект исследования: беспилотные летательные аппараты.

Предмет исследования: модель, созданная в программе MATLAB/Simulink.

Полный текст работы доступен ниже в разделе файлы.