Квадрокоптеры легкого типа в атмосферной оптической линии связи

Кузяков Борис Алексеевич

Кандидат физико - математических наук, Московский Технологический Университет, Москва, доцент каф. Телекоммуникационных Систем

АННОТАЦИЯ

В докладе рассматривается линия связи оптического диапазона с использованием квадрокоптеров легкого типа. Для моделирования линии связи использовали лазерный излучатель. Получены зависимости изменения угла наклона лазерного излучения от номера измерения.

ABSTRACT

The report discusses the communication line of the optical range using quadcopters light type. For modeling of the communication line used the laser emitter. The obtained dependences of change of the angle of inclination of the laser radiation from the room dimensions.

Ключевые слова: линия связи, оптический диапазон, лазерный излучатель, квадрокоптер

Keywords: communication line, optical range, laser emitter, quadrocopter.

Доклад посвящен важной и актуальной теме, поскольку в настоящее время квадрокоптеры широко применяются в разнообразных сферах науки и техники [1 - 4], включая системы телекоммуникаций [5 - 8] . В работе [1], рассматриваются вопросы эффективного применения квадрокоптера для ретрансляции сигналов РЧ диапазона. В предложенной схеме, источник и приемник сигналов установлены на земле, а ретранслятор размещен на корпусе квадрокоптера и его можно считать "активным". В оптическом диапазоне кроме такой схемы, возможна несколько иная: источник и приемник сигналов установлены на земле, а на квадрокоптере размещены переотражатели - зеркальные или уголковые. Ретрансляторы такого типа можно называть «пассивными» (рис. 1).

Рисунок 1. Вариант схемы «пассивного» ретранслятора на базе квадрокоптера

В докладе рассматриваются возможности "пассивных" ретрансляторов. Для оценки их возможностей были проведены ряд экспериментов с использованием легкого квадрокоптера SYMA X54HW. Он обладает 4-мя винтами, размер - 40 х 40 см. Для моделирования схемы переотражения излучения, в первом варианте, на корпус квадрокоптера установили лазерный излучатель на базе п/п кристалла, длина волны излучения в видимом диапазоне - 0,68 мкм. Устройство его крепления на корпусе квадрокоптера приведено на рис. 2.

Рисунок 2. Устройство крепления лазерного источника на корпусе квадрокоптера (упрощенный вариант)

На основе усреднения результатов 5-ти серий экспериментов был получен график зависимости последовательного изменения угла наклона лазерного излучения от вертикали на земную поверхность (асфальт) от номера измерения (рис. 3, 2). Интервал между измерениями – 3 сек. Квадрокоптер "зависал" на высоте - 2 м от поверхности земли и удерживался на одном месте в одном положении в режиме ручного управления. Этот Дрон оснащен барометром и 6-ти-осным гироскопом. Для упрощения, считаем, что перемещения лазерного излучения происходили в одном направлении. Из графика на рис. 3, 2, видно, что изменения (Δ) тангенса угла наклона лазерного излучения (tgθ) принимают значения в диапазоне: 0,05 – 0,25, усредненное значение, составляет σ1 – 0,14.

Для моделирования схемы переотражения излучения, во втором варианте, на корпус квадрокоптера установили плоское зеркало круглой формы (рис. 4 а, спереди, в центре). Схема эксперимента соответствовала схеме на рис.1. Использовался квадрокоптер типа HubSan X4. Он так же обладает 4-мя винтами, размер – 12,5 х 12,5 см. В комплект его оснастки, бортовой барометр не входит.

Квадрокоптер "зависал" на высоте – 1,5 м от поверхности земли и удерживался на одном месте в одном положении в режиме ручного управления на расстоянии - 2 м от бокового экрана. В приемопередающем модуле использовался такой же лазерный излучатель на базе п/п кристалла, длина волны излучения в видимом диапазоне - 0,68 мкм. Результаты измерений приведены на рис. 3,1. Величины (tgθ) принимают значения в диапазоне: 0,18 – 0,37, усредненное значение, составляет σ2 – 0,34.

Для моделирования схемы ретрансляции излучения, в третьем варианте, использовали квадрокоптер JXD 507 V. Он обладает 4-мя винтами, размер - 55 х 52,7 х 19,5 см, вес- 670 г. Он оснащен более совершенным датчиком атмосферного давления и 6-ти-осным гироскопом. На корпус квадрокоптера установили лазерный излучатель, аналогично первому варианту.

Все измерения проводились в вечернее время для повышения контрастности изображения лазерного пятна. Положения лазерного пучка фиксировались на экранах и фотографировались с помощью фотоаппарата Canon и встроенных камер 2-х мобильных телефонов. Примеры наблюдаемых изменений лазерного пучка на поверхности экранов, за счет быстрых флуктуаций (в течении времени съемки одного фотокадра) приведены на рис. 5.

Геометрия проведенных экспериментов определялась возможностями оперативных измерений.

Сопоставление полученных данных, показывает, что во втором варианте σ2 , более чем в 2,4 раза превышает σ1. В третьем варианте, величины (tgθ) принимают значения в диапазоне: 0,01 – 0,09, усредненное значение, составляет σ3 – 0,027. В третьем варианте (рис. 3-3), реализуется минимальное значение σ3 , что связано с применением более совершенных элементов и систем стабилизации.

Относительно большие величины Δ tg θ, во втором варианте, связаны, повидимому: в первую очередь, с несколько иной схемой эксперимента,

Рисунок 3. Зависимость последовательного изменения угла наклона лазерного излучения от номера измерения для 3 квадрокоптеров разного типа

с применением упрощенного гироскопического стабилизатора и отсутствием барометра в комплекте квадрокоптера.

Во - вторую очередь (во всех вариантах) – применением ручного управления квадрокоптерами, операторами с небольшим опытом работы.
 

Рисунок 4. Устройство крепления плоского отражателя излучения на корпусе квадрокоптера
 

При этом, проведенные эксперименты показывают, что лазерное излучение Дрона может покрывать значительную площадь приземной поверхности и может захватывать области расположения фотоприемников моделируемой системы связи.
 

Рисунок 5. Наблюдаемые профили лазерного излучения (а – д) на поверхности экрана в разных Экспериментах
 

Так, как, при расходимости лазерного излучения – 0,1 и высоте полета Дрона – 50 м, диаметр лазерного пучка на наземной поверхности, превышает 10 м.

Таким образом, показана возможность реализации схемы ретрансляции сигналов оптического диапазона в открытом пространстве с использованием квадрокоптеров разных типов.
 

Список литературы

1. Алешин М.Г., Дьяконов С.В., А. Ю. Сивов А.Ю. Обоснование основных характеристик антенной системы и параметров управления мощностью передатчика ретранслятора связи на беспилотном летательном аппарате // Журнал радиоэлектроники. – 2011, № 12, 21 с.

2. Богославский С.В., Дорофеев А.Д. Динамика полета летательных аппаратов: Учебное пособие. – СПб.: СПбГУАП, 2002 – 64 с.: ил.

3. Bramwell A.R.S., Done G., Balmford D. Bramwell’s helicopter dynamics – 2nd ed. – Oxford: Butterworth-Heinemann, 2001.– 373 p.

4. Джонсон У. Теория вертолета: В 2-х книгах. Пер. с англ. – М.: Мир, 1983. – (Авиационная и ракетно-космическая техника). – 1024 с.

5. Кузяков Б.А. Перспективные новации в оптических атмосферных телекоммуникационных системах // Теория и практика современной науки. – 2017, № 7(25), 26 с.

6. Передача данных с борта БПЛА: Стандарты НАТО. [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.liveinternet.ru/community/3629085/post199266296.2.

7. Сухачев А.Б. Применение остронаправленных антенн с БПЛА // Электросвязь. - 2009. - № 5.

8. Федутинов Д. Билет на беспилотник // Военно-промышленный курьер. – 2017, №29 (693)., с. 8 - 9.