ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ : Σ Α Ε : Ε Α Ρ Δ Ε

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ : Σ Α Ε : Ε Α Ρ Δ Ε του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Α Σ : Θέμα Κατασκευή και Έλεγχος VTOL Αεροσκάφους Επιβλέπων Καθηγητής Αντώνιος Τζες Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Φεβρουάριος 2017

2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα Κατασκευή και Έλεγχος VTOL Αεροσκάφους του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Αναστάσιος Σαγγιώτης (Α.Μ.: ) παρουσιάτηκε δημόσια και εξετάστηκε στο τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 28/2/2017 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Αντώνιος Τζες Καθηγητής Νικόλαος Κούσουλας Καθηγητής

4

5 Στοιχεία διπλωματικής εργασίας Θέμα: Κατασκευή και Έλεγχος VTOL Αεροσκάφους Φοιτητής: Αναστάσιος Σαγγιώτης Ομάδα επίβλεψης Καθηγητής Αντώνιος Τζες Καθηγητής Νικόλαος Κούσουλας Εργαστήρια Εργαστήριο Αυτοματισμού και Ρομποτικής Περίοδος εκπόνησης της εργασίας: Ιούνιος Φεβρουάριος 2017

6

7 Περίληψη Η εργασία αυτή ασχολείται με τη διαδικασία σχεδίασης και κατασκευής ενός μικρής κλίμακας μη επανδρωμένου αεροσκάφους τύπου κάθετης αποπροσγείωσης ευρέως γνωστό και ως VTOL (Vertical Take-Off & Landing). Αεροσκάφη υψηλής ταχύτητας που δύναται να απογειωθούν και να προσγειωθούν οπουδήποτε χωρίς την ανάγκη για αεροδιάδρομο ήταν πάντα επιθυμητά αλλά μέχρι τώρα μία σειρά από παραμέτρους καθιστούσε ασύμφορη την κατασκευή και τη χρήση τους. Σήμερα όμως με τις νέες τεχνολογίες ηλεκτρικών κινητήρων, μπαταριών και συστημάτων ελέγχου είμαστε σε θέση να υλοποιήσουμε τέτοια οχήματα μικρής κλίμακας τα οποία είναι οικονομικά, εύχρηστα και αξιόπιστα. Το αεροσκάφος έχει σχεδιαστεί για σενάρια μεταφοράς είτε φορτίου αντικειμένων είτε φορτίου αισθητήρων. Το τελικό σχέδιο υιοθετήθηκε μετά από εξέταση πολλών διαμορφώσεων με ιδιαίτερη έμφαση στις παραμέτρους ευχρηστίας και επισκευασιμότητας. Πιο συγκεκριμένα, οι απαιτήσεις που κρίθηκε σημαντικό να τηρηθούν, ήταν η εύκολη επισκευή από μη εξειδικευμένους χρήστες, η κατασκευή από προσιτά υλικά και η μεταφορά του αεροσκάφους σε τυπικό αποθηκευτικό χώρο αυτοκινήτου. Για την ικανοποίηση όλων των απαιτήσεων κρίθηκε σωστό να υιοθετηθεί η φιλοσοφία αποσπώμενων μονάδων μικρότερων διαστάσεων. Με τη χρήση σχεδιαστικών μεθόδων μέσα από προγράμματα υπολογιστικά υποβοηθούμενου σχεδιασμού (CAD) έγινε δυνατή η αξιολόγηση διαφορετικών διατάξεων. Αυτό επέτρεψε την εκτίμηση της θεωρητικής απόδοσης και συμπεριφοράς του σχεδίου κάτω από τις αναμενόμενες συνθήκες πτήσης πριν την κατασκευή. Μετά από σειρά βελτιώσεων σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ένα αεροσκάφος που είναι δομικά στιβαρό και αεροδυναμικά αποδοτικό. vii

8

9 Περιεχόμενα Κατάλογος σχημάτων Κατάλογος πινάκων xi xiii 1 Εισαγωγή Στόχοι και Επιστημονικά Κίνητρα Προαπαιτούμενα Μη Επανδρωμένων Αεροσκαφών Το αεροσκάφος Σύνοψη κεφαλαίου Νομικό πλαίσιο πτήσης μη επανδρωμένων αεροσκαφών Γενικές αρχές κανονισμού Κατηγοριοποίηση Συστημάτων μη Επανδρωμένων Αεροσκαφών «Ανοικτή» κατηγορία (UAS Open Category) Διεξαγωγή Πτήσεων ΣΜηΕΑ (UAS) Σύνοψη κεφαλαίου Θεωρία πτήσης Συστήματα Συντεταγμένων Newton-Euler NED σύστημα συντεταγμένων Πτήση τετρακοπτέρου Πτήση αεροσκάφους σταθερών πτερύγων Μετάβαση μεταξύ καταστάσεων πτήσης Μετάβαση από κατάσταση κάθετης πτήσης σε κατάσταση ευθείας πτήσης Μετάβαση από κατάσταση ευθείας πτήσης σε κατάσταση κάθετης πτήσης Σύνοψη κεφαλαίου Αεροδυναμική Σχεδίαση και Ανάλυση Εισαγωγή Αρχή λειτουργίας της αεροτομής σε αεροσκάφος Γεωμετρικά χαρακτηριστικά πτερύγων αεροσκαφών Δυνάμεις κατά την πτήση Σχεδιασμός του OspreyT Συμπεράσματα Σύνοψη κεφαλαίου Περιγραφή συστήματος OspreyT 33 ix

10 x ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 5.1 Σχεδιασμός πλατφόρμας και υλοποίηση Άτρακτος και κύριο σώμα Συστήματα ισχύος Αισθητήρες και υπολογιστικά συστήματα Επικοινωνία Τροφοδοσία συστήματος Περιγραφή software stack Σταθμός βάσης MAVLink Κώδικας προσαρμοσμένος στο αεροσκάφος Κοινές Βιβλιοθήκες Διεπαφή Υλισμικού Έλεγχος συστήματος Κάθετη πτήση Ευθεία πτήση Προένευση (Pitch) Κλίση (Roll) Εκτροπή (Yaw) Σύνοψη κεφαλαίου Δοκιμές Δοκιμές ελίκων ΝΕΜ (Black Widow) (394KV) Scorpion SII (V2) (780KV) Δοκιμές κάθετης πτήσης Δοκιμές ολοκληρωμένης πτήσης Σύνοψη κεφαλαίου Συμπεράσματα Σύνοψη Προτεινόμενες αλλαγές Μελλοντικά σχέδια Βιβλιογραφία 61

11 Κατάλογος σχημάτων 1.1 Στρατιωτικά UAS Παραδείγματα UAS Παραμετρικό μοντέλο του Αεροσκάφους Το αεροσκάφος σε πτήση Οι άξονες των γωνιών Newton Euler Το σύστημα συντεταγμένων NED Φορά περιστροφής των κινητήρων του quadcopter για ισσοροπημένη κίνηση Δεξιόστροφη φορά των κινητήρων οδηγεί σε αριστερόστροφη κίνηση του τετρακοπτέρου Κινήσεις quadcopter Σημεία αεροτομής Aspect Ration και Δίεδρος Ταχύτητα, ανύψωση, οπισθέλκουσα Αναλογίες εκπαιδευτικού αεροσκάφους Κάτοψη του OspreyT Σημαντικοί συντελεστές της αεροτομής NACA Ανάλυση της αεροτομής NACA4412 στο λογισμικό XFLR Μοντέλο αεροσκάφους στο λογισμικό XFLR Ανάλυση σταθερής ταχύτητας Το αεροσκάφος OspreyT Συναρμολόγηση πτέρυγας Στάδιο κατασκευής ατράκτου Σχεδιασμός εξαρτημάτων της ατράκτου Κατασκευή στήριξης ουράς αεροσκάφους Κατασκευή στήριξης ουραίων πτερύγων Στήριξη κινητήρων κάθετης αποπροσγείωσης Scorpion SII v kV NEM KV Built-in ESC 40A OPTO ESC Κινητήρες OspreyT Emlid NAVIO+ πάνω σε Raspberry Pi FrSKY TARANIS plus και FrSKY X8R DR Radio V2 433MHz Scorpion Performance Power Pack 10000mAh 6s/22.2V Σύνδεση AttoPilot σε πλακέτα NAVIO Βασική δομή λογισμικού Ardupilot xi

12 xii ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ 5.17 Περιβάλλον λογισμικού Mission Planner Ελεκτής αξόνων τετρακοπτέρου Ελεγκτής προένευσης αεροσκάφους σταθερής πτέρυγας Ελεγκτής κλίσης αεροσκάφους σταθερής πτέρυγας Ελεγκτής εκτροπής αεροσκάφους σταθερής πτέρυγας Συσκευή μέτρησης ισχύος ελίκων Απόκριση τελικών τιμών του ελεγκτή του άξονα Roll Στιγμιότυπο από την πρώτη ολοκληρωμένη πτήση του αεροσκάφους Το πλάνο πτήσης που εκτελέστηκε Απεικόνιση συντεταγμένων GPS και δεικτών Απεικόνιση γωνιών Newton-Euler κατά τη διάρκεια της πτήσης Ισχύς των κινητήρων κατά τη μετάβαση από λειτουργία τετρακοπτέρου σε λειτουργία ευθείας πτήσης Γωνίες Roll και Pitch κατά τη μετάβαση από λειτουργία τετρακοπτέρου σε λειτουργία ευθείας πτήσης Ισχύς των κινητήρων κατά τη μετάβαση από κατάσταση πτήσης ως αεροσκάφος σταθερής πτέρυγας σε κατάσταση πτήσης ως τετρακόπτερο Γωνίες Roll και Pitch κατά τη μετάβαση από κατάσταση πτήσης ως αεροσκάφος σταθερής πτέρυγας σε κατάσταση πτήσης ως τετρακόπτερο 58

13 Κατάλογος πινάκων 5.1 Στόχοι για τα επί μέρους χαρακτηριστικά του αεροσκάφους Περιορισμοί για την κατασκευή του αεροσκάφους Τιμές Ziegler-Nichols για τον άξονα Roll Τελικές τιμές κερδών ελεγκτή PID του άξονα Roll Τιμές Ziegler-Nichols για τον άξονα Yaw xiii

14

15 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή 1.1 Στόχοι και Επιστημονικά Κίνητρα Ο έλεγχος ενός μη επανδρωμένου αεροσκάφους το οποίο δύναται να ίπταται είτε σαν ελικόπτερο είτε σαν αεροπλάνο έχει ιδιαίτερο επιστημονικό και εμπορικό ενδιαφέρον σήμερα. Τα κίνητρα της εργασίας είναι η αποδοτικότητα πτήσης και οι πρακτικές εφαρμογές ενός τέτοιου αεροσκάφους. Η εργασία αυτή προσβλέπει στον ολοκληρωμένο σχεδιασμό και κατασκευή ενός λειτουργικού μη επανδρωμένου VTOL αεροσκάφους μικρής κλίμακας. Ο σχεδιασμός θα πρέπει να προβλέπει την ασφάλεια του χρήστη αλλά και την ευκολία χρήσης και αποθήκευσης. Για το σχεδιασμό του αεροσκάφους ακολουθήθηκε συγκεκριμένη μεθοδολογία. Σαφής ορισμός των στόχων του αεροσκάφους καθώς και των περιορισμών του. Σύγκριση των στόχων και των περιορισμών με τον κανονισμό για Συστήματα μη Επανδρωμένων Αεροσκαφών (ΣμηΕΑ) της Ελληνικής Υπηρεσίας Πολιτικής Αεροπορίας και λήψη σχεδιαστικών αποφάσεων με γνώμονα τον κανονισμό αυτό. Επιλογή υπολογιστικού συστήματος. Επιλογή εξαρτημάτων κάθετης πτήσης. Αεροδυναμική σχεδίαση και ανάλυση αεροσκάφους σταθερών πτερύγων. Επιλογή εξαρτημάτων ευθείας πτήσης. Κατασκευή αεροσκάφους Αρχική ρύθμιση Δοκιμές Τελική ρύθμιση Πτήσεις Στόχος ήταν μετά το πέρας της εργασίας να υπάρχουν τα παρακάτω παραδοτέα: Λειτουργικό και ελέγξιμο αεροσκάφος σταθερής πτέρυγας κάθετης αποπροσγείωσης Συμβατότητα με το υπάρχον Νομικό Πλαίσιο Αεροδυναμική ανάλυση του αεροσκάφους Τουλάχιστον μία ολοκληρωμένη πτήση 1

16 2 Εισαγωγή 1.2 Προαπαιτούμενα Μη Επανδρωμένων Αεροσκαφών Τα μη επανδρωμένα αεροσκάφη ορίζονται ως αεροσκάφη ελεγχόμενα χωρίς την παρουσία ανθρώπου-χειριστή στο αεροσκάφος. Η πτήση των μη Επανδρωμένων Εναέριων Συστημάτων (UASs) μπορεί να γίνει με διάφορους βαθμούς αυτονομίας. Τέτοιου είδους αεροσκάφη χρησιμοποιούνται για εφαρμογές που είναι μη αναγκαία ή και επικίνδυνη η παρουσία χειριστή. Τέτοιες είναι στρατιωτικές εφαρμογές, βιομηχανικές επιθεωρήσεις, βιντεοσκόπηση ή επιτήρηση. Η κατηγορία των μη επανδρωμένων αεροσκαφών στην οποία θα επικεντρωθεί αυτή η εργασία, είναι τα αεροσκάφη κάθετης αποπροσγείωσης ή VTOL (Vertical Take- Off & Landing). Ένα τέτοιο αεροσκάφος μπορεί να περίπταται, να απογειώνεται και να προσγειώνεται κάθετα. Αυτή η κατηγορία περιλαμβάνει αεροσκάφη με πτέρυγες, αεροσκάφη τύπου ελικοπτέρου, πολύ-κόπτερα αλλά και αεροσκάφη με κλινόμενους δρομείς. Πέραν του πολύ συνηθισμένου ελικοπτέρου υπάρχουν αυτή τη στιγμή δύο τύποι VTOL αεροσκαφών σε στρατιωτική χρήση: αεροσκάφη που χρησιμοποιούν κλινόμενους δρομείς (Tilt-Rotor), όπως το Bell Boeing V-22 Osprey (Εικόνα 1.1αʹ), και αεροσκάφη που χρησιμοποιούν κατευθυνόμενη ώθηση από κινητήρα τύπου Jet, όπως η οικογένεια αεροσκαφών Harrier και το νέο F-35B Lightning II Joint strike Fighter (JSF) (Εικόνα 1.1βʹ). Κάποια από αυτά χρησιμοποιούνται τόσο για σενάρια διάσωσης όσο και για σενάρια εξερεύνησης. Γενικώς τα VTOL αεροσκάφη που έχουν τη δυνατότητα να λειτουργήσουν σαν STOVL, επιλέγουν τη χρήση αυτής της λειτουργίας καθώς αυξάνει το βάρος απογείωσης, την εμβέλεια και τη δυνατότητα μεταφοράς φορτίου συγκριτικά με την απλή VTOL λειτουργία [1]. (αʹ) Bell Boeing V-22 Osprey¹ (βʹ) F-35B Lightning II Joint strike Fighter (JSF)² Σχήμα 1.1: Στρατιωτικά UAS Εκτός από τα αεροσκάφη μεγάλης κλίμακας στρατιωτικού τύπου, ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζεται στα μη επανδρωμένα αεροσκάφη μικρής κλίμακας τόσο για στρατιωτικούς όσο και για εμπορικούς σκοπούς. Η αύξηση της αποδοτικότητας των ηλεκτρικών κινητήρων και η αύξηση του λόγου χωρητικότητας των μπαταριών προς το βάρος τους, δημιούργησε ευκαιρίες για νέες μορφές VTOL αεροσκαφών. Ένα τέτοιο VTOL UAS μπορεί να μεταφέρει πληθώρα φορτίων όπως αισθητήρες, κάμερες και φορτία για μεταφορά σε δύσβατες περιοχές. Μία σειρά από τέτοια αεροσκάφη που βρίσκονται αυτή τη στιγμή στην αγορά ή σε ανάπτυξη παρουσιάζεται παρακάτω. ¹ ²

17 Προαπαιτούμενα Μη Επανδρωμένων Αεροσκαφών 3 Εταιρίες όπως η Amazon (Εικόνα 1.2γʹ) και η Google (Εικόνα 1.2δʹ) έχουν δείξει ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τον τομέα της μεταφοράς φορτίου από και προς τοποθεσίες με περιορισμένο χώρο προσγείωσης και απογείωσης. Για αυτό το λόγο έχουν αναπτύξει αεροπλάνα κάθετης αποπροσγείωσης. Η γερμανική εταιρία Ascending Technologies, η οποία αγοράστηκε από την Intel Corporation, παράγει το AscTec Falcon 8 (Εικόνα 1.2αʹ), ένα από τα πιο δημοφιλή και αξιόπιστα UAS για επιθεώρηση υποδομών. Το συγκεκριμένο σύστημα παρέχει πλεονάζουσα αξιοπιστία με πολλαπλές δικλείδες ασφαλείας και πολλαπλούς κινητήρες έτσι ώστε να διατηρείται ο έλεγχος ακόμη και σε περίπτωση απώλειας ενός ή παραπάνω κινητήρων. Επίσης έχει τη δυνατότητα να δεχτεί μεγάλο ωφέλιμο φορτίο και να επεξεργαστεί στοιχεία κατά τη λήψη τους με τον υπολογιστή μεγάλης ισχύος που βρίσκεται στην άτρακτό του. Εκτός από τα αεροσκάφη μεγάλης κίμακας στρατιωτικού τύπου, ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζεται στα μη επανδρωμένα αεροσκάφη μικρής κλίμακας τόσο για στρατιωτικούς όσο και για εμπορικούς σκοπούς. Η αύξηση της αποδοτικότητας των ηλεκτρικών κινητήρων και η αύξηση του λόγου χωρητικότητας των μπαταριών προς το βάρος τους, άνοιξε τις πόρτες για νέες μορφές VTOL αεροσκαφών. Ένα τέτοιο VTOL UAS μπορεί να μεταφέρει πληθώρα φορτίων όπως αισθητήρες, κάμερες και φορτία για μεταφορά σε δύσβατες περιοχές. Μία σειρά από τέτοια αεροσκάφη που βρίσκονται αυτή τη στιγμή στην αγορά ή σε ανάπτυξη παρουσιάζεται στο Σχήμα 1.2. (αʹ) AscTec Falcon 8/Intel Falcon 8+³ (βʹ) DJI Matrice 600⁴ (γʹ) Amazon Prime Air⁵ (δʹ) Google Project Wing⁶ Σχήμα 1.2: Παραδείγματα UAS Το DJI Matrice 600 (Εικόνα 1.2βʹ) είναι ένα από τα επαγγελματικά συστήματα ¹ ⁶ ⁶ ⁶

18 4 Εισαγωγή που προσφέρει η εταιρία DJI. Η εταιρία είναι πιθανώς ο πιο δημοφιλής κατασκευαστής μη επανδρωμένων εναέριων συστημάτων. Το συγκεκριμένο εργαλείο έχει κύριο στόχο την της βιντεοσκόπησης και φωτογραφίας. Έχει εμβέλεια 5 χλμ. και ειδικά εργαλεία για διαχείριση εικόνας υψηλής ευκρίνειας. Όπως παρατηρείται, υπάρχουν διαφορετικά μεγέθη, διαρυθμίσεις και συστήματα ελέγχου των μη επανδρωμένων αεροσκαφών. Ο λόγος είναι ότι κάθε σύστημα σχεδιάζεται ανάλογα με τις απαιτήσεις και τους στόχους που πρέπει να ικανοποιήσει. Όπως παρατηρείται, υπάρχουν διαφορετικά μεγέθη, διαρυθμίσεις και συστήματα ελέγχου των μη επανδρωμένων αεροσκαφών. Ο λόγος είναι ότι κάθε σύστημα σχεδιάζεται ανάλογα με τις απαιτήσεις και τους στόχους που πρέπει να ικανοποιήσει. 1.3 Το αεροσκάφος Για την επίτευξη πτήσης αυξημένης αυτονομίας, αυτή η εργασία προτείνει τη χρήση υβριδικής διαμόρφωσης UAS όπως φαίνεται στην Εικόνα 1.3. Η διαμόρφωση αυτή συνδυάζει σύστημα τετρακοπτέρου και τυπικό αεροσκάφος σταθερών πτερύγων. Το σύστημα σχεδιάστηκε με βάση την απλότητα και την αποδοτικότητα και αναμένεται να έχει αυξημένη αυτονομία συγκριτικά με ένα ανάλογο τετρακόπτερο σε κάποια σενάρια. Ο λόγος είναι ότι απαιτείται λιγότερη ώθηση για την πρόσθια πτήση με πτέρυγα συγκριτικά με την ώθηση που χρειάζεται ένα τετρακόπτερο της ίδιας μάζας. Όπως φαίνεται και από προηγούμενα παραδείγματα, η διαμόρφωση αυτή τείνει να γίνει το τυπικό σχέδιο για μη επανδρωμένα αεροσκάφη μεταφοράς φορτίου. Σχήμα 1.3: Παραμετρικό μοντέλο του Αεροσκάφους Προγενέστερη έκδοση αυτού του αεροσκάφους έλαβε μέρος στο διαγωνισμό Cargo Drone Challenge της εταιρίας AIRBUS [2]. Το αποτέλεσμα ήταν το σχέδιο να προκριθεί σε ψηφοφορία όπου έλαβε σημαντικό αριθμό ψήφων.

19 Σύνοψη κεφαλαίου 5 Η τελική έκδοση του αεροσκάφους ήταν αποτέλεσμα δοκιμής πολλών διαμορφώσεων και εξερεύνησης τεχνικών σχεδιασμού τόσο σε θεωρητικό όσο και σε πρακτικό επίπεδο. Παρακάτω φαίνεται το αεροσκάφος από διαφορετικές γωνίες. Σχήμα 1.4: Το αεροσκάφος σε πτήση 1.4 Σύνοψη κεφαλαίου Τα μη επανδρωμένα αεροσκάφη αποκτούν όλο και μεγαλύτερο ενδιαφέρον λόγω των πρακτικών προτερημάτων που προσφέρουν. Τείνουν να χρησιμοποιούνται για όλο και σημαντικότερες αποστολές και εισέρχονται σταδιακά τόσο στην ιδιωτική όσο και στη βιομηχανική ζωή. Τα τελευταία χρόνια, τα αεροσκάφη κάθετης αποπροσγείωσης γίνονται όλο και πιο δημοφιλή. Η δυνατότητά τους να καλύπτουν μεγάλες αποστάσεις και να αποπροσγειώνονται κάθετα έχει εξυπηρετήσει ανάγκες, οι οποίες στο παρελθόν ήταν πολύ κοστοβόρες και επικίνδυνες να ικανοποιηθούν. Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάστηκαν παραδείγματα επιτυχημένων Συστημάτων μη επανδρωμένων αεροσκαφών τόσο μικρής όσο και μεγάλης κλίμακας. Έπειτα παρουσιάστηκε εν συντομία το αεροσκάφος, το οποίο κατασκευάστηκε και σημειώθηκαν οι μέχρι τώρα επιτυχίες του.

20

21 Κεφάλαιο 2 Νομικό πλαίσιο πτήσης μη επανδρωμένων αεροσκαφών Πρόσφατα η Ελλάδα έγινε μία από τις χώρες που διαθέτουν νομικό πλαίσιο και κανονισμούς για τη χρήση και την πτήση μη επανδρωμένων αεροσκαφών [3]. Η συγκεκριμένη εργασία είχε σαν βασικό στόχο την ικανοποίηση του υφιστάμενου Ελληνικού νομικού πλαισίου Σε αυτό το κεφάλαιο δίνεται μία επεξήγηση αυτών των κανονισμών και οι επιλογές που έγιναν για τη συμμόρφωση με αυτούς. 2.1 Γενικές αρχές κανονισμού Ο κανονισμός για την πτήση και τη χρήση Συστημάτων μη Επανδρωμένων Αεροσκαφών (ΣμηΕΑ), βασίστηκε στις παρακάτω αρχές: Την απαίτηση σύγχρονου κανονιστικού πλαισίου βασισμένο σε επιχειρησιακές αρχές όπως η διαχείριση κινδύνων και ασφάλειας. Την ανάπτυξη του δυναμικού κλάδου των? προϊόντων και των υπηρεσιών των συστημάτων μη επανδρωμένων αεροσκαφών, ώστε να δημιουργηθούν ευκαιρίες για απασχόληση, χωρίς εμπόδια και γραφειοκρατικό βάρος, τόσο για τον πολίτη, όσο και για τη διοίκηση. Την αναλογικότητα ως προς το επιχειρησιακό περιβάλλον χρήσης των μη επανδρωμένων αεροσκαφών, με βάση την οποία ρυθμίζονται και τα θέματα ασφάλισης και ευθύνης. Το διαχωρισμό μη επανδρωμένων και επανδρωμένων αεροσκαφών αλλά και την χωρίς γραφειοκρατικά εμπόδια λειτουργία των πρώτων. Τη διαμόρφωση αλλά και την εδραίωση του κανονιστικού περιβάλλοντος που θα επιτρέπει την ασφάλεια των πτήσεων, την προστασία των πολιτών, την προστασία προσωπικών αλλά και κρατικού ενδιαφέροντος δεδομένων. Την εύκολη, χωρίς δαπάνες καταχώρηση στοιχείων στο μητρώο και την ηλεκτρονική αποστολή μέσω διαδικτύου με χρήση τυποποιημένων εύχρηστων σχεδίων πτήσης. Οι πολίτες θα πρέπει να έχουν τη δυνατότητα να γνωρίζουν με σαφήνεια και να εκπληρώνουν με ευχέρεια όσες υποχρεώσεις απορρέουν από τον κανονισμό των μη επανδρωμένων αεροσκαφών. Ταυτόχρονα, ο κλάδος των τελευταίων με ευρύ φάσμα δραστηριοτήτων και δυναμική εξέλιξη, θα έχει τη δυνατότητα να αναπτυ- 7

22 8 Νομικό πλαίσιο πτήσης μη επανδρωμένων αεροσκαφών χθεί μέσα σε ένα κανονιστικό πλαίσιο ασφαλούς και νόμιμης δραστηριότητας με στόχο την ανάπτυξη. Ο κανονισμός προβλέπει τις σύγχρονες ανάγκες των συστημάτων μη επανδρωμένων αεροσκαφών, των χειριστών τους αλλά και της κοινωνίας: Κατηγοριοποίηση των μη επανδρωμένων αεροσκαφών με βάση τις επιχειρησιακές αρχές, τη μέγιστη μάζα απογείωσης, τη χρήση και κυρίως τον συνεπαγόμενο κίνδυνο από την δραστηριότητά τους («ανοικτή» κατηγορία χαμηλός κίνδυνος, έως 25 κιλά, «ειδική» κατηγορία, μεσαίος κίνδυνος και «πιστοποιημένη» κατηγορία- υψηλός κίνδυνος). Καταγραφή, σε ηλεκτρονικό αρχείο, των ΣμηΕΑ, των εκμεταλλευόμενων των αεροσκαφών καθώς και των χειριστών τους. Καταχώρηση των αεροσκαφών σε ένα τμήμα του Μητρώου - Νηολογίου αεροσκαφών εφ όσον ανήκουν στην ειδική και πιστοποιημένη κατηγορία. Ταυτοποίηση των αεροσκαφών με σκοπό την δημιουργία ασφαλούς περιβάλλοντος για όλους τους πολίτες. Ειδική άδεια για την χρήση αεροσκαφών, σε περίπτωση εμπορικής εκμετάλλευσής, σε όλες τις κατηγορίες. Δήλωση της χρήσης του συστήματος μη επανδρωμένου αεροσκάφους από τον εκμεταλλευόμενο και καθορισμός προϋποθέσεων για χορήγηση πιστοποιητικών και αδειών από την ΥΠΑ. Ασφάλιση έναντι τρίτων. Μέτρα για την προστασία δεδομένων προσωπικού χαρακτήρα. Διαχωρισμός στη χρήση Εναερίου Χώρου επανδρωμένων και μη επανδρωμένων αεροσκαφών. Κατάθεση σχεδίων πτήσης με άμεσο, εύκολο και ανέξοδο τρόπο μέσω διαδικτύου. Καθορισμός ύψους πτήσεων και περιοχών επιτρεπόμενων ή μη για τις πτήσεις των ΣμηΕΑ. Ευχέρεια συμμόρφωσης προς το κανονιστικό πλαίσιο από όλους τους χρήστες, επαγγελματίες και μη. Κυρώσεις επί παραβάσεων. 2.2 Κατηγοριοποίηση Συστημάτων μη Επανδρωμένων Αεροσκαφών Για τη σωστή και ευέλικτη ανά περίπτωση νομοθέτηση, είναι αναγκαία η κατηγοριοποίηση των Συστημάτων μη Επανδρωμένων Αεροσκαφών. Για την κατηγοριοποίηση αυτή λαμβάνονται υπ όψιν οι εξής παράγοντες: Η μέγιστη μάζα απογείωσης (ΜΤΟΜ) Το είδος της χρήσης Το ύψος άνωθεν της επιφάνειας της γης ή της θαλάσσης όπου επιτρέπεται να ίπτανται Οι περιοχές (αποκλειστικές ή μη) όπου ίπτανται Οι τεχνικές δυνατότητες εκάστοτε συστήματος

23 «Ανοικτή» κατηγορία (UAS Open Category) 9 Η πολυπλοκότητα του περιβάλλοντος πτητικής λειτουργίας του συστήματος μη επανδρωμένου αεροσκάφους Λαμβανομένων υπόψη των παραπάνω κριτηρίων καθορίζονται οι ακόλουθες κατηγορίες συστημάτων μη επανδρωμένων αεροσκαφών: Η «ανοικτή» κατηγορία (UAS Open Category) Η «ειδική» κατηγορία (UAS Specific Category) Η «πιστοποιημένη» κατηγορία (UAS Certified Category) Για την «ανοικτή» κατηγορία υπάρχουν σαφείς προδιαγραφές και οδηγίες οι οποίες θα εξηγηθούν παρακάτω. Η «ειδική» κατηγορία περιλαμβάνει συστήματα μη επανδρωμένων αεροσκαφών τα οποία προέρχονται από άλλες χώρες και απαιτείται διαδικασία ελέγχου της συμμόρφωσής τους με τον Κανονισμό. Τέλος, η «πιστοποιημένη» κατηγορία περιλαμβάνει αεροσκάφη ειδικών δυνατοτήτων και απαιτήσεων τα οποία απαιτούν επιπλέον πιστοποίηση. Η απόφαση για την ένταξη ενός αεροσκάφους στην «ειδική» και στην «πιστοποιημένη» κατηγορία είναι αρμοδιότητα της Υπηρεσίας Πολιτικής Αεροπορίας και λαμβάνεται κατά την αξιολόγηση του συστήματος. 2.3 «Ανοικτή» κατηγορία (UAS Open Category) Οι γενικές προϋποθέσεις για την ένταξη στην «ανοικτή» κατηγορία είναι: Ο χειριστής (remote pilot) έχει απευθείας οπτική επαφή με το ΣμηΕΑ. Οι πτήσεις εκτελούνται μόνο με μη επανδρωμένα αεροσκάφη με μέγιστη μάζα κατά την απογείωση (ΜΤΟΜ) μικρότερη των 25 κιλών. Η πτητική λειτουργία μη επανδρωμένων αεροσκαφών στις «απαγορευμένες περιοχές για τις πτήσεις μη επανδρωμένων αεροσκαφών» αλλά και σε απαγορευμένες /περιορισμένες περιοχές (Prohibited/Restricted Areas) όπως έχουν οριστεί για επανδρωμένα αεροσκάφη, απαγορεύεται. Τα μη επανδρωμένα αεροσκάφη που ίπτανται σε «Προσωρινές Αποκλειστικές Περιοχές» (Temporary Segregated Areas) για την πτήση ΣμηΕΑ πρέπει να συμμορφώνονται προς τους ισχύοντες περιορισμούς. Το μεγαλύτερο επιτρεπόμενο ύψος πτήσης των ΣμηΕΑ της «ανοικτής» κατηγορίας είναι τα 400 πόδια (FT) από την επιφάνεια του εδάφους ή της μέσης στάθμης της θάλασσας. Ο χειριστής είναι υπεύθυνος για την ασφαλή πτητική λειτουργία και τη διατήρηση ασφαλούς απόστασης τουλάχιστον πενήντα μέτρων πλευρικά τόσο από μη εμπλεκόμενα πρόσωπα καθώς επίσης από περιουσίες στο έδαφος. Τα ΣμηΕΑ της «ανοικτής» κατηγορίας δεν επιτρέπεται να εκτελούν πτήση επάνω από συγκεντρώσεις προσώπων ή σε πλευρική απόσταση μικρότερη από 150 μ. Ο εκμεταλλευόμενος (ιδιοκτήτης, κάτοχος, μισθωτής-operator) και ο χειριστής (remote pilot) του ΣμηΕΑ εγγράφεται σε ειδικό Μητρώο (Ιδιοκτητών, κατόχων, μισθωτών και χειριστών ΣμηΕΑ) το οποίο τηρείται στην αρμόδια Διεύθυνση της Αεροπορικής Αρχής (ΥΠΑ/Δ2- Διεύθυνση Πτητικών Προτύπων). Η εγγραφή γίνεται ηλεκτρονικά σε συνεργασία με τα σημεία πώλησης των ΣμηΕΑ στην Ελλάδα με τη συμπλήρωση και αποστολή από τον αγοραστή με στην Διεύθυνση Πτητικών Προτύπων ειδικού εντύπου (ηλεκτρονικής φόρμας), με τη μορφή υπεύθυνης δήλωσης του ν.1599/86, όπου-μεταξύ των άλλων- υποχρεωτικώς θα ανα-

24 10 Νομικό πλαίσιο πτήσης μη επανδρωμένων αεροσκαφών γράφονται τα στοιχεία αστυνομικής ταυτότητας, η διεύθυνση κατοικίας, ο τύπος της συσκευής καθώς και το κατάστημα και η ημερομηνία αγοράς. H υποχρέωση εγγραφής στο Μητρώο βαρύνει και εκμεταλλευόμενους (ιδιοκτήτες, κατόχους, μισθωτές) και χειριστές ΣμηΕΑ οι οποίοι προμηθεύονται το αεροσκάφος μέσω διαδικτύου ή και με οποιοδήποτε άλλο τρόπο, οι οποίοι έχουν την υποχρέωση της αποστολής των δικαιολογητικών τους μέσω ΚΕΠ. Η αρμόδια Δ/νση ΥΠΑ/ Δ2 έχει το δικαίωμα επαλήθευσης των στοιχείων αγοράς με το κατάστημα πώλησης/κεπ. Στην περίπτωση ιδιοκατασκευής του ΣμηΕΑ από τον εκμεταλλευόμενο, ή αγοράς μέσω ηλεκτρονικού εμπορίου (στο εξωτερικό ή στο εσωτερικό) θα υποβάλλεται υπεύθυνη δήλωση του ν.1599/86 η οποία θα περιέχει μεταξύ άλλων την ημερομηνία ολοκλήρωσης κατασκευής, και τον τόπο κατασκευής του ΣμηΕΑ (εντός ή εκτός Ελληνικής επικράτειας, η έδρα κατασκευών και τα στοιχεία του καταστήματος πώλησης των εξαρτημάτων).στις ανωτέρω υπεύθυνες δηλώσεις θα συμπεριλαμβάνεται η διευκρίνιση του ιδιοκτήτη η/και του χειριστή περί της χρήσης του ΣμηΕΑ της συγκεκριμένης υποκατηγορίας για την τήρησή του σύμφωνα με το άρθρο 11 περί ειδικού μητρώου. Ο ιδιοκτήτης του ΣμηΕΑ είναι υπεύθυνος για ζημίες έναντι τρίτων, σε περίπτωση δε επαγγελματικής χρήσης, για την κάλυψη των ζημιών απαιτείται ασφαλιστήριο συμβόλαιο. Κάθε ΣμηΕΑ φέρει σε εμφανές σημείο τοποθετημένο στη βασική δομή πινακίδιο αναγνώρισης στο οποίο αναγράφονται ο κατασκευαστής, και ο αριθμός σειράς κατασκευής ια. Ο εκμεταλλευόμενος (ιδιοκτήτης, κάτοχος, μισθωτής-operator) και ο χειριστής (remote pilot) υποχρεούται να δηλώνει αμελλητί στην αρμόδια Δ/νση ΥΠΑ/Δ2 κάθε περίπτωση απώλειας κλοπής ή καταστροφής του ΣμηΕΑ. Η «ανοικτή» κατηγορία διακρίνεται σε τρείς υποκατηγορίες: CAT Α0: «Μίνι Συστήματα Μη Επανδρωμένων Αεροσκαφών» με ΜΤΟΜ μικρότερη του ενός κιλού (<1kg) Κάθε Σύστημα Μη Επανδρωμένου Αεροσκάφους που πωλείται ως καταναλωτικό προϊόν και έχει ΜΤΟΜ μέχρι ενός 1 κιλού θα πρέπει να ακολουθεί τις προϋποθέσεις του παρόντος Κανονισμού ως προς τη γενική ασφάλεια των προϊόντων. Οι επιδόσεις τους θα πρέπει να διασφαλίζουν ότι θα ίπτανται κάτω από τα 400 πόδια (FT) από το έδαφος ή την επιφάνεια της θάλασσας σε λειτουργία τηλεχειριζόμενης τοπικής πτήσης ή θα διαθέτει τα μέσα για τον αυτόματο περιορισμό του Εναερίου Χώρου στον οποίον μπορεί να εισέρχεται.). Οι πτήσεις τους θα διεξάγονται σε μέγιστο ύψος 400 πόδια (FT) από το έδαφος ή την επιφάνεια της θάλασσας τηρώντας ταυτόχρονα τις αποστάσεις ασφαλείας που προβλέπονται από τον παρόντα κανονισμό. Τα Μίνι Συστήματα Μη Επανδρωμένων Αεροσκαφών ΣμηΕΑ που πετούν σε Προσωρινές Αποκλειστικές Περιοχές (Temporary Segregated Areas) για την πτήση συστημάτων μη επανδρωμένων αεροσκαφών πρέπει να διαθέτουν ενεργοποιημένη ικανότητα ενημερωμένης γεω-περίφραξης. Ο χειριστής (operator) η/και ο ιδιοκτήτης του ΣμηΕΑ της παρούσας κατηγορίας πρέπει να αναφέρει στην αρμόδια Αεροπορική Αρχή (ΥΠΑ/Δ2) τυχόν βλάβες, δυσλειτουργίες, ελαττώματα ή άλλα συμβάντα που προκάλεσαν ή θα μπορούσαν να προκαλέσουν σοβαρό τραυματισμό ή θάνατο προσώπου. CAT Α1: «Πολύ Μικρά μη επανδρωμένα αεροσκάφη» με ΜΤΟΜ μεγαλύτερη του

25 «Ανοικτή» κατηγορία (UAS Open Category) 11 ενός κιλού (>1kg) και μικρότερη των τεσσάρων κιλών (<4 kg). Κάθε μη επανδρωμένο αεροσκάφος που πωλείται ως καταναλωτικό προϊόν και έχει ΜΤΟΜ άνω του 1 κιλού και μέχρι ΜΤΟΜ 4 κιλά πρέπει να ακολουθεί τις προϋποθέσεις του παρόντος Κανονισμού ως προς τη γενική ασφάλεια των προϊόντων και πρέπει να διαθέτει τα μέσα για τον αυτόματο περιορισμό του Εναερίου Χώρου στον οποίον μπορεί να εισέρχεται. Οι επιδόσεις τους θα πρέπει να διασφαλίζουν ότι θα ίπτανται κάτω από τα 400 πόδια (FT) από το έδαφος ή την επιφάνεια της θάλασσας σε λειτουργία τηλεχειριζόμενης τοπικής πτήσης ή θα διαθέτει τα μέσα για τον αυτόματο περιορισμό του Εναερίου Χώρου στον οποίον μπορεί να εισέρχεται.). Οι πτήσεις τους θα διεξάγονται σε μέγιστο ύψος από 400 πόδια (FT) από το έδαφος ή την επιφάνεια της θάλασσας τηρώντας ταυτόχρονα τις αποστάσεις ασφαλείας που προβλέπονται από τον παρόντα κανονισμό. Τα Πολύ Μικρά Συστήματα Μη Επανδρωμένων Αεροσκαφών ΣμηΕΑ που πετούν σε Προσωρινές Αποκλειστικές Περιοχές (Temporary Segregated Areas) για την πτήση συστημάτων μη επανδρωμένων αεροσκαφών πρέπει να διαθέτουν ενεργοποιημένη ικανότητα ενημερωμένης γεω-περίφραξης. Ο χειριστής (operator) η/και ο ιδιοκτήτης του ΣμηΕΑ της παρούσας κατηγορίας πρέπει να αναφέρει στην αρμόδια Αεροπορική Αρχή (ΥΠΑ/Δ2) τυχόν βλάβες, δυσλειτουργίες, ελαττώματα ή άλλα συμβάντα που προκάλεσαν ή θα μπορούσαν να προκαλέσουν σοβαρό τραυματισμό ή θάνατο προσώπου. CAT Α2: «Μικρά μη επανδρωμένα αεροσκάφη» με ΜΤΟΜ μεγαλύτερη των τεσσάρων κιλών (>4kg) και μικρότερη των είκοσι πέντε κιλών ( <25 kg). Κάθε μη επανδρωμένο αεροσκάφος που πωλείται ως καταναλωτικό προϊόν και έχει ΜΤΟΜ άνω των 4 κιλών και μικρότερη ΜΤΟΜ από 25 κιλά, πρέπει να ακολουθεί τις προϋποθέσεις του παρόντος Κανονισμού ως προς τη γενική ασφάλεια των προϊόντων και πρέπει να διαθέτει τα μέσα για τον αυτόματο περιορισμό του Εναερίου Χώρου στον οποίον μπορεί να εισέρχεται. Τα Συστήματα Μη Επανδρωμένων Αεροσκαφών ΣμηΕΑ που πετούν σε Προσωρινές Αποκλειστικές Περιοχές (Temporary Segregated Areas) για την πτήση συστημάτων μη επανδρωμένων αεροσκαφών πρέπει να διαθέτουν ενεργοποιημένη ικανότητα ενεργούς αναγνώρισης και ενημερωμένης γεωπερίφραξης. Ο χειριστής (operator) ή/και ο ιδιοκτήτης του ΣμηΕΑ της παρούσης κατηγορίας πρέπει να αναφέρουν στην αρμόδια Αεροπορική Αρχή (ΥΠΑ/Δ2) τυχόν βλάβες, δυσλειτουργίες, ελαττώματα ή άλλα συμβάντα που προκάλεσαν ή θα μπορούσαν να προκαλέσουν σοβαρό τραυματισμό ή θάνατο προσώπου. Για τα συστήματα μη επανδρωμένων αεροσκαφών «ανοικτής» κατηγορίας και για τις περιπτώσεις εμπορικής χρήσης (εμπορικής εκμετάλλευσης) επιπλέον απαιτείται: Εγγραφή του ΣμηΕΑ σε ειδικό μητρώο που καθιερώνεται με ευθύνη της ΥΠΑ Εξασφάλιση ειδικής άδειας (έγκρισης) από την αρμόδια Διεύθυνση της ΥΠΑ/Δ1 (Διεύθυνση Εμπορικής εκμετάλλευσης) με καταβολή οικονομικού παράβολου. Το Σύστημα μη επανδρωμένου αεροσκάφους, το οποίο είναι το αντικείμενο αυτής της διπλωματικής, σύμφωνα με τα παραπάνω ανήκει στη ανοικτή κατηγορία ως ιδιοκατασκευή και πληροί πλήρως τις προϋποθέσεις της. Λόγω της πιθανής μελλοντικής του διάθεσης προς χρήση σε επιχειρήσεις πέραν

26 12 Νομικό πλαίσιο πτήσης μη επανδρωμένων αεροσκαφών της οπτικής επαφής του χειριστή έχει μελετηθεί η διαδικασία ένταξης του αεροσκάφους στην «πιστοποιημένη» κατηγορία σε μελλοντικό στάδιο. 2.4 Διεξαγωγή Πτήσεων ΣΜηΕΑ (UAS) Η Διεξαγωγή Πτήσεων ΣΜηΕΑ (UAS) επιτρέπεται γενικά σε εναέριο χώρο διαχωρισμένο (segregated) από τον εναέριο χώρο που χρησιμοποιείται από τα επανδρωμένα αεροσκάφη. Ειδικότερα τα Συστήματα μη Επανδρωμένων Αεροσκαφών (ΣμηΕΑ) επιτρέπεται να ίπτανται: Κάτω από τα επιτρεπόμενα όρια για την κυκλοφορία επανδρωμένων αεροσκαφών με κανόνες πτήσεως δι οργάνων (IFR) ή/και εξ όψεως (VFR), με μέγιστο ύψος τα 400 πόδια (FT) επάνω από το έδαφος ή την επιφάνεια της θάλασσας (AGL,MSL). Επάνω από τα των ανώτερα όρια του ελεγχομένου Εναερίου Χώρου για την κυκλοφορία επανδρωμένων αεροσκαφών με κανόνες πτήσης διά οργάνων (IFR) ή/και εξ όψεως (VFR). Εντός Προσωρινών Αποκλειστικών Περιοχών (Temporary Segregated Areas TSA) που προσδιορίζονται από τις υπηρεσίες Εναέριας Κυκλοφορίας της ΥΠΑ για πτήσεις ΣΜηΕΑ (UAS). Σε καθορισμένα ίχνη και ύψη που προσδιορίζονται με ειδικές άδειες των Υπηρεσιών Εναέριας Κυκλοφορίας της ΥΠΑ. Η διεξαγωγή Πτήσεων ΣΜηΕΑ (UAS) απαγορεύεται γενικά σε εναέριο χώρο: που διενεργούνται πτήσεις επανδρωμένων αεροσκαφών με κανόνες πτήσεως διά οργάνων (IFR) ή και εξ όψεως (VFR). εντός των Ζωνών Κυκλοφορίας των αεροδρομίων (ATZ), και ούτως ή άλλως σε απόσταση μικρότερη από 8 χλμ. από την περίμετρο του αεροδρομίου και από τα ίχνη προσγείωσης / απογείωσης από / προς το αεροδρόμιο. στις «Απαγορευμένες Περιοχές για τις πτήσεις συστημάτων μη επανδρωμένων αεροσκαφών», όπως ορίζονται από τους αρμόδιους φορείς και δημοσιεύονται με ευθύνη της ΥΠΑ. εντός των απαγορευμένων και περιορισμένων περιοχών (Prohibited, Restricted Areas) εντός των οποίων απαγορεύονται ή περιορίζονται οι πτήσεις των επανδρωμένων αεροσκαφών οι οποίες ορίζονται από τις υπηρεσίες εναέριας κυκλοφορίας και περιγράφονται στο AIP Ελλάδος. Απαγορεύεται η πτήση ΣΜηΕΑ (UAS) επάνω από πρόσωπα και κινητά/ακίνητα στοιχεία περιουσίας και σε πλευρική απόσταση μικρότερη από 50 μέτρα. Η διεξαγωγή των πτήσεων ΣΜηΕΑ με λειτουργία σε απόσταση οπτικής επαφής (Visual Line of Sight-VLOS) ή και με λειτουργία σε απόσταση με επέκταση οπτικής επαφής (Extended Visual Line of Sight-EVLOS) θα διενεργείται στα χρονικά όρια μισής ώρας πρίν την ανατολή του ηλίου έως μισής ώρας μετά την δύση του ηλίου. Οι πτήσεις ΣΜηΕΑ με λειτουργία σε απόσταση οπτικής επαφής (VLOS) θα διεξάγονται σε απόσταση μικρότερη από 500μ. από τον χειριστή τους, ενώ η αντίστοιχη μέγιστη απόσταση για τις πτήσεις ΣΜηΕΑ με λειτουργία σε απόσταση με επέκταση οπτικής επαφής (EVLOS) θα ορίζεται από τις άδειες που χορηγούνται στο σύστημα. Απαγορεύεται η μεταφορά επικίνδυνων υλικών από ΣΜηΕΑ (UAS).

27 Σύνοψη κεφαλαίου 13 Σε περιπτώσεις για τις οποίες η εξυπηρέτηση της διεξαγωγής εναέριων εργασιών απαιτεί ειδική άδεια, οι ιδιοκτήτες/χειριστές των ΣΜηΕΑ θα απευθύνονται στις αρμόδιες Διευθύνσεις της ΥΠΑ, την Δ16 για θέματα χρήσης Εναερίου Χώρου, την Δ2 για θέματα πτητικών αδειών την Δ1 για θέματα αεροπορικής εκμετάλλευσης και την Δ15 για θέματα ασφάλειας από έκνομες ενέργειες. O εκμεταλλευόμενος/χειριστής του ΣμηΕΑ: έχει την ευθύνη αποφυγής σύγκρουσης στον αέρα ή στην χερσαία/υδάτινη επιφάνεια με άλλα αεροσκάφη πάσης μορφής ή με εμπόδια. τηρεί ασφαλείς αποστάσεις από αεροσκάφη πάσης μορφής, πρόσωπα και κινητά/ ακίνητα αντικείμενα τηρεί τις ισχύουσες διατάξεις των νόμων για την προστασία προσωπικών δεδομένων έχει την αστική ευθύνη για τις τυχόν ζημίες που προκαλούνται κατά την εκτέλεση των πτήσεων των ΣμηΕΑ υπό το χειρισμό/εκμετάλλευση του είναι υπεύθυνος να εξασφαλίσει την καταχώρηση του ΣμηΕΑ στο ειδικό μητρώο ή το νηολόγιο της ΥΠΑ, και τις άδειες πτητικής ικανότητας, χειριστών, αεροπορικής εκμετάλλευσης όπως προβλέπονται από τις διατάξεις του παρόντος κανονισμού και γενικά την τήρησή του. είναι υπεύθυνος για την ταυτοποίηση του ΣμηΕΑ με ένθετη πινακίδα που αναγράφει τον αριθμό καταγραφής/χαρακτηριστικό κωδικό νηολόγησης ή και της ηλεκτρονικής συσκευής ταυτοποίησης, όταν προβλέπεται. είναι υπεύθυνος για μεταφορά αντικειμένων που από τη φύση τους δύνανται να προκαλέσουν κίνδυνο σε βάρος προσώπων ή περιουσιών. Οι πτήσεις ΣμηΕΑ δεν θεωρούνται πτήσεις εξ όψεως (VFR) ή πτήσεις δια οργάνων (IFR). Στις πτήσεις ΣμηΕΑ δεν παρέχεται υπηρεσία Ελέγχου Εναέριας Κυκλοφορίας ΕΕΚ (Air Traffic Control-ATC) και επίσης δεν παρέχονται άλλες υπηρεσίες εναέριας κυκλοφορίας ΕΚ (Air Traffic Services -ATS). Όταν απαιτείται, οι Υπηρεσίες Εναέριας Κυκλοφορίας της ΥΠΑ, με μέριμνα της ΥΠΑ/Δ4, εκδίδουν ειδικές άδειες και οδηγίες. Η δήλωση ή άδεια, ανάλογα με την περίπτωση, καλύπτει όλες τις πτυχές που αφορούν την ασφάλεια των πτητικών λειτουργιών των ΣμηΕΑ (αξιοπλοΐας, των πτητικών λειτουργιών, χειριστικής ιδιότητας). Τα ΣμηΕΑ πρέπει να αναγνωρίζονται από ένα πινακίδιο αναγνώρισης που περιέχει τον αριθμό μητρώου του ΣμηΕΑ και τα στοιχεία του χειριστή. Το ίδιο πινακίδιο πρέπει επίσης να εγκατασταθεί στον σταθμό εδάφους. 2.5 Σύνοψη κεφαλαίου Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάστηκε το νέο Ελληνικό κανονιστικό πλαίσιο για την πτήση μη επανδρωμένων αεροσκαφών. Ο κανονισμός αυτός προβλέπει την κατηγοριοποίηση των μη επανδρωμένων αεροσκαφών με βάση τις επιχειρησιακές αρχές, τη μέγιστη μάζα απογείωσης, τη χρήση και κυρίως τον συνεπαγόμενο κίνδυνο από την δραστηριότητά τους. Επίσης προβλέπει τη δημιουργία ηλεκτρονικού καταλόγου χρηστών και εκμεταλευόμενων και την ταυτοποίηση των αεροσκαφών για την ασφάλεια όλων των πολιτών. Το πλαίσιο καθορίζει πολλές σημαντικές παραμέτρους της πτήσης και προβλέπει

28 14 Νομικό πλαίσιο πτήσης μη επανδρωμένων αεροσκαφών για την ασφάλεια όλων των μερών του οικοσυστήματος. Το παρόν σύστημα συμμορφώνεται, τόσο ως προς τα δομικά χαρακτηριστικά όσο και ως προς την υλοποίηση των υποσυστημάτων, που απαιτούνται από ένα σύστημα της κατηγορίας του.

29 Κεφάλαιο 3 Θεωρία πτήσης Στο κεφάλαιο αυτό αναλύονται οι βασικές γνώσεις που απαιτούνται για την πτήση ενός τετρακοπτέρου και ενός αεροσκάφους σταθερών πτερύγων. 3.1 Συστήματα Συντεταγμένων Για την ανάλυση των φαινομένων που συμβαίνουν κατά την κίνηση ενός αεροσκάφους απαιτείται ο ορισμός κάποιων συστημάτων συντεταγμένων Newton-Euler Σχήμα 3.1: Οι άξονες των γωνιών Newton Euler¹ ¹ 15

30 16 Θεωρία πτήσης Η περιστροφή του αεροσκάφους γύρω από τον άξονά του περιγράφεται από τις γωνίες Newton-Euler. Οι μεταφορικές κινήσεις εκφράζονται με κίνηση στους άξονες x, y, z ενώ οι περιστροφικές κινήσεις εκφράζονται από τις γωνίες Newton-Euler ϕ, θ, ψ. Ο προσανατολισμός του συστήματος σχετίζεται άμεσα με τη μορφή του αεροσκάφους η οποία θεωρείται ότι παραμένει σταθερή. Συγκεκριμένα ο άξονας x διαπερνά το μήκος του αεροσκάφους εξεχόμενος από το μπροστινό του μέρος. Ο άξονας y διαπερνά το πλάτος του αεροσκάφους και ο άξονας z διαπερνά το ύψος του αεροσκάφους NED σύστημα συντεταγμένων Το σύστημα συντεταγμένων Βορά, Ανατολής, Κάτω (North, East, Down NED) είναι ένα μη αδρανειακό σύστημα. Η αρχή των αξόνων του συστήματος είναι το κέντρο μάζας του αεροσκάφους και οι άξονες κατευθύνονται σύμφωνα με τις γαιωδαιτικές κατευθύνσεις που ορίζονται από την επιφάνεια της γης. Ο άξονας N,δείχνει βόρεια και παράλληλα με τη γαιοειδή επιφάνεια, στην πολική διεύθυνση. Ο άξονας E, δείχνει ανατολικά και παράλληλα στη γαιοειδή επιφάνεια σύμφωνα με τα γεωγραφικά πλάτη. Τέλος ο άξονας D, δείχνει ευθέως στη γαιοειδή επιφάνεια. Σχήμα 3.2: Το σύστημα συντεταγμένων NED² Όταν αναφέρεται ότι ένα αεροσκάφος ίπταται σε σταθερό υψόμετρο, σημαίνει ότι ίπταται με σταθερό D. ²

31 Πτήση τετρακοπτέρου Πτήση τετρακοπτέρου Ένα τυπικό ελικόπτερο είναι ένα όχημα κάθετης αποπροσγείωσης που χρησιμοποιεί δύο κινητήρες. Ο βασικός κινητήρας είναι μεγάλος περιστροφικός και στόχο έχει να παράξει τη δύναμη ανύψωσης που απαιτείται για την κατακόρυφη κίνηση αλλά και τους ελιγμούς του αεροσκάφους. Στην ουρά του ελικοπτέρου βρίσκεται ο δεύτερος, κάθετος στον πρώτο, κινητήρας που ρυθμίζει την περιστροφή του αεροσκάφους. Αν αυτός ο δεύτερος κινητήρας δεν υπήρχε, το αεροσκάφος θα περιστρεφόταν αδιάκοπα γύρω από τον άξονα της κύριας έλικας λόγω της αρχής διατήρησης της στροφορμής. Ο δεύτερος κινητήρας βρίσκεται εκεί για να ελέγξει αυτό το φαινόμενο. Σε ένα ελικόπτερο με τέσσερις κινητήρες δεν υπάρχει ανάγκη για κινητήρα που να ελέγχει την περιστροφή. Ρυθμίζοντας τις έλικες του τετρακοπτέρου έτσι ώστε να περιστρέφονται με διαφορετική φορά απ ότι οι γείτονές τους όπως φαίνεται στην Εικόνα 3.3. Με αυτή την τακτική ακυρώνουμε την τάση κάθε κινητήρα να περιστρέψει το αεροσκάφος γύρω από τον άξονά του. Σχήμα 3.3: Φορά περιστροφής των κινητήρων του quadcopter για ισσοροπημένη κίνηση³ Αν όλοι οι κινητήρες περιστρέφονταν με την ίδια φορά, θα αντιμετωπίζαμε τη δεινή περίπτωση το τετρακόπτερο να περιστρεφόταν ανεξέλεγκτα προς την αντίθετη φορά. Αυτό θα συνέβαινε γιατί λόγω της αρχής διατήρησης της στροφορμής, το σώμα του αεροσκάφους θα έχει την τάση να κινηθεί αντίθετα από τη φορά της στροφορμής που του ασκείται, όπως φαίνεται στην Εικόνα 3.4. Η βάση για τις κινήσεις ενός τετρακοπτέρου είναι οι γωνιακές ταχύτητες των τεσσάρων ελίκων του. Οι κατακόρυφες κινήσεις διέπονται από τις ανυψωτικές δυνάμεις που παράγονται από την περιστροφή των ελίκων ενώ οι κινήσεις μετατόπισης και περιστροφής γύρω από τους άξονες προένευσης (pitch), κλίσης (roll) και εκτροπής (yaw) εξαρτώνται από τα μέσα των διαφορών στις ομόρροπες έλικες. Αλλάζοντας τις σχετικές ταχύτητες των κινητήρων, δηλαδή αλλάζοντας την παραγόμενη άνωση, δύναται να ελεγχθεί το αεροσκάφος γύρω από τους προαναφερθέντες άξονες. ³ ⁴

32 18 Θεωρία πτήσης Σχήμα 3.4: Δεξιόστροφη φορά των κινητήρων οδηγεί σε αριστερόστροφη κίνηση του τετρακοπτέρου⁴ Για να επιτευχθεί ευθεία κίνηση, πρέπει οι οπίσθιοι κινητήρες να έχουν μεγαλύτερη ταχύτητα από τους εμπρόσθιους. Με αυτό τον τρόπο, μεγαλύτερη άνωση θα παραχθεί στην πίσω πλευρά του αεροσκάφους με αποτέλεσμα το να αυξηθεί η γωνία κλίσης και το αεροσκάφος να γείρει μπροστά και να κινηθεί προς την ευθεία κατεύθυνση, όπως φαίνεται στην Εικόνα 3.5αʹ. Αναλόγως πραγματοποιούνται και οι υπόλοιπες κινήσεις. Είναι δυνατόν να κινηθεί το αεροσκάφος δεξιά ή αριστερά αυξομειώνοντας την ταχύτητα των αριστερών και δεξιών ζευγών κινητήρων, όπως φαίνεται στην Εικόνα 3.5βʹ. Στην περίπτωση που στόχος είναι η περιστροφή γύρω από το κέντρο μάζας του ελικοπτέρου, πρέπει να αυξομειωθεί η ταχύτητα των διαμετρικά αντικριστών κινητήρων. Όπως φαίνεται στην Εικόνα 3.5γʹ, για να περιστραφεί κατά την ωρολογιακή φορά το αεροσκάφος, θα πρέπει να κινούνται γρηγορότερα οι κινητήρες που κινούνται προς την αντίθετη φορά του ρολογιού. Η τάση των δύο αυτών κινητήρων να περιστρέψουν το αεροσκάφος είναι ισχυρότερη από την τάση των άλλων δύο κινητήρων και έτσι το ελικόπτερο στρέφεται δεξιόστροφα. Όπως εξηγήθηκε, για την επίτευξη των παραπάνω κινήσεων αλλάζουμε την ώση που παράγει κάθε κινητήρας. Αυτό δημιουργεί επιπλέον ροπές, οι οποίες τείνουν να επιταχύνουν το αεροσκάφος γραμμικά ή περιστροφικά. Το τετρακόπτερο καθίσταται ασταθές και απαιτείται ελεγκτής ώστε να επιτευχθεί ευστάθεια του συστήματος. Ανά τα χρόνια έχει υλοποιηθεί πληθώρα ελεγκτών για τετρακόπτερα. Αυτοί περιλαμβάνουν διάφορες μεθόδους PID, νευρωνικά δίκτυα και βέλτιστο έλεγχο. Η τυπική αυτονομία ενός τετρακοπτέρου κυμαίνεται μεταξύ 20 και 40 λεπτών πτήσης ανάλογα με το βάρος και τα εξαρτήματα του αεροσκάφους. Ο χρόνος αυτός μπορεί να βελτιωθεί με την προσθήκη πτέρυγας για αποστολές μεγάλης απόστασης και αποστολές όπου οι απαιτήσεις για ελιγμούς είναι χαμηλές. ⁵

33 Πτήση αεροσκάφους σταθερών πτερύγων 19 (αʹ) Κίνηση ευθεία (βʹ) Κίνηση δεξιά (γʹ) Περιστροφή κατά την ωρολογιακή φορά Σχήμα 3.5: Κινήσεις quadcopter⁵ 3.3 Πτήση αεροσκάφους σταθερών πτερύγων Η πτήση ενός αεροσκάφους σταθερών πτερύγων περιγράφεται εκτενώς στο Κεφάλαιο Μετάβαση μεταξύ καταστάσεων πτήσης Το αεροσκάφος μπορεί να μεταβαίνει από την κατάσταση κάθετης πτήσης στην κατάσταση πτήσης ως συμβατικό αεροσκάφος και αντίστροφα [4]. Η μετάβαση αυτή μπορεί να συμβεί είτε μετά από εντολή του χειριστή είτε αυτόματα στην περίπτωση που το αεροσκάφος βρεθεί να έχει χαμηλή ταχύτητα Μετάβαση από κατάσταση κάθετης πτήσης σε κατάσταση ευθείας πτήσης Σε αυτή την περίπτωση οι κινητήρες προσφέρουν ανύψωση και σταθερότητα στο σύστημα έως ότου επιτευχθεί η απαιτούμενη ταχύτητα. Όταν η ταχύτητα αυτή επιτευχθεί, οι κινητήρες θα μειώσουν σταδιακά τις περιστροφές τους σε διάστημα 5 sec. και θα απενεργοποιηθούν. Σε αυτό το διάστημα, οι κινητήρες κάθετης αποπροσγείωσης έχουν τη δυνατότητα να λειτουργούν παράλληλα με την ευθεία πτήση παράγοντας περαιτέρω ανύψωση. Αυτό συνίσταται σε αεροσκάφη με μεγάλο πτερυγικό φόρτο. Αυτή η λειτουργία χρησιμεύει σε αεροσκάφη μικρού εκπετάσματος ή αεροσκάφη σταθερής πτέρυγας που

34 20 Θεωρία πτήσης μετατράπηκαν σε αεροσκάφη κάθετης αποπροσγείωσης. Στον αεροδυναμικό σχεδιασμό των αεροσκαφών αυτών δεν έχει υπολογιστεί το βάρος των κινητήρων κάθετης αποπροσγείωσης και των επιπλέων μπαταριών Μετάβαση από κατάσταση ευθείας πτήσης σε κατάσταση κάθετης πτήσης Όταν η διαδικασία μετάβασης ξεκινήσει, ο κινητήρας εμπρόσθιας πτήσης θα σταματήσει ακαριαία την περιστροφή του, αλλά οι επιφάνειες ελέγχου του αεροσκάφους θα συνεχίσουν να προσφέρουν σταθερότητα και έλεγχο καθώς το αεροσκάφος επιβραδύνει. Αυτό επιτρέπει στο αεροσκάφος τη μετάβασή του σε κάθετη πτήση ακόμη και όταν κινείται με μεγάλες ταχύτητες. Ταυτόχρονα οι κινητήρες κάθετης αποπροσγείωσης θα ενεργοποιηθούν και το σύστημα θα τείνει να κρατήσει σταθερό ύψος. 3.5 Σύνοψη κεφαλαίου Στο κεφάλαιο αυτό δόθηκαν οι βασικές πληροφορίες που απαιτούνται για την κατανόηση των κινήσεων του αεροσκάφους, το οποίο αποτελεί αντικείμενο της εργασίας. Συγκεκριμένα επεξηγήθηκαν τα συστήματα συντεταγμένων Newton-Euler και NED που χρησιμοποιούνται για τον ορισμό της θέσης και της συμπεριφοράς του αεροσκάφους. Έπειτα δόθηκαν λεπτομέριες για τις αρχες πτήσης ενός τετρακοπτέρου και έγινε επεξήγηση των κινήσεών του. Τέλος, μελετήθηκε η συμπεριφορά του αεροσκάφους κατά τη μετάβαση από κατάσταση κάθετης πτήσης στην κατάσταση πτήσης ως αεροσκάφος σταθερών πτερύγων και αντίστροφα. Η πτήση του αεροσκάφους ως αεροσκάφος σταθερών πτερύγων θα αναλυθεί σε επόμενο κεφάλαιο.

35 Κεφάλαιο 4 Αεροδυναμική Σχεδίαση και Ανάλυση Η Αεροδυναμική είναι ιδιαίτερος κλάδος της Μηχανικής των ρευστών και ειδικότερα της Δυναμικής. Η βασική γνώση των αεροδυναμικών αρχών είναι σημαντική για το σχεδιασμό και την πτήση αεροσκαφών. Σε αυτό το κεφάλαιο θα εξηγηθούν αυτές οι αρχές και θα αναλυθεί ο τρόπος με τον οποίο καταλήξαμε στο σχεδιασμό μας. 4.1 Εισαγωγή Ο επιστημονικός κλάδος της αεροδυναμικής έχει ως αντικείμενο έρευνας και μελέτης τους νόμους που διέπουν τη ροή του αέρα ή άλλων αερίων γύρω από διάφορα σώματα που έχουν ειδική μορφή με περιορισμένη τη μία από τις τρεις διαστάσεις τους κατά κατεύθυνση κίνησης, καθώς και τη κίνηση αυτών μέσα στον αέρα. Σκοπός αυτής της μελέτης είναι ή έρευνα των δυνάμεων που ασκούνται έτσι ώστε να είναι αφενός προβλέψιμη η κίνησή τους αφετέρου η καλλίτερη σχεδίαση και βελτιστοποίηση των μεγεθών τους προς τον επιδιωκόμενο σκοπό. Η δε βελτιστοποίηση αυτή μπορεί να σχετίζεται είτε με την επίτευξη μείωσης της αντίστασης στη κίνηση του σώματος είτε με την επίτευξη μέγιστης ανύψωσης με ελάχιστη οπισθέλκουσα δύναμη. 4.2 Αρχή λειτουργίας της αεροτομής σε αεροσκάφος Για την κατανόηση της σχεδίασης και ανάλυσης αεροτομών πρέπει κανείς να κατανοήσει τις βασικές αρχές και τα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα κατά την πτήση. Τα βασικά μεγέθη με τα οποία ασχολείται η επιστήμη της αεροδυναμικής είναι: πίεση, πυκνότητα, θερμοκρασία και ταχύτητα ροής. Η φυσική λειτουργία της αεροτομής διαχωρίζει το πεδίο ροής στην πάνω και την κάτω επιφάνεια της αεροτομής με το σημείο αποκοπής ως αναφορά. Οι αεροτομές σε ένα αεροσκάφος είναι συνήθως ασύμμετρες το οποίο έχει σαν αποτέλεσμα η πίεση στην πάνω επιφάνεια της πτέρυγας να είναι μικρότερη από την πίεση στην κάτω επιφάνεια. Το αποτέλεσμα είναι ο αέρας στην πάνω μεριά της πτέρυγας να επιταχύνει προς τα κάτω, παράγωντας ανυψωτική δύναμη. Η ροή του αέρα κατευθύνεται πάντα από τις περιοχές υψηλής πίεσης προς τις περιοχές χαμηλής πίεσης. Έτσι ο αέρας στην πάνω μεριά των πτερύγων επιταχύνει καθώς εισέρχεται στην περιοχή χαμηλότερης πίεσης, όπου ο αέρας καμπυλώνεται 21

36 22 Αεροδυναμική Σχεδίαση και Ανάλυση προς τη πλευρά της πτέρυγας. Αντιθέτως στην κάτω περιοχή της πτέρυγας ο αέρας επιβραδύνει καθώς εισέρχεται στην περιοχή υψηλότερης πίεσης. Οι πτέρυγες του αεροσκάφους, λοιπόν, παράγουν ανύψωση αντιδρώντας στη ροή του αέρα, οδηγώντας τον προς τα κάτω και παράγωντας κατώρευμα. Η επάνω επιφάνεια του πτερυγίου είναι συνήθως ο κύριος συντελεστής στην παραγωγή ανυψωτικής δύναμης και συχνά παράγει έως και τη διπλάσια ανυψωτική δύναμη από αυτή που παράγει η κάτω επιφάνεια της πτέρυγας. 4.3 Γεωμετρικά χαρακτηριστικά πτερύγων αεροσκαφών Μία τομή της πτέρυγας παράλληλη στην διεύθυνση πτήσης μας δίνει μία 2D θεώρηση της πτέρυγας. Αυτή η πλάγια προβολή ονομάζεται Αεροτομή και ορίζεται ως το γεωμετρικό σχήμα, το οποίο, όταν εκτίθεται σε ρεύμα αέρα, αναπτύσσει ανωστικές δυνάμεις λόγω της ανισορροπίας στην κατανομή της πίεσης μεταξύ της πάνω και κάτω πλευράς του. Σχήμα 4.1: Σημεία αεροτομής Η αεροτομή χαρακτηρίζεται από κάποια μεγέθη [5]: ακμή προσβολής: το σημείο με την μεγαλύτερη καμπυλότητα στο μπροστά μέρος της αεροτομής ακμή εκφυγής: το σημείο με την μεγαλύτερη καμπυλότητα στο πίσω μέρος της αεροτομής, χορδή (c): η ευθεία που ενώνει τις ακμές προσβολής και εκφυγής, μέση γραμμή ή γραμμή καμπυλότητας: ο γεωμετρικός τόπος των σημείων που ισαπέχουν από την πάνω και την κάτω επιφάνεια της αεροτομής πάχος (t): η κατανομή του ποικίλει κατά μήκος της χορδής και μετράται με δύο τρόπους: είτε κάθετα στην μέση γραμμή είτε κάθετα στην χορδή γωνία πρόσπτωσης (α): η γωνία που σχηματίζει το διάνυσμα της ταχύτητας της ροής με την χορδή γωνία κατωρεύματος(ε): η γωνία μεταξύ της διεύθυνσης της ελεύθερης ροής και της διεύθυνσης της ροής στην ακμή εκφυγής Αξίζει να σημειωθεί ότι για τις συμμετρικές αεροτομές, η γραμμή καμπυλότητας με τη χορδή ταυτίζονται ενώ για μία ασύμμετρη αεροτομή, όπως η εικονιζόμενη, αναφερόμαστε σε δύο ξεχωριστές γραμμές. Μάλιστα η μέγιστη απόσταση μεταξύ των

37 Γεωμετρικά χαρακτηριστικά πτερύγων αεροσκαφών 23 δύο αυτών γραμμών ονομάζεται κύρτωμα και είναι ένα μέτρο της καμπυλότητας της αεροτομής. Το κύρτωμα και το πάχος εκφράζονται ως ποσοστά της χορδής. Οι αεροτομές μπορούν να φτιαχτούν με ποικίλους συνδυασμούς κατανομών κυρτώματος και πάχους και σχεδιάζονται με βάση τις συνθήκες τις οποίες το αεροσκάφος αναμένεται να αντιμετωπίζει συνήθως. Ο οργανισμός NACA (πρόδρομος της σημερινής NASA) καθιέρωσε μία μέθοδο ταξινόμησης αεροτομών και αργότερα ανέλυσε τις αεροτομές σε αεροδυναμική σήραγγα ώστε να παρέχει στους σχεδιαστές συντελεστές ανύψωσης και αντίστασης. Εκτός από την αεροτομή, στο σχεδιασμό μας λαμβάνουμε υπόψιν την αναλογία πλευρών (Aspect Ratio) της πτέρυγας. Ο λόγος αυτός ορίζεται ως το τετράγωνο του εκπετάσματος προς την πτερυγική επιφάνεια και συμβολίζεται με textbfar. Όταν έχουμε ορθογώνιες πτέρυγες, ο τρόπος υπολογισμού μπορεί να απλοποιηθεί ως ο λόγος του εκπετάσματος ως προς τη χορδή. Σχήμα 4.2: Aspect Ration και Δίεδρος¹ AR = S2 A = S C Ως δίεδρος της πτέρυγας αναφέρεται στη γωνία πτερύγων όπως φαίνεται από το μπροστινό μέρος του αεροσκάφους. Η δίεδρος επιλέγεται σε ένα αεροσκάφος για να αυξήσει τη σταθερότητα κατά την κλίση (roll). Μία πτέρυγα με δίεδρο θα επιστρέψει φυσικά στην αρχική της θέση σε περίπτωση ελαφρούς μετατόπισης κλίσης. Τα περισσότερα επιβατηγά αεροσκάφη σχεδιάζονται με δίεδρο ενώ τα ακροβατικά και μαχητικά αεροσκάφη, που έχουν μεγάλη ευελιξία δεν έχουν δίεδρο και σε πολλές περιπτώσεις έχουν αρνητική δίεδρο για να αυξήσουν το λόγο κλίσης. Αυτός ο τύπος διέδρου ονομάζεται άνεδρος. ¹

38 24 Αεροδυναμική Σχεδίαση και Ανάλυση 4.4 Δυνάμεις κατά την πτήση Οι βασικές δυνάμεις που δρουν κατά την πτήση των αεροσκαφών είναι η βαρύτητα (Gravity), η ύψωση (Lift), η αντίσταση στον αέρα(drag) και η ώθηση (Thrust). Σχήμα 4.3: Ταχύτητα, ανύψωση, οπισθέλκουσα Η βαρύτητα είναι η δύναμη με κατεύθυνση πάντα προς το κέντρο της γης. Το μέτρο της δύναμης εξαρτάται από τη μάζα όλων των τμημάτων του αεροσκάφους. Από την παραπάνω πρόταση καταλήγουμε ότι η βαρύτητα ή βάρος του αεροσκάφους είναι κατανεμημένο σε όλο το αεροσκάφος. Μπορούμε όμως να θεωρήσουμε το κέντρο βάρους του αεροσκάφους, ένα σημείο δηλαδή το οποίο μπορεί να εκφράσει τη συνισταμένη δύναμη της βαρύτητας. Όταν ένα αεροσκάφος βρίσκεται σε πτήση, περιστρέφεται γύρω από το κέντρο βάρους του. Η ανύψωση είναι η δύναμη που παράγεται με σκοπό να υπερνικηθεί το βάρος και η οποία είναι υπεύθυνη για την πτήση του αεροσκάφους. Η δύναμη αυτή παράγεται από την κίνηση του αεροσκάφους στον αέρα και την αντίδραση των αεροδυναμικών επιφανειών με αυτόν. Η ανύψωση εξαρτάται από την πυκνότητα του αέρα ρ για την οποία θεωρούμε τυπική τιμή τα 1, 225 kg, την ταχύτητα του αέρα, τον τύπο της m 3 αεροτομής και την πτερυγική επιφάνεια (A) ενώ υπολογίζεται από τον τύπο: F L = 1 2 ρ V 2 C L A C L ονομάζουμε το συντελεστή ύψωσης, ο οποίος είναι αριθμός και εξαρτάται από τον τύπο της αεροτομής, το λόγο επί του μήκους και τον αριθμό Reynolds. Ο συντελεστής είναι ανάλογος της γωνίας πρόσπτωσης του αέρα πριν φτάσει σε απώλεια στήριξης (stall). Ώθηση είναι η δύναμη που παράγεται από κάποιας μορφής προωθητικό σύστημα. Το μέτρο της δύναμης εξαρτάται από πολλούς παράγοντες όπως ο τύπος της μηχανής, ο αριθμός των μηχανών, το ποσό του γκαζιού και η ταχύτητα της μηχανής. Η κατεύθυνση της δύναμης εξαρτάται από τον τρόπο με τον οποίο έχει τοποθετηθεί η μηχανή πάνω στο αεροσκάφος. Αεροδυναμική αντίσταση είναι η αεροδυναμική δύναμη που αντιδρά στην κίνηση του αεροσκάφους στον αέρα και παράγεται από όλα τα μέρη του αεροσκάφους. Για παράδειγμα, η επιφανειακή τριβή παρατηρείται μεταξύ των επιφανειών του αεροσκάφους και των μορίων του αέρα. Η τριβή αυτή αναγκάζει τον αέρα γύρω από την πτερυγική επιφάνεια να επιβραδυνθεί. Ένας άλλος τρόπος παραγωγής αεροδυναμικής οπισθέλκουσας είναι η επαγωγική οπισθέλκουσα (induced drag) η οποία είναι αποτέλεσμα της παραγωγής ανύψωσης από τις πτέρυγες. Ο βασικός λόγος είναι ότι στην

39 Σχεδιασμός του OspreyT 25 άκρη των πτερύγων το ρεύμα του αέρα παραμορφώνεται λόγω της διαφοράς πίεσης μεταξύ της πάνω και κάτω επιφάνειας της πτέρυγας και μετατρέπεται σε δίνες. 4.5 Σχεδιασμός του OspreyT Για το σχεδιασμό ενός αεροσκάφους, είναι σημαντικό να οριστούν οι συνθήκες στις οποίες το αεροσκάφος θα πετάει και τις κινήσεις που πρόκειται να τελέσει. Το αεροσκάφος που είναι το αντικείμενο αυτής της διπλωματικής έχει βάρος 4.5 kg χωρίς φορτίο και 5kg 7kg με τυπικό φορτίο. Ο χαρακτήρας του αεροσκάφους είναι τυπικός και όχι ακροβατικός. Επίσης το συγκεκριμένο αεροσκάφος απογειώνεται και προσγειώνεται κάθετα με κινητήρες κατακόρυφης διεύθυνσης. Αυτό σημαίνει ότι για την αποπροσγείωση δεν υπάρχει απαίτηση για μεγάλη ανύψωση από τις πτέρυγες σε ακραίες γωνίες. Θα μελετηθεί η μέθοδος σχεδίασης ενός εκπαιδευτικού αεροσκάφους μιας και τα συγκεκριμένα αεροσκάφη έχουν χαρακτηριστική ευκολία πτήσης και σταθερότητα, χαρακτηριστικά τα οποία αναμένουμε από τη συγκεκριμένη σχεδίαση. Στην Εικόνα 4.4 φαίνονται κάποιοι εμπειρικοί κανόνες που μπορούν να ακολουθηθούν ως προς τη σχεδίαση ενός εκπαιδευτικού αεροσκάφους. Όπως παρατηρείται, οι κύριες διαστάσεις στις οποίες πρέπει κανείς να καταλήξει για να σχεδιάσει ένα αεροσκάφος είναι η χορδή και το εκπέτασμα των πτερύγων. Από αυτές τις διαστάσεις μπορούν να υπολογιστούν όλες τις υπόλοιπες. Κατά το σχεδιασμό βασικός στόχος θα πρέπει να είναι η κατασκευή ενός αεροσκάφους με όσο το δυνατόν ελαφρύτερα και ανθεκτικότερα υλικά. Με αρκετή ισχύ οποιαδήποτε κατασκευή μπορεί να πετάξει. Σκοπός του σχεδιαστή θα πρέπει να είναι η δημιουργία ενός αποδοτικού αεροσκάφους. Σε αυτό το σημείο θα πρέπει να εισαχθεί η έννοια του πτερυγικού φόρτου. Ο πτερυγικός φόρτος είναι το βάρος του αεροσκάφους προς την πτερυγική επιφάνεια. Όσο βαρύτερο το αεροσκάφος, τόσο μεγαλύτερος ο πτερυγικός φόρτος και για αυτό χρειάζεται μεγαλύτερη πτερυγική επιφάνεια ώστε το αεροσκάφος να βρίσκεται στα επιθυμητά όρια. Λαμβάνοντας υπ όψιν ότι οι κινητήρες κάθετης αποπροσγείωσης έχουν έλικες διαμέτρου 15 ιντσών (38 cm), ο κινητήρας εμπρόσθιας κίνησης προτείνει έλικα μεταξύ 9-12 ιντσών (30.5 cm) και ότι πρέπει να ληφθούν υπ όψιν οι κατάλληλες αποστάσεις, θεωρείται ότι το εκπέτασμα των πτερύγων θα είναι τουλάχιστον μήκους 1 μέτρου. Επίσης για ευκολία στην εκτατάσταση των κινητήρων επιλέγεται η κατασκευή παραλληλόγραμμης πτέρυγας. Για τον ίδιο λόγο, απαιτείται χορδή μικρότερη των 320mm ώστε οι έλικες των κινητήρων να μη καλύπτουν την πτέρυγα και να έχουν το μέγιστο κατώρευμα. W ingloading = W eight Span Chord = 5500g 1000mm 320mm = 170 g dm 2 Αυτός ο πτερυγικός φόρτος είναι πολύ μεγάλος και θα χρειαστεί ιδιαίτερα μεγάλη ισχύς για να πετάξει το αεροσκάφος. Επίσης, μία αεροτομή χορδής 32 cm θα είναι πολύ μεγάλη και θα αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος της ατράκτου μειώνοντας ²

40 26 Αεροδυναμική Σχεδίαση και Ανάλυση Σχήμα 4.4: Αναλογίες εκπαιδευτικού αεροσκάφους²

41 Σχεδιασμός του OspreyT 27 την ευελιξία σχεδιασμού. Διπλασιάζοντας το εκπέτασμα των πτερύγων στα 2 μέτρα και μειώνοντας τη χορδή στα 25 cm επιτυγχάνεται πτερυγικός φόρτος. W ingloading = W eight Span Chord = 5500g 2000mm 250mm = 110 g dm 2 Αυτό το αποτέλεσμα είναι αρκετά πιο αποδοτικό. Θα μπορούσε να αυξηθεί ή να μειωθεί κι άλλο το εκπέτασμα αλλά θεωρείται ότι η τιμή αυτή είναι ένας καλός συμβιβασμός. Στην Εικόνα 4.5 παρατηρούνται οι αναλογίες του αεροσκάφους με τις τιμές που επιλέχθηκαν καθώς και τα περιθώρια που αφήνονται για τις έλικες τόσο της κάθετης αποπροσγείωσης όσο και της ευθείας πτήσης. Σχήμα 4.5: Κάτοψη του OspreyT Όσον αφορά την αεροτομή που θα επιλεγεί, θα πρέπει να οριστούν τα χαρακτηριστικά πτήσης που απαιτούνται από το αεροσκάφος. Αεροτομές με επίπεδη κάτω επιφάνεια προσδίδουν μεγάλη ανύψωση σε ανοδική πτήση αλλά χαμηλή ανύψωση σε ανεστραμμένη πτήση. Τέτοιες αεροτομές χρησιμοποιούνται σε σχετικά αργά και χαμηλής ισχύος αεροσκάφη. Έχουν μεγάλο συντελεστή ανύψωσης αλλά επίσης και μεγάλη ροπή προένευσης (pitching moment). Αυτό συνιστά τη χρήση μίας σχετικά μακρύτερης ροπής στην ουρά του αεροσκάφους ή μίας μεγαλύτερης πτέρυγας σταθεροποίησης. Εναλλακτικά στις αεροτομές επίπεδης κάτω επιφάνειας προτείνονται σχεδόν συμμετρικές αεροτομές. Οι τελευταίες είναι συνήθως καλός συμβιβασμός, δίνοντας την ίδια σχεδόν ανύψωση τόσο σε κανονική όσο και σε ανεστραμμένη πτήση. Οι τελείως συμμετρικές αεροτομές προτείνονται για αγωνιστικά και ακροβατικά αεροσκάφη αφού συμπεριφέρονται με τον ίδιο τρόπο είτε το αεροσκάφος πετάει κανονικά είτε ανεστραμμένα.

42 28 Αεροδυναμική Σχεδίαση και Ανάλυση Επίσης, μεγάλη επίδραση στον έλεγχο του αεροσκάφους έχει η εμβέλεια κίνησης των επιφανειών ελέγχου του αεροσκάφους. Αν οι επιφάνειες ελέγχου διανύουν μεγάλη απόσταση, το αεροσκάφος θα έχει πολύ μεγάλη αντίδραση, κάνοντας τον έλεγχό του δυσκολότερο, αφού η αντίδρασή του στις κινήσεις θα είναι ταχύτερη. Αντιθέτως πολύ μικρή γωνία ελέγχου θα έχει σαν αποτέλεσμα τον ελλιπή έλεγχο του αεροσκάφους. Λαμβάνοντας υπόψιν τα παραπάνω, επιλέχθηκε για την κύρια πτέρυγα η αεροτομή NACA 4412, η οποία συνίσταται τόσο σε εκπαιδευτικά αεροσκάφη αλλά και σε αεροσκάφη φορτίου. Στην Εικόνα 4.6 παριστάνονται ο συντελεστής ανύψωσης προς τη γωνία πρόσπτωσης του αέρα και ο συντελεστής ανύψωσης ως προς το συντελεστή οπισθέλκουσας. Σχήμα 4.6: Σημαντικοί συντελεστές της αεροτομής NACA 4412³ Oι διαφορετικές γραμμές παριστάνουν διαφορετικούς αριθμούς Reynolds για την ίδια αεροτομή. Ο αριθμός Reynolds είναι ένας καθαρός αριθμός και εκφράζει το βαθμό της γραμμικής ή τυρβώδους ροής. Για να βρούμε σε ποιους αριθμούς Reynolds θα «κινηθεί» το αεροσκάφος μας, θα χρησιμοποιήσουμε τον τύπο: Re = vl V Όπου v η ταχύτητα του αέρα, l η χορδή και V το κινηματικό ιξώδες του αέρα. Αντικαθιστώντας για τις τυπικές τιμές ταχύτητας των αεροσκαφών αυτής της κλίμακας από 40km/h μέχρι 120 km/h υπολογίζεται ότι το αεροσκάφος «κινείται» στην περιοχή έως Reynolds. Για την πλήρη αεροδυναμική ανάλυση του αεροσκάφους χρησιμοποιείται το ευρέως χρησιμοποιούμενο λογισμικό XFLR5. Αρχικά γίνεται ανάλυση της αεροτομής NACA 4412 για την περιοχή τιμών Reynolds που εξετάζεται. Παρατηρείται ότι η αεροτομή έχει υψηλό συντελεστή ανύψωσης και διατηρεί χαμηλό συντελεστή οπισθέλκουσας στους αριθμούς Reynolds που εξετάζουμε. ³

43 Σχεδιασμός του OspreyT 29 Σχήμα 4.7: Ανάλυση της αεροτομής NACA4412 στο λογισμικό XFLR5 Αφού επιλέχτηκε και αναλύθηκε η αεροτομή, δύναται να υπολογιστεί η ταχύτητα στην οποία χάνεται η δυνατότητα ανύψωσης, γνωστή και ως ταχύτητα απώλειας στήριξης (stall speed). Όταν το αεροσκάφος κινείται με ταχύτητα χαμηλότερη του stall speed, βρίσκεται σε καθοδική πορεία αφού δε δύναται πλέον να παράγει ανυψωτική δύναμη. Το stall speed υπολογίζεται από τον τύπο: Stallspeed = 2 W eight C Lmax 1, 225 AR Όπου 1, 225kg/m 3 είναι η τυπική πυκνότητα του αέρα. Έτσι υπολογίζεται ότι το stall speed της συγκεκριμένης σχεδίασης είναι 39, 1km/h. Το επόμενο βήμα σχεδιασμού είναι ο υπολογισμός των υπόλοιπων πτερυγικών επιφανειών. Σύμφωνα με τους κανόνες που προαναφέρθηκαν, το οριζόντιο ουραίο πτερύγιο (stab) έχει χορδή 14 cm και μήκος 48 cm. Σκοπός του οριζόντιου ουραίου πτερυγίου είναι να παράγει μία θετική ροπή έτσι ώστε να αντισταθμίσει την αρνητική ροπή ανόδου από την κύρια πτέρυγα. Ταυτόχρονα θα πρέπει είτε το ουραίο είτε το κύριο πτέρωμα να έχει μία κλίση ώστε η ροπή που προστίθεται λόγω του ουραίου να είναι αποδοτική. Μετά από προσομοιώσεις επιλέχτηκε μία γωνία 2,5, η οποία θα εφαρμοστεί στην κύρια πτέρυγα λόγω της δυσκολίας ακριβούς κατασκευής στο ουραίο πτερύγιο. Για το κάθετο ουραίο πτερύγιο επιλέχθηκε τραπεζοειδής πτέρυγα με ημιεκπέτασμα 30cm, χορδή βάσης 21 cm και χορδή άκρου 14,5cm. Και για τα δύο ουραία πτερύγια επιλέχθηκαν συμμετρικές αεροτομές NACA Οι πτερυγικές επιφάνειες του αεροσκάφους επίσης προσομοιώθηκαν στο πρόγραμμα αεροδυναμικής ανάλυσης XFLR5. Έγινε ανάλυση του αεροσκάφους για φορτίο 500g και για φορτίο 2500g, δηλαδή συνολικό βάρος 5kg και 7kg αντίστοιχα. Ορίζεται ανάλυση σταθερής ταχύτητας όπου ζητείται από το λογισμικό να θεωρήσει σταθερή ταχύτητα σε όλες τις γωνίες πρόσπτωσης. Οι γωνίες πρόσπτωσης για τις οποίες ζητείται ανάλυση είναι από -10 έως 10.

44 30 Αεροδυναμική Σχεδίαση και Ανάλυση Σχήμα 4.8: Μοντέλο αεροσκάφους στο λογισμικό XFLR5 Σκοπός είναι η δύναμη ανύψωσης για τις γωνίες ενδιαφέροντος να είναι μεγαλύτερη από το βάρος του αεροσκάφους. Σχήμα 4.9: Ανάλυση σταθερής ταχύτητας Στην Εικόνα 4.6 το πρώτο γράφημα απεικονίζει τη σχέση της δύναμης ανύψωσης προς τη γωνία πρόσπτωσης. Παρατηρείται ότι τα 50 Newton και 70 Newton που απαιτούνται για την υπερνίκηση της βαρύτητας, επιτυγχάνονται κιόλας από αρνητικές γωνίες. Ένα ακόμη ενδιαφέρον γράφημα στην ίδια εικόνα είναι εκείνο που περιγράφει το κέντρο βάρους ως προς τη γωνία πρόσπτωσης. Οι πολλαπλές τιμές είναι αποτέλεσμα μικρών θεωρητικών μετατοπίσεων του κέντρου μάζας του αεροσκάφους. Τυπικά το κέντρο βάρους θα πρέπει περίπου στο 25% της χορδής της κεντρικής πτέρυγας. Από τις μετρήσεις, ζητείται μία ομαλή καμπύλη μικρής κλίσης. Για μία ισορροπημένη πτήση επιλέχτηκε το κέντρο μάζας να βρίσκεται στα 34cm από την αρχή του αεροσκάφους.

45 Συμπεράσματα Συμπεράσματα Η αεροδυναμική ανάλυση έδωσε ένα λειτουργικό και αξιόπιστο σχέδιο για το αεροσκάφος, το οποίο θα μπορέσει να αποτελέσει πλατφόρμα για τις δοκιμές και να δώσει ευελιξία στο σύστημα για να εξυπηρετήσει πληθώρα φορτίων. Μία ιδιαιτερότητα του αεροσκάφους είναι ότι δεν προστέθηκε δίεδρος στην κύρια πτέρυγα, κάτι που συνηθίζεται στα εκπαιδευτικά αεροσκάφη. Αυτό έγινε γιατί η δίεδρος είναι κατάλοιπο της απολύτως χειροκίνητης πτήσης αεροσκαφών. Με τους αυτοματισμούς οι οποίοι ενσωματώθηκαν στο αεροσκάφος, η δίεδρος δε χρησιμοποιείται και υπάρχει ακόμη και πιθανότητα να κάνει περιπλοκότερη τη συμπεριφορά του συστήματός. 4.7 Σύνοψη κεφαλαίου Συνοψίζοντας επεξηγήθηκε το βασικό υπόβαθρο για την εκτέλεση αεροδυναμικής ανάλυσης σε μία σταθερή πτέρυγα. Συγκεκριμένα ορίστηκε η σημασία της αεροτομής σε ένα αεροσκάφος και οι δυνάμεις κατά την πτήση. Έπειτα αναλύθηκαν πρακτικές για την κατασκευή αεροσκαφών και τέλος, έγινε αεροδυναμική ανάλυση των πτερύγων που χρησιμοποιήθηκαν στο αεροσκάφος με τη βοήθεια υπολογιστικών προγραμμάτων.

46

47 Κεφάλαιο 5 Περιγραφή συστήματος OspreyT Παρακάτω περιγράφονται οι απαιτήσεις του σχεδιασμού και οι περιορισμοί που τέθηκαν. Ο σχεδιασμός που επιλέχτηκε βασίστηκε στην απλότητα υλοποίησης και κατασκευής. Θεωρήθηκε ωφέλιμο φορτίο 500g έως 2000g και χρόνος κάθετης πτήσης 8 λεπτά και ευθεία πτήση 40 λεπτά. Στους παρακάτω πίνακες παρουσιάζονται οι στόχοι που τέθηκαν για το αεροσκάφος αλλά και οι περιορισμοί. Έχοντας ως βάση αυτές τις απαιτήσεις και αυτούς τους περιορισμούς, σχεδιάστηκε αυτή η έκδοση του αεροσκάφους. Οι στόχοι παρουσιάζονται με σειρά προτεραιότητας στον Πίνακα 5.1 ενώ οι περιορισμοί παρουσιάζονται στον Πίνακα 5.2. Χαρακτηριστικά Χρόνος απογείωσης/προσγείωσης Εμβέλεια πτήσης Κατακόρυφη ώθηση - Βάρος Αεροτομές Αξιοπιστία υλικών Στόχοι 8 λεπτά 40 λεπτά Μέγιστο Ευσταθείς και εύκολες στην πτήση Αναγνωρισμένοι κατασκευαστές Πίνακας 5.1: Στόχοι για τα επί μέρους χαρακτηριστικά του αεροσκάφους Χαρακτηριστικά Εκπέτασμα φτερών Συνολικό βάρος Διαθεσιμότητα υλικών Κόστος υλικών Περιορισμοί 2 μέτρα < 7kg Διαθέσιμα στην ελληνική αγορά Όσο το δυνατόν χαμηλότερο Πίνακας 5.2: Περιορισμοί για την κατασκευή του αεροσκάφους 5.1 Σχεδιασμός πλατφόρμας και υλοποίηση Το αεροσκάφος πήρε την ονομασία OspreyT. Προέρχεται από το αρπακτικό πτηνό ψαραετό, το οποίο έχει τη δυνατότητα για κάθετη αποπροσγείωση και μεταφράζεται σε Osprey. Τα σημαντικότερα σχεδιαστικά χαρακτηριστικά του αεροσκάφους περιγράφονται σε αυτό το κεφάλαιο. 33

48 34 Περιγραφή συστήματος OspreyT Σχήμα 5.1: Το αεροσκάφος OspreyT Άτρακτος και κύριο σώμα Στον μηχανολογικό σχεδιασμό του αεροσκάφους χρησιμοποιήθηκαν σε μεγάλο βαθμό προγράμματα CAD όπως τα ευρέως γνωστά AutoCAD [6] και Solidworks [7], το πρόγραμμα παραμετρικού σχεδιασμού openvsp [8] και τεχνολογίες rapid prototyping (CNC, 3D Printing). Αυτό έδωσε τη δυνατότητα για ακριβή σχεδιασμό των εξαρτημάτων και βελτιστοποίηση του σχεδιασμού πριν την κατασκευή. Κύρια πτέρυγα Ο σχεδιασμός των πτερύγων και η αεροδυναμική ανάλυσή τους περιγράφεται στο Κεφάλαιο 4. Για το κατασκευαστικό κομμάτι τα πτερύγια κατασκευάστηκαν από αφρό πολυουρεθάνης και επενδύθηκαν με υαλοΰφασμα και φύλλο πλαστικού. Η φιλοσοφία του σχεδιασμού όπως προαναφέρθηκε, είναι η ευελιξία και η ευκολία μεταφοράς και συναρμολόγησης. Για αυτό το λόγο η κύρια πτέρυγα αποτελείται από τρία αποσπόμενα μέρη τα οποία ευθυγραμμίζονται με δύο ανθρακονημάτινους σωλήνες στο εσωτερικό της πτέρυγας όπως φαίνεται στην Εικόνα 5.2. Οι σωλήνες αυτοί χρησιμεύουν επίσης στην απόκρυψη των καλωδίων των βοηθητικών κινητήρων (σερβομηχανισμοί) που βρίσκονται στα άκρα της πτέρυγας. Ο μπροστινός σωλήνας χρησιμεύει στην ενίσχυση της στιβαρότητας της πτέρυγας αφού πρόκειται για πτέρυγα μεγάλου εκπετάσματος. Αυτό είναι σημαντικό διότι το σημείο εκείνο γίνεται και σημείο στήριξης για τους κινητήρες κάθετης αποπροσγείωσης.

49 Σχεδιασμός πλατφόρμας και υλοποίηση 35 Σχήμα 5.2: Συναρμολόγηση πτέρυγας Άτρακτος Η άτρακτος του κατασκευάστηκε εξ ολοκλήρου από φύλλα balsa και ενισχύσεις φύλου κόντρα πλακέ. Στην Εικόνα 5.3 παρατηρείται μέρος της διαδικασίας συναρμολόγησης της ατράκτου. Σχήμα 5.3: Στάδιο κατασκευής ατράκτου Ο σχεδιασμός της έγινε εξ ολοκλήρου σε πρόγραμμα CAD (Εικόνα 5.4) και τα μέρη της κόπηκαν με ακρίβεια σε μηχάνημα CNC. Σημαντικό κομμάτι για την επιτυχία της πλατφόρμας ήταν ο ακριβής σχεδιασμός της βάσης της κύριας πτέρυγας πάνω στην άτρακτο. Συγκεκριμένα η βάση, στην οποία εδράζει το κύριο πτέρωμα, ακολουθεί ακριβώς την αεροτομή του πτερώματος, δημιουργώντας ένα αεροδυναμικό και αισθητικά αποδεκτό αποτέλεσμα. Στα σημεία ιδιαίτερης πίεσης, όπως τα κεντρικά δοκάρια της κατασκευής και η βάση του εμπρόσθιου κινητήρα, τοποθετήθηκαν φύλλα κόντρα πλακέ. Ουρά αεροσκάφους Η ουρά του αεροσκάφους αποτελείται από ένα μοναδικό σωλήνα ανθρακονήματος. Ο σωλήνας «χωνεύεται» στην άκρη της ατράκτου μέσα σε παραλληλεπίπεδο κομμάτι υλικού τεφλόν. Το κομμάτι τεφλόν έχει στηριχτεί στην άτρακτο με χρήση εποξικής κόλλας δύο συστατικών. Η κατασκευή φαίνεται στην Εικόνα 5.5

50 36 Περιγραφή συστήματος OspreyT Σχήμα 5.4: Σχεδιασμός εξαρτημάτων της ατράκτου Σχήμα 5.5: Κατασκευή στήριξης ουράς αεροσκάφους Η στήριξη των ουραίων πτερύγων γίνεται στην άκρη του σωλήνα με εξαρτήματα που σχεδιάστηκαν σε λογισμικό CAD και υλοποιήθηκαν σε 3D εκτυπωτή με υλικό Nylon (Εικόνα 5.6). Συγκεκριμένα η βάση των ουραίων αποτελείται από κατασκευή 3 μερών καθιστώντας την ημιμόνιμη. Αυτό είναι πολύ σημαντικό κομμάτι της φιλοσοφίας σχεδίασης του αεροσκάφους αφού επιθυμείται η δυνατότητα εύκολης μεταφοράς. Η συναρμολόγηση της ουράς γίνεται με βίδες και παξιμάδια ξυλοκατασκευών. Αυτά έχουν τη δυνατότητα να «βυθίζονται» στο υλικό και να προσφέρουν σχεδόν επίπεδη επιφάνεια με καλή στήριξη χωρίς όμως τη μονιμότητα άλλων μεθόδων. Κινητήρες κάθετης αποπροσγείωσης Δύο ακόμη ανθρακονημάτινοι σωλήνες χρησιμοποιούνται για τη στήριξη των κινητήρων κάθετης αποπροσγείωσης. Η στήριξη των σωληνών γίνεται και πάλι με ειδικές κατασκευές τυπωμένες από 3D εκτυπωτή. Οι κατασκευές αυτές (Εικόνα 5.7αʹ) ακολουθούν και πάλι την αεροτομή της κύριας πτέρυγας, όπως η άτρακτος, κρατώντας τους κινητήρες κάθετα στο έδαφος και εξαλείφοντας έτσι την ανάγκη για μηχανισμό προσγείωσης του. Το υλικό που χρησιμοποιείται είναι και πάλι Nylon αλλά με τη διαφορά ότι δύο στρώματα των κομματιών ενισχύθηκαν με συνθετικό υλικό Kevlar. Οι κινητήρες κάθετης αποπροσγείωσης στηρίζονται στους ανθρακονημάτινους

51 Σχεδιασμός πλατφόρμας και υλοποίηση 37 (αʹ) Σχέδιασμός εξαρτημάτων (βʹ) Συναρμολογημένη κατασκευή Σχήμα 5.6: Κατασκευή στήριξης ουραίων πτερύγων σωλήνες με ειδικές βάσεις στήριξης της ελληνικής εταιρίας NEM (Εικόνα 5.7βʹ). (αʹ) Σχέδιο κατασκευής στήριξης κινητήρων κάθετης πτήσης (βʹ) NEM Aluminum Motor Mount Σχήμα 5.7: Στήριξη κινητήρων κάθετης αποπροσγείωσης Συστήματα ισχύος Οι κινητήρες στα σύγχρονα αεροσκάφη κλίμακας, είναι σχεδόν αποκλειστικά Brussless DC κινητήρες. Οι κινητήρες αυτού του τύπου έχουν ως βασικό πλεονέκτημα τις μικρές μηχανικές απώλειες αφού δεν υπάρχει ανάγκη για άμεση επαφή του δρομέα με καρβουνόβουρτσες για να υπάρξει κίνηση. Αντιθέτως οι περισσότερες υλοποιήσεις περιγράφονται από εσωτερικό στάτη και εξωτερικό δρομέα που στο εσωτερικό του έχει σειρά από ισχυρούς μαγνήτες. Για τον έλεγχο απαιτείται ειδικό εξωτερικό κύκλωμα το οποίο ονομάζεται ESC (Electronic Speed Controller). Το κύκλωμα αυτό απαιτεί DC τροφοδοσία και διακοπτικά ενεργοποιεί και απενεργοποιεί τα πηνία του στάτη με το ζητούμενο χρονικό

52 38 Περιγραφή συστήματος OspreyT Σχήμα 5.8: Scorpion SII v kV Σχήμα 5.9: NEM KV Built-in ESC 40A OPTO ESC Σχήμα 5.10: Κινητήρες OspreyT βήμα. Στην Εικόνα 5.8 εικονίζεται ο κινητήρας Scorpion SII v kV [9] ο οποίος είναι ο κινητήρας εμπρόσθιας πτήσης που χρησιμοποιήθηκε ενώ στην Εικόνα 5.9 εικονίζεται ο κινητήρας ΝΕΜ KV Built-in ESC 40A OPTO ESC [10] ο οποίος περιέχει τον ελεγκτή ταχύτητας στο σώμα του, λύνοντας το πρόβλημα της χωροταξικής διαχείρισης των ελεγκτών. Οι έλικες που επιλέχτηκαν για τους κινητήρες ήταν οι όσο το δυνατόν αποδοτικότερες κατά περίπτωση. Για τους κινητήρες κάθετης αποπροσγείωσης, οι αντίστοιχες έλικες είναι διαμέτρου 15 ιντσών και βήματος 5.2 ιντσών. Θα μπορούσαν να επιλεγούν έλικες αναδιπλούμενου τύπου ώστε να αποφευχθεί ο ανεπιθύμητος πτερυγικός φόρτος που προστίθεται από τις σταθερές έλικες. Όμως η δυσκολία στη διαθεσιμότητά τους κατέστησε αδύνατη την επιλογή τους. Για τον κινητήρα ευθείας πτήσης, δοκιμάστηκαν έλικες διαμέτρου 9 ιντσών και βήματος 6 ιντσών και 7,5 ιντσών Τελικά αποδοτικότερη λύση κρίθηκε η έλικα βήματος 6 ιντσών Αισθητήρες και υπολογιστικά συστήματα Το σύστημα θέσης και διεύθυνσης ή AHRS (Attitude and Heading Reference System) αποτελείται από αισθητήρες σε τρείς άξονες οι οποίοι παρέχουν πληροφορίες για την κατάσταση του αεροσκάφους συμπεριλαμβανομένων των γωνιών προένευσης (pitch), κλήσης (roll), εκτροπής (yaw). Το σύστημα AHRS εμπεριέχει αδρανειακή μονάδα μέτρησης (IMU) η οποία αποτελείται είτε από solid-state είτε από μικροηλεκτρομηχανολογικά (MEMS) υποσυστήματα, γυροσκόπια, επιταχυνσιόμετρα και μαγνητόμετρα και στους τρεις άξονες. Από την αδρανειακή μονάδα μέτρησης (IMU) λαμβάνονται τα δεδομένα επιτάχυνσης από τα επιταχυνσιόμετρα [ u, v, ẇ] T και οι γωνιακές ταχύτητες από τα γυροσκόπια [p, q, r], και συνδυάζονται χρησιμοποιώντας τεχνικές εκτεταμένων φίλτρων Kalman (EKF) με σκοπό τον ακριβή υπολογισμό της κατάστασης του αεροσκάφους. Τα δεδομένα της αδρανειακής μονάδας συνδυάζονται τελικά με τα δεδομένα προσανατολισμού [m x, m y, m z ] T του μαγνητικού πεδίου από τα μαγνητόμετρα του συστήματος, δίνοντας πληροφορίες διεύθυνσης και κατεύθυνσης. Συνολικά η μονάδα AHRS είναι υπεύθυνη για την παροχή των διανυσμάτων μεταφορικής επιτάχυνσης [ẋ, ẏ, ż] T, των

53 Σχεδιασμός πλατφόρμας και υλοποίηση 39 περιστροφικών θέσεων [ϕ, θ, ψ] T, και των ρυθμών περιστροφής [ ϕ, θ, ψ] T. Η μονάδα AHRS που χρησιμοποιήθηκε ήταν το NAVIO+ της εταιρίας Emlid [11]. Η μονάδα αυτή λειτουργεί σε συνδυασμό με το γνωστό υπολογιστή Raspberry Pi [12] σαν ολοκληρωμένο σύστημα αυτόματου πιλότου. Εκτός από τη μονάδα AHRS το σύστημα περιλαμβάνει GPS, Βαρόμετρο, σύστημα παρακολούθησης ισχύος και γεννήτρια παλμών PWM. Το σύστημα χρησιμοποιεί την επεξεργαστική ισχύ του Raspberry Pi 3, δηλαδή επεξεργαστή τεσσάρων πυρήνων 64bit τύπου ARM Cortex-A53 στα 1.2GHz με 1GB μνήμης RAM. Ο υπολογιστής χρησιμοποιεί προηγμένο λειτουργικό σύστημα Linux πραγματικού χρόνου. Το λειτουργικό σύστημα πραγματικού χρόνου δίνει τη δυνατότητα για τη διεξαγωγή πολλών ταυτόχρονων λειτουργιών χωρίς καθυστερήσεις. Αυτό είναι πολύ σημαντικό για τον άμεσο υπολογισμό των προαναφερθέντων διανυσμάτων. Αξίζει να σημειωθεί ότι ο αυτόματος πιλότος υλοποιεί δοκιμασμένο σύστημα εκτεταμένων φίλτρων Kalman ανοιχτού λογισμικού, το οποίο είναι κοινή πρακτική στους αυτόματους πιλότους τελευταίας γενιάς. Τέλος ο αυτόματος πιλότος προσφέρει πληθώρα μεθόδων επικοινωνίας και επεκτασιμότητας. Συγκεκριμένα παρέχεται Ethernet, Wi- Fi, Bluetooth, 4 θύρες USB, επέκταση για πρωτόκολλο UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) [13] και θύρες εισόδου/εξόδου που παρέχουν συμβατότητα με τα πρωτόκολλα I²C και SPI. Ο πιλότος φαίνεται ολοκληρωμένος στο Σχήμα Σχήμα 5.11: Emlid NAVIO+ πάνω σε Raspberry Pi¹ Επικοινωνία Όπως προαναφέρθηκε, ο αυτόματος πιλότος δύναται να χρησιμοποιήσει για την επικοινωνία του διάφορα πρωτόκολλα δικτύωσης. Συγκεκριμένα για τον έλεγχό του μπορεί να χρησιμοποιηθούν πρωτόκολλα UDP, TCP και σειριακές θύρες επικοινωνίας. Η πιο αξιόπιστη μέθοδος ως μέθοδος χαμηλότερου επιπέδου είναι συνδυασμός πομπού δέκτη ραδιοσυχνοτήτων. Ο αυτόματος πιλότος δέχεται σήμα διαμόρφωσης θέσης (PPM) και ανάλογα τον προγραμματισμό, μεταφράζει τις κινήσεις του πομπού σε κινήσεις του πιλότου. Το ζεύγος πομπού δέκτη που επιλέχθηκε παρουσιάζεται στην Εικόνα Πρόκειται για την τηλεκατεύθυνση FrSky TARANIS plus [14] και ¹ ²

54 40 Περιγραφή συστήματος OspreyT Σχήμα 5.12: FrSKY TARANIS plus και FrSKY X8R² τα δέκτη 8/16 καναλιών FrSky X8R [15]. Και τα δύο εξαρτήματα είναι ανοιχτού λογισμικού δίνοντας άπειρες δυνατότητες παραμετροποίησης και ευελιξίας με τα πιο σύγχρονα πρωτόκολλα. Οι σύγχρονοι πιλότοι προσφέρουν παραμετροποίηση της συμπεριφοράς του πιλότου σε υψηλότερο επίπεδο μέσω ενός industry standard πρωτοκόλλου που ονομάζεται MAVLink [16]. Η επικοινωνία με τον πιλότο μπορεί να γίνει μέσω πρωτοκόλλων δικτύων μεταφοράς δεδομένων όπως UDP και TCP, Bluetooth ή ακόμη και μέσω σειριακών μόντεμ όπως αυτά της Εικόνα 5.13, τα οποία κατασκευάζονται από την εταιρία 3DRobotics και έχουν εργοστασιακή εμβέλεια 2km. Σε μελλοντική επέκταση του συστήματος για επιχειρήσεις μεγάλης εμβέλειας πέρα του οπτικού πεδίου του χειριστή (Βeyond Line of Sight Operations BLSO), ο πιλότος δύναται να χρησιμοποιήσει ισχυρότερα εξαρτήματα τηλεμετρίας ή ακόμη και 3G modem σε συνδυασμό με πρωτόκολλο TCP για τη σύνδεσή του με σταθμό βάσης προσδίδοντας ουσιαστικά εμβέλεια που περιορίζεται μόνο από την κάλυψη του δικτύου και τη χωρητικότητα της μπαταρίας. Στην πραγματικότητα θα μπορούσε κανείς να μη χρησιμοποιήσει ποτέ ένα σύστημα πομπού δέκτη παρά μόνο για ασφάλεια σε περίπτωση δυσλειτουργίας του συστήματος όπου θα έπαιρνε χειροκίνητο έλεγχο του αεροσκάφους. Οι σύγχρονοι πιλότοι έχουν τη δυνατότητα να πραγματοποιούν αυτόνομες αποστολές χωρίς επικοινωνία με τον χειριστή. Στην προκειμένη περίπτωση, ο πιλότος εκπέμπει στα 433MHz με εμβέλεια 2km, παρέχει ζωντανή εικόνα video για μικρή απόσταση μέσω πρωτοκόλλου UDP και μπορεί να επεκταθεί με ισχυρότερο modem Wi-Fi η 3G. Επίσης χρησιμοποιείται ζεύγος πομπού και δέκτη στα 2.4GHz με εμβέλεια 2.5km. ³

55 Σχεδιασμός πλατφόρμας και υλοποίηση 41 Σχήμα 5.13: 3DR Radio V2 433MHz³ Τροφοδοσία συστήματος Για την τροφοδοσία του συστήματος εξερευνήθηκαν πολλές πρακτικές. Οι τεχνολογίες μπαταριών τα τελευταία χρόνια έχουν προσφέρει πρωτόγνωρες αναλογίες χωρητικότητας/βάρους. Εξερευνήθηκε η πιθανότητα χρήσης της μπαταρίας Panasonic [17] η οποία χρησιμοποιείται σήμερα στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα Tesla. Οι συγκεκριμένες μπαταρίες έχουν πολύ χαμηλό ρυθμό αποφόρτισης 18 που σημαίνει ότι απαιτείται πολύ μεγάλος αριθμός μπαταριών για να ληφθεί η απαραίτητη ισχύς. Η λύση αυτή κρίθηκε υψηλού κόστους και επιλέχτηκε η μπαταρία Scorpion Performance Power Pack 10000mAh 6s/22.2V (Εικόνα 5.14). Η μπαταρία αυτή προσφέρει μεγάλη χωρητικότητα και αποδεκτό λόγω χωρητικότητας/βάρους. Αξίζει να σημειωθεί ότι το αεροσκάφος δύναται να λειτουργήσεις και με μπαταρίες μεγαλύτερης χωρητικότητας. Με τη συγκεκριμένη μπαταρία η πτήση του αεροσκάφους υπολογίζεται τουλάχιστον στα 40 λεπτά. O χρόνος πτήσης μπορεί να επεκταθεί περαιτέρω με αποδοτικότερες μπαταρίες μεγαλύτερης χωρητικότητας. Σε συστήματα αεροσκαφών είναι συνήθης η παρακολούθηση των συστημάτων ισχύων για την εκτίμηση της εμβέλειας του αεροσκάφους καθώς οι συνθήκες πτήσης δεν είναι πάντα οι ίδιες. Επίσης, ξαφνικές και μη αναμενόμενες αλλαγές στην κατανάλωση του συστήματος είναι ανησυχητικές αφού μπορεί να είναι ένδειξη απώλειας έλικα ή δυσλειτουργίας κάποιου υποσυστήματος. Για αυτό το λόγο χρησιμοποιείται ένα απλό κύκλωμα διαιρέτη τάσης και μία ακόμη αντίσταση ακριβείας και γνωστής τιμής (current-shunt) της οποίας τα άκρα μπορούμε να μετρήσουμε για να εκτιμήσουμε το ρεύμα που τη διαρρέει. Το κύκλωμα αυτό προσφέρει αναλογικές μετρήσεις της τάσης και του ρεύματος του συστήματος στο σύστημα. Η πλακέτα AttoPilot [18]

56 42 Περιγραφή συστήματος OspreyT Σχήμα 5.14: Scorpion Performance Power Pack 10000mAh 6s/22.2V (Εικόνα 5.15) με όρια 50V και 90Α χρησιμοποιείται για να διατελέσει το σκοπό αυτό. Σχήμα 5.15: Σύνδεση AttoPilot σε πλακέτα NAVIO⁴ 5.2 Περιγραφή software stack Το λογισμικό που χρησιμοποιείται για τον έλεγχο του αεροσκάφους είναι το πλέον δοκιμασμένο και δημοφιλές APM ή ArduPilot [19]. Παρακάτω θα εξηγηθεί η δομή του και οι λειτουργίες του. Η βασική δομή του συστήματος φαίνεται στην Εικόνα ⁴

57 Περιγραφή software stack 43 Σχήμα 5.16: Βασική δομή λογισμικού Ardupilot Σταθμός βάσης Το υψηλότερο επίπεδο του συστήματος είναι ο σταθμός βάσης. Από εκεί μπορεί κανείς να επιβλέψει και να τροποποιήσει τις διαθέσιμες παραμέτρους του συστήματος. Σχήμα 5.17: Περιβάλλον λογισμικού Mission Planner Στην Εικόνα 5.17 φαίνεται ένα στιγμιότυπο του Mission Planner το οποίο είναι το πιο προηγμένο λογισμικό σταθμού βάσης αυτή τη στιγμή. Υπάρχουν άλλα συστήματα σταθμού βάσης με τα πιο διαδεδομένα το APM Planner 2 [20] και το QGroundControl [21] όμως δεν είναι τόσο πλήρη όσο το Mission Planner. Μία άλλη επιλογή για χρήστες που δεν απαιτούν πληθώρα επιλογών από το αεροσκάφος τους, είναι οι εφαρμογές για κινητές συσκευές Android. Το QGroundControl και το Tower είναι καλές επιλογές.

58 44 Περιγραφή συστήματος OspreyT MAVLink Ο λόγος που υπάρχουν τόσες επιλογές λογισμικών, είναι ότι χρησιμοποιείται ένα κοινό πρωτόκολλο επικοινωνίας για όλες. Το πρωτόκολλο αυτό λέγεται MAVLink τα οποία είναι αρχικά για την έκφραση Micro Air Vehicle communication protocol. Έχει τη δυνατότητα να αποστείλει δομές γλώσσας C μέσω σειριακών καναλιών με μεγάλη αποδοτικότητα στο σταθμό βάσης. Χρησιμοποιείται εκτεταμένα από τις πλατφόρμες λογισμικού PX4, PIXHAWK, APM και Parrot AR.Drone ως η κύρια μορφή επικοινωνίας τους τόσο με το σταθμό βάσης όσο και με τα υποσυστήματά τους Κώδικας προσαρμοσμένος στο αεροσκάφος Το σύνολο του λογισμικού APM υποστηρίζει 4 είδη οχημάτων. Αεροσκάφη, ελικόπτερα, τετράτροχα οχήματα και συστήματα ανίχνευσης κεραιών. Παρ όλο που τα μη επανδρωμένα αεροσκάφη έχουν κοινά κομμάτια κώδικα μεταξύ τους, απαιτείται διαφορετική παραμετροποίηση για κάθε αεροσκάφος. Ο κώδικας αυτός παρέχει τις παραμέτρους MAVLink και αξιοποιεί κατάλληλα τις πληροφορίες από το στρώμα των κοινών βιβλιοθηκών Κοινές Βιβλιοθήκες Στις κοινές βιβλιοθήκες ανήκει το κομμάτι AHRS που αναλύθηκε σε στο κεφάλαιο το σύστημα ελέγχου (οι ελεγκτές PID του συστήματος) και οι οδηγοί λογισμικού για τους υποστηριζόμενους αισθητήρες. Εκεί περικλείεται το σύστημα εκτίμησης συμπεριφοράς και θέσης. Το σύστημα χρησιμοποιεί προηγμένες τεχνικές εκτεταμένων φίλτρων Kalman (EKF) 24 καταστάσεων το οποίο εκτιμά τις παρακάτω καταστάσεις: Συμπεριφορά (Τετραδόνια) Ταχύτητα (Βορράς, Ανατολή, Κάτω) Θέση (Βορράς, Ανατολή, Κάτω) Διαφορές κλίσης γυροσκοπίου (X,Y,Z) Συντελεστές κλίμακας γυροσκοπίου (X,Y,Z) Διαφορά επιτάχυνσης στον άξονα Z Μαγνητικό πεδίο της Γης (Βορράς, Ανατολή, Κάτω) Μαγνητικό πεδίο σώματος (X,Y,Z) Ταχύτητα αέρα (Βορράς, Ανατολή) Διεπαφή Υλισμικού Το APM χρησιμοποιείται πλέον σε πολλές πλατφόρμες όπως τα λειτουργικά συστήματα NuttX [22], Linux [23], BuzyBox Linux [24] και από μικροελεγκτές χωρίς λειτουργικό σύστημα με επικοινωνία SPI/I2C/Serial. Για αυτό το λόγο, έχει υλοποιηθεί στρώμα λογισμικού που κάνει το σύνολο του λογισμικού αγνωστικιστικό ως προς την πλατφόρμα στην οποία λειτουργεί.

59 Έλεγχος συστήματος Έλεγχος συστήματος Το αεροσκάφος που είναι αντικείμενο της διπλωματικής αυτής υπάγεται στην κατηγορία των αεροσκαφών σταθερών πτερύγων αφού η πτήση του θα είναι κυρίως σε εμπρόσθια πτήση. Σε αυτό το σημείο θα εξηγηθούν οι ελεγκτές συμπεριφοράς του αεροσκάφους για κάθε άξονα αρχικά για τη λειτουργία κάθετης πτήσης και έπειτα για τη λειτουργία οριζόντιας πτήσης Κάθετη πτήση Σε αυτή την κατάσταση το αεροσκάφος συμπεριφέρεται σαν τετρακόπτερο. Στην Εικόνα 5.18 φαίνεται ο ελεγκτής συμπεριφοράς πτήσης για κάθε άξονα του τετρακοπτέρου. Σχήμα 5.18: Ελεκτής αξόνων τετρακοπτέρου Ο έλεγχος γίνεται χρησιμοποιώντας έναν ελεγκτή P για τη μετατροπή του σφάλματος της γωνίας, δηλαδή τη διαφορά της επιθυμητής γωνίας προς την πραγματική, σε ένα επιθυμητό ρυθμό περιστροφής. Ο επιθυμητός ρυθμός περιστροφής μετατρέπεται μέσω ενός ελεγκτή PID σε μία εντολή υψηλού επιπέδου για τον κινητήρα. Τα κέρδη P και P, I, D ρυθμίζονται από τον χρήστη ανάλογα το φορτίο του αεροσκάφους και την εμπειρία του χρήστη. Για παράδειγμα όταν το αεροσκάφος μεταφέρει εύθραυστο φορτίο, οι ελεγκτές θα πρέπει να έχουν χαμηλό κέρδος P ώστε να αποφεύγονται απότομες κινήσεις. Αντίθετα σε καταστάσεις που απαιτείται ταχύτητα απόκρισης όπως ακροβατικές ενέργειες, τα κέρδη P πρέπει να είναι υψηλότερα. Η μεθοδολογία και τα αποτελέσματα για τον υπολογισμό των τιμών των κερδών του ελεγκτή PID αναλύονται στο Κεφάλαιο Ευθεία πτήση Στην οριζόντια πτήση τα προβλήματα που έχουν να αντιμετωπιστούν είναι περισσότερα. Ο έλεγχος του αεροσκάφους γίνεται με επιφάνειες ελέγχου και όχι με περιστροφικούς κινητήρες. Η διαφορά σε αυτή την περίπτωση είναι ότι οι επιφάνειες ελέγχου αντιδρούν διαφορετικά σε υψηλότερες και διαφορετικά σε χαμηλότερες ταχύτητες. Συγκεκριμένα σε υψηλότερες ταχύτητες οι επιφάνειες ελέγχου κινούνται λιγότερο για να πραγματοποιήσουν την ίδια κίνηση που σε χαμηλότερες ταχύτητες θα πραγματοποιούσαν με μεγαλύτερη εκτροπή. Για αυτό το λόγο οι PID ελεγκτές στα αεροσκάφη σταθερών πτερύγων κλιμακώνονται ανάλογα με την ταχύτητα. Ταυτόχρονα ο έλεγχος κάθε επιφάνειας γίνεται από διαφορετική επιφάνεια

60 46 Περιγραφή συστήματος OspreyT ελέγχου με διαφορετικά χαρακτηριστικά και τεχνική. Όλα αυτά οδηγούν σε διαφορετικούς ελεγκτές για κάθε άξονα Προένευση (Pitch) Για την προένευση χρησιμοποιείται ένας ελεγκτής P για τη μετατροπή του σφάλματος της γωνίας, δηλαδή τη διαφορά της επιθυμητής γωνίας προς την πραγματική, σε μία επιθυμητή θέση του πηδαλίου ανόδου. Στην Εικόνα 5.19 παρουσιάζεται μία σχηματική αναπαράσταση του ελεγκτή. Σχήμα 5.19: Ελεγκτής προένευσης αεροσκάφους σταθερής πτέρυγας⁵ Ταυτόχρονα υπάρχουν περιορισμοί, αφού οι βοηθητικοί κινητήρες (servo) έχουν όρια στην εκτροπή την οποία μπορούν να πραγματοποιήσουν και πρέπει να ληφθούν υπ όψιν. Για αυτό εισάγεται ένας περιοριστικός παράγοντας (Limiter). Στην περίπτωση που το αεροσκάφος βρίσκεται εν μέσω ελιγμού κλίσης roll, θα πρέπει αυτό να συνυπολογιστεί μέσω του υπολογισμού αποζημίωσης γωνίας κλίσης. Τέλος, εφαρμόζεται η κλιμάκωση του σφάλματος για την ταχύτητα του αέρα και μέσω ενός ελεγκτή PID δίνεται η κατάλληλη εντολή για την επίτευξη της εκτροπής του πηδαλίου Κλίση (Roll) Ο ελεγκτής κλίσης είναι πιο απλός από τον ελεγκτή προένευσης. Χρησιμοποιείται ελεγκτής P για τη μετατροπή του σφάλματος της γωνίας κλίσης, δηλαδή τη διαφορά της επιθυμητής γωνίας προς την πραγματική, σε μία επιθυμητή θέση των πηδαλίων πτήσης τα οποία έχουν την αντίθετη μεταξύ τους εκτροπή. Οι περιορισμοί του πηδαλίου εφαρμόζονται και εδώ αλλά η κίνηση δεν επηρεάζεται από άλλες κινήσεις του αεροσκάφους. Και πάλι εφαρμόζεται κλιμάκωση ανάλογα την ταχύτητα του αέρα και τελικά η επιθυμητή γωνία μετατρέπεται μέσω ενός ελεγκτή PID σε εντολή υψηλού επιπέδου για τους βοηθητικούς κινητήρες των πλαγίων πηδαλίων κλίσης. Στην Εικόνα 5.20 παρουσιάζεται μία σχηματική αναπαράσταση του ελεγκτή. ⁵ ⁶

61 Σύνοψη κεφαλαίου 47 Σχήμα 5.20: Ελεγκτής κλίσης αεροσκάφους σταθερής πτέρυγας⁶ Εκτροπή (Yaw) Η εκτροπή είναι μικρή κίνηση του αεροπλάνου και έχει κυρίως διορθωτικό χαρακτήρα στην περίπτωση ανέμων. Ο συγκεκριμένος ελεγκτής συνυπολογίζει την πιθανή εκτέλεση ελιγμών κλίσης από το αεροπλάνο και εκτιμά την πιθανή λανθασμένη εκτροπή του αεροπλάνου. Λαμβάνοντας υπ όψιν την κλιμάκωση ανάλογα με την ταχύτητα του αέρα, δίνεται εντολή υψηλού επιπέδου στον βοηθητικό κινητήρα μέσω ελεγκτή I. Στην Εικόνα 5.21 παρουσιάζεται μία σχηματική αναπαράσταση του ελεγκτή. Σχήμα 5.21: Ελεγκτής εκτροπής αεροσκάφους σταθερής πτέρυγας⁷ 5.4 Σύνοψη κεφαλαίου Σε αυτό το κεφάλαιο περιγράφηκε η πλατφόρμα OspreyT ως προς τα δομικά της μέρη, τα ηλεκτρονικά της εξαρτήματα, τα συστήματα ισχύος και τους PID ελεγκτές της. Αναλύθηκαν τεχνικές κατασκευής και σχεδιασμού για τα επιμέρους δομικά τμήματα του αεροσκάφους, οι επιλογές που έγιναν σε αυτούς τους τομείς και τελος, έγινε επεξήγηση των επιλογών που έγιναν σε αυτό τον τομέα. Στον τομέα των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων μελετήθηκαν οι αισθητήρες του αεροσκάφους, η μονάδα AHRS και τα υπολογιστικά υποσυστήματα. Έγινε επεξήγηση της δομής του κώδικα του αυτόματου πιλότου και τελικά αναλύθηκε η δομή των ελεγκτών του αεροσκάφους τόσο για πτήση ως τετρακόπτερο αλλά και για πτήση ως αεροσκάφος σταθερών πτερύγων. ⁷

62

63 Κεφάλαιο 6 Δοκιμές Σε αυτό το κεφάλαιο περιγράφονται οι δοκιμές που έγιναν για την αξιολόγηση του αεροσκάφους. 6.1 Δοκιμές ελίκων Για την κατασκευή του αεροσκάφους έπρεπε να επιλεχθούν οι κατάλληλες έλικες για τους κινητήρες κάθετης πτήσης και για τον κινητήρα εμπρόσθιας πτήσης. Για αυτό το λόγο κατασκευάστηκε μετρητής ώθησης και δοκιμάστηκαν σειρά ελίκων. Κατά τη μέτρηση μετρήθηκε η ισχύς του συστήματος σε Watt και η ώση του συστήματος σε kg ΝΕΜ (Black Widow) (394KV) Για την κάθετη ανύψωση του αεροσκάφους απαιτείται ώθηση τουλάχιστον 500g 4 5 = 1250g από τον κάθε κινητήρα και η ώθηση αυτή να επιτυγχάνεται με τιμή διακόπτη ισχύος 50%. Διάμετρος: 12 ίντσες, βήμα: 5.5 ίντσες Η συγκεκριμένη έλικα επιτυγχάνει να ανυψώσει το αεροσκάφος στο 90% της τιμής του διακόπτη ισχύος με κατανάλωση 266.3W. Αυτή η έλικα απορρίπτεται αφού απαιτείται να υπάρχει περιθώριο ισχύος για την εκτέλεση ελιγμών. Διάμετρος: 15 ίντσες, βήμα: 5.2 ίντσες Η συγκεκριμένη έλικα επιτυγχάνει να ανυψώσει το αεροσκάφος στο 53% της τιμής του διακόπτη ισχύος με κατανάλωση 217.5W. Η επιλογή αυτή πληροί τις προδιαγραφές και είναι αποδοτικότερη από την προηγούμενη λύση οπότε και επιλέγεται Scorpion SII (V2) (780KV) Για τον κινητήρα εμπρόσθιας πτήσης το σημείο ενδιαφέροντος είναι η αποδοτικότητά του και η προστασία του συστήματος από ακραίες και καταστροφικές τιμές. Ο κατασκευαστής ορίζει τη μέγιστη ισχύ του κινητήρα στα 780 Watt. Η μέγιστη τιμή 49

64 50 Δοκιμές Σχήμα 6.1: Συσκευή μέτρησης ισχύος ελίκων διακόπτη ισχύος πρέπει να δίνει χαμηλότερη ή ίση ισχύ με την ισχύ που έχει οριστεί σαν όριο από τον κατασκευαστή. Διάμετρος: 11 ίντσες, βήμα: 7 ίντσες Η συγκεκριμένη έλικα επιτυγχάνει την τιμή ισχύος 780 Watt στο 76% του διακόπτη ισχύος παρέχοντας 2425g ώθησης. Η χρήση αυτής της έλικας στο συγκεκριμένο αεροσκάφος απορρίπτεται ως επικίνδυνη. Διάμετρος: 9 ίντσες, βήμα: 6 ίντσες Η συγκεκριμένη έλικα επιτυγχάνει την τιμή ισχύος 780 Watt στο 99% του διακόπτη ισχύος παρέχοντας 1794g ώθησης. Αυτή η έλικα είναι ιδανική για το συνδυασμό αφού παράγει αρκετή ώθηση όντας ταυτόχρονα ασφαλή επιλογή για την πλατφόρμα.

65 Δοκιμές κάθετης πτήσης Δοκιμές κάθετης πτήσης Οι δοκιμές κάθετης πτήσης περιλαμβάνουν τα πειράματα που έγιναν για τον υπολογισμό των ελεγκτών PID που χρησιμοποιήθηκαν καθώς και τροποποιήσεις στις παραμέτρους του συστήματος για την ομαλή πτήση του αεροσκάφους Για την δοκιμή του αεροσκάφους, έγινε προσαρμογή του εξοπλισμού σε προσωρινή βάση η οποία επέτρεπε ελευθερία κινήσεων σε ένα μόνο άξονα κίνησης. Με αυτό τον τρόπο ήταν δυνατή η δοκιμή πειραμάτων με ασφάλεια τόσο για το αεροσκάφος όσο και για τον χρήστη. Έγινε βελτιστοποίηση των ελεγκτών PID των αξόνων Pitch, Roll και Yaw. Στα συμμετρικά τετρακόπτερα ο ελεγκτές των γωνιών Pitch kαι Roll πρέπει να είναι οι ίδιοι άρα αρκεί να βελτιστοποιήσουμε τον έναν εκ των δύο ελεγκτών. Η εύρεση των αρχικών τιμών των κερδών έγινε με τη μέθοδο Ziegler Nichols. Αρχικά έγινε μηδενισμός όλων των κερδών και αναγνώριση των ακραίων τιμών των κινητήρων από το σύστημα. Μετά την ενεργοποίηση του συστήματος, Ορίζεται η ισχύς στο 40% όπου εφαρμόζεται μηδενική συνισταμένη δύναμη στον άξονα z. Ο ελεγκτής έχει σχεδιαστεί για να εξισορροπεί το αεροσκάφος στη ζητούμενη γωνία που στην προκειμένη περίπτωση είναι η μηδενική. Θέτουμε την τιμή κέρδους P του ελεγκτή στη χαμηλή τιμή 0,05. Από απόσταση γίνεται εκτροπή του αεροσκάφους με χειροκίνητο τρόπο ως προς τον άξονα Roll και αναμένουμε το αεροσκάφος να ισορροπήσει με αργό ρυθμό. Γίνεται σταδιακή αύξηση της τιμής κέρδους P κατά 20% σε κάθε επανάληψη της διαδικασίας. Στόχος είναι να βρεθεί η τιμή στην οποία το αεροσκάφος αρχίζει να ταλαντώνεται. Όταν το αεροσκάφος αρχίσει να ταλαντώνεται, γίνονται μικρές μειώσεις της τάξεως του 10% έως ότου το αεροσκάφος ταλαντώνεται οριακά. Η τιμή Ku στην οποία συμβαίνει αυτό είναι K u = 0, 51 όπου το αεροσκάφος ταλαντώνεται με περίοδο T u = 0, 4sec. Από τις τιμές Ziegler-Nichols θέτονται τα κέρδη των ελεγκτών όπως φαίνονται τον Πίνακα 6.1. Πίνακας 6.1: Τιμές Ziegler-Nichols για τον άξονα Roll K p K i K d 0, 6K u T u /2 T u /8 0,306 0,2 0,05 Οι τιμές που προέκυψαν έδωσαν σχετικά μεγάλες μέγιστες τιμές στον ελεγκτή. Οι κινήσεις του αεροσκάφους πρέπει να ήπιες αφού το φορτίο που μετακινεί μπορεί να είναι εύθραυστο ή στην περίπτωση των αισθητήρων να απαιτεί ήπιες κινήσεις. Για αυτό το λόγο οι τιμές των κερδών τροποιήθηκαν για καλύτερη απόκριση. Οι τελικές τιμές αναγράφονται στον 6.2. Πίνακας 6.2: Τελικές τιμές κερδών ελεγκτή PID του άξονα Roll K p K i K d 0,24 0,25 0,003 Όπως φαίνεται στην Εικόνα 6.2 η απόκριση του ελεγκτή στις διάφορες εκτροπές του αεροσκάφους (πράσινο χρώμα) ακολουθεί την επιθυμητή τιμή (κόκκινη) με ικανοποιητική απόκριση.

66 52 Δοκιμές Σχήμα 6.2: Απόκριση τελικών τιμών του ελεγκτή του άξονα Roll Όπως προαναφέρθηκε, ο ελεγκτής PID της γωνίας pitch θα έχει ίδιες τιμές κερδών με τον άξονα roll αφού το τετρακόπτερο είναι συμμετρικό. Για τον ορισμό του ελεγκτή PID του άξονα Yaw τοποθετούμε την πλατφόρμα σε επίπεδη επιφάνεια και θέτουμε την ισχύ σε επίπεδο περίπου 40% έτσι ώστε το αεροσκάφος να βρίσκεται σε ελάχιστη αιώρηση. Γίνεται εκτροπή του τετρακοπτέρου από απόσταση ως προς τον άξονα yaw και αναμένεται η αργή επιστροφή του στην αρχική θέση. Γίνεται σταδιακή αύξηση της τιμής κέρδους P κατά 20% σε κάθε επανάληψη της διαδικασίας. Στόχος είναι να βρεθεί η τιμή στην οποία το αεροσκάφος αρχίζει να ταλαντώνεται. Όταν το αεροσκάφος αρχίσει να ταλαντώνεται, γίνονται μικρές μειώσεις της τάξεως του 10% έως ότου το αεροσκάφος ταλαντώνεται οριακά. Η τιμή Ku στην οποία συμβαίνει αυτό είναι K u = 0, 3 όπου το αεροσκάφος ταλαντώνεται με περίοδο T u = 0, 036sec. Από τις τιμές Ziegler-Nichols θέτουμε τα κέρδη του ελεγκτή σύμφωνα με τον Πίνακα 6.3 Πίνακας 6.3: Τιμές Ziegler-Nichols για τον άξονα Yaw K p K i K d 0, 6K u T u /2 T u /8 0,18 0,018 0, Δοκιμές ολοκληρωμένης πτήσης Για τη δοκιμή του αεροσκάφους έγιναν τρεις πτήσεις. Η πρώτη δοκιμή ήταν πτήση μόνο σε κάθετη λειτουργία σε ελεγχόμενο αίθριο χώρο. Αυτό επέτρεψε την απώλεια ανέμων και την καλή αξιολόγηση των τιμών κερδών των ελεγκτών PID οι οποίοι τέθηκαν. Όπως παρατηρήθηκε, oι τιμές κατέστησαν το αεροσκάφος ευσταθές και εύκολα ελέγξιμο. Η πτήση διήρκησε 2 λεπτά και δοκιμάστηκε ο χειροκίνητος χειρισμός του αεροσκάφους καθώς και ελέγχθηκαν τα επίπεδα τροφοδοσίας. Η δεύτερη δοκιμή ήταν χειροκίνητη πτήση δοκιμής των χειροκίνητων δυνατοτήτων του αεροσκάφους. Ο καιρός ήταν αίθριος με άνεμο ταχύτητας 21km/h (4 Μποφόρ). Ο άνεμος ήταν ένα θετικό στοιχείο αφού επέτρεψε τη ρεαλιστική δοκιμασία της πλατφόρμας. Σε αυτή την πτήση το αεροσκάφος απογειώθηκε κάθετα, έπειτα μετέβη σε πτήση ως αεροσκάφος σταθερής πτέρυγας και πραγματοποίησε πτήση 13 λεπτών. Κατά την προσγείωση το επίπεδο της μπαταρίας υπολογίστηκε από τον υπολογιστή του αεροσκάφους στο 67.2%. Αυτό σημαίνει ότι 13 λεπτά πτήσης αντιστοιχούν σε 32.8% της μπαταρίας. Υπολογίζοντας τις αναλογίες, φτάνουμε στο συμπέρασμα ότι μία πτήση του αεροσκάφους σε σχεδόν μέτριο άνεμο μπορεί να διαρκέσει το μέγιστο

67 Δοκιμές ολοκληρωμένης πτήσης λεπτά και 38 δευτερόλεπτα το οποίο βρίσκεται πολύ κοντά στο στόχο πτήσης 40 λεπτών ο οποίος τέθηκε για το αεροσκάφος. Η τρίτη δοκιμή ήταν αυτόνομη πτήση. Ο καιρός ήταν ελαφρά συννεφιασμένος με άνεμο ταχύτητας 29km/h (5 Μποφόρ). Ο άνεμος ήταν ιδιαίτερα δυνατός αλλά το αεροσκάφος ανταποκρίθηκε. Σε αυτή την πτήση το αεροσκάφος απογειώθηκε κάθετα, έπειτα μετέβη σε πτήση ως αεροσκάφος σταθερής πτέρυγας και πραγματοποίησε κυκλική πτήση μεταξύ ακολουθόντας 5 σημεία στο χάρτη. Σχήμα 6.3: Στιγμιότυπο από την πρώτη ολοκληρωμένη πτήση του αεροσκάφους Στην τρίτη πτήση του αεροσκάφους εξερευνήθηκαν οι δυνατότητες αυτόνομης πτήσης. Η πτήση αυτή έγινε Συγκεκριμένα δημιουργήθηκε πλάνο πτήσης 5 σημείων (Εικόνα 6.4) το οποίο περιλάμβανε τις εξής λειτουργείες: Σχήμα 6.4: Το πλάνο πτήσης που εκτελέστηκε Εκκίνηση από κατάσταση τετρακοπτέρου Μετάβαση σε κατάσταση ευθείας πτήσης

68 54 Δοκιμές Εκτέλεση διαδρομής υποδεικνυόμενης από δείκτες (waypoints) Μετάβαση σε κατάσταση τετρακοπτέρου και προσγείωση στο τελευταίο waypoint Από τα δεδομένα πτήσης του συστήματος αντλούνται οι συντεταγμένες GPS του αεροσκάφους καθώς και τα waypoints. Αυτά εισάγονται στο πρόγραμμα MATLAB [25] για περαιτέρω επεξεργασία. Έτσι προκύπτει η πραγματική διαδρομή του αεροσκάφους συγκριτικά με τους δείκτες όπως φαίνεται στο Σχήμα 6.5. Σχήμα 6.5: Απεικόνιση συντεταγμένων GPS και δεικτών Κατά την πτήση το αεροσκάφος ακολουθεί τα σημεία και αντιδράει ικανοποιητικά στις εκτροπές από ριπές ανέμου που ήταν σημαντικής ισχύος κατά τη διάρκεια της πτήσης. Στην Εικόνα 6.6 παρατηρούνται οι μεταβολές των γωνιών Newton-Euler. Από τις γωνίες παρατηρούνται οι κινήσεις του αεροσκάφους. Χαρακτηριστικές είναι οι δύο μεγάλης διάρκειας αριστερές στροφές που πραγματοποιεί το αεροσκάφος και εκφράζονται με δύο αρνητικές εκτροπές στον άξονα Roll. Επίσης είναι ευκρινή τα σημεία απογείωσης και προσγείωσης του αεροσκάφους από τον άξονα Pitch. Σε αυτό το σημείο θα εξεταστεί εκτενέστερα και η διαδικασία μετάβασης μεταξύ των καταστάσεων. Συγκεκριμένα στη μετάβαση από την πτήση ως τετρακόπτερο στην πτήση ως αεροσκάφος σταθερής πτέρυγας, οι κινητήρες κάθετης αποπροσγείωσης μειώνουν την ταχύτητά τους ενώ ταυτόχρονα ο κινητήρας ευθείας πτήσης αρχίζει