Разработка беспилотников для условий Севера
Актуальность
Якутия занимает значительную по размерам территорию, большая часть которой является труднодоступной. Использование беспилотных аппаратов в низких температурах затруднительно по причине ограничений времени использования батарей и проблем с работой механизмов.
Цель
Для имеющейся в наличии модели дрона создать дополнительные устройства, которые позволят работать модели при низких температурах, не разрешенных для этой модели.
Задачи
Проанализировать имеющий опыт использования дронов этой модели в условиях холодных регионов.
Разработать систему устройств, которые позволят избавиться от ограничивающих факторов созданной модели, работать в более низких условиях, чем разрешает производитель, снизить проблемы конденсации в элементах конструкции дрона.
Собрать прототип и дополнительные устройства к дронам.
Исследуемый объект: dji Phantom 4 Pro
Внешние факторы и риски
1. Температура
2. Влага, вода
3. Ветер
Основная проблема состоит в резком снижении емкости батареи и отдаваемого ею напряжения.
Ход работы
В ходе анализа возможных рисков мы сделали вывод, что наиболее эффективный путь решения задачи работы является утепление и изоляция основных механизмов беспилотника конкретной модели. Также, предложен путь решения проблемы в виде кейса для сохранения батареи в тепле. План исследования:
1. Проанализировать существующие материалы, в теории способные удержать тепло и экспериментально зафиксировать их способность удерживать тепло;
2. Провести замеры уровня охлаждения собственно батарей дрона;
3. Провести летные испытания дрона в условиях низких температур;
4. Улучшить корпус дрона;
5. Провести повторные летные испытания для замера эффективности улучшений;
6. Проанализировать полученные данные и обозначить перспективу для дальнейших исследований.
Были рассмотрены следующие материалы:
Для экспериментов были выбраны пенофол, монтажная пена и пенопласт как наиболее доступные в рамках исследования.
Эксперименты
Проведено три типа экспериментов, направленных на изучение: теплоизоляционной способности материалов, охлаждения батареи и пенопласта как теплоизолятора и летные испытания
| № | Суть эксперимента |
| Поместить датчики в картонные коробки с разными утеплителями. Проверить теплопроводные свойства разных материалов. | |
| Сравнить емкость аккумулятора, его температуру и подаваемое напряжение | |
| Испытать полет квадрокоптера в мороз |
Способ измерения экспериментальных данных: Arduino NANO
Разработка алгоритма для обработки данных была выполнена с помощью ПО Arduino IDE. В ходе разработки программы были использованы специализированные библиотеки для датчиков и sd карты.
Эксперимент 1 - изучение свойств картона для сравнения с другими материалами. Примечание: на графиках красными линиями выделены начало и конец эксперимента.
Условия проведения:
температура в помещении: 25°С
Температура на улице: -38-40°С
время: 15 минут
толщина картона: 0,6 см
размер коробки: 33х33х33 см
использованы 3 датчика ds18b20
Ход эксперимента
1 этап. Изменение температуры воздуха внутри коробки (График 1):
Желтым - датчик за пределами;
Оранжевым - датчик у стенки;
Серым - датчик внутри.
3 этап. Прибор в картонной коробке в -38°С:
Начало: t°C воздуха = 23.
Конец: t°C воздуха = -20.
Эксперимент 1 - изучение свойств пенофола
Условия проведения:
температура в помещении: 25°С
температура на улице: -38-40°С
время: 15 минут
толщина пенофола с картоном: 0,8 см
размер коробки из пенофола: 33х33х33 см
использованы 3 датчика ds18b20
Ход эксперимента
1 этап. Изменение температуры воздуха внутри коробки (График 1):
Синим - датчик за пределами;
Желтым - датчик у стенки;
Оранжевым - датчик внутри.
2 этап. Батарея на морозе в -38°С:
Начало: 17,17В; t°C воздуха = 23; t°C батареи = 23
Конец: 17В; t°C воздуха = -38; t°C батареи = -5.
3 этап. Батарея в пенофоле в -38°С:
Начало: 13,12В; t°C воздуха = 23; t°C батареи = 23.
Конец: 15,09В; t°C воздуха = -17; t°C батареи = 2.
Эксперимент 1 - изучение свойств монтажной пены
Условия проведения:
температура в помещении: 25°С
температура на улице: -38-40°С
время: 15 минут
толщина пены с картоном: 4 см
размер коробки из пены: 33х33х33 см использованы 3 датчика ds18b20
Ход эксперимента
1 этап. Изменение температуры воздуха внутри коробки (График 1):
Синим - датчик за пределами;
Красным - датчик у стенки;
Оранжевым - датчик внутри.
2 этап. Батарея на морозе в -38°С:
Начало: 17,17В; t°C воздуха = 23; t°C батареи = 23
Конец: 17В; t°C воздуха = -38; t°C батареи = -5.
3 этап. Батарея в пене -38°С:
Начало: 13,12В; t°C воздуха = 23; t°C батареи = 23.
Конец: 15,09В; t°C воздуха = -17; t°C батареи = 2.
Вывод: лучше всего удерживает тепло монтажная пена, на втором месте – пенофол, простой картон показал худшие результаты. Наиболее целесообразно использовать пенофол в силу его компактности и удобства применения.
Эксперимент 2 - изучение свойств пенопласта и аккум. батареи.
Условия проведения:
температура в помещении: 25°С
температура на улице: -38-40°С
время: 15 минут
толщина пенопласта: 3 см
размер коробки из пенопласта: 17х15х11 см
использованы датчики квадрокоптера
Ход эксперимента
1 этап. Изменение температуры воздуха внутри коробки (График 1):
Синим - датчик за пределами;
Оранжевым - датчик у стенки;
Желтым - датчик внутри.
2 этап. Батарея на морозе в -38°С:
Начало: 17,17В; 6002 мА*ч; t°C батареи=23.
Конец: 17В; 5941 мА*ч; t°C батареи=5.
3 этап. Батарея в пенопласте -38°С:
Начало: 17,12В; 5720 мА*ч; t°C батареи=20.
Конец: 17,09В; 5654 мА*ч; t°C батареи=17
Анализ: воздух внутри коробки охлаждается медленно, за 15 минут батарея охладилась до 5 градусов, что повлияло на выходное напряжение; пенопласт значительно замедлил охлаждение аккумуляторов.
Эксперимент 3 - летные испытания.
Условия проведения
температура: -40°С
заряд аккумулятора: полный
Ход эксперимента
1. Первое испытание: в среднем полётное время составило 23 минуты, батарея охладилась с 20°С до 10°С
2. Второе испытание: полёты с средним временем 25 минут, батарея охладилась с 22°С до 11°С; применено простое утепление двигателей ЛА.
Анализ: практическое максимальное время полета квадрокоптера (25 минут) на 16,66% меньше времени, указанного производителем модели (30 минут). На графике - изменение температуры аккумулятора.
Условия проведения
Температура внешняя -40°С, 25°С
Время: 20-30 минут
Заряд полный, применено утепление корпуса и радиатора
Ход эксперимента
1. Первое испытание: работа на улице, t°С=-40; показания вольтметра изменились с 16,8 В до 15,8 В; температура батаереи коптера изменилась с 24°С до 20°С.
2. Второе испытание: работа в помещении, t°С=25 (график 1); показания вольтметра не изменились и остались на уровне 16,7 В; батарея нагрелась с 20°С до 42°С 
