Turóczi Antal (ZMNE)Absztrakt Kutatási témámul egy négyrotoros helikopter fedélzeti repülésszabályzó rendszerének megtervezését és megépítését választottam. Ehhez elengedhetetlen a helikopter, mint irányítandó szakasz fizikai modelljének meghatározása. A modellalkotás folyamatát az általam követett gondolatmenet alapján mutatom be. As a PhD. student of the Zrínyi Miklós National Defense University I have envisaged a development of an onboard flight control system of a quad rotor helicopter design. To achieve this goal it is unavoidable to create the physical model of the helicopter. This process is presented in this article. Kulcsszavak: négyrotoros helikopter, fizikai modell, repülésszabályzó rendszer BevezetésA pilótanélküli légi járművek a mai modern hadseregekben egyre hangsúlyosabb szerepet kapnak. Ennek egyik oka, hogy ezen eszközök gyártási, üzemeltetési és karbantartási költsége jóval alacsonyabb, mint a hasonló feladatokra szánt pilóta által vezetett repülőgépeké. Emellett az irányító személyzet kiképzése is sokkal kisebb anyagi ráfordítást igényel. A technika fejlődésével ugyanis egyre több az automatizált funkció, ezért az UAV-t irányító személyzetének nem kell folyton a jármű irányításával foglalkoznia, figyelmét teljes egészében a küldetés valódi céljára összpontosíthatja. Az ez irányú fejlesztések másik mozgatórugója az emberi élet védelme. Az emberáldozattal ellentétben egy pilóta nélküli eszköz elvesztése csak anyagi kárként jelentkezik. Ez a közvélemény számára is sokkal elfogadhatóbb. Másrészt a jármű képességeit - mivel nincsen ember a fedélzeten - csak a gép fizikai konstrukciójából adódó tulajdonságok miatt kell szándékosan korlátozni (mechanikai szilárdság, instabil működést eredményező manőverek, stb.). Ebből következik, hogy az UAV-k olyan környezeti feltételek mellett is képesek ellátni feladatukat, amelyekben az ember közvetlen életveszélynek lenne kitéve. A lebegés, a helyből fel- és leszállás képessége (VTOL - Vertical Take-Off and Landing) - a pilótás gépekhez hasonlóan - lehetővé teszi UAV-k alkalmazását speciális felhasználási területeken. Ezeknek az eszközöknek nincsen szüksége kifutópályára, ezért a terepviszonyoktól függetlenül szinte bárhol bevethetők. Egy kisebb szabad terület, vagy egy szállítójármű platója is elegendő az indításhoz és landoláshoz. Bár a felhasználási területek száma a kutatások és fejlesztések előrehaladtával egyre nő, itt megemlítenék néhány fontosabb létező és lehetséges gyakorlati alkalmazást:
1. Négyrotoros helikopter
"A jármű ötlete, amely képes függőlegesen felemelkedni a földről és mozdulatlanul lebegni a levegőben, valószínűleg akkor született, amikor az ember először álmodott a repülésről." A négyrotoros elrendezésű helikopter gondolata nem új keletű. A Bréguet testvérek 1907-ben megépítették Gyroplane No. 1 névre keresztelt robbanómotoros hajtásű helikopterüket (1. ábra), amely az akkori híradások szerint képes volt 1,5 méter magasban lebegni. A géppel azonban csak függőleges irányban lehetett manőverezni, ugyanis a pilóta a fedélzetről kizárólag a motor fordulatszámát volt képes szabályozni a gázkar segítségével. Mivel igen instabil szerkezetnek bizonyult, néhány embernek a földről kellett kézzel stabilizálnia a lebegést. Az első valóban járműnek nevezhető négyrotoros helikopter prototípus a Convertawings Model "A" Quadrotor elnevezésű gép volt (2. ábra). Az 50-es években több sikeres próbarepülést is végrehajtottak vele, de megrendelések hiányában a projektet leállították [3].
Bár ember szállítására alkalmas négyrotoros helikopter soha nem jutott el valódi civil vagy katonai alkalmazásig, kisméretű, pilótanélküli társaival az utóbbi időben egyre gyakrabban lehet találkozni, elsősorban távirányítású játékmodellek formájában (3. ábra).
Emellett persze léteznek "komolyabb" rendeltetésű, nagymértékben automatizált működésű négyrotoros helikopterek is, mint például a német Diehl cég SensoCopter UAV-ja (4. ábra) [4].
1.1. Működési elvÁltalánosságban elmondható, hogy a ma szolgálatot teljesítő helikopterek 95%-a - legyen az polgári vagy katonai alkalmazású - "hagyományos", Sikorsky-féle, egy főrotor egy farokrotor elrendezésű. A farokrotor egyrészt a főrotorra ható reaktív erők forgató hatását ellensúlyozza, másrészt a repülés irányszögét lehet segítségével megváltoztatni. A helikopter függőleges és vízszintes mozgását a főrotor fordulatszámával és a rotorlapátok kollektív illetve ciklikus állásszögének változtatásával lehet szabályozni. Az állásszöggel a rotorlapátok által keltett felhajtóerő gyorsan és finoman állítható a fordulatszám hirtelen megváltoztatása nélkül. A rotorlapátok összetett mozgását - az állásszög folyamatos változtatását egyetlen fordulat alatt - bonyolult mechanikai rendszerrel lehet csak megoldani. Ezért, bár a technika fejlődésével mind a mechanika mind az irányító rendszerek egyre megbízhatóbbak és egyre jobb minőségűek, egy hagyományos felépítésű helikopter biztonságos üzemeltetése karbantartás- és szervizigényes [5]. 1.2. Elektromos meghajtásNégyrotoros elrendezéssel fix állásszögű rotorokkal is irányíthatjuk a helikopter mozgását pusztán a négy rotor fordulatszámának változtatásával. Ehhez azonban olyan meghajtó-rendszerre van szükség, amely lehetővé teszi a rotorok gyors és pontos fordulatszám-változtatását. A hagyományos elrendezésű helikoptereknél a robbanómotoros meghajtás elegendő dinamikával rendelkezik, mivel nincs szükség hirtelen fordulatszám változtatásokra. Fix állásszög esetén azonban, ahol a felhajtóerőt kizárólag a rotorok fordulatszámával szabályozzuk, a robbanómotoros meghajtás nem hatékony. A legkézenfekvőbb választás a probléma megoldására az elektromotoros meghajtás. A mai modern állandómágneses, kefe nélküli, háromfázisú elektromotorok mechanikailag robosztus, igénytelen berendezések. Fordulatszámuk, a nagy nyomatéknak, a kis tehetetlenségű forgórésznek, és a korszerű félvezető eszközöknek köszönhetően, széles tartományban precízen és nagy dinamikával szabályozható. [6] [7]. A robbanómotorral ellentétben nem keletkezik kellemetlen égéstermék, hő és zaj, ez egyrészt csökkenti a felderíthetőséget másrészt előnyös a beltéri alkalmazásokban. Az elektromos meghajtás ellen egyetlen komoly érvet lehetne felhozni. Bár akár 70-95%-os hatásfok is elérhető - robbanómotoros meghajtás 25-40%-ával szemben - az energiaforrásként szolgáló akkumulátorok tárolt energia/tömeg mutatója egyelőre jóval kisebb, mint a fosszilis tüzelőanyagoké. Ez azt jelenti, hogy ma még egy tisztán elektromos meghajtású UAV kisebb hasznos teherrel és rövidebb ideig tartózkodhat a levegőben, mint egy robbanómotoros. Biztosra vehető azonban, hogy a mobil informatikai eszközök egyre bővülő piacának köszönhetően, a probléma enyhítésére megoldást jelentő üzemanyagcella hamarosan elérhető alternatívája lesz az egyébként egyre jobb és jobb hatásfokú akkumulátoroknak [8]. 1.3. A helikopter irányítása
A helikopter függőleges mozgását a négy rotor fordulatszámának együttes növelésével vagy csökkentésével lehet irányítani. Ez megfelel a hagyományos helikoptereknél megszokott kollektív állásszög, illetve motorteljesítmény változtatással. Az oldalirányú mozgást az egymás mellett lévő rotorok fordulatszámának változtatásával lehet irányítani, amit hagyományos esetben a ciklikus állásszög változtatásával valósítanak meg. Az 5. ábra alapján láthatjuk, hogy a bal oldali rotorok fordulatszámának növelésével a gép megdől, és a vízszintes irányban ható erőkomponensek miatt jobbra mozog. A balra-, előre- illetve hátramozgás hasonló elvek alapján következik. A függőleges tengely körüli forgó mozgás azonban már nem ennyire egyértelmű. A légellenállás miatt a rotorlapátokra reaktív erő hat, amely a forgás irányával ellentétes. Az így keletkezett forgatónyomatékot ellensúlyozza, hagyományos felépítésű helikopter esetén a farokrotor.
A négyrotoros elrendezés azonban szimmetrikus, ezért mindaddig, amíg az azonos irányban fogó rotorok által létrehozott forgatónyomatékok eredője egyenlő, nincs függőleges tengely körüli forgás. Ha azonban, például az óramutató járásával ellentétes irányban forgó rotorpár fordulatszámát megnöveljük, a rájuk ható reaktív erők megnőnek, így a helikopter az óramutató járásával megegyező irányban forogni kezd. Az ellenkező irányú forgás hasonló elvek alapján következik (6. ábra). 2. Fizikai modell Ahhoz, hogy a merev testnek tekintett négyrotoros helikopter térbeli mozgás matematikai egyenletekkel le tudjuk írni, ismernünk kell tömegközéppontjának sebességét és az ebben a pontban a testhez rögzített koordináta rendszer szögsebességét. A pozíció, a sebesség, a gyorsulás, az orientáció, a szögsebesség, a szöggyorsulás, vagyis azok a fizikai mennyiségek, amelyeket a különböző mérési módszerek segítségével meg akarunk határozni, a tér-időben vannak definiálva. Ahhoz tehát hogy egyértelmű megállapításokat tehessünk, definiálnunk kell vonatkoztatási rendszereinket, amelyekben ezeket a mennyiségeket megadjuk. 2.1. Koordináta rendszerekAz olyan vonatkoztatási rendszereket, amelyekben a testek megőrzik nyugalmi állapotukat vagy egyenes vonalú egyenletes mozgásukat, amíg valamilyen erő nem hat rájuk, inercia-rendszereknek nevezzük. Ezek azért fontosak számunkra, mert az ilyen koordináta-rendszerekben érvényesek a repülőgépeink térbeli mozgását leíró klasszikus mechanika törvényei. A különféle repülő eszközeink a föld légkörében mozognak, azonban a nap körül keringő és a tengelye körül forgó földhöz rögzített vonatkoztatási rendszer a definíció értelmében nem tekinthető inercia rendszernek. Ha koordináta-rendszerünket állócsillagokhoz rögzítjük jó közelítéssel inercia rendszert kapunk, de ez a megoldás a nagy távolságok miatt kényelmetlen. Szerencsére a földi navigációs problémák döntő többségében elegendő, ha koordináta rendszerünk origója a föld tömegközéppontjában van, és csak állását rögzítjük távoli álló csillagokhoz. Ezt a koordináta rendszert föld középpontú inercia rendszernek nevezzük, vagy az angolszász elnevezés kezdőbetűiből ECI. Kis navigációs távolságok esetén további egyszerűsítéseket is alkalmazhatunk. Az 7. ábra a repüléstechnikában használatos vonatkoztatási rendszereket szemlélteti. Kvázi inercia rendszert kapunk, ha a föld felszínét síknak tekintjük, és koordináta rendszerünk tengelyei rendre az Északi, Keleti és a helyi gravitációs vektor irányába mutatnak. Ezt a rendszert NED koordináta rendszernek nevezzük. Nagyobb távolságú repülőutak esetén azonban figyelembe kell vennünk, hogy a föld nem sík, hanem forgás-ellipszoid. A föld középpontú és távoli csillagokhoz rögzített tengelyű ECI rendszer mellett létezik egy egyszerűsített, a földel együtt forgó ECEF rendszer is. A földi navigációban ugyancsak gyakran alkalmazott WGS-84 rendszerben az objektumok pozíciója a hagyományos földrajzi szélesség, földrajzi hosszúság valamint magasság adatokkal van definiálva [9].
Mivel a navigáció során a választott inerciarendszer és a vizsgált test, jelen esetben egy pilóta nélküli repülőgép egymáshoz viszonyított helyzetét és állását határozzuk meg, definiálnunk kell egy a repülőgéphez rögzített koordináta rendszert is. Ez a test-koordináta rendszer (8. ábra/a). A repülésirányító automatikának az a feladata, hogy a test koordináta rendszer origójának sebessége valamint a tengelyek szögsebessége a repülési feladatnak megfelelően változzon a választott navigációs koordináta rendszerhez képest. Ha útvonalrepülésről van szó, ez azt jelenti, hogy a repülőgép az előre definiált térbeli pontokon keresztül halad. Ebben a koordináta rendszerben az x tengely a haladási irány szerint előre, az y jobb oldalra, a z tengely pedig a kettőt jobbsodrású rendszerré kiegészítve lefelé mutat. Az origó a tömegközéppontban van. A test-koordinátarendszer rendszernek fontos szerepe van repülőgépünk mozgásegyenleteinek felírásakor, de navigációs szenzoraink is ehhez a vonatkoztatási rendszerhez vannak rögzítve [9] [10]. A rádiónavigációnak, ezen belül a globális helyzetmeghatározásnak, valamint az inerciális navigációnak a légi járművek automatikus üzemeltetésénél igen fontos szerepe van, mivel a robotpilótánál hasonló funkciót töltenek be, mint az embernél az érzékszervei. Amikor az ember repülőgépet vezet, érzékszervei szolgáltatják a visszacsatoló jelet a repülőgép pillanatnyi állapotáról, segítségükkel határozzuk meg, hogyan kell mozgatnunk a gép kormányszerveit, ahhoz hogy az a repülési feladatnak megfelelően mozogjon. A robotpilóta érzékszervei tehát a navigációs berendezések [11].
2.2. Mozgásegyenletek
A négyrotoros helikoptert több bemenetű több kimenetű, MIMO (Multi Input Multi Output) rendszerként foghatjuk fel. A pilóta vagy robotpilóta irányító jelei és a helikopter irányító jelekre adott válaszai közötti összefüggést - felhasználva a fizika elfogadott tapasztalati törvényszerűségeit - matematikai egyenletek formájában írhatjuk le. A későbbi szabályozástechnikai tervezésben ezen egyenletrendszerből származtatjuk majd a különböző repülési üzemmódok leírásához legmegfelelőbb, egyszerűsített matematikai modelljeinket. Bemeneti jelként, az egyszerűség kedvéért, egyelőre a négy rotor fordulatszámát fogom tekinteni, de a későbbiekben természetesen figyelembe veszem az elektromotort is, mint közbenső dinamikus rendszert. A Newton törvények alapján egy merev test S(t) mozgásállapotának időbeli változási sebességét a következő differenciál-egyenletrendszerrel írhatjuk le [12]:
ahol,
A K inercia-koordinátarendszerben definiált pozíció- és sebességvektor a test tömegközéppontjának haladó (transzlációs) mozgását írja le. A test azonban forgó (rotációs) mozgást is végezhet. A tömegközéppontban rögzített K' test-koordinátarendszer K-hoz viszonyított állását a 3x3-as méretű rotáció mátrixszal, annak változási sebességét pedig a szögsebesség vektorral adjuk meg. A szögsebesség vektor nagysága a forgás sebességét, iránya pedig a forgás tengelyét határozza meg. Az
Az (1.a) kifejezésben szereplő vektoriális szorzat mátrixszorzásra egyszerűsödik, ha a szögsebesség vektort mátrix formában írjuk fel a következő módszer szerint:
Ez alapján:
lesz, ami egyenértékű (1.b) kifejezéssel. A tömegközéppont tétele kimondja, hogy "egy mechanikai rendszer tömegközéppontja úgy mozog, mintha a rendszer teljes tömege ott összpontosulna, és erre a pontra a külső erők eredője hatna" (Gilber, Sólyom: Fizika mérnököknek - 129. oldal, Műegyetemi kiadó, 1994.). Eszerint, és Newton II., az impulzusra vonatkozó axiómája alapján:
ahol m a test teljes tömege, mi a testet alkotó N számú részegység i-edik elemének tömege, Az impulzus
ahol, Mk(t) a testre ható k-adik forgatónyomaték vektor (k = 1,2,3.Z),
Ixx, Iyy, Izz az x, y, z tengelyekre számított fő tehetetlenségi nyomatékok, Ixy, Ixz, Iyz pedig a tengelyek által meghatározott síkokra számított tehetetlenségi nyomatékok. A tehetetlenségi tenzor a test tömegeloszlását írja le a választott referencia ponthoz képest. K-ban így I a test mozgása miatt időben változó lesz. Állandó tömegű merev test esetén a K'-ben számolt Mozgásegyenleteinket eddig a K inercia-rendszerben írtuk fel. A forgó mozgásra vonatkozó összefüggéseket viszont célszerűbb a helikopter tömegközéppontjában rögzített K' test-koordinátarendszerben megadni:
Így egyrészt állandó tehetetlenségi tenzorral számolhatunk, másrészt a navigációs szenzorok által szolgáltatott mérési adatok is ebben a rendszerben vannak definiálva. A merev testnek tekintett helikopter sárkányszerkezetének dinamikus viselkedését tehát a (8.) egyenletrendszer írja le. Ez azonban még nem tartalmazza a rotorok fordulatszáma és a rendszerre ható erők és nyomatékok közötti összefüggéseket. 3. A kísérleti rendszer identifikációjaAhhoz, hogy az előző fejezetben kapott matematikai modellt a négyrotoros helikopter esetében alkalmazni lehessen, meg kell határozni a rendszer m tömegét, A teljes rendszer tömegét az egyes alkotóelemek tömegének összegzésével kaphatjuk meg, ahogy azt az (5.) kifejezésnél láthattuk:
Megfelelő pontosságú mérleg segítségével az alkotóelemek, de akár a teljes rendszer tömege is egyszerűen lemérhető. Az A tehetetlenségi tenzor számításához felhasználhatjuk az integrál operátor lineáris tulajdonságát, vagyis az eredő tehetetlenségi tenzort felbonthatjuk a test egyes alkotóelemeinek tehetetlenségi tenzorainak összegére. Ha a testhez rögzített K0 koordináta rendszerben adottak az alkotóelemek saját tömegközéppontra vonatkoztatott
formulával számolható. Az eredő
Ha valamelyik alkotóelem tehetetlenségi tenzora egy K0-al nem azonos állású Ki koordináta rendszerben van definiálva,
ahol A fenti módszer akkor alkalmazható, ha a testet alkotó részegységek jól közelíthetők homogén tömegeloszlású, egyszerű geometriai formákkal, vagy azok kombinációival, valamint ha a geometriai méreteket és távolságokat megfelelő pontossággal mérni tudjuk. Az így közelített elemek tehetetlenségi tenzorai már viszonylag könnyen számíthatók. További segítséget nyújthatnak a gépészmérnöki gyakorlatban használatos CAD (Computer Aided Design) programok, melyekben lehetőség van a bennük megrajzolt 3D alakzat tehetetlenségi tenzorának automatikus meghatározására. A számítások ellenőrzésére ad lehetőséget, ha a merev testből fizikai ingát készítünk. A testet, egy nem a tömegközéppontján átmenő vízszintes tengelynél felfüggesztjük, majd egyensúlyi helyzetéből kimozdítjuk. Ha ismerjük a test m tömegét és a forgástengely tömegközépponttól mért d távolságát, a lengésidőből meghatározhatjuk a kérdéses forgástengelyre vonatkozó
FELHASZNÁLT IRODALOM
|
vektorral, a rotációs mozgás a tömegközéppontban rögzített test-koordináta rendszer és a referencia-koordinátarendszer egymáshoz viszonyított helyzetét reprezentáló 
mátrixszal leírható. 
(1.) 
mátrixnak fizikai jelentést is adhatunk: a t időpontban 
oszlopaiból képzett vektorok K-ban, az elforgatott K' koordinátarendszer x', y' és z' tengelyeinek irányába mutatnak (9. ábra):
(2.)
(3.) 
(4.) 
(5.)
pedig a testre ható j-edik erővektor (j = 1,2,3.K; i = 1,2,3.N),. 
képletéhez hasonlóan definiálhatjuk a forgó mozgásra vonatkozó impulzusmomentumot is: 
. Ez alapján: 
(6.) 
pedig 3x3-as méretű mátrix, amit tehetetlenségi tenzornak nevezünk: 
(7.) 
tehetetlenségi tenzor azonban szerencsére állandó, így az a tömeghez hasonlóan fizikai jellemzőként adható meg, bár pontos meghatározása a homogén tömegeloszlású, egyszerű geometriával rendelkező testektől (gömb, henger, téglatest stb.) eltekintve sokszor nehézkes. Itt megjegyezném, hogy mindig található olyan K' koordináta rendszer, amelyben 
diagonális mátrix. Ilyenkor az x', y', z' tengelyek tehetetlenségi főtengelyek [
(8.)
(9.) 
tehetetlenségi tenzorai, valamint a tömegközéppontok 
helyvektorai, az eredő tehetetlenségi tenzor a Steiner-tétel alapján az 
(10.)
tömegközéppont helyvektor az 
(11.)
a következő formulával számolható:
(12.)
a két koordináta rendszer állását (K0-ban) reprezentáló rotáció mátrix [
tehetetlenségi nyomatékot [
(13.)
Vissza a szöveghez
© ZMNE BJKMK 2006.