Проектирование бионического летающего робота для мониторинга водоёмов в заповедной зоне
Введение
В настоящее время робототехника активно распространяется во всех сферах жизни человека. С каждым днём количество беспилотных летательных аппаратов, используемых в мониторинге, увеличивается. Среди них важное место занимают бионические роботы, разработка которых позволяет оптимизировать существующие механические конструкции и создавать более эффективные автономные системы.
В рамках данного проекта будет рассматриваться проблема эффективности и качества мониторинга водоёмов на территории заповедной зоны.
В рамках первой главы будет проведён анализ актуальности темы работы, выполнен обзор механизмов полёта представителей фауны, а также рассмотрены существующие конструкции автономных летательных устройств и их квалификация, сформированы проблема, цель и задачи проекта.
В рамках второй главы будет построена математическая модель разрабатываемого устройства, включающая в себя кинематический и динамический анализы, также будет исследовано влияние параметров механизма на а
Содержание
Введение 6
1. Состояние вопроса. Цели и задачи проекта 7
1.1 Актуальность темы работы 7
1.2 Принципы полёта представителей фауны 9
1.3 Анализ существующих конструкций 12
1.4 Классификация беспилотных летательных аппаратов 19
1.5 Формулировка проблемы 21
1.6 Цели и задачи проекта 22
1.7 Рекомендации по проведению мониторинга 23
1.8 Выводы по первой главе 23
2. Математическое моделирование работы устройства 24
2.1 Задачи математического моделирования 24
2.2 Принцип работы устройства 24
2.3 Кинематический анализ устройства 27
2.3.1 Определение параметров механизма крыла 28
2.3.2 Прямая задача кинематики 34
2.3.3 Обратная задача кинематики 36
2.4 Динамический анализ устройства 38
2.4.1 Расчёт аэродинамических сил 46
2.4.2 Определение потребной мощности 51
2.5 Выводы по второй главе 52
3. Разработка конструкции устройства 53
3.1 Схема конструкции электроприводов устройства 53
3.2 Расчёт и выбор электроприводов устройства 55
3.3 Проектирование цилиндрического редуктора 60
3.4 Проектирование деталей устройства 61
3.4.1 Проектирование механизма крыла 61
3.4.2 Проектирование приводов устройства 64
3.4.3 Общий вид робота 66
3.5 Расчёт на прочность деталей устройства 67
3.6 Выводы по третьей главе 68
4. Система управления устройством 69
4.1 Принцип работы системы управления 69
4.2 Структурная схема системы управления 72
4.3 Математическая модель работы системы управления 73
4.3.1 Исследование системы управления на устойчивость 77
4.4 Алгоритм работы системы управления 77
4.5 Выбор элементов базы электронного модуля 80
4.6 Электрическая принципиальная схема электронного модуля 89
4.7 Выводы по четвёртой главе 90
Заключение 91
Список использованных источников 92
Список использованных источников
1. Что такое беспилотные летательные аппараты (БПЛА) и как они работают // Гуманитарно-технический институт: [сайт]. – URL: https://dpogti.ru/chto-takoe-bespilotnye-letatelnye-ap/ (дата обращения: 04.10.2025). – Текст: электронный.
2. Основы биологического мониторинга: учеб. пособие / В. А. Жигульский, В. Ф. Шуйский, А. И. Потапов [и др.]. – СПб.: Нестор-История, 2012. – 70 с. – ISBN 978-5-90598-605-5. – Текст: непосредственный.
3. Ивтушок, Е. Учёные напугали водоплавающих птиц дроном // N+1: [сайт]. – https://nplus1.ru/news/2020/09/01/drone-birds (дата обращения: 04.10.2025). – Текст: электронный.
4. Бойко, А. Вдохновлённые природой: бионические роботы. Текст: электронный / Мир ПК. – 2015. – №11. – URL: https://www.osp.ru/pcworld/ 2015/11/13047401 (дата обращения: 04.10.2025).
5. ФГБУ «Центрально-Чернозёмный государственный природный биосферный заповедник имени профессора В. В. Алёхина»: [сайт]. – URL: http://zapoved-kursk.ru/ (дата обращения: 07.10.2025). – Текст: электронный.
6. Болотный лунь (Circus aeruginosus) в Красной книге // Зоогалактика: [сайт]. – URL: https://zoogalaktika.ru/photos/animals-red-list/aves-red-list/falcon iformes-red-list/circus-aeruginosus-red-list (дата обращения: 07.10.2025). – Текст: электронный.
7. Центрально-Чернозёмный заповедник // GoToNature.ru: авторский очерк [сайт]. – URL: https://gotonature.ru/2175-centralno-chernozemnyj-zapovednik.html (дата обращения: 07.10.2025). – Текст: электронный.
8. Тихонравов, М. К. Полет птиц и машины с машущими крыльями / М. К. Тихонравов; под ред. С. Г. Козлова. – Москва-Ленинград: Главная редакция авиационной литературы, 1937. – 128 с. – Текст: непосредственный.
9. Лилиенталь, О. Полет птиц как основа искусства летать / О. Лилиенталь; перевод с немец. Е. С. Фёдорова. – Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2002. – 232 с. – ISBN 5-93972-183-4. – Текст: непосредственный.
10. Манёвренность в полёте. Парящий полёт. // Edustud.org: [сайт]. – URL: https://edustud.org/s1521t1.html (дата обращения: 09.10.2025). – Текст: электронный.
11. Динамика полёта пчелы // Я – фермер.RU: [сайт]. – URL: https://www.ya-fermer.ru/dinamika-poleta-pchely (дата обращения: 09.10.2025). – Текст: электронный.
12. Стасевич, А. Как летучие мыши натягивают свои крылья // Наука и жизнь: [сайт]. – URL: https://www.nkj.ru/news/24416/ (дата обращения: 09.10.2025). – Текст: электронный.
13. Храмова, Е. Адаптивное крыло летучей мыши // Наука и жизнь: [сайт]. – URL: https://www.nkj.ru/news/20734/ (дата обращения: 10.10.2025). – Текст: электронный.
14. Рукокрылые: общая характеристика отряда: учебное пособие / М. Ю. Щелканов, Т. В. Табакаева, Е. Н. Любченко [и др.]. – Владивосток: Изд-во Дальневост. федерал. ун-та, 2021. – 130 с. – ISBN 978-5-7444-5119-6. – Текст: непосредственный.
15. Воронцов, Н. На 3D-принтере напечатали орнитоптер-летучую мышь // N+1: [сайт]. – URL: https://nplus1.ru/news/2016/04/01/b2 (дата обращения: 10.10.2025). – Текст: электронный.
16. SmartBird // Festo: [сайт].
Бионические беспилотные летательные аппараты на данный момент только начинают набирать популярность. Основная проблема разработки таких конструкций – это реализация механизмов, способных повторить сложные движения живых организмов. Однако, результаты исследований показывают, что заимствование у природы принципов строения и движения позволяет создавать более эффективные и гибкие системы [22].
По методу управления все вышеуказанные группы можно разделить на дистанционные, автономные и гибридные.
Дистанционный способ управления заключается в передаче управляющего сигнала от оператора к объекту управления посредством пульта или наземной станции. Такая технология позволяет человеку полностью контролировать параметры движения в воздухе, находясь при этом на расстоянии.
Автономный способ исключает непосредственное участие человека в процессе полёта. Для этого в устройствах устанавливают системы автоматического управления, способные собирать информацию о текущем положении и на основании заданной траектории и цели формировать необходимые управляющие воздействия.
Автономное управление с возможно