Разработкаучебного стенда для исследования сети Интернета вещей

Тип работы: Дипломная работа
Бесплатно: Антиплагиат
Объем: 52 страниц
В избранное:

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

АО МЕЖДУНАРОДНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

ФАКУЛЬТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Калбаева У.М.

Разработкаучебного стенда для исследования сети Интернета вещей.

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

Специальность 5B071900 - Радиотехника, электроника и телекоммуникации

Алматы 2019
* МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

АО МЕЖДУНАРОДНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

КАФЕДРА РАДИОТЕХНИКА, ЭЛЕКТРОНИКА И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ

Допущен к защите
Заведующий кафедрой
PhD, ассоц.профессор
___________
_____ ___________2019 г.
.

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ
Разработкаучебного стенда для исследования сети Интернета вещей.

по специальности 5B071900 - Радиотехника, электроника и телекоммуникации

Студент:
гр. РЭТ - 1502У.М.Калбаева
____ ________2019 г.

_____________
(подпись)

Научный руководитель:

Профессор, к.т.н., академик
Международной Академии связи
А.З.Айтмагамбетов
____ ________2019 г.

__________
(подпись)

Рецензент:

к.ф-м.н.,доцент
И.Н. Федулина
____ ________2019 г.

___________
(подпись)

Алматы 2019
АО Международный Университет Информационных Технологий
Факультет Информационных Технологий
Кафедра Радиотехника, электроника и телекоммуникации
Специальность 5B071900 - Радиотехника, электроника и
телекоммуникации

Задание на дипломный проект

Калбаева Улдаулет Мураткызы

Тема проекта:Разработкаучебного стенда для исследования сети Интернета вещей

Утверждено приказом №___МУИТ от _____2019г.

Срок сдачи студентом законченного проекта: мая 2019 г.

Исходные данные к проекту:Диапазон радиочастот -- 868 МГц (нелицензируемый); виды модуляции -- LoRa; скорость передачи-от 0.3 до 50 кбитс; сетевая технология -- LoRaWAN.
Содержание расчетно - пояснительной записки перечень подлежащих разработке вопросoв:
1 Аналитический обзор сети интернет вещей
2 Исследования стандартаLoRaWaN
3 Разработка учебного стенда дляИнтернет вещей
4 Расчет экономической эффективности для внедрения сети Интернет вещей
5 Охрана труда и промышленная экология

Лазерный CDдиск с текстом дипломного проекта и приложениями:
1. Пояснительная записка к дипломному проектированию.
2. Презентация.

Консультанты по проекту, с указанием относящихся к ним разделов проекта
Раздел
Консультант
Подпись, дата

Задание выдал
Задание принял
Экономическое обоснование ДП
Ассоц. профессор, к.э.н.,
Бердыкулова Г.М.

ОТ и ПЭ
Сениор-лектор, к.б.н.,
Малгаждарова М.К.

Нормоконтроль
Ассистент -профессор, к.т.н. Ордабекова А.Ж.

Дата выдачи задания _____.

Руководитель_______________________ _____________________А.З.Айтмагамбе тов
(подпись)
Задание принял к исполнению_________________________ ______У.М. Калбаева
(подпись)

Календарный план выполнения дипломного проекта
Студент Калбаева У.М. группа РЭТ-1502К курс 4
Международный Университет Информационных Технологий

___________________________________ ________________________________
(Ф.И.О)
Тема: ___________________________________ ________________________
(тема дипломного проекта)
___________________________________ ________________________
№
Наименование этапов дипломного проекта (работы)
Срок выполнения этапов проекта (работы)
Примечание

1.
Составление графика написания дипломной работы. Представление на кафедру

Ноябрь

2.
Сбор, изучение, обработка, анализ и обобщение данных
Ноябрь-Декабрь

3.

Составление и представление научному руководителю.
Введение
Глава 1
Глава 2
Глава 3
Глава 4
Глава 5
Заключение

Январь-Февраль

4.
Доработка дипломной работы с учетом замечаний консультанта
Март-Апрель

5.
Подача заполненного дипломного проекта руководителю ДП
15 Апреля

6.
Отчетность по дипломной работе на семинарах кафедры

21-25 Января
26 Февраль - 2 Март
2-6 Aпрель

7.
Предзащита
16-20 Aпрель

8.
Предоставление ДП на утверждение рецензента
26 Aпрель 24 Май

9.
Составление доклада для ГАК
10-14Май

10.
Презентация ДП для ГАК
15-31 Мая

Руководитель_______________________ __________________А.З.Айтмагамбетов
(подпись)
Задание принял к исполнению_________________________ __ У.М.Калбаева
(подпись)
Дата выдачи задания __ ______ 20___

АҢДАТПА
Дипломдық жоба пилотсыз ұшатын аспапқа арналған. Ара қашықтықтан басқарылатын гексакоптер макеті құрастырылған. Жобада шатын аспаптың микроконтроллер, басқару блогыны, координат жүйесі қарастырылған.
АННОТАЦИЯ
В дипломный проект посвящен беспилотному летающему аппарату. Разработан макетдистанционно - управляемоголетающегогексакоптера. Рассматривается принцип работы микроконтроллера, блока управления, системы координат летательных аппаратов.

SUMMARY
In the degree project it is devoted to the pilotless flying device. The model remotely - the operated flying geksakopter is developed. The principle of operation of the microcontroller, control unit, system of coordinates of aircraft is considered.

ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время происходит непрерывный процесс совершенствования авиационного оборудования летательных аппаратов в соответствии с постоянно усложняющимися задачами, решаемыми современными авиационными комплексами. Приборное оборудование является важной составной частью бортового авиационного оборудования летательного аппарата. Оно выполняет задачу получения информации о параметрах, характеризующих пространственное положение и движение летательного аппарата в воздушной среде, работу авиационных двигателей и других систем. Эта информация используется для ручного или автоматического управления полетом, для контроля режимов работы силовых установок (СУ), для выполнения задач полета и обеспечения его безопасности.
В понятие авиационные приборы включают различные группы приборов, важнейшими из которых являются пилотажно-навигационные, а также приборы контроля работы силовой установки и других систем самолета. Пилотажно-навигационные приборы, в свою очередь, включают в себя аэрометрические приборы, пилотажные гироскопические приборы, навигационные устройства и системы. В процессе своего развития и совершенствования курсовые и навигационные системы выделились в отдельный класс авиационных приборов и измерительных систем. Показания аэрометрических, пилотажных гироскопических приборов, приборов контроля работы силовых установок непосредственно влияют на безопасность полетов. К ним предъявляются особые требования по надежности выдачи информации в аварийных условиях. Поэтому при создании и совершенствовании этой группы приборов стремятся сделать так, чтобы они сохранили свою самостоятельность и автономность, т. е. чтобы работа каждого из этих приборов не зависела от работы других приборов и систем или чтобы эта зависимость, по крайней мере, была минимальной.
Некоторые авиационные приборы входят в измерительные системы и комплексы, и эта тенденция комплексирования усиливается.
Успешное решение задач, связанных с управлением сложными техническими системами и разработкой новых технологий, во многом определяется уровнем развития информационно-измерительной техники. Сроки внедрения научно-технических достижений в различных отраслях деятельности человека также непосредственно связаны с качеством получаемой и анализируемой информации на этапах разработки и доводки изделий. Качество этой информации приобретает особое значение в авиационной технике, где каждый эксперимент в ходе разработки изделий связан с большими временными и экономическими затратами, а получение полной и достоверной информации об объекте исследований позволяет сократить число испытаний и тем самым сроки внедрения образцов новой техники.

1 ГИПОТЕЗЫ И ЗАКОНЫ АЭРОДИНАМИКИ

1.1 Строение атмосферы

Атмосфера является средой полета различных летательных аппаратов. Она имеет сложное строение, однако условно ее делят на слои с указанием их особенностей. Наиболее характерными и интересными для авиастроителей имеют слои тропосфера, стратосфера, ионосфера и экзосфера [12 - 15, 19 - 20].
Тропосфера - часть атмосферы, граничащая с Землей (H = 10 - 17 км), где заметно тепловое излучение земной поверхности, где температура заметно уменьшается с удалением от Земли. В тропосфере образуются облака, дуют ветры, тут находится вся испаренная влага, меняется влажность, температура, направление ветра.
На верхней границе тропосферы температура остается постоянной. Далее по высоте располагается стратосфера. В стратосфере температура почти постоянна (~ до 30 км). Ветры там имеют постоянные направления и направлены против вращения Земли (происходит расслоение нижних и верхних слоев воздуха вследствие малого сцепления частиц воздуха).
Ионосфера характеризуется наличием свободных ионов и электронов и непрерывным повышением температуры. Границы ионосферы непостоянны (H ≈ до 200 км).
Экзосфера не имеет вообще границ. Это переходная зона от земной атмосферы к межпланетному пространству (H = от ~ 500 до 1000 км). Известно что:
50 % массы атмосферы расположено на высотах 0 - 5,5 км;
75 % массы атмосферы расположено на высотах 0 - 10 км;
94 % массы атмосферы расположено на высотах 0 - 20 км над уровнем моря.
Масса атмосферы составляет 11000000 массы Земли.
Свойства земной атмосферы и происходящие в ней явления изучает наука, называемая метеорологией. Свойства атмосферы используются нами для измерения высоты и скорости полета. От них зависят условия работы пилотов самолетов, тяга двигателя, подъемная сила самолета. Для устранения усложнений в полете (а то и катастроф) необходимо изучение аномальных явлений в атмосфере.
К аномальным явлениям относятся грозы, горизонтальные и вертикальные порывы ветра, турбулентные движения воздуха. Струйные течения воздуха могут быть со скоростью от 100 до 700 кмч.
Воздух атмосферы является смесью газов: 78 % азота (N2), 21 % кислорода (O2), 0,94 % аргона (A2), 0,03 углекислого газа (CO2), 0,01 % водорода (H2) 0,01 % неона (Ne2) 0,01 % гелия (He2), 1,2 % пара. На высотах 30 - 50 км имеется озон (O3). Максимальное его количество находится на высоте ~ 35 км и составляет 0,00075 %, тогда как у Земли его только 0,00001 %. Фактически воздух состоит из отдельных молекул газов и не является сплошной средой (особенно на больших высотах).
Для практических целей авиационные науки нуждаются в установлении закона изменения с высотой основных параметров: как плотность, давление, температура воздуха, скорость звука, вязкость. Но эти параметры зависят еще и от времени года и суток, от случайных явлений в природе. При испытаниях приборов, систем и самолетов требуется проводить сравнение результатов в одинаковых условиях. Так возникла необходимость создания условной стандартной атмосферы (СА), являющейся схемой действительной атмосферы, в которой отсутствуют колебания, вызванные метеорологическими или астрономическими факторами.
На параметры стандартной атмосферы действуют государственные стандарты: ГОСТ 4401-81 (Атмосфера стандартная. Параметры), ГОСТ 3295-73 (Таблицы гипсометрические для геопотенциальных высот до 50000 м. Параметры), ГОСТ 5212-74 (Таблица аэродинамическая. Динамические давления и температуры торможения воздуха для скорости полета от 10 до 4000 кмч. Параметры) и др. [31 - 33]. В отличие от стандартной атмосферы существуют атмосферы справочные, учитывающие широту местности и время года.
В стандартной атмосфере принимаются стандартными исходные параметры: ускорение свободного падения gс = 9,80665 мс[2]; скорость звука aс = 340,294 мс; средняя длина свободного пробега частиц воздуха lс = 66,328∙10[-9] м; давление Pс = 101325,0 Па (760 мм рт. ст.), температура Кельвина Tс = 288,15 К; кинематическая вязкость νс = 14,607∙10[-6] м[2]с; динамическая вязкость μс = 17,894∙10[-6]Па∙с; плотность весовая γс = 1,2250 кгм[3]; плотность массовая.
Закон изменения температуры воздуха на высотах от нуля до 11000 метров над уровнем моря следующий:

, (1.1)

где Tн - абсолютная температура воздуха на высоте Н;
а - температурный градиент, равный 0,0065 °См;
Н - высота над уровнем моря;
Т0 = 288 °К. Для Н 11000 м Tн = 216,5 °К = const. Изменение барометрического давления для высот Н 11000 м:

, (1.2)

где Pн - давление на высоте Н;
Pо = 760 мм рт. ст.;
νо - весовая плотность (1,2255 кгм[3]);
а - температурный градиент (0,0065 °См).
Важнейшей характеристикой воздуха является его влажность. Относительная влажность может быть определена по формуле

, (1.3)

где R - относительная влажность;
q - абсолютная влажность - количество пара в граммах, содержащееся в 1 м[3];
Q - количество насыщающих паров при данной температуре в гм[3].
Предел насыщения воздуха водяными парами в зависимости от температуры приведен в таблице 2.1.

Таблица 2.1-Зависимости от температуры
t, °С
-30
-20
-10
0
+10
+20
+30
Q, гм3
0,5
1,0
2,5
5,0
9,5
17,0
30,1

Важно обратить внимание на то, что при понижении температуры воздуха наступает перенасыщение, пар превращается в капли воды [13]. Самолетостроители и разработчики приборов и систем должны это учитывать в своей практике. В связи с этим явлением внутри самолета накапливается большое количество воды, которая пагубно влияет на работоспособность техники.

1.5 Подъемная сила. Теорема Николая Егоровича Жуковского

На рисунке 1.5 представлено крыло в потоке воздуха, расположенное к оси потока под углом атаки α. Здесь Y - подъемная сила, Q - лобовое сопротивление, которое в 20 - 25 раз меньше подъемной силы Y.

Рисунок 1.5. Крыло в потоке воздуха
В 1906 году Н.Е. Жуковский для крыла бесконечного размаха доказал теорему о том, что на такое тело (при наличии циркуляции Г вокруг него) действует подъемная сила Y. Закон основан на применении закона количества движения к массам жидкости, обтекающего крыло.

Рисунок 1.6. Геометрические характеристики крыла: bкорн - корневая хорда; bконц - концевая хорда; bСАХ - средняя аэродинамическая хорда

Н.Е. Жуковский рассматривал крыло бесконечного размаха, у которого отношения корневой хорды (bкорн) к концевой хорде (bконц) равно бесконечности, то есть при bконц ≈ 0 или: bкорн bконц ≈ infinity [17, 18, 20, 21].
Теорема Жуковского формулируется следующим образом: если поток, имеющий в бесконечности скорость vinfinity и плотность ρinfinity, обтекает цилиндрическое тело (крыло) и циркуляция скорости вокруг этого тела равна Г, то на тело со стороны жидкости будет действовать сила Y, перпендикулярная направлению скорости vinfinity и равная произведению циркуляции на плотность и скорость потока в бесконечности [17].
Математически теорема Жуковского может быть записана формулой:

, (1.15)

где l - длина части крыла бесконечного размаха, подъемную силу которой хотят определить.

Рисунок 1.7. Геометрические параметры профиля крыла: 1 - средняя линия; 2 - хорда; 3 - кривизна абсолютная
Величина циркуляции была предложена Жуковским в виде

, (1.16)

где b - хорда профиля крыла,
α - угол атаки крыла в радианах,
- относительная кривизна профиля крыла (т.е. отношение кривизны к хорде).
Подставив последнее выражение (1.16) в предыдущее (1.15) получим:

, (1.17)

Положив bl = S (площадь крыла), в радианах, с учетом того, что суммарный угол обычно не превышает 15˚ ≈ 0,26 радиана, будем иметь:
, (1.18)

Как показала дальнейшая практика определения подъемной силы, выведенная теоретическая зависимость не полностью отражает действительность. Связано это с тем, что при выводе не был учтен пограничный слой вокруг крыла. В начале зарождения теории полета практика обгоняла теорию.
Как уже было сказано, для продувок аэродинамических тел в авиации служат аэродинамические трубы, в которых определяются реальные характеристики, в том числе и подъемные силы и силы лобового сопротивления конкретных тел.

Рисуноу 1.8. График зависимости безразмерного коэффициента подъемной силы Су от угла атаки α: 1 - несимметричное тело; 2 - симметричное тело

На рисунке 1.8 приведена зависимость коэффициента подъемной силы Су от угла атаки. Практически подъемная сила определяется по формуле

. (1.19)
Коэффициент и зависит от многих конструктивных параметров обтекаемого тела (крыла):

, (1.20)

где λ - удлинение крыла,
λ = l[2]S; l - длина крыла;
S - площадь крыла;
η - сужение крыла,
η = bкорн bконц, bкорн - корневая хорда,
bконц - концевая хорда крыла;
χ - стреловидность крыла;
М - число Маха;
- относительная кривизна крыла.
Для крыла с большим удлинением (λ2) и сужением (крыло бесконечного удлинения) все перечисленные параметры имеют существенное влияние на величину коэффициента . Однако для крыла с малым удлинением коэффициент в основном зависит от удлинения. При этом малым удлинением считается величина .
У крыльев бесконечного размаха по опытным данным коэффициент 1град ≈ 5,7 1радиан. Для крыльев конечного размаха этот коэффициент меньше. Зная значение можно теоретически определить значение коэффициента подъемной силы для любого удлинения:

, (1.21
)
где τ - поправочный коэффициент, равный τ ≈ 0,18.
Для точного определения значения всех коэффициентов крыло продувается в аэродинамической трубе.
Для крыла малого удлинения типа флюгарки коэффициент имеет следующую зависимость при М 1:

. (1.22)

В таблице 1.3 со звездочкой приведены практические значения , а без звездочки по формуле (1.22).

Таблица 1.3-Практические значения
Λ
0,5
1,0
1,5
2,0
3,0
, рад
0,9*0,8
1,6*1,57
2,1*2,35
2,6*3,14
3,2*

Формула пересчета (1.21) мало пригодна для крыльев с малым удлинением, но хорошо приемлема для крыльев с большим удлинением (λ 2). У крыльев с малым удлинением коэффициент значительно меньше коэффициента крыла с большим удлинением.

Рисунок 1.9. Сравнение кривых Су (α) пластин больших и малых удлинений: 1 - λ 2; 2 - λ 2

Теорема Жуковского явилась основой теории полета и аэродинамики крыла. Она отвечает на вопрос: "Почему самолет летает?" Теорема Жуковского вместе с гипотезой о неразрывности движения потока объясняет принцип образования подъемной силы крыла самолета, особенности восприятия статического давления в ПВД и др.
На рисунке 1.10 показано крыло в потоке воздуха. Показано, что под крылом давление больше по сравнению с давлением над профилем крыла. Струи воздуха чтобы соединится в одной точке (разрыв не допустим) после прохождения крыла должны двигаться с разными скоростями, так как их пути следования разные. Верхний слой движется с большей скоростью, а значит давление над крылом меньше давления под крылом. Разность давления, умноженная на площадь крыла, создает подъемную силу.

Рисунок 1.10. Характер обтекания крыла в потоке воздуха, установленного под углом атаки α к потоку: - - - - - давление над крылом; + + + + - давление под крылом

Рисунок 1.11. Гофрированное тело в потоке воздуха

Рисунок 1.12. Распределение избыточного давления по поверхности гофрированного тела в потоке воздуха

На переднем участке, на гладком цилиндре используется принцип Пито, когда в лобовом отверстии воспринимается полное давление Рп, а на гладких параллельных потоку стенках прибора с отверстиями воспринимается статическое давление Рст.
Эффект ребристой поверхности используется в авиаприборостроении для компенсации погрешностей восприятия статического давления при помощи ПВД.
Например, если в месте установления ПВД на самолете погрешность имеет плюсовой знак, то для компенсации ее нужно взять статическое давление от камеры А с отрицательной погрешностью.
Это же явление используется для повышения чувствительности измерителя приборной скорости. И в этом случае статическое давление нужно взять в камере А. Тогда динамическое давление сформируется следующим образом:

(1.23)

Рис. 2.13. График динамического давления в зависимости от скорости:
1 - кривая до компенсации; 2 - кривая после компенсации с помощью гофрированного тела

На графике 1.13 видно, что новая кривая 2 круче стандартной кривой 1.
Идеально шар в потоке не имеет подъемной силы, если он не вращается. Стоит его закрутить, как появляется подъемная сила.

Рисунок 1.14. Шар в потоке воздуха

При вращении ω шар будет иметь подъемную силу, так как Р1 Р2. Это объясняется тем, что в верхней точке движение потока ускоряется, а в нижней точке замедляется.
Приведенные здесь положения не действуют в свободномолекулярном потоке. Там применима теория Ньютона, ударная теория. Из этой теории следует, что образуется только сила лобового сопротивления, подъемная сила отсутствует, так как сплошности нет, гипотеза о неразрывности не действует, циркуляции вокруг тела нет. Но практически в отличие от теории Ньютона небольшая подъемная сила появляется. Аэродинамическое качество К = СyСx в свободномолекулярном потоке при диффузионном отражении молекул мало. Так, при М = 1 К = 0,5, а при М = 20 К = 0,1. Это подтверждает факт того, что эффективность несущей поверхности летательного аппарата в разреженной атмосфере мала.

1.6 Основные выводы о природе образования подъемной силы

Подъемная сила независимо от направления набегающего потока всегда направлена перпендикулярно этому направлению и лежит в плоскости симметрии самолета.
Подъемная сила может быть положительной, если угол атаки положителен, и отрицательной при отрицательном угле атаки.
Симметричные профили при нулевом угле атаки не создают подъемной силы.
Формула подъемной силы является полуэмпирической и не дает возможности найти теоретически наиболее выгодные формы профиля и крыла в плане. На эти вопросы отвечает теория крыла Н.Е. Жуковского.
При отсутствии циркуляции нет разности давлений и скоростей на верхней и нижней поверхностях обтекаемого тела, а, следовательно, нет и подъемной силы. Это значит, что при наличии подъемной силы в потоке должны существовать вихри.
Циркуляция вокруг несимметричных тел в потоке возникает самостоятельно, без помощи его вращения за счет разгонного вихря [17].

Рисунок 1.15. Бесциркуляционное обтекание крыла.

При обтекании, изображенном на рис. 1.15, подъемная сила на крыле не образуется, так как давления над крылом и под крылом равны. При этом предполагается, что струйки движутся с одинаковой скоростью по контуру крыла как над крылом, так и под крылом. Задняя критическая точка К2 при этом должна оказаться на верхней стороне профиля. Но такое обтекание невозможно. При реальном обтекании точка К2 немедленно окажется у задней кромки крыла. Появляется вихрь вокруг крыла, и обтекание будет напоминать картину, изображенную на рис 1.10.

2 ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ГЕКСАКОПТЕРОМ ПОСРЕДСТВОМ АППАРАТА РАДИОУПРАВЛЕНИЯ

2.1 Теория радиоуправления.

Радиоуправление представляет собой подраздел общего понятия управление. Управлением называют действия, направленные на изменение состояния управляемого объекта. Его целью является тот результат, который должен быть достигнут в процессе управления, а системой управления - средства, предназначенные для его осуществления. Часто бывает, что разные элементы системы управления находятся на большом расстоянии друг от друга и передача сигналов управления производится с помощью радио. Радиосредства в таких случаях образуют радиосистемы, которые передают, извлекают и обрабатывают разную информацию. В тех случаях, когда радиосредства участвуют в выполнении главных функций управления, управляющие системы называют системами радиоуправления
Объекты управления в таких системах предназначены для решения самых разных задач. В зависимости от них и от вида управляемого объекта выбирается принцип действия и технические характеристики системы радиоуправления. Существенно различаются также и условия работы рассматриваемых радиосистем. При использовании радиосредств в системах управления возникает проблема возникновения радиопомех и их возможного воздействия на процесс. Следовательно, одной из основных задач при разработке систем радиоуправления является обеспечение помехозащищенности. Таким образом, возникает взаимодействие двух составляющих синтеза систем радиоуправления-обеспечить помехозащищенность системы управления и эффективное радиоуправление.
Одной из основных задач радиоуправления является управление движением разных объектов. Например, управление движением летательного аппарата разделяется на управление перемещением центра масс объекта (управление полетом) и управление поворотом аппарата относительно центра масс (управление ориентацией). Другие задачи заключаются в управлении всевозможными приборами. Системы, предназначенные для этой цели, имеют ряд специфических особенностей и носят название радиотелемеханических систем.
Координаты, по которым перемещается радиоуправляемый самолет в пространстве, ориентацию его осей, состояние бортовых приборов и т. д. в любой момент времени можно охарактеризовать обобщенными векторами, образующими в совокупности вектор состояния объекта ӯ0. Целью же управления может быть задан вектор состояния ӯц.
Разность этих двух векторов Δӯ называется вектором рассогласования. Задача управления состоит в уменьшении вектора рассогласования до таких значений, которые будут меньше заданной величины. После этого цель управления считается достигнутой. Отсюда можно сделать вывод, что в системе радиоуправления нужно получать информацию о векторах состояния ӯ0 и ӯц и подавать управляющее воздействие, изменяющее ӯц так, чтобы Δӯ было меньше заданной величины.
Существуют различные классификации систем управления. Они зависят от задачи, которую ставит перед собой разработка. Системы радиоуправления могут различаться по способу получения информации о векторах состоянияу ӯ0 и ӯц а также способу использования этой информации для воздействия на объект. По этой классификации обычно выделяют четыре основных способа радиоуправления:
1) Командное радиоуправление;
2) Радиотеленаведение;
3) Самонаведение;
4) Автономное радиоуправление.
Командное и автономное радиоуправление применяется и для систем управления непосредственно движением и для радиомеханических систем. Радиотеленаведение и самонаведение используют только для управления движением.
Чтобы успешно выполнять задачи по проектированию радиоэлектроники для управления определенными аппаратами недостаточно в полной мере владеть только знаниями о радиоуправляемых системах. Необходимо как можно более полно изучить характеристики управляемого объекта - его кинематику и динамику движения. Сейчас многие энтузиасты создают прекрасные радиоуправляемые модели самолетов, кораблей. Большой популярностью пользуются радиоуправляемые вертолеты и автомобили. Такие модели можно купить или изготовить самому. Но если Ваше хобби переросло в нечто большее, лучше подробно изучить основы радиоуправления и радиомоделирования.

2.2 Аппаратура радиоуправления

Дистанционное управление подвижными моделями основано на взаимодействии человека и модели. Пилот видит положение модели в пространстве и ее скорость. При помощи аппаратуры дистанционного управления он отдает команды на исполнительные устройства модели, которые поворачивают рули или управляют двигателями, тем самым пилот изменяет положение и направление движения модели в соответствии со своим желанием. Передача команд от пилота к модели происходит в большинстве своем по радиоканалу. Исключение можно встретить лишь для комнатных моделей, где наряду с радио используется инфракрасное излучение, а также очень редко для управления подводными аппаратами используется ультразвук.
Аппаратура радиоуправления состоит из передатчика, который находится у пилота, и размещенных на модели приемника и исполнительных механизмов. Данная статья поможет получить представление о том, как работает передатчик и какой передатчик нужен вам.
2.2.1 Конструктивные разновидности передатчиков

По конструкции органов управления, на которые, собственно, воздействуют пальцы пилота, передатчики делятся на джойстиковые и пистолетного типа. В первых установлено, как правило, два двухкоординатных джойстика. Такие передатчики используются для управления летающими моделями. В джойстиковых передатчиках ручка имеет встроенные пружины, которые возвращают ее после отпускания в нейтральное положение. Как правило, одно из направлений какого-то джойстика используется для управления тяговым мотором, - в нем нет возвратной пружины. При этом ручка поджата трещоткой (для самолетов) или гладкой тормозящей пластиной (для вертолетов). С помощью таких передатчиков можно успешно управлять также плавающими и ездящими моделями, однако для них придуманы специальные передатчики пистолетного типа. Здесь рулевое колесо управляет направлением движения модели, а курок - ее двигателем и тормозами.

Рисунок 3.1 Аппаратура радиоуправления

0.2.2 Количество каналов и раскладка ручек управления

Для управления движущимися моделями требуется воздействие одновременно на несколько функций. Поэтому передатчики радиоуправления делают многоканальными. Рассмотрим количество и предназначение каналов.
Для авто и судомоделей нужно два канала: управление направлением движения и оборотами двигателя. Навороченные пистолетные передатчики имеют еще и третий канал, который может использоваться для управления смесеобразованием ДВС (радиоигла).
Для управления простейшими летающими моделями тоже могут использоваться два канала: рули высоты и элероны у планеров и самолетов, или руль высоты и направления. Для дельтапланов используют управление по крену и мощностью мотора. Также эта схема применяется и на некоторых простейших планерах - руль поворота и включение двигателя. Такие двухканальные передатчики можно использовать для парковых моделей и электролетов начального уровня. Однако для полноценного управления самолетом нужно не менее четырех, а вертолетом - пяти каналов. Для самолетов на два двухкоординатных джойстика выводятся функции управления рулем высоты, направления, элеронами и газом двигателя. Конкретная раскладка функций по джойстикам бывает двух типов: Mode 1 - руль высоты слева по вертикали и руль направления по горизонтали, газ справа по вертикали и крен по горизонтали; Mode 2 - газ слева по вертикали и руль направления по горизонтали, руль высоты справа по вертикали и крен по горизонтали. Есть еще Mode 3 и 4, но они мало распространены.

Рисунок 3.2. Модели управления

Mode 1 еще называют двуруким вариантом, а Mode 2 - одноруким. Эти названия следуют из того, что в последнем варианте можно довольно долго управлять самолетом одной рукой, держа в другой банку пива. Споры моделистов о преимуществах той или иной схем не стихают много лет. Авторам эти споры напоминают дискуссию о преимуществах блондинок над брюнетками. В любом случае, большинство передатчиков легко перестраиваются с одной раскладки на другую.
Для эффективного управления вертолетом нужно уже пять каналов (не считая канала управления чувствительностью гироскопа). Здесь имеет место совмещение двух функций на одно направление джойстика (как это происходит, мы рассмотрим позднее). Раскладки ручек во многом аналогичны самолетным. Среди особенностей можно отметить ручку газа, которую некоторые пилоты инвертируют (минимальный газ - вверху, максимальный - внизу), так как считают это более удобным.
Выше рассматривалось минимально необходимое число каналов для управления движением моделей. Но функций управления моделями может быть очень много. Особенно на моделях копиях. На самолетах это может быть управление уборкой шасси, закрылками и другой механизацией крыла, бортовыми огнями, тормозами колес шасси. Еще больше функций у моделей-копий кораблей, имитирующих различные механизмы реальных судов. На планерах используют управление флаперонами и воздушными тормозами (интерцепторами), убираемыми шасси и другие функции. На вертолетах используют еще управление чувствительностью гироскопа, убираемым шасси и другими дополнительными функциями. Для управления всеми этими функциями выпускаются передатчики с числом каналов 6, 7, 8 и до 12. Кроме того, в модульных передатчиках имеется возможность наращивания числа каналов.
Здесь надо отметить, что каналы управления бывают двух типов - пропорциональные и дискретные. Проще всего пояснить это на автомобиле: газ - это пропорциональный канал, а свет фар - дискретный. Сейчас дискретные каналы используются только для управления вспомогательными функциями: включение фар, выпуск шасси. Все основные функции управления идут по пропорциональным каналам. При этом величина отклонения руля на модели пропорциональна величине отклонения джойстика на передатчике. Так вот, в модульных передатчиках есть возможность расширения числа как пропорциональных, так и дискретных каналов. Как это делается технически, мы рассмотрим позднее.
С многоканальностью связана одна принципиальная эргономическая проблема. У человека всего две руки, которые могут управлять одновременно только четырьмя функциями. На настоящих самолетах еще используют ноги пилотов (педали). Моделисты еще к этому не пришли. Поэтому управление остальными каналами осуществляется от отдельных тумблеров у дискретных каналов или ручек - у пропорциональных, либо эти вспомогательные функции получают путем вычисления из основных. Кроме того, сигналы управления моделью также могут не прямо управляться от джойстиков, а проходить предварительную обработку.

2.2 Аналоговые и компьютерные передатчики

Чтобы понять разницу между аналоговыми и компьютерными передатчиками, обратимся к более жизненному примеру. Лет пятнадцать назад начали распространяться программируемые телефоны. От обычного они отличались тем, что помимо разговора и определения номера звонящего абонента, позволяли запрограммировать на одну кнопку набор целого номера, или составить "черный список" абонентов, на звонки которых телефон не реагировал. Появилась куча дополнительных сервисов, которые простому абоненту часто были не нужны. Так вот, аналоговый передатчик - это как простой телефон. В нем обычно не более 6 каналов. Как правило, реализованы простейшие из описанных выше сервисов: имеется реверс каналов (иногда не всех), триммирование и регулировка чувствительности (обычно, на первые 4 канала), установка крайних значений канала газа (холостого хода и максимальных оборотов). Регулировки осуществляются переключателями и потенциометрами, иногда при помощи маленькой отверточки. Такие аппараты просты в освоении, но их гибкость в эксплуатации ограничена.
Компьютерная аппаратура характеризуется тем, что все настройки в них можно запрограммировать при помощи кнопок и дисплея так же, как на программируемых телефонах. Сервисов здесь может быть море. Из основных стоит отметить следующие:
Наличие памяти на несколько моделей. Очень удобная вещь. Можно запомнить все настройки микшеров, реверсов и расходов, чтобы не перестраивать передатчик, когда вы решите его использовать с другой моделью.
Запоминание значений триммеров. Весьма удобная функция. Вы можете не беспокоится, что при транспортировке триммеры случайно собьются, и вам придется вспоминать их положение. Перед запуском модели достаточно будет всего лишь проверить, что триммеры установлены "по центру".
1. Большое количество встроенных микшеров и переключателей режимов работы позволит реализовать самые разнообразные функции на сложных моделях.
2. Наличие дисплея заметно облегчает настройку аппаратуры.
По количеству функций и цене компьютерная аппаратура варьируется в довольно широких пределах. Конкретные возможности лучше всегда смотреть на сайте производителя или в инструкции.
Самые дешевые аппараты могут идти с минимумом функций, и ориентированы в первую очередь на удобство эксплуатации. Это в первую очередь память моделей, цифровые триммеры и пара микшеров.
Боле сложные передатчики, как правило, отличаются количеством функций, расширенным дисплеем и дополнительными режимами кодирования данных (для защиты от помех и повышения скорости передачи информации).
Топовые модели компьютерных передатчиков имеют графические дисплеи большой площади, в некоторых случаях даже с сенсорным управлением:

Такие модели имеет смысл покупать ради удобства пользования или ради каких-то особенно хитрых функций (которые могут понадобится, только если вы захотите серьезно заниматься спортом). Навороченность приводит к тому, что топовые модели уже конкурируют между собой не по числу функций, а по удобству программирования.

Рисунок 3.3. Общий вид передатчика

Многие компьютерные передатчики имеют сменные модули памяти настроек моделей, которые позволяют расширить встроенную память, а также легко переносить настройки модели с одного передатчика на другой. Ряд моделей предусматривают смену программы управления, путем замены специальной платы внутри передатчика. При этом можно изменить не только язык подсказок меню (русского языка, кстати, авторы не встречали), но и установить впередатчик более свежее программное обеспечение с новыми возможностями.
Надо отметить, что гибкость в использовании компьютерной аппаратуры имеет и отрицательные черты. Один из авторов подарил недавно теще программируемый телефон, так она с его программированием повозилась с недельку и вернула с просьбой купить ей простой, как она говорит "нормальный телефон".

2.2 Принципы формирования радиосигнала

Сейчас мы отойдем от проблем моделизма и рассмотрим вопросы радиотехники, а именно, как информация от передатчика попадает на приемник. Тем, кто не очень понимает, что такое радиосигнал, эту главу можно пропустить, обратив внимание лишь на приведенные в конце важные рекомендации.
Итак, основы модельной радиотехники. Для того, чтобы излучаемый передатчиком радиосигнал мог переносить полезную информацию, он подвергается модуляции. То есть управляющий сигнал изменяет параметры несущей радиочастоты. На практике нашли применение управление амплитудой и частотой несущей, обозначаемые буквами АМ (AmplitudeModulation) и FM (FrequencyModulation). В радиоуправлении используется только дискретная двухуровневая модуляция. В варианте АМ несущая имеет либо максимальный, либо нулевой уровень. В варианте FM излучается сигнал постоянной амплитуды, либо с частотой F, либо с чуть смещенной частотой F +df. Сигнал FM передатчика напоминает сумму двух сигналов двух АМ передатчиков, работающих в противофазе на частотах F и F +df соответственно. Из этого можно понять даже не углубляясь в тонкости обработки радиосигнала в приемнике, что в одинаковых помеховых условиях FМ сигнал имеет принципиально большую помехозащищенность, чем АМ сигнал. АМ аппаратура, как правило, дешевле, однако разница не очень велика. В настоящее время использование АМ аппаратуры оправдано только для тех случаев, когда расстояние до модели относительно невелико. Как правило, это справедливо для автомоделей, судомоделей и комнатных авиамоделей. Вообще, летать с использованием AM-аппаратуры можно лишь с большой опаской и вдали от промышленных центров. Аварии обходятся слишком дорого.
Модуляция, как мы установили, позволяет наложить на излучаемую несущую полезную информацию. Однако в радиоуправлении используется только многоканальная передача информации. Для этого все каналы уплотняются в один посредством кодирования. Сейчас для этого используется только ... продолжение

Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.