36
Pavel Pačes {[email protected]} 24. března 2014 A0M36BEP – Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicles

A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

Pavel Pačes [email protected]

24. března 2014

A0M36BEP – Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicles

Page 2: A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

Prerequisites

24. 3. 2014 2

Lectures:

??

Subjects:

TSO, Air Data, Certification, …

A0M36BEP - Přednáška 6

Page 3: A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

Content

24. 3. 2014 3

• Definitions

• Sensors

• Systems

• Iran Air 655

A300, Bandar Abbas to Dubay

A0M36BEP - Přednáška 6

Page 4: A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

Repetition

24. 3. 2014 4

An aircraft

• is a vehicle that is able to fly by gaining support from the air, or, in general, the atmosphere of a planet.

balloon (buoyancy), airship

An airplane

• is a type of aircraft that is characterized by being heavier than air, driven by propellers and jets and having wings which keep it in the air.

Fixed-wing aircraft

A0M36BEP - Přednáška 6

Page 5: A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

Repetition

24. 3. 2014 5

• UA – Unmanned aircraft

• UAV - Unmanned Aerial Vehicle

Autonomous aircraft

RPA – Remotely piloted aircraft

Aircraft Model

Airplane without pilot onboard

• Law No. 49/1997 Sb. about civil aviation, § 52

• CAA -> Permit to Fly

Requirements?

A0M36BEP - Přednáška 6

Page 6: A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

Repetition

24. 3. 2014 6

• UAS – Unmanned aircraft system

UAV

Control station

Other devices (launch, landing, com. …)

RPAS – Remotely piloted aircraft system

RPS – Remote pilot station

A0M36BEP - Přednáška 6

Page 7: A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

Pilot of UA

24. 3. 2014 7

• Pilot and the UA has to be approved by CAA

i.e. he is registered and fulfills requirements

Registration is valid just for one type of UA

Registration is valid for 2 years

Expect to a model aircraft up to MTOW 20 kg

A0M36BEP - Přednáška 6

Page 8: A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

Repetition

24. 3. 2014 8

Maximum take-off mass

• Mass of the aircraft with all equipment, consumables, load, …

• Maximal take-off weight approved in the type certificate or flight approval

UA

• MTOM < 150 kg

A0M36BEP - Přednáška 6

Page 9: A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

Minimal (stall) Speed

24. 3. 2014 9

The minimal speed (CAS) of the aircraft that is still under pilot’s control when:

Propeller is in take-off configuration

Landing gear is down

Flaps in landing configuration

Center of gravity in the worst (but allowed) position

At maximal weight

A0M36BEP - Přednáška 6

Page 10: A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

Main components

24. 3. 2014 10

• Fuselage

• Engine + propeller (piston or jet engine, fuel or electric)

• Parts and appliances

• Vibrations

• Noise (max 96 dB, measured 3 m far from an airplane)

• Speed range

• Altitudes

• Maneuvers

A0M36BEP - Přednáška 6

Page 11: A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

Basic Block Diagram

24. 3. 2014 11

A0M36BEP - Přednáška 6

Page 12: A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

UAS Example

24. 3. 2014 12

A0M36BEP - Přednáška 6

Page 13: A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

Airspace - Where does the UAV fly?

24. 3. 2014 13

htt

p:/

/avi

atio

n-e

lear

nin

g.co

m/a

irsp

ace/

A0M36BEP - Přednáška 6

Page 14: A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

Requirements

24. 3. 2014 14

• Ranges of sensors

• Properties of sensors

• Properties of servos

• Collapsible gear control

• Breaking control (ABS)

A0M36BEP - Přednáška 6

Page 15: A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

Fail Safe system

24. 3. 2014 15

Backup for communication channel loss.

Protection against threatening of persons, property and environment :

• Flight behind the range of the com. Channel Automatic engine stop

• After the system start procedure to finish the flight Different means (parachute, airbag, ….

A0M36BEP - Přednáška 6

Page 16: A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

Servo

24. 3. 2014 16

• Délka pulsu: od 0.9 ms do 2.1 ms, hodnota 1.5 ms je vyhodnocena jako střední hodnota.

• periodou 50 Hz (20ms)

A0M36BEP - Přednáška 6

Page 17: A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

Smart Servo

24. 3. 2014 17

• Digital bus – CAN bus

• Internal diagnostic

• External Test Software

• Possibility to change SW functionality

• Possibility to address the servo on the airplane Position is determined by a resistor at its input

• Possibility to connect other sensors Engine rotation

Speed on the wheel – Anti Block System (ABS)

A0M36BEP - Přednáška 6

Page 18: A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

Servos

24. 3. 2014 18

Requirements on servos:

Where:

a width of a control surface [cm]

b depth of a control surface [cm]

v speed [km/h]

Angle angular displacement of the control surface

Momentanglevba

2000000

*** 22

A0M36BEP - Přednáška 6

Page 19: A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

Sensors

24. 3. 2014 19

• Sensors

Engine parameters

Air Data

Position

GPS – stable error

INS – error grooving in time

Easy to implement

Hard to implement

A0M36BEP - Přednáška 6

Page 20: A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

Engine parameters

24. 3. 2014 20

Tabulka parametrů měřených na motoru UL letadla a jejich limitů

Senzor Rozsah signálu Položka Limity Termočlánky

(Typ J nebo typ K)

0 – 45 mV Teplota hlav válců (4x) 0 ÷ 400 °C

Teplota výstupních plynů (4x) 0 ÷ 1000 °C

Odporové teploměry 0 – 250 Ω Tlak oleje 0 ÷ 500 kPa

Tlak paliva 15 ÷ 40 kPa

Tlak vzduchu

Množství paliva NTC termistor 0 – 10 kΩ Teplota chladicí kapaliny (2x) -20 ÷ 150 °C

Teplota vzduchu v karburátoru -25 ÷ 50 °C

Teplota oleje -20 ÷ 150 °C PWM senzor TTL Teplota vzduchu -25 ÷ 50 °C

Teplota studeného konce

Teplota v motorové gondole max. 80°C

Teplota v kabině letadla Pulzní signál TTL (2000-15000) imp.l-1 Průtok paliva 3 – 30 l.h-1

TTL (1 || 6) imp.ot-1 Otáčky 0 ÷ 10000 ot.min-1 Analogový signál 0 – 5 V DC Napětí palubní sítě 8 ÷ 20 V

Tlak oleje 0 ÷ 500 kPa

Tlak paliva 15 ÷ 40 kPa

Tlak vzduchu

Množství paliva

A0M36BEP - Přednáška 6

Page 21: A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

EMS

24. 3. 2014 21

A0M36BEP - Přednáška 6

Page 22: A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

International Standard Atmosphere

24. 3. 2014 22

• Standardized distribution of pressure distribution, temperature and air density

• Defined by ICAO

• ISA zero altitude = defined as middle sea layer at 45°lattitude

A0M36BEP - Přednáška 6

Page 23: A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

Altitude measurement

24. 3. 2014 23

• Barometric method known dependence of the static pressure with altitude

• Radiometric method Uses reflection of radio waves from Earth surface

• Inertial method Uses double integration of vertical acceleration – relative measurement linked to the origin – highly dependent on the quality of sensors.

• Parametric method measures amount of gas atoms by a radioactive transmitter and particle counter

A0M36BEP - Přednáška 6

Page 24: A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

Definition of altitudes

24. 3. 2014 24

• Absolute altitude with reference level at 45° latitude

• Relative altitude the reference level is selectable

• True altitude altitude measured from the terrain

• Flight Level reference level is given by atmospheric pressure 1013,25 mb (QNE).

A0M36BEP - Přednáška 6

Page 25: A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

Standard Atmosphere

24. 3. 2014 25

A0M36BEP - Přednáška 6

Page 26: A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

Standard Atmosphere

24. 3. 2014 26

Barometric Equation

Kde

H je výška měřená od referenční hladiny dané tlakem p0 [m],

p0 tlak referenční (vztažné) hladiny, 101,325 [kPa],

ph tlak odpovídající výšce H [kPa],

T0 teplota odpovídající nulové výšce MSA, 288,15 [K],

τ teplotní konstanta pro rozsah výšek od 0 do 11 km, 6,510-3 [K m-1] a

R korigovaná vzduchová konstanta 29,3 [mK-1].

𝐻 =𝑇0𝜏

𝑝0𝑝ℎ

𝑅𝜏

− 1 = 44,33 ∙ 103 1 −𝑝ℎ𝑝0

0,19026

A0M36BEP - Přednáška 6

Page 27: A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

Altimeter Precission

24. 3. 2014 27

-2 0 2 4 6 8 10 12 14 160

20

40

60

80

100

Výška [km]

To

lera

nce

výško

ru [m

]

-2 0 2 4 6 8 10 12 14 1650

100

150

200

250

300

To

lera

nce

výško

ru [P

a]

Tolerance výškoměrů v rozsahu -0.3 až 15 km

A0M36BEP - Přednáška 6

Page 28: A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

Basic definition

24. 3. 2014 28

• Resolution

• Precision

• Linearity error

• Offset

• Scale factor

• Other effects

A0M36BEP - Přednáška 6

Page 29: A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

Sensors For Altitude Meas.

24. 3. 2014 29

Basic parameters of selected sensors Senzor Range Package Price (€) Output Precission MPX4115AP 15-115 kPa Plastikové 8 Analog ± 1.5 % FS MPX4100AP 20-105 kPa Plastikové 9 Analog ± 1.8 % FS MPXAZ6115A 15-115 kPa Plastikové 10 Analog ± 1.5 % FS SP 80 1 bar Kovové 100 Analog ± 0.2 % FS HCA0611ARH 600-1100 mbar Plastikové 10 Digital ± 1.0 % FS

MS5534BM 10 - 1100 mbar Plastikové 40 Digital 0.1 mbar

ADC1 (MPX4115AP)

15-115 kPa - - Digital -

ADC2 (SP80) 1 bar - 29 ~400 Digital EASA CS23 (viz obr. 5.10 a 5.32)

Reference senzor DPI145 (RPT200)

35 - 3500 bar - 29 ~1600 Digital 0,025 % RDG

A0M36BEP - Přednáška 6

Page 30: A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

Temperature effects

24. 3. 2014 30

A0M36BEP - Přednáška 6

Page 31: A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

Temperature effects

24. 3. 2014 31

• Internal heating

• Calibration

10

7

121

5

6 8

911

RT

RE

R1

R2 R4

R3

A0M36BEP - Přednáška 6

Page 32: A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

Air Speed

24. 3. 2014 32

• IAS, CAS, EAS, TAS? 𝐹𝑦 =1

2𝑐𝑦𝜌𝑣

2𝑆.

𝑣 =2𝑚𝑔

𝑐𝑦𝜌𝑆.

𝑝𝐶 − 𝑝𝑆 = 𝑝𝐷,

𝑣 =2𝑝𝐷𝜌

.

A0M36BEP - Přednáška 6

Page 33: A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

Air Speed Instrument Precision

24. 3. 2014 33

A0M36BEP - Přednáška 6

Page 34: A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

Air Data Computer

24. 3. 2014 34

• TSO device

A0M36BEP - Přednáška 6

Page 35: A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

Questions

24. 3. 2014 37

1. Define unmanned system.

2. Draw a block diagram of an electronic control system of a UAV.

3. What is the International Standard Atmosphere?

4. What is the precision of the altimeter required for 0 m AGL?

5. What is the required precision of the Air Speed Sensor for speed about 50 km/h?

6. Define Air Data Computer.

A0M36BEP - Přednáška 6

Page 36: A0M36BEP Přednáška 6 Unmanned Aerial Vehicleswebdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP6_2014.pdf · A300, Bandar Abbas to Dubay ... •Possibility to address the servo on

Sources

24. 3. 2014 38

• Internet

• Mamok/Manta project

A0M36BEP - Přednáška 6