Розроблення безпілотного літального апарата зі системами контрольованого посиленого запуску та автоматичного наведення

Автор: Сиротинський Тарас Олегович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Системне проєктування
Інститут: Інститут комп'ютерних наук та інформаційних технологій
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2025-2026 н.р.
Мова захисту: англійська
Анотація: Магістерська кваліфікаційна робота присвячена вирішенню гострої та актуальної науково-технічної проблеми створення спеціалізованого швидкісного безпілотного літального апарата (БПЛА) класу «kinetic interceptor». Головним призначенням розробленого комплексу є фізичне знищення повітряних цілей типу баражуючих боєприпасів («Shahed-136» та аналогів) шляхом прямого механічного ураження. В умовах сучасної війни спостерігається критична економічна асиметрія між високою вартістю зенітних керованих ракет традиційних комплексів ППО та низькою собівартістю масових ударних дронів противника. Це вимагає розробки доступних, технологічних та ефективних засобів протидії, здатних працювати в автоматичному режимі. Метою роботи є розроблення, виготовлення та комплексне випробування діючого прототипу швидкісного БПЛА-перехоплювача злітною масою 3 кг, здатного розвивати крейсерську швидкість понад 300 км/год (з можливістю розгону до 400 км/год на етапі атаки) та виконувати автономне оптичне наведення на ціль в умовах активної радіоелектронної протидії. Об’єктом дослідження є процес автоматизованого проєктування, математичного моделювання та виробництва безпілотних авіаційних систем спеціального призначення з композитних матеріалів. Предметом дослідження виступають методи аеродинамічного розрахунку швидкісних планерів, технології вакуумного формування сендвіч-структур, а також алгоритми та програмні засоби комп’ютерного зору для реалізації систем автоматичного супроводження рухомих об’єктів. У роботі проведено глибокий системний аналіз та математичне моделювання динаміки польоту. Науково обґрунтовано вибір аеродинамічної схеми з V-подібним хвостовим оперенням, яке дозволяє зменшити інтерференційний опір та радіолокаційну помітність апарата. В ролі несучого профілю крила обрано профіль Clark Y. Проєктування поверхонь планера та технологічної оснастки (негативних матриць) виконано у середовищі САПР SolidWorks. Для забезпечення високої геометричної точності профілів розроблено та застосовано спеціалізовані скрипти мовою Python, які виконують автоматичну побудову координат з урахуванням технологічних кутів нахилу. Наукова новизна одержаних результатів полягає в удосконаленні методики проєктування малогабаритних швидкісних носіїв шляхом інтеграції V-подібного хвостового оперення в силову схему композитного фюзеляжу подовженої форми (1.2 м), що дозволило забезпечити високу поздовжню стійкість при значному навантаженні на крило (120 г/дм?). Також набув подальшого розвитку алгоритм оптичного захоплення цілі на базі бібліотек OpenCV, який, на відміну від існуючих аналогів, адаптовано для роботи в реальному часі на гібридній обчислювальній платформі з обмеженими ресурсами. Практичне значення роботи полягає у створенні комплексного інженерно-технічного рішення — діючого прототипу швидкісного безпілотного комплексу, що дозволяє виконувати задачі перехоплення повітряних цілей в автономному режимі з високою економічною ефективністю. Для реалізації цього рішення освоєно та впроваджено повний технологічний цикл виготовлення монококового корпусу методом вакуумного формування композитних сендвіч-структур. Використання комбінації конструкційного пінопласту Airex C70.55, вуглеволокна та арамідної тканини дозволило отримати конструкцію, стійку до експлуатаційних перевантажень понад 10g. З огляду на високу швидкість звалювання (42 км/год), спроєктовано та виготовлено мобільну механічну катапульту з ергономічним корпусом та роторним спусковим механізмом, що забезпечує безпечний та стабільний старт апарата. Реалізовано дворівневий апаратно-програмний комплекс керування: верхній рівень (Computer Vision) побудовано на базі одноплатного комп’ютера NanoPi, який обробляє відеопотік від аналогової камери, а нижній рівень (Real-time control) реалізовано на мікроконтролері Arduino. Розроблено оригінальне програмне забезпечення мовою Java з використанням бібліотек OpenCV та JSSC, яке забезпечує адаптивну бінаризацію зображення, фільтрацію шумів, детекцію контурів цілі та розрахунок вектора помилки. Для комунікації з польотним контролером реалізовано протокол MAVLink. Розроблено унікальні схемотехнічні рішення для узгодження сигналів керування, зокрема модуль інверсії та фільтрації протоколу SBUS на базі тригера Шмідта (74HC14). Економічний розрахунок підтвердив високу рентабельність розробки: собівартість матеріалів та комплектуючих дослідного зразка становить близько 500 доларів США. Це забезпечує коефіцієнт ефективності («Cost Exchange Ratio») на рівні 1:60 у порівнянні з вартістю типової цілі, що робить розробку економічно доцільною для масового виробництва. Ключові слова: БПЛА-перехоплювач, композитні матеріали, сендвіч-структура, Airex, SolidWorks, комп’ютерний зір, OpenCV, Java, Arduino, автоматичне наведення. Список використаних джерел: 1. Syrotynsky T. 3D Modelling of UAV and Creating Its System of Control [Electronic resource] / T. Syrotynsky, K. Kolesnyk, I. Kozemchuk, A. Holovatyi, A. Lukashevych // Computer Design Systems. Theory and Practice. — 2024. — Access mode: https://www.researchgate.net/publication/388639987_3D_MODELLING_OF_UAV_AND_CREATING_ITS_SYSTEM_OF_CONTROL (date of access: 28.11.2025). 2. ElFaham M. M. Unmanned aerial vehicle (UAV) manufacturing materials: Synthesis, spectroscopic characterization and dynamic mechanical analysis (DMA) [Electronic resource] / M. M. ElFaham, A. M. Mostafa, G. M. Nasr // Journal of Molecular Structure. — 2020. — Vol. 1201. — Article 127211. — Access mode: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0022286019313201 (date of access: 27.11.2025).