CC BY
39
УДК 62-501.72
АНАЛИЗ И ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДРОНОМ-ПОЖАРНИКОМ
А. С. Ишков1, В. С. Маркелов2
^ 2Пензенский государственный университет, Пенза, Россия
[email protected] [email protected]
Аннотация. Анализируются существующие конструкции и системы беспилотных летательных аппаратов. Рассматривается возможность их адаптации под решение задач по мониторингу и тушению лесных пожаров.
Ключевые слова: анализ конструкций, мониторинг, БПЛА, система управления, пожар
Для цитирования: Ишков А. С., Маркелов В. С. Анализ и принципы построения системы управления дро-ном-пожарником // Вестник Пензенского государственного университета. 2021. № 4. С. 96-105.
Введение
Леса относятся к числу важнейших национальных богатств России. Лесные массивы занимают около 70 % территории. Но из года в год весной и летом российские леса оказываются в опасности. Последние 10 лет самой распространенной причиной возникновения лесных пожаров, опустошающих гектары земли, остается человеческий фактор. Источник возгорания чаще всего оказывается около населенных пунктов - жители жгут сухую траву. Огонь от костров перекидывается на лесной массив, а из-за сухой погоды он распространяется с огромной скоростью. В связи с этим вопросы прогнозирования и мониторинга пожароопасной обстановки на малозаселенных лесных территориях являются актуальными и своевременными.
Наблюдение за пожарной обстановкой в режиме реального времени особенно важно для особо охраняемых природных территорий, где приоритетной задачей является сохранение биологического разнообразия экосистем и уникальных ландшафтов. Потери времени при возникновении возгораний могут привести к значительным экономическим затратам, а часто и к невосстанавливаемым потерям [1].
К числу эффективных решений проблемы мониторинга состояния лесных массивов следует отнести использование беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), управляемых оператором при помощи радиосвязи на удаленном расстоянии или автономно с применением специальной полетной программы. Уровень развития современной авиации сегодня такой, что БПЛА может конкурировать со спутником. БПЛА могут взять на себя функцию слежения и выполнять в режиме реального времени в рамках целого региона. В связи с этим особый интерес представляют БПЛА различной технической оснащенности, грузоподъемности, дальности полетов. При этом с помощью БПЛА можно решать задачи по оперативному инспектированию мест проведения вырубок и информированию компетентных органов в случаях их незаконности, по контролю за лесопатологи-ческим и санитарным состоянием насаждений, по выполнению заказов лесопользователей по аэрофотосъемке территории [2].
© Ишков А. С., Маркелов В. С., 2021
Использование БПЛА позволяет решить ряд проблем, связанных с недостаточным штатом сотрудников, труднодоступностью территорий, необходимостью минимизации влияния присутствия человека для сохранения экобаланса.
Основная часть
Во время полета, как правило, управление БПЛА автоматически осуществляется посредством бортового комплекса навигации и управления, в состав которого входят:
- приемник спутниковой навигации, обеспечивающий прием навигационной информации от систем ГЛОНАСС и GPS;
- система инерциальных датчиков, обеспечивающая определение ориентации и параметров движения беспилотного летательного аппарата;
- система датчиков, обеспечивающая измерение высоты и воздушной скорости;
- различные виды антенн.
Бортовая система связи функционирует в разрешенном диапазоне радиочастот и обеспечивает передачу данных с борта на землю и с земли на борт.
По принципу полета все БПЛА можно разделить на пять групп (первые четыре группы относятся к аппаратам аэродинамического типа):
1) БПЛА с жестким крылом (БПЛА самолетного типа).
Этот тип аппаратов известен так же, как БПЛА с жестким крылом (рис. 1). Подъемная сила данных аппаратов создается аэродинамическим способом за счет напора воздуха, набегающего на неподвижное крыло. Аппараты такого типа, как правило, отличаются большой длительностью полета, большой максимальной высотой полета и высокой скоростью;
Рис. 1. БПЛА самолетного типа 2) БПЛА с гибким крылом.
В качестве несущего крыла у данного типа аппаратов используется не жесткая, а гибкая (мягкая) конструкция, выполненная из ткани, эластичного полимерного материала или упругого композитного материала, обладающего свойством обратимой деформации (рис. 2).
Рис. 2. БПЛА с гибким крылом
В этом классе БПЛА можно выделить беспилотные моторизованные парапланы, дельтапланы и БПЛА с упруго деформируемым крылом, их недостатком является трудность управления ими, так как навигационные датчики не имеют жесткой связи с крылом. Ограничение на их применение оказывает также очевидная зависимость от погодных условий;
3) БПЛА с вращающимся крылом (БПЛА вертолетного типа).
Этот тип аппаратов известен так же, как БПЛА с вращающимся крылом. Часто их называют также - БПЛА с вертикальным взлетом и посадкой. Очевидными преимуществами БПЛА вертолетного типа (рис. 3) являются способность зависания в точке и высокая маневренность, поэтому их часто используют в качестве воздушных роботов;
Рис. 3. БПЛА вертолетного типа
4) БПЛА с машущим крылом.
БПЛА с машущим крылом (рис. 4) основаны на бионическом принципе - копировании движений, создаваемых в полете летающими живыми объектами - птицами и насекомыми. Хотя в этом классе БПЛА пока нет серийно выпускаемых аппаратов и практического применения они пока не имеют, во всем мире проводятся интенсивные исследования в этой области.
Главные преимущества, которые имеют птицы и летающие насекомые перед существующими типами летательных аппаратов, - это их энергоэффективность и маневренность;
Рис. 4. БПЛА с машущим крылом
5) БПЛА аэростатического типа.
БПЛА аэростатического типа - это особый класс БПЛА, в котором подъемная сила создается преимущественно за счет архимедовой силы, действующей на баллон, заполненный легким газом (как правило, гелием). Этот класс представлен в основном беспилотными дирижаблями (рис. 5).
Дирижабль легче воздуха, представляет собой комбинацию аэростата с движителем (обычно это винт (пропеллер, импеллер) с электрическим двигателем или ДВС) и системы управления ориентацией.
Рис. 5. БПЛА аэростатического типа
Кроме БПЛА перечисленных пяти групп существуют также различные гибридные подклассы аппаратов, которые по их принципу полета трудно однозначно отнести к какой-либо из перечисленных групп. Особенно много таких БПЛА, которые совмещают качества аппаратов самолетного и вертолетного типов [3].
Анализ конструкций БПЛА показал, что наиболее полно условиям поставленной задачи удовлетворяют БПЛА вертолетного типа, а конкретнее - квадрокоптер. Квадро-коптер - это аппарат, двигающийся посредством регулирования скорости вращения двигателей с пропеллерами. Особенностью таких аппаратов является вращение моторов диагонально, в противоположных направлениях (например, если моторы 1 и 3 вращаются по часовой стрелке, то моторы 2 и 4 - против часовой стрелки). Таким образом, компенсируется реактивный момент (движение в противоположном к ротору направлении, в противном случае платформа начнет закручиваться). Принцип вращения моторов показан на рис. 6. Конструкция квадрокоптера обеспечивает оптимальное соотношение между ценой модели, ее качеством, стабильностью поведения в воздухе, простотой управления, грузоподъемностью и т.д. Квадрокоптеры, согласно приведенной классификации, принято относить к дронам вертолетного типа.
Рис. 6. Вращение моторов квадрокоптера и общий вид
Перемещение в пространстве осуществляется за счет изменения скорости вращения пропеллеров:
1. Изменение высоты происходит при одновременном и одинаковом изменении скорости вращения всех винтов.
2. Повороты (для изменения координат х и у, а также для вращения относительно оси квадрокоптера) происходят за счет разной скорости вращения одной пары пропеллеров относительно другой.
3. Наклон возможен при быстром изменении скорости вращения одного пропеллера. Важно понимать, как именно достигается движение в том или ином направлении -
происходит это за счет изменения тяги двигателей. Логика управления тягой двигателей для изменения движения поясняется при помощи рис. 7, где большими стрелками обозначается увеличение скорости, а маленькими - ее уменьшение [4].
Зависание Движение вперед Движение влево Поворот влево
Набор высоты Движение назад Движение вправо Поворот вправо
Рис. 7. Управление перемещением квадрокоптера
Министерством внутренних дел РФ осуществляется ежегодный мониторинг отечественных разработок и современных технологий в области специальных средств и техники. В рамках исследования беспилотных авиационных систем рекомендованы следующие образцы БПЛА.
ЗАО НПЦ фирма «НЕЛК» (г. Москва) выпускает мультикоптер вертикального взлета и посадки типа НЕЛК-В4-ДВС (рис. 8). Он создан на основе гибридной силовой установки и предназначен для проведения воздушной разведки местности.
Мультикоптер предназначен для проведения аэро-, фото- и видеосъемки высокого качества, создания зБ-моделей местности и объектов, мониторинга, видеофиксации нарушений общественного порядка, дорожно-транспортных происшествий, фактов браконьерства, незаконной вырубки леса и других правонарушений. Ретранслирует радиосигналы для увеличения зон их уверенного приема. Используется также для доставки и сброса малогабаритных грузов массой до 3 кг: индивидуальных спасательных средств, средств связи, первой медицинской помощи, огнетушащих и огнезащитных средств, радиомаяков и т.д.).
Рис. 8. Мультикоптер вертикального взлета и посадки НЕЛК-В4-ДВС
Помимо беспилотного воздушного судна, в состав комплекса входят наземный пункт управления (НПУ), комплект сменных целевых нагрузок, комплект запасных частей и принадлежностей. Технические характеристики НЕЛК-В4-ДВС приведены в табл. 1.
Таблица 1
Технические характеристики НЕЛК-В4-ДВС
Наименование характеристики Значение
Максимальная взлетная масса, кг 20
Бортовая энергетическая установка гибридная На основе двухтактного двигателя
Управление и телеметрия, км, не более 30
Передача видео, км От 3 до 30
Практический радиус применения, км 30
Максимальный радиус применения, км 60
Крейсерская скорость, км/ч 40
Максимальная скорость, км/ч 70
Устойчивость к ветру:
в полете, м/с, не более 15
взлет и посадка, м/с, не более 8
Максимальная высота полета, м 500
Объем бака, л 5
Навигационная система GPS/ГЛОНАСС
Точность определения координат, м 2,5
Габариты (ДхШхВ), мм: 1470x1470x480
база по моторам 1220
пропеллер 650
Максимальная длительность полета, ч 3
Диапазон рабочих температур, °С От -25 до +40
БПЛА обладает следующими режимами полета:
- автоматический - оператор задает полетную программу на наземной станции управления (ноутбуке); без пульта управления в автоматическом режиме от взлета до посадки осуществляется полет по заданному маршруту различной конфигурации с учетом рельефа местности;
- полуавтоматический (директорный) - оператор имеет возможность изменять высоту, скорость, направление полета БВС пультом ручного управления; стабилизация БВС осуществляется автоматически.
Специальное программное обеспечение (СПО) наземного пульта управления (НПУ) позволяет установить до 250 точек маршрута полета БПЛА с возможностью оперативного изменения различных параметров в каждой точке (время зависания, высота, вид маневра БПЛА в точке) и осуществлять управление установленными целевыми нагрузками (изменение параметров телевидеосъемки в видимом и инфракрасном свете), сохраняет и обрабатывает параметры полета и результаты работы целевой нагрузки с возможностью послеполетного анализа и обработки [1].
В качестве целевых нагрузок на данный БПЛА устанавливаются сверхлегкие малогабаритные гиростабилизированные оптико-электронные системы (ГОЭС) для круглосуточного и всепогодного мониторинга местности, поиска, обнаружения и сопровождения объектов в видимом и тепловизионном (инфракрасном) спектре.
Компания «ГИТ СИСТЕМС» (г. Москва) предлагает БПЛА типа Orion (Орион) с неограниченным временем полета (рис. 9).
Рис. 9. БПЛА типа Orion (Орион)
Данный БПЛА подходит для наблюдения за большими пространствами без ограничения по времени, обладает большим количеством полезных нагрузок для круглосуточного наблюдения с высоты до 80 м. Данный аппарат состоит из надежного мультикоптера, получающего электропитание по легкому и прочному кабелю с наземного блока питания SAFE-T, и высококачественной оптико-электронной системы с гиростабилизированной платформой. Для управления аппаратом Orion не требуется специально обученный оператор БПЛА, координирование взлетом/посадкой осуществляется нажатием одной кнопки на станции. Изображение, получаемое с оптико-электронной системы, можно просматривать локально, а также передавать по линиям связи в центры управления и наблюдения. Технические характеристики БПЛА Orion приведены в табл. 2.
Таблица 2
Технические характеристики БПЛА Orion
Основные параметры
Максимальная высота привязной работы, м 80
Работа при силе ветра, км/ч, до 35
Работа при порывах ветра, км/ч, до 50
Диапазон рабочих температур, °С -10/40
Диапазон температур хранения, °С -10/40
Класс защиты кожуха, 1Р 32
Диаметр дрона (без пропелллеров), м 1,650
Диаметр корпуса дрона, м 0,433
Размах, м 1,650
Высота, м 0,411
Длина опорных ног, м 0,673
Силовой агрегат
Количество моторов 6
Максимальная продолжительная выходная мощность моторов, Вт 600
КУ рейтинг 280 KV
Среднее энергопотребление без нагрузки, стандартный крутящий момент 1300
Среднее энергопотребление (нагрузка 2 кг), стандартный крутящий момент 1500
Скорость набора высоты, от взлета до 80 м, м/с 0,5
Полетный контроллер
Режимы полета Авто
Поддерживаемые GNSS GPS, GLONAS, Galileo
Экстренная АКБ
Номинальное напряжение 6S / 22.2 В
Максимальная емкость, мА-ч 10 000
Видеопотоки
Видеоформат HD 1080p 30fps
Максимальное время записи, ч 10
Задержка видео на станции наземного управления, с 2
Задержка управления ГОЭС, с 0,2
Вес
Максимальный взлетный вес (привязной провод не включен), кг 12,7
Максимальная нагрузка, кг 3
Вес без нагрузки, кг 9,7
Для оперативного управления БПЛА компания ООО «ИНРУСКОМ» (г. Санкт-Петербург) предлагает передвижной пункт управления, который представляет собой специально переоборудованный грузопассажирский микроавтобус с цельнометаллическим фургоном с комплектом специального оборудования (рис. 10). Передвижной пункт управления комплексом для беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) <^ирегсат» достав-
ляет специализированный персонал и технические средства к местам проведения воздушной разведки. Главные особенности данного комплекса - его автономность и мобильность. Полноприводная колесная формула спецавтомобиля позволяет добраться в любые труднодоступные места, а оснащение автомобиля обеспечивает полную автономность в работе на месте.
Рис. 10. Передвижной пункт управления БПЛА «Supercam»
В качестве базового автомобиля используется легковой автомобиль Ford Transit Van 4x4 или аналогичный любого другого производителя. В пассажирской части фургона размещаются рабочие места операторов БПЛА (рис. 11), станция управления БПЛА и оборудование, стеллаж с бытовой техникой, мебель для офисных и бытовых принадлежностей. Внутри фургон имеет отделку с шумоизоляцией и дополнительное освещение, установлены тонированные окна, обеспечен автономный обогрев салона. Для работы электрооборудования, питающегося от сети 220В, смонтирован преобразователь напряжения 12-220В с разводкой по розеткам. Для удобства персонала боковой вход оснащен специальной подножкой. В грузовом отсеке расположены стеллажи Servanto с системой крепления для безопасной перевозки кейсов комплекса БПЛА, место для размещения бензогенератора, инструмента и принадлежностей [5].
Рис. 11. Расположение рабочих мест операторов БПЛА
Заключение
Таким образом, использование имеющихся серийных моделей БПЛА возможно только для мониторинга лесных массивов и малопригодно для тушения пожаров. Эта работа представляет собой многогранный процесс, требующий координации и кооперации экспертов в разных областях.
Определяющее значение имеют технология и тактика тушения пожаров с применением авиации. Первое - это использование БПЛА на основе автономных летательных аппаратов с быстросъемными модулями пожаротушения. Такой пожарный БПЛА мог бы подавать огнетушащее вещество в очаг пожара через выносной телескопический патрубок. При этом в зависимости от площади возгорания может быть задействовано несколько аппаратов, для каждого из которых может быть организована оперативная смена использованного модуля на новый, с полным запасом огнетушащих веществ.
Второе - это БПЛА, работающие в технологической связке с наземной пожарной техникой. В таком варианте с наземной техники на летательный аппарат могут подаваться как огнетушащие вещества, так и питание самого БПЛА.
Вполне возможно, что обе эти тактики найдут свое применение на практике и позволят значительно расширить возможности пожарно-спасательных подразделений в тушении пожаров и, как следствие, минимизировать социальные и материальные потери.
Список литературы
1. Коршунов Н. А., Котельников Р. В. Борьба с лесными пожарами: проблема информационного обеспечения авиасредствами и ее решение // Пожарная безопасность. 2018. № 1. С. 125-129.
2. Тодосейчук С. П., Переяслов А. Н., Моржин А. М. [и др.] Концепция применения воздушных робототехнических комплексов для мониторинга и ликвидации чрезвычайных ситуаций на примере системы «Иркут-МЧС» // Технологии гражданской безопасности. 2018. Т. 3, № 1. С. 48-56.
3. Виды квадрокоптеров: основные типы, виды и цели. URL: http://www.hellhog.ru
4. Самойлов А. С. Стабилизация квадрокоптера по крену и тангажу под управлением системы Linux . СПб. : СПбГЭТУ, 2018. URL: http://docplayer.ru
5. Открытый обзор продукции российских производителей специальных средств и техники для обеспечения общественной безопасности : науч.-техн. инф. сб. / сост. И. Г. Духвалова ; ред. Е. А. Ижогина. 2020. № 2. 88 с.
Информация об авторах
Ишков Антон Сергеевич, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Радиотехника и радиоэлектронные системы», Пензенский государственный университет.
Маркелов Владимир Сергеевич, студент, Пензенский государственный университет Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
