БЕСПИЛОТНЫЙ АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ВОЗДУШНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ СБОРА ОБРАЗЦОВ БИОМАТЕРИАЛОВ

В.А. Владимиров; А.В. Рубцов; А.С. Андреева; Л.Ф. Редькин; М.В. Титович

УДК: 528.8:581.5

БЕСПИЛОТНЫЙ АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ВОЗДУШНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ СБОРА ОБРАЗЦОВ БИОМАТЕРИАЛОВ

В. А. Владимиров1, А. В. Рубцов2, А. С. Андреева1, Л. Ф. Редькин1 Научный руководитель - М. В. Титович1*

1 Красноярский политехнический техникум Российская Федерация, 660079, г. Красноярск, ул. А. Матросова, 20

2 Сибирский Федеральный Университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82А *Е-шай: [email protected]

В данной статье описана конструкция и применение беспилотного воздушного судна на базе октокоптера повышенной грузоподъемности с интегрированным устройством захвата для сбора образцов тонких веток и листвы с высоких деревьев в ручном или автоматическом режимах управления.

Ключевые слова: беспилотное воздушное средство, устройство захвата, сбор веток.

UNMANNED AUTOMATED AERIAL VEHICLE COMPLEX FOR COLLECTING

BIOMATERIAL SAMPLES

V. A. Vladimirov1, A. V. Rubtsov2, A. S. Andreeva1, L. F. Redkin1 Scientific supervisor - M. V. Titovich1*

Krasnoyarsk Polytechnic College 20, A. Matrosova st., Krasnoyarsk, 660079, Russian Federation 2Siberian Federal University 82A, Svobodny Av., 660041, Russian Federation *E-mail: [email protected]

This article describes the design and application of an unmanned aerial vehicle based on an octocopter with increased payload capacity with integrated catch device for collecting thin twigs and foliage samples in manual or automatic UAVoperation modes.

Keywords: unmanned aerial vehicle, catch device. twigs samples

Разработанный аппаратно-программный комплекс на базе мультироторного беспилотного воздушного судна (БВС) высокой грузоподъемности с интегрированным устройством захвата может осуществлять периодический сбор тонких образцов лесного биоматериала, в частности малых веток с листвой, для специфических задач экологии и биологии. К примеру, многолетний периодический сбор материала требуется для оценки сезонной динамики неструктурных углеводов в хвое и листьях нескольких видов деревьев на различных пробных площадях Красноярского края в анализе особенностей их роста в зависимости от климатических и погодных условий. Использование такого БВС перспективно компаниям и предприятиям, осуществляющим долговременный плановый экологический мониторинг окружающей среды, а именно проводящим анализ содержания вредных веществ в различных компонентах экосистем, включая фитомассу живых растений. Данный анализ выполняется с определенной периодичностью для оценки нормы и скорости накопления загрязнителей в

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2022. Том 3

биосфере от различных техногенных источников. Стандартный сбор биоматериалов ведется ручным способом заброса и стягивания тросика на ветки деревьев, что является трудоемким процессом и ограничивает количество получаемого материала. В этом виде работ задача сбора образцов листвы с высоких хвойных и лиственных деревьев может быть значительно упрощена и роботизирована с применением описанного БВС, оборудованного специальным устройством захвата части листвы или мелких веток с верхней части кроны.

БВС - носитель устройства для сбора биоматериалов представляет собой сборную платформу Х8 октокоптера с размером рамы 1150 см в диаметре и убирающимися шасси, который был собран и модернизирован для достижения необходимых полетных характеристик: дальность полета -30 км, номинальная грузоподъемность 10 кг, максимальная тяга отрыва-30 кг, точность позиционирования в пространстве 20-30 см (за счет установки 2-х блоков позиционирования в пространстве и программного фильтра Калмана [2]. Состав системы управления БВС: полетный контроллер на базе высокопроизводительного процессора ARM архитектуры STM32F427 flash Cortex M4, 256K, RAM 168MHZ, блока навигации на чипе NEO-M8N/U-Blox, блока управления позиционными огнями на контроллере Digispark Attiny85, блока управления шаговым двигателем на ATmega328 (Arduino nano). Встроенный ультразвуковой высотомер определяет текущее расстояние от БВС до вершины дерева с точностью 5-10 см. Режимы полета БВС - ручной или автоматический, дальность радиоуправления и телеметрии - 5-8 км. Нижняя палуба БВС разработана и изготовлена из композитного материала углепластика для установки двух видеокамер мгновенного обзора в реальном времени (FPV) для контроля полета и наблюдения за процессом захвата биоматериала. Передача видеосигнала на наземную станцию осуществляется видео-передатчиками повышенной мощности на расстояние до 5-8 км. На нижней палубе установлен высоко-моментный шаговый двигатель и катушка для намотки прочной кевларовой нити с усилием на разрыв более 30 кг. На нижнем конце нити закреплен захват оригинальной конструкции, позволяющий выбирать тонкие ветки диаметром не более 2 мм, имеющий подрезные зубчики и двусторонние зажимы для удерживания образца биоматериала. Захват работает по гравитационному принципу: при опускании вниз рабочие части захвата раздвигаются, при остановке они сдвигаются, а при подъеме вверх сжимаются, отрезают и удерживают кусок ветки.

Рис.1. Внешний вид комплекса

Последовательность работы комплекса: 1. Техническим заданием сбора образцов является карта местности с отмеченными деревьями или таблица с координатами деревьев. 2. Далее необходимо выполнить планирование полета БВС с помощью открытого ПО Mission planner [3], где задается маршрут полета, первая точка сбора биоматериала, точка доставки (с

посадкой) или сброса биоматериала, вторая точка сбора биоматериала и т.д. 3. По достижению нужной точки сбора, БВС зависает над деревом под управлением системы позиционирования, определяет ультразвуковым высотомером расстояние до вершины выбранного дерева и опускает захват при помощи шагового двигателя на определенную им высоту. Затем шаговый двигатель резко поднимает захват, который подрезает и зажимает тонкую ветку. Успешность процедуры контролируется БРУ камерой.

Рис.2. Устройство механизма захвата

Сбор образцов с БВС можно осуществлять в трех режимах: а) ручной режим - все действия по управлению процессом выполняются оператором с помощью пульта радиоуправления и контролем своих манипуляций по видеообзору с камер FPV, б) полуавтоматический режим - полет и зависание над деревом выполняются автоматически, захватом управляет оператор и в) полностью автоматический режим. В случае запутывания устройства захвата в ветках дерева, полетный контроллер дает команду на подъем БВС и на шаговый двигатель, который полностью разматывает нить, конец которой не закреплен.

Использование БВС для взятия биоматериалов позволяет охватывать труднодоступные места, производить забор с высоких деревьев и выполнять работы строго по заранее согласованному плану-карте, что повышает достоверность полученных результатов. Рабочий радиус сбора биоматериалов 5-8 км, количество образцов - от 20 до 40 единиц в день. Старт БВС и прием собранного биоматериала осуществляется на выбранной открытой безопасной площадке. Управление комплексом осуществляет команда из оператора БВС и командира. Данный проект поддержан Краевым фондом науки.

Библиографические ссылки

1. Оценка сезонной динамики неструктурных углеводов в хвое [электронный ресурс]. URL: https://elib.sfu-kras.ru/bitstream/handle/2311/129770/kalinina_i_dr._2018.pdf?sequence= 1&isAllowed=y (дата обращения 1.4.2022)

2. Фильтр Калмана для повышения точности позиционирования [электронный ресурс]. URL:https://robotics.stackexchange.com/questions/17945/how-is-the-imu-used-in-the-pixhawk (дата обращения 1.4.2022)

3. ПО Mission planner для планирования миссий [электронный ресурс]. URL: https://ardupilot.org/planner/ (дата обращения 1.4.2022)

UNMANNED AUTOMATED AERIAL VEHICLE COMPLEX FOR COLLECTING BIOMATERIAL SAMPLES

Текст научной работы на тему «БЕСПИЛОТНЫЙ АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ВОЗДУШНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ СБОРА ОБРАЗЦОВ БИОМАТЕРИАЛОВ»