CC BY
22
15. Аккумуляторы необслуживаемые герметизированные OPZV BAE для СцБ [Электронный ресурс]. Режим доступа:
https://pscbs.ru/akkumulyatory-neobsluzhivaemye-germetizirovannye-opzv-bae-dlya-scb.html
Аннотации:
В статье приведен сравнительный анализ современных аккумуляторных батарей, рассмотрены основные преимущества литий-ионных аккумуляторов перед свинцово-кислотными. Также описаны условия подключения и эксплуатации литий-ионных батарей, которые позволят увеличить срок
службы аккумуляторов, а также не допустить опасных ситуаций на железной дороге.
Ключевые слова: аккумулятор, электропитание устройств железнодорожной автоматики и связи, зарядное устройство, эксплуатация аккумуляторов.
The article provides a comparative analysis of modern rechargeable batteries, discusses the main advantages of lithium-ion batteries over lead-acid ones. It also describes the conditions for connecting and operating lithium-ion batteries, which will increase the battery life, as well as prevent dangerous situations on the railway.
Keywords: battery, power supply for railway automation and communication devices, charger, battery operation.
УДК 629.7.02
САТЦЮК А.В., канд. техн. наук, доцент (Донецкий институт железнодорожного транспорта)
ВОРОБЬЕВ А.А., старший преподаватель (Донецкий институт железнодорожного транспорта)
Особенности разработки беспилотных летательных аппаратов для отрасли железнодорожного транспорта
Satsyuk A.V., Candidate of Technical Science, Associate Professor (DRTI) Vorobyov A.A., Senior Lecturer (DRTI)
Features of the development of unmanned aerial vehicles for the railway transport
Введение
На сегодняшний день роль беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) становится все более актуальной не только в оборонной сфере, но во многих сферах промышленности, сельского хозяйства, транспорта и т.д. В свою очередь не обошло стороной применения БПЛА в
сфере железнодорожного транспорта.
Инновационные технологии,
внедряемые в рамках отраслевой программы цифровизации
железнодорожного транспорта,
стремительно меняют характер многих производственных процессов. Одним из примеров таких изменений становится применение беспилотных авиационных систем, испытание которых
проводились на нескольких магистралях
уже в конце 2018 г. И если спутниковые технологии уже прочно вошли в управленческий арсенал многих подразделений ОАО «РЖД», то беспилотной авиации еще предстоит доказать делом свою эффективность.
Анализ последних исследований и публикаций
Задачи БПЛА в железнодорожной (ЖД) отрасли могут иметь различную направленность: от диагностики систем электроснабжения (обнаружения
дефектов скреплений и оттяжек, контроля состояния элементов опор и фундаментов, отклонений
температурного режима
токопроводящих элементов) до контроля охраняемого периметра с целью предотвращения угроз возникновения актов незаконного вмешательства и чрезвычайных ситуаций [1-7]. Кроме того, беспилотные системы могут помочь в расследовании аварийных ситуаций на местах. Стоит заметить, что область применения БПЛА в сфере железнодорожного транспорта только расширяется.
Возрастающая актуальность
разработки и применения БПЛА в отраслях подтверждается поручением президента В.В. Путина правительству от 30.12.2022 г., в котором сказано: «Образовать Правительственную
комиссию по вопросам развития беспилотных авиационных систем в целях подготовки согласованных предложений по реализации
государственной политики в этой сфере и решению задач, связанных, в том числе, с разработкой, производством, сертификацией и эксплуатацией беспилотных авиационных систем, средств защиты от их противоправного
применения, развитием
инфраструктуры, необходимой для эксплуатации таких систем,
подготовкой кадров, интеграцией беспилотных воздушных судов в единое воздушное пространство Российской Федерации».
Цель работы
Целью статьи является
предложения по разработке структуры основных узлов и выбора элементной базы при конструировании БПЛА для железнодорожной отрасли.
Основная часть
Анализ производственных
ситуаций позволил сформулировать перечень основных технических требований БПЛА, которые необходимо учесть при их разработке:
- наличие стабильного канала управления на заданное предельное расстояние;
- наличие стабильного канала видеосигнала на заданное предельное расстояние;
- наличие канала телеметрии на заданное предельное расстояние;
- наличие резервного канала управления;
- наличие надежного автономного источника питания на заданное время полетного задания;
- наличие элементов защиты по предельным техническим параметрам машины;
- возможность автономного управления машиной без участия человека, включая захват стационарных и подвижных объектов, их сопровождения и автоматический возврат после выполнения миссии;
- наличие программного обеспечения (ПО) с данными миссии и телеметрическими данными;
- возможность применения БПЛА в условиях всепогодности (степень защиты IP67).
Номенклатура летательных
аппаратов, удовлетворяющих этим требованиям, составляет десятки видов и подвидов, но все же к основным БПЛА относят машины, построенные по типу самолетной схемы с одним или несколькими толкающими либо тянущими винтами; коптерной схеме с четырьмя и более винтами или так называемые VTOL (Vertical Take-Off
and Landing) самолетной схемы с вертикальным взлетом.
Каждая из этих схем имеет свои достоинства и область применения. Для примера, далее в статье будет рассмотрена структура самолётного исполнения БПЛА с одним толкающим винтом (рис. 1). Такая схема позволит удалятся на большие расстояния с минимальными затратами энергии.
Для реализации заданных технических характеристик
предложенного летательного аппарата (ЛА) наиболее важным и сложным вопросом является выбор частоты приёма/передачи сигналов и
аппаратуры связи.
Рис. 1. Внешний вид БПЛА самолетного типа с толкающим винтом
На сегодняшний день
производители приёмопередатчиков предлагают системы, работящие на частотах 433Мгц, 868Мгц, 923Мгц, 915Мгц, 1,2Ггц, 1,5Ггц, 2,4Ггц, 5,8Ггц. Нижние частоты, ввиду повышенной дифракции по сравнению с более высокими частотами из перечня, применяются для создания наземных
роботов с дистанционным
радиоуправлением. В БПЛА все более актуальными становятся высокие частоты. Это дает возможность передавать большие объемы информации и в режиме реального времени получать цифровое
видеосообщение. Однако такие частоты, как 5,8ГГц более чувствительны к
физическим препятствиям. Тем не менее, анализ показал, что большинство разработчиков отдают предпочтение высоким частотам.
С учетом того, что летательный аппарат (ЛА) движется не строго горизонтально, а имеет крены (наклоны в стороны) и тангаж (наклон вперед-назад), то это может привести к значительному затуханию или потере сигнала между аппаратурой связи воздушного судна (воздушный юнит) и аппаратурой связи наземной станции. Для решения этой задачи применяют антенны с круговой поляризацией и круговой диаграммой направленности. Это связано с тем, что поляризация приемной и передающей антенны не всегда соблюдена. Для решения этой задачи на летательном аппарате применяют антенны с круговой поляризацией и круговой диаграммой направленности (рис. 2).
В то время, когда связь с наземной станции осуществляется через направленную антенну высокой мощности типа патч. Такая антенна позволит создать мощный
направленный луч по маршруту движения ЛА (рис. 3).
Структура комплекта аппаратуры связи может иметь вид, который представлен на рис. 4. Такая структура включает в себя наземный приёмопередатчик, который микширует сигнал управления от пульта пилота, телеметрии и видео от воздушного юнита в один канал связи диапазона 5.2-5,8ГГц. Приемопередатчик соединен по проводному или беспроводному интерфейсу с компьютером, на котором установлено специальное ПО и по беспроводному интерфейсу с пультом управления оператора.
Рис. 2. Вертикальная и круговая поляризация антенн
Диаграмма направленности столбиковой антенны
Рис. 3. Взаиморасположения диаграмм направленности между антенн воздушного и
наземного юнита
Такое совмещение сигналов в один канал в структуре позволяет значительно упростить аппаратуру связи, тем самым повысить ее надежность и уменьшить вес самолета.
Кроме приёмопередатчика,
размещенного в корпусе машины, главным узлом БПЛА является полетный контроллер. Задачей полетного контроллера является следить за правильным и безопасным полетом ЛА и страховать пилота от неверного поведения.
Кроме того, полетный контроллер должен выполнять следующую работу:
- стабилизировать полет машины и защищать ее от переворотов и падений;
- удерживать необходимую высоту движения по курсу;
- удерживать курс по установленному направлению;
- автоматический взлет и автопосадка;
- сбор данных о состоянии всех датчиков (ток, напряжение, расход энергии, давление, данные GPS или ГАНАС, скорость полета, ускорение, качество приема сигнала);
- переходить в режим возврата домой по координатам GPS или ГАНАС, а также по данным акселерометра;
- поддерживать двойное управление (наличие нескольких каналов управления);
- иметь необходимое количество портов ввода вывода для подключения внешних исполнительных узлов и датчиков.
Для рассматриваемого примера (самолётная схема) структура электронной части БПЛА будет иметь вид, который представлен на рис. 3.
В структуре (рис. 5)
вычислительный модуль представляет собой микрокомпьютер с ПО, задачей которого является захват объекта посредством курсовой камеры и маневрирования в автоматическом режиме вокруг заданного объекта. Это может быть высоковольтный столб, место аварии и другие труднодоступные и небезопасные места.
Камера высокого разрешения позволяет детально исследовать проблемные места с возможностью приближения. При этом, за счет наличия трехосевого подвеса, видеоматериал будет автоматически стабилизирован в независимости от вибраций наклонов машины.
Наличие всевозможных датчиков в структуре позволяет полетному контроллеру отслеживать правильное положение самолёта и следить за его техническими параметрами.
Набор сервоприводов по сигналу контроллера позволяют воздействовать на управляющие органы самолета: руль высоты, руль направления, элероны.
Регулятор мотора принимает сигнал от контроллера и формирует трехфазный управляющий сигнал для мотора с толкающим винтом.
Одной из важнейших задач при разработке БПЛА является система автономного питания. В качестве такого питания выступают преимущественно литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторные батареи. Батареи необходимо выбирать с учетом двух требований:
- по необходимому напряжению и максимальному току тягового мотора;
- по необходимому времени нахождения ЛА в воздухе.
Антенны кругового
Рис. 5. Структура электронной части БПЛА
Если необходима высокая скорость ЛА, преимущество отдается литий-полимерным батареям, с их высоким током отдачи. Однако более экономичные, но с меньшим током отдачи, являются литий-ионные батареи. Поэтому для промышленных задач в основном применяют последний тип батарей. В этом случае БПЛА
должен вылететь на заданное место, выполнить работу и вернуться обратно. При этом гарантированное полетное время определяется емкостью батареи, которая выбирается исходя из подъемных характеристик машины.
Структура системы питания БПЛА представлена на рис. 6.
Антенны кругового
Рис. 6. Структура схемы питания БПЛА
Выводы
Опираясь на вышесказанное в работе, можно сделать вывод, что разработка БПЛА очень актуальная работа, особенно учитывая нынешнюю ситуацию, когда на любом предприятии Российской Федерации применение этих машин востребовано.
Изученный вопрос показал, что кафедра автоматики, телемеханики, связи и вычислительной техники Донецкого института
железнодорожного транспорта обладает всей материально- технической базой, которая может позволить начать
разработку беспилотных летательных аппаратов в стенах ВУЗа.
Список литературы:
1. Алтынцев М.А., Применение беспилотных летательных аппаратов для исполнительной съемки железных дорог / М.А. Алтиынцев, И.В. Щербаков, С.А. Третьяков // Интерэкспо Гео-Сибирь. - 2019. - №1. -с. 111-118, - URL:
https://cyberleninka.ru/article/n/primenenie -bespilotnyh-letatelnyh-apparatov-dlya-ispolnitelnoy-semki-zheleznyh-dorog (дата обращения: 10.03.2023).
2. Технические условия на работы по реконструкции (модернизации) и ремонту железнодорожного пути, утвержденные распоряжением ОАО «РЖД» № 75р от 18.01.2013.
3. Обследование железнодорожных путей при помощи БПЛА // Альбатрос: официальный сайт.
- Татарстан. - 2018. - URL: https://alb.aero/about/articles/obsl edovanie -zheleznodorozhnykh-putey-pri-pomoshchi-bpla/ (дата обращения: 20.02.2023).
4. Villanueva J. K. S., Blanco A. C. (2018). Optimization of ground control point (GCP) configuration for unmanned aerial vehicle (UAV) survey using structure from motion (SFM). The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Volume XLII-4/W12, 2019 5th International Conference on Geoinformation Science -GeoAdvances 2018, 10-11 October 2018, Casablanca, Morocco, 167-174. https://doi .org/10.5194/isprs-archives-XLII-4-W12-167-2019.
5. Алтынцев М. А., Иптышева М. А. Совместная обработка данных мобильного лазерного сканирования и цифровой наземной фотосъемки для построения единого массива точек // Интерэкспо ГЕО-Сибирь. XIV Междунар. науч. конгр.: Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия»: сб. материалов (Новосибирск, 23-27 апреля 2018 г.). - Новосибирск: СГУГиТ, 2018.
- C. 87-95.
6. Flammini F., Pragliola C., Smarra G. (2016). Railway infrastructure monitoring by drones. International Conference on Electrical Systems for Aircraft, Railway, Ship Propulsion and Road Vehicles & International Transportation Electrification Conference (ESARS-ITEC). DOI: 10.1109/ESARS-ITEC.2016.7841398.
7. Kovacevic M.S., Gavin K., Stipanovic Oslakovic I., et al. (2016). A new methodology for assessment of railway infrastructure condition. Transportation research procedia, vol. 14, 1930-1939.
Аннотации:
Работа посвящена особенностям разработки беспилотных летательных аппаратов для отрасли железнодорожного транспорта. В частности, предложены возможные структуры несущей конструкции БПЛА, обоснован выбор частот приемо-передачи данных, разработаны структуры электронной элементной базы и систем питания.
Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, схемы питания, связь, частоты, электроника, элементная база.
The work is devoted to the features of the development of unmanned aerial vehicles for the railway transport industry. In particular, the possible structures of the supporting structure of the UAV are proposed, the choice of frequencies for receiving and transmitting data is substantiated, the structures of the electronic element base and power systems are developed.
Keywords: unmanned aerial vehicle, power schemes, communication, frequencies, electronics, element base.
