CC BY
66
УДК 531.717.31
РАЗРАБОТКА КОНЦЕПЦИИ СИСТЕМЫ ДЛЯ РЕШЕНИЯ НАВИГАЦИОННЫХ ЗАДАЧ НА БОРТУ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
Игорь Николаевич Злыгостев
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, старший научный сотрудник, тел. (383)333-30-12, e-mail: [email protected]
Надежда Юрьевна Степанова
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, магистрант, тел. (383)333-30-12, e-mail: [email protected]
Антон Юрьевич Бондаренко
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, ведущий конструктор, тел. (383)333-30-12, e-mail: BondarenkoAJu@ ipgg.sbras.ru
В работе изложены основные принципы создания многоканальной системы беспилотного летательного аппарата для решения навигационных задач на основе использования данных от бортовых инерциальной и спутниковой навигационных систем (ИНС и СНС), импульсных лазерных измерительных систем при их синхронной обработке. Экспериментально подтверждена техническая возможность применения импульсных лазерных систем с рабочей длиной волны 905 нм.
Ключевые слова: многоканальные измерительные системы, беспилотный летательный аппарат, магниторазведка, альтиметр, лазерный сканер, ультразвуковой дальномер.
DEVELOPMENT OF THE CONCEPT OF THE SYSTEM TO SOLVE PROBLEMS OF NAVIGATION ON BOARD UNMANNED AERIAL VEHICLES
Igor N. Zlygostev
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Koptyug Prospect 3, Senior science researcher, tel. (383)333-30-12, e-mail: [email protected]
Nadya Y. Stepanova
Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, K. Marks Prospect 20, undergraduate, tel. (383)333-30-12, e-mail: [email protected]
Anton Y. Bondarenko
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Koptyug Prospect 3, Design project leader, tel. (383)333-30-12, e-mail: BondarenkoAJu@ ipgg.sbras.ru
The present paper covers the main principles for the development of a multichannel dron system for solving navigation problems using the data from inertial and satellite on-board navigation systems (INS and SNS), pulse laser calibration systems processed simultaneously.
Technological applicability of pulse laser systems with an operating wavelength of 905 nm is verified by experiment.
Key words: multichannel measurement systems, dron, magnetic survey, altimeter, laser scanner, ultrasonic distance meter.
Повышение ресурсной базы полезных ископаемых требует проведения детальных геолого-геофизических исследований плохо изученных территорий. Значительный вклад в решение этих задач вносят традиционные аэрогеофизические методы разведки, позволяющие выявить наиболее перспективные площади для последующего детального изучения. Однако стоимость выполнения таких работ довольно высока и становится одним из сдерживающих факторов для поиска месторождений.
Для решения таких задач ИНГГ СО РАН предложена новая технология низковысотной аэрогеофизической магнитной съемки с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) в качестве носителя.
В 2014 г. в ИНГГ СО РАН был разработан опытный образец аэрогеофизического комплекса с магнитометрическим каналом, размещенным на борту БПЛА мультироторного типа сверхлегкого класса. Общий уровень магнитных помех магнитометрического канала при работе в составе комплекса не превышает 1 нТл. Подобная система, смонтированная на беспилотном геликоптере среднего класса, создана в Германии [1], но она имеет уровень магнитных помех около 10 нТл.
Для отработки новой технологии в полевые сезоны 2014 и 2015 гг. при помощи разработанного комплекса были проведены пилотные исследования ряда геологических объектов в Хакасии, в районе Якутска, Мирного и археологических объектов в Венгеровском районе Новосибирской обл. [2, 3]
Результаты исследований, заверенные данными пешеходной съемки, показали высокую эффективность предложенной технологии и очень высокую производительность (до 100 погонных километров профилей в день) при полетах в автоматическом режиме под управлением автопилота.
Полеты выполнятся как под управлением автопилота, так и в режиме ручного управления. Полетное задание (маршруты полета) формируются при помощи специализированных программ, путем импорта графической подложки обследуемого участка с привязкой координат по латерали по данным СНС.
Для реализации всех преимуществ этой технологии при проведении обследований территорий со сложным рельефом необходимо дополнить носитель системой для решения следующих навигационных задач:
• измерение высоты полета над поверхностью;
• определение местоположения навигационных препятствий, расположенных по курсу следования носителя (резкое изменение высоты рельефа, высоко стоящее дерево и т. п.).
Целью настоящей работы является выбор и системная интеграция основных принципов создания системы для решения навигационных задач и анализ технических возможностей ее реализации.
Авторы считают, что система должна быть основана на многоканальных измерителях, осуществляющих пространственно-временную обработку сигна-
лов, обеспечивающую одновременное измерение угловых координат и дистанции источников переизлучения, и формирование управляющих воздействий для автопилота. Увеличение числа линейно независимых каналов (например, прием отраженных импульсов разнесенными измерителями, использование сигналов от бортовых систем ИНС и СНС) обуславливает повышение информационных возможностей системы благодаря увеличению ее пропускной способности. Анализ преимуществ такого подхода хорошо изложен в [4, 5].
Исходя из поставленных выше навигационных задач, система должна включать в себя следующие измерительные каналы (измерители):
1) дистанции до препятствия - определение высоты полета над поверхностью;
2) дистанции до препятствия и его угловых координат в угломестной плоскости - дополнительная информация для измерения высоты, предсказание изменений рельефа и наличия навигационных препятствий по курсу;
3) дистанции до препятствия и его угловых координат в азимутальной плоскости - возможность корректировки курса для исключения столкновений;
4) измеритель вектора скорости движения носителя - выдача управляющих воздействий;
5) углового положения платформы с размещенными измерителями по п.п. 1 - 3 - корректировка измерений угловых координат и дистанций;
6) единая система измерения времени, общая для всех измерителей, - для реализации синхронной обработки данных.
При выборе типа измерителей необходимо учесть ограничения, налагаемые техническими характеристики носителя и геофизической аппаратурой.
БПЛА сверхлегкого класса может нести полезную нагрузку (включая геофизическую аппаратуру) массой не более 2 кг, очень существенны ее габариты и энергопотребление, также необходимо большое внимание уделить выполнению требований по электромагнитной совместимости с учетом наличия высокочувствительного магнитоизмерительного канала, их стоимости и наличия возможностей приобретения.
В настоящее время имеются несколько классов различных измерителей по п.п. 1-3, таких как радиоволновые (альтиметры и радиолокаторы), ультразвуковые (измерители расстояния) и лазерные (2D- и 3D-сканеры, измерители расстояния).
Радиоволновые альтиметры и радиолокаторы для этой цели непригодны так как имеют большой вес и габариты антенной системы, а также возникают серьезные проблемы электромагнитной совместимости.
Ультразвуковые и лазерные системы, в широком ассортименте представленные на рынке, свободны от этих недостатков. Для подтверждения возможностей их применения авторами был проведен ряд экспериментальных работ в лабораторных и натурных условиях. Выбор конкретных типов измерителей произведен на основе анализа совокупности технических характеристик, представительности на рынке данного типа, показателя цена/качество. Так, наибо-
лее широкий сегмент рынка представлен импульсными лазерными системами с рабочей длиной волны 905 нм, а ультразвуковые измерители - порядка 1 см.
Поэтому для испытаний были выбраны: недорогой импульсный лазерный дальномер типа LIDAR Lite LL-905-PIN-01 [6] и ультразвуковой дальномер US-015 [7].
Цель испытаний заключалась в определении технических характеристик этих устройств в зависимости от условий их применения при различных коэффициентах отражения и рассеяния естественных объектов (трава, кусты и т. д.). К сожалению, эти данные недостаточно полно изложены в технической документации производителей.
Для проведения испытаний создан малогабаритный измерительный модуль на основе контроллера Arduino. Общий вид приведен на рис. 1 и 2.
Рис. 1. Вид спереди Рис. 2. Вид сзади
В ходе работы производилась проверка заявленных производителем технических характеристик лазерного и ультразвукового дальномеров для различных типов отражающих поверхностей - земли, травяного покрова, кустарников, кирпичной и стальной стен.
Результаты испытаний показали, что максимальная дальность обнаружения травяного покрова и кустарников лазерным дальномером как при нормальном падении луча, так и при его отклонении от оптической оси на угол в пределах ± 10° составляет 30 м (при точности измерения не хуже 10 см). Ультразвуковой дальномер в ходе испытаний показал, что дальность обнаружения травяного покрова не превышает 1 м и при отклонении луча от оси на угол в пределах ± 60 он перестает регистрировать отражения.
Таким образом, экспериментально установлено, что лазерный дальномер Lite LL-905-PIN-01 и, следовательно, аналогичные сканирующие лазерные системы можно применять в качестве измерителей для решения задач по п.п. 1-3.
Данные по п.п. 4-6 предоставляют штатные бортовые системы ИНС и СНС носителя, включенные в автопилот.
По нашему мнению, примерная конфигурация системы для решения навигационных задач должна включать в себя лазерный дальномер (определение высоты), два быстродействующих лазерных сканера - угломестный и азимутальный с секторами сканирования около 100° (уточнение текущей высоты, предсказание изменения рельефа, определение местоположения навигационных
препятствий), штатные бортовые системы ИНС и СНС - текущие углы крена и тангажа, значения вектора скорости перемещения летающей платформы и привязку к мировому времени.
Обработка всей совокупности данных должна производиться на специализированном вычислителе, который будет вырабатывать управляющие сигналы для автопилота, необходимые для успешного выполнения полетного задания, и передавать результаты измерения высоты для регистрации в энергонезависимом запоминающем устройстве.
Создание такой системы требует разработки специализированного программно-алгоритмического обеспечения, и в настоящее время такая работа выполняется в ИНГГ СО РАН.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Tezkan B., Stoll J.B., Bergers R., GroBbach H. Unmanned aircraft system proves itself as a geophysical measuring platform for aeromagnetic surveys // First Break. - 2011. - Vol. 29. - N 4. -P. 103-105.
2. Эпов М.И., Фирсов А.П., Злыгостев И.Н., Дядьков П.Г., Савлук А.В., Вайсман П.А. и др. Магнитометрический комплекс на лёгких БПЛА для археологических исследований. -Новосибирск: Институт археологии и этнографии СО РАН, 2015. - С. 30-31.
3. Эпов М.И., Фирсов А.П., Злыгостев И.Н., Савлук А.В., Вайсман П.А., Колесов А.С., Шеремет А.С. Применение инновационного высокочастотного магнитометрического зонда на легком беспилотном летательном аппарате геологии, археологии и смежных областях. -Алматы, 2015. - C. 613-619.
4. Вопросы статистической теории радиолокации / под ред. Г.П. Тартаковского. - М.: Сов. Радио, 1963, 1964. - Т. 1, 2.
5. Царьков Н.М. Многоканальные радиолокационные измерители. - М.: Сов. радио, 1980. - 192 с.
6. Технические характеристики лазерного дальномера LIDAR Lite LL-905-PIN-01: [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.pulsedlight3d.com/
7. Технические характеристики ультразвукового дальномера US-015 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://smd61.ru/katalog/datchiki-i-moduli/modul-ultrazvukovoy-dalnomer-us-100
© И. Н. Злыгостев, Н. Ю. Степанова, А. Ю. Бондаренко, 2016
