CC BY
77УДК 62-52
Разработка технического устройства для проведения аварийно-спасательных работ на подземных объектах
12В.Ю. Садовец, к.т.н, доцент, 1С.А. Кизилов, магистрант 1 Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, 650000, Россия, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28 vsadovec@vandex.ги, sergkizilov@gmail.com 2Юргинский технологический институт Национального исследовательского Томского политехнического университета
В статье приводятся исследования направленные на создание технического устройства, представляющего собой роботизированную систему, для проведения работ по обследованию последствий техногенных аварий на подземных предприятиях и сооружениях. Авторами предлагается обоснованное техническое решение для решения поставленных задач. Ключевые слова: техногенная катастрофа, аварийно-спасательные работы, роботизированная платформа, малый беспилотный летательный аппарат.
В последнее время отмечается увеличение числа техногенных катастроф различного масштаба. При возникновении таких ситуаций увеличивается количество пострадавших людей. Особенно опасными являются аварии и катастрофы, происходящие на различных подземных объектах: на шахтах, линиях и станциях метрополитена. Подземные объекты также могут подвергаться атакам террористов.
Каждое чрезвычайное происшествие на подземном объекте требует проведения сложнейших спасательных операций, в которых подвергаются опасности жизни не только людей, пострадавших в ней, но и спасателей.
Уменьшить степень участия человека при проведении работ в опасных условиях можно, используя дистанционно управляемое оборудование. В связи с этим весьма актуальным является создание робототехнических комплексов, предназначенных для проведения работ по предупреждению или ликвидации последствий аварийных ситуаций, в т.ч. под землей [1].
Основная задача при проведении спасательных работ заключается в правильной организации технологии ведения работ, направленных на спасение жизней людей, находящихся под завалами. Основным этапом на первой стадии таких работ является проведение разведывательных операций по сбору информации о состоянии аварийного объекта.
Организация и проведение спасательных работ под землей носит иной отличительный характер, обусловленный замкнутым пространством, запыленностью, возможностью обрушения и другими. Такие работы выполняются, как правило, вручную и зачастуюбезприменениявспомогательныхмеханизмов. Еще острее встает проблема, когда необходимо осмотреть место теракта или разминировать взрывное устройство. Если на поверхности можно применить гусеничный робот с манипулятором, то доставка его в зону аварии на подземном объекте и возможность его перемещения по завалам представляется достаточно сложной, практически неразрешимой, задачей.
На сегодняшний день подразделение робототехнических средств оснащено дистанционно управляемымимашинамиBROKK(HolmhedSystemsAG, Швеция), 1^-3 и 1^-4 (Telerob, Германия), кроме того, планируется принять на снабжение мобильные роботы МРК-25М и МРК-46М (МГТУ им. Н.Э. Баумана, Россия).
В таблице 1 показаны основные характеристики данных аппаратов.
Проводимые нами исследования направлены на создание технического устройства, представляющего собой роботизированную систему, для проведения работ по обследованию последствий техногенных аварий на подземных предприятиях и сооружениях, в т.ч. шахтах. Горноспасатели испытывают большую потребность в таких технических устройствах.
В основу разработки положена роботизированная платформа, состоящая из основного робота «носителя», способного передвигаться на большие расстояния по пересеченной местности, и транспортирующего в своем корпусе вторую часть системы, состоящую из нескольких малых беспилотных летательных аппаратов (МБПЛА) для разведки на местности и внутри закрытых помещений [2, 3, 4].
Прототипом платформы, в свою очередь, является мобильный робототехнический комплекс (МРК) с дистанционным управлением содержит антропоморфный манипулятор, установленный на корпусе шасси, самоходное шасси, блоки электроавтоматики и телемеханики и пост дистанционного управления [5]. Недостатками прототипа являются шасси, не обеспечивающее высокую скорость и плавность хода по пересеченной местности, и ограниченная функциональность.
По своим техническим характеристикам разрабатываемая система может быть использована для проведения предварительной разведки путей подхода к месту аварии, завалов, анализа воздушной среды и поиска пострадавших на шахтах после взрывов, пожаров и обрушений. Платформа-носитель может быть оснащена не только МБПЛА, но и малыми наземными роботами (МНР), основанными на шасси
Сравнительная характеристика аварийно-спасательных робототехнических средств
Таблица 1
Показатели Наименование имеющихся систем
BROKK MV3 MV4 МРК-25М МРК-46М
Тип движителя Гусеничный Гусеничный Гусеничный Гусеничный Гусеничный
Управление Радиоканал до 200 м., кабель Радиоканал, Кабель Кабель Кабель Кабель
Комплектация Черно-белые камеры, навесное оборудование (ковши, манипуляторы) Черно-белые камеры, манипулятор Черно-белые камеры, навесное оборудование (ковши, манипуляторы) Телевизионная установка, осветительные приборы, манипулятор Манипулятор, телевизионная установка
Применение Проведение работ по разрушению строительных конструкций, демонтажу ядерных реакторов, очистке поверхностей литейных котлов. Разведка, ликвидация последствий локальных аварий на предприятиях ядерного цикла. Разведка, ликвидация последствий локальных аварий на предприятиях ядерного цикла. Проведение работ по ликвидации последствий локальных радиационных и химических аварий на бетонных, асфальтовых и плотных грунтовых площадках, а также для проведения пиротехнических работ. Проведение работ по ликвидации последствий локальных радиационных аварий.
сверхвысокой проходимости. Внешний вид платформы, запускающей МБПЛА, показан на рисунке 1.
машины, за счет применения колесного движителя, а не гусеничного, то есть в случае потери или повреждения части колес робот будет передвигаться.
Рис. 1. Универсальная роботизированная платформа - носитель БПЛА и МНР
Основными преимуществами перед аналогами у разрабатываемого робототехнического средства являются повышенная надежность, за счет меньшего количества выступающих из корпуса частей; повышенная маневренность, за счет конструкции подвески; повышенная живучесть
Назначение многофункциональной
роботизированной платформы:
- движение по пересеченной местности,
- доставка двух малых беспилотных летательных аппаратов к эпицентру аварии,
- работа в качестве ретранслятора для удаленного управления малыми беспилотными
летательными аппаратами.
Дополнительные возможности универсальной роботизированной платформ:
- установка антропоморфного манипулятора;
- прокладка временной линии беспроводной связи и доставка грузов к эпицентру аварии;
- проведение разведки местности с использованием датчиков, видеокамер и систем технического зрения.
Особенности системы управления
роботизированной платформой:
- возможность выбора варианта действий при потере связи с пультом управления;
- автоматический контроль состояния связи с пультом управления;
- возможность самостоятельного выбора траектории движения по сильно пересеченной местности с учетом данных от систем технического зрения.
Платформа-носитель представляет из себя многоколесное транспортное средство габариты которого составляют д/ш/в 1800/900/700 мм. Корпус имеет плоское дно для увеличения проходимости по нагромождениям камней и сыпучим грунтам. Каждое колесо платформы носителя оснащено своим электродвигателем с системой управления, которая позволяет устанавливать необходимый вращающий момент и скорость вращения колеса, независимо от других колес. Подобная система позволяет увеличить проходимость платформы-носителя при прохождении завалов, и повысить общую живучесть комплекса в целом. Каждое колесо платформы носителя имеет независимую управляемую подвеску, что позволяет в разумных пределах удерживать корпус платформы в горизонтальном положении. В верхней части корпуса платформы-носителя расположены створки отсека, в котором хранятся при доставки малые робототехнические системы (МБПЛА, МНР). Так же на верхней палубе может быть установлен антропоморфный манипулятор, предназначенный для выгрузки МНР из отсека.
Габаритные размеры и тяговооруженность платформы-носителя позволяют ее также использовать для транспортировки на поверхность одного пострадавшего, который может быть размещен в специальном защитном саркофаге или доставки амуниции и снаряжения горноспасателям, работающим на объекте. Для помощи горноспасателям в разборе завалов платформа- носитель может быть оснащена мощной лебедкой или насосной станцией высокого давления, обеспечивающей работу ручного гидравлического инструмента.
Актуальной является задача осуществления управления роботизированной платформой. Фактически большинство современных
робототехнических систем не являются самостоятельными и не могут успешно продолжить выполнять задание в случае потери сигнала с пульта оператора [6-10].
Система управления разрабатываемой нами платформой-носителем позволяет реализовать
как прямое управление платформой носителем с пульта оператора, так и работу платформы носителя в полностью автоматическом режиме по заранее определенному сценарию. Система управления самостоятельно определяет тот момент, когда связь с пультом оператора потеряна и приступает к реализации сценария. Изначально связь с пультом оператора может осуществляться как по проводу, так и по радиоканалу. Радиосвязь на подземном объекте планируется поддерживать за счет малогабаритных ретрансляторов (например, ретрансляторов сигнала Wi-Fi) с автономным питанием, которые в местах ослабевания сигнала от предыдущей станции будет выставлять платформа носитель. Системы, работающие по схожему принципу, давно используют зарубежные компании для управления беспилотными грузовиками и погрузчиками в шахтах. Одной из отличительных особенностей системы управления является возможность запоминать пройденный путь и возвращаться назад в случае потери управляющего сигнала с пульта оператора до той точки в которой сигнал был устойчив, и передавать собранные за время отсутствия сигнала сведения на пульт оператора. Система управления платформы носителя контролирует не только перемещение в пространстве, она так же занимается сбором данных от датчиков, расположенных на корпусе платформы о состоянии газовой среды на объекте, обработкой и передачей на пульт управления данных от видеокамер кругового обзора, а также данных об окружающем пространстве от систем технического зрения установленных на платформе носителе.
Для проведения визуальной разведки, а также поиска пострадавших в завалах в тех местах, куда платформа-носитель проехать не сможет из-за своих габаритов, на ее борту могут базироваться несколько малых роботов (МНР), способных перемещаться в пространстве разными способами. Так, если на путь появился провал или необходимо подняться резко вверх на несколько метров, то могут быть использованы МБПЛА, если необходимо продвигаться вперед через небольшой проход в завале, то используются МНР.
Основными причинами, по которым приходится применять для доставки малых роботов к завалу платформу-носитель, является малая автономность и невозможность создать систему управления такими роботами, которая позволяла бы с ними работать с пульта оператора, удаленного, например, на 1,5 км от места аварии. Платформа-носитель выступает не только в роли транспорта для доставки малых роботов к завалу, она выступает и в роли ретранслятора команд с пульта управления малым роботам, в одну сторону и передает сигнал с их видеокамер и датчиков на пульт оператора. Для увеличения радиуса работ малых роботов их система управления снабжена так называемым «роевым интеллектом» [11]. Роевой интеллект позволяет нескольким машинам обмениваться полученной информацией об окружающей среде, полученных от систем технического зрения и других датчиков. В том числе, появляется возможность, например, оставить один или несколько малых роботов по пути следования
вперед внутри завала для ретранслирования сигнала от передовой машины, позволяя ей уйти как можно дальше. Дополнительной функцией роевого интеллекта является возможность проверить большую площадь несколькими аппаратами, избежав повторных проходов нескольких малых роботов по одному месту.
Возможности малых беспилотных
летательных аппаратов, которыми оснащается платформа-носитель, следующие (рис. 2):
- полет в закрытых помещениях при сложной конфигурации полетного пространства;
- передача в реальном времени данных с датчиков анализа воздушной среды, видеокамер, систем технического зрения на пульт управления;
- возможность совместной работы с мобильной роботизированной платформой-носителем.
Рис. 2. Малый беспилотный летательный аппарат (МПБА)
Так как обычные аэродинамические летательные аппараты типа планеров, самолетов и вертолетов не подходят из-за сложности управления подобным устройством в условиях ограниченного пространства, то, на наш взгляд, единственно применимым устройством могут быть летательные аппараты-дроны, сделанные по схеме «квадрокоптер» с четырьмя несущими винтами. Подобная машина обладает отличной маневренностью и легко может передвигаться на малых скоростях, при этом она достаточна проста в управлении. Платформа-носитель оснащается двумя такими дронами.
Применение описанного роботизированного средства позволит повысить эффективность спасательных работ в аварийных зонах под землей и исключит необходимость нахождения людей в опасных условиях.
Список литературы
1. Батанов А.Ф., Грицынин С.Н., Муркин С.В. Робототехнические системы для применения
в условиях чрезвычайных ситуаций. Специальная Техника. №2, 2000 г. http://www.ess.ru/archive/2000.
2. Кизилов С.А. Патент на полезную модель № 151430 «Робот-платформа», опубл.
10.04.2015 г. (соавт. Игнатова А.Ю., Бойцова М.С., Папин А.В.).
3. Кизилов С.А., Бойцова М.С. Разработка роботизированной платформы для проведения работ в экстремальных условиях / Сборник материалов VI Всероссийской 59-й научно-практической конференции молодых ученых «Россия молодая-2014» - 22-25 апреля 2014 г. - [Электронный ресурс] http://science.kuzstu.ru/wp-content/Events/ Conference/RM/2014/materials/pages/sections.htm.
4. Аксенов В.В., Ефременков
A.Б., Садовец В.Ю., Резанова Е.В. Создание инновационного инструментария для формирования подземного пространства // Вестник КузГТУ / Кемерово, 2010. - № 1. С. 42-46.
5. Аксенов В.В., Садовец В.Ю., Буялич Г.Д., Бегляков В.Ю. Влияние уступа на НДС призабойной части горной выработки // Горный информационный аналитический бюллетень. Горное машиностроение / Москва, МГГУ, 2011. - ОВ № 2. С. 55-67.
6. Соловых С.Н., Алимов Н.И. и др. Способ поиска и обнаружения источников гамма-излучения в условиях неравномерного радиоактивного излучения / Пат. РФ № 2195005, опубл. 20.12.2002.
7. Sadovets V. Yu., Beglyakov V. Yu., Aksenov V. V. Development of math model of geokhod bladed working body interaction with geo-environment // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering Том. 91 (2015) Код статьи: 012085.
8. Аксенов В.В., Садовец В.Ю., Бегляков В.Ю. Обоснования формы забоя выработки геохода // Сборник трудов Международной научно-практической конференции с элементами научной школы для молодых ученых «Инновационные технологии и экономика в машиностроении». 20-21 мая, 2010 г./ЮТИ. - Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2010. - С.492-496.
9. Аксенов В.В., Ефременков А.Б., Садовец В.Ю., Резанова Е.В. Формирование структурного портрета геохода // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2010. № 01. С. 35-41.
10. Mielniczek, W., «B-Unstoppable all terrain Tank-Quadcopter Drone», https: // www. kickstarter.com/projects/2017062404/b-unstoppable, Online, accessed 2015-06-23.
11. Садовец В.Ю., Аксенов В.В. Ножевые исполнительные органы геоходов: монография / В.Ю. Садовец, В.В. Аксенов // Издательство: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG Heinrich-Böcking-Str. 6-8, 66121 Saarbrücken, Germany. 2011. - 141 с.
12. Кизилов С.А. Техническое средство для проведения спасательных работ на подземных объектах / С.А. Кизилов, И.Б. Истомин, Садовец
B.Ю. // Сборник материалов МНПК «Приоритетные направления развития науки, техники и технологий. -Т.1. - С. 16-19. - Кемерово. 2016.
