CC BY
6УДК 62-529
СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫМ КОМПЛЕКСОМ ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА ГАЗОПРОВОДА
Ерисова Е.С., студент группы 16АТП(м)АТП, Оренбургский государственный университет, Оренбург
e-mail: erisovakatya@gmail.com
Султанов Н.З., д-р техн. наук, заведующий кафедрой систем автоматизации производства, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: kafsap@mail.osu.ru
В настоящее время дистанционный мониторинг магистральных газопроводов проводится исключительно с использованием пилотируемых вертолетов. Основными проблемами являются: обеспечение безопасности персонала, отсутствие возможности обследования труднодоступных участков, дефицит в пилотируемых вертолетах. Результатом работы стало создание структурной схемы беспилотного воздушного судна с возможностью применения в качестве охранно-мониторингового средства, а также определение элементов системы автоматического управления данным аппаратом.
Ключевые слова: беспилотная авиационная система, мониторинг газопровода, удаленное управление приборами, система автоматического управления, утечки, безопасность, экология.
Авиационное обследование линейной части магистральных газопроводов (ЛЧ МГ) с применением дистанционных лазерных газовых анализаторов обладает наибольшей скоростью обследования с возможностями мониторинга труднодоступных участков трасс магистральных газопроводов с борта летательного аппарата при поиске места аварии и утечек метана, обработки результатов измерений, определения координат места аварии или утечки и оценки ее масштаба.
Сегодня мониторинг магистральных нефте- и газопроводов осуществляется с использованием исключительно пилотируемой авиационной техники. Для выполнения работ по воздушному обследованию ЛЧ МГ необходимы авиаработы в объеме 80 000 летных часов в год. [1] Корпоративное авиапредприятие «Газпромавиа» способно выполнить 15% от требуемого объема. Таким образом, существует дефицит в пилотируемых вертолетах.
Применение беспилотных авиационных систем (БАС) обеспечит потребности в авиационной технике средних и больших компаний различных отраслей промышленности. Основной целью системы мониторингового обслуживания ЛЧ МГ является обеспечение бесперебойного, безаварийного транспорта газа в соответствии с плановой производительностью магистрального газопровода и с минимизацией издержек от природных экологических и техногенных рисков.
Важность рассмотренных выше проблем, их практическая значимость и недостаточная проработка стали определяющими в выборе темы и направления исследований. Исследования в данной области ведутся давно и рассматриваемые вопросы являются актуальными.
Целью данной работы является исследование и разработка системы автоматического управления и алгоритмов работы беспилотного воздушного судна (БВС) самолетного типа, входящего в состав БАС, с возможностью использования для дистанционного мониторинга линейной части магистральных нефте- и газопроводов.
Поставленная цель достигается путем решения следующих задач:
- анализ и создание математических моделей системы автоматического управления беспилотным воздушным судном;
- разработка программно-аппаратной платформы универсального БВС с возможностью применения в качестве охранно-мониторингового транспортного средства;
- разработка алгоритмов управления беспилотным воздушным судном.
Научная новизна работы заключается в следующих научно-обоснованных разработках:
- структурная схема программно-аппаратной платформы БВС;
- структурная схема системы автоматического управления беспилотного воздушного
- алгоритмы управления многофункциональным комплексом БВС. Беспилотные авиационные системы и входящие в их состав БВС являются радикальной инновацией нашего времени. Элементы БАС и их взаимная связь представлены на рисунке 1.
Рисунок 1 - Элементы беспилотной авиационной системы для дистанционного мониторинга газопровода
Проектирование и создание новых БВС необходимо по причине постоянного роста требований к их летно-техническим характеристикам. Опираясь на труды таких ученых как: Летунов Д.А. [3], Лоскутников А.А. [4], Султанов Н.З. [5, 6], Щагин А.В. [7], можно сделать вывод о большом значении всестороннего теоретического исследования БВС, а также создания новых алгоритмов и моделей управления.
Используя классификацию, разработанную в работе [2], можно определить состав программно-аппаратной платформы БВС:
1. Универсальное БВС с возможностью применения разнообразного целевого оборудования и исполнительных устройств;
2. Программное обеспечение (ПО) бортовой системы БВС, включая прошивки отдельных модулей;
3. Набор библиотек, предоставляющих интерфейс прикладного программирования для управления и настройки БВС;
4. Программное обеспечение для наземной станции управления;
5. Программное обеспечение целевого оборудования и исполнительных устройств (трассовый газовый анализатор, системы фото-видеонаблюдения).
В состав бортовой системы БВС входят средства получения и передачи мониторинговой информации. Данные могут сниматься после возвращения БВС или передаваться на наземную станцию управления в режиме реального времени.
На рисунке 2 приведены основные компоненты комплекса БВС самолетного типа (структурная схема) и их взаимная связь.
судна;
Беспилотное воздушное судно
БЕСПИЛОТНОЕ ВОЗДУШНОЕ СУДНО
Рисунок 2 - Структурная схема комплекса БВС самолетного типа
В системе предлагается использовать четыре шаговых двигателя для управления рулями высоты (тангаж), рулями направления (курс), элеронами (крен) и винто-моторной силовой установкой БВС. Также в бортовую систему входят:
- приемник радиосигнала для дистанционного управления ВС;
- контроллеры двигателей (обрабатывают входные сигналы ШИМ от системы управления и устанавливают требуемый режим работы двигателей);
- аккумулятор (обеспечивает питание компонентов САУ и двигателей);
- ПК или ноутбук в качестве наземной станции управления и отладки. Компоненты системы управления. Структурная схема элементов системы
автоматического управления приведена на рисунке 3.
Рисунок 3 - Структурная схема элементов системы управления
Основной элемент системы - микроконтроллер. ПО микроконтроллера можно разделить на три части:
- периферия - набор библиотек для работы с периферией микроконтроллера;
- драйвер - набор библиотек для передачи данных между контроллером и другими устройствами (акселерометр, гироскоп, магнитометр, ГЛОНАСС (GPS) приемник, Wi-Fi модуль, карта памяти);
- логика управления - набор функций, обеспечивающих заданный режим полета, стабилизацию и навигацию воздушного судна.
В качестве внешних портов используются входы и выходы ШИМ для приема сигналов и управления двигателями, а также входы АЦП для подключения датчика для измерения скорости и газового анализатора. В систему также входят UART порты (для подключения модуля ГЛОНАСС (GPS) и Wi-Fi) и USB интерфейс.
Достоинствами использования БВС с разработанной программно-аппаратной платформой и системой управления являются:
- удобство в эксплуатации (простота транспортировки и сборки, неприхотливость требований к взлётно-посадочной полосе, возможность неоднократного пролёта над газопроводом на различных высотах);
- экономичность, компактность, высокая оперативность и возможность выбора скорости и высоты полёта с учётом оптимизации работы газоанализатора;
- сбор, обработка и регистрация результатов мониторинга обеспечивается программно-аппаратной платформой под управлением программируемого микроконтроллера;
- возможность передачи данных сканирования и видеопотоков с камер наблюдения в режиме реального времени;
- экономическая эффективность (по предварительной оценке стоимость летного часа БВС составит не более 20 000 рублей/час в то время, как стоимость использования патрульного вертолета типа Ка~226АГ, созданного по ТЗ ОАО «Газпром», в зависимости от климатических условий, составляет от 60 000 до 120 000 рублей/час [1]).
Таким образом, применение беспилотного воздушного комплекса для дистанционного мониторинга газопроводов обеспечит повышение качества и скорости обследования, а также снижение издержек от экологических и техногенных рисков. Перспективы в разработке беспилотных авиационных систем заключаются в создании "интеллектуальной" системы автоматического управления с программным обеспечением, способной при каких-либо отказах, выбирать дополнительные алгоритмы управления для решения поставленных задач.
Литература
1. Еремин, В.М. Трансфер технологий ОПК в ТЭК. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://docplayer.ru/28093094-Transfer-tehnologiy-opk-v-tek.html - (дата обращения: 30.04.2017).
2. Ерисова, Е.С. Классификация систем управления беспилотными летательными аппаратами / Е.С. Ерисова, Н.З. Султанов // Школа-семинар молодых ученых и специалистов в области компьютерной интеграции производства. - Оренбург, 2016. - С. 177-181.
3. Летунов, Д.А. Оптимизация системы управления легкого беспилотного летательного аппарата по частотному критерию: Автореферат дис. ... канд. техн. наук: 05.13.05 / Д.А. Летунов. [Место защиты: Рыбин. гос. авиац.-технол. акад. им. П.А. Соловьёва]. - Рыбинск, 2011. - 144 с.
4. Лоскутников, А.А. Системы автоматического управления БПЛА / А.А. Лоскутников, Н.С. Сенюшкин, В.В. Парамонов // Молодой ученый. - 2011. - № 9. - С. 56-58.
5. Султанов, Н.З. Вопросы исследования воздушно-транспортной системы для перевозки нефти и газа / Н.З. Султанов // Тезисы докл. Республ. конф. молодых ученых и специалистов. - Ташкент: АН УзССР, 1978.
6. Султанов, Н.З. О построении модели исследования воздушно-транспортной системы для перевозки нефти и газа / Н.З. Султанов // ИВУЗ «Авиационная техника». -Казань: КАИ, 1980. - № 4.
7. Щагин, А.В. Система управления параметрами движущихся объектов // Естественные и технические науки / А.В. Щагин, В.Я. Лвин, А.С. Лвин. - Москва, 2012. -№ 3(59). - С. 309.
