CC BY
236
УДК / UDC 629.7.014:623.746.4-519:629.7.017.1:621.315-047.36
СПОСОБ РАСШИРЕНИЯ АВТОНОМНОСТИ ПИЛОТИРОВАНИЯ ДРОНА, ОСУЩЕСТВЛЯЮЩЕГО МОНИТОРИНГ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ НАПРЯЖЕНИЕМ 6-10 кВ
ТНЕ METHOD OF EXPANDING THE AUTONOMY OF THE UNMANNED AIRCRAFT'S (DRONE'S) PILOTING FOR MONITORING THE TECHNICAL CONDITION OF POWER TRANSMISSION LINES WITH VOLTAGE OF 6-10 KV
Чернышов В.А. кандидат технических наук, доцент Chernyshov V.A., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
E-mail: [email protected] Семенов А.Е., старший преподаватель Semenov A.E., Senior Teacher E-mail: [email protected] ФГБОУ ВО «Орловский государственный аграрный университет
имени Н.В. Парахина», Орел, Россия Federal State Budgetary Educational Establishment of Higher Education "Orel State Agrarian University named after N.V. Parakhin", Orel, Russia Печагин Е.А., кандидат технических наук, доцент Pechagin E.A., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor E-mail: pechagin [email protected] ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет»,
Тамбов, Россия
Federal State Budgetary Educational Establishment of Higher Education "Tambov State Technical University", Tambov, Russia
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
дрон, воздушная линия электропередачи, следящий электропривод, электромагнитное поле, автопилот.
KEY WORDS
drone, overhead power line, the tracking actuator, an electromagnetic field, autopilot.
В настоящее время во всем мире активно развиваются технологии всестороннего использования беспилотных летательных аппаратов - дронов как для военных, так и для гражданских целей. Не отстает в этой области и ФГБОУ ВО Орловский ГАУ. Так, сотрудниками кафедры «Электроснабжение» активно проводится работа по адаптации гражданского дрона под нужды электроэнергетики, а именно для мониторинга технического состояния линий электропередачи напряжением 6-10 кВ [1, 2]. Эта работа включает в себя исследование целого ряда вопросов, связанных: с совершенствованием конструкции дрона, с управлением полетом в автономном режиме с использованием данных спутниковых систем навигации, а также с автоматизированным сбором и обработкой аппаратной и визуальной информации о состоянии воздушной линии электропередачи 6-10 кВ [8].
На сегодняшний день опытный образец дрона успешно прошел испытания в производственных условиях, подтвердив ожидаемый технико-экономический эффект, достигаемый существенным сокращением времени прохождения информации о повреждениях на линии электропередачи и более оперативным
устранением аварийных ситуаций [3]. По итогам испытаний следует, что одной из главных задач по дальнейшему продолжению работы, является усовершенствование способов автопилотирования дрона в сложных метеорологических условиях, направленное на повышение надежности и безопасности пилотирования, а также на снижение материального ущерба, связанного с падением и утерей дрона.
Благодаря упорству, целеустремленности и профессионализму коллектива единомышленников, проект «Беспилотный летательный аппарат для мониторинга состояния ЛЭП «БПЛА-ОСЛЭП» был удостоен золотой медали на ежегодной Российской агропромышленной выставке «ЗОЛОТАЯ ОСЕНЬ-2016».
Наиболее распространенными способами управления дронами являются дистанционно-пилотируемый и автоматический способы. Дистанционно-пилотируемый способ, включающий: ручное управление, осуществляющееся за счет управления дроном оператором в режиме реального времени, а также автоматизированное управление, осуществляющееся автономно, но с возможностью внесения оператором изменений полетного задания или его корректировки. Автоматический способ - управление, совершающееся автопилотом по заранее заданной траектории на заданной высоте с заданной скоростью и со стабилизацией углов ориентации.
Наиболее перспективным является дистанционно-пилотируемый способ, позволяющий в режиме реального времени проводить мониторинг местности и объектов, а также участвовать в спасательных операциях. Оператор с наземного пункта управления полетами, визуально, с помощью видеокамер, находящихся на дроне, в зоне прямой видимости, управляет летательным аппаратом или вносит корректировки в полетное задание [4].
Несмотря на то, что современные системы автоматического управления, разработанные для дронов на первый взгляд кажутся весьма совершенными, научно-технический прогресс открывает изобретателям все новые и новые возможности по их модернизации и винтокрылым прототипам предстоит пройти еще долгий путь технологической эволюции.
При разработке системы управления дроном не стоит забывать, что необоснованное насыщение дрона сложными автоматизированными системами управления, не только повышает его стоимость, но и увеличивает вероятность возникновения сбоев, приводящих в итоге к утрате самого дрона.
В этой связи к аппаратной части дрона предъявляются весьма высокие требования по обеспечению необходимых технических параметров и характеристик, в числе которых особое внимание уделяется обеспечению надежности и безопасности дистанционного пилотирования, обеспечению противоударности, пылевлагозащищенности, радиозащищенности, а также обеспечению электромагнитной совместимости с воздушной линией (ВЛ) напряжением 6-10 кВ [4].
Таким образом, непрерывный поиск принципиально новых и более совершенных инженерно-технических решений в области беспилотного воздухоплавания, является одной из актуальных задач, решение которой, требует разработки альтернативных, более эффективных методов дистанционного пилотирования дронов с учетом появляющихся открытий и достижений в науке и технике.
Авторами данной публикации предлагается принципиально новый способ аварийного пилотирования дрона, осуществляющего мониторинг технического
состояния ВЛ 6-10 кВ, который может быть весьма актуален в случае потери радиосвязи между дроном и наземным пунктом управления, т.к. предполагает продолжение полета дрона вдоль трассы ВЛ 6-10 кВ в заранее установленный район аварийного приземления, причем управление дроном осуществляется посредством аварийного автопилота со следящим электроприводом, использующим в качестве источника управляющих сигналов чувствительные элементы - емкостной антенный датчик и катушку индуктивности, реагирующие на электромагнитное поле ВЛ 6-10 кВ [5].
Следящие приводы (СП) являются одним из важнейших элементов современных автоматизированных систем управления различными объектами, в том числе беспилотными летательными аппаратами. Наибольшее применение СП получил в промышленности и военной технике для управления положением объектов с высокой степенью точности. СП является замкнутой динамической системой, точно воспроизводящей на выходе входной сигнал, произвольно меняющийся во времени, например, обеспечивающей точное повторение движений, преодолевающих какие-либо усилия [6], или проще говоря, оператору посредством следящего привода доступно дистанционное управление пилотируемым объектом, посредствам легкого изменения положения рычага-манипулятора на пульте управления.
Антенный датчик состоит из нескольких последовательно соединенных элементов, выполненных в виде петель из изолированного провода, на этих петлях, имеющих емкость относительно проводов ВЛ 6-10 кВ, создается напряжение, пропорциональное рабочему напряжению воздушной линии, которое затем усиливается и в виде задающего сигнала поступает в блок автоматического аварийного пилотирования.
Катушка индуктивности воспринимает индуктивную реакцию на ток в проводах ВЛ 6-10 кВ и служит для автоматической калибровки расстояния от БЛА до заданной ВЛ 6-10 кВ, так как ток нагрузки линии влияет на полное напряжение, наводимое в емкостном антенном датчике.
Установленные в носовой части дрона, емкостной антенный датчик и катушка индуктивности позволяет аварийному автопилоту посредством СП позиционировать дрон и обеспечивать стабилизацию режима его полета при неизменном курсе относительно ВЛ 6-10 кВ.
Рассмотрим функциональную и структурную схемы управления полетом дрона по курсу вдоль ВЛ напряжением 6-10 кВ (рис. 1) [7].
Структурная схема (рис. 1 б)) включает в себя два контура: внутренний -рулевого электропривода (РЭП), обеспечивающего стабилизацию режима полета при неизменном курсе (фз=const), и внешний - аварийного автопилота АП, предназначенного для автоматического аварийного управления полетом (изменения курса).
Управляемым объектом следящего внешнего контура (рис. 1 а)) является дрон, выходной координатой - угол рыскания ф (угол между условной линией магнитного поля ВЛ 6-10 кВ и траекторией полета дрона). Для измерения углового положения дрона применяется гироприбор (ГП), ось которого заранее выставлена вдоль продольной оси дрона. Сохраняя неизменными свое положение в течение своего полета, ось ГП служит указателем курса. В режиме стабилизации при отклонении дрона от заданного курса с потенциометра В2, закреплённого в корпусе дрона и перемещающегося с ним относительно движка, связанного с осью ГП, снимается сигнал Uф. Этот сигнал поступает на рулевой электропривод РП, отклоняющий руль направления дрона. При отклонении руля возникает аэродинамический момент относительно оси OZ,
разворачивающий самолет по курсу вдоль ВЛ 6-10 кВ до тех пор, пока сигнал с В2 не станет равным нулю.
Разворот дрона по курсу осуществляется путем формирования блоком автоматического аварийного пилотирования (в данном случае выступающего в роли оператора СП) соответствующей установки задающему потенциометру В1, электрически связанному с потенциометром В2 ГП. Стоит отметить, что аналогичным способом функционирует и подсистема стабилизации дрона по высоте относительно ВЛ 6-10 кВ, функционирующая в функции усиления (ослабления) напряженности электромагнитного поля ВЛ 6-10 кВ, непрерывно фиксируемое емкостным антенным датчиком.
Рисунок 1 - Функциональная и структурная схемы управления полетом дрона
по курсу вдоль ВЛ 6-10 кВ
В режиме управления и при наличии ошибки рассогласования ивх обеспечивается включение РЭП, отклонение руля и разворот дрона на заданный угол.
Внутренний контур является исполнительным устройством системы управления (внешнего контура) и одновременно самостоятельным СП. Управляемым объектом этого СП является руль направления, выходной координатой - положение руля бф. Для определения положения руля в обратной связи ОС служит потенциометр В3, сигнал иос с которого сравнивается с управляющим сигналом ивх. Разностный сигнал иб усиливается в усилителе А и подается на рулевую машину РМ, отклоняющую руль дрона до исчезновения ошибки рассогласования.
В качестве РМ используется электрическая рулевая машина, включающая механический редуктор, микроэлектродвигатель и потенциометр обратной связи В3 [7].
Таким образом, при проведении мониторинга технического состояния ВЛ 6-10 кВ, в случае потери радиосвязи с наземным пунктом управления, предлагаемый способ построения системы аварийного управления дрона, в значительной степени повышает надежность его дистанционного пилотирования и как следствие безопасность проведения его полета, что позволяет предотвратить материальный ущерб, связанный с его падением и потерей.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Чернышов В.А., Семенов А.Е., Печагин Е.А. Способ управления беспилотным летательным аппаратом, осуществляющим мониторинг технического состояния ВЛ 6-10 кВ при потере радиосвязи с наземным пунктом управления / В.И. Вернадский: Устойчивое развитие регионов: материалы Международной научно-практической конференции. В 5 Т. Т. 4. (Тамбов, 7-9 июня 2016 г.). Изд-во ФГБОУ ВО ТГТУ. 2016. С. 247-251.
2. Виноградов А.В., Семенов А.Е., Мороз А.О. Способ мониторинга технического состояния элементов воздушной линии электропередачи // Агротехника и энергообеспечение. 2014. № 3(3). С. 64.
3. Протокол №1 испытания беспилотного летательного аппарата (БПЛА ОСЛЭП Орел ГАУ) для осмотра ВЛ на базе Мценского РЭС ОАО «МРСК Центра» - «Орелэнерго» от 26.11.2014 г.
4. Фомина И.А. Метод тестирования устойчивости телекоммутационной системы управления беспилотных летательных аппаратов к воздействию сверхкоротких электромагнитных импульсов: дис. ... канд. экон. наук. Москва, 2015. 139 с.
5. Пенович Е.И. Отыскание замыканий на землю в распределительных сетях 6-10 кВ: Б-ка электромонтера, вып. 412. М.: «Энергия», 1975. 120 с.: ил.
6. ГОСТ Р 50369-92. Электроприводы. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1993. 16 с.
7. Смирнова В.И., Разинцев В.И. Проектирование и расчет автоматизированных приводов: учебник для сред. спец. учеб. заведений. М.: Машиностроение, 1990. 368 с.: ил.
8. Основы научных исследований: учебное пособие / И.Н. Кравченко, А.В. Коломейченко, В.Н. Логачев [и др.]. СПб.: Изд-во Лань, 2015. 304 с.
