XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Система автономного охранного мониторинга объектов на базе сборных комплектов БЛА
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
I. ВВЕДЕНИЕ. АКТУАЛЬНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ КОНСТРУКТОРОВ ПРОГРАММИРУЕМЫХ КВАДРОКОПТЕРОВ
Рассматриваются возможности и преимущества применения конструкторов программируемых квадрокоптеров, типа «Клевер-4» от компании COEX для выполнения задач автономного охранного мониторинга объектов в сравнении со специализированными мониторинговыми комплексами БЛА, патрульными группами и стационарными системами видеонаблюдения. Выявлены потенциальные возможности интеграции в открытую платформу конструктора БЛА специализированных сенсорных систем для идентификации нарушителей охраняемого периметра с оружием и взрывными устройствами на примере миниатюрных феррозондовых магнитометрических датчиков.
Беспилотные авиационные технологии используют для решения мониторинговых, исследовательских, транспортных, хозяйственных или военных задач. В существующих реалиях современной жизни остаются весьма актуальными борьба с правонарушениями и антитеррористические задачи, что предполагает разработку различных технологий, позволяющих быстро и эффективно предотвращать такого рода явления на объектах общественной инфраструктуры.
В настоящее время указанные задачи все еще решаются с привлечением личного состава различных охранных структур. Данный подход к решению задач при известных достоинствах имеет и существенные недостатки, а именно: время реагирования на угрозу, человеческий фактор и повышенные расходы на содержание персонала больших объектов.
Эффективным способом решения поставленных задач является использование аэромобильных комплексов на базе беспилотных летательных аппаратов (БЛА) [1]. Здесь не всегда требуются большая дальность и продолжительность полета. Однако весьма полезными и важными могут быть возможность зависания над определенными объектами, возможность взять на борт высококачественную аппаратуру наблюдения, а также малая заметность аппарата.
Структуры, обеспечивающие безопасность, различные министерства и ведомства все чаще обращаются к помощи БЛА, прежде чем направить на разрешение критических ситуаций людей. БЛА используются для периметрового и пограничного контроля, противопожарного мониторинга, оповещений, преследований правонарушителей т.п.
Российский рынок БЛА быстро растет. По данным Росавиации за период с 2016 г. введено в эксплуатацию более 1 млн. беспилотных авиационных систем. По прогнозам некоммерческого партнерства «ГЛОНАСС» к концу 2025 г. ожидается объем продаж в районе 100 млн. [2]
БЛА могут эффективно применяться при проведении культурно-массовых мероприятий, общественно-политических и спортивных мероприятий, а также для пресечения массовых беспорядков на охраняемых объектах. Высотный видеоконтроль позволяет одновременно охватить значительную площадь размером до 15 км², своевременно выявлять места возникновения конфликтов, совершения противоправных действий и оперативно управлять наземными группами быстрого реагирования из состава охранных структур.
II. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ. СИСТЕМА АВТОНОМНОГО ОХРАННОГО МОНИТОРИНГА ОБЪЕКТОВ НА БАЗЕ СБОРНЫХ КОМПЛЕКТОВ БЛА
Для мониторинга и охраны территорий в настоящее время применяются, как правило, специально позиционируемые для решения данных задач комплексы с БЛА широкой номенклатуры типов от различных компаний-разработчиков.
Например, компанией «Съемка с воздуха» предлагаются автономные мониторинговые системы «Форпост» с автоматизированными станциями обслуживания (рис. 1) [3].
Рис. 1 – Общий вид БЛА комплекса «Форпост»
Комплекс БЛА «Форпост» предназначен для мониторинга и охраны территорий и обладает следующими характеристиками: взлетная масса – 5 кг, максимальная скорость – до 75 км/ч, максимальная высота полёта – до 1000 м, максимальное время полёта – до 30 мин.
Широко известная компания DJI так же предлагает комплексы с БЛА собственной разработки, специально позиционируемые для решения задач наблюдения, фото- и видеосъемки с воздуха такие, как DJI Matrice 210 V2 (рис. 2).
Рис. 2 – Общий вид БЛА DJI Matrice 210 V2
DJI Matrice 210 V2 обладает следующими характеристиками: максимальная взлетная масса – до 6,14 кг, максимальная скорость – до 81 км/ч, максимальная высота полёта – до 3000 м, среднее время полёта –30 мин.
Некоторые подразделения МЧС еще с 2009 г. начали применять БЛА разработки компании DJI [4]. Например, такие, как квадрокоптеры DJI Phantom 4 Pro, V2.0 и Inspire 2 (рис. 3).
Рис. 3 – Применение БЛА DJI подразделениями МЧС
Опыт решения мониторинговых задач показывает, что применение специализированных комплексов с БЛА менее затратно и полностью безопасно для человека. БЛА способен заменить целую поисковую группу: он надёжен при дальних полётах, может обходить препятствия в виде ЛЭП или крон деревьев, а также имеет подсветку, видео или тепловизионную камеру и различные датчики.
Однако подход специализации БЛА при всех достоинствах имеет ряд недостатков, обусловленных узкоспециальной разработкой БЛА и изготовлением их малыми партиями, а именно:
- высокая стоимость специализированных комплексов;
- низкая ремонтопригодность конструкции, отсутствие взаимозаменяемости комплектующих деталей от различных компаний-разработчиков;
- высокая стоимость комплектующих, как следствие выше обозначенных факторов.
При этом стоимость одного специализированного мониторингового охранного комплекса с БЛА в нижнем сегменте рынка может составлять от 500 тыс. до 1,5 млн. руб. [5].
Конечно, для больших корпораций и госкомпаний цена одного закупаемого изделия может быть и не так важна, как его технические возможности. Но для небольших и средних организаций, решающих проблему обеспечения безопасности в своих зонах ответственности, таких, например, как детские образовательные учреждения, спортивные и культурно-досуговые объекты (стадионы, парки) и др., показатель стоимости при ограниченном бюджете является весьма существенным.
Решением всех обозначенных проблем может стать применение типовых сборных конструкторов, предназначенных для самостоятельного создания пользователем программируемых БЛА из набора типовых комплектующих в соответствии с требуемой конфигурацией и решаемыми задачами.
Примером реализации такого подхода может служить линейка конструкторов программируемых квадрокоптеров «Клевер» от российского разработчика БЛА компании COEX. При стоимости базового набора комплектующих от 50 тыс. руб. в общем виде «Клевер» включает набор открытых компонентов, а также набор необходимой документации и библиотек для работы с ним [6]. Дополнительным преимуществом для пользователя является возможность не только составления полетного задания для БЛА, как и во всех специализированных комплексах, но и возможность программирования автономного полета под свои задачи.
Набор конструктора БЛА COEX «Клевер-4» включает в себя полетный контроллер COEX Pix с полетным стеком PX4, в качестве управляющего бортового компьютера контроллер Raspberry Pi4, модуль камеры для реализации полетов с использованием компьютерного зрения, а также набор различных датчиков и другой периферии (рис. 4).
Рис. 4 – Общий вид собранного БЛА COEX «Klever-4»
Для демонстрации возможности реализации комплекса автономного охранного мониторинга объектов на базе сборных комплектов БЛА взят типовой объект охраны на примере стадиона «Зоркий» в г. Красногорске Московской области (рис. 5).
Рис. 5 – Общий план стадиона «Зоркий» (г. Красногорск)
Протяженность периметра стадиона «Зоркий» составляет около 1,2 км, при средней заданной скорости полета БЛА около 50 км/ч время облёта периметра одним БЛА составит в среднем 1,5 мин. Для сравнения, при средней скорости пешего патруля около 5 км/с время полного обхода периметра патрулем составит не менее 15 мин, плюс еще патрулю требуется время на отдых и прием пищи. Установка систем стационарного видеонаблюдения в данном случае также будет иметь свои недостатки, обусловленные стоимостью установки объектовой распределенной системы, выставлением определенных секторов обзора, если это возможно, и требуемым постоянным обслуживанием видеосистемы.
Таким образом, один БЛА COEX «Клевер-4» обеспечивает на порядок более высокую скорость патрулирования, чем пеший патруль, а в случае применения группы, например, из 5 БЛА интервал между ними при мониторинге составит не более 18 сек., что уже сравнимо с возможностями стационарной системы видеонаблюдения. При этом стоимость закупки 5 БЛА COEX «Клевер-4» составит от 250 до 300 тыс. руб. (с учетом дополнительных аккумуляторных батарей (АКБ)), что на порядок дешевле установки стационарной системы видеонаблюдения и закупки такого же количества единиц специализированного мониторингового комплекса с БЛА типа «Форпост» или DJI Matrice 210 V2.
Для подготовки квадрокоптера COEX «Клевер-4» к выполнению задачи патрулирования периметра территории стадиона необходимо:
- выполнить сборку квадрокоптера;
- выполнить калибровку квадрокоптера и пульта управления;
- выполнить калибровку показаний датчиков бортовых систем квадрокоптера (система позиционирование, лазерный дальномер, и др.);
- запрограммировать алгоритм автономного полета (порядок следования по маршруту, действия в случае обнаружения угрозы, действия в случае аварийных ситуаций, действия в случае разряда АКБ, и др.);
- запрограммировать путь с контрольными точками полета, точку возврата и подзарядки.
Программирование квадрокоптера не требует специализированных знаний языков программирования, так как положительной особенностью платформы конструктора БЛА COEX «Клевер-4» является возможность блочного визуального программирования автономных полетов на уровне задания алгоритма действий. Реализация блочного программирования основана на Google Blockly. Интеграция Blockly в «Клевер-4» позволяет понизить входной порог в программирование автономных полетов до минимального уровня (рис. 6).
Рис. 6 – Интерфейс окна блочного программирования БЛА COEX «Клевер-4»
Для подготовки автономного полета необходимо собрать программу из блоков в меню слева а затем нажать кнопку «Run» для ее запуска. Также вы можно просмотреть сгенерированный код на языке Python, переключившись во вкладку «Python» [6].
Кнопка «Stop» позволяет остановить программу. Нажатие кнопки «Land» также останавливает программу и сажает дрон.
Блоки меню программирования БЛА COEX «Клевер-4» поделены на четыре категории:
Flight – команды, имеющие отношение к полету;
State – блоки, позволяющие получить те или иные параметры текущего состояния квадрокоптера;
LED – блоки для управления LED-лентой;
GPIO – блоки для работы с GPIO-пинами.
В остальных категориях находятся стандартные блоки Google Blockly [6].
Так как применение платформы конструктора БЛА COEX «Клевер-4» для решения задачи реализации комплекса автономного охранного мониторинга объектов кроме учета показателя стоимости системы требует соответствия БЛА показателям надежности, то для проведения инженерных расчетов нагрузок создана виртуальная 3D модель БЛА в системе автоматизированного проектирования (САПР) SolidWorks (рис. 7).
Рис. 7 – Общий вид 3D модели БЛА
Далее с помощью инструментов инженерного анализа механических нагрузок SolidWorks Simulation и исследования движения потока газов SolidWorks FlowSimulation, входящих в программный пакет САПР SolidWorks, для оценки надежности конструкции БЛА COEX «Клевер-4» проведено моделирование падения коптера в случае аварийной ситуации с высоты от 10 до 50 м, и моделирование полета в виртуальной аэродинамической трубе при скорости воздушного потока до максимального значения 80 км/ч. Результаты инженерного анализа для оценки надежности конструкции БЛА представлены на рис. 8, 9.
Рис. 8 – Анализ нагрузок при падении с заданной высоты
Рис. 9 – Анализ воздействия воздушного потока
Создание 3D модели БЛА и последующий анализ инженерных расчетов смоделированных воздействий позволяет подобрать соответствующие нагрузкам конструкционные материалы, а затем в случае необходимости ремонта или замены комплектующих деталей, распечатать необходимые компоненты на 3D принтере.
На рис. 10 показан пример печати деталей конструкции созданной 3D модели БЛА из усиленного углеволокном полиамида на 3D принтере Picaso Designer XPRO.
Рис. 10 – Печать деталей БЛА на 3D принтере Picaso Designer XPRO
Еще одним преимуществом применения платформы конструктора БЛА COEX «Клевер-4» является ее открытость, что позволяет интегрировать в систему различные специализированные целевые нагрузки.
При выполнении БЛА задачи патрулирования и выявления потенциальных угроз необходимо обнаруживать и распознавать не только пересечение человеком-нарушителем охраняемого периметра, но и выявлять при нем наличие оружия или взрывных устройств. Поэтому для алгоритма автоматизированного выявления угроз вводится комплексирование каналов тревоги, где совместно с оптической информацией обрабатывается информация от датчика наличия металла, и, в случае получения сигнала тревоги одновременно по двум каналам, объекту-нарушителю сразу присваивается повышенный уровень опасности.
Существующие технологии позволяют дистанционно и оперативно осуществлять обнаружение и распознавание металлических объектов с помощью магнитометрических датчиков [7]. Для БЛА COEX «Клевер-4» возможно применить миниатюрные феррозондовые магнитометрические датчики с низким энергопотреблением, что особенно важно при энергопитании датчиков от единой аккумуляторной батареи комплекса (рис. 11).
Рис. 11 – Образец миниатюрного феррозондового магнитометрического датчика
III. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Применение платформ конструкторов программируемых квадрокоптеров, типа «Клевер-4» от компании COEX, для выполнения задач автономного охранного мониторинга объектов является менее затратным по сравнению со специализированными мониторинговыми комплексами БЛА, а также стационарными системами видеонаблюдения, и позволяет заменить целую патрульную группу.
Открытая архитектура платформы конструктора БЛА позволяет интегрировать в систему специализированные сенсорные приложения в соответствии с реализуемыми задачами. Интеграция в систему технологий 3D моделирования, инженерного анализа и аддитивных технологий позволяет подобрать соответствующие нагрузкам конструкционные материалы, а затем в случае необходимости ремонта или замены комплектующих деталей, распечатать необходимые компоненты на 3D принтере.
Список использованной Литературы
1. Национальный стандарт Российской Федерации ГОСТ Р 57258-2016 Системы беспилотные авиационные. Термины и определения. – М.: Стандартинформ, 2018. – 22 с.
2. Использование беспилотных летательных аппаратов для обеспечения безопасности на объектах транспорта. https://russiandrone.ru/publications/ispolzovanie-bespilotnykh-letatelnykh-apparatov-dlya-obespecheniya-bezopasnosti-na-obektakh-transpor/
3. Электронный ресурс: https://rusdrone.ru/otrasli/okhrana/
4. Беспилотники DJI на службе у поисково-спасательных отрядов и МЧС России https://www.djimsk.ru/guides/2020/12/01/bpla-na-sluzhbe-poiskovih-otryadov-i-mchs/
5. Электронный ресурс: https://www.dji.com/ru/matrice-200-series-v2/info
6. Клевер 4 CODE конструктор программируемого квадрокоптера. https://ru.coex.tech/clover
7. Соколов Н.А. Многоканальная магнитометрическая система для разминирования больших территорий // Сб. материалов XV Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления» и ХI молодежной школы семинара «Управле-ние и обработка информации в технических системах». – Ростов-на-Дону; Таганрог: Изд-во ЮФУ, 2020. – С. 214-220.