XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Система скрытного наблюдения
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Системы дистанционного наблюдения все шире применяются в хозяйственной деятельности человека. Область их применения довольно широка: от присмотра за ребенком до контроля сложных и опасных технологических процессов. В особом ряду стоят системы с использованием мобильных средств визуализации. Наиболее распространены различные БПЛА с установленными на них камерами и выводом информации для оператора (для записи).
Эти системы используют, в том числе, и для наблюдения за животными. Однако использование БПЛА имеет свои недостатки. Так, группа наблюдаемых животных может находиться на большом удалении от оператора. Для наблюдения за ней применяются довольно сложные и дорогостоящие БПЛА с большим ресурсом хода и довольно мощным передающим устройством. Однако, при необходимости наблюдения с небольшого расстояния, работающий БПЛА может испугать животных. В таком случае необходимо применение миниатюрных многороторных аппаратов или легких планеров. Их применение невозможно из-за малого запаса хода и малой мощности передающего устройства.
Для решения проблемы скрытного наблюдения предлагается система, позволяющая работать на большом удалении и в то же время вести наблюдение с аппарата, не привлекающего к себе внимания и не пугающего животных.
Цель – разработать систему скрытного наблюдения
Задачи:
Рассмотреть достоинства и недостатки систем наблюдения с использованием БПЛА .
Предложить решение проблемы скрытного наблюдения.
Разработать схему связи.
Разработать макет, поясняющий работу системы .
Разработать и протестировать работу специальных узлов системы.
1.Видеонаблюдение на основе БПЛА.
Использование беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) является одним из устойчивых трендов развития и повышения эффективности экологически чистых агротехнологий (полеводство, животноводство, природопользование). Традиционно БПЛА в сельском хозяйстве применяют для мониторинга озимых, сопровождения мелиорации, инвентаризации земель, контроля параметров агротехнологических процессов, опрыскивания химикатами, охраны объектов и т.п. Спектр этих приложений может быть существенно расширен за счёт оснащения специальными рабочими органами для непосредственного выполнения технологических операций [1].
В животноводстве для индивидуального ухода за животными и эффективного управления стадом предполагается создание «видеопастуха» на основе многофункционального событийно-сигнализирующего блока БПЛА, с операциями самообучения, самопрограммирования и саморегулирования. В растениеводстве при реализации технологии дифференцированного земледелия, учитывающего состояние каждого растения, предполагается создание «видеотехнолога полей» на основе разработки многофункционального мехатронно-исполнительного блока БПЛА с элементами самонаведения и самоорганизации.
В природопользовании, особенно в лесных, рыбных и охотничьих хозяйствах, предполагается создание «видеоинспектора территорий» на основе разработки многофункционального разведывательно-поискового блока БПЛА с алгоритмами самообучения, самопрограммирования и самоорганизации. Вне зависимости от установленного на БПЛА комплексе оборудования, такая система не должна оказывать влияния на наблюдаемых. Ее обязательным качеством должна быть малозаметность. При этом с учетом обследуемых территорий и комплекса оборудования на борту, устройств связи, наблюдение может производиться с больших расстояний (высот) [2].
Для наблюдения же с малых расстояний, использования микрофона, возможно применение планеров, напоминающих по очертаниям птиц. Такой БПЛА с камерой и микрофоном не привлечет внимания диких животных. Однако он имеет очень ограниченные ресурсы и не способен преодолевать большие расстояния до мест наблюдения.
2. Разработка системы.
2.1. Требования к разрабатываемой системе
Исходя из вышеуказанных проблемных моментов при нетревожащем (скрытном) наблюдении требуется разработка системы
1. Большой запас хода.
2. Устойчивая радиосвязь.
3. Бесшумная работа при приближении к объекту наблюдения.
4. Очертания БПЛА напоминают знакомый объект (птицу).
2.2. Состав и функционирование системы
Исходя из заявленных требований предлагается следующее решение: система состоит из основного (материнского) и нескольких малых БПЛА .
Основной БПЛА может быть самолетного либо мультироторного типа [3], имеет большие габариты, большой запас хода, может нести дополнительную нагрузку с управляемым сбросом. Так же он оснащен системой связи, позволяющей управлять самим БПЛА, транслировать видеосигнал общего вида со встроенной камеры и ретранслировать несколько двусторонних каналов.
Малые БПЛА могут быть самолетного типа, в том числе и планеры или мультироторные[3]. Вне зависимости от типа, малые БПЛА имеют складную конструкцию, имеют малый вес, минимальные средства управления полетом, камеру и систему связи. При этом все оборудование имеет минимальные характеристики и невысокую стоимость.
Работа системы заключается в следующем (Приложение 1).На материнский БПЛА загружаются малые и доставляются на место предполагаемого наблюдения. Этот БПЛА работает на высоте, не позволяющей наблюдаемым объектам его обнаружить. При необходимости осмотра местности и наблюдаемых с небольшого расстояния, трансляции звука, материнский БПЛА сбрасывает один из малых. Учитывая бесшумную работу и маскировку такого аппарата под птицу, он под управлением оператора может приблизиться на очень малое расстояние к наблюдаемому объекту и передать детальную видео и звуковую информацию, не привлекая внимания наблюдаемых. После выполнения задачи малый БПЛА считается утраченным. Однако его низкая стоимость и важность выполненной задачи оправдывают данную потерю.
При необходимости дополнительного наблюдения за другими объектами, материнский БПЛА сбрасывает оставшиеся малые.
2.3. Система связи.
Учитывая необходимость работы системы на расстояния до 100 км от оператора и минимальные характеристики малых БПЛА, предлагается следующее решение.
Материнский БПЛА оснащен системой (Приложение 2), позволяющей поддерживать связь на расстоянии до 100 км, имеет направленную антенну (с устройством автоматической ориентации) и постоянно находится на большой высоте.
Малые БПЛА поддерживают связь с оператором ввиду маломощности приемопередающей аппаратуры через материнский БПЛА, работающий в качестве ретранслятора. Применение на нем направленной антенны позволит дополнительно уменьшить мощность передаваемого сигнала и тем самым экономить ресурсы АБ.
2.4. Конструкция
Исходя из поставленных задач, конструкция как материнского, так и малых БПЛА, может быть самой разнообразной. Нами разработаны и изготовлены некоторые узлы и модели, позволяющие создать предлагаемую систему скрытного наблюдения. Приложение 3 – один из возможных вариантов материнского БПЛА. В Приложении 4 представлен мультироторный миниБПЛА, а БПЛА самолетного типа - в Приложении 5 (сложенный для транспортировки) и Приложении 6 (в режиме полета).
3. Заключение.
В результате проделанной работы была предложена система скрытного наблюдения за объектами, были разработаны и изготовлены принципиальные элементы системы.
Цель проекта достигнута!
Список литературы
1. Башилов А.М., Королев В.А. Автономные беспилотные летательные аппараты в точных системах агропроизводства/: ж. Вестник аграрной науки Дона, №3, 2018 г, стр. 76-82. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=36462030.
2. Иноземцев Д.П., 2013. Беспилотные летательные аппараты: теория и практика. Часть 1. Обзор технических средств // Аппараты: теория и практика. № 2 (49). С. 50-54.
3. Классификация БПЛА по летным характеристикам./ URL: https://docs.geoscan.aero/ru/master/database/const-module/classification/classification.html
Приложение 1
Приложение 2
Приложение 3
Приложение 4
Приложение 5
Приложение 6