Работа опубликована в журнале Russian Aeronautics. Ученые КНИТУ-КАИ рассмотрели проблемы при проведении мониторинга различных объектов с привлечением беспилотных авиационных систем. Как известно, беспилотные воздушные суда позволяют проводить обследование на всей протяженности объекта, с разных точек съемки в сложных метеорологических условиях, с полной фиксацией всех полученных данных. Чтобы увидеть изменения, которые претерпели объекты, новые снимки сравниваются с базовыми. Объекты аэрофотосъемки с точки зрения применения беспилотных авиационных систем можно условно разделить на три группы – точечные (здания), линейные (трассы, трубопроводы, сети) и площадные (микрорайоны, населенные пункты, промпредприятия, лесные массивы).
С помощью технологии воздушного лазерного сканирования можно создать точные цифровые 3D-копии объектов мониторинга и местности с высокой детализацией в виде трехмерного облака точек.
«Этот метод дистанционного исследования позволяет получить трехмерное представление об объекте мониторинга с возможностью измерения геометрических и объемных характеристик, а также выявить препятствия на местности, мешающие нормальной эксплуатации изучаемого объекта, — поясняет доцент кафедры конструкции и проектирования летательных аппаратов КНИТУ-КАИ Никита Левшонков. — Посредством воздушного лазерного сканирования производится сбор огромного массива качественных данных с привязкой к системе координат, благодаря чему возможно значительно сокращать сроки и проводить частые проверки состояния объекта мониторинга, повышая в целом его отказоустойчивость».
Так, сотни километров трубопроводов и удаленных объектов в сложных географических и климатических условиях требуют постоянного контроля. До появления беспилотных воздушных судов обеспечить такой контроль было делом достаточно трудоемким и дорогостоящим. Наиболее распространенным способом мониторинга был регулярный облет по маршруту на вертолете. Очевидно, что стоимость летного часа этого летательного аппарата очень высока.
Применение БПЛА дешевле, позволяет увеличить количество вылетов, существенно повысить качество наблюдения, при этом отсутствует риск для здоровья и жизни летного и наземного персонала. Кроме того, беспилотные воздушные суда могут следовать по заранее запрограммированной траектории полета, совершать полеты вблизи объектов и у поверхности земли, благодаря чему результаты исследований отличаются высоким уровнем детализации и точностью измерений.
По словам аспиранта кафедры конструкции и проектирования летательных аппаратов КНИТУ-КАИ Игоря Нафикова, при мониторинге объектов строительства БПЛА может близко подлететь к необходимой части объекта или выполнять его ежедневную съемку в автоматическом режиме. Полученный набор снимков легко преобразовать в 3D-модель, наглядно фиксирующую происходящие изменения.
Для целей развития городской агломерации возможно выполнять съемку города с беспилотного воздушного судна с использованием специализированных нагрузок, например, тепловизионной камеры. Интерпретация результатов такой съемки позволяет выявить тепловые утечки в теплосетях или на разных элементах зданий, требующих оперативного или планового ремонта, проверить качество выполненных ремонтных работ и определить фактическое местоположение сетей, часто отличающееся от предполагаемого по исполнительной документации. Благодаря этому повышается эффективность работ, качество выполнения работ подрядчиками, принимаются верные оперативные решения при устранении аварийных ситуаций, констатируют ученые.
Необходимость осмотра замкнутых пространств присутствует практически во всех отраслях промышленности. Строгие правила контроля и устаревающие активы требуют частых, тщательных и более сложных проверок таких элементов, как резервуары, канализационные трубы, шахты, дымоходы, котлы, люки или подземные кабельные каналы. Беспилотные воздушные суда, оборудованные видео- и фотокамерами с высоким разрешением и тепловизионными камерами, позволяют проводить инспектирование выводной трубы в рабочем режиме. Благодаря данным в видимом спектре, полученным с видеокамеры/фотокамеры, возможно обнаружить визуально различимые дефекты и потенциальные проблемы.
На основе данных, полученных с беспилотного воздушного судна, может выстраиваться высокоточная 3D-модель сооружения. Так, на борт беспилотного воздушного судна поступают снимки или видеопоток, которые привязываются к конкретным объектам мониторинга, заведенным в системы управления беспилотного воздушного судна и полезной нагрузки. Изображения обрабатываются с применением алгоритмов машинного зрения, что позволяет находить на снимках ключевые признаки объектов мониторинга. Отметим, что система оперативного непрерывного мониторинга постоянно дообучается на новых снимках и на действиях оператора.
Ученые рассмотрели летательный аппарат как бесплатформенную инерциальную навигационную систему с блоком датчиков линейных ускорений или линейных скоростей, блоком датчиков угловых скоростей и вычислителем вектора состояния объекта. В исследовании описаны ошибки определения пилотажно-навигационных параметров, возникающие на начальном этапе функционирования системы при эксплуатации БПЛА с помощью метода навигации по GPS.
Как стало понятно, эффективность инерциальной навигационной системы можно повысить за счет блоков вычислений с дополнительными функциональными возможностями (например, благодаря триангуляции радиометок (радиопеленгации) — методу определения местоположения источника радиоизлучения с помощью нескольких измерительных пунктов).
В результате проведенных исследований сформированы описание объектов мониторинга и перечень технологий для его проведения в зависимости от объекта мониторинга. Проработана проблема внезапной потери сигнала GPS и предложены алгоритмы навигации при отсутствии спутниковой связи. Показан способ повышения точности навигации беспилотного воздушного судна.