АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ОБНАРУЖЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Область техники, к которой относится полезная модель.
Полезная модель относится к области обнаружения радиоактивных материалов, а более конкретно к автоматизированным системам обнаружения радиоактивных материалов, включающим в себя, по меньшей мере, один беспилотный летательный аппарат и, по меньшей мере, один наземный пункт управления, причем беспилотный летательный аппарат включает в себя корпус с посадочными опорами, силовую установку, соединенную по меньшей мере с одним пропеллером, детектор радиоактивного излучения, видеокамеру, бортовой блок управления, устройство сбора и обработки информации, соединенное с ним навигационное оборудование определения местоположения, автономный источник электропитания, и может быть использована для обнаружения радиоактивных материалов, а также мониторинга радиационного фона в труднодоступных участках местности.
Уровень техники.
Известна автоматизированная диагностическая система, включающая в себя беспилотный летательный аппарат и наземный пункт управления (См. заявку на изобретение РФ №2007139704, опубликован 2009 г).
В нем беспилотный летательный аппарат выполнен в виде планера, имеющим силовую установку с поршневым двигателем и парашютной системой посадки.
На беспилотном аппарате расположена также система автоматического управления с блоком управления бортовыми системами, содержащая инерциальную навигационную систему, приемную аппаратуру спутниковой навигационной системы, систему воздушно-скоростных сигналов, радиовысотомер малых высот и вычислитель действительных координат, систему автоматического дистанционного управления полетом летательного аппарата и работой его систем, включающую приемную аппаратуру командного радиоуправления и обзорную телевизионную систему, радиоретрансляционную систему, систему автоконтроля работы бортовых систем, радиотелеметрическую систему, систему посадки и выпуска парашюта, систему управления двигателем, вычислитель системы автоматического управления, радиомаяк, систему диагностики состояния магистральных трубопроводов и блок управления системой диагностики, размещенные в фюзеляже летательного аппарата.
Недостатком данного решения является то, что беспилотный летательный аппарат имеет большие габариты и невысокую маневренность, что не позволяет производить диагностику в труднодоступных участках местности, например в лесу среди деревьев, в городе среди многочисленных строений. Кроме того, планер не имеет возможности вертикального взлета, что ограничивает возможности его применения.
Из уровня техники известна также автоматизированная система обнаружения радиоактивных материалов, включающая в себя, по меньшей мере, один беспилотный летательный аппарат и, по меньшей мере, один наземный пункт управления, причем беспилотный летательный аппарат включает в себя корпус с посадочными опорами, силовую установку, соединенную по меньшей мере с одним пропеллером, детектор радиоактивного излучения, видеокамеру, бортовой блок управления, устройство сбора и обработки информации, соединенное с ним навигационное оборудование определения местоположения, автономный источник электропитания (см. описание к системе дистанционного радиационного мониторинга «Р-600 АСПЕК», разработанной фирмой «Юавиа» и Институтом экологических и медицинских систем "ИНЭМС" http://uavia.com.ua/rus/r600_1.html) который являются наиболее близким решением к заявляемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату и выбран за прототип.
Недостатком прототипа является то, что он выполнен на базе самолета, и имеет ограниченную область применения, а именно: не может проводить эффективное обнаружение радиоактивных материалов, а также мониторинг радиационного фона в труднодоступных участках местности, например в лесу среди деревьев, в городе среди многочисленных строений, столбов, проводов. Кроме того, самолет не имеет возможности вертикального взлета и посадки, что ограничивает возможности его применения для обнаружения радиоактивных материалов.
Раскрытие полезной модели.
Опирающееся на это оригинальное наблюдение настоящая полезная модель, главным образом, имеет целью предложить автоматизированную систему обнаружения радиоактивных материалов, позволяющую, по меньшей мере, сгладить указанный выше недостаток, а именно обеспечить возможность обнаружения радиоактивных материалов в труднодоступных участках местности, например в лесу среди деревьев, в городе среди многочисленных строений, где невозможно применение летательной техники, выполненной на базе самолета или вертолета.
Для достижения этой цели силовая установка беспилотного летательного аппарата имеет по меньшей мере три двигателя, закрепленных на корпусе, на которых установлены по меньшей мере по одному пропеллеру, оси которых расположены вдоль силы тяжести, и вращающиеся в одной плоскости.
Благодаря этой характеристике становится возможным уменьшать размер самого беспилотного летательного аппарата, обеспечить ему возможность вертикального взлета и посадки, повысить его маневренность за счет увеличения числа свобод перемещения и обеспечить возможность обнаружения радиоактивных материалов, а также мониторинга радиационного фона в труднодоступных участках местности.
Существует вариант полезной модели, в котором двигатели расположены в вершинах правильного многоугольника.
Благодаря этой характеристике становится возможным обеспечить симметрию, минимизировать размеры и повысить полетные характеристики беспилотного летательного аппарата.
Существует вариант полезной модели, в котором силовая установка беспилотного летательного аппарата имеет по меньшей мере четыре двигателя, причем у расположенных противоположно друг другу двигателей пропеллеры вращаются в разных направлениях.
Благодаря этой характеристике становится возможным обеспечить устойчивость полета, повысить маневренность беспилотного летательного аппарата. При устройстве силовой установки в виде четырех независимых двигателей облегчается управление беспилотным летательным аппаратом.
Меняя параметры вращения каждого двигателя можно легко обеспечивать взлет, посадку, повороты, наклоны беспилотного летательного аппарата.
Существует вариант полезной модели, в котором беспилотный летательный аппарат имеет наибольший размер корпуса, выбранный из соотношения 1-3 от длины детектора радиоактивного излучения.
Благодаря этой характеристике становится возможным обеспечить небольшие размеры беспилотного летательного аппарата, позволяющие ему проникать между близко расположенными препятствиями, например в лесу между деревьями, что значительно расширяет область применения системы.
Существует вариант полезной модели, в котором беспилотный летательный аппарат имеет по меньшей мере семь видеокамер, первая и вторая видеокамеры расположены со стороны днища беспилотного летального аппарата и направлены под острым углом к направлению силы тяжести, третья видеокамера направлена против направления силы тяжести, остальные видеокамеры расположены по разным сторонам корпуса беспилотного летального аппарата и направлены перпендикулярно силе тяжести.
Благодаря этой характеристике становится возможным повысить управляемость и точность маневрирования во время движения беспилотного летательного аппарата среди большого количества препятствий, беспилотного летательного аппарата в лесу среди деревьев, в городе среди зданий, столбов и прочего.
Совокупность существенных признаков предлагаемой полезной модели неизвестна из уровня техники для устройств аналогичного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для полезной модели.
Краткое описание чертежей.
Другие отличительные признаки и преимущества полезной модели ясно вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемые рисунки, на которых:
- фигура 1 схематично изображает общий вид в изометрии автоматизированной системы обнаружения радиоактивных материалов, включающей в себя беспилотный летательный аппарат и наземный пункт управления, согласно полезной модели.
- фигура 2 схематично изображает функциональную схему расположения блоков в корпусе беспилотноголетательного аппарата, согласно полезной модели.
Согласно фигурам 1 и 2 автоматизированная система обнаружения радиоактивных материалов, включает в себя беспилотный летательный аппарат 1 и наземный пункт управления 2. Беспилотный летательный аппарат включает в себя корпус 3 с посадочными опорами 4, силовую установку, соединенную по меньшей мере с одним пропеллером, детектор радиоактивного излучения 5, видеокамеру, бортовой блок управления 6, устройство сбора и обработки информации 7, соединенное с ним навигационное оборудование определения местоположения 8, автономный источник электропитания 9.
Силовая установка беспилотного летательного аппарата имеет по меньшей мере три двигателя 10, закрепленных на корпусе 3, на которых установлены по меньшей мере по одному пропеллеру 11, оси 12 которых расположены вдоль силы тяжести 13, и вращающиеся в одной плоскости.
Двигатели могут быть расположены в вершинах правильного многоугольника. Силовая установка беспилотного летательного аппарата может имеет четыре двигателя, причем у расположенных противоположно друг другу двигателей пропеллеры вращаются в разных направлениях. Беспилотный летательный аппарат имеет наибольший размер корпуса 3, выбранный из соотношения 1-3 от длины детектора радиоактивного излучения 5.
Фигура 2 показывает один из вариантов, когда блоки 5, 6, 7, 8, 9 находятся внутри корпуса, при этом некоторые из них могут находиться снаружи корпуса 3, и быть к нему прикрепленными, например детектор радиоактивного излучения 5.
При этом указанные блоки электрически соединены друг с другом и с видеокамерами, находящимися снаружи корпуса 3.
Беспилотный летательный аппарат имеет по меньшей мере семь видеокамер, 14 и 15 видеокамеры расположены со стороны днища беспилотного летального аппарата и направлены под острым углом к направлению силы тяжести 13, видеокамера 16 направлена против направления силы тяжести 13, остальные видеокамеры 17, 18, 19, 20 расположены по разным сторонам корпуса беспилотного летального аппарата и направлены перпендикулярно силе тяжести 13. Такое расположение видеокамер обеспечивает полный обзор со всех сторон, адаптировано под балансировку беспилотного летательного аппарата. Две камеры 14 и 15 необходимы для увеличения угла обзора земной поверхности, как самой важной зоны наблюдения, а также для резервирования. В случае выхода из строя одной из видеокамер 14 или 15, вторая будет продолжать работать.
В общем случае количество двигателей с пропеллерами может быть не только 3 или 4, а также 6, 8 или 12. Причем, пропеллеров может быть по одному на двигатель или коаксиально по два.
Двигатели могут быть использованы электрической природы. Но для увеличения длительности полета могут применяться не электродвигатели, а ДВС, а также гибридные двигатели.
При использовании электродвигателей основные режимы полета обеспечивает контроллер, входящий в состав бортового блока управления. (На фигурах не показан). Контроллер, используя данные от нескольких датчиков, стабилизирует беспилотный летательный аппарат в воздухе в горизонтальном положении путем подачи управляющих сигналов электродвигателям. Контроллер работает по специальной программе, вычисляет скорость для каждого пропеллера, компенсирует внешние воздействия ветра.
Управление беспилотным летательным аппаратом 1 с наземного пункта управления 2 может осуществляется разнообразными способами - по радиоканалу (посредством передатчика и радиоприемника), либо через другие каналы, Wi-Fi, GSM, что позволяет использовать различные мобильные компьютерные устройства для управления беспилотным летательным аппаратом, например, планшетный компьютер, или современный мобильный телефон типа IPhone.
Наиболее стабильный полет обеспечивают относительно тяжелые беспилотные летальные аппараты с большим числом пропеллеров (например, когда беспилотный летальный аппарат имеет шесть двигателей), они обладают лучшей устойчивостью к ветру и приемлемой грузоподъемностью. Для повышения грузоподъемности лучше подходит ситуация, когда беспилотный летальный аппарат имеет восемь двигателей, но такой аппарат имеет больший габарит и массу. Аппараты с коаксиальной винтомоторной группой, в отличие от обычных (один двигатель на один пропеллер), не полностью используют энергию двигателей. Характеризуются меньшим временем полета - быстрее иссякает запас электроэнергии автономного источника электропитания, (при использовании электродвигателей).
В качестве детектора радиоактивного излучения может быть использован сцинтилляционный или спектрометрический блок детектирования гамма и/или нейтронного излучения. Упор делается на спектрометрические детекторы ввиду того, что с них можно снимать как значения спектра, так и пересчитанные значения количества частиц в единицу времени (в режиме реального времени).
Размеры беспилотного летательного аппарата - до 2 м в длину. Это выбирается из требований высокой маневренности и проходимости в условиях густо расположенных объектов, например в лесу среди деревьев.
В основном оборудование может находиться в легком защитном кожухе, может быть не в одном, а в двух.
За навигацией следит программное обеспечение, дающее возможность распознавания препятствий.
Осуществление полезной модели.
Для начала движения беспилотный летальный аппарат выводится из состояния баланса (висения) путем увеличения скорости вращения (тяги) части пропеллеров. В результате беспилотный летальный аппарат наклоняется и устремляется в нужном направлении. Для поворота вокруг своей оси по часовой стрелке, передний и задний пропеллеры ускоряют вращение, а левый и правый - замедляют. Аналогично - при повороте против часовой стрелки.
В полете беспилотный летальный аппарат поддерживает горизонтальное положение относительно поверхности земли, может зависать, перемещаться в стороны, вверх и вниз. Для компенсации возникающего момента, т.е. исключения вращения корпуса, у беспилотного летального аппарата с четырьмя двигателями как на фиг.1, например, передний и задний винты вращаются по часовой стрелке, а левый и правый - против часовой стрелки.
Во время полета активизируется детектор радиоактивного излучения 5 и производится измерение радиационного фона. В случае, когда измеренные значения радиационного фона превышают допустимые, производится фиксация видеокамерами объекта, имеющего радиационный фон, превышающий допустимые значения.
Происходит регистрация потока данных от видеокамер с помощью устройство сбора и обработки информации 7 и передача сигнала в наземный пункт управления 2.
Возможен вариант работы полезной модели, когда регистрация потока данных от видеокамер с помощью устройство сбора и обработки информации 7 и передача сигнала в наземный пункт управления 2 происходит непрерывно.
В соответствии с предложенной полезной моделью заявителем был изготовлен опытный образец автоматизированной системы обнаружения радиоактивных материалов, включающей в себя беспилотный летательный аппарат и наземный пункт управления.
В качестве беспилотного летательного аппарата был собран квадрокоптер повышенной грузоподъемности.
В качестве детектора радиоактивного излучения был использован сцинтилляционный детектор УДС-ГЦ-В380-38х38.
В качестве видеокамер были использованы KPC-DNR700PHB
Эксплуатация опытного образца показала, что:
- беспилотный летательный аппарат развивает рабочую скорость с оборудованием до 50-80 км/ч;
- беспилотный летательный аппарат обеспечивает подъем до высоты 100-150 метров над землей или той поверхностью, измерение радиационного фона которой необходимо провести;
- беспилотный летательный аппарат способен висеть на одном месте, а также двигаться с маленькой скоростью, порядка нескольких километров в час;
- беспилотный летательный аппарат обеспечивает вертикальный взлет и посадку;
- беспилотный летательный аппарат способен производить диагностику в труднодоступных участках местности, например в лесу среди деревьев, под кронами деревьев в городе среди многочисленных строений, столбов, натянутых проводов.
Таким образом, благодаря вышеописанному и обеспечивается достигаемый технический результат - повышение эффективности обнаружения радиоактивных материалов, а также мониторинга радиационного фона в труднодоступных участках местности.