Способ обследования закрытых подземных выработок с применением беспилотных летательных аппаратов
METHOD FOR INSPECTION OF CLOSED UNDERGROUND MINES USING UNMANNED AERIAL VEHICLES

Описание изобретения
Изобретение относится к способам воздушной разведки с применением беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) закрытых подземных выработок (проходок) и коммуникаций и может быть использовано при создании новых и модернизации существующих систем воздушной разведки.
Известен «Способ управления полетом беспилотного летательного аппарата», который состоит в том, что На БПЛА устанавливают приемник спутниковой системы навигации (ПССН) и радиопередатчик (РПРИ) информации о фактических параметрах полета БПЛА, а на наземной станции управления (НСУ) устанавливают радиоприемник (РПИ) этой информации. Последовательно в память вычислителя (В) НСУ вводят значения географических широты (ГШ), долготы (ГД) и высоты (Н) над уровнем моря точки начала каждого участка программной траектории (ПТ) БПЛА, вычисляют потребные 3 Fп, и углов ориентации (УО) вектора скорости БПЛА на каждом участке ПТ и запоминают их. В полете БПЛА с помощью ПССН определяют 3 ГШф, ГДф, Нф точки Л фактического местоположения БПЛА, а также проекций Vx, Vy, Vz вектора на оси соответствующей системы координат. С помощью РПРИ передают ГШф, ГДф, Нф, Vx, Vy, Vz на НСУ, где с помощью РПИ принимают их и подают в В, где вычисляют отклонения Lг и Lв фактической траектории БПЛА от ПТ, фактические значения Fф, иф УО вектора , разности dF углов Fп и Fф и разности dи углов ип и иф, формируют команды управления (КУ), зависящие от Lг, Lв, dF и dи, передают КУ на БПЛА, где принимают их и отклоняют рули БПЛА в соответствии с КУ. (см. патент RU №2 240 588, МПК G05D 1/10, G01C 21/12, G08G 5/00, G01S 13/91, 20.11.2004, Бюл. № 32).
Недостатком этого способа является узкая область применения, поскольку его невозможно реализовать без спутниковой системы навигации.
Наиболее близким аналогом к заявляемому способу служит Способ применения беспилотных летательных аппаратов и устройство управления, основанный на их адаптации режимов полета, отличающийся тем, что берется n БПЛА, где n>3, образующих в полете так называемую «этажерку», первый БПЛА является ведущим, второй и третий ведомыми, причем ведущий БПЛА занимает нижний высотный эшелон, второй БПЛА - промежуточный, третий - верхний, расстояние ведущего БПЛА от земной поверхности определяется безопасностью полета и безусловным выполнением поставленной задачи, например, для контроля газо- и нефтепроводов, эта высота равна приблизительно 50 м, второй БПЛА выше ведущего еще на 50 м, третий БПЛА выше второго еще на 50 м, при этом второй БПЛА является ретранслятором данных по радиоканалу от первого БПЛА третьему БПЛА, который также по радиоканалу связан с наземной базовой станцией управления, передавая полученные данные наблюдения ведомого БПЛА и получая команды управления полетом или изменения программы полета, при высоте полета третьего БПЛА≈150 м и при принятой длине газонефтепровода между насосными станциями, равной 300 км, верхний третий БПЛА находится в пределах прямой видимости с наземной базовой станцией, что позволяет поддерживать с ним устойчивую связь (см. патент RU № 2457531, МПК G05D 1/0, 27.07.2012, Бюл. № 21).
Имеется вариант развития, когда при потере одного БПЛА в результате отказа двигателя, столкновения с птицей и пр. оставшиеся два БПЛА успешно выполнят поставленную задачу контроля, при этом любой из оставшихся БПЛА может стать ведомым, а другой займет верхний эшелон 150 м.
Имеется вариант развития, когда при достижении половины или более пути между наземными соседними станциями связь «этажерки» передается на соседнюю наземную станцию управления.
Для указанного способа характерны ограниченные функциональные возможности, поскольку с его помощью нельзя проводить разведку и обследовать техническое состояние закрытых подземных выработок, т.к.:
- ретранслятор данных по радиоканалу от первого БПЛА третьему БПЛА в условиях закрытых подземных выработок, когда невозможна прямая видимость, не обеспечит устойчивую связь;
- безопасность полета и условия выполнения поставленной задачи лимитируются расстоянием ведущего БПЛА только от земной поверхности. В условиях подземных закрытых выработок этого недостаточно. Необходимо дополнительно учитывать расстояние до их ограждающих конструкций (верхних и боковых контуров подземных выработок);
- с высоты приблизительно 50 м можно зафиксировать только аварии и практически невозможно оценить их техническое состояние, например, фактическую толщину опорных конструкций.
Задачей настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей известного способа.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе, основанном на том, что берется n беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), образующих в полете так называемую «этажерку», первый БПЛА является ведущим, второй и третий – ведомыми, причем, ведущий БПЛА занимает нижний высотный эшелон, второй БПЛА – промежуточный, третий – верхний, допустимые расстояния БПЛА от предельных границ полета определяется безопасностью полета и безусловным выполнением поставленной задачи, при этом, второй БПЛА является ретранслятором данных по радиоканалу от первого БПЛА третьему БПЛА, который также по радиоканалу связан с наземной базовой станцией управления, передавая полученные данные наблюдения ведомого БПЛА и получая команды управления полетом или изменения программы полета, верхний третий БПЛА находится в пределах прямой видимости с наземной базовой станцией, что позволяет поддерживать с ним устойчивую связь, в соответствии с настоящим изобретением n =3, применяют БПЛА с возможностью вертикального, горизонтального перемещений и зависания в воздушном пространстве, в качестве предельных границ полета принимают дно закрытой подземной выработки или уровень воды в ней, а также верхние и боковые контуры закрытой подземной выработки, на БПЛА устанавливают полезную нагрузку, позволяющую контролировать расстояние от БПЛА до предельных границ полета, и полезную нагрузку, позволяющую получать разведывательную информацию, проводить обследование технического состояния участков канализационных тоннельных коллекторов неразрушающими методами контроля, а процесс обследования осуществляют в шесть этапов:
а) выводят все БПЛА в стартовое положение в режиме зависания над вертикальным входом в закрытую подземную выработку;
б) уменьшают высоту зависания ведущего БПЛА до допустимого расстояния от дна закрытой подземной выработки или уровня воды в ней;
в) выполняют горизонтальный полет ведущего БПЛА до тех пор, пока между вторым и первым БПЛА обеспечивается устойчивая связь и переводят его в режим зависания;
г) уменьшают высоту зависания второго - промежуточного БПЛА до допустимого расстояния от дна подземной выработки или уровня воды в ней;
д) продолжают выполнять горизонтальный полет ведущего БПЛА до тех пор, пока между вторым и первым БПЛА обеспечивается устойчивая связь;
е) возвращают все БПЛА в стартовое положение, выполняя в обратном порядке этапы е), д), г), в), б) и а).
Отличительными признаками заявляемого способа является:
1. Применение группы, состоящей из трех БПЛА, т.е. n =3;
2. Применение БПЛА с возможностью вертикального, горизонтального перемещений и зависания в воздушном пространстве;
3. Принятие в качестве предельных границ полета дна подземной выработки или уровня воды в ней, верхних и боковых контуров подземной выработки;
4. Установка на БПЛА полезной нагрузки, позволяющей контролировать расстояние от БПЛА до предельных границ полета;
5. Установка на БПЛА полезной нагрузки, позволяющей получать разведывательную информацию;
6. Установка на БПЛА полезной нагрузки, позволяющей проводить обследование технического состояния участков канализационных тоннельных коллекторов неразрушающими методами контроля;
7. Вывод всех БПЛА в стартовое положение в режиме зависания над вертикальным входом в закрытую подземную выработку;
8. Уменьшение высоты зависания ведущего БПЛА до допустимого расстояния от дна закрытой подземной выработки или уровня воды в ней;
9. Выполнение горизонтального полета ведущего БПЛА до тех пор, пока между вторым и первым БПЛА обеспечивается устойчивая связь и перевод его в режим зависания, когда закончится устойчивая связь;
10. Уменьшение высоты зависания второго - промежуточного БПЛА до допустимого расстояния от дна подземной выработки или уровня воды в ней;
11. Продолжение выполнения горизонтального полета ведущего БПЛА до тех пор, пока между вторым и первым БПЛА обеспечивается устойчивая связь;
12. Возврат всех БПЛА в стартовое положение, выполняя в обратном порядке этапы е), д), г), в), б) и а).
По сведениям, имеющимся у авторов, отличительные признаки № 1, 2 и 5 известны, а остальные (№ 4, 6-12) - не известны. Совместное их применение позволяет расширить функциональные возможности способа, т.к. с его помощью появляется возможность проводить разведку и обследовать техническое состояние закрытых подземных выработок, т.к.:
- благодаря наличию отличительных признаков № 1, 2, 7 -12 в условиях закрытых подземных выработок появляется возможность ретрансляции данных по радиоканалу от первого БПЛА третьему БПЛА с обеспечением устойчивой связи;
- благодаря наличию отличительного признака № 6 появляется возможность проводить оценку техническое состояния закрытых подземных выработок, например, остаточную толщину строительной арматуры;
- благодаря наличию отличительных признаков № 1 - 5 обеспечивается безопасность полета в условиях подземных закрытых выработок.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 представлен этап а) реализации способа, когда все БПЛА выводят в стартовое положение в режиме зависания над вертикальным входом в закрытую подземную выработку; на фиг. 2 представлен этап б) реализации способа, когда уменьшают высоту зависания ведущего БПЛА до допустимого расстояния от дна закрытой подземной выработки или уровня воды в ней; на фиг. 3 представлен этап в) реализации способа, когда выполняют горизонтальный полет ведущего БПЛА до тех пор, пока между вторым и первым БПЛА обеспечивается устойчивая связь и переводят его в режим зависания; на фиг. 4 представлен этап г) реализации способа, когда уменьшают высоту зависания второго - промежуточного БПЛА до допустимого расстояния от дна подземной выработки или уровня воды в ней; на фиг. 5 представлен этап д) реализации способа, когда продолжают выполнять горизонтальный полет ведущего БПЛА до тех пор, пока между вторым и первым БПЛА обеспечивается устойчивая связь; на фиг. 6 приведен разрез закрытой подземной выработки в виде канализационного тоннельного коллектора на этапе горизонтальный полета ведущего БПЛА по нему.
Осуществление изобретения.
Осуществление изобретения продемонстрировано (см. фиг. 1 - 5) на примере частного случая закрытой подземной выработки – канализационного тоннельного коллектора 1, соединенного, по меньшей мере, с двумя вертикальными входами: первым вертикальным входом 2 и вторым вертикальным входом 3. В системах тоннельных коллекторов в качестве вертикальных входов применяют шахты. Закрытый канализационный коллектор 1 имеет дно 4 закрытой подземной выработки, в которой протекает вода, наполняя его до уровня 5. Система для реализации настоящего способа кроме того включает в себя:
- первый БПЛА 6, второй БПЛА 7, третий БПЛА 8;
- базовую станцию управления 9, установленную, например, в автомобиле 10;
- радиоканал 11 связи первого БПЛА 6 со вторым БПЛА 7;
- радиоканал 12 связи второго БПЛА 7 с третьим БПЛА 8;
- радиоканал 13 связи третьего БПЛА 8 с базовой станцией управления 9.
На фиг. 6 представлено рабочее положение первого БПЛА 6 при горизонтальном полете внутри канализационного тоннельного коллектора 1, который имеет верхний 14, боковые контуры 15 и 16. При этом, на БПЛА 6 устанавливается полезная нагрузка 17, позволяющая контролировать расстояние от первого БПЛА 6 до предельных границ полета (дна 4, уровня воды 5, верхнего контура 14, боковых контуров 15 и 16) при помощи каналов измерения 18, 19, 20 и 21. Кроме того, на БПЛА 6 устанавливается полезная нагрузка 22, позволяющая получать разведывательную информацию при помощи, по меньшей мере, одного канала наблюдения 23, и полезную нагрузку 24, позволяющую проводить обследование технического состояния участков канализационных тоннельных коллекторов неразрушающими методами контроля, например, с применением лазерного сканера.
При реализации изобретения:
- применяют БПЛА 6, 7 и 8 с возможностью вертикального, горизонтального перемещений и зависания в воздушном пространстве;
- в качестве предельных границ полета принимают дно 4 закрытой подземной выработки – канализационного тоннельного коллектора 1 или уровень 5 воды в ней, ее верхние 14, боковые контуры 15 и 16;
- на БПЛА 6, 7 и 8 устанавливают полезную нагрузку17, позволяющую контролировать расстояние от БПЛА 6, 7 и 8 до предельных границ полета (дна 4, уровня воды 5, верхнего контура 14, боковых контуров 15 и 16) при помощи каналов измерения 18, 19, 20 и 21. Кроме того, на БПЛА 6, 7 и 8 устанавливается полезная нагрузка 22, позволяющая получать разведывательную информацию при помощи, по меньшей мере, одного канала наблюдения 23, и полезная нагрузка 24, позволяющая проводить обследование технического состояния участков канализационных тоннельных коллекторов неразрушающими методами контроля, например, с применением лазерного сканера;
- процесс обследования осуществляют в шесть этапов:
а) выводят все БПЛА 6, 7 и 8 в стартовое положение в режиме зависания над вертикальным входом 2 в закрытую подземную выработку– канализационный тоннельный коллектор 1, см. фиг. 1;
б) уменьшают высоту зависания ведущего БПЛА 6 до допустимого расстояния от дна 4 закрытой подземной выработки – канализационного тоннельного коллектора 1 или уровня 5 воды в ней, см. фиг. 2;
в) выполняют горизонтальный полет ведущего БПЛА 6 до тех пор, пока между вторым 7 и первым БПЛА 6 обеспечивается устойчивая связь и переводят его в режим зависания, см. фиг. 3;
г) уменьшают высоту зависания второго - промежуточного БПЛА 7 до допустимого расстояния от дна 4 подземной выработки – канализационного тоннельного коллектора 1 или уровня 5 воды в ней, см. фиг. 4;
д) продолжают выполнять горизонтальный полет ведущего БПЛА 6 до тех пор, пока между вторым 7 и первым БПЛА 6 обеспечивается устойчивая связь, см. фиг. 5 и 6;
е) возврат всех БПЛА в стартовое положение, выполняя в обратном порядке этапы е), д), г), в), б) и а).
В процессе выполнения этапа д) при помощи полезной нагрузки 17, позволяющей контролировать расстояние от первого БПЛА 6 до предельных границ полета (дна 4, уровня воды 5, верхнего контура 14, боковых контуров 15 и 16) при помощи каналов измерения 18, 19, 20 и 21, первый БПЛА 6 осуществляет безопасный полет вдоль обследуемой 4 подземной выработки – канализационного тоннельного коллектора 1. При этом, одновременно за счет установки на БПЛА 6 полезной нагрузки 22, позволяющей получать разведывательную информацию при помощи, по меньшей мере, одного канала наблюдения 23, и полезной нагрузки 24, позволяющей проводить обследование технического состояния участков канализационных тоннельных коллекторов неразрушающими методами контроля, например, с применением лазерного сканера, полученная информация по радиоканалу 11 связи первого БПЛА 6 со вторым БПЛА 7, радиоканалу 12 связи второго БПЛА 7 с третьим БПЛА 8 и - радиоканалу 13 связи третьего БПЛА 8 с базовой станцией управления 9 передают на базовую станцию управления 9. Настоящим изобретением не исключается возможность записи отдельных видов получаемой информации (например, результатов лазерного сканирования) в полезной нагрузке первого БПЛА 6.
Таким образом, заявляемое изобретение промышленно применимо.