Беспилотный летательный аппарат для полета в топках котлов теплоэлектростанций

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области авиационной техники, а именно к беспилотным летательным аппаратам (БЛА) вертикального взлета и посадки (квадрокоптер), предназначенных для мониторинга и построения цифровых моделей объектов с применением стереокамер и лазерных дальномеров, установленных на борту и полета внутри замкнутых помещений в условиях полного отсутствия освещения.
Уровень техники
На настоящий момент вследствие бурного технического прогресса в авиационной отрасли широкое распространение получили беспилотные летательные аппараты (БЛА) мультироторного типа. Наибольшее распространение получили модели мультироторов с четырьмя несущими винтами, которые называются квадрокоптерами. Данный вид летательных аппаратов на сегодняшний день применяется в различных сферах жизнедеятельности человека. Их можно увидеть, как в качестве развлечения для детей, так и в профессиональной деятельности человека для доставки грузов, видеосъемки, видеонаблюдения и даже для выполнения военных задач различного уровня сложности. Квадрокоптеры предназначенные для развлечения обычно имеют малые габариты, а профессиональные могут иметь массу от одного килограмма до десятков килограмм и габариты порядка 1-1,5 м без учета размаха винтов, что, в свою очередь, повышает требования к конструкции беспилотного летательного аппарата. Следует понимать, что ограничение применения летательных аппаратов данного типа связанно с относительно небольшим временем полета (не более одного часа), из-за чего оператору необходимо вести запуск в непосредственной близости от места выполнения поставленной задачи, что в свою очередь ставит вопрос о транспортировке квадрокоптера в необходимый район.
Классическая конструкция мультиротора из четырех несущих винтов (квадрокоптер) состоит из корпуса, четырех лучей, жестко соединенных с корпусом, четырех электродвигателей, распределенных по квадрату, четырех несущих винтов, а также необходимой электроники. Классическое управление летательным аппаратом осуществляется при помощи блока автопилота, бортовых датчиков (встроены в корпус автопилота), бортовых видеокамер и модуля приема-передачи сигнала.
По совокупности существенных признаков наиболее близким аналогом к патентуемой полезной модели беспилотного летательного аппарата является аппарат, разработанный компанией Skydio модель Х2. Подробная информация о БЛА Skydio Х2 изложена в ресурсе: https://www.skvdio.com/skydio-x2. Корпус аналога выполнен из материалов, обеспечивающих легкость и жесткость конструкции. Наличие складных лучей обеспечивает портативность устройства. Автономность обеспечивается возможностью обхода препятствий на 360° и наличием аккумулятора, позволяющим достигнуть времени полета порядка 35 мин. Беспроводной диапазон составляет 6 км (5 ГГц) или 10 км (1,8 ГГц). На борту имеется камера 4К 60Р HDR цветная + FLIR 320р телевизионная, бортовой искусственный интеллект, работающий на NVIDIA ТХ2, принимающий разумное решение для облета препятствий. При наличии такого бортового оборудования БЛА способен самостоятельно летать в сложных условиях с минимальным вмешательством человека
Недостатком Skydio Х2 является отсутствие комплекса LiDAR расшифровывается как «Light Identification Detection and Ranging)) - дословно, система световой идентификации, обнаружения и определения дальности, и невозможность работы камер в условиях полного отсутствия освещения за счет применения стробоскопа - прибора, позволяющего быстро воспроизводить повторяющиеся яркие световые импульсы.
Сущность полезной модели
Сущность полезной модели состоит в том, что в известную конструкцию квадрокоптера, состоящего из корпуса, лучей, контроллеров, электромоторов, винтов, автопилота, аккумуляторной батареи, модуля связи и камеры высокого разрешения добавлен вычислитель, комплекс стереокамер и лазерные дальномеры, позволяющие по специально разработанным алгоритмам совершать полет в топке котла теплоэлектростанции.
Перечень фигур:
Фиг. 1 - общий вид беспилотного летательного аппарата;
Фиг. 2 - вид с разнесенными частями беспилотного летательного аппарата.
На фигуре 2 приняты следующие обозначения 1 - верхняя часть корпуса, 2 - нижняя часть корпуса, 3 - луч, 4 - электромотор, 5 - несущий винт, 6 - регулятор оборотов электродвигателя, 7 - блок подсветки, 8 - камера высокого разрешения и стабилизатор, 9 - инфракрасный дальномер, 10 - лазерный дальномер, 11 - преобразователь напряжения, 12 - бортовой вычислитель, 13 - автопилот, 14 - аккумуляторная батарея 4S, 15 - камера глубины, 16 - FPV камера, 17 - стереокамера, 18 - антенна приема-передачи сигнала.
Корпус полезной модели выполнен преимущественно из углепластика. Верхняя часть (1) и нижняя часть (2), соединены между собой путем постановки металлических поставок и их закрепления металлическими винтами из стандартного набора. К элементам корпуса (1), (2) жестко крепятся лучи (3), выполненные из углепластика или пластика.
К концу каждого из четырех лучей при помощи винтов крепятся бесколлекторные электромоторы (4). Непосредственно к двигателям крепятся углепластиковые несущие винты (5).
К концу передних лучей (3) крепятся углепластиковые уголки, обеспечивающие закрепление к ним 4 инфракрасных дальномера (9) и блока подсветки (7) с камерой высокого разрешения и стабилизатором (8).
В нижней части каждого из лучей (3) находятся четыре регулятора оборотов двигателей (6). Сбоку крепятся две антенны приема-передачи сигнала (18).
К верхней части корпуса (1) крепятся вычислитель (12), лазерный дальномер (10), преобразователь напряжения (11) и камера глубины (17).
К нижней части корпуса (2) крепится аккумуляторная батарея (12), автопилот (13) через демпфирующее основание, камера глубины (15) и полетная камера (16).
Описание работы
Питание квадрокоптера осуществляется от литий-полимерной аккумуляторной батареи (14). Связь с летательным аппаратом осуществляется через приемник радиоуправления. При запуске включается все необходимое бортовое оборудование, в том числе и подсветка (7). Бортовой вычислитель (12) получает данные с камер и дальномеров. Камера глубины с широким углом обзора (17), использующая SLAM алгоритм, решает задачу позиционирования БЛА внутри помещения. Для измерения расстояния до подстилающей поверхности используется высокоточный лазерный дальномер (10), способный измерять дальность на расстоянии до 40 м. Для обнаружения препятствий в горизонтальной плоскости полета используются 4 инфракрасных дальномера (9) с возможностью измерения дальности до 12 метров. В качестве более точного обнаружения препятствий используется инфракрасная камера глубины (15) с подсветкой, способная формировать на входе в вычислитель облако точек, которые позволяют обнаруживать опасные для летательного аппарата объекты, не видимые для дальномеров.
В систему управления подается команда на взлет, после чего одноплатный компьютер (12), получая сигналы с датчиков и камер, формирует информацию о текущем положении БЛА, транслирует ее в автопилот, который решает задачу движения по заданному маршруту, через выдачу сигналов на регуляторы оборотов электродвигателей (6).
После выполнения команды «взлет» квадрокоптер начинает лететь в сторону одной из стен топки котла теплоэлектростанции. Как только передние дальномеры (9) начинают показывать определенное расстояние до стены, система сравнивает значения с двух передних дальномеров (9) с целью позиционирования летательного аппарата параллельно стене. Если значения расстояний одинаковы, то квадрокоптер сориентирован параллельно, если имеются расхождения, то автопилот подает управляющую команду, направленную на выравнивание аппарата.
По завершению параллельного позиционирования к фронтальной стене аппарат осуществляет смещение вправо до тех пор, пока боковой дальномер (9) не зарегистрирует некоторое расстояние до боковой стены. Затем производится поворот путем считывания данных с дальномеров (9) и формирование управляющего сигнала с последующим позиционирование аппарата по фронту к боковой стене. Количество поворотов зависит от количества углов в сканируемом помещении. По завершении кругового сканирования помещения аппарат возвращается в исходное положение.
Новый круг сканирования по периметру осуществляется лишь после того, как аппарат поднимается согласно полетному заданию на некоторую высоту, которая регистрируется дальномером (10), после чего осуществляется аналогичное действие.
Таким образом, полет квадрокоптера является полетом по контору стен (спиральный вид траектории) с исходным заданием количества углов сканируемого пространства и подъема аппарата.
В результате всех манипуляций создается карта глубины, которая позволяет осуществлять поиск дефектов в конструкции исследуемого помещения. Затем эти данные изучаются.
Промышленная применимость
Традиционная промышленная инспекция, в том числе и обычный осмотр ограниченных пространств и опасных промышленных зон сопровождается риском для жизни и здоровья человека. С развитием технологий человечество старается обезопасить себя от различного рода угроз. Описанный беспилотный летательный аппарат позволяет сделать осмотр промышленных объектов безопасным. Можно проводить осмотр закрытых пространств в условиях наличия или полного отсутствия освещения. Например, осмотр топок котлов, внутренних участков резервуаров-хранилищ, реакторов, аварийных промышленных помещений и других опасных и труднодоступных пространств в условиях отсутствия освещения.