Способ диагностического осмотра наружной поверхности воздушного судна на стоянке с помощью роботизированного комплекса
METHOD FOR DIAGNOSTIC INSPECTION OF THE OUTER SURFACE OF AN AIRCRAFT AT A STOP USING A ROBOTIC SYSTEM

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для автоматизированного, в частности послеполетного, диагностического осмотра наружной поверхности воздушного судна (ВС) на его стоянке. Послеполетный осмотр поверхности ВС является обязательной процедурой. Он необходим для того, чтобы найти возможные повреждения поверхности ВС, вызванные усталостью металла, попаданием молнии, столкновением с птицами и др.
Основным техническим результатом предложения является обеспечение осмотра роботизированным комплексом всей внешней поверхности ВС, в том числе ее нижней части. Дополнительными техническими результатами предложения являются уменьшение времени осмотра, уменьшение материальных затрат и вероятности столкновения БПЛА с ВС при осмотре всей наружной поверхности ВС.
Известен способ непосредственного послеполетного осмотра наружной поверхности ВС инженерами и техниками в соответствии с единым регламентом и инструкцией по технической эксплуатации данного типа ВС. [Техническая эксплуатация авиационной техники, М., Военное издательство, 1967 г.]. Послеполетный осмотр проводится по заранее установленному регламентом маршруту. Для проведения послеполетного осмотра необходимы определенные навыки и квалификация. Инженерно-технический персонал при осмотре пользуется носителями соответствующей технологической информации. При этом периодически проводятся тренировочные показательные осмотры. Основными недостатками этого способа являются значительность временных и материальных трудозатрат, а также существенное влияние человеческого фактора на выявление и оценку характеристик обнаруживаемых дефектов наружной поверхности ВС.
Известны публикации по применению для мониторинга разнообразных техногенных и природных зон наземно-воздушного роботизированного комплекса, построенного на основе использования беспилотного летательного аппарата (БПЛА) и наземного колесного робота (НКР). Комплекс объединяет возможности этих беспилотных транспортных средств.. В соответствующих публикациях [WWW.NELK.RU], [http://www.robogeek.ru/voennaya-robototehnika/bespilotnyi-vertolet-i-nazemnyi-robot-sovmestno-issleduyut-opasnye-zony] представлена информация о том, что наземно-воздушный роботизированный комплекс позволяет решать задачи: охрану территорий (аэродромов, баз, складов, позиционных районов и др.); мониторинг территорий и технических объектов при выполнении работ в зонах, опасных для жизни людей. Комплекс может функционировать в экстремальных условиях (химического загрязнения, радиоактивного заражения, наличия взрывоопасных предметов), а также осуществлять транспортировку грузов, преодоление минно-взрывных заграждений и др.
Однако, в известных публикациях не представлена информация о возможности использования наземно-воздушного роботизированного комплекса для решения важной задачи мониторинга технических объектов - диагностического осмотра наружной поверхности ВС на его стоянке.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ осмотра наружной поверхности ВС роботизированным комплексом, описанный в [Aviation EXplorer, 13.04.2018 Рубрика:БПЛА]. В этой публикации рассмотрена возможность использования компонент наземно-воздушного роботизированного комплекса для диагностического осмотра части наружной поверхности ВС. Европейский авиастроительный концерн Airbus разработал БПЛА мультироторного типа (квадрокоптер), который можно использовать для осмотра только верхней части наружной поверхности ВС в ангаре. Роботизированный комплекс состоит из собственно БПЛА и наземного пункта управления (НПУ). Конкретно БПЛА в этом комплексе предназначен для детального обследования верхней части наружной поверхности ВС. Разработан новый БПЛА, способный производить осмотр этой части поверхности ВС в полностью автоматическом режиме. Он оснащен фотокамерой высокого разрешения, автопилотом, бортовым вычислителем, навигационной системой, системой обнаружения и облета препятствий с лазерным дальномером, каналом передачи и приема информации, системой электропитания. Перед началом процедуры осмотра осуществляется зарядка аккумуляторов системы электропитания БПЛА и доставка БПЛА к ВС. Оператор НПУ задает пространственно-временную траекторию полета БПЛА над верхней частью наружной поверхности ВС. В полете БПЛА фотографирует эту часть поверхности ВС с помощью фотокамеры высокого разрешения, устанавливаемой в управляемом подвесе, причем изображения привязываются к трехмерной модели ВС, чтобы позиционировать местонахождение найденных повреждений. Полученные изображения анализируются в вычислителе НПУ с помощью специальной программы. Она позволяет с высокой точностью осуществлять позиционирование и определять параметры повреждений. Нижняя часть поверхности ВС при этом осматривается непосредственно техническим персоналом.
Известный способ (прототип) не обеспечивает возможность автоматического осмотра нижней части наружной поверхности ВС. Это приводит к существенным временным и материальным трудозатратам. Кроме того, известный способ обеспечивает возможность осмотра наружной поверхности ВС только в ангаре, поскольку по регламенту не допускаются свободные полеты БПЛА в воздушном пространстве аэродрома. При этом существует вероятность столкновения БПЛА с ВС.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что все известные способы не обеспечивают возможность автоматизированного диагностического осмотра всей наружной поверхности ВС на его стоянке; для них характерны существенные временные и материальные трудозатраты, а также наличие вероятности повреждение БПЛА поверхности ВС в процессе осмотра. Техническим результатом предложения является обеспечение возможности осмотра роботизированным комплексом всей наружной поверхности ВС, в том числе ее нижней части. При этом дополнительно обеспечивается значительное уменьшение времени осмотра, а также уменьшение материальных затрат и вероятности столкновения БПЛА с ВС.
Указанные технические результаты достигаются тем, что в способе диагностического осмотра наружной поверхности ВС на стоянке с помощью роботизированного комплекса, включающего БПЛА мультироторного типа, оснащенный автопилотом, бортовым вычислителем, навигационной системой, фотокамерой высокого разрешения, установленной в управляемом подвесе, системой обнаружения и облета препятствий с лазерным дальномером, радиоканалом передачи и приема информации, системой электропитания, и связанный с ним посредством радиоканала наземный пункт управления (НПУ), оснащенный стационарным вычислителем, в соответствии с которым осуществляются зарядка аккумуляторов системы электропитания БПЛА, доставка БПЛА от места базирования (МБ) к ВС, задание пространственно-временной траектории полета БПЛА над верхней частью наружной поверхности ВС, декомпозированной на элементы в соответствии с ее трехмерной моделью, а также задание программы изменения угловой ориентации фотокамеры БПЛА, взлет БПЛА и его полет по заданной траектории, фотографирование в процессе полета БПЛА всех элементов верхней части наружной поверхности ВС, передача фотоснимков, линейных и угловых координат БПЛА, а также параметров угловой ориентации его фотокамеры относительно БПЛА в стационарный вычислитель, анализ в вычислителе фотоснимков с определением координат местоположения, характера и параметров повреждений верхней части наружной поверхности, посадка БПЛА, осмотр нижней части наружной поверхности ВС с определением характера и параметров повреждений этой части поверхности, доставка БПЛА к МБ, дополнительно, с использованием расширенного роботизированного комплекса, включающего, помимо БПЛА и НПУ, наземный колесный робот (НКР), оснащенный автопилотом, бортовым вычислителем, навигационной системой, фотокамерой высокого разрешения, установленной в управляемом подвесе, системой обнаружения и объезда препятствий с лазерным дальномером, радиоканалом передачи и приема информации, взлетно-посадочной площадкой (ВПП) для БПЛА, тросом, связывающим БПЛА с НКР, с устройством регулирования длины отрезка троса, подсоединяемого к БПЛА, системой электропитания с зарядным устройством для зарядки аккумуляторов БПЛА, осуществляются зарядка аккумуляторов системы электропитания НКР и аккумуляторов БПЛА через зарядное устройство системы электропитания НКР, проезд НКР с БПЛА, установленным на ВПП, от МБ на стоянку ВС через точку наблюдения в опорную точку, координаты которых известны, измерение с помощью лазерного дальномера НКР расстояний от точки наблюдения и опорной точки до стоек шасси ВС, определение в бортовом вычислителе НКР линейных координат стоек шасси, типа ВС и его курсового угла, задание с использованием этой информации координат начальных точек пространственно-временных траекторий БПЛА и НКР, а также параметров расположения пространственно-временных траекторий БПЛА для осмотра верхней части наружной поверхности ВС и НКР для осмотра нижней части наружной поверхности ВС, декомпозированной на элементы в соответствии с ее трехмерной моделью, а также задание программы изменения угловой ориентации фотокамеры НКР, проезд НКР с БПЛА в начальную точку траекторий НКР, взлет БПЛА с ВПП в начальную точку его траектории, регулирование длины отрезка троса, связывающего БПЛА с НКР, в процессе взлета БПЛА, передача от БПЛА к НКР по радиоканалу параметров траектории полета БПЛА, сопровождение НКР полета БПЛА с проездом по траектории, являющейся проекцией траектории полета БПЛА на поверхность стоянки ВС, с одновременным регулированием длины отрезка троса, связывающего БПЛА с НКР, возвращение НКР и БПЛА в начальные точки их траекторий, посадка БПЛА на ВПП НКР с регулированием длины отрезка троса, связывающего БПЛА с НКР, проезд НКР по заданной траектории для осмотра нижней части наружной поверхности ВС с фотографированием в процессе проезда всех ее элементов, передача фотоснимков нижней части наружной поверхности ВС, линейных и угловых координат НКР, а также параметров угловой ориентации его фотокамеры относительно НКР в стационарный вычислитель НПУ, анализ в вычислителе фотоснимков с определением координат местоположения, характера и параметров повреждений нижней части наружной поверхности ВС, проезд НКР с БПЛА к МБ.
А
A
A
B
B
B
C
C
C
D
D
D
A,1
A
2
A,3
B,1
B,2
B,3
На чертеже (фиг.) представлена схема, иллюстрирующая предлагаемый способ диагностического осмотра наружной поверхности ВС на его стоянке с помощью роботизированного комплекса. На схеме обозначены: граница стоянка ВС; собственно ВС; три стойки его шасси -1,2,3; роботизированный комплекс, включающий БПЛА, НКР и НПУ; МБ НКР с БПЛА; трос, связывающий БПЛА с НКР. На схеме обозначены также системы координат (СК): OXYZ - опорная географическая СК (ось ОХ направлена на Север, ось OY - на Восток, ось OZ - по вертикали места); Qξηξ - СК, жестко связанная с ВС (Q - центр масс ВС, Qξ - продольная ось ВС, Qξ - нормальная ось ВС, Qη дополняет оси Qξ, Qζ до правой тройки). Здесь же обозначены: А - точка наблюдения с координатами х, y z в СК OXYZ; В - опорная точка с координатами x, y, z; С - точка с координатами x, y, z и D - точка с координатами x, y, z - начальные точки соответственно траектории НКР и БПЛА; l, l,, l и l, l, l - соответственно расстояния от точек А и В до стоек 1,2,3 шасси; ψ - угол географического курса ВС; m - длина регулируемого отрезка троса, связывающего БПЛА с НКР; L и М, G и I, N и K - соответственно траектории проезда НКР с БПЛА от МБ до точки наблюдения А и обратно, от точки наблюдения А до опорной точки В и обратно, от опорной точки В до начальной точки С траектории НКР и обратно; Р и F - соответственно траектории взлета БПЛА в точку D и его посадки на ВПП; R - пространственно-временная траектория осмотра БПЛА верхней части наружной поверхности ВС; S и Т - соответственно траектория, по которой НКР сопровождает БПЛА и пространственно-временная траектория НКР осмотра нижней части наружной поверхности ВС.
A,1
A,2
A,3
B
1
B,2
B,3
A,1
A,2
A,3
B
1
B,2
B,3
C
C
C
D
D
D
Последовательность действий при реализации способа диагностического осмотра наружной поверхности ВС на его стоянке с помощью роботизированного комплекса такова. Первоначально НКР с расположенным на его ВПП БПЛА находится на МБ. По сигналу, передаваемому через радиоканал от НПУ на НКР, осуществляются зарядка аккумуляторов системы электропитания НКР и аккумуляторов БПЛА с помощью зарядного устройства системы электропитания НКР. По радиоканалу в бортовой вычислитель НКР от НПУ поступает также информация о номере стоянки ВС. В бортовом вычислителе заложена информация, соответствующая номеру стоянки, о параметрах траекторий L и G, а также о координатах точки наблюдения А и опорной точки В (фиг.). Осуществляется проезд НКР с БПЛА, установленным на ВПП, по траектории L от МБ на стоянку ВС до точки наблюдения А на этой стоянке. В этой точке лазерный дальномер НКР осуществляет сканирование окружающего пространства с целью определения направлений на стойки 1,2,3 шасси и расстояний до них - l, l, l соответственно. Реализуются проезд НКР из точки наблюдения А по траектории G в опорную точку В, а также определение лазерным дальномером теперь из этой точки направлений на стойки 1,2,3 шасси и соответственно расстояний до них - l, l, l. В бортовом вычислите НКР на основе информации об измеренных расстояниях l, l, l и l, l, l, а также информации о расположении стоек шасси осуществляется определение координат стоек 1,2,3 шасси в СК OXYZ, типа ВС и курсового угла ψ ориентации ВС относительно направления ОХ на север. С использованием найденных значений координат стоек шасси и курсового угла, а также информации о типе ВС определяются: координаты x, y, z начальной точки С траектории сопровождения S и пространственно-временной траектории Т НКР; координаты x, y, z начальной точки D пространственно-временной траектории R БПЛА; параметры расположения пространственно-временных траекторий R БПЛА и Т НКР; программы изменения угловой ориентации фотокамер БПЛА и НКР. Реализуются проезд НКР с БПЛА из опорной точки В по траектории М в начальную точку С траекторий НКР и взлет БПЛА с ВПП по траектории Р в начальную точку D его траектории R с одновременным регулированием длины m отрезка троса, связывающего БПЛА с НКР. Эта регулирование, как в процессе взлета, так и в последующем полете по траектории R, осуществляется таким образом, чтобы с одной стороны длина m этого отрезка троса незначительно превышала текущее расстояние между БПЛА и НКР, а с другой стороны не превышала величины, при которой БПЛА может оказаться над поверхностью ВС, например при порывах ветра. Такой запас соединяющего отрезка троса обеспечивает исключение силового воздействия троса на БПЛА и нарушение штатной работы его фотокамеры, а также исключение непосредственного контакта БПЛА с наружной поверхностью ВС. Осуществляется полет БПЛА под управлением его автопилота из точки D с возвращением в эту точку по траектории R с одновременным фотографированием всех элементов верхней части наружной поверхности ВС, декомпозированной на эти элементы в соответствии с ее трехмерной моделью. При этом согласно заданной программе осуществляется управление угловой ориентацией фотокамеры высокого разрешения БПЛА, установленной в управляемом подвесе. Дополнительным фактором исключения столкновений БПЛА с ВС является использование укомплектованной лазерным дальномером системы обнаружения и облета препятствий. Производится передача фотоснимков, линейных и угловых координат БПЛА, определяемых его навигационной системой, а также параметров угловой ориентации относительно БПЛА его фотокамеры в стационарный вычислитель НПУ. По радиоканалу с борта БПЛА производится передача информации о параметрах траектории R полета БПЛА в бортовой вычислитель НКР. Одновременно реализуется движение НКР по траектории S из точки С с возвращением в эту точку под управлением его автопилота. При этом осуществляется регулирование длины отрезка троса, связывающего БПЛА с НКР. Траектория S - траектория, по которой НКР сопровождает БПЛА; она по существу является проекцией траектории R на поверхность стоянки ВС. Управляющие сигналы в автопилот НКР поступают от его бортового вычислителя и являются функциями разностей между координатами точек, в которых в текущей момент времени находится НКР, вырабатываемыми его навигационной системой, и координатами точек траектории R БПЛА в тот же момент времени. После синхронного возвращения БПЛА в точку D и НКР в точку С осуществляется по траектории F посадка БПЛА на ВПП НКР с коррекцией процесса посадки путем регулирования длины отрезка троса, связывающего БПЛА с НКР.
Сущность коррекции заключается в том, что длина m этого отрезка поддерживается равной расстоянию между БПЛА и НКР; этот отрезок непрерывно укорачивается в процессе посадки, и со стороны троса на БПЛА оказывается силовое воздействие, собственно и корректирующее процесс посадки БПЛА на ВПП. После завершения посадки БПЛА реализуется движение НКР по заданной пространственно-временной траектории Т из точки С с возвращением в эту точку под управлением его автопилота с одновременным фотографированием всех элементов нижней части наружной поверхности ВС, декомпозированной на эти элементы в соответствии с ее трехмерной моделью. Характер и параметры траектории Т, заложенные в бортовом вычислителе НКР, зависят от типа ВС и задаются таким образом, чтобы в процессе осмотра нижней части его наружной поверхности удалось осмотреть все элементы этой поверхности. Безаварийный проезд НКР поддерживается его системой обнаружения и объезда препятствий, снабженной лазерным дальномером. При этом согласно заданной программе осуществляется управление угловой ориентацией фотокамеры высокого разрешения НКР, установленной в управляемом подвесе. Производится передача по радиоканалу в стационарный вычислитель НПУ фотоснимков, линейных и угловых координат НКР, а также параметров угловой ориентации фотокамеры относительно НКР. В этом вычислителе реализуется анализ фотоснимков с определением координат местоположения, характера и параметров повреждений как нижней, так и верхней частей наружной поверхности ВС. Осуществляется проезд НКР с БПЛА к МБ последовательно по траекториям K, I, М.