Разработка конструкции дельталета для геоэкологического мониторинга с учетом опыта эксплуатации

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика, прочность, поддержание летной годности

УДК 656.7.08.560

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ДЕЛЬТАЛЕТА ДЛЯ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА С УЧЕТОМ ОПЫТА ЭКСПЛУАТАЦИИ

О.Е. ЧЕРНИГИН

Статья представлена доктором технических наук Никитиным И.В.

В статье дан анализ опыта эксплуатации и описание работ по созданию бортового программноаппаратурного комплекса для геоэкологического мониторинга на базе дельталета "Поиск-06".

Ключевые слова: дельталет, аэросъемка, геоэкологический мониторинг.

В студенческом конструкторском бюро (СКБ) МГТУ ГА с 1983 г. проводятся работы по размещению на борту дельталетов различных устройств и оборудования для проведения локального аэромониторинга. Так в 1983 г. совместно с сотрудниками НПО "Аэрогеология" впервые был установлен аэрофотоаппарат (АФА) А-39 для выполнения перспективной аэрофотосъемки, которая была проведена в районе Залива Креста на Чукотке [4]. В 1987 г. в Подмосковье выполнялась опытная аэрофотосъемка (АФС) топографическим аэрофотоаппаратом АФА-ТЭ-100 для определения принципиальной возможности применения дельталетов для получения фотопланов с последующей их обработкой и изготовления топографических карт. Следует отметить, что на этом начальном этапе аэрофотосъемочное оборудование устанавливалось непосредственно на функциональном модуле (ФМ) дельталета, что приводило к возникновению излишних углов отклонения главной оптической оси АФА и трудности обработки полученных материалов. К повышенным угловым перемещениям АФА приводили не только крен и тангаж дельталета, в целом, при повышенной турбулентности атмосферы, но и управляющие воздействия пилота, необходимые для парирования внешних возмущений. В течение последующих нескольких лет силами сотрудников СКБ совместно с ЦНИИ ГАиК велась разработка подвесок маятникового типа для АФА, позволивших выполнять опытно-производственные полеты с обеспечением допусков по углам отклонения главной оптической оси, угловых отклонений по курсу, продольному и поперечному перекрытию, соблюдению скорости и высоты полета. Столь жесткие требования диктовались аналоговым способом обработки аэрофильмов. Опытно-производственные съемки в Самарканде, Свердловске, Подмосковье и других регионах показали положительные результаты АФС с борта дельталета. Параллельно с аэрофото-съемочными работами неоднократно проводились магнитометрическая и экспериментальная ртутометрическая съемки, установка управляемой подвесной системы для видеомониторинга с борта дельталетов на Кольском полуострове, Камчатке, Якутии, центральной России. Следует отметить, что в 80-е и 90-е гг. все эти методы изысканий являлись аналоговыми, были трудоемкими, требовали при наземной подготовки исследуемых и снимаемых площадей и при обработке полученных материалов диктовали повышенные требования к работе всего съемочного комплекса.

Появление цифровых фото- и видеокамер, компактных носимых инфракрасных камер, доступность ОРБ-навигаторов, персональных компьютеров и профессионального программного обеспечения позволили не только снизить требования к пространственному положению аэросъемочного оборудования, но и увеличить его количество на борту, объем и скорость накопления информации в полете, а также возможность оперативно и качественно обрабатывать эту информацию непосредственно в поле. Таким образом, появилась возможность создания на базе

дельталета автоматизированного рабочего комплекса для проведения локального аэромониторинга [1].

В сочетании с конструктивными особенностями самого дельталета, простотой его транспортирования и перебазирования, его летно-техническими характеристиками, возможностью базирования в непосредственной близости от места проведения аэросъемочных работ, привлечения местных специалистов мы имеем сегодня автономный, полностью оснащенный и экономически эффективный комплекс для проведения локального аэромониторинга [2].

В состав комплекса входят: дельталет Поиск-06МТ, поворотная платформа для крепления съемочной аппаратуры с командным прибором, система энергообеспечения, система визуального контроля процесса мониторинга и накопления съемочных данных, навигационная система GPS, комплект съемочной аппаратуры, наземное оборудование и программное обеспечение для обработки данных локального мониторинга и создания геоинформационных систем [3].

В качестве носителя комплекса съемочной аппаратуры использовался дельталет типа Поиск-06 с крылом площадью 18 м2,оборудованный двигателем Rotax-582 мощностью 65 л.с. с пластиковым четырехлопастным воздушным винтом изменяемого на земле шага, быстродействующей парашютной системой спасения БПС-500-, переговорным устройством с радиостанцией Vertex-300, радиофицированными защитными шлемами пилота и оператора [6]. Топливный бак емкостью 45 л. позволяет выполнять полет продолжительностью 4 ч. В состав приборного оборудования дельталета входят: цифровой электронный указатель скорости ASI , барометрические высотомер ВД-10 и вариометр ВР-5, указатели температуры выхлопных газов и температуры охлаждающей жидкости, магнитный компас КИ-13, цифровой тахометр и счетчик моточасов (рис.1).

Рис. 1. Общий вид дельталета "Поиск-06НТ" с экипажем

Поворотная платформа для крепления съемочной аппаратуры располагается перед пилотом на нижней горизонтальной ферме ФМ (шасси), что позволяет при соответствующей подготовке

пилота выполнять производственный полет без участия оператора. Все органы управления съемочной аппаратурой в данном случае доступны пилоту, включая командный прибор.

Основным элементом платформы для крепления съемочной аппаратуры является устройство наведения [5]. В его корпусе находятся два электромотора с понижающими редукторами, расположенные таким образом, что их оси вращения перпендикулярны и позволяют выполнять вращательное движение вокруг вертикальной оси У и поперечной оси 2. Вращательное движение вокруг обеих осей может осуществляться либо автоматически от крайних положения с заданной оператором или пилотом скоростью вращения, либо вручную. Данная конфигурация устройства (режим 1) предназначена для выполнения надирной площадной съемки или протяженных линейных объектов (рис.2). Ручное управление необходимо для коррекции угла сноса и угла тангажа для обеспечения вертикального расположения главной оптической оси съемочной аппаратуры.

Рис. 2. Конфигурация устройства для выполнения надирной площадной съемки

или протяженных линейных объектов

Устройство наведения крепится к поворотному кронштейну, который позволяет осуществлять поворот устройства наведения из вертикального в горизонтальное положение, при этом ось У становится продольной осью X, а съемочная аппаратура получает возможность совершать периодические вращательные движения вокруг продольной оси, тем самым производя съемку не только основного объекта, но и прилегающих площадей, что резко увеличивает объем получаемой информации локального аэромониторинга (режим 2). Перевод устройства наведения из вертикального положения (режим 1) в горизонтальное (режим 2) производится пилотом одним движением фиксирующейся рукоятки, затем главная оптическая ось съемочной аппаратуры вокруг поперечной оси с помощью кнопки управления на командном приборе вновь выставляется в вертикальное положение (рис.3). При необходимости возможен наклон устройства наведения на любой промежуточный угол от 0 до 90 градусов.

Рис. 3. Устройство поворота главной оптической оси съемочной аппаратуры

вокруг продольной оси

Диапазон углов поворота устройства наведения выставляется перед конкретным полетом с учетом полетного задания по каждому из каналов отдельно. Следует отметить, что диапазон углов поворота вокруг поперечной оси обычно выставляется максимальным, около 120 градусов, чтобы обеспечить проворот аэросъемочного устройства при переходе из режима 1 в режим 2 и обратно, чтобы главная оптическая ось оставалась вертикальной. Кроме того, ограничивать угол поворота устройства наведения вокруг поперечной оси не имеет смысла, так как этот канал управляется практически только вручную.

Общий потребный угол поворота вокруг вертикальной оси при режиме 1 и продольной оси при режиме 2 не составляет более 60 градусов, что при съемке со среднефокусным объективом позволяет обеспечить охват снимаемой поверхности "от горизонта до горизонта". На два угловых кронштейна устройства наведения можно установить одновременно два съемочных устройства для одновременной и синхронной аэросъемки и получения дополняющей друг друга информации локального мониторинга. На другой оконечности поворотного кронштейна устанавливается второе устройство наведения, которое обеспечивает размещение еще двух аэросъемочных устройств. Они могут служить для создания стереопары к основному съемочному устройству, работая синхронно по углам с правым устройством наведения. Если есть необходимость производить аэросъемку общего плана прилегающей к объекту съемки поверхности, протяженных линейных объектов и т. п., на левое устройство наведения устанавливается аэросъемочное устройство (видеокамера, тепловизор), которые остаются неподвижными, но в полете их положение может вручную корректироваться по углу сноса и тангажа.

Два устройства наведения связаны общим валом с помощью шлицевой втулки внутри поворотного кронштейна, что обеспечивает синхронное вращение устройств наведения с помощью фиксирующей ручки при переводе из режима 1 надирной съемки в режим 2 автоматической сканирующей съемки.

Поворотный кронштейн располагается на основании поворотной платформы и крепится через резиновые амортизационные подушки, позволяющие гасить вибрации шасси во всем рабо-

чем диапазоне двигателя дельталета. В процессе летно-экспериментальных съемочных работ на контрольно-измерительных полигонах влияние вибрации на качество съемочного материала не зафиксировано.

Командный прибор представляет собой плоский пульт управления, расположенный перед пилотом или оператором в доступной зоне (рис.4), на нем находятся кнопки включения общего питания системы, переключатель скорости вращения устройства наведения вокруг каждой из осей, задатчик съемочного интервала фотокамеры, нажимные кнопки ручного управления поворотом устройства наведения, кнопки разовых срабатываний аэросъемочных устройств. Командный прибор имеет вход силового кабеля питания и разъем управляющего интерфейса всеми аэросъемочными устройствами.

Рис. 4. Общий вид командного прибора

Система энергообеспечения комплекса включает аккумулятор емкостью 20 ампер-часов, подзаряжаемый в полете от бортового генератора с помощью выпрямителя-регулятора, блок предохранителей, комплект проводов питания всех потребителей. Система подводки электропитания различных съемочных устройств нестационарная, что позволяет оперативно заменять применяемые аэросъемочные устройства в зависимости от вида работ по локальному мониторингу.

В качестве накопителя съемочных данных применен цифровой профессиональный видеомагнитофон В8Я-11Р, размещенный в специальной амортизированной подвеске, расположенной позади пилота в зоне, доступной для контроля его работоспособности и выполнения простых управляющих операций. В этой же подвеске находится блок питания с видеомагнитофоном и уложены шнуры и стыковые разъемы подключения.

Для привязки каждого кадра, поступающего из съемочной аппаратуры в накопитель информации по месту и времени, применяется ОРБ-навигатор 76-й или 276-й модели. Также навигатор является основным прибором, который используется пилотом для выполнения полета по заданному маршруту или маршрутам, которые вводятся в ОРБ-навигатор заранее в соответствии с полетным заданием. Тем самым необходимость в предварительной подготовке снимае-

мых поверхностей выкладыванием опознавательных знаков отпадает, что резко сокращает трудозатраты и сроки проведения работ. GPS-приемник расположен перед пилотом и постоянно доступен для контроля за прохождением съемочного маршрута, использования его других функций и управления им.

Кроме этого, перед пилотом находится жидкокристаллический монитор LCD Marshall V-LSD4-Pro, на который выводится изображение от аэросъемочного оборудования по желанию пилота или оператора: фотоаппарата, видеокамеры, тепловизора. Наличие монитора позволяет в режиме реального времени визуально контролировать зону охвата аэросъемочного оборудования, оценивать правильность прохождения маршрута, обнаруживать невидимые в обычных условиях полета наиболее интересные объекты съемки, например, в инфракрасном диапазоне (рис. 5). Переключение осуществляется на панели управления монитором нажатием кнопки.

Рис. 5. Размещение блока приборов GPS-навигатора и монитора

В качестве основного бортового аэросъемочного оборудования были использованы: цифровая зеркальная фотокамера высокого разрешения Sony Alfa DSLR-A100, видеокамера Sony DSR-PD 170, инфракрасная камера Therma CAM P25 FLIR Systems.

При производстве площадной плановой аэрофотосьемки основным средством является фотоаппарат высокого разрешения. При мониторинге в режиме 2 одновременно с фотоаппаратом на устройство наведения дополнительно крепится либо видеокамера, либо тепловизор. Совместная обработка данных локального мониторинга, полученных двумя или всеми тремя устройствами, резко увеличивает количество полезной информации.

В наземное оборудование входят переносной персональный компьютер типа Sony VAIO VGN-FE11SR, системный блок Master Game, монитор MultiSync LCD1990SXi-M,

планшетный сканер Microtek ScanMaker 9800XL, блоки питания, аккумуляторы, кабели, зарядное устройство, штатив, кофр, инструменты и расходные материалы.

Программное обеспечение включает программы MapInfo Professional 8.5 для Windows (русская версия), пакет разработчика приложения MapInfo Professional 8.5 и MapBasic, автоматизированный кадастровый офис.

DEVELOPMENT OF TRIKE DESIGN FOR GEOLOGIC MONITORING TAKING INTO ACCOUNT FIELD EXPERIENCE

Chernigin O.E.

This article provides analysis of field experience and description of trike design for aerial photographic works and creation of hardware-software geological monitoring system "Poisk-06".

ЛИТЕРАТУРА

1. Кондратьев К.Я., Козодеров В.В., Топчиев А.Г., Федченко П.П. "Биосфера: методы и результаты дистанционного зондирования". - М.: Наука, 1990. - 221 с.

2. Топчиев А.Г., Бородин Б.Ф., Антипов А.В. Система локального мониторинга "Биосфера ТМ" // Геодезия и картография. - М.: Геодезиздат, 1997. - № 6.

3. Топчиев А.Г., Девичев А.А., Любимцев М.Ю. Геоинформационная система оперативного Госземконтро-ля зоны влияния предприятий нефтегазового комплекса // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэросъемка. - М., 1997. - №7. - С. 80-86.

4. Никитин И.В. Опыт практического использования сверхлегких воздушных судов в отраслях экономики на примере дельталетов СКБ МГТУ ГА// Научный Вестник МГТУ ГА, серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов, № 86, 2005. - С. 137-144.

5. Топчиев А.Г., Горбенко В.Я., Петренко А.С., Девичев А.А. "Способ локального аэромониторинга геотехнических систем и бортовой комплекс для его осуществления" (Патент № 2227271 от 10.12.2002 г.). Бюллетень №11. Издательство Роспатента РФ, 2004 г.

6. Кондранин Т.В., Топчиев А.Г., Никитин И.Е., Козодеров В.В., Чернигин О.Е., Головко В.А.,

Дмитриев Е.В., Егоров В.Д. Прикладные аспекты использования данных космического мониторинга и данных аэросъемки на базе сверхлегких летательных аппаратов. - М.: ООО "Азбука-2000", 2007. - Вып.4. - Т. 1. -С. 138-154.

Сведения об авторе

Чернигин Олег Евгеньевич, 1960 г.р., окончил МИИГА (1987), ведущий инженер СКБ МГТУ ГА, автор более 15 научных работ, область научных интересов - сверхлегкая авиация, проектирование и конструкция, летная эксплуатация и применение сверхлегких воздушных судов в отраслях экономики, аэродинамика и динамика полета, методы испытаний.