Применение квадрокоптера для контроля дорожной ситуации

Состав чертежей

1. Возможности применения БПЛА для нужд ГИБДД (А1)
2. Обзор квадрокоптеров (А1)
3. Особенности радиоуправления БПЛА (А1)
4. Применение БПЛА для контроля дорожной ситуации (А1)
5. Сборочный чертеж кронштейна для крепления дополнительного аккумулятора к беспилотнику (А1)
6. Рабочие чертежи деталей (А1)
7. Показатели экономической эффективности (А1)

Описание

В выпускной квалификационной работе выполнено исследование на тему контроля дорожной ситуации с применением беспилотного летательного аппарата малого класса. В выпускной квалификационной работе предлагается применение беспилотного летательного аппарата для контроля дорожной ситуации. Применение беспилотника значительно расширяет возможности ГИБДД по таким направлениям, как:
1) Отслеживание скоростного режима,
2) Отслеживание аварий и ДТП,
3) Контроль соблюдения правил дорожного движения,
4) Наблюдение за дорогами с целью выявления заторов и пробок,
5) Поиск автомобилей в угоне и прочее.
Приведены исследования конструктивных решений квадрокоптеров. В работе рассмотрены особенности радиоуправления БПЛА: управляемые объекты, виды радиоуправления, общая характеристика систем радиоуправления БПЛА.
У базовой модели квадрокоптера есть серьезная проблема — полетное время равняется всего 11 минутам. Установка дополнительного аккумулятора позволит продлить это время до 36 минут. Применить дополнительный аккумулятор можно от модели квадрокоптера Parrot Bebop Drone 2 Battery Red PF070229AA. Это перезаряжаемая батарея повышенной емкости, которая обладает высокими свойствами совместимости с различными моделями дронов.

Для базовой модели коптера предложена установка дополнительного аккумулятора, который позволит продлить время полета до 36 минут. В качестве материала для крепежного кронштейна предлагается использовать карбон ГОСТ 826-2011, который отличается повышенной прочностью и легкостью.
Кронштейн из карбона не будет нарушать аэродинамические свойства квадрокоптера. Учитывая, что общая грузоподъемность коптера составляет 1200 грамм, то вес рамы 0,4 кг и дополнительный аккумулятор, вес которого составляет 0,56 кг, не будут неподъемными для летательного аппарата и, значит, имеют место на реализацию.

Квадрокоптер Parrot Bebop Drone. Тип квадрокоптера: RTF.
Она может записывать видео высокой четкости (Full HD) 1080p (30 кадров в секунду), в то время как камера Ar.Drone 2.0 могла записывать только в 720p. Видео записывается на встроенную карточку памяти размеров 8 гигабайт в формате MP4 (кодирование в H264). Фотографии можно сохранять в формате PEG или в исходном формате Adobe DNG в разрешении 4096х3072 пикселей.
8 гигабайт места — это для записи Full HD видео.
К плюсу можно отвести новую встроенную стабилизацию камеры квадрокоптера по трем углам — это обеспечивает более плавное видео на выходе и, в то же время, не делает дрон более тяжелым — он весит всего 410 грамм, при размерах 28x32x3,6 см. Дрон может летать в погодных условиях, когда скорость ветра достигает 50км/час, при этом сам квадрокоптер может развивать скорость до 75 км/час.
В квадрокоптер встроен чипсет GNSS, что оснащен системами GPS, Глонасс и Галилео. Кроме других преимуществ, это позволяет дрону возвращаться на исходную точку самостоятельно.
Управление квадрокоптером и камерой можно осуществлять с помощью приложения FreeFlight 3, что работает на iOS и Андроид-гаджетах. Просмотр видео и фото также осуществляется с помощью этого приложения, а благодаря уже упомянутому чипсету GNSS, перед полетом дрона можно расставлять точки на карте, создавая его маршрут полета, по которому он будет потом следовать.
В комплекте с Parrot Bebop Drone или отдельно можно приобрести пульт дистанционного управления Skycontroller (стоит около 400 долларов). Он оснащен двумя рычагами для управления квадрокоптером, дискретным управлением для камеры, кнопкой для взлета и приземления и одной кнопкой для аварийного выключения двигателя, индикаторами батареи дрона и пульта ДУ и кнопкой возвращения в исходную точку. Также к нему можно подсоединить смартфон или планшет, чтобы наслаждаться видом от первого лица.
Пульт ДУ работает на Андроиде, так что на него можно установить приложение FreeFlight 3. Кроме того у него есть HDMI-выход, что позволяет присоединить полноценный монитор и видеть то, что видит камера на большом мониторе. Также Skycontroller совместим с шлемом виртуальной реальности Oculus Rift, что также подключается через HDMI порт.
Сверху на Skycontroller расположены WiFi-приемник и 4 антенны, что расширяет дальность полета квадрокоптера до 2 километров.
У квадрокоптера есть серьезная проблема. Разработчики не смогли поместить большой аккумулятор в корпус дрона и пришлось довольствоваться литий-полимерным аккумулятором емкостью в 1200mAh. В результате этого, полетное время равняется всего 11 минутам.
Конечно, в комплекте идет дополнительный аккумулятор, но во время полета вы его никак не поменяете. С другой стороны, слишком слабый аккумулятор перечеркивает большой радиус действия пульта ДУ и его прочие преимущества.

В выпускной квалификационной работе выполнен раздел безопасности технического устройства, а также раздел охраны окружающей среды.

Мероприятия по обеспечению безопасных условий труда при эксплуатации БПЛА являются:
— полная автономность полета БПЛА от момента старта до посадки. Данное обстоятельство предопределяет невозможность какого-либо вмешательства в траекторное управление беспилотным летательным аппаратом в процессе полета, то есть невозможность коррекции введенной на земле в навигационно-пилотажный комплекс (НПК) БПЛА заданной программы полета;
— выполнение полетов на предельно малой возможной высоте;
— для определения возможных путей решения проблемы обеспечения безаварийного применения БПЛА необходимо проводить системный анализ факторов, влияющих на безопасность полета БПЛА, сформировать перечень аварийноопасных режимов полета БПЛА.
Предлагаемый к эксплуатации БПЛА квадрокоптер «Серафим» имеет возможность запланированной автоматической посадки за счет командной программы, заложенной в блоке управления:
1) по команде на точку старта;
2) при завершении полетного задания (на запрограммированную точку).
В аварийных случаях посадка совершается автоматически, благодаря запрограммированному блоку управления:
1) при обрыве связи (на точку старта);
2) при разряде батареи ниже критического уровня (на текущую точку).
После передислокации оператору и технику требуется отдых в течении не менее четырех часов в случае отсутствия водителя в расчете комплекса
При 8-часовой рабочей смене и работе на компьютере регламентированные перерывы следует устанавливать:
— через 2 часа от начала рабочей смены и через 2 часа после обеденного перерыва продолжительностью 15 минут каждый.

Преимущества использования БПЛА:
Наглядность: результатом работы являются высокоточные фотоснимки, позволяющие не только определять точное местонахождение по координатам интересующих объектов, но и точно рассчитывать площади и расстояния.
Экономичность: стоимость выгоднее, чем аналоги (спутник, пилотируемая авиация, инструментальные измерения).
Оперативность: возможность обследования больших территорий или протяженных линейных объектов в кратчайшие сроки. Облет до 30 км2 за час для площадной съемки и до 35 км в час — для линейных объектов.
Объективность: получаемые фотографии не оставляют места субъективному восприятию.
Эффективность: возможность съемки удаленных территорий, в любое время года (при температуре до -30), в том числе, в пасмурную и облачную погоду.

Экологическая экспертиза внедряемой разработки:

Для работы базовой модели БПЛА используются энергодвигатели, работа которых основана на использовании электрической энергии. Отработавшие свой срок энергоаккумуляторы следует утилизировать на спецпредприятиях.
Все связанные с утилизацией источников питания процессы очень опасны, поэтому максимально механизированы, а рабочие на заводах пользуются масками и защитной одеждой. Соли металлов, извлеченные из энергоаккумуляторов БПЛА, в итоге упаковываются и направляются на те предприятия, которые используют их в собственных производственных процессах. Подобных предприятий немного и их функционирование очень затратно, но переоценить их важность невозможно.
Процесс переработки отработавших свой срок эксплуатации энергоаккумуляторов происходит следующим образом: энергоаккумуляторы загружают в специальную ёмкость-«дробилку», где их измельчают на мелкие составляющие. Полученная масса сбрасывается на магнитную ленту, где из смеси выделяют металл. В результате остается цинково-марганцево-графитная масса с электролитом. Далее путем кислотной химической реакции выделяют графит, соли цинка и марганца. Все эти вещества очень востребованы на производстве.

Для оценки применения беспилотного летательного аппарата использовались данные службы ГИБДД Свердловской области, для которой в 2015 году была поставлена партия беспилотных летательных аппаратов, которые способны зафиксировать факт административного правонарушения, включая даже государственный регистрационный знак автомобиля и пересечение им разметки, за несколько километров. Эффективность применения БПЛА, как показала практика, Госавтоинспекции очень высока и составляет 90%.

Определены показатели экономической эффективности: затраты на изготовление конструкции – 1219,58 руб., годовой экономический эффект– 10949,22 руб., срок окупаемости составил 0,1 года или 1,2 месяца.