Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование бортовых сенсоров и методов обработки данных для удалённого зондирования воздушных линий электропередачи с помощью беспилотных летательных аппаратов

Номер контракта: 14.574.21.0012

Руководитель: Кошелев Виталий Иванович

Должность: заведующий кафедрой РТС

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
надёжность энергоснабжения,удалённое зондирование, цифровая обработка данных, сочетание датчиков, робототехника

Цель проекта:
1. Задача, на решение которой направлен реализуемый проект. Обследование протяженных воздушных линий электропередачи (ВЛЭП) для проверки на соответствие нормам эксплуатации воздушных линий электропередачи. 2. Цели, реализуемого проекта. Создание специализированного программного обеспечения для диагностики ВЛЭП при помощи беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Разработка экспериментального образца бортового программно-аппаратного комплекса, способного путём наблюдений с помощью сенсоров, в том числе видимого и инфракрасного диапазонов длин электромагнитных волн, с борта беспилотного летательного аппарата (БПЛА) оценивать такие характеристики ВЛЭП, как провисание проводов, состояние опор, аномальный нагрев изоляторов и проводов, высоту растительности на просеках через лесные массивы, локализацию однофазных замыканий путём анализа магнитного поля.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Краткое описание основных результатов.
Определены требования и состав сенсоров для решения поставленной задачи. Разработан конструктивно и программно аппаратно-программный комплекс, который может устанавливать на БПЛА. С целью минимизации зависимости от зарубежных компаний алгоритмы, критичные для решения задач проекта, используют только программное обеспечение, доступное в исходных кодах и выпущенное под лицензиями, допускающими модификацию и свободное использование в независимых проектах.
2. Основные характеристики планируемых результатов.
Разрабатываемые алгоритмы дистанционного зондирования параметров линии электропередач, обработки и комплексирования фотоизображений линии электропередачи и растительности под ней, полученных в различных (видимом и инфракрасном) диапазонах длин электромагнитных волн должны обеспечивать комплексирование различных видов сенсоров и привязку собранных данных к местности.
Разрабатываемое программное обеспечение рабочей станции оператора для обработки и комплексирования фотоизображений линии электропередачи и растительности под ней, полученных в различных (видимом и инфракрасном) диапазонах длин электромагнитных волн, предназначено для диагностики технического состояния воздушных линий электропередач.
Разрабатываемое ПО включает в себя взаимосвязанные части:
- ПО, предназначенное для функционирования на базе бортового вычислительного устройства БПЛА на малогабаритных встраиваемых компьютерах;
- ПО, предназначенное для функционирования на рабочей станции оператора, представляющей собой ЭВМ со следующими характеристиками.
Процессор:
- Intel Core Quad - совместимый;
- тактовая частота не менее 2ГГц;
- кэш-память: не менее 8 Мб;
- пропускная способность внутренней шины (процессор/память/система ввода-вывода) должна быть не ниже 0,6 Гбит/с.
Оперативная память:
- системное ОЗУ должно быть не менее 1 Гб;
Дисковая система:
- объем внутренней дисковой памяти не менее 1 Тб;
- для внешней дисковой подсистемы должна быть обеспечена пропускная способность не менее 160MБит/с".
Периферийные устройства:
- монитор с разрешением 1600х1200;
- 101 клавишная или Windows-совместимая клавиатура;
- Windows-совместимая мышь;
- источник бесперебойного питания мощностью не менее 500 Вт и временем работы не менее 12 часов;
- модемы GSM/GPRS и Интернет - должны обеспечивать необходимые форматы и скорости передачи.
Для разработки ПО должны использоваться следующие языки программирования:
- программное обеспечение бортового программно-аппаратного комплекса БПЛА создается на языке С или С++ или одном из машинно-ориентированных языков и должно функционировать на малогабаритных встраиваемых компьютерах.
Для разработки ПО должны использоваться открытые платформы разработки и/или лицензионные операционные системы.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Описание конечного продукта.
Эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец бортового программно-аппаратного комплекса БПЛА для оценки состояния воздушных линий электропередачи. Экспериментальный образец бортового программно-аппаратного комплекса БПЛА для оценки состояния воздушных линий электропередачи в составе:
- тепловые и оптические камеры;
- магнетометр;
- ресивер спутниковых навигационных систем Глонасс/GPS (допускается использование ресивера, входящего в состав автопилота БПЛА);
- управляющее и вычислительное устройство;
- носитель информации (память);
- лидар (целесообразность включение лидара в состав комплекса производится по результатам испытаний).
2. Оценка новизны
Новыми результатами являются конфигурация сенсоров и их взаимодействие в процессе получения информации о состоянии ВЛЭП. Используются алгоритмы сопоставления особых точек для трёхмерной реконструкции объектов в поле зрения двух камер. Особые точки, обнаруженные на подстилающей поверхности и растительности, позволяют оценить взаимное расположение самих камер, что даёт возможность сопоставить сегменты линий, обнаруженных на снимках. Существующие алгоритмы исключают линейные объекты из результатов детектирования, которые являются необходимыми при выделении изображений проводов и опор, как раз и относящихся к линейным объектам. Кроме того, в завершающей стадии разработки находятся алгоритмы компенсация дисторсии изображений с фото- и тепловизионной камер, оценки количества линий ЛЭП с использованием мат. аппарата контурного анализа и преобразования Хафа, выделения особых точек в серии снимков фотокамеры с перекрывающимися полями зрения, оценка матрицы гомографии и ее декомпозиция, восстановление трехмерных (3D) координат особых точек по двум перекрывающимся кадрам, уточнение координат по данным от ЛИДАРа, оценка координат и угловой ориентации носителя, пересчет 3D координат элементов ЛЭП из системы координат камеры в систему координат WGS-84.
3. Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.
Наблюдается тенденция к удаленному мониторингу объектов электрических сетей c помощью систем размещенных на автомобилях, пилотируемых и беспилотных летательных аппаратах. В качестве сенсоров используются фото и инфракрасные камеры, ЛИДАРы, датчики располагаемые на ВЛЭП или в непосредственной близости от нее.
Остается нерешенной проблема обработки и комплексирования совокупности данных от всех датчиков в рамках одной системы, с целью определения максимально возможного количества параметров.
4. Пути и способы достижения заявленных результатов, ограничения и риски.
Достижение заявленных результатов обеспечивается комплексной обработкой информации от различных сенсоров, позволяющей с большей информативностью судить о состоянии ВЛЭП. Выделение особых точек на подстилающей поверхности с помощью предлагаемых алгоритмов позволяет оценить взаимное расположение самих камер, а это в свою очередь даёт возможность сопоставить сегменты линий, обнаруженных на снимках сохраняя значимую информацию о линейных объектах. Алгоритмы компенсации дисторсии изображений с фото- и тепловизионной камер также улучшают информативность оценки параметров ВЛЭП.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Описание областей применения планируемых результатов (области науки и техники, отрасли промышленности и социальной сферы, в которых могут использоваться результаты или планируемая на их основе инновационная продукция).
Результаты могут применяться для мониторинга ВЛЭП и других протяженных объектов. Например, трубопроводов надземного расположения и железнодорожных путей.
2. Описание практического внедрения планируемых результатов или перспектив их использования.
Применение разработанной системы мониторинга позволит снизить:
- такие составляющие экономического ущерба от аварий на воздушных ЛЭП как затраты на аварийный ремонт (восстановление) оборудования или потери, связанные с его недоамортизацией из-за досрочной ликвидации;
- стоимость дополнительных потерь электроэнергии в сети из-за отклонения электрического режима от оптимального;
- стоимость топлива, расходуемого на пуск энергоблоков, растопку котлоагрегатов и поддержание горения в топках во время аварийной разгрузки или останова агрегатов электростанций;
- затраты на демонтаж и транспортировку оборудования при отправке на ремонтный завод или завод изготовитель;
- дополнительные затраты на выработку электроэнергии на замещающих агрегатах;
- затраты на содержание резервного оборудования;
- потери, связанные с простоем оборудования и обслуживающего персонала, при аварийном отключении потребителей;
- ущерб от недоотпуска электроэнергии потребителям при отключении с предупреждением во время прохождения максимума;
- ущерб от внезапного отключения потребителей и недоотпуска энергии за время восстановления электроснабжения.
3. Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие научно-технических и технологических направлений, разработку новых технических решений.
Планируемые и полученные результаты относятся к весьма перспективной области обработки многоспектральных изображений для решения задач высокодетальной съемки земли с борта воздушного или космического аппаратов. Расширение сферы применения результатов исследований ускорит разработку новых технических систем. Т.к. в выполнении проекта участвует до половины молодых исследователей и почти все исполнители являются преподавателями технического вуза, то результаты проекта активно используются в учебном процессе, поднимая его качественный уровень.
4. Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие исследований в рамках международного сотрудничества, развитие системы демонстрации и популяризации науки, обеспечение развития материально-технической и информационной инфраструктуры.
В настоящее время во многих сферах деятельности различных стран проявляется интерес к применению БПЛА для решениях широкого круга задач гражданского и двойного применения. Разработка отечественных систем мониторинга протяженных труднодоступных объектов будет способствовать укреплению позиций России на внешнем рынке и привлечет большее число молодежи к обучение в технической сфере.

Текущие результаты проекта:
В настоящее время завершены или находятся в завершающей стадии следующие работы по проекту:
1. Разработка алгоритмов обработки и комплексирования фотоизображений линии электропередачи и растительности под ней, полученных в различных (видимом и инфракрасном) диапазонах электромагнитных волн и их программная реализация.
2. Исследовательские испытания разработанного программного обеспечения.
3. Разработка алгоритмов дистанционного зондирования параметров линии электропередач.
4. Создание и исследовательские испытания экспериментального образца бортового программно-аппаратного комплекса БПЛА для оценки состояния воздушных линий электропередачи.
5. Разработка проекта технического задания на опытно-конструкторскую работу по теме проекта.
6. Технико-экономическая оценка полученных результатов.
7. Обобщение и формулировка выводов по результатам ПНИ.
8. Разработка рекомендаций и предложений по использованию результатов прикладных научных исследований в реальном секторе экономики.