Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0081

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0081
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Государственный геологический музей им.В.И.Вернадского Российской академии наук
Название доклада
Беспилотные авиационные системы для монторинга природных и техногенных сред аэромагнитными и оптическими методами
Докладчик
Черкасов Сергей Владимирович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель исследования заключалась в объединении в одном техническом изделии – беспилотном аэромагнитном комплексе (БАМК), - успехов, достигнутых в разработке беспилотных авиационных систем (БАС), достижений в производстве высокоточных магнитометров и оптических мультиспектральных систем. БАМК предназначен для производства площадных наземных и морских магнитных и мультспектральных съемок масштабов крупнее 1:25000, включает БАС и устанавливаемые на нем модули: высокоточный квантовый аэромагнитометр (собственной разработки), систему автопилотированиям, мультиспектральную камеру, ГНСС-приемник геодезического класса, систему временной синхронизации получаемых данных, а также – наземную магнитовариационную станцию (МВС) и программное обеспечение (ПО) для обработки и визуализации получаемых данных.
Созданный прототип БАМК позволит решить ряд задач:
- предоставить организациям, работающим в сфере недропользования новые средства проведения высокоточных аэромагнитных исследований;
- обеспечить возможность дистанционного мониторинга природных и техногенных сред для выявления экстремальных природных явлений (оптическими методами);
- оказывать новые виды аэрогеофизических услуг в сфере геологии, экологии, археологии и почвоведения;
- вывести на рынок сервисных геофизических услуг новую научно-техническую продукцию мирового уровня;
- обеспечить экспортный потенциал разрабатываемого БАМК и замещение импорта магнитометрической аппаратуры;
- снизить экологическую нагрузку на природу за счет замещения наземных магнитометрических измерений энергосберегающей экологически безопасной технологией производства аэромагнитной съемки.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность проводимых исследований связана с назревшей необходимостью создания высокоточного аэромагнитного измерительного комплекса для решения прогнозно-поисковых, инженерно-геологических, и других задач методами магниторазведки с использованием БАС. Результаты работ по проекту позволят, с одной стороны, заменить низкопроизводительные наземные магнитометрические наблюдения аэромагнитными, с другой – решить проблемы традиционных аэромагнитных измерений, связанные с высокой стоимостью и сложной логистикой полетов, сделав аэромагнитные исследования рентабельными при любых площадях исследований, и доступными для небольших отраслевых предприятий. Комплексирование магнитометрических методов с мультиспектральной съемкой исследуемых территорий обеспечит возможность оценки вещественного состава приповерхностного слоя. Проведенные патентные исследования демонстрируют интенсивную работу по направлению проекта. За последние десять лет десятки патентов, преимущественно – в США, касаются тематики исследований. При этом предложено ряд технических решений, связанных с компоновкой БАМК и с минимизацией влияния БАС на результаты измерений.
Описание исследования

Для решения достижения указанной цели по созданию БАМК и решения указанных задач было проведено множество исследований с целью:

1) изучение магнитного поля, создаваемого БАС и его компонентов;

2) оптимизация характеристик БАС с учетом его использования для целей магнитометрии;

3) оптимизация характеристик магнитного датчика с учетом его установки на БАС;

4) аппаратно-программные мероприятия для минимизации и компенсации помех при производстве магнитометрических измерений;

5) разработка программно-аппаратного комплекса контроля и управления БАС и требований к человеко-машинному интерфейсу;

6) разработка методики магнитометрической съемки с применением БАС, обеспечивающей необходимую точность измерений.

На БАС установлен квантовый магнитометр, который позволяет получить максимальную точность измерений при небольшой массе и габаритах устройства. В качестве источника света в квантовом магнитометре используется рубидиевая лампа. Конечно, применение вертикально-излучающего лазера оптимально, так как позволяет достичь минимальных массогабаритов и энергопотребления устройства, но в настоящий момент остается под вопросом в связи с тем, что в России такие лазеры пока не производятся, а импорт их ограничен.

Для снижения влияния собственных магнитных полей БАС до приемлемого уровня применены следующие методы:

- модернизация двигателя (ДВС)для минимизация магнитного поля путем замены всех ферромагнитных материалов на немагнитные;

- максимальное исключение токопроводящих элементов в конструкции планера;

- сокращение собственных магнитных полей БАС за счет конструктивного исполнения системы питания (минимизация длин проводов, применение витых пар, снижение протекающих токов);

- магнитная изоляция элементов системы питания;

- оптимизация места размещения магнитного датчика на концах крыльев БАС или на тросе длиной 50 метров для коптера;

- увеличение размаха крыльев БАС до 3 метров с целью увеличения расстояния между системой электропитания и магнитным датчиком;

Данные меры, в своей части или совокупности, гарантируют исключение собственных магнитных полей БАС на результаты измерений, что подтверждено результатами экспериментальных исследований

Что касается возможности достижения, указанных в техническом задании параметров измерения магнитного поля, то их достижимость в отсутствии влияния собственных магнитных полей БАС доказана в ходе проведенных в 2016 году экспериментальных исследований.

Важным элементом комплекса является система фотосъемки и геодезической привязки получаемой информации. Разработанная индустриальным партнером проекта технология получения высокоточных трехмерных моделей рельефа (с разрешением 20-40см) по результатам аэрофотосъемки позволяет привязать получаемые координаты измерений магнитного поля с абсолютной точностью в 10-20 см. Это позволит точно  сопоставить найденные аномалии магнитного поля с характером местности (необходимо для горных районов).

Важным результатом работ по проекту является ПО для обработки и визуализации получаемых данных мультиспектральной оптической и магнитометрической съемки интегрированное в существующее ПО ГИС Спутник.

Синхронное получение магнитометрической информации и топогеодезических данных, позволяющих строить трехмерную модель рельефа местности особенно важно при магнитной съемке территорий с выходами высокомагнитных комплексов пород, и для этих случаев разработаны новые алгоритмы учета влияния рельефа местности на магнитное поле.

 

Результаты исследования

Основные результаты исследований в 2014-2016гг:

- Разработано программное обеспечение для обработки и визуализации данных получаемых с БАМК.

- Разработана программа и методики экспериментальных исследований БАМК.

- Проведены экспериментальные исследования БАМК.

- Мультиспектральная съемка в составе БАМК обеспечена установкой на беспилотный комплекс дистанционного оптического и магнитометрического мониторинга природных и техногенных сред(БКДМ) специализированной камерой фотокамеры со сменными светофильтрами или тепловизора.

- Разработан квантовый рубидиевый аэромагнитометр с дискретностью измерений 30 Гц, аналогичный магнитометр используется в магнитовариационной станции.

- Проведены экспериментальные исследования БАМК на земле и в воздухе, которые доказывают возможность выполнять аэромагнитные съемки с погрешностью не более 2 нТл и получать мультиспектральные снимки с пространственным разрешением не более 10 см на пиксель.

- Плановая привязка точек измерений магнитного поля и снимков составляет 10 см, высотная 50 см.

- Разработано решение как на основе БАС самолетного так и коптерного типов, что позволяет выполнять работы в любых условиях местности и практически на любых высотах (от первых метров до первых километров).

- Разработаны методические рекомендации по мониторингу природных и техногенных сред с использованием БАМК.

В мире аналогичные разработки имеются в Канаде (GEM System), однако создан только БАС для аэромагнитной съемки. Кроме того, автономность данного комплекса не превышает 2 часов, в от время как БАМК рассчитан на полет не менее 4 часов, что особенно актуально, когда сложно выехать на участок работ. В России есть ряд подобных работ, однако все они ограничены попытками установки протонных магнитометров на БАС коптерного типа с малой автономностью полета.

Практическая значимость исследования
Разработанный программно-аппаратный комплекс имеет высокую практическую значимость как геологоразведки, так и для экологического мониторинга, в частности созданный прототип БАМК позволит, при условии серийного выпуска:
- проводить аэромагнитную и оптическую съемку в труднодоступных районах детальных масштабов от 1 : 50 000 до 1 : 5 000;
- заменить наземные низкопроизводительные магнитометрические работы детальными аэромагнитными;
- многократно сократить затраты на производство аэромагнитной съемки на базе БАС по сравнению с измерениями магнитного поля на пилотируемых летательных аппаратах;
- существенно расширить круг задач, решаемых с применением высокоточной магниторазведки за счет оценки вещественного состава приповерхностного слоя исследуемых территорий;
- сократить экологический ущерб при магнитометрических наблюдениях;
- проводить высокоточные съемки магнитометрическими и оптическими методами на малых (30-50 метров) высотах;
- выполнять площадную мультиспектральную съемку объектов с измерением и сохранением координат точек центров фотографирования и снимков;
- выполнять площадную и профильную аэромагнитную съемку магнитного поля, исключая влияние солнечно-суточных вариаций, путем синхронизации времени аэромагнитных и наземных измерений МВС;
- обрабатывать материалы мультиспектральной съемки с получением ортофотопланов и цифрового рельефа местности;
- обрабатывать данные аэромагнитной съемки, включая учет вариаций магнитного поля, с получением планов-графиков или карт изолиний аномального магнитного поля.