БЕЗОПАСНОСТЬ

Оригинальная статья

УДК 622.86:778.35 © М.Л. Ким, В.Н. Костеренко, Л.Д. Певзнер, А.А. Ярыгин, 2020

ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Уголь № 10-2020 /1135/

DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2020-10-22-27

Название

Разработка системы автоматического управления маршрутным движением беспилотного летательного аппарата в шахтных условиях

Авторы

Ким М.Л., главный технолог АО СУЭК, 115054, г. Москва, Россия, e-mail: kimml@suek.ru

Костеренко В.Н., начальник управления АО СУЭК, 115054, г. Москва, Россия, e-mail: kosterenkovn@suek.ru

Певзнер Л.Д., доктор техн. наук, профессор кафедры Автоматические системы Института кибернетики РТУ-МИРЭА, 119571, г. Москва, Россия, e-mail: pevzner@mirea.ru

Ярыгин А.А., научный сотрудник Физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, 119991, г. Москва, Россия, e-mail: jarygin.artem@phisics.ru

Аннотация

Необходимость использования робототехнических средств для оценки поставарийного состояния горных выработок является первопричиной использования беспилотного летательного аппарата, предназначенного для доставки к месту аварии в шахте аппаратуры для измерения, визуализации и передачи данных об аварийной горной выработке. В шахтных условиях автономное движение беспилотного летательного аппарата по заданному маршруту обеспечивает система автоматического управления, результаты разработки которой представлены в статье. Показано, что система обеспечивает выбор рационального маршрута движения, отработку траекторного задания с достаточной точностью в ограниченном пространстве при наличии возмущений от шахтного потока воздуха.

Ключевые слова

Беспилотный летательный аппарат, система автоматического управления движением, шахтные условия, моделирование.

Список литературы

1. Горлов Ю.В. Анализ действующих в угольных шахтах систем локализации взрывов и оценка эффективности их применения. М., 2014. 91 c.

2. Безопасность ведения горных работ и горноспасательное дело / К.З. Ушаков, Н.О. Каледина, Б.Ф. Кирин и др. М.: Издательство МГГУ, 2008. 247 с.

3. О возможности использования мобильных робототехнических летательных аппаратов при выполнении оперативного плана ликвидации аварии на шахтах / М.Л. Ким, А.С. Родичев, Л.Д. Певзнер и др. // Уголь. 2018. № 1. С. 34-38. DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-1-34-38. URL: http://www.ugolinfo.ru/Free/01018.pdf (дата обращения: 15.09.2020).

4. Певзнер Л.Д., Ким М.Л. Робототехнические средства и системы для решения задач ликвидации аварии в шахтах // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2016. № 1. С. 215-223.

5. Рэндал У. Биард, Тимоти У. МакЛэйн. Малые беспилотные летательные аппараты: теория и практика. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2015.

6. Зенкевич С.Л., Галустян Н.К. Разработка математической модели и синтез алгоритма угловой стабилизации движения квадрокоптера // Мехатроника, автоматизация, управление. 2014. № 3. C. 27-32.

7. Джон Х. Конвей, Дерек А. Смит. О кватернионах и октавах. М.: МЦНМО, 2009.

8. Зенкевич С.Л., Галустян Н.К. Синтез и апробация алгоритма управления движением квадрокоптера по траектории // Мехатроника, автоматизация, управление. 2015. № 8. C. 530-535.

9. Таненбаум Э. Компьютерные сети. СПб.: Питер, 2002.

10. Управление параметрами полёта квадрокоптера при движении по заданной траектории / С.А. Белоконь, Ю.Н. Золотухин, А.С. Мальцев и др. // Автометрия. 2012. № 5. С. 32-41.

11. Белинская Ю.С., Четвериков В.Н. Управление четырехвинтовым вертолетом // Наука и образование. М.: Издательство МГТУ, 2012. С. 157-171.

Иллюстрации

Рис. 1. Расчетная схема беспилотного летательного аппарата

Рис. 2. Фрагмент схемы выработок шахты «им. В.Д. Ялевского» АО «СУЭК-Кузбасс»

Рис. 3. Координатные отклонения от спланированной траектории без полезной нагрузки на скорости: а – 10 м/c; б – 6 м/c

Рис. 4. Отставания реального движения от задания: а – на скорости 10 м/c без полезной нагрузки; б – на скорости 6 м/c с полезной нагрузкой

Для цитирования

Разработка системы автоматического управления маршрутным движением беспилотного летательного аппарата в шахтных условиях / М.Л. Ким, В.Н. Костеренко, Л.Д. Певзнер и др. // Уголь. 2020. № 10. С. 22-27. DOI: 10.18796/0041-5790-2020-10-22-27.

Информация о статье

Поступила в редакцию: 30.07.2020

Одобрена рецензентами: 20.08.2020

Принята к публикации: 09.09.2020

РЕЦЕНЗИЯ

на статью: «Разработка системы автоматического управления маршрутным движением беспилотного летательного аппарата в шахтных условиях», авторы: Ким М.Л., Костеренко В.Н., Певзнер Л.Д., Ярыгин А.А.

Рецензент

Асанов А.З., доктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой автоматических систем Института кибернетики МИРЭА – Российского технологического университета.

Статья посвящена решению задач проблемы получения информации о поставарийном состоянии горных выработок для принятия решений горноспасательной службой при реализации плана ликвидации аварии. Достижение этой актуальной цели возможно путем использования роботехнических средств, в частности автоматически управляемого беспилотного летательного аппарата.

Основным результатом статьи является решение задачи синтеза системы автоматического управления движением в виде структуры многоконтурной системы управления, в которой содержится: планировщик маршрута, который в текущий момент времени формирует гладкую траекторию до цели и корректирует ее с учетом появления препятствий; блок управления положением дрона в пространстве, контролирующий координаты квадрокоптера для удержания его вдоль спланированной траектории; блок управления угловым положением дрона; блок управления частотой вращения моторов для формирования требуемой силы тяги моторов.

Для достижения целей исследования выполнены модельные маршрутные пролеты по шахтным выработкам: с переменной нагрузкой; с возмущением от постоянного потока воздуха; при наличии препятствий; экстренные торможения дрона с различной массой. В каждом из экспериментов исследовались: отклонение реальной траектории движения от спланированной по трем осям; среднее и максимальное отклонения за время полета по маршруту реальной траектории движения от спланированной; средняя по маршруту скорость полета.

Модельный эксперимент показал, что система автоматического управления позволяет дрону с полезной нагрузкой выдерживать траекторию с допустимыми отклонениями при не критическом воздушном потоке. По результатам экспериментов определены: безопасная скорость прохождения трассы, критические значения скорости шахтного воздушного потока, тормозной путь при экстренном торможении и прочие характеристики, позволяющие сделать заключение, что беспилотный летательный аппарат, управляемый разработанной системой, может достаточно точно решать задачи автономного маневрирования в шахте и поэтому может быть использован службой ВГСЧ для целей разведки состояния аарийных выработок.

Вопросы, рассмотренные в статье «Разработка системы автоматического управления маршрутным движением беспилотного летательного аппарата в шахтных условиях», являются актуальными, статья соответствует требованиям, предъявляемым к рукописям для открытой публикации в научно-технических периодических изданиях и может быть рекомендована к публикации в журнале «Уголь».