Беспилотный летательный аппарат для эвакуации людей из труднодоступных мест

Владислав Романов

Беспилотный летательный аппарат для эвакуации людей из труднодоступных мест

Своевременно оказанная медицинская помощь имеет решающее значение для сохранения здоровья и качества жизни пострадавшего. В ходе выполнения выпускной квалификационной работы были выполнены следующие задачи: - были рассмотрены различные источники, в результате чего было проанализировано существующее оборудование и подтверждена актуальность разрабатываемого устройства; - произведены патентные исследования разработок в области грузовых беспилотных летательных аппаратов, в частности БПЛА для помощи в эвакуации или непосредственной эвакуации пострадавших людей; - подобраны комплектующие и разработана схема их подключения; - произведены проектировочные и проверочные расчеты. БПЛА для эвакуации пострадавших из труднодоступных мест может быть использован в медицинских учреждения, в районах с потенциально опасными географическими зонами, подразделениях МЧС и в армейский подразделениях Российской Федерации.

Машиностроение

Дипломы

Вуз: Орловский государственный университет (ОГУ)

ID: 5f2bc1b3cd3d3e0001b40880

UUID: 3bf3cf70-b9ee-0138-1270-0242ac180006

Язык: Русский

Опубликовано: почти 4 года назад

Просмотры: 85

11.8

Владислав Романов

Орловский государственный университет (ОГУ)

Комментировать 0

Рецензировать 0

Скачать - 26,4 МБ

Поделиться работой

АННОТАЦИЯ Беспилотный летательный аппарат для эвакуации людей из труднодоступных мест 2020 г. Работу выполнил студент Романов В.В. Руководитель выпускной квалификационной работы Шутин Д.В. Своевременно оказанная медицинская помощь имеет решающее значение для сохранения здоровья, жизни и ее качества пострадавшему. Периодически во время чрезвычайных ситуаций на дорогах возникают проблемы, не дающие машинам скорой помощи вовремя приехать и увезти пострадавших. В свою очередь использование вертолётов не всегда доступно в некрупных городах, чтобы использовать их в составе чрезвычайных служб. Помимо этого, иногда случаются инциденты при экспедиционных, туристических путешествиях людей по экстремальным маршрутам (высокогорье, близлежащие к водопадам зоны). В таких случаях одним из вариантов спасения жизни может быть использование специализированного беспилотного летательного аппарата (БПЛА), который благодаря габаритным размерам и специальному оснащению может в полуавтоматическом режиме зафиксировать и доставить пострадавшего на более комфортную площадку для пересадки в специальное транспортное средство, тем самым, спасая человеческую жизнь. В ходе выполнения выпускной квалификационной работы были выполнены следующие задачи: − были рассмотрены различные источники, в результате чего было проанализировано существующее оборудование и подтверждена актуальность разрабатываемого устройства; − произведены патентные исследования разработок в области грузовых беспилотных летательных аппаратов, в частности БПЛА для помощи в эвакуации или непосредственной эвакуации пострадавших людей;

− подобраны комплектующие и разработана схема их подключения; − произведены проектировочные и проверочные расчеты. Результатом являются геометрические параметры, разного рода нагрузки и напряжения; математическая модель и общий алгоритм работы беспилотного летательного аппарата для эвакуации людей из труднодоступных мест. БПЛА для эвакуации пострадавших из труднодоступных мест может быть использован в медицинских учреждения, в районах с потенциально опасными географическими зонами, подразделениях МЧС и в армейский подразделениях Российской Федерации. По тематике выпускной квалификационной работы была написана 1 статья (Повышение энергоэффективности беспилотных летательных аппаратов за счет применения новых подходов в проектировании и изготовлении корпусных изделий), а также подана заявка №63240 на грант Умник. По родственной тематике была написана еще 1 статья (Разработка мехатронного дыхательного аппарата при реабилитации пациентов с нарушениями дыхательной функции), концепцию которой можно применить в разработке беспилотного летательного аппарата для эвакуации людей из труднодоступных мест. В результате выполнения выпускной квалификационной работы был подготовлен графический материал, который отражает основные стадии разработки. Ниже перечислены названия листов с указанием их количества и форматов: 1. Беспилотный летательный аппарат для эвакуации труднодоступных мест. Сборочный чертеж 1 – А1. 2. Эвакуационная капсула. Сборочный чертеж 1 – А1. 3. Деталировка 2 – А2, 1 – А4. 4. Схема электрическая принципиальная 1 – А1. 5. Схема структурно-функциональная 1 – А1. 6. Математическая модель 1 – А1. людей из

4.1 Постановка задачи ...................................................................................................... 60 4.2 Программа для подготовки данных ........................................................................ 61 4.3 Программа для обучения ИНС ................................................................................ 66 4.4 Результаты обучения .................................................................................................. 69 4.5 Программа для тестирования ИНС......................................................................... 70 Заключение .......................................................................................................... 75 Список использованных источников ................................................................ 77 Приложения Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 5

Введение Своевременно оказанная медицинская помощь имеет решающее значение для сохранения здоровья, жизни и ее качества пострадавшему. Периодически во время чрезвычайных ситуаций на дорогах возникают проблемы, не дающие машинам скорой помощи вовремя приехать и увезти пострадавших. В свою очередь использование вертолётов не всегда доступно в некрупных городах, чтобы использовать их в составе чрезвычайных служб. Помимо этого, иногда случаются инциденты при экспедиционных, туристических путешествиях людей по экстремальным маршрутам (высокогорье, близлежащие к водопадам зоны). В таких случаях одним из вариантов спасения жизни может быть использование специализированного беспилотного летательного аппарата, который благодаря габаритным размерам и специальному оснащению может в полуавтоматическом режиме зафиксировать и доставить пострадавшего на более комфортную площадку для пересадки в специальное транспортное средство, тем самым, спасая человеческую жизнь. В настоящее время беспилотные воздушные судна могут выполнять различное множество задач: начиная от доставки продуктов или посылок и заканчивая эвакуацией пострадавших людей. Беспилотные воздушные судна являются многофункциональными устройствами, но при обнаружении нескольких пострадавших возможно оказание помощи только в определенной последовательности. В медицине катастроф существует понятие «золотой час» – время, в течение которого оказанная пострадавшему первая медицинская помощь или оперативная доставка его в медицинское учреждение гарантирует ему максимальные шансы выжить и наименьший риск осложнений. Попадая в экстремальную ситуацию, человеческий организм моментально включает компенсаторные и защитные механизмы на максимальный уровень, для поддержки жизнедеятельность в течение часа. Потом происходит уменьшение тока крови в главных органах: сердце и мозге, и шансы на спасение стремятся к нулю. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 6

После получения травмы у пострадавшего есть 30 минут, чтобы ему оказали экстренную медицинскую помощь. По статистике осложнения возникают в 2 раза реже у лиц, которые вовремя получили медицинскую помощь. В случае, если произошла остановка дыхания, данное время сокращается до 5-10 минут. По данным Всемирной организации здравоохранения каждый двадцатый из ста погибших, в результате несчастных случаев в мирное время, мог быть спасен, при оказании ему экстренной медицинской помощи непосредственно на месте происшествия. Вовремя оказанная медицинская помощь позволяет гарантировать сохранение жизни и здоровья пострадавшим, снижая инвалидности и летальности. Статистика некоторых чрезвычайных ситуаций (ЧС) техногенного характера в Российской Федерации за 2016-2018 годы приведена в таблице 1. Таблица 1 – Статистика ЧС техногенного характера в Российской Федерации по годам Количество чрезвычайных Погибло Пострадало происшествий 2016 2017 2018 2016 2017 2018 2016 2017 2018 Железнодорожные 7 11 4 0 3 0 11 36 0 аварии ДТП с тяжелыми 1737 1694 1680 2030 1908 1821 2211 2153 2148 последствиями 00 32 99 8 8 4 40 74 53 Обрушение производственных 2 5 2 38 8 0 52 20 333 зданий, пород Взрывы в жилых зданиях и сооружениях 6 18 16 7 24 129 54 689 361 социально-культурного назначения Использование беспилотных воздушных судн (БВС) целесообразно, т.к. напрямую доставить пострадавшего до мест госпитализации быстрее и может спасти жизни. Проблема использования беспилотников в эвакуации людей заключается в том, что с увеличением массы целевой нагрузки изменяются следующие характеристики полета: Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 7

1. Возможность находится в воздухе составляет 15-20 минут (увеличение массы целевой нагрузки на каждые 6 килограмм уменьшает время полета в 3 раза). 2. Дальность полета уменьшается до максимум 1,5 километра. 3. Высота полета уменьшается до 2 километров. В ходе выполнения выпускной квалификационной работы требуется разработать беспилотный летательный аппарат для эвакуации людей из труднодоступных мест на базе мультикоптера, со следующими характеристиками: 1. Нахождение в воздухе более 30 минут – примерное время нахождения пострадавшего и его эвакуации в безопасное место. 2. Дальность полета более 2 км. 3. Высота полета до 2 км 4. Грузоподъемность более 2 кН – примерный вес мультикоптера со всей оснасткой и вес человека. Габариты эвакуационной капсулы не менее 2000х900х700 мм – примерные габариты среднестатистического человека с необходимыми элементами для оказания элементарной медицинской помощи. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 8

1 Аналитический раздел 1.1 Анализ видов беспилотных летательный аппаратов Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) имеют широкую область применения. БПЛА является дистанционно управляемым летательным аппаратом, поэтому он отлично подходит для наблюдения и контроля зон, доступ к которым затруднен или опасен для человека. В настоящий момент большинство беспилотных воздушных средств обладают грузоподъемностью около 1 кг, но в перспективе рассчитывается с помощью дронов доставлять тяжелые грузы и даже эвакуировать людей. Классификация беспилотных летательных аппаратов представлена на рисунке 1.1 [5]. Рисунок 1.1 – Классификация беспилотных летательных аппаратов Способ управления Применяются следующие способы управления БПЛА: 1. Ручное управление – производится оператором в режиме реального времени; 2. Автоматизированное управление осуществляется автономно, с возможностью корректировки пути оператором. Предварительно вводятся Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 9

координаты точек требуемого маршрута, а текущее местоположение определяется навигацией. 3. Автоматический способ – управление осуществляется автопилотом, которому задается траектория, высота, скорость. Такое управление позволяет наиболее точно стабилизировать аппарат в воздухе. Наиболее распространенным является способ, при котором оператор осуществляет управляет беспилотным летательным аппаратом с земли или вносит изменения в готовом маршруте. В беспилотном летательном аппарате для эвакуации людей из труднодоступных мест предпочтительно использование автоматизированного управления. Тип конструкции Существует два типа беспилотных летательных аппаратов: вращающегося и фиксированного крыла. Беспилотные летательные аппараты фиксированного крыла – это беспилотные самолеты, использующие прямой толчок, чтобы подняться в воздух. Им необходима относительно высокая пусковая скорость, чтобы получить подъемную силу. Поэтому такие аппараты не подходят для быстрого реагирования в случае возникновения чрезвычайных ситуаций. Беспилотные летательные аппараты вращающегося крыла разделены еще на два типа: одновинтовой и многовинтовой (мультикоптер). По одновинтовым схемам создаются вертолеты. Такие аппараты используют несущий приводной винт, который обеспечивает подъемную силу, уравновешиваемую хвостовым рулевым винтом. Многовинтовые конструкции имеют более двух несущих винтов, которые позволяют управлять всеми формами движения. Подходящим типом конструкции беспилотного летательного аппарата для эвакуации людей является мультикоптер с гибридным принципом создания подъемной силы: два винта для корректировки высоты и четыре винта для изменения направления движения. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 10

Для поиска пострадавших БПЛА должен быть оснащен системой технического зрения с двумя видами камер: обычной и инфракрасной. Обычная камера необходима для проверки местности и поиска в дневное время суток, а также для передачи информации об обстановке на территории и степени травмированности людей. Инфракрасная камера необходима для поиска пострадавших, находящихся под небольшими завалами, когда нет возможности отличить часть тела человека от находящихся рядом обломков. Для перевозки людей разрабатываемый беспилотный летательный аппарат использует эвакуационную капсулу. Данная капсула позволяет зафиксировать пострадавшего и переправить его на более комфортную площадку для пересадки в специальное транспортное средство (вертолет или машина скорой помощи). 1.2 Виды двигателей, используемых в беспилотных летательных аппаратах В большинстве беспилотных летательных аппаратах используются электрические двигатели. Но у электрических квадрокоптеров есть существенный недостаток – малое время полета. Даже модели профессионального уровня способны пробыть в воздухе лишь 30-40 минут. Дооснащение запасными (или более емкими) аккумуляторами приводит к заметному увеличению массы летательного аппарата и существенно уменьшает вес полезной нагрузки, которую он может нести. Производители стараются максимально уменьшить вес беспилотников, используя облегченные материалы, но пока не существует технологий, способных существенно облегчить массу батарей. И чем больше ее емкость, тем значительнее становится вес. Еще одним недостатком является стоимость аккумуляторов. Она достаточно высока (от 10000 рублей), при этом эксплуатационные качества батареи со временем ухудшаются. Аккумуляторные батареи не пригодны для использования Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 11

зимой, т.к. они быстро разряжаются и продолжительность полета заметно уменьшается. Время, которое необходимо тратить на заряд аккумулятора так же сильно влияет на работу БВС. Если необходимо совершить многочасовой перелет, то запасных батарей не хватит, и придется делать перерывы на зарядку. К тому же, в удаленных районах электросети могут отсутствовать в принципе. Основные недостатки беспилотной техники, использующей электродвигатели, связаны с аккумуляторами. Увеличение емкости батарей приводит к их утяжелению и увеличению размеров. В итоге получаем, что аккумуляторы: 1. Имеют высокую стоимость. 2. Плохо переносят минусовые температуры. 3. Не являются универсальными. 4. Требуют длительного времени на зарядку. 5. Аккумуляторы с большой емкостью обладают значительным весом и размерами. Бензиновый квадрокоптер лишен значительной части минусов, присущих электрическим беспилотникам. Сам по себе ДВС стоит сравнительно недорого, особенно если речь идет о профессиональной технике. Работающие на бензине дроны можно быстро заправить и вновь отправлять в полет. Нет необходимости тратить немалые суммы на запасные аккумуляторы и постоянно их заряжать. Такие беспилотник можно использовать при минусовых температурах без заметного ухудшения его эксплуатационных характеристик, т.к. бензин не замерзает зимой. Перед первым запуском двигатель необходимо прогревать. Надежность ДВС высока, и при должном обслуживании его хватит на многие и многие километры полетов. Двигатель внутреннего сгорания заметно больше электродвигателя, следовательно, поместить его в квадрокоптер не получится. Помимо ДВС, на раму беспилотника необходимо установить топливную систему, систему зажигания, бензобак. Смысл такого усложнения конструкции заключается в том, что ДВС с Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 12

бензобаком оказывается сравнимым по стоимости по сравнению с аккумуляторами высокой емкости. Зачастую дешевле собрать квадрокоптер с бензиновым мотором, хорошей грузоподъемностью и автономностью, чем создать аналогичный по характеристикам беспилотник с электрической батареей. Мощность и дальнобойность бензиновых квадрокоптеров позволяют использовать их для транспортировки тяжелых грузов на значительные расстояния. Но есть и недостатки: 1. ДВС требует хотя бы элементарного обслуживания. 2. Конструкция беспилотника становится более сложной, а размеры двигателя не позволяют установить его на небольшую раму. 3. Шум, издаваемый бензиновым мотором, оказывается громче, по сравнению с электродвигателями. Присутствие двигателя на борту является источником дополнительных вибраций, что усложняет работу с камерой. Так как в качестве топлива используется бензин, то возникают повышенные требования к технике безопасности. Недопустимо запускать бензиновый квадрокоптер в местах массового скопления людей. При падении аппарат может загореться и даже взорваться. КПД бензинового мотора заметно ниже по сравнению с КПД электродвигателя, а выхлопные газы не позволяют использовать его внутри помещений (например, складов). Для сравнения: – КПД аккумулятора более 70%, – КПД топливного элемента — около 45%, – КПД двигателя внутреннего сгорания — около 40%. Южнокорейские инженеры-технологи из компании MetaVista сконструировали топливный бак с высокой плотностью энергии. Беспилотник от MetaVista оснащен специальным водородным топливным баком (рис. 1.2). Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 13

Рисунок 1.2 – Беспилотник с водородным топливным баком Новая разработка, которая приходит в движение благодаря сжиженному водороду, помогла дрону пробыть в небе рекордные 10 часов 50 минут. Для сравнения: устройства, которые работают на литий-ионных батареях, в среднем проводят в воздухе около получаса. Эксперты компании создали новую уникальную систему, которая значительно превышает характеристики литий-ионных батарей по энергоемкости и легкости. В первую очередь разработчики учли, что для беспилотников важно, сколько будет весить двигатель и элемент питания. Ведь даже несколько десятков или сотен грамм дают пропорциональное снижение полезной нагрузки. Технология, которую придумали корейские инженеры, позволяет существенно снизить массу дронов и увеличить их эффективность. Топливный бак дрона представляет собой легкий и прочный контейнер, который предназначен для жидкого водорода. Корейские технологи наполнили его 390 граммами водорода в сжиженном виде (при общем объеме бака в шесть литров). Удельная энергоемкость при этом достигла 1865 Втч на килограмм. Что касается характеристик литий-ионных батарей, они не превышают отметку в 200 Втч на килограмм. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 14

1.3 Возможность применения композиционных материалов С увеличением спроса к новым моделям беспилотных аппаратов растет потребность в производстве новых материалов для ее изготовления. Композиционные материалы, из-за своих характеристик, получили особую популярность. Сравнительные свойства различных конструкционных материалов представлены в таблице 2. Таблица 2 – Сравнительные свойства конструкционных материалов Материал Органопластик Углепластик Боропластик Стеклопластик Алюминиевые сплавы Титановые сплавы Стали Композиционные Плотность, кг/м3 1300 1500 2000 2000 2700 4500 7800 материалы Прочность, МПа 2000 1200 1200 2000 600 1100 2100 позволяют Модуль упругости, МПа 95000 170000 270000 70000 70000 110000 200000 уменьшить массу планера летательного аппарата на 30-40% по сравнению с массой аппарата, изготовленного из традиционных материалов. Это дает возможность получения резерва веса, который можно использовать для увеличения дальности полета или полезной нагрузки. Наполнителями для композитов могут служить ткани, цельнотканые чехлы, жгуты, ленты, нитевидные фенолформальдегидные, монокристальные кремнийорганические и стекла. Эпоксидные, полиамидные смолы используются в качестве связующих материалов при изготовлении деталей. Несмотря на их высокую стоимость и сложность в производстве, композитные материалы являются самыми используемыми и удобными при правильном применении. Композиционные материалы увеличивают прочность и износостойкость конструкций, а также уменьшают вес, что крайне необходимо при создании беспилотников для эвакуации людей [7]. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 15

1.4 Способы изготовления беспилотных летательных аппаратов Компания Top Flight Technologies предложила концепцию гибридного мультикоптера с большими грузоподъемностью и длительностью полета. Это достигается с помощью гибридной силовой установки: энергия для 10киловаттного электродвигателя добывается сжиганием бензина. Сама установка состоит из 10-киловаттного двигателя (вес двигателя 7,7 кг), баков с 5 галлонами топлива (примерно 18,9 л) и литий-полимерного аккумулятора ёмкостью 6000 мАч (50 В) [15]. В современных реалиях для повышения грузоподъемности, длительности и дальности полета наиболее лучшей системой будет сочетание бензинового топлива с электрическими аккумуляторами. В настоящее время высокую популярность приобретает бионика – прикладная наука, изучающая возможности практического применения в различных технических устройствах принципов и структур, которые появились в природе благодаря эволюции. Создание конструкции при помощи биодизайна позволяет снизить вес всей конструкции без потерь мощности, что дает снижение расхода топлива. Предлагается, по возможности, изготовить корпус беспилотного летательного аппарата по принципу костей человека – пористая структура и полость внутри (рис. 1.3). Рисунок 1.3 – Вариант создания рамы мультикоптера Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 16

Для принятия решения планируется провести ряд экспериментов как теоретических, так и практических, в ходе которых будет проведено сравнение воспринимаемых нагрузок существующих рам и рамы, созданной при помощи бионики [8]. Для основы требуется рассчитать размеры стандартной рамы для переноса по воздуху груза весом 1 кН. Далее произвести теоретическую проверку предлагаемого решения. В случае удовлетворительных результатов, рассмотреть уменьшение длины рамы до оптимальной. 1.5 Существующие решения в области эвакуации людей Ведомство медицинских исследований и материально-технического обеспечения армии США рассматривает возможность использования беспилотных летательных аппаратов для эвакуации раненых с поля боя. Для этих целей оно планирует использовать многоцелевой БПЛА вертолетного типа DP-14 Hawk (рис. 1.4) разработанный компанией Dragonfly Pictures, Inc. в 2013 году. Рисунок 1.4 – DP-14 Hawk БПЛА DP-14 Hawk является двухроторным летательным аппаратом, внутри которого возможно размещение одного человека в лежачем положении. Технические характеристики DP-14 Hawk приведены в таблице 3. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 17

Таблица 3 – Технические характеристики DP-14 Hawk Характеристика Значение Длина, м 2,6 Высота, м 1,46 Диаметр винтов, м 2 Максимальный взлетный вес, кг 300 Крейсерская скорость полета, км/ч 120 Максимальная скорость полета, км/ч 150 Максимальная дальность полета, км 250 Максимальная высота полета, м 2500 БПЛА оснащено современным комплексом оборудования, позволяющим ему двигаться по заданным координатам в автоматическом режиме. Компания Urban Aeronautics разработала беспилотный пассажирский летательный аппарат Cormorant/AirMule (рис. 1.5), который способен производить эвакуацию пострадавших из зон бедствий или территорий военных действий. Данный автономный беспилотник способен спасти двух раненых самостоятельно – люди только производят погрузку пострадавших. Рисунок 1.5 – БПЛА Cormorant/AirMule Беспилотник вертикального взлета и посадки обладает массой 1,4 тонны и может перевозить грузы более 200 кг. Cormorant внешне похож на вертолет, но оборудован внутренними винтами. Такое строение делает БПЛА безопасным – дрон сможет пролетать под линиями электропередачи, не рискуя задеть их лопастями. Одномоторный беспилотник может преодолевать 32 км со скоростью 160 км/ч за счет двух винтов в хвостовой части. Максимальная высота полета Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 18

составляет 3.7 км, время в воздухе - около 5 часов. Производители отмечают, что он может выдерживать полет при намного более сильных ветрах, чем стандартный вертолет с пилотом. Это происходит за счет того, что лопастями дрона можно управлять отдельно, а это позволяет ему легче маневрировать. Корпус беспилотника покрыт углеродным волокном, а его выхлопная система не выпускает много дыма. Это позволяет дрону быть незаметным для инфракрасных датчиков и радиолокаторов. Согласно данным компании, аппарат предназначен не только для эвакуации гражданского населения из зоны бедствий или транспортировки раненых военных. Также он может проводить обеззараживание территорий, которые подверглись воздействию химического оружия. Российский универсальный авиагрузочный беспилотный летательный аппарат SKYF (рис. 1.6) — первый в мире промышленный дрон вертикального взлета и посадки. Рисунок 1.6 – Платформа SKYF Первоначально SKYF разрабатывался в качестве универсальной платформы, позволяющей создавать различные БВС, поэтому возможна быстрая адаптация устройства практически под любые специализированные задачи, климатические условия и особенности национального регулирования: от грузовой логистики и обработки полей до тушения пожаров и эвакуации людей. Технические характеристики SKYF приведены в таблице 4. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 19

Таблица 4 – Технические характеристики платформы SKYF Характеристика Полезная нагрузка, кг Радиус полета, км Продолжительность полета, ч Максимальная скорость, км/ч Максимальная высота полета, м Точность полета, см Топливо Значение 250 350 8 (с нагрузкой 50 кг) 70 3000 30 Бензин 95 Благодаря уникальной аэродинамической схеме SKYF уже сейчас может использовать энергию ДВС напрямую, что обеспечивает необходимые потребительские свойства линейки БВС, позволяющие добиться массового внедрения. Лучшие серийные аккумуляторы имеют ёмкость 250 Втч/кг (например, используемые в Тесла). Бензин имеет ёмкость 12 000 Втч/кг. E-Volo, E-Hang и другие производители крупных БВС только планируют перейти на ДВС в будущем по дорогой схеме последовательного гибрида. 1.6 Задачи, решаемые для безопасного и автономного пилотирования Высокоточная навигация очень важна для дронов, занимающихся картографической съемкой, а также для беспилотников, выполняющих поисковоспасательные миссии. Основным методом позиционирования как для беспилотных воздушных судн, так и для устройств в других областях является система глобального позиционирования (GPS, ГЛОНАСС). Приемник устанавливается на борт БВС и получает данные со спутников. В связи с тем, что точность ориентирования по показаниям GPS достаточно низкая, активно стали использоваться сети наземных стационарных вышек. Такие вышки определяют погрешность показаний системы глобального позиционирования и передают поправки по радиоканалу на приемники БВС. Одной из распространенных систем такого типа является DGPS (Differential Global Positioning System). Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 20

Для повышения точности навигации на борт БВС дополнительно устанавливается комплекс инерциальных систем. В него входит набор датчиков, по данным которых автопилот получает информацию о скорости, кренах, ускорениях, высоте и др. Датчики, входящие в комплекс инерциальной системы: 1. Барометрический датчик, с помощью которого можно определять высоту и производить автоматическое удержание высоты. Расчет высоты основан на том, что с увеличением высоты, атмосферное давление падает, а значит, полетный контроллер реагирует соответствующим образом и подает нужные сигналы на двигатели, регулируя газ. Однако у данного датчика есть недостаток, поскольку невысоко над землей разница давления практически не ощутима, а потому барометр может давать сбой. 2. Ультразвуковой датчик основан на измерении отрезка времени между посылкой и приемом звуковых волн, отраженных от поверхности, до которой измеряется высота. Такие датчики тоже могут дать сбой, если полеты производятся в помещении со звукоизоляцией. 3. Лидар – устройство, построенное по технологии получения и обработки информации об удаленных объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеяния в прозрачных и полупрозрачных средах. Недостатком лидара является большое энергопотребление и большой вес. 4. Комплекс из трехосного гироскопа и акселерометра, который позволяет определить углы наклона БВС относительно горизонта и ускорения вращения, а также летать дронам плавно и без рывков. Гироскоп должен работать молниеносно, чтобы обеспечивать стабильный полет устройства. Инерциальный измерительный блок служит для отслеживания текущего ускорения устройства, используя для этого сочетание нескольких акселерометров. Некоторые блоки включают в себя еще и магнитометр, служащий для дополнительной стабилизации аппарата. Помимо развития средств инерциальных систем для позиционирования БВС, в последнее время развивается направления визуального позиционирования. В таких Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 21

методах используется бортовые сенсоры, фото-, видеорегистраторы или их комплекс, а также программные средства для обработки полученных данных. Существует алгоритм определения трехмерных координат и углов ориентации БВС без использования сигналов спутниковой навигации. Данный подход заключается в использовании системы компьютерного зрения для генерации и обработки потока фотографий подстилающего рельефа, а также дальнейшего сравнения полученных данных с уже имеющимися картами с целью поиска маркерных точек. Из-за требования большого ресурса вычислительной мощности такая система предполагает обработку полученных данных на базовой станции и, следовательно, постоянную связь с БВС. Для увеличения точности следования заданному маршруту в условиях редкого обновления местоположения (например, полета в гористой местности) возникает необходимость внедрения в программный код микрокомпьютера БВС алгоритмов оптимизации полета засчет оценивания действующих на БВС неизвестных внешних процессов [1]. 1.7 Патентный поиск В ходе проведения патентных исследований был проведен анализ разработок в области грузовых беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), в частности БПЛА для помощи в эвакуации или непосредственной эвакуации пострадавших. Ретроспективность патентного поиска составила 10 лет. Патентный поиск проводился по открытым базам патентов России, США, стран Евросоюза и др. технологически развитых стран. Были проанализированы решения, которые представлены в патентах как в виде отдельных конструкций БПЛА, так и интеграции их в поисково-спасательную систему. Так же была затронута тема разработки эвакуационной капсулы для перевозки пострадавших. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 22

Беспилотный летательный комплекс первой помощи [9] Патент RU 139238, МПК: A62B 99/00 Авторы: Богомолов А.В. (RU), Алёхин М.Д. (RU), Русскин А.В. (RU) Беспилотный летательный аппарат, входящий в состав беспилотного летательного комплекса первой помощи, производит сброс модульных систем медицинского оборудования и средств оказания первой помощи над местом нахождения пострадавшего с последующим их возвращением при доставке раненого в медицинские учреждения. Модульная система медицинского оборудования беспилотного летательного комплекса включает: комплект портативной аппаратуры для проведения базовой сердечно-легочной реанимации; портативный дефибриллятор; трехканальный автоматический электрокардиограф; наружный портативный диагностический монитор; портативный клинический анализатор; портативный экспресс-измеритель концентрации глюкозы в крови с набором тест-полосок; комплект видеокамер дистанционных и аудиосредств медицинских для осмотров; проведения комплект консультаций изделий и медицинского назначения для остановки наружного кровотечения и перевязки ран; комплект лекарственных средств. Функционирование разработанного беспилотного летательного комплекса первой помощи заключается в следующем. 1) При поступлении сигнала о помощи, беспилотный летательный комплекс первой помощи оперативно направляют к месту нахождения пострадавших. 2) По прибытии на место беспилотный летательный комплекс первой помощи совершает посадку или сброс отделяемых модульных систем медицинского оборудования и средств оказания первой помощи. В момент касания земли самого беспилотного летательного комплекса и/или груза автоматически запускается сигнал, упрощающий поиск места посадки/сброса. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 23

Способ проведения поисково-спасательных работ [10] Патент: RU 2694528 C1, МПК: A62B 99/00 Авторы: Шерстнев В.В. (RU), Бодин О.Н. (RU), Безбородова О.Е. (RU) и др. Алгоритм оказания пострадавшим медицинской помощи, эвакуации транспортабельных пострадавших приведен на рисунке 1.7. Рисунок 1.7 – Алгоритм оказания пострадавшим медицинской помощи Способ проведения поисково-спасательных работ, заключающийся в том, что осуществляется: Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 24

1. Ввод в память беспилотного воздушного судна координат границ зоны чрезвычайной ситуации, высоты полета, координат точки начала сканирования, траектории и шага сканирования. 2. Запуск беспилотного воздушного судна. 3. Разведку беспилотным воздушным судном заданной зоны: 4. Обеспечение пострадавших средствами индивидуальной защиты, мобильным телефоном и аптечкой. 5. Возвращение беспилотного воздушного судна, Оказание пострадавшим медицинской помощи манипулятором беспилотного воздушного судна медицинского назначения осуществляется путем: производства рентген-снимков; наложения жгута, повязки, шины; оснащения пострадавших портативным регистратором электрокардиосигналов; проведения дефибрилляции; инъекции лекарственных препаратов; маркировки пострадавших; корректировку очередности оказания транспортабельных медицинской пострадавших и помощи их пострадавшим; жизнеобеспечение эвакуацию беспилотным воздушным судном эвакуационного назначения посредством капсулы реанимации. Техническим результатом изобретения является уменьшение времени на поиск пострадавших, повышение качества оказания ЭМП и, как следствие, уменьшение потерь и осложнений у пострадавших в ходе ЧС. Указанный результат достигается тем, что в способе проведения поисково-спасательных работ сообщение о ЧС поступают в Единую дежурно-диспетчерскую службу по прямым каналам и линиям связи. При классификации сложившейся ситуации как чрезвычайной, Единая дежурно-диспетчерская служба населенного пункта поручает проведение работ в зоне ЧС соответствующим службам, и они выдвигаются в зону ЧС. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 25

Переносной и транспортируемый изолируемый роботизированный эвакуационный медицинский модуль [11] Патент RU 2658466; МПК: A61B 5/04 Авторы: Садовничий В.А. (RU), Соколов М.Э. (RU), Подольский В.Е. (RU), и др. На рисунке 1.8 показаны схемы взаимодействия диагностического оборудования и лечебного оборудования с пациентом. Медицинский модуль состоит из энцефалографа 7; компьютерной системы обработки информации 10; аккумуляторной батареи 12; отсоса 14; диагностического медикаментов ультразвукового Рисунок 1.8 – Переносной и транспортируемый изолируемый роботизированный эвакуационный медицинский модуль монитора для инфузий аппарата 15; 16; 17; инфузионного насоса 19; инфузомата 20; аппарата искусственной вентиляции легких 22. Указанная аппаратура соединена трубопроводами с пациентом, находящимися во втором блоке, через одно или несколько отверстий с возможностью их полной изоляции. В первом блоке также расположена компьютерная система с комплексом видеонаблюдения за пациентом и аудиообщением, комплексом поддержки принятия диагностических и лечебных решений, возможностью дистанционной передачи визуальной и телеметрической информации. Указанная аппаратура соединена с датчиками, находящимися во втором блоке. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 26

Способ проведения поисково-спасательных работ [12] Патент RU 2698893; МПК: A62B 99/00, B64C 39/02 Авторы: Борисов Е.Г. (RU), Талан А.С. (RU), Типикина К.С. (RU), Киртянова О.Н. (RU) На рисунке 1.9 показана организация системы связи объекта поиска с БПЛА и наземным пунктом управления (НПУ), которая содержит блок аварийной связи 1; наземный пункт управления 2; поисковый беспилотный летательный аппарат 3; базовая станция сотовой связи 4; спутник связи 5; грузовой поисковый беспилотный летательный аппарат 6. Проведение поисково- спасательной операции начинают с анализа данных, поступающих с блока аварийной связи (БАС) 1 который состоит из модуля аварийной связи и Рисунок 1.9 – Способ проведения поисково-спасательных работ надувного причем поискового модуль ориентира, аварийной связи содержит измеритель пульса, измеритель температуры и давления и блок акселерометров, «тревожную кнопку» и систему голосового сообщения. При возможности, объект поиска инициирует включение надувного поискового ориентира и служит дополнительным ориентиром для поиска с БПЛА 3 и БПЛА 6. Координаты объекта поиска через заданный интервал времени передают в эфир и принимают аппаратурой связи. Изобретение относится к способам проведения поисково-спасательных работ с помощью беспилотных авиационных систем. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 27

Модульный многовинтовой беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки и способ управления им [13] Патент RU 2706765; МПК: B64C 27/08, B64C 39/02 Авторы: Галимов М.М. (RU), Афанасьев И.М. (RU), Данилов И.Ю. (RU), Липатов А.Н. (RU) На рисунке 1.10 изображен общий вид модульного многовинтового беспилотного летательного аппарата вертикального взлета и посадки, который содержит корпус 1, более двух легкоразъемных узлов 2 для соединения консолей 3, опоры 4, которые соединены с корпусом 1 через тензометрический датчик веса 5. Также на корпусе 1 установлены датчик 6 для определения местоположения осей воздушных винтов 11 консолей 3. Снизу Рисунок 1.10 – Модульный многовинтовой беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки и способ управления им к корпусу 1 прикреплен на легкоразъемном соединении грузовой контейнер 7. В зависимости от мощности, эксплуатационных или иных требований консоли 2 могут содержать один или несколько электрических, или бензиновых двигателей с соответствующими средствами управления и обеспечения работой двигателей, а также содержать средства управления тягой в виде устройства наклона двигателя, рулей отклонения струи и т.п., а также средства управления ими. Цель изобретения достижение наиболее экономичных режимов доставки грузов путем оптимизации параметров аппарата к условиям каждого полета за счет сборки конфигурации под заданные требования конкретного полета. Транспортировка и подъем нестандартных и негабаритных грузов. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 28

Система удалённого наблюдения и управления беспилотными летательными аппаратами [14] Патент RU 2657164; МПК: G08G 5/00, G05D 1/00, B64C 39/00 Авторы: Разроев Э.А.О. (RU), Спинко В.Е. (RU) На рисунке 1.11 приведена обобщенная схема прохождения беспилотного летательного аппарата (БПЛА) через зоны ответственности станций организации и управления (СОУ). Каждая СОУ сети включает в себя, по меньшей мере, одну камеру кругового обзора, по меньшей мере, один радиочастотный приемопередатчик, систему обработки и передачи информации, блок стационарного питания, предназначенный для подключения СОУ к сети Рисунок 1.11 – Система удалённого наблюдения и управления беспилотными летательными аппаратами электроснабжения, блок альтернативного питания; по меньшей мере один контрольный выполненный с центр возможностью (КЦ), сбора информации о БПЛА и выработки команд управления БПЛА, при этом КЦ включает в себя систему обработки видеосигнала, по меньшей мере один монитор, автоматизированное рабочее место оператора (АРМ), по меньшей мере один радиочастотный приемопередатчик, блок стационарного питания, предназначенный для подключения КЦ к сети электроснабжения. Сеть СОУ размещена на местности по сотовому принципу, таким образом, чтобы любая точка пространства на высоте не более 200 метров от уровня поверхности находилась в зоне видимости, по меньшей мере, одной камеры кругового обзора СОУ. Техническое решение относится к области использования беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), в частности к системам удаленного наблюдения и управления БПЛА. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 29

Passenger carrying unmanned aerial vehicle powered by a hybrid generator system [15] (Пассажирский беспилотный летательный аппарат, работающий на гибридной генераторной системе) Патент US 2019/0283874; МПК: B64C 39/02, B64D 27/24 Авторы: Long N. Phan (US), Samir Nayfeh (US), Eli M. Davis (US) На рисунке 1.12 показаны схемы пассажирских беспилотников. летательный аппарат 100, 200 для перевозки пассажиров включает в себя пассажирское отделение 102, 202, гибридную систему генератора, которая включает в себя множество роторов 106, каждый из которых соединен с гребным винтом 108. Пропеллеры 108 создают достаточную подъемную силу, чтобы перевозить беспилотный летательный аппарат 100, 200 и пассажирское отделение 102, 202 с пассажиром. В некоторых случаях пассажирское отделение 102, 202 могут быть рассчитаны на перевозку нескольких пассажиров (два и более). Для перевозки Рисунок 1.12 – Passenger carrying unmanned aerial vehicle powered by a hybrid generator system большего количества пассажиров гибридный генератор может включать в себя более крупные двигатели и пропеллеры, большее количество роторов и пропеллеров, может включать двигатель, сконфигурированный для выработки большего количества мощности. Пассажирский беспилотный летательный аппарат приводится в действие гибридной генераторной системой, размер которой достаточен для подъема пассажира и его личных вещей. Гибридная генераторная система для питания беспилотных летательных аппаратов может быть сконструирована с резервированием для обеспечения безопасности пассажиров. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 30

Human life rescue device [16] (Устройство спасения жизни человека) Патент JP 2017/210078; МПК: B64C 39/02, B64C 13/20, B64C 27/08, B64D 47/08, B64D 1/22 Авторы: Yuichiro Niizaki (JP), Yunito Niizaki (JP) На рисунке 1.13 показано спасательное устройство 1, которое включает в себя беспилотный летательный аппарат 2, спасательные средства 4, и средство 5 блокировки спасательных средств. Беспилотный летательный аппарат 2 управляет корпусом 6, множеством роторов 7, электродвигателем 8, который приводит в движение лопасти 7 ротора, аккумулятором 9, который подает питание каждому блоку. Устройство 10 управления управляет каждой частью планера, чтобы выполнять дистанционное управление и автоматическое пилотирование, и включает в себя устройство GPS и устройство связи Рисунок 1.13 – Human life rescue device для получения информации о местоположении (включая информацию о высоте). Камера 12 захватывает переднее и нижнее изображения тела 6, и снятые изображения отображаются в реальном времени на экране монитора устройства управления. Оператор может управлять беспилотным летательным аппаратом 2 с помощью пульта дистанционного управления, просматривая захваченное изображение, координаты GPS-положения и т.п. Тепловой детектор 15 обнаруживает тепло (инфракрасные лучи) человека. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 31

Unmanned aircraft, rescue system and rescue method [17] (Беспилотный летательный аппарат, спасательная система и способ спасения) Патент JP 2017213951; МПК: B64C 39/02, B64C 13/18, B64C 25/58 Авторы: Yusuke Sekine (JP), Shinya Sano (JP), Chisato Iwakiri (JP), Ryota Yamane (JP) На рисунке 1.14 показана схема работы беспилотного летательного аппарата для спасения. Когда беспилотный летательный аппарат 100 принимает сигнал, то переключается из нормального режима в аварийный режим и получает ввод операции спасения, назначенной пользователем A2, через информационное устройство 200. После перемещается к месту бедствия и выполняет спасательную операцию для жертвы бедствия B3. Рисунок 1.14 – Unmanned aircraft, rescue system and Информационное rescue method устройство 200 терминальное может быть, например, портативным терминальным устройством (смартфон, портативное устройство связи, которое не имеет функции вызова и т. д.) Сервер 300 управления представляет собой серверное устройство, которое управляет всей системой и выполняет управление беспилотным летательным аппаратом 100, управление сбором данных и т.п. Передача/прием данных между беспилотным летательным аппаратом 100 и сервером 300 управления и передача/прием данных между терминальным устройством 200 информации и сервером 300 управления выполняются через предварительно определенное ретрансляционное устройство (модем, адаптер терминала, шлюзовое устройство и т. д.). Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 32

A kind of high-rise fire rescues search unmanned plane temporarily [18] (Поисково-спасательный беспилотный летательный аппарат для спасения из пожара) Патент CN 108216606; МПК: B64C 27/08, B64D 47/00, B64D 47/08 Авторы: Wang Zhicheng (CN) На рисунке 1.15 изображена общая структурная схема поисковоспасательного беспилотного летательного аппарата, которой показаны корпус 1, летное крыло 2, корпус ящика для хранения 3, инфракрасная камера 4, прибор для обнаружения жизни 5, двигатель 6, внешний слой 7, внутренний слой 8, пенопласт 9. Корпус Рисунок 1.15 – A kind of high-rise fire rescues search unmanned plane temporarily ящика для хранения 3 имеет двухслойную структуру. двухслойной Внешний слой структуры выполнен из теплоизоляционного алюминиевого сплава. Изобретение включает литиевую батарею, гироскоп, инфракрасную камеру, микрокомпьютер, сигналы для приема передатчика и обнаружения жизни. Настоящее изобретение может быстро удовлетворить насущную потребность в спасательных средствах на высотных высотах, и здание, которое быстро загорается, достигается под воздействием пожарного. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 33

2 Проектно-конструкторский раздел После анализа статей, патентов и готовых существующих решений по тематике выпускной квалификационной работы, была разработана 3D-модель беспилотного летательного аппарата (БПЛА) для эвакуации пострадавших, показывающая примерную компоновку элементов проектируемого устройства. БПЛА для эвакуации, согласно техническому заданию, должен удовлетворять следующим требованиям: 1. Нахождение в воздухе – 20-30 минут 2. Дальность полета – более 2 км 3. Высота полета – до 2 км 4. Грузоподъемность – более 2000 Н 5. Элемент питания – аккумуляторы / двигатель внутреннего сгорания 2.1 Структурно-функциональная схема Структурно-функциональная схема устройства представлена на рисунке 2.1. Рисунок 2.1 – Структурно-функциональная схема БПЛА для эвакуации Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 34

Во время перевозки в эвакуационной капсуле у пострадавшего, с помощью специальных датчиков, будет произведено измерение температуры, пульса и давления. После обработки показаний программой будет принято решение о применении необходимых медикаментов. Полученные показания также будут направлены медицинскому персоналу для подготовки специализированной техники и препаратов. Также в эвакуационной капсуле присутствует система подачи кислорода [2]. 2.2 Подбор комплектующих для БПЛА Принцип движения мультикоптера: При движении стика газа вверх на аппаратуре управления, мультикоптер просто прибавляет обороты на всех двигателях, тем самым набирая высоту. Для полетов в сторону, аппарат кренится в нужную сторону, увеличивая обороты двигателей с одной стороны и снижая с другой. За счет датчиков, соединенных с полётным контроллером (ПК), аппарат кренится только до ограниченного угла, чтобы не перевернуться. Для движения вперед и назад используется тот же принцип. Материал рамы Как уже упоминалось выше, существует возможность применения композиционных материалов. В нашем случае проектируется грузовой беспилотный летательный аппарат для перевозки людей: масса около 100 кг, рост (длина) около 2 метров. Поэтому для создания такого большого мультикоптера было принято решение использовать сплавы алюминия (авиаль) с включением магния, кремния, меди и марганца и отличающихся повышенной прочностью. На рисункеSyntax Warning: Invalid Font Weight 2.2 представлен общий вид БПЛА для эвакуации людей. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 35

Рисунок 2.2 – Общий вид беспилотного летательного аппарата для эвакуации людей из труднодоступных мест Моторы, регулятор оборотов и пропеллеры Для выбора моторов необходимо знать вес мультикоптера и размеры рамы. Согласно заданию, грузоподъемность БПЛА для эвакуации людей должна составлять не менее 2000 Н. Произведем уточнение общей массы устройства: M об = M мк + M чел (2.1) где M мк – масса мультикоптера, кг; M чел – максимальная масса перевозимого человека, кг. M об = 197 + 100 = 297 кг Для обеспечения запаса по мощности, примем M об = 330 кг, что составляет 3300 Н. Проектируемое устройство является квадрокоптером, тогда необходимо, чтобы в сумме все четыре мотора могли обеспечить тягу 340 кг. Для этого у каждого мотора тяга должна составлять минимум 85 кг. В настоящее время моторы с данной тягой нет возможности найти, поэтому предлагается первоначально выбрать двигатель Hacker A200-8 kv110 (рис. 2.3). Характеристики данного мотора представлены в таблице 5. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 36

Рисунок 2.3 – Двигатель Hacker A200-8 kv110 Таблица 5 – Характеристики мотора Hacker A200-8 kv110 Характеристика Значение Максимальная мощность 15000 Вт (15 с) Ток без нагрузки 3,3 А Рабочий ток 180А Максимальный ток 280 А Сопротивление 0,015 Ом Обороты висения 5450 В/мин Масса 2590 гр Рекомендуемый регулятор оборотов MasterSpin 220 Pro OPTO Рекомендуемый тайминг 22º Электропитание LiPo 12-14S Согласно рекомендации, выбираем регулятор оборотов MasterSpin 220 Pro OPTO (рис. 2.4), технические характеристики которого представлены в таблице 6. Рисунок 2.4 – Регулятор MasterSpin 220 Pro OPTO Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 37

Таблица 6 – Характеристики регулятора MasterSpin 220 Pro OPTO Характеристика Рабочий ток Максимальный ток Сопротивление Длина Ширина Высота Масса Электропитание Значение 220 А 286 А 0,00041 Ом 63 мм 120 мм 67 мм 361 гр LiPo 6-14S Расчет полета с использованием калькулятора для мультикоптеров Проверим работоспособность данной системы с использованием онлайн калькулятора для мультикоптеров eCalc. Сначала введем все основные данные для расчета (рис. 2.5): масса модели и масса навесного оборудования (эвакуационная капсула). В качестве питающих элементов выберем LiPo-аккумуляторы. Рисунок 2.5 – Ввод основных данных В результате вычислений (рис. 2.6) получаем, что беспилотный летательный аппарат для эвакуации людей может находиться в воздухе примерно 20 минут. Рисунок 2.6 – Результат вычислений Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 38

Не стоит сильно полагаться на полученные значения, потому что условия являются идеальными, а необходимые компоненты очень трудно приобрести. 2.3 Подбор комплектующих для эвакуационной капсулы Эвакуационная капсула представляет собой устройство для спасения и оказания помощи пострадавшим в чрезвычайных ситуациях военного и мирного времени. На рисунке 2.7 представлена разрабатываемая эвакуационная капсула в разрезе. Рисунок 2.7 – Эвакуационная капсула в разрезе Данная капсула состоит из внешней и внутренней капсул. Внешняя капсула представляет собой оболочку, внутри которой располагается внутренняя капсула, система ее выдвижения, а также медицинское оборудование и препараты. Система выдвижения внутренней капсулы По заданию длина эвакуационной капсулы должна составлять не менее 2000 мм. Для выдвижения внешней капсулы предлагается использовать телескопическую направляющую. Данная направляющая должна выдерживать массу внутренней капсулы совместно с массой человека. Считаем, что максимальная масса человека, перевозимого беспилотным летательным аппаратом, составляет 100 кг. Масса внутренней капсулы составляет 43 кг. Тогда необходимо, чтобы телескопическая направляющая была длиной минимум 2 метра и могла выдвигаться еще на 2 метра, а также выдерживала 200 кг нагрузки. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 39

Подбор телескопических направляющих осуществляется с учетом требуемой грузоподъемности, максимального прогиба в полностью выдвинутом состоянии. Грузоподъемность телескопических направляющей зависит от двух факторов: грузоподъемности шарикового сепаратора и механической жесткости среднего элемента. При небольших длинах рабочего хода определяющим является грузоподъемность сепаратора, а при средних и больших длинах – жесткость среднего элемента. Ожидаемый упругий прогиб в полностью выдвинутом состоянии определяется следующим образом: f = q P t (2.2) где q – коэффициента длины хода (для 2000 мм он равен 11); t – коэффициент, учитывающий специфику модели телескопической направляющей (примем равным 700); P – фактическая нагрузка, воздействующая на центр пары направляющих, Н. Получаем, что ожидаемый упругий прогиб равен: f = 11  2500 = 39 мм 700 В ходе поисков было принято решение использовать телескопическую направляющую E1700 (рис. 2.8), которая в разложенном виде распределяет равномерно на пару параллельно расположенных направляющих 225 кг. Рисунок 2.8 – Телескопическая направляющая Е1700 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 40

Необходимо выяснить срок службы направляющей, т.е. общее пройденное расстояние до момента появления усталостного разрушения на поверхности дорожек и элементов качения [3]. 3  1 L = 100     ,  W fi  (2.3) где L – расчетный эксплуатационный ресурс, км; δ – коэффициент нагрузки, Н; W – эквивалентная нагрузка пары направляющих, Н; f i – коэффициент условий эксплуатации. Эксплуатационный ресурс системы при её эксплуатации в идеальных условиях составляет 100 км. Коэффициент нагрузки для направляющих, выдвигающихся на более 2 метров, равняется 58682 Н. Предполагается эксплуатация в условиях несильных вибраций и со среднечастотными изменениями направления перемещения системы на противоположное. Отсюда f i принимаем равным 2. 3  58682 1  L = 100     = 221757 км  2250 2  Срок службы можно перевести в срок службы, измеряемый в часах. L  103 Lh = , Ve  60 (2.4) где Lh – срок службы, ч; Ve – скорость перемещения, м/мин. Максимальная скорость перемещения для данной направляющей равняется 0,3 м/с, что составляет 18 м/мин. 221757  103 Lh = = 205331 ч 18  60 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 41

Ременная передача Для обеспечения движения телескопической направляющей было принято решение использовать ременную передачу. Был выбран зубчатый ремень метрического профиля с полукруглой формой зуба 3M, открытого типа с шагом зубьев 3 мм и шириной 30 мм (рис.2.9). Рисунок 2.9 – Зубчатый ремень 3M-30 Для данного ремня был подобран шкив TB1210 с рабочей шириной диаметра 32 мм и основным диаметром 97 мм (рис.2.10). Рисунок 2.10 – Шкив TB1210 Зубчатый ремень имеет изготавливается из резины. Армирующим материалом служит стекловолокно, которое имеет большой модуль упругости и предел прочности ( [ ] = 2413 МПа, E = 6,8  10 4 МПа), позволяющие ремню выносить большую нагрузку при минимальном растяжении. Схема строения зубчатого ремня приведена на рисунке 2.11. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 42

Рисунок 2.11 – Схема строения зубчатого ремня 3M-30 В ременной передаче основная нагрузка приходится на ремень, соответственно существует необходимость выполнить проверочный расчет по эквивалентному напряжению:  экв  [ ] , (2.5) где  экв – действующее эквивалентное напряжение в ремне, МПа; [ ] – максимально допустимое для нормальной работы передачи напряжение, МПа. Допустимое напряжение для данного вида ремней составляет [ ] = 37 МПа. Действующее эквивалентное напряжение можно рассчитать по формуле:  экв =  0 + 1 +  ц.б. +  и (2.6) где  0 – напряжение от силы предварительного натяжения, МПа;  1 – напряжение от рабочей нагрузки, МПа;  ц.б. – напряжение от центробежной нагрузки, МПа;  и – изгибные напряжения, МПа. Для зубчатых ремней напряжением от силы предварительного натяжения, напряжением от центробежной нагрузки и изгибным напряжением можно пренебречь. Учитывая вышесказанное условие работоспособности ремня, можно записать в следующем виде:  1  [ ] (2.7) Напряжение от рабочей нагрузки находится по формуле: 1 = Ft , A (2.8) Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 43

где Ft – рабочая нагрузка, Н; A – площадь наименьшего сечения ремня ( A = a  b = 1,2  30 = 36 (мм2)). Рабочей нагрузкой в нашем случае будет являться вес эвакуационной капсулы совместно с человеком – 1430 Н. Для выдвижения внутренней капсулы будут использоваться два ремня, отсюда следует, что рабочая нагрузка будет равномерно распределена на них и составит по 715 Н на каждый ремень. 1 = 715 = 19,9 (МПа) 36 19,9 (МПа) ≤ 37 (МПа). Условие выполняется, следовательно, данный ремень возможно применять в проектируемом устройстве. Шаговый двигатель Для обеспечения движения ременной передачи и, соответственно, телескопической направляющей, в конструкции предлагается использовать шаговые электродвигатели (ШД). Шаговый электродвигатель – синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками, в котором ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора. При последовательной активации обмоток, шаговый двигатель повернется строго на определенный угол. Главными критериями при выборе шагового двигателя являются крутящий момент, точность позиционирования и скорость перемещения. Выбор шагового двигателя по крутящему моменту производят согласно следующего условия: Tрасч  Tном , (2.9) где Tрасч – расчетный крутящий момент, Нм; Tном – номинальный крутящий момент двигателя, Нм. Расчетный крутящий момент зависит от нагрузки, которая создается внутренней эвакуационной капсулой, при перемещении по направляющим, а также Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 44

от механической передачи, с помощью которой осуществляется перемещение. В качестве передачи, осуществляющей движение, была выбрана ременная передача. Тогда расчетный крутящий момент вычисляется по формуле: Tрасч = F  dшк , 2 (2.10) где F – максимальная нагрузка, Н; d шк – диаметр шкива, м. Максимальная нагрузка равняется весу внутренней эвакуационной капсулы с лежащим внутри человеком – 1430 Н. В конструкции предлагается использовать два шаговых двигателя, для равномерного распределения нагрузки. Tрасч = 715  0,097 = 34,7 Нм 2 Согласно полученному значению, выбираем шаговый двигатель NEMA 51 FL130BYG2503 (рис. 2.12) с номинальным крутящим моментом Tном = 50 Нм. В таблице 7 приведены основные характеристики данного шагового двигателя. Рисунок 2.12 – Шаговый двигатель NEMA 51 FL130BYG2503 Таблица 7 – Характеристики шагового двигателя NEMA 51 FL130BYG2503 Параметр Угловой шаг Ток фазы Момент Максимальная допустимая радиальная нагрузка на вал Максимальная допустимая осевая нагрузка на вал Диаметр вала Значение 1,8º 7А 50 Нм 220 Н 60 Н 22 мм Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 45

Определим расчетную скорость вращения шагового электродвигателя:  расч = n    d шк , 60 (2.11) где n – кол-во оборотов, об/мин. Количество оборотов зависит от параметров шагового двигателя и используемых драйверов, и в общем случае составляет не менее 480 об/мин.  расч = 480    0,097 = 2,4 м/с 60 Согласно документации на телескопическую направляющую максимальная скорость перемещения равна 0,3 м/с. Расчетная скорость перемещения данного шагового двигателя значительно превышает максимальную скорость перемещения направляющей, что можно будет отрегулировать драйверами для шаговых двигателей. 2.4 Проверочный расчет болтовых соединений Присоединение эвакуационной капсулы к беспилотному летательному аппарату будет осуществляться с помощью болтового соединения. Место соединения будет испытывать наибольшую нагрузку под действием веса эвакуационной капсулы с перевозимым в ней человеком. Схема соединения изображена на рисунке 2.13. Рисунок 2.13 – Схема соединения эвакуационной капсулы и БПЛА Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 46

Болтовое соединение будет осуществляться следующими стандартными изделиями: – Болт ГОСТ 15589-70 – М20x65; – Шайба ISO 7092 – 20-200HV; – Гайка ГОСТ Р 50592-93 – M20-6H. Исходные данные для расчета: Осевое усилие на болты: Fw = 1430 Н. Марка стали болтов: ст35. Допускаемое напряжение при температуре 30 ºС: - на растяжение: [σ] = 129,5 МПа; - на срез: [τ] = 64,75 МПа. Номинальный диаметр резьбы болта: D = 20 мм. Шаг резьбы болта: Р = 2,5 мм. Диаметр резьбы по впадинам: d3 = 16,93 мм. Коэффициент полноты резьбы: - болта: K1 = 0,75; - гайки: K1 = 0,875. Коэффициент деформации витков: Km = 0,6. Коэффициенты наличия смазки: ζ = 0,13; ζ1 = 0,26. Количество болтов: z = 30. Расчет болтов на прочность Площадь сечения болта: 1 Aw =  d32 4 (2.12) 1 Aw =    16,932 = 225,1 мм2 4 Площадь сечения тела болта: Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 47

1 AD =  D 2 4 (2.13) 1 AD =    202 = 314,2 мм2 4 Момент сопротивления сечения кручению: Ww = Ww = 1  d33 16 (2.14) 1    16,933 = 952.8 мм3 16 Крутящий момент при затяжке:  Fw D Mk = z (2.15) 0,13  1430  0,02 = 0,12 Нм 30 Mk = Момент на ключе для обеспечения усилия Fw : M kl = M kl =  1Fw D z (2.16) 0,26  1430  0,02 = 0,25 Нм 30 Напряжения на растяжение и срез в болте должны удовлетворять следующим условиям:  w    (2.17)     (2.18) Напряжения на растяжение: w = w = Fw A wz (2.19) 1430 = 0,21 МПа 225,1  30 0,21 Мпа < 129,5 МПа – условие выполняется Напряжения среза резьбы: Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 48

= = Fw  d3 zK1K m (2.20) 1430 = 2 МПа  16,93  30  0,75  0,6 2 Мпа < 64,75 МПа – условие выполняется Напряжения кручения: k = k = Mk Ww (2.21) 0,12 120 = = 0,13 МПа 952,8 952,8 Расчет по условию нераскрытия стыка В рассматриваемом случае будут действовать напряжения от затяжки и момента, определяемые по следующим формулам:  зат = Fзат  z ; Aст (2.22) M , Wст (2.23) M = где Fзат – сила затяжки болта, Н; z – кол-во отверстий; Аст – площадь стыка, мм2; M – момент, действующий на стык, Нм; Wст – момент сопротивления изгибу для площади стыка, мм3. Условие выбора напряжения затяжки:  зат = K   M , (2.24) где K = 2 – коэффициент запаса по нераскрытию стыка. Момент, действующий на стык, находится по следующей формуле: M = G l . (2.25) где G – вес эвакуационной капсулы с перевозимым человеком, Н; Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 49

l – максимальная длина выхода внутренней капсулы, м. Произведем расчет: M = 2000 1,9 = 3800 Нм Далее произведем расчет по формуле (2.23), а затем из условия (2.24) определим  зат и из формулы (2.22) выразим и рассчитаем Fзат : M = 3800 1  390  2300 6 = 0,03 МПа  зат = 2  0,03 = 0,06 МПа Fзат =  зат  Aст z = 0,06  390  2300 = 1794 Н. 30 Таким образом, была найдена необходимая сила затяжки болтов для нераскрытия стыка. 2.5 Предварительная оценка стоимости конструкции Для создания прототипа беспилотного летательного аппарата для эвакуации людей из труднодоступных мест необходимо произвести закупку следующих основных изделий, приведенных в таблице 8. Таблица 8 – Основные покупные изделия № Наименование п/п 1 Мотор Hacker A200-8 kv110 2 MasterSPIN 220 Pro 3 Зубчатый ремень 3M-30 4 Шкив зубчатый 5 Двигатель шаговый NEMA 51 6 Телескопическая направляющая Прочие изделия ИТОГО Кол-во Ед.изм. 4 4 6 4 2 2 шт шт м шт шт шт Стоимость, € Цена за ед. Цена 1050 4200 500 2000 6,6 40 20,5 82 360 720 3200 6400 1518000 1530000 В итоге примерная стоимость составляет 1530000 €, что на сегодняшний курс составляет примерно 121 млн рублей. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 50

3 Математическая модель Квадрокоптер – летательный аппарат, который имеет четыре несущих винта, где два противоположных винта вращаются в одном направлении, а два других – в обратном. Маневрирование осуществляется при помощи изменения скоростей вращения винтов. Необходимость создания математической модели обуславливается тем, что нужно как можно точнее описать управление летательным аппаратом. Квадрокоптер имеет шесть степеней свободы, но управлять можно только скоростями вращения винтов. Рассмотрим квадрокоптер (рис. 3.1) с известными физическими параметрами, который осуществляет движение относительно неподвижной инерциальной системы отсчета, связанной с Землей. Инерциальная система задана перпендикулярными координатными осями Ox, Oy, Oz , ось Oz направлена противоположно вектору силы тяжести. С квадрокоптером связана система координат, центр которой размещен в центре масс аппарата, а оси OxB , OyB , Oz B параллельны и сонаправлены с осями неподвижной системы. Угловое положение аппарата задается тремя параметрами: углами крена φ, тангажа θ и рыскания ψ, которые определяют вращение вокруг осей OxB , OyB , Oz B . Рисунок 3.1 – Система координат квадрокоптера Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 51

3.1 Кинематические уравнения В полученной системе координат линейные скорости зададим вектором VB , а угловые – v: vx ,B    VB =  v y , B  v   z ,B  (3.1)  p v = q     r  (3.2) На рисунке 3.2 изображена схема ориентации квадрокоптера с помощью углов крена, тангажа и рыскания, которая позволяет составить матрицы поворота аппарата. Рисунок 3.2 – Схема ориентации квадрокоптера в пространстве Матрицы поворота аппарата будут иметь следующие виды:  X 2   cos Y  =  − sin  2    Z 2   0 sin cos 0 0  X1  0  Y1   1   Z1  (3.3) Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 52

 X 3  cos Y  =  0  3    Z3   sin  0 − sin    X 2  1 0  Y2   0 cos   Z 2  (3.4) 0 0   X3   X  1 Y  = 0 cos  sin   Y      3   Z  0 − sin  cos    Z3  (3.5) Объединим полученным матрицы и получим: cos cos X      R = Y = − sin cos  + cos sin  sin      Z   sin sin  + cos sin  cos  sin cos − sin    X1  cos cos  + sin sin  sin  cos sin   Y1   − cos sin  + sin sin  cos  cos cos    Z1  (3.6) Матрица поворота является ортогональной, значит матрица поворота в подвижной системе будет находиться следующим образом R −1 = RT . Связь между линейными скоростями в инерциальной и подвижной системах координат задается следующим отношением: x   y  = RV B    z  (3.7) Получаем следующие соотношения для угловых скоростей: 0  p  1  q  = 0 cos      r  0 − sin     1 sin tg    cos    = 0    sin    0 cos  − sin       sin  cos     cos  cos    (3.8)  cos tg   p   − sin    q    cos    r   cos  (3.9) 3.2 Динамические уравнения Вектор скорости квадрокоптера в инерциальной системе обозначим v, тогда Второй закон Ньютона примет вид: Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 53

mo dv =F dt (3.10) где mo – общая масса устройства, кг; F – вектор суммарной силы, приложенной к нему, Н. При переходе от неподвижной системы координат в подвижную, закон преобразуется следующим образом: mo где dv d v = mo ( B + w  v) = FB dt dt (3.11) d Bv – линейное ускорение устройства относительно подвижной системы dt координат; w – угловая скорость вращения подвижной системы относительно инерциальной, рад/с. Управляющая сила вычисляется и прикладывается в подвижной системе координат, соответственно получаем следующее выражение: vx , B   rv y , B − qvz ,B   Fx      1   v y , B  =  pvz ,B − rvx ,B  +  Fy  m o  v   qv − pv   y ,B   Fz   z ,B   x,B (3.12) Второй закон Ньютона при вращательном движении в Земной неподвижной системе принимает следующий вид: dL =M dt (3.13) где L – угловой момент, кг  м 2 с ; М – момент вращения силы, Н  м . При переходе от неподвижной системы координат в подвижную, закон преобразуется следующим образом: dL d B L = + w L = MB dt dt (3.14) где L = JwB , а J – тензор инерции. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 54

Примем квадрокоптер в качестве шара с радиусом Rk, и массой Mk. От центра данного шара, на расстоянии l, расположены материальные точки с массой m (рис. 3.3). Рисунок 3.3 – Схематичное представление квадрокоптера Принимаем квадрокоптер за симметричное тело, тогда тензор инерции будет иметь следующий вид: Jx J =0   0 0 Jy 0 0 0  J z  (3.15) где J x , J y , J z – компоненты тензора, которые находятся по формулам: 2M k Rk2 Jx = J y = + 2l 2m 5 (3.16) 2M k Rk2 Jz = + 4l 2m 5 (3.17) Получаем, что угловые ускорения находятся следующим образом:  0 r −q   J x  p   q  = J −1  −r 0 p  0       r    q − p 0   0 0 Jy 0 0   p   0   q  + M BT     J z   r   (3.18) Представим M BT в виде:      M BT =        (3.19) Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 55

Тогда окончательно получаем, что угловые ускорения равны:  Jy − Jz  1   qr       Jz   Jx   p    q  =  J z − J x pr  +  1        J   Jy  y  r       J x − J y pq   1    J z   J z  (3.20) 3.3 Модель для управления Добавим к модели квадрокоптера (формулы 3.7 – 3.9, 3.12, 3.20) выражения, описывающие силы и крутящие моменты, действующие на устройство (рис. 3.4). Рисунок 3.4 – Действующие на квадрокоптер силы и крутящие моменты Подъемная сила и крутящие моменты винтов прямо пропорциональны квадрату скорости их вращения [20] и находятся по следующим формулам: ( F = k 12 + 22 + 32 + 42 ) (3.21) Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 56

( )  = lk ( −  )  = b ( − +  −  +  )   = lk 42 − 22 2 3 2 1 2 1 2 2 2 3 2 4 (3.22) (3.23) (3.24) где i – скорость вращения i-го винта, рад/с; k, b – постоянные, определяемые экспериментально. На квадрокоптер действует сила тяжести: 0    Fg = 0    − mo g  (3.25) В подвижной системе координат формула 3.25 примет следующий вид: Fg ,B  mo g sin    =  −mo g sin  cos   −mo g cos  cos  (3.26) Подставим полученные выражения в формулу 3.12 и получаем: vx ,B   rv y , B − qvz ,B  0 sin       F    − sin  cos  v y , B  =  pvz , B − rvx ,B  − g 0  +  mo  v   qv − pv      1 − cos  cos     y ,B   z ,B   x,B (3.27) Считаем, что углы  и  малы и ими можно пренебречь, тогда формула 3.9 принимает следующий вид:    p        =  q     r    (3.28) Аналогично считаем, что компоненты qr, pr, pq формулы 3.20 малы, тогда получаем: Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 57

1     J  p  x  q  =  1     J    r   y  1      J z  (3.29) С учетом данного выражения, получаем, что производная 3.28 будет следующей: 1     J    x    1    =  J       y     1      J z  (3.30) Пренебрегая R продифференцируем формулу 3.7: x   y  = RV B    z  (3.31) Инерциальная система является неподвижной, тогда формулу 3.27 можно подставить в формулу 3.31, отбросив первое слагаемое: x  0  cos sin  cos + sin sin   F  y  = − g 0  + sin sin  cos  − cos sin       m   o  z  1  cos  cos  (3.32) К данной системе необходимо дополнить силу аэродинамического сопротивления [6]: Fa = cd v2 2 S (3.33) где cd – коэффициент аэродинамической силы;  – плотность воздуха, кг м3 ; v – скорость набегающего потока воздуха, м/с; Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 58

S – площадь поверхности аппарата, на которую воздействует набегающий поток, м 2 Совместив все выражения получаем следующую математическую модель квадрокоптера:  F − sign( x)cd  x = (cos sin  cos  + sin sin  ) m o   F − sign( x)cd  y = (sin sin  cos  − cos sin  ) mo   2  z = cos  cos F − g − sign( z )cd  z S z  mo 2   = 1    Jx   = 1    Jy   1  = J   z Таким образом, описываются линейные и  x2 2  y2 2 Sx Sy угловые (3.34) ускорения, а следовательно, и местоположение квадрокоптера. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 59

4 Интеллектуальная программа распознавания объектов для беспилотного летательного аппарата 4.1 Постановка задачи Для выполнения задачи используется dataset «sdd lacmus version» с изображениями, которые были получены с БПЛА. Совместно со снимками в dataset присутствует файл с разметкой для обучения, который указывает на положение людей на снимках. Данный dataset представлен разработчиками кроссплатформенного приложения Lacmus, которое помогает найти потерявшихся людей с помощью компьютерного зрения и нейронных сетей. Для макета программного обеспечения было взято 1133 изображений для обучения и 48 изображений для тестирования. На рисунке 4.1 представлен пример такого снимка. Рисунок 4.1 – Пример снимка из dataset «sdd lacmus version» Обучение нейросети будет осуществляться на фрагментах изображений размером 66х83. Пример фрагмента изображения представлен на рисунке 4.2. Рисунок 4.2 – Пример фрагмента изображения для обучения ИНС Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 60

Обучение искусственной нейронной сети (ИНС) будет производиться с помощью модуля nnstart программного комплекса Matlab (временная лицензия для студентов). 4.2 Программа для подготовки данных Программа для подготовки данных на основе dataset фотографий и файла с разметкой местоположения людей на фото осуществляет подготовку данных для обучения ИНС. На выходе программа сохраняет mat файл с матрицами inputs (входные данные для обучения) и targets (данные разметки). Каждое изображение dataset разбивается на сэмплы (sample) размером 50x50 пикселей и разворачиваются в вектор-строку. Для каждого сэмпла определяется наличие или отсутствие на нем людей. На рисунке 4.3 представлены примеры сэплов из фрагмента изображения и соответствующая для них разметка. Листинг кода представлен в приложении В. Рисунок 4.3 – Примеры сэмплов для обучения Программа для подготовки данных «prepare_data» имеет следующие атрибуты: • Наименование исполняемого файла • Размер исполняемого файла - prepare_data.m - 2 303 байт • «Иконка» исполняемого файла • Исходное имя файла • Язык - prepare_data.m - English (United States) Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 61

Системные программные средства, используемые программой step.m, должны быть представлены локализованной версией операционной системы Windows 7/8/8.1/10. Также для функционирования программы prepare_data.m на ПК необходимо предустановленное программное обеспечение MatLab (версии не ниже 2013b). Программа MatLab должна быть установлена в каталог C:\Program Files\MATLAB\. Для установки данной программы необходимо скачать пробную версию и временную лицензию для студентов с сайта https://matlab.ru/education/student-trial, запустить установочный файл и следовать указаниям установщика. Исходным языком программирования для «prepare_data.m» является язык программирования среды MatLab. Программа «prepare_data.m» работает под управлением ОС Windows 7/8/8.1/10. Основной функцией программы «prepare_data.m» является вызов из каталога C:\Program Files\MATLAB\...\bin\ программы matlab.exe. Дополнительно программа step.m проверяет наличие по указанному пути (C:\Program Files\MATLAB\...\bin\) исполняемого модуля программы matlab.exe, в случае его отсутствия, выдается сообщение «Файл matlab.exe не найден, переустановите программу». Основная задача программы prepare_data – подготовка данных на основе файлов изображений для обучения ИНС. Программа «prepare_data.m» не имеет функциональных ограничений на применение. Программа «prepare_data.m» состоит из одной запускаемой формы и не имеет других составных частей. Программа «prepare_data.m» в ходе своей работы запускает программу «MatLab», поэтому для ее функционирования необходимо предустановленная в каталог «C:\Program Files\MATLAB\» программа matlab.ехе (версии не ниже 2013b). Описание работы программы по блок-схеме, представленной на рисунках 4.4 и 4.5: Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 62

Рисунок 4.4 – Блок-схема программы «prepare_data» Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 63

Рисунок 4.5 – Блок-схема программы «prepare_data» (продолжение) Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 64

Блок №1. Начало программы. Блок №2. Создание матриц inputs, targets, inputs_neg_ targets_neg. Блок №3. Объявление названия папок с изображениями для обучения. Блок №4. Цикл для перебора всех папок. Блок №5. Занесение имен файлов в указанной папке в массив. Блок №6. Для соответствующей папки с изображениями загружается файл с разметкой, в котором указано положение людей на снимках. Блок №7. Цикл для перебора всех изображений в папке. Блок №8. Загрузка изображения в матрицу и поиск координат людей на изображении. Блок №9. Сброс положения сэмпла по координате у. Блок №10. Проверка условия достижения крайней координаты у. Блок №11. Сброс положения сэмпла по координате х. Блок №12. Проверка условия достижения крайней координаты х. Блок №13. Выделение сэмпла. Блок №14. Преобразование сэмпла в обучающий пример. Блок №15. Сброс флага наличия людей на фрагменте снимка. Блок №16. Проверка условия наличия людей на фрагменте снимка. Блок №17. Обновление матриц inputs и targets. Блок №18. Обновление положения координаты х. Блок №19. Обновление положения координаты у. Блок №20. Проверка случайного числа для отсечения части негативных примеров. Блок №21. Обновление матриц inputs_neg и targets_neg. Блок №22. Инкрементация для перебора изображений. Блок №23. Инкрементация для перебора папок. Блок №24. Слияние матриц негативных и положительных примеров. Блок №25. Сохранение матриц inputs и targets в mat файл. Блок №26. Конец программы. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 65

4.3 Программа для обучения ИНС Для работы программы необходимо загрузить подготовленные для обучения данные. Для обучения сети используется модель nnstart. На рисунке 4.6 представлена архитектура используемой сети. Результатом выполнения программы является сохраненная в mat файл обученная нейросеть. Также выводятся информационные графики, которые показывают процесс обучения ИНС. В консоль выводится точность сети на тестовой выборке. Листинг кода представлен в приложении Г. Рисунок 4.6 – Архитектура ИНС Программа для подготовки данных «train_data» имеет следующие атрибуты: • Наименование исполняемого файла • Размер исполняемого файла - train_data.m - 929 байт • «Иконка» исполняемого файла • Исходное имя файла • Язык - train_data.m - English (United States) Системные программные средства, используемые программой step.m, должны быть представлены локализованной версией операционной системы Windows 7/8/8.1/10. Также для функционирования программы train_data.m на ПК необходимо предустановленное программное обеспечение MatLab (версии не ниже 2013b). Программа MatLab должна быть установлена в каталог C:\Program Files\MATLAB\. Для установки данной программы необходимо скачать пробную версию и Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 66

временную лицензию для студентов с сайта https://matlab.ru/education/student-trial, запустить установочный файл и следовать указаниям установщика. Исходным языком программирования для «train_data.m» является язык программирования среды MatLab. Программа «train_data.m» работает под управлением ОС Windows 7/8/8.1/10. Основной функцией программы «train_data.m» является вызов из каталога C:\Program программа Files\MATLAB\...\bin\ step.m проверяет программы наличие по matlab.exe. указанному Дополнительно пути (C:\Program Files\MATLAB\...\bin\) исполняемого модуля программы matlab.exe, в случае его отсутствия, выдается сообщение «Файл matlab.exe не найден, переустановите программу». Основная задача программы train_data – обучение ИНС для классификации изображений на присутствие на них людей. Программа «train_data.m» не имеет функциональных ограничений на применение. Программа «train_data.m» состоит из одной запускаемой формы и не имеет других составных частей. Программа «train_data.m» в ходе своей работы запускает программу «MatLab», поэтому для ее функционирования необходимо предустановленная в каталог «C:\Program Files\MATLAB\» программа matlab.ехе (версии не ниже 2013b). Описание работы программы по блок-схеме, представленной на рисунке 4.7: Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 67

Рисунок 4.7 – Блок-схема программы «train_data» Блок №1. Начало программы. Блок №2. Загрузка матриц inputs, targets. Блок №3. Создание архитектуры нейросети, а именно: определение количества слоев, оптимизатора, распределения выборок, эпох обучения. Блок №4. Запуск процесса обучения ИНС. Блок №5. Вывод в консоль точности сети на тестовой выборке. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 68

Блок №6. Вывод графиков обучения сети, а именно: график изменения ошибки и градиента, изображение структуры сети. Блок №7. Сохранение обученной сети в mat файл. Блок №8. Конец программы. 4.4 Результаты обучения Для обучения ИНС использовалась архитектура сети с двумя скрытыми слоями. Для оптимизации применялся метод сопряженного градиента для обратного распространения. Набор данных для обучения состоял из 42206 примеров разбитых на обучающую, валидационную и тестовую выборки. Для предотвращения переобучения использовалась валидационная проверка – если ошибка на валидационной выборке не падает в течение 6 эпох, то обучение останавливается. На рисунке 4.8 представлен график изменения точности ИНС на тестовых данных в зависимости от количества нейронов. Рисунок 4.8 – График изменения точности ИНС Наибольшая точность была получена при 264 нейронах на скрытых соях. На рисунке 4.9 представлен график изменения ошибки от количества пройденных эпох обучения. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 69

Рисунок 4.9 – График изменения ошибки от количества пройденных эпох обучения Для увеличения точности сети есть несколько направлений, среди которых: увеличение количества нейронов скрытого слоя, увеличение dataset, усложнение архитектуры ИНС. 4.5 Программа для тестирования ИНС При выполнении программы загружается обученная ранее ИНС. Затем пользователь указывает путь до изображения, на котором будет происходить обнаружение людей. Полученное изображение разбивается на сэмплы размером 50x50. Каждый сэмпл подается на вход ИНС. Если сеть показывает, что на нем присутствует человек, то данный сэмпл на изображении помещается в прямоугольную рамку. На рисунке 4.10 представлено изображение, полученное в ходе работы программы. В данном обработанном изображении наблюдается одно ложное срабатывание, а также одна из зон с людьми осталась неотмеченной. Листинг кода представлен в приложении Д. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 70

Рисунок 4.10 – Тестовое изображение с отмеченными на нем зона с людьми Программа для подготовки данных «test_data» имеет следующие атрибуты: • Наименование исполняемого файла • Размер исполняемого файла - test_data.m - 953 байт • «Иконка» исполняемого файла • Исходное имя файла • Язык - test_data.m - English (United States) Системные программные средства, используемые программой step.m, должны быть представлены локализованной версией операционной системы Windows 7/8/8.1/10. Также для функционирования программы test_data.m на ПК необходимо предустановленное программное обеспечение MatLab (версии не ниже 2013b). Программа MatLab должна быть установлена в каталог C:\Program Files\MATLAB\. Для установки данной программы необходимо скачать пробную версию и временную лицензию для студентов с сайта https://matlab.ru/education/student-trial, запустить установочный файл и следовать указаниям установщика. Исходным языком программирования для «test_data.m» является язык программирования среды MatLab. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 71

Программа «test_data.m» работает под управлением ОС Windows 7/8/8.1/10. Основной функцией программы «test_data.m» является вызов из каталога C:\Program программа Files\MATLAB\...\bin\ step.m проверяет программы наличие по matlab.exe. указанному Дополнительно пути (C:\Program Files\MATLAB\...\bin\) исполняемого модуля программы matlab.exe, в случае его отсутствия, выдается сообщение «Файл matlab.exe не найден, переустановите программу». Основная задача программы test_data – тестирование ИНС для распознавания людей и выделение соответствующих зон на изображении. Программа «test_data.m» не имеет функциональных ограничений на применение. Программа «test_data.m» состоит из одной запускаемой формы и не имеет других составных частей. Программа «test_data.m» в ходе своей работы запускает программу «MatLab», поэтому для ее функционирования необходимо предустановленная в каталог «C:\Program Files\MATLAB\» программа matlab.ехе (версии не ниже 2013b). Описание работы программы по блок-схеме, представленной на рисунке 4.11: Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 72

Рисунок 4.11 – Блок схема программы «test_data» Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 73

Блок №1. Начало программы. Блок №2. Загрузка обученной ИНС. Блок №3. Ввод пути до тестового изображения. Блок №4. Загрузка изображения в матрицу. Блок №5. Сброс положения сэмпла по координате у. Блок №6. Проверка условия достижения крайней координаты у. Блок №7. Сброс положения сэмпла по координате х. Блок №8. Проверка условия достижения крайней координаты х. Блок №9. Выделение сэмпла. Блок №10. Преобразование сэмпла в обучающий пример. Блок №11. Расчет выхода ИНС. Блок №12. Проверка условия обнаружения сетью людей на фрагменте. Блок №13. Отрисовка прямоугольника, указывающего на присутствие людей на фрагменте изображения. Блок №14. Обновление положения координаты х. Блок №15. Обновление положения координаты у. Блок №16. Конец программы. В ходе выполнения работы была разработана программа поиска людей на снимках с БПЛА для последующей эвакуации. Также было выполнено тестирование полученной программы. Точность обнаружения на тестовых данных составила примерно 87%. При разработке ПО для реального объекта необходимо использовать более продвинутые архитектуры ИНС, а также использовать большее количество данных для обучения. При этом при увеличении количества данных и сложности нейросетей возникает необходимость в применении более мощных компьютеров, либо специальных серверов. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 74

Заключение В ходе выполнения выпускной квалификационной работы были проанализированы виды беспилотных летательных аппаратов и выбран наиболее подходящий, была изучена информация по грузовым беспилотным воздушным суднами с целью применения их для эвакуации пострадавших при различных ЧС. Грузовые дроны не являются экзотикой, их используют для решения различных задач. Широкое применение квадрокоптеры с большой грузоподъемностью на данный момент находят в сельском хозяйстве, в кинематографе. В перспективе они появятся в курьерских службах. Стоимость таких беспилотников достаточно высока, но это необходимо для увеличенной надежности и грузоподъемности. Главными препятствиями для того, чтобы использовать дроны для чего-то важного в нашей стране являются вовсе не высокая стоимость и затянутая окупаемость проекта. Основные проблемы внедрения – преступность и проблемы законодательной базы. Полноценной законодательной базы коммерческой для передачи грузов при помощи мультикоптеров и прочих беспилотных летательных аппаратов не существует нигде. Дополнительным ограничением является то, что в отличие от полноразмерных воздушных суден дроны могут летать далеко не на всех территориях. И основным препятствием в этом являются вовсе не объекты общего гражданского пользования, а именно частные охраняемые территории, такие как объекты недвижимости, принадлежащие высокопоставленным чиновникам. Эта проблема усложняется тем, что для подобных летательных аппаратов уже созданы специальные системы, сбивающие курс дрона, перенаправляющие его и ликвидирующие беспилотный объект. Для разработки есть ряд ограничений, одним из которые является принятый 27 сентября 2019 года в Российской Федерации закон об учете и регистрации беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 75

Согласно закону о беспилотных летательных аппаратах, учету подлежат дроны массой от 250 грамм до 30 кг. Беспилотникам разрешено летать на высоте до 150 метров и вдали от людей — на расстоянии от 50 метров. Беспилотники массой от 30 килограмм нужно регистрировать в том же порядке, что и пилотируемые воздушные суда. За сутки до полета нужно согласовать план передвижения. За два часа до вылета – сообщить о готовности, после взлета – о факте вылета, после приземления – о завершении полета. Полеты возможны только вне диспетчерских зон. Нельзя проводить полеты и съемку в запретных зонах и зонах ограничения полетов. БПЛА для эвакуации пострадавших из труднодоступных мест может быть использован в медицинских учреждения, в районах с потенциально опасными географическими зонами, подразделениях МЧС и в армейский подразделениях Российской Федерации, что, возможно, нивелирует ограничения недавнего закона. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 76

Список использованных источников 1. Амелин, К.С. Метод ориентирования сверхлегкого БПЛА при редком обновлении данных о его местоположении // Стохастическая оптимизация в информатике. – 2014. – №10 (2). – С. 3-14. 2. Анненкова, Ж.Е. Разработка мехатронного дыхательного аппарата при реабилитации пациентов с нарушениями дыхательной функции / Ж.Е. Анненкова, А.В. Горин, В.В. Романов // Перспективы отраслевого взаимодействия в комплексной реабилитации: материалы II Международной научно-практической конференции (2425 октября 2019 года, г. Орёл). – 2019. – С. 10-13. 3. Гурьянов, А.Е. Моделирование управления квадрокоптером // Электронный научно-технический журнал Инженерный вестник. – 2014. – №8 – С. 522-534. 4. Егоров, О. Д. Мехатронные модули. Расчет и конструирование: Учебное пособие / О. Д. Егоров, Ю. В. Подураев. – М.: МГТУ «СТАНКИН», 2004. – 360 с. 5. Каршов, Р.С. Классификация беспилотных летательных аппаратов // Проблемы Науки. – 2016. – №11 (53). – С. 38-40. 6. Мартынов, А.К. Экспериментальная аэродинамика / А.К. Мартынов. – Москва: Государственное издательство оборонной промышленности, 1950. – 479 с. 7. Сенюшкин, Н.С. Применение композиционных материалов в конструкции БПЛА / Н.С. Сенюшкин, Р.Р. Ямалиев, Л.Р. Ялчибаева // Молодой ученый. – 2011. – №4. Т.1. – С. 59-61. 8. Шутин, Д.В. Повышение энергоэффективности беспилотных летательных аппаратов за счет применения новых подходов в проектировании и изготовлении корпусных изделий / Д.В. Шутин, В.В. Романов, Н.В. Токмаков // Энерго- и ресурсосбережение – XXI век.: материалы XVII международной научнопрактической конференции (2 – 4 декабря 2019 г., г. Орёл). – 2019. – С. 226-229. 9. Пат. RU 139238 U1, МПК: A62B 99/00. Беспилотный летательный комплекс первой помощи / Богомолов А.В., Алёхин М.Д., Русскин А.В.; патентообладатель Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 77

Богомолов А.В., Алёхин М.Д., Русскин А.В. – № 2013151121/12; заявл. 18.11.2013; опубл. 10.04.2014 Бюл. № 10. – С. 10. 10. Пат. RU 2694528 C1, МПК: A62B 99/00. Способ проведения поисковоспасательных работ / Шерстнев В.В., Бодин О.Н., Безбородова О.Е. и др.; патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью (ООО) "Кардиовид". – №2018139491; заявл. 07.11.18; опубл. 16.07.19, Бюл. № 20. – С. 31 11. Пат. RU 2658466 C1, МПК: A61B 5/04. Переносной и транспортируемый изолируемый роботизированный эвакуационный медицинский модуль / Садовничий В.А., Соколов М.Э., Подольский В.Е., и др.; патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ). – № 2017144637; заявл. 19.12.2017; опубл. 21.06.2018, Бюл. № 18. – С. 37. 12. Пат. RU 2698893 C1, МПК: A62B 99/00, B64C 39/02. Способ проведения поисково-спасательных работ / Борисов Е.Г., Талан А.С., Типикина К.С., Киртянова О.Н.; патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "ТехноСтандарт" (ООО "ТехноСтандарт"). – № 2018146345; заявл. 24.12.2018; опубл. 30.08.2019, Бюл. № 25. – С. 19. 13. Пат. RU 2706765 C1, МПК: B64C 27/08, B64C 39/02. Модульный многовинтовой беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки и способ управления им / Галимов М.М., Афанасьев И.М., Данилов И.Ю., Липатов А.Н.; патентообладатель Автономная некоммерческая организация высшего образования "Университет Иннополис". – № 2018123436; заявл. 27.06.2018; опубл. 20.11.2019, Бюл. № 32. – С. 30. 14. Пат. RU 2657164 C1, МПК: G08G 5/00, G05D 1/00, B64C 39/00. Система удалённого наблюдения и управления беспилотными летательными аппаратами / Разроев Э.А.О., Спинко В.Е; патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "Аэроксо". – № 2016152047; заявл. 27.12.2016; опубл. 08.06.2018, Бюл. № 16. – С. 14. 15. Пат. US 2019/0283874 A1, МПК: B64C 27/08, B64C 39/02. Passenger carrying unmanned aerial vehicle powered by a hybrid generator system / Long N. Phan, Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 78

Samir Nayfeh, Eli M. Davis; патентообладатель Top Flight Technologies, Inc. – № 16/416,344; заявл. 20.05.2019; опубл. 19.09.2019. – С. 34. 16. Пат. JP 2017-210078 A, МПК: B64C 39/02, B64C 13/20, B64C 27/08, B64D 47/08, B64D 1/22. Human life rescue device / Yuichiro Niizaki, Yunito Niizaki. – № 2016-103893; заявл. 25.05.2016; опубл. 30.11.2017. – С. 9. 17. Пат. JP 2017213951, МПК: B64C 39/02, B64C 13/18, B64C 25/58. Unmanned aircraft, rescue system and rescue method / Yusuke Sekine, Shinya Sano, Chisato Iwakiri, Ryota Yamane. – №2016-107764; заявл. 30.05.2016; опубл. 07.12.2017. – С. 24. 18. Пат. CN 108216606, МПК: B64C 27/08, B64D 47/00, B64D 47/08. A kind of high-rise fire rescues search unmanned plane temporarily / Wang Zhicheng. – № 201810098994.3; заявл. 31.01.2018; опубл. 29.06.2018. – С. 8. 19. Alderete, T.S. Simulator Aero Model Implementation – NASA Ames Research Center, Mof-fett Field, California. – p. 1-21. 20. Luukkonen, T. Modelling and Control of Quadcopter // School of Science – 2011. – P. 26. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ВКР.20.15.04.06.о.11.00.000 РПЗ 79

Приложение А. Конструкторская документация

Приложение Б. Схема электрическая принципиальная

Приложение В. Листинг программы подготовки данных clear clc %Матрицы для данных inputs = []; targets = []; inputs_neg = []; targets_neg = []; %Названия папок с изображениями directions = ["data_1", "data_2", "data_3", "data_4"]; %Цикл обработки заданных директорий for i_dir = 1:length(directions) file_list = dir(directions(i_dir)); %Загрузка разметки load("dat.mat"); mark = mark{1,i_dir}; %Цикл обработки изображений for i = 3:length(file_list) %Чтение изображения I=imread([file_list(i).folder '\' file_list(i).name]); temp = file_list(i).name; name = double(string(temp(18:end-4))); temp = mark(:,1) == name; %Поиск разметки для обрабатываемого изображения [ind, ~] = find(temp == 1); j = 1; %Цикл перемещения положения сэмпла по координате y while j + 50 <= size(I,1) k = 1; %Цикл перемещения положения сэмпла по координате х while k + 50 <= size(I,2) %Выделение фрагмента изображения fragment = I(j:j + 49, k:k + 49,:); %Преобразование в оттенки серого fragment = rgb2gray(fragment); %Преобразование типа данных fragment = im2double(fragment); %Преобразование квадратной матрицы в строку fragment = reshape(fragment, 1 ,50 * 50); flag = true; %Цикл проверки принадлежности сэмпла к разметке for x = 1:length(ind) if abs((mark(ind(x),5) + mark(ind(x),3)) / 2 -... (j + 50 + j) / 2) < 100 &&... abs((mark(ind(x),4) + mark(ind(x),2))... / 2 - (k + 50 + k) / 2) < 100 flag = false; end %Условие выбора для сэмпла класса изображения с людьми if abs((mark(ind(x),5) + mark(ind(x),3)) / 2 -... (j + 50 + j) / 2) < 10 &&... abs((mark(ind(x),4) + mark(ind(x),2))... / 2 - (k + 50 + k) / 2) < 10 targets(size(targets,1) + 1, :) = [0;1]; inputs(size(inputs,1) + 1, :) = fragment; %imshow(I(j:j + 49, k:k + 49,:)); %pause; end end %Условие выбора для сэмпла класса изображения без людей

if flag && (rand(1) * 100) < 0.5 inputs_neg(size(inputs_neg,1) + 1, :) = fragment; targets_neg(size(targets_neg,1) + 1, :) = [1;0]; end %Смещение положения сэмпла по х k = k + 25; end %Смещение положения сэмпла по y j = j + 25; end end end %Конкатенация матриц разных классов inputs = [inputs; inputs_neg]; targets = [targets; targets_neg]; %Сохранение данных save("train_data", 'inputs', 'targets');

Приложение Г. Листинг программы обучения ИНС clear clc %Загрузка данных load ('train_data.mat'); inputs = inputs'; targets = targets'; %Архитектура сети hiddenLayerSize = [32 32]; %Количество нейронов net = patternnet(hiddenLayerSize, 'traincgf'); net.divideParam.trainRatio = 70/100; net.divideParam.testRatio = 15/100; net.divideParam.testRatio = 15/100; net.trainParam.epochs = 1000; net.trainParam.max_fail = 6; %Обучение сети [net,tr] = train(net,inputs,targets); %Расчет точности на тестовой выборке tInd = tr.testInd; tstOutputs = net(inputs(:, tInd)); tstPerform = perform(net, targets(tInd), tstOutputs); targets_test = targets(:,tInd); tstOutputs = round(tstOutputs); temp = vec2ind(tstOutputs) == vec2ind(targets_test); accuracy = sum(temp) / length(temp) %Просмотр инфографики обучения view(net) figure, plotperform(tr) figure, plottrainstate(tr) figure, plotconfusion(targets_test,outputs) figure, ploterrhist(errors) %Сохранение сети save("ANN_RECOGNITION_OF_PEOPLE", 'net');

Приложение Д. Листинг программы тестирования ИНС clear clc %Загрузка данных load ('ANN_RECOGNITION_OF_PEOPLE.mat'); %Ввод пути до файла path = input("Введите путь до файла\n"); name = input("Введите имя файла\n"); %Чтение изображения I=imread([path '\' name]); I = imresize(I,[1079 1322]); imshow(I); hold on; %Цикл перемещения положения сэмпла по координате y j = 1; while j + 50 <= 1079 k = 1; %Цикл перемещения положения сэмпла по координате х while k + 50 <= 1322 %Выделение фрагмента изображения fragment = I(j:j + 49, k:k + 49,:); %Преобразование в оттенки серого fragment = rgb2gray(fragment); %Преобразование типа данных fragment = im2double(fragment); %Преобразование квадратной матрицы в строку fragment = reshape(fragment, 1 ,50 * 50); %Выход сети output = net(fragment'); %Определение наличия людей на сэмпле if output(2) > output(1) %Отрисовка Пярмоугольника rectangle('Position', [k + 5 j + 5 45 45],... 'EdgeColor','b','LineWidth',3); end k = k + 50; end j = j + 50; end

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

- у работы пока нет рецензий -

Отзывы:

Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв