Создание 3D-модели беспилотного летательного аппарата для геодезических изысканий и картографических работ

Авторы:
Журавлев Михаил, 10 класс,
Муллахметов Айдар, 10 класс,
МБОУ «Международный образовательный комплекс «Гармония» город Ижевск
Консультанты:
Кузнецова Екатерина Андреевна,
Матюшин Виталий Вавилович, к.т.н.,
Сычёв Антон Владимирович

Работа удостоена диплома победителя IV открытой районной научно-практической конференции старшеклассников «Проекты естествоиспытателей» (с междугородным и международным участием), 2025

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день беспилотные летательные аппараты (далее – БПЛА) приобретают колоссальную популярность и широко применяются в различных сферах, включая военную, гражданскую и научную области. Особое внимание уделяется развитию систем и средств комплексов с БПЛА, так как это является одной из ключевых составляющих для эффективного использования и интеграции БПЛА в различных задачах.

БПЛА есть у многих: в отличие от спутниковой съемки они очень оперативны. С их помощью получают безоблачные снимки с хорошей детализацией, в отличие от аэрофотосъемки БПЛА дешевле и безопаснее. Раньше беспилотные аппараты покупали организации с большими объемами работ: агрономы, нефтяники и газовики, чтобы экономически обосновать использование технологии. Сейчас беспилотные аппараты осваивают энергетики, лесники, топографы геодезических предприятий.

Для нас это одно из самых перспективных и интересных направлений в промышленном дизайне и аэро, которые нам бы хотелось развивать с тех пор, как мы три года назад поступили в Академию Калашников.

Актуальность проблемы: на сегодняшний день БПЛА прочно вошли в жизнь современного человека.

Однако при анализе доступной нам информации мы выявили ряд проблем в этой области:

• В настоящее время мало специалистов по съемке с БПЛА.
• На российском рынке мало программного обеспечения для обработки материалов, полученных с БПЛА.
• Имеющиеся на рынке БПЛА решают не все проблемы геодезистов и картографов.

В связи с этим наше исследование направлено на разработку БПЛА для геодезических изысканий и картографических работ, преимуществами которого будут его универсальность, компактность, мобильность, экономичность и более низкая стоимость по сравнению с уже существующими летательными аппаратами для геодезических изысканий и картографических работ.

Актуальность работы: спроектированный нами БПЛА смог бы помогать специалистам геодезистам и картографам быстро, качественно и с минимальными затратами выполнять свою работу.

Практическая значимость: заключается в популяризации использования БПЛА как одного из видов новых технологий, используемых в геодезических и картографических работах.

Разработанность проблемы: Степень разработанности темы изучена нами по опубликованным в свободном доступе работам российских авторов в области спутниковых навигационных технологий, систем глобального позиционирования и т.д. Тема использования БПЛА в геодезии и картографии достаточно разработана. Но это в основном теория, а информации практической мы в изученной литературе нашли очень мало. Также мы общались с геодезистами и кадастровыми инженерами, на практике использующими БПЛА в своей работе.

Степень изученности темы БПЛА в геодезии можно оценить по опубликованным работам Р. Лаутеншлагера, А. Чарфа, А.В. Волкова, А.С. Ярмоленко, Р. Тадеусевича, С. Микрута, П. Тымкова, Я.Э. Солема и др.

Цель проекта: результатом своей работы мы видим создание проекта и модели БПЛА для производства геодезических изысканий и картографических работ, которые впоследствии можно реализовать для активного использования специалистами в означенной области.

Задачи: изучить требования к БПЛА для геодезических изысканий и картографических работ; изучить существующие модели БПЛА и их характеристики; изучить новые технологии, используемые в геодезических работах; спроектировать БПЛА и создать его модель с учетом требований, предъявляемых к оборудованию, используемому в изучаемой области.

Объект исследования: строение и алгоритм работы БПЛА применительно к заданным целям его использования.

Предмет исследования: комплекс технических, технологических требований, обосновывающих применение БПЛА в геодезии и картографии.

Методы исследования: анализ информационных источников в выбранной области исследований, сравнение и обобщение полученной информации, 3-d моделирование в программе Fusion 360, CorelDRAW, Blender.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Геодезические изыскания представляют собой комплекс мероприятий, направленных на изучение существующего рельефа, наличия растительности, коммуникаций, существующих зданий и сооружений. Цель таких исследований – получить информацию, необходимую для составления прогноза предполагаемых изменений ландшафта как следствия строительной деятельности.

Картографические работы – это сбор и обработка пространственных данных для последующего отображения на планах, картах и в атласах.

Таким образом, геодезические работы позволяют собирать данные о форме и размерах Земли, а картография помогает превратить эту информацию в образно-знаковые модели, такие как карты и глобусы.

Выделяют следующие основные виды изыскательных работ (в зависимости от целей их проведения): геодезические, геологические, экологические, гидрометеорологические, геокриологические.

Основные виды инженерно-геодезических изысканий:

Топографическая съёмка. Исследование рельефа местности, определение географических координат, высот и других топографических параметров.

Геодезическая съёмка. Получение точных геометрических данных о местности, зданиях, сооружениях и других объектах с использованием специализированных измерительных приборов.

Инженерные изыскания по грунтам. Анализ свойств грунта на строительной площадке, включая его носимость, устойчивость и другие характеристики.

Изыскания по подземным коммуникациям. Определение местоположения подземных коммуникаций, таких как трубопроводы, кабели и другие инженерные сети.

Гидрографические изыскания. Исследование водных объектов, оценка гидрологических условий, уровня подземных вод и других параметров, влияющих на строительство.

Инженерные изыскания по воздушным линиям. Измерение высот и параметров местности для проектирования воздушных линий электропередач и других объектов.

Геофизические изыскания. Использование методов геофизики для изучения подземных слоёв, поиска полезных ископаемых, анализа геологической структуры

Для создания топографических карт и планов до недавнего времени применялась аэрофотосъемка (воздушная съемка местности). Топографические планы при этом получаются на основе материалов фотографирования земной поверхности с летательных аппаратов (самолетов, вертолетов, воздушных шаров).

Наряду с традиционными методами аэрофотосъемки все более востребованной становится съемка с помощью беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Особенно этот процесс проявился в последние несколько лет.

Беспилотники в наше время развиваются семимильными шагами, практически во всех сферах деятельности активно применяются БПЛА.

Метод дистанционного картографирования при помощи БПЛА становится все более перспективным способом получения геодезической основы или топографических планов любых масштабов для проведения изыскательских работ. Существует множество сервисов, предоставляющих подобные услуги с помощью космических снимков, но основной их минус – недостаточная точность, погрешность может составлять от 1 до 10 метров, что не позволяет выполнять большинство задач, ставящихся перед изыскателями. Также влияют климатические, сезонные и другие факторы на информационное восприятие, дешифровку объектов местности.

БПЛА имеют множество преимуществ перед другими методами сбора информации для геодезических изысканий:

• высокое разрешение на местности, достигаемое за счет малой высоты полета, при этом видны даже мелкие детали местности, такие как магистральные задвижки газопроводов, люки колодцев или опоры коммуникаций;
• низкая стоимость по сравнению с традиционными методами аэрофотосъемки;
• сокращение временных затрат, поскольку весь процесс от выезда на местность до получения данных занимает несколько часов;
• экологическая безопасность, т.к. используется электродвигатель;
• возможность выбора времени суток и погодных условий для проведения полетов;
• сокращение трудозатрат, т.к. при использовании БПЛА для съемки местности нужен лишь 1 человек.

Также сама технология использования БПЛА не стоит на месте: если еще 10 лет назад точность конечного продукта – ортофотоплана, достигалась определением пространственных координат по крайней мере 10-15 точек съемочного обоснования (опознаков), равномерно расположенных на участке исследования, то сегодня на дроны устанавливаются GNSS-антенны, работающие в паре с GNSS-антенной базовой станции, что позволяет вообще не использовать опознаки, получая еще большую точность.

Наряду с большим количеством преимуществ в применении БПЛА существует и ряд недостатков:

• При построении ортофотоплана с привязкой к точкам съемочного обоснования и сложном рельефе местности для получения качественной и достоверной карты высот требуется большое количество определяемых опознаков, их верное расположение между собой. Эти факторы могу повлиять на появление ошибки, часто неконтролируемой, что впоследствии может сказаться на проектировании и строительстве.
• Существенную роль в полевых исследованиях оказывают погодные условия. Так, один из самых популярных сверхлегких БПЛА для геодезии DJI Mavic 2 Pro не может выполнять полеты в дождь, мокрый снег, при скорости ветра больше 10 м/с, а также при температуре ниже -10°C.
• На густо-застроенной территории с большим количеством деревьев и растительности некоторые элементы ситуации становится трудно дешифрировать. Так, например, крышка колодца, расположенная непосредственно вблизи дерева, может быть закрыта его кроной, или каким-нибудь строением. Также при дешифрировании могут быть не видны водопропускные трубы под дорогами, невозможно определить глубины заложения коммуникаций, напряжение проводов.
• Высокая цена оборудования и программного обеспечения, риск утраты БПЛА при непредвиденных обстоятельствах в полете. Такими обстоятельствами могут стать низкий уровень заряда аккумулятора, резкое изменение погоды, обледенение лопастей дрона, сильные порывы ветра и др.

Требования к БПЛА для геодезических изысканий

Основными критериями выбора БПЛА для проведения геодезических изысканий и картографических работ являются:

1. Размер, вес и форма аппарата. Эти параметры определяют способ старта, посадки, грузоподъёмность и поведение борта в процессе полёта и съёмки.
2. Вес. Масса пустого борта и максимальная взлётная масса показывают, какую аппаратную часть можно использовать для выполнения аэрофотосъёмки. Чем больше взлётная масса, тем более точное оборудование можно применить для получения качественного результата.
3. Высота полёта. Высота съёмки влияет на размер пикселя и количество изображений.
4. Скорость. Максимальная и крейсерская скорость влияют на возможность использования БПЛА в ветреную погоду и на производительность съёмки.
5. Способность выполнять сразу несколько задач. Например, съёмка, навигация, передача информации оператору, обработка данных.

Выбор конкретного типа геодезического БПЛА зависит от конкретной задачи, которую необходимо решить. Также на выбор БПЛА влияют физико-географические условия района съёмки.

Выбор БПЛА, используемых для инженерно-геодезических изысканий и картографических работ всегда основывается на необходимости получить в результате максимально точные измерения.

Так как рассматриваются модели для высокоточных измерений, полученный материал должен соответствовать действующей нормативной документации для фотограмметрических, геодезических и землеустроительных работ. Согласно ГКИНП (ГНТА)-02-036-02 инструкции по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов, картографическим материалом считается плановая съемка до 3˚ от надира, удовлетворяющая установленным признакам дешифрирования в зависимости от масштаба. В данный момент специальной документации по контролю качества материалов, получаемых с БПЛА, не создано, поэтому необходимо учитывать действующие инструкции по фотограмметрическим работам. Подобным требованиям к съемке отвечают модели с достаточным весом или стабилизирующей платформой.

Чем больше взлетная масса БПЛА, тем более точное оборудование можно использовать для получения качественного результата. Для навигации БПЛА используются дешевые одночастотные приборы GPS/IMU (Global Positioning System/Inertial Measurement Unit). Также их используют для элементов внешнего ориентирования снимков. В последнее время некоторые разработчики используют двухчастотные GPS приемники и уравнивают их измерения с данными от базовых GNSS станций. Поскольку большинство моделей БПЛА не имеют возможности использовать стабилизирующие платформы для камер из-за недостаточной грузоподъемности, рекомендуется использовать точные инерциальные системы INS, которые позволят определять элементы ориентирования съемки с удовлетворительной точностью. Для связи с БПЛА во время полета используются радиоканалы. Частоты таких каналов варьируют от 433 МГц до 2,4 ГГц. Связь необходима для контроля оператором выполнения задания в режиме реального времени и корректировки задания. Иногда с помощью радиоканала передают видео и фотоматериалы, полученные во время съемки.

Немаловажным критерием выбора БПЛА для проведения инженерно-геодезических изысканий является стабильная работа аппарата.

На стабильность полета влияет вес БПЛА, а также размеры и форма аппарата. От веса аппарата зависит сила колебаний БПЛА потоками воздуха. Поэтому чем тяжелее борт, тем стабильнее траектория движения и тем стабильнее геометрия изображения.

От длины и размаха крыла зависят аэродинамические свойства БПЛА. По форме БПЛА самолетного типа делятся на летающее крыло и фюзеляжные. Преимущества фюзеляжного типа – возможность нести больше полезной нагрузки и более стабильно выполнять съемку, т.к. вес именно таких бортов, как правило, больше. Минусом такого типа БПЛА является сложность конструкции, что повышает требования к правилам эксплуатации и стоимость ремонта. Плюсы типа летающего крыла в простоте конструкции и эксплуатации. Минусы – небольшие размеры и вес, не позволяющие нести дополнительную полезную нагрузку.

Для мультиротов важной характеристикой является количество винтов. Раньше считалось, что количество винтов влияет на стабильность полета, так коптеры с 8-ю винтами летали гораздо стабильнее 4-х и 6-ти винтовых, но на сегодняшний день, благодаря развитию алгоритмов полета, все коптеры летают одинаково стабильно, даже в случае отказа одного винта.

Также при выборе БПЛА для геодезических изысканий необходимо принимать во внимание дальность полета аппарата. На дальность полета влияет тип двигателя, установленного на БПЛА.

Большинство моделей БПЛА используют электродвигатели. Характеристики двигателя отвечают за максимальную дальность и время полета. Электродвигатели питаются от аккумуляторных батарей различного типа и зависят от размеров БПЛА. Компактные модели могут провести в воздухе 40 минут, большие модели – до 4 часов, преодолевая расстояние до 300 км. Некоторые модели используют двигатель внутреннего сгорания. Как правило, это тяжелые модели (от 20 килограмм), длительность полета которых достигает 10 часов, что позволяет им преодолевать до 1000 км. Для бензиновых двигателей используется смесь бензина Аи-92,95 с синтетическим маслом для двухтактных двигателей. Расход топлива составляет примерно 0,5 л/ч в режиме горизонтального полета. Объем штатного топливного бака – 5 л. Для съемки крупных площадных объектов рентабельно использовать именно модели с двигателями внутреннего сгорания.

Лучшие БПЛА для геодезических изысканий и их характеристики

По расстоянию диагонали между моторами геодезические БПЛА бывают:

• микро – миниатюрные устройства размером до 10 см, с длительностью полета около 10 минут, отличной системой стабилизации, позволяющей запускать аппарат даже в помещении;
• маленькие – бюджетные модели для начинающих с отличными летными характеристиками, высокой маневренностью, просты в управлении, снабжены камерой для записи полета;
• средние – самый популярный вид, характеризующийся компактными габаритами, прочными материалами, хорошей комплектацией, полноценными параметрами движения и управления. Работать могут от пульта, со смартфона, через wi-fi;
• большие – модели профессионального уровня для продвинутых пользователей, характерны мощные моторы, большие размеры, емкие аккумуляторы, отличная камера. Они успешно справляются с неблагоприятными погодными условиями, летают до 50 минут. Способны с минимальной погрешностью передавать изображения при составлении карт, планов местности, видео.

По уровню подготовленности пользователя выделяют два вида БПЛА:

• любительские (для домашнего использования);
• профессиональные (для специфичной деятельности).

Приводим обзор самых хороших моделей, которые можно купить в России, с описанием характеристик и особенностей.

Профессиональные, стоимость – от 1 000 000 руб.

Геоскан 401

Геодезический квадрокоптер российского производства с внушительными габаритами и отличными техническими параметрами. Активно используется в промышленных целях: для разведки местности, воздушного патрулирования, мониторинга. Удобный практичный аппарат, крепления конструкции которого обеспечивают быструю смену навесного оборудования. При продаже в комплектацию входит специальный транспортный кейс, куда помещается дрон в сложенном виде и устройство управления. При складывании посадочных ног образуется стыковочная площадка с телом аппарата, на двухэтажной раме которого, выполненной из прочного карбона, крепится аккумуляторная батарея и электронная начинка. К раме присоединяются лучи с электродвигателями. Варианты комплектации:
фотокамера Sony A5000;
цифровая камера Sony DSC-RX1;
беззеркальная фотокамера.

По цифровому каналу связи идет передача изображения на монитор оператора. Устройство может работать от кабеля, подключенного к наземному генератору или блоку питания, либо автономно. Модель снабжена средствами электробезопасности с функцией защиты от молний, уникальной системой самодиагностики оснастки. Имеет расширенный температурный диапазон для использования в различных климатических условиях (от -40°С до +40°С). Большой вес (9,3 кг) помогает бороться с ветром, мощной батареи хватает на час полетного времени, в течение которого прибор проходит более 20 км. Максимально возможная скорость 50 км/ч.

Достоинства: положительные отзывы специалистов, получение четких снимков, широкий диапазон температуры, большая дальность и продолжительность полета, качественная обработка полученных данных, защитные системы, быстрый старт, прочные материалы, транспортный кейс в комплекте, гарантия.

Недостатки: высокая цена. Средняя цена: 1 450 000 рублей.

DJI Matrice 210

Данное устройство создано для промышленного использования. Агрегат отличается не только широчайшим функционалом, но и улучшенной износоустойчивостью. Здесь мощные двигатели, пропеллеры по 17 дюймов каждый, что позволит устройству не зависеть от ветра. Данный коптер не боится холода, так как «на борту» имеется два самонагревающихся аккумулятора. Вода и снег также не станут препятствием для проведения геодезических работ.

О полете: максимальная длительность – 7 км, продолжительность – до 27 минут. Есть режимы движения по заданному маршруту и облет объекта съемки по кругу. Прибор может автоматически взлетать и приземляться. Функционал определения координат местонахождения есть, как присутствует и автоматический возврат к месту вылета.

О камере: Встроенная камера имеет 3-осевую стабилизацию, есть возможность записи видео в 4К-формате.

Безусловно, присутствует возможность трансляции на монитор в режиме онлайн (5,8 G). Весит прибор 3840 гр.

Достоинства: качество съемки, широкий перечень режимов съемки, в том числе «следуй за мной», складная конструкция, комплектация RTF (Ready-to-Fly), есть режим управления для новичков Headless.

Недостатки: не выявлены. Стоимость: от 1 000 000 рублей.

Геодезические квадрокоптеры стоимостью 400 – 900 тысяч рублей

DJI Phantom 4 RTK Combo

Высокоточный аппарат с использованием нескольких режимов управления, бесплатных технологий, которому достаточно минимального количества точек маршрута, работает на небольшой высоте. Оснащен модулем RTK, позволяющим получать максимально точные данные позиционирования с минимальной погрешностью. Пульт со встроенным сверхъярким пятидюймовым экраном облегчает процесс сбора и обработки данных. Работает с приложениями сторонних производителей, которые достаточно скачать на смартфон или планшет. При составлении карт и планов больших площадей помогает система передачи изображения и HD видео до 7 км OcuSync. Полная совместимость с мобильной станцией D-RTK 2 обеспечивает получение данных с точностью до 10 мм при любых метеоусловиях. Трехосевая стабилизация предотвращает тряску изображения, передаваемое от 10 до 7000 м.

Достоинства: модуль RTK, мобильная станция для спутниковой системы D-RTK 2, система OcuSync, высокая производительность, центр кадра с точностью 1 см в плане, быстросъёмная геодезическая антенна, приложение GS RTK со встроенным экраном, усовершенствованная система обработки данных, поддержка приложений сторонних производителей, не требуется много опорных точек, максимальная высота полета 6000 м.

Недостатки: дорогой. Средняя цена: 541 500 рублей.

DJI MATRICE 600 PRO полетная платформа

Данную модель отличает не только хорошее качество сборки и прекрасное техническое оснащение, например, интеллектуальные аккумуляторы, наличие полетного контроллера или системы управления электропитанием. Данный коптер совместим линейкой камер DJI Zenmuse и аппаратным/программным обеспечением от сторонних брендов. Этот момент в купе с повышенной грузоподъемностью позволяет оснастить его наилучшим оборудованием для съемки. Например, трехосевым стабилизатором Ronin-MX.

О полете: максимально коптер может отдалиться от пульта на 5 км и находиться во fly-режиме до 35 минут. Прибор способен удерживать высоту, следовать по заданному маршруту или облетать со всех сторон объект интереса. Автоматические взлет, посадка и возврат также есть.

О камере: со встроенной камеры, которая дает достаточно хорошее качество благодаря стабилизатору (3-осевой подвес), запись может сразу же транслироваться на монитор (5,8 G). Вес прибора: 9100 гр.

Достоинства: широкий перечень полетных режимов, включая селфи-режим, возможность установки разного фотографического оборудования благодаря увеличенной грузоподъемности и программному оснащению, автовозврат.

Недостатки: нет. Стоимость: от 456 000 руб.

Геодезические квадрокоптеры стоимостью 100 – 400 тысяч рублей.

Typhoon H Pro RTF FPV

Достаточно легкая модель, оснащенная бесколлекторными моторами, имеет складную конструкцию. Подготовка к запуску не требует много времени и наличия специальных инструментов для сборки.

После запуска коптер может находиться в полете 25 минут и пролететь в пределах 2 км.

Осуществлять съемку помогает камера с возможностью записи видео в 4К, есть функционал вращения на 360 градусов. Оператор может увидеть объект съемки в режиме онлайн на дисплее пульта/мониторе.

Полетные режимы не уступают более дорогим собратьям, здесь есть: следование вокруг объекта съемки, полет по запрограммированному маршруту, «следуй за мной». Аппарат довольно легкий, весом чуть более 1100 гр.

Достоинства: все необходимые режимы полетов для геодезической сферы, автоматические взлет, посадка и возврат, есть режим ограничения зон полеты, хороший базовый пакет (комплектация), подходит для go pro.

Недостатки: не самая внушительная дальность и длительность полета, присутствует зависимость от метеоусловий. Стоимость: 115 000 рублей.

DJI Phantom 4 Pro Obsidian

Устройство может эксплуатироваться при температурном режиме от 0 до +40^оС, при этом есть несколько скоростных режимов, диапазон которых: 50-72 км/ч. Устройство может осуществлять обнаружение препятствий, как и более дорогие устройства, диапазон определения преград: 0,2 – 7 м.

Дальность полета этого коптера впечатляет – 7 км, а время полета – максимально 30 минут. В купе с камерой, способной осуществлять запись в 4К-формате, и наличием 3-осевой стабилизации камеры устройство достойно выдерживает соотношение «цена-качество».

Режимы полета: следование за объектом, облет объекта, движение по ранее построенному маршруту. Все снимаемое может транслироваться на монитор в онлайн-режиме. Вес прибора: 1400 гр.

Достоинства: Широкий функционал при приемлемой стоимости, хорошая дальность и продолжительность полета, есть автоматический взлет и посадка, а также автовозврат.

Недостатки: Конструкция не складная. Стоимость прибора: 135 000 рублей.

Квадрокоптеры для геодезии стоимостью до 100 000 рублей

DJI Mavic Air Fly More Combo

Модель имеет хорошую встроенную память – 8 Гб, отличную камеру с качеством записи FullHD. Может подниматься на высоту 500 м при скорости 19 м/с. При управлении через Bluetooth, wi-fi аппарат держит дистанцию до 80 м, с пульта радиоуправления – 2 км. В расширенную комплектацию входит два запасных аккумулятора, 8 винтов, стик для аппаратуры, сумка с карманами для корпуса и расходников квадрокоптера. Может использоваться как зарядная станция для гаджетов, для чего на блоке питания присутствуют два USB-разъема. Оснащен системой защиты винтов, стабилизатора.

Достоинства: качество сборки, много запасных частей, удобная сумка с карманами, качество изображения, стабилизация камеры, разные варианты управления, мощные двигатели, защита винтов, стабилизатора, простой быстрый запуск.

Недостатки: нет подвеса. Средняя цена: 79 700 рублей.

Parrot Anafi

Модель европейского производителя для динамичной съемки, оснащенная системой автоматического следования с функцией селфи с воздуха. При необходимости складывается, занимая мало места. Изображения высокого качества в фото- и видеоформате передаются на монитор оператора, накопитель памяти. Картинка получается четкой и яркой благодаря поддержке HDR. Зум позволяет увеличивать изображение при полном сохранении качества. Уникальная система визуального отдаления заднего плана (Dolly-эффект) делает аппарат популярным и востребованным. Аппарат снабжен бесколлекторными двигателями, датчиком визуального позиционирования, защитой стабилизатора. Радует продолжительность полета – до 25 минут без подзарядки. Прибор автоматически возвращается в точку вылета при низком заряде батареи, потери связи с оператором.

Достоинства: качественный, складной, простой в управлении, удобные функции, бесколлекторные винты, Dolly-эффект, высокое качество изображения, доступная цена, длительный полет.

Недостатки: не выявлены. Средняя цена: 42 000 рублей.

Технологии, используемые в геодезических работах

Технологии в геодезии продолжают развиваться и совершенствоваться. В будущем мы можем ожидать еще более точных и эффективных инструментов и методов для проведения геодезических работ. В настоящее время существуют следующие современные технологии, используемые в геодезии:

1. Глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС). Это система, которая использует сигналы, передаваемые спутниками, для определения местоположения точки на Земле. Самая известная ГНСС – GPS (Глобальная система позиционирования). Геодезисты используют специальные приемники GPS, чтобы получить координаты точек с высокой точностью. GPS-технология позволяет проводить замеры на больших расстояниях и с легкостью определять высоту объектов.
2. Лидарное сканирование. Лидар (от английского «light detection and ranging») использует лазерное излучение для измерения расстояний. Лидарные системы могут создавать трехмерные модели местности, детальные облака точек и даже карты плотности растительности. Эта технология широко используется в создании высокоточных цифровых моделей рельефа, а также в мониторинге окружающей среды и лесоразведении.
3. БПЛА. Они могут использоваться для съемки с высоты точек интереса, создания аэрофотографий и даже визуализации трехмерных моделей местности. Дроны могут оперативно осуществлять замеры на недоступных местах, а также значительно улучшить скорость выполнения работы. Благодаря улучшающимся возможностям камер, сенсоров и программного обеспечения, дроны становятся все более популярными инструментами в геодезии.
4. Интерферометрический радар (InSAR). Он использует радарные данные, полученные со спутников или самолетов, для контроля изменений формы поверхности Земли. С помощью InSAR можно обнаружить деформации, связанные с тектонической активностью, сезонными колебаниями уровня воды или синтетическими апертурами антенны. Эта технология широко используется для мониторинга стабильности зданий и инфраструктуры, а также для прогнозирования опасностей, связанных с землетрясениями и сходами.
5. Использование дальномеров для определения линейных расстояний оптическим или другим немеханическим опосредованным способом.
6. Применение оптических нивелиров с магнитным компенсатором для упрощения работы и повышения точности измерений.
7. Использование универсальных роботизированных тахеометров с функциями сканирования и фотографирования для повышения производительности работ.
8. Наземное лазерное сканирование для быстрого и полного представления о размерах и формах исследуемых объектов.
9. Дистанционное управление приборами для сокращения времени работы.

Вывод из теоретической части: несмотря на обилие БПЛА в различных ценовых категориях, для геодезических изысканий и картографических работ модели, отвечающей всем требованиям для данных работ, на сегодняшний день не существует. Необходимого специалистам программного обеспечения очень мало. Мы попытаемся создать модель БПЛА учитывающую запросы специалистов и выявленные недостатки существующих БПЛА. Такую модель впоследствии можно предложить к реализации для активного использования специалистами в данной области.

2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Этапы создания модели БПЛА

Этап 1. Анализ информации в области геодезии, картографии, существующих БПЛА

Чтобы задуманный нами БПЛА был конкурентным, имел преимущества перед другими летательными аппаратами, нам пришлось изучить много теоретической информации.

Мы проанализировали существующие на сегодняшний день модели БПЛА для геодезических изысканий и картографических работ (их компоновок, технологических решений). Также мы изучили профессиональные требования специалистов (геодезистов и картографов) к летательным аппаратам данного вида. После этого мы прикинули тот функционал проектируемого нами БПЛА, который позволил бы выделить его среди имеющихся на рынке.

Кроме того, на этом этапе мы выбрали программное обеспечение для проектирования. Для создания эскиза мы остановились на программе CorelDRAW.

3D-модель БПЛА мы выполнили в Fusion 360. Эта программа имеет встроенные возможности для 3D-моделирования, симуляции и документации.

Внешнюю оболочку корпуса, наложение текстур и рекламное видео мы выполнили в программе Blender. Ее движок позволяет очень быстро рендерить все текстуры и наложенные эффекты в режиме реального времени. Это упрощает и облегчает процесс работы. Также она универсальна и имеет удобный интерфейс.

Этап 2. Создание скетча, удовлетворяющего требованиям проекта

До этапа проектирования в программе Corel DRAW делали скетч (эскиз) нашего будущего БПЛА, учитывая все аспекты его разработки (рис. 1).

Цель создания эскиза БПЛА – установить принципиальные, конструктивные решения будущего летательного аппарата.

На этапе создания скетча мы произвели разработку и выбор основных технических решений, проработали структурную и функциональную схему БПЛА, выбрали основные конструктивные элементы аппарата, определили место размещения сенсоров и камер.

Этап 3. Подбор комплектующих и создание 3D-модели каркаса

На этом этапе мы подобрали основное оборудование.

В частности, в качестве мультиспектральной камеры мы выбрали Geoscan Pollux. Среди зарубежных аналогов Geoscan Pollux выделяется более высокой детализацией и производительностью, которых удалось достичь за счет использования матриц Sony с разрешением 1440х1080 во всех пяти каналах.

Материалы съемки могут быть использованы для построения цифровых моделей местности, композитных растровых изображений и псевдоцветных комбинаций, позволяющих достичь цветового разделения культурных растений и сорняков.

Камера идеально подошла Sony α6000 с байонетом E и матрицей APS-C. Быстрая гибридная автофокусировка камеры α6000 объединяет сильные стороны фазового и контрастного автофокуса. Функции высокоскоростной контрастной фокусировки и 179 точек определения фазы.

Дальномер мы выбрали PRLIDAR S3. У него стабильный и фиксированный радиус измерения 40 метров. Даже при 70% – ном отражении PRLIDAR S3 может обеспечить точное измерение расстояния примерно до 40 м., что соответствует требованиям для сканирования на средних и больших расстояниях.

Разработанная компанией SLAMTEC технология измерения расстояния SL-TOF, использованная в PRLIDAR S3, повышает устойчивость к воздействию света окружающей среды и точность измерений, а также имеет высокое разрешение лазерного сканирования.

Кроме того, свой выбор мы остановили на навигаторе MN601-S IP45, характеризующегося:

• высокой мощностью, длительным сроком службы;
• отличной производительностью охлаждения;
• защитой от высокой температуры / перегрузки;
• пылезащищенностью / водонепроницаемостью / защитой от коррозии.

Аккумулятор GAONENG GNB 6S мы выбрали по причине его достаточной емкости 24000 мАч.

Характеристики GPS модуля CUAV NEO 3 Pro идеально подошли для наших целей:

• максимальное количество спутников: 32;
• горизонтальная точность: 0,7 м;
• точность измерения скорости: 0,05 м/с;
• скорость обновления: 25 Гц (макс.).

Время получения данных: холодный старт: 24 с., горячий старт: 2 с.; вспомогательный старт: 2 с.

Полетный контроллер мы выбрали CUAV CAN PDB, автопилот Базовая плата с полётным контроллером X7+. В нём интегрированы высокоточные промышленные датчики и сенсоры сверхнизких температур. Контроллер имеет лучшую производительность, более быстрый процессор и больший размер памяти.

Также на данном этапе мы создали трехмерную модель БПЛА. Мы разработали детальные модели каждого компонента, включая корпус, крылья, мотор, сенсоры, камеру и другое оборудование. Также мы сконструировали механизмы стабилизации, систему навигации и передачи данных.

На завершающем этапе проектирования модель нашего БПЛА стала иметь следующие характеристики:

Размеры (см) – 45×12,5×20, диагональ – 130 см, скорость – 36 км/ч, максимальное время полета – 40 мин, радиус сигнала – 10 км, масса – 8 кг, пропеллеры – 21 дюйм (533,4 мм).

Этап 4. Создание внешней оболочки корпуса и наложение текстур

После того, как мы закончили 3D-модель нашего БПЛА в программе Fusion 360, мы выполнили его визуализацию в программе Blender (создали оболочку корпуса аппарата и придали ему текстурность). БПЛА ожил и стал похож на реальный летательный аппарат (рис. 3). Появилась возможность показать нашу модель с различных ракурсов, чтобы желающие смогли полностью увидеть его дизайн и внутренние компоненты.

Этап 5. Сборка макета БПЛА

1. Печать макета БПЛА.

После создания модели на 3D-принтере мы тщательно обработали каждый элемент и исправили недостатки, возникшие во время печати. Затем мы собрали корпус модели (рис. 4).

2. Начинка БПЛА.

Для сборки нашего макета мы использовали начинку квадрокоптера «COEX Клевер 4 CODE». Чтобы собрать БПЛА, необходимы следующие материалы: пропеллер, моторы, плата распределения питания, приёмник, полетный контроллер, регуляторы оборотов, аккумулятор (рис. 5).

• Полетный контроллер – Pixracer r15
• Плата распределения питания – Matek 100A 5V/12V PDB-XT60
• Моторы – Emax eco2 2306 1900 kv
• Приёмник – Jumper r1 v2 mini
• Аккумулятор – Lipo 4s 1800mAh GNB
• Регуляторы оборотов – Cyclone 35a 2-6s

3. Готовый макет БПЛА. Мы собрали модель БПЛА. Для того чтобы он взлетел, необходимо откалибровать БПЛА в приложении QgroundControl, а затем привязать приемник к пульту Jumper t-pro v2 jp4in1 m2.

Этап 6. Составление сметы расходов на наш БПЛА

Этап 7. Создание презентации проекта и анимационного видео

На данном этапе работы мы создали презентацию своего проекта БПЛА и анимационное видео к ней. Видео мы также делали в программе Blender. Они помогут нам продемонстрировать преимущество спроектированного БПЛА (его компактность, экономичность и более низкую стоимость по сравнению с уже существующими летательными аппаратами для геодезических изысканий).

Этап 8. Сравнение существующих видов БПЛА в геодезии

После проведения сравнения нескольких видов БПЛА не только по данным, которые представленные в таблице, но и по полной характеристике дронов, можно сделать вывод, что наш БПЛА обладает рядом существенных конкурентных преимуществ:

1. Возможность установки до 3-х различных камер одновременно.
– Адаптивность под любые задачи благодаря открытому ПО.
– Общедоступность используемых комплектующих.
– Возможность быстрой смены оборудования.
– Универсальность применения в различных сферах.

2. Преимущество для сельского хозяйства: наш БПЛА единственный, способный одновременно выполнять три вида съёмки: фотосъёмка для поиска грызунов, мультиспектральная съёмка для выявления проблем на поле, лидарная съёмка для построения дамб и измерения прогресса посевов.

3. Прочность и надёжность.
– Камеры в карбоновом корпусе.
– Повышенная защита от повреждений.
– Надёжная конструкция.

4. Экономическая эффективность.
– Возможность оптимизации затрат при серийном производстве.
– Снижение стоимости при оптовых закупках компонентов.

Несмотря на то, что проект разработан учащимися 10 класса, его технические характеристики и возможности превосходят многие существующие решения на рынке. Особенно это заметно в применении для сельского хозяйства, где наш БПЛА не имеет прямых конкурентов благодаря возможности одновременного использования трёх различных систем съёмки.

Таким образом, разработанный макет БПЛА представляет собой инновационное решение с широкими возможностями применения, превосходящее существующие аналоги по совокупности характеристик, особенно в сфере сельскохозяйственных задач.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рынок БПЛА в России в настоящее время очень бурно развивается. Представлены десятки аппаратов и комплексов, в т.ч. для решения геодезических и картографических задач. Программного обеспечения для обработки материалов, полученных с БПЛА меньше.

Исследования показывают: техническое оснащение и функциональные возможности отечественных производителей БПЛА на несколько порядков лучше, чем у зарубежных. Однако имеются и нерешенные проблемы. Так, существующие БПЛА и их программное обеспечение не позволяют провести качественную таксацию лесов РФ, что крайне важно и актуально. Из-за смены сезонов и особенности внешнего вида деревьев сегодня мы можем только подсчитать ориентировочно количество деревьев, но не их видовой состав.

Мы предполагаем, что лет через пять беспилотники прочно займут свою нишу в геодезии и картографии. Появятся готовые программные решения с отлаженной технологией обработки, модели БПЛА со стабильными съемочными процессами, что сделает возможным использование беспилотных летательных систем в смежных с геодезией и картографией дисциплинах, требующих высокоточных измерений.

Представленный проект дал нам новый опыт в области промышленного дизайна и 3D-моделирования. Попутно мы получили полезный опыт в таких смежных науках, как геодезия и картография, механика, физика, дизайн и т.д.

Хочется надеяться, что БПЛА, модель которого мы создали, вполне могла бы быть реализована в серийном производстве. Ее характеристики позволят занять достойное место в ряду БПЛА – помощников человека в сложной и увлекательной работе, направленной на получение информации о рельефе и ситуации местности, составлению, изданию и использованию разнообразных по своему назначению карт. Также ее можно использовать в сельском хозяйстве (фотокамера делает снимки в высоком разрешении, при которых можно обнаружить скопление грызунов на с/х полях, мультиспектральная камера позволяет зафиксировать скопление сорных трав, выжженные участки без посадок и пр., лидар позволяет выяснить, пригодно ли поле для строительства оросительных систем и т.д.).

Список литературы

1. Беспилотные летательные аппараты. Основы механики управляемого полёта / Горбатенко С.А. // URSS -2020. – стр. 140.
2. Вольпе Р.И. Топографическое дешифрирование аэроснимков при создании карт масштабов 1:10000 и 1:25000 / Р.И. Вольпе, Н.С. Подобедов. – Рига: Геодезиздат, 1961, стр. 41.
3. Выбор технических характеристик беспилотных летательных систем для решения задач картографирования. URL//https://wiki.gis-lab.info (дата обращения: 10.10.2024).
4. https://vyborok.com/luchshie-geodezicheskie-kvadrokoptery (дата обращения: 10.10.2024).
5. Голдберг Г., Майер С. и др. Эффективный метод распознавания обособленных деревьев австралийской саванны по снимкам, полученных легкими и недорогими БПЛА. Remote Sensing. 10 (2), 161, 2018, URL//https://www.mdpi.com/2072-4292/10/2/161 (дата обращения: 04.11.2024).
6. Зинченко О. Беспилотные летательные аппараты: применение в целях аэрофотосъемки для картографирования (часть 1)/ О. Зинченко // Ракурс, 2011, URL/https://racurs.ru/presscenter/articles/bespilotnye-letatelnye-apparaty/UAV-formapping-1/ (дата обращения: 01.11.2024).
7. Камнев, И.С. Исследование точности современных методов измерения / И.С. Камнев, В.А. Середович // Интерэкспо Гео-Сибирь, 2016, № 2, Т. 1, стр. 135–140.
8. Сечин А. Беспилотные летательные аппараты: применение в целях аэрофотосъемки для картографирования (часть 2) / А. Сечин, М. Дракин, А. Киселева // Ракурс, 2011, URL//https:// racurs.ru/press-center/articles/bespilotnye-letatelnye-apparaty/UAV-for-mapping-2/ (дата обращения: 28.10.2024).
9. Смирнов А. Обзор беспилотных летательных аппаратов/ А. Смирнов // Ракурс. – 2016, URL//https://racurs.ru/press-center/articles/bespilotnye-letatelnye-apparaty/UAV-review/ (дата обращения: 04.11.2024).
10. Смирнов А. Как выбрать беспилотник для картографических задач / А.Смирнов // Ракурс. 2015, URL//http://www.racurs.ru/?page=681 (дата обращения: 29.10.2024).
11. Хрущ Р.М., Соловьев А.В., Ахматов Р.Б., Выбор беспилотного летательного аппарата для решения задач топогеодезического и навигационного обеспечения. Журнал ИНФОРМАЦИЯ и КОСМОС № 1, 2021, стр. 117–121.
12. Черняков Г. В., Романкевич А.П. Применение БПЛА при выполнении инженерно-геодезических изысканий / Черняков Г. В., Романкевич А.П. //сборник «Геоматика: образование, теория и практика» – Минск, БГУ, 2019.