Курсовая Работа 2 курс. Курсовая работа ТИУ-211 Щербакова Е. С. Использование беспилотных летательных аппаратов в современном мире
Скачать 1.55 Mb.
|
Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Российский университет транспорта» (РУТ(МИИТ) Институт транспортной техники и систем управления Кафедра «Управление инновациями на транспорте» Курсовая работа по дисциплине «Теоретическая инноватика» на тему: Использование беспилотных летательных аппаратов в современном мире. Выполнил: студент гр.ТИУ-311 Щербакова Е.С Проверил: Шиколенко Е. В Москва – 2021 Содержание Введение…………………………………………………………………...…3 Общие сведения о БПЛА……………………...……….……………..4 История БПЛА…………………………………………………..….....6 Перспективы применения в Гражданской сфере………..............….9 Анализ современных БПЛА самолетного типа…………………....18 4.1. Предназначение БПЛА………………………………………18 4.2. Разновидности БПЛА…………………………………….…..19 Структурная схема современного БПЛА …………………...……..21 Тип инновации и ее жизненный цикл…………………………..….22 Заключение…………………………..……………..….….…......................27 Список литературы…………………………………………..….................28 Введение Целью исследования данной курсовой работы является изучение такой инновации как беспилотные летательные аппаратов. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: раскрыть основные понятия; рассмотреть историю развития инновации и ее современное положение в авиации; рассмотреть перспективы применения беспилотных летательных аппаратов в различных сферах деятельности человека; рассмотреть классификацию беспилотных летательных аппаратов и их основные виды; рассмотреть принцип работы беспилотных летательных аппаратов; разобрать основную структуру беспилотных летательных аппаратов на примере квадрокоптера; определить тип инновации и ее жизненный цикл; обобщить результат исследования; Предметом исследования курсовой работы является актуальность инновации и ее возможное применение в различных сферах деятельности. Объектом исследования курсовой работы является беспилотные летательные аппараты. Методы исследования: анализ, диагностика и т.д. 1. Общие сведения о БПЛА Одним из бурно прогрессирующих в последнее время сверх перспективных направлений развития техники является проектирование и производство беспилотных летательных аппаратов (в дальнейшем БПЛА, дронов, беспилотников). Это обусловлено тем, что применение беспилотников и в военной области, и в различных гражданских сферах эффективно экономически и часто позволяет выполнить задачу лучше и быстрее, чем это было бы сделано с применением традиционной авиации, или других традиционных способов. Например, перед учебными полётами и в гражданской, и в военной авиации обязательно производится разведка погоды, причем задействуется именно тот тип самолёта, на котором будут производиться полёты, а в военной авиации ещё и учебно - боевой (спарка) самолёт этого типа. Сгорает огромное количество остродефицитного авиационного керосина, изнашивается дорогостоящая авиационная техника, задействован целый комплекс обслуживания самолёта, только ради того, чтобы узнать метеоусловия в полётной зоне. Если бы это делал БПЛА, оборудованный видеокамерой, передающей картинку на землю оператору, стоимость которого в разы меньше, то это было бы и надёжно и на порядок дешевле. Главное достоинство беспилотника, и это признают все эксперты, - отсутствие на борту человека, благодаря чему, независимо от сложности и опасности выполняемой БПЛА задачи, жизни военнослужащих не угрожает опасность. БПЛА способен действовать в зонах радиационного и химического заражения. Ему не нужны сложные системы жизнеобеспечения экипажа. Благодаря своим преимуществам, беспилотники постепенно осваивают многие функции пилотируемой авиации. Мировой опыт развития беспилотной авиации свидетельствует, что уже через полтора-два десятилетия они смогут выполнять абсолютное большинство задач, решаемых сегодня. 2. История БПЛА Впервые идею радиоуправляемых объектов воплотил в жизнь известный инженер-изобретатель Никола Тесла, который в 1889 г. продемонстрировал общественности первый радиоуправляемый кораблик. Но в дальнейшем следующими объектами стали не корабли, а беспилотные летательные аппараты, предложенные в 1910 г. английским военным инженером Ч. Кеттерингом. Он сконструировал и начинил взрывчаткой аппарат, которым управлял часовой механизм, и позднее беспилотный самолет-снаряд, который так и остался только опытным (Рисунок 1). Рисунок 1 – Беспилотный самолет-снаряд (1917 г.) «Жук» Кеттеринга. Началом разработок и использования БПЛА принято считать 1933 г., когда английские инженеры создали радиоуправляемый БПЛА многократного использования. Он был создан на основе биплана Fairy Queenи, служил до 1943 г. для тренировки военных летчиков в качестве самолета-мишени (Рисунок 2). Рисунок 2 – Первый БПЛА, управляемый дистанционно H.82B QueenBee (1933–1943 гг.). Во время Второй мировой войны во многих странах создавали радиоуправляемые снаряды – в Германии ФАУ-1 и ФАУ-2, в СССР был успешно применен тяжелый бомбардировщик ТБ-3 в качестве беспилотного аппарата для подрыва мостов. После войны в США было создано 15000 беспилотников фирмы Radiophone, но широкое применение в военных и гражданских целях началось только с начала нового века. Идея военного дрона дала толчок развитию гражданских БПЛА – коптеров, которые сегодня используются не только для развлечений, но и в качестве помощников во многих сферах жизнедеятельности, таких как журналистика, спорт, курьерская служба, нефтедобывающая промышленность, сельское хозяйство, экологическая служба, спасательная служба, медицина и т.д. С 2000 г. появилось много сообщений о применении гражданских беспилотников, использование которых постепенно становится повседневностью На рисунке 3 показан российский военный беспилотник, который проходил испытания в г. Кронштадте. Рисунок – 3 Российский военный беспилотник. 3. Перспективы применения в Гражданской сфере В последние десять лет беспилотные летательные аппараты приобрели огромную популярность, особенно в наиболее развитых государствах мира. Область применения беспилотников довольно широка. Они могут мониторить дорожную ситуацию, как городскую, так и на отдаленных участках, вести контроль за пожарной обстановкой в лесах или за паводковыми водами в регионах и многое другое. Представляю вашему вниманию области применения БПЛА: 1) Спектрозональная съёмка Вид фотосъёмки, в процессе которой происходит одновременное получение фотографических изображений объекта в различных участках (зонах) спектра электромагнитных волн. Например, в сельском хозяйстве использование БПЛА позволяет получить модель местности с разрешением до 3 см. Снимки получают в видимом и инфракрасном диапазонах. Такая съемка дает исчерпывающую картину о состоянии почв, а детальность позволяет контролировать посевы с точностью до 5 см. Широкий спектр получаемых данных позволяет оценивать проблемы полей по всходам и выявлять причины самых различных проблем. (Рисунок 4) Рисунок 4 – Дрон, используемый в спектрозональной съёмке. 2) Аэрофотосъемка местности Это комплекс работ, включающий различные процессы от фотографирования земной поверхности с летящего самолета до получения аэрофотоснимков, фотосхем или фотопланов снятой местности. Все аэрофотосъемочные материалы используются для решения целого ряда вопросов в области лесного хозяйства и лесной промышленности. При плановой съемке камера направлена вертикально вниз, под прямым углом к поверхности земли. На снимках мы видим плоскую картину (ортогональная проекция), напоминающую изображение на географических картах. При перспективной (обзорной) съемке камера направлена под углом к горизонту. При перспективной аэрофотосъемке на снимках мы видим объемную картину (аксонометрическая проекция): не только крыши сооружений, но и боковые поверхности (стены). Таким образом, мы можем судить не только о взаиморасположении объектов на плоскости, но и об их форме. (Рисунок 5) Рисунок 5 – Пример аэрофотосъёмки при помощи беспилотника. 3) Учёт животных с воздуха с помощью БПЛА При существенном снижении затрачиваемых средств на привлечение пилотируемой авиации стало рентабельным применение беспилотных летательных аппаратов для учета животных. Такой «воздушный учет» позволяет точно определить численность животных в охотхозяйстве и выявить места их концентрации. 4) Дистанционный контроль состояния нефтепроводов и газопроводов На сегодняшний день применение беспилотных летательных аппаратов является наиболее эффективным и экономически выгодным методом обследования нефтепроводов и газопроводов. В режиме реального времени получаются качественные изображения, позволяющие обнаруживать нефтяные разливы, выявлять акты несанкционированной деятельности (свалки, врезки, проведение работ в охраняемых зонах и т.д.). Аэрофотоснимки, полученные с борта БПЛА, позволяют анализировать и оценивать техническое состояние трубопроводов и околотрубного пространства. 5) Аэро- и космосъемка местности Применяется как для непрерывного одновременного контроля над загрязнением природной среды (земной поверхности, водных акваторий и приземной атмосферы), так и для контроля технического состояния объектов на всём протяжении тысячекилометровых водных и наземных нефтяных и газовых трасс. Кроме того, данные дистанционного мониторинга дают возможность оперативно выявлять и точно определять координаты зон опасного проявления стихийных природных процессов, которые могут привести к авариям, а также отслеживать и прогнозировать чреватые разрывами магистральных трубопроводов медленные однонаправленные геодинамические деформации земной поверхности. Среди основных задач, решаемых с помощью аэро- и космосъёмки, можно выделить следующие: выявление нарушений технического состояния объекта: разрывов, трещин, коррозийных зон, повреждений гидро- и теплоизоляции и др.; составление карт грунтов, зон подтоплений, обводнённых участков, областей засолений, промерзающих и оттаивающих грунтов и др.; исследование современных экзогенных процессов (сели, оползни, обвалы и др.). 6) Аэрофотосъемка и геодезия Предоставляет материалы аэрофотосъемки, которые могут быть применены в следующих сферах деятельности: ведение государственного кадастра недвижимости и контроль градостроительной деятельности в населенных пунктах; реагирование на чрезвычайные ситуации; контроль снегового и ледового покрова, кромки ледостава, прогноз стоков рек и мониторинг мест разливов рек; обновление топографических карт; мониторинг различных типов объектов; мониторинг состояния сельскохозяйственных угодий, в том числе целевого использования земель, оперативная оценка состояния и степени деградации земель, прогноз урожайности; создание географических информационных систем. 7) Мониторинг и опознание движущихся объектов Мониторинг проводится в охраняемых зонах в дневное и ночное время. 8) Мониторинг лесных ресурсов Включает оценку степени вырубки лесного массива, определение пород деревьев, предотвращение возникновения лесных пожаров (высохший лес, тлеющие торфяники, обнаружение малых очагов пожаров), оценку ущерба лесных ресурсов после пожаров или природных катаклизмов, обнаружение несанкционированных свалок, с определением лиц и номеров машин нарушителей. Дроны с инфракрасными датчиками применяют для выявления лесных пожаров на ранней стадии. 9) Мониторинг ремонтно-строительных работ Во много раз ускоряет и удешевляет работу по сравнению с традиционными методами. Он позволяет оценить степени готовности объекта; выявлять и анализировать повреждения, аварии; планировать ремонтные работы; предсказывать и моделировать природные воздействия. 10)Беспилотная охрана Повышает уровень безопасности, контролируя объекты и людей на определенных территориях. Большая часть времени у охранника уходит на патрулирование территории предприятия, а у беспилотника это получается гораздо быстрее и лучше. Примеров тому множество: во избежание несанкционированных проникновений беспилотники патрулируют нефтегазопроводы, месторождения полезных ископаемых, линии электропередач от снятия изоляторов, города и междугородные трассы во время проведения масштабных мероприятий. 11) Беспилотные пограничники Наблюдают за границей с помощью инфракрасных и обычных видеокамер с высоты до 6 км с обзором в 50 км. Изображение с видеокамеры получается настолько детализированным, что с высоты видно, что находится за плечами у нарушителей. 12)Полицейский спецназ Это беспилотные микродроны, которые можно запускать прямо с рук. Летают они на высоте до 75 м, их электромоторчик практически не слышен с земли и способен дольше часа продержать аппарат в воздухе. Такие дроны являются предвестниками развития ветви сверхминиатюрных аппаратов — столь крошечных, что само понятие летательного аппарата применительно к ним потребует некоторого уточнения. Сейчас разработаны беспилотники весом всего в 10 граммов. (Рисунок 6) Рисунок 6 – Дрон полицейский (Дубай). 13) БПЛА для доставки грузов клиентам Система доставки с помощью беспилотников запущена в тестовом режиме в американском онлайн-магазине Amazon, а также в почтовой службе Швейцарии. Эти беспилотники способны перевозить грузы весом до 1 кг на расстояние, превышающее 10 км, без подзарядки батареи. Также начали работу проекты по круглосуточной доставке медикаментов, бакалеи, а также по возврату не подошедшего товара. (Рисунок 7) Рисунок 7 – Беспилотник-курьер. 14) Помощь в Экстренных ситуациях Дрон для поиска пропавших детей — как и собаки, может отслеживать запах ребёнка. Дроны с термодатчиками используются для поиска людей, заваленных лавиной. Дрон для доставки необходимых медицинских средств на место происшествия в кратчайшие сроки. (Рисунок 8) Рисунок 8 – Применение автоматического одноразового дефибриллятора, доставленного беспилотником на место несчастного случая. 15) Дроны-официанты В Европе и Азии появились закусочные, которые прославились тем, что начали использовать беспилотники для доставки заказов к столикам: квадрокоптер с плоским верхом управляется официантом с iPad и может приносить посетителям еду и напитки со скоростью 40 км/час. Но то, что в Великобритании сделано ради привлечения внимания, в Сингапуре – суровая необходимость. Здесь очень много ресторанов, и персонал для них становится дефицитной рабочей силой, поэтому местные рестораторы усердно экспериментируют с технологиями, которые могли бы решить проблему – от машин для жарки риса до мини-поездов для доставки заказов. Дроны стали логичным следующим шагом, и с февраля этого года сеть ресторанов Timbre ввела их в штат: посетители делают заказ с помощью планшетного компьютера, закрепленного на столе, а еда и напитки прилетают с кухни на квадрокоптере. (Рисунок 10) Рисунок 10 – Дрон-официант. 16) Дрон, раздающий интернет Два гиганта IT-индустрии – компании Google и Facebook, почти одновременно объявили о своих планах по созданию сети спутников и дронов, образующих интернет-покрытие по всей поверхности земли. 17) Пляжный спасатель Дрон – прекрасный аналог спасателю, сидящему на вышке. Это доказали в Австралии: местная служба успешно протестировала мультикоптер, настроенный на наблюдение за прибрежной зоной. Аппарат не только может предупредить купальщиков о приближении акул – в случае необходимости он способен бросить спасательный круг утопающему. (Рисунок 11) Рисунок 11 – Спасение пострадавшего на воде. 4. Анализ современных БПЛА самолетного типа Беспилотный летательный аппарат (БПЛА) — в общем случае это летательный аппарат без экипажа на борту. БПЛА могут обладать разной степенью автономности — от управляемых дистанционно до полностью автоматических, а также различаться по конструкции, назначению и множеству других параметров. Управление БПЛА может осуществляться эпизодической подачей команд или непрерывно — в последнем случае БПЛА называют дистанционно-пилотируемым летательным аппаратом (ДПЛА). Основным преимуществом БПЛА/ДПЛА является существенно меньшая стоимость их создания и эксплуатации (при условии равной эффективности выполнения поставленных задач) — по экспертным оценкам боевые БПЛА верхнего диапазона сложности стоят приблизительно 6 млн долл. США, в то время как стоимость сопоставимого пилотируемого истребителя составляет около 100 миллионов долларов. Недостатком БПЛА является уязвимость систем дистанционного управления, что особенно важно для БПЛА военного назначения. БПЛА могут решать разведывательные задачи (на сегодня это основное их предназначение), применяться для нанесения ударов по наземным и морским целям, перехвата воздушных целей, осуществлять постановку радиопомех, управления огнём и целеуказания, ретрансляции сообщений и данных, доставки грузов 4.1. Предназначение БПЛА Беспилотные летательные аппараты в основном задействуются для решения следующих задач: мишени, в том числе для отвлечения вражеских средств ПВО; разведка; нанесение ударов по различным подвижным и неподвижным целям; радиоэлектронная борьба и прочие. Эффективность аппарата при выполнении задач определяется качеством следующих средств: разведка, связь, автоматизированные системы управления, вооружение. Сейчас подобные ЛА успешно снижают потери личного состава, доставляют информацию, которую невозможно получить на дистанции прямой видимости. 4.2. Разновидности БПЛА Боевые дроны обычно классифицируются по типу управления на дистанционные, автоматические и неуправляемые. Кроме того, в ходу классификация по массе и ТТХ: Ультралегкие. Это самые легкие БПЛА, вес которых не превышает 10 кг. В воздухе они могут провести в среднем час, практический потолок составляет 1000 метров; Легкие. Масса таких машин достигает 50 кг, подняться они способны на 3-5 км и провести в работе 2-3 часа; Средние. Это серьезные устройства массой до тонны, их потолок составляет 10 км, и в воздухе они могут без приземления провести до 12 часов; Тяжелые. Крупные летательные аппараты весом более тонны, способны подняться на высоту 20 км и без приземления отработать более суток. В этих группах есть и гражданские устройства, разумеется, они легче и проще. Полноценные боевые машины зачастую не меньше пилотируемых самолетов по габаритам.1) НеуправляемыеНеуправляемые системы – это простейшая форма БПЛА. У них управление происходит за счет бортовой механики, установленных характеристик полета. В такой форме можно использовать мишени, разведчики или снаряды. 2) Дистанционного управления Дистанционное управление обычно происходит за счет радиосвязи, что ограничивает радиус действия машины. Например, гражданские ЛА могут действовать в пределах 7-8 км. 3) Автоматические В основном это боевые машины, способные самостоятельно выполнять сложные задачи в воздухе. Этот класс машин самый многофункциональный. 5. Структурная схема современного БПЛА Рисунок 12 – Состав оборудования квадрокоптера. Типичный состав оборудования квадрокоптера показан на Рисунке 12. Для аппаратов с другим количеством роторов он аналогичен. Команды, принятые приемником, поступают в полетный контроллер в виде широтно-импульсного сигнала. Здесь они с учетом текущей навигационной информации (получаемой в самом полетном контроллере от встроенных микросистемных гироскопов и акселерометров), а также с учетом сигналов с модуля GPS (опционально) преобразуются в широтно-импульсные сигналы управления двигателями, которые подаются на контроллеры частоты вращения двигателей (т.н. ESC – Engine Speed Control). Назначение модулей ESC – преобразование управляющих широтно-импульсных сигналов в синусоидальные трехфазные напряжения для обмоток бесколлекторных электродвигателей. Типичный источник питания для борт сети мультикоптеров – это батарея литий-полимерных аккумуляторов. Потребляемые токи – от единиц до сотен ампер в зависимости от размеров аппарата. 6. Тип инновации и ее жизненный цикл Проанализировав данную инновацию, можно сделать вывод что беспилотные летательные аппараты относятся к технологическому типу инноваций. Технологические инновации в основном — это деятельность, связанная с разработкой и внедрением самих инноваций. В большой мере, в промышленности новых продуктов и процессах; а также значительных технологических усовершенствований в продуктах и процессах: в отраслях сферы услуг – технологически новых или значительно усовершенствованных услуг и новых или значительно усовершенствованных способов производства и передачи услуг (Рисунок 13). Рисунок 13 – Жизненный цикл инновации. [9] Таблица 1 – Стадии жизненного цикла технологии
Любой продукт имеет свой жизненный цикл. БПЛА не является исключением. Рассмотрев историю развития и возможные перспективы, можно сделать вывод что данная инновация находится на стадии Роста. Внедрения БПЛА не является чем-то особенно новым для России и остальных стран в целом. Технологии беспилотных летательных аппаратов активно развивается, и будет это делать в течение длительного времени. Данную инновацию можно назвать довольно перспективным изобретением, которое в скором времени окажется полезным во многих сферах. Начиная с панорамных фотографий заканчивая применением в военной сфере. При анализе цен на дроны, так же можно сделать вывод, что инновация находится на стадии ее развития. На предоставленной таблице, можно сделать вывод что с каждым годом БПЛА становятся все более и более востребованными в обществе и актуальность данной инновации продержится еще довольно длительный период времени. Таблица 2 – Перечень средних цен на дроны в течение 2014-2019 годов
Так же стоит разобрать сильные и слабые стороны инновации, возможности и угрозы. Для этого подойдет SWOT-анализ. SWOT-анализ – метод стратегического планирования, заключающийся в выявление факторов внутренней и внешней среды и подразделение на 4 категории. Рассматривая данную инновацию, можно сделать выводы (Таблица 3). Таблица 3 – SWOT-анализ БПЛА
Заключение Проведенное исследование в полной мере достигло поставленной цели работы и привело к решению поставленных задач. Была рассмотрена история БПЛА, и ее современное положение. Так же были отмечены основные перспективы и применения для беспилотных летательных аппаратов. Пусть и инновация и имела изначальную связь с военной индустрией, сейчас же можно наблюдать как БПЛА используются в иных целях, отличных от военных. Инновация не стоит на месте и постоянно стремительно улучшается, используя все более сложные технологии. Практический выбор БПЛА в основном зависит от предполагаемых целей его использования, наличия квалифицированных специалистов, обладающих компетенциями, знаниями, навыками по управлению БПЛА и, конечно, стоимостью самого аппарата. В настоящее время использования данной инновации ограничивается лишь частными случаями применений, да и в целом не каждое предприятия готово рискнуть на внедрение такой сложной на первый взгляд технологии. Но стоит отметить, что в ближайшем будущем перспектива развития БПЛА стремительно возрастет. Беспилотные летательные аппараты открывают множество возможностей для различных сфер деятельности. Данная технология в будущем сможет упростить жизнь людям. Начиная с более усовершенствованной и простой доставки, заканчивая использованием дронов в более серьезных научных сферах, например в медицине. Используемая литература Беспилотные летательные аппараты [Электронный ресурс]. 2017 URL: https://studwood.ru/590446/bzhd/zaklyuchenie (дата обращения 05.01.2022) Aviation Explorer [Электронный ресурс]. 2012 URL: https://www.aex.ru/fdocs/1/2012/3/2/20875/print/ (дата обращения 05.01.2022) БПЛА [Электронный ресурс]. 2021 URL: https://fireman.club/statyi-polzovateley/bespilotnyie-letatelnyie-apparatyi-v-mchs-rossii-vidyi-i-klassifikatsiya/ (дата обращения 05.01.2022) Авиация. Военная техника [Электронный ресурс]. 2019 URL: https://militaryarms.ru/voennaya-texnika/aviaciya/bespilotnye-letatelnye-apparaty/ (дата обращения 05.01.2022) Ударный дрон. Беспилотник [Электронный ресурс]. 2019 URL: https://opium-spa.ru/zdorove/udarnyi-dron-bespilotnik-obzor-rossiiskih-i-zarubezhnyh.html (дата обращения 05.01.2022) Конструкция БПЛА [Электронный ресурс]. 2015 URL: https://studopedia.ru/10_202763_bpla-grazhdanskogo-naznacheniya.html (дата обращения 05.01.2022) Отечественные беспилотные самолеты-разведчики [Электронный ресурс]. 2021 URL: https://arsenal-info.ru/b/book/1592349006/18 (дата обращения 05.01.2022) Российская беспилотная авиация: история и перспективы [Электронный ресурс]. 2015 URL: https://rostec.ru/news/4516433/ (дата обращения 05.01.2020) Научная электронная библиотека. Жизненный цикл инноваций: [Электронный ресурс]. 2021 URL: https://monographies.ru/en/book/section?id=3768 (дата обращения 07.01.2020) |