Стенд 29 Лебедев А.И.

Андрей Лебедев

Мурманская область, г. Мурманск
МБОУ г. Мурманска «Мурманский политехнический лицей», 11 класс

КОМПЛЕКС С БЕСПИЛОТНЫМ ЛЕТАТЕЛЬНЫМ АППАРАТОМ «ПУСТЕЛЬГА» ДЛЯ ПОИСКА И СПАСЕНИЯ ЛЮДЕЙ

Научные руководители: Лебедев Илья Игоревич, ведущий консультант Главного управления вооружения ВС РФ, г. Москва; Ермакова Елена Николаевна, учитель информатики МБОУ МПЛ

Андрей Лебедев

Мурманская область, г. Мурманск
МБОУ г. Мурманска «Мурманский политехнический лицей», 11 класс

КОМПЛЕКС С БЕСПИЛОТНЫМ ЛЕТАТЕЛЬНЫМ АППАРАТОМ «ПУСТЕЛЬГА» ДЛЯ ПОИСКА И СПАСЕНИЯ ЛЮДЕЙ

Разработать специальный беспилотный летательный аппарат «Пустельга» и комплекс программ для поиска и спасения людей, испытать экспериментальный образец комплекса.

Разработать комплекс с БЛА для обнаружения людей при проведении аварийно-спасательных работ в Арктических условиях;
Написать специализированное программное обеспечение для полезной нагрузки для распознавания людей;
Создать алгоритмы автоматизированной посадки на взлетно-посадочную площадку для применения БЛА на морских судах;
Спроектировать многофункциональный комплекс с БЛА, способный переносить груз первой необходимости до прибытия основных спасательных средств.

Ежедневно в России пропадает без вести около трёхсот человек, при этом процент спасённых не так велик. На данный момент поиском людей занимаются специальные отряды мчс и добровольческие формирования. К процессу спасения часто привлекают беспилотные летательные аппараты, так как это достаточно перспективная область развития технологий на данный момент. Основная проблема таких операций состоит в том, что радиоканал, связывающий БЛА и оператора дрона, не может обеспечить устойчивую передачу видео в реальном времени, поэтому просмотр видеоматериалов с беспилотника происходит после завершения полёта несколькими специалистами, что занимает дополнительное время, которое может стать решающим в спасении жизни. Именно поэтому я решил создать комплекс с БЛА, способный искать людей во время полёта и оповещать об этом оператора, помогая сократить время на облёт всей изначальной территории, переданной беспилотнику.

Созданный в ходе работы комплекс практически полностью автоматизирован, при этом целью работы не ставится полная замена оператора на его посту, а лишь помощь в обработке полученных данных и максимальное уменьшение времени, затраченного на весь процесс обнаружения и спасения пропавшего человека. Программа на беспилотнике позволит дрону во время полета искать потенциальные объекты поиска и напрямую оповещать об этом поисковиков, которые в свою очередь смогут понять нашел ли алгоритм человека и высылать по переданным координатам группу спасения. На данный момент все аналоги моего комплекса заточены под полное управление оператором, что не только очень замедляет процесс запуска БЛА и распознавания каких-либо объектов на фото, как уже было сказано, но и делает его очень дорогостоящим. Целевая аудитория проекта: государство (МЧС – спасение людей, пограничная служба – мониторинг незаконного вылова рыбы, государственные исследования в Арктическом регионе), то есть BTG, частные компании (исследовательские судна, компании по производству беспилотников и ПО для них), то есть BTB.В ходе экономических расчетов была проанализирована статистика из открытых источников, а также налажена связь с крупнейшим в нашей стране объединением по поиску пропавших без вести людей "LizaAlert". Затем были получены постоянные издержки, которые включали в себя заработную плату сотрудникам, закупку комплектующих, аренду здания для хранения БЛА, амортизацию технических средств: самих беспилотников, зарядных станций, полезной нагрузки. Выведены примерные цены на предоставление трех видов услуг:

1) Сдача беспилотника в аренду исследовательским экспедициям, рыболовецким кораблям или пограничной службе.

2) Проведение спасательных операций по поиску людей для МЧС с одновременной работой нескольких аппаратов.

3) Коммерческая продажа ПО заинтересованным компаниям (проблема автоматической посадки беспилотника очень востребована на данный момент)

После вычислений стало понятно, что даже при сильном отклонении от планируемого оборота мой проект окупится меньше, чем через год и выйдет в стабильный плюс через несколько лет.

Было проведено несколько полевых испытаний комплекса. Первое – полет по заданным GPS координатам и сканирование поверхности в дневное время: беспилотник справился с поставленной задачей и на выходе оператор получил нужные изображения двух «потерянных» людей, стоящих перед дроном. Затем было решено усложнить задачу и провести эксперимент в темное время суток. Была увеличена визуальная часть программы, лицо стало выделяться ярким маркером. Полет совершался на высоте в несколько метров, в приложениях к статье вы можете ознакомиться с полученным оператором увеличенным изображением.

В основной части работы был собран беспилотник, способный автоматически находить образы людей. Разработан макет программного обеспечения наземной станции управления для поиска людей, автоматической посадки и планирования применения БЛА с алгоритмом поиска пути на графе.

Таким образом, состав нашего комплекса принял следующий вид:

Беспилотный летательный аппарат
Пульт управления дроном
Одноплатный микрокомпьютер
Полезная нагрузка (средства первой медицинской помощи, продукты питания и т.п.)

Для решения задачи распознавания фигур используем техническое зрение и машинное обучение. Работу моей программы можно разделить на отдельные части.

1. Нахождение или создание обучающей выборки для программы. Сначала мы должны выделить точное назначение нашего кода, и затем загрузить необходимые файлы в директорию с ним. Так как мы используем язык программирования python с установленной библиотекой компьютерного зрения opencv, а в качестве алгоритма выбрали каскады Хаара, то в качестве датасета применяется уже готовая выборка – нужный нам каскад.

2. Распознавание фигур людей

Далее мы должны научить наш скрипт находить всех людей на экране. Это воспроизводится с помощью ранее упоминавшегося алгоритма каскадов Хаара. Это подход, основанный на механизме обучения, каскадная функция обучается из множества положительных и отрицательных изображений. Затем он используется для обнаружения объектов на других изображениях.

3. Работа с программой

Теперь применим созданную ранее классификаторную функцию к видеопотоку, взятому с любой, доступной устройству видеокамеры. На выход от функции мы получим координаты обнаруженных объектов. Включаем все этапы в цикл и в нем же выводим видеопоток с начерченными по координатам прямоугольниками.

Применение БПЛА на высоких широтах сопровождается целым рядом технических сложностей. Силовая установка, а именно аккумуляторная батарея, является самой уязвимой частью беспилотного летательного аппарата. После подробного изучения вопроса влияния температур на АКБ стало ясно: боятся ли литиевые аккумуляторы мороза – зависит от химического состава используемого накопителя энергии и соблюдения правил его эксплуатации. Наиболее устойчивы к воздействию отрицательных температур литий-железо-фосфатные батареи (типа LiFePO4). Остальные литий-ионные АКБ также допустимо использовать зимой (до -20 °С), но желательно поместить их в термокейс из теплоизоляционных материалов. Дальность хода на одном заряде у одной и той же батареи зимой будет ниже, чем в теплое время года, поскольку при снижении температуры временно уменьшается и емкость АКБ. Заряжать и хранить литиевые АКБ нужно исключительно при положительных температурах.

Для решения задач доставки грузов первой помощи и полноценной работы в условиях Арктики, был спроектирован тяжелый беспилотный летательный аппарат мультикоптерного типа, способный нести нагрузку в несколько килограмм. По формулам была найдена общая тяга для всех двигателей и сила лобового сопротивления, затем все значения подставлены в главную формулу-неравенство. После этого мы сможем в теории определить: взлетит наш беспилотник или нет.

В ходе работы исследованы существующие алгоритмы, разработано специальное программное обеспечение, способное функционировать на полезной нагрузке. Были использованы экспериментальные методы исследования, а также методы компьютерного трехмерного моделирования. Для разработки программного обеспечения полезной нагрузки использован язык программирования Python. Оценено влияние отрицательных температур на время разрядки аккумуляторных батарей БЛА.В результате работы была создана программа для определения и выделения силуэтов людей и автоматизации посадки БЛА. Также был спроектирован комплекс с беспилотным летательным аппаратом «Пустельга» с возможностью загрузки на него СПО. Был разработан примерный бизнес-план для проекта.

Расписание работы автора проекта

01 ноября, вс