Кириллов Д.Л., Харисов А.Р.
РАЗВИТИЕ СИСТЕМЫ АВТОНОМНОГО РАДИАЦИОННОГО МОНИТОРИНГА НА БАЗЕ БПЛА ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ЗАМКНУТЫХ ПРОСТРАНСТВАХ *
Аннотация:
в работе рассмотрена автономная система радиационного мониторинга на базе беспилотного летательного аппарата для работы в замкнутых пространствах. Описан выбор аппаратно-программной платформы и реализованный подход к визуальной навигации без использования спутниковых систем. Представлены принципы сбора и обработки данных ионизирующего излучения с последующей визуализацией распределения радиационного фона. Результаты экспериментального тестирования подтверждают работоспособность и практическую применимость предложенного решения.
Ключевые слова:
радиационное загрязнение, радиационный мониторинг, интеграция сенсоров радиации, автоматизация радиационного контроля, беспилотные летательные аппараты для мониторинга, системы для контроля радиационного загрязнения
Анализ предметной области. Контроль радиационного фона в замкнутых помещениях является важной задачей обеспечения безопасности. Традиционные методы мониторинга, основанные на стационарных датчиках или ручных измерениях, обладают рядом ограничений, связанных с риском облучения персонала и невозможностью оперативного обследования труднодоступных зон. Перспективным направлением является применение беспилотных летательных аппаратов для мобильного радиационного мониторинга. Для автономной навигации БПЛА в замкнутых пространствах целесообразно использование визуального позиционирования на основе ARUCO-меток, обеспечивающего определение положения и ориентации без применения спутниковых систем. В связи с этим актуальной является задача разработки автономной системы радиационного мониторинга на базе БПЛА с визуальной навигацией, способной выполнять полёт по заданному маршруту и формировать карту распределения радиационного фона. В ходе работы проведён анализ существующих решений, показавший, что большинство из них отличаются высокой стоимостью, сложной архитектурой и ориентированы на мониторинг открытых территорий, что ограничивает их использование в замкнутых пространствах. На основе сформированного набора критериев, включающего уровень автономности, возможности навигации в помещениях, экономическую эффективность и открытость программной архитектуры, в качестве прототипа была выбрана платформа БПЛА Clover. Данная платформа обеспечивает поддержку визуальной навигации по ARUCO-меткам, обладает модульной архитектурой и позволяет интегрировать внешние измерительные модули. Использование Clover в качестве прототипа позволило сосредоточиться на разработке системы радиационного мониторинга и программной логики автономной работы без необходимости создания летательной платформы с нуля. Моделирование и алгоритмы функционирования системы автономного радиационного мониторинга. В рамках разработки системы автономного радиационного мониторинга выполнено моделирование её структуры и процессов функционирования. Разработанные модели позволяют формализовать взаимодействие аппаратных и программных компонентов беспилотного летательного аппарата и обеспечить автономное выполнение задач мониторинга в замкнутых помещениях. . Рис. 1. Системно-структурная модель по прототипу и предлагаемому решению. На рисунке используются следующие условные обозначения: 1 – подсистема управления полетом, 2 – подсистема визуального ориентирования, 3 – подсистема безопасности, 4 – подсистема радиационного измерения, 5 – подсистема обработки радиационных и координатных данных. Система функционирует по алгоритму автономного мониторинга, предусматривающему полёт БПЛА по контрольным точкам с остановкой для сбора радиационных данных, которые синхронизируются с координатами для последующей визуализации. Уровень радиации оценивается по числу импульсов счётчика Гейгера за заданный интервал, что обеспечивает воспроизводимость измерений. Для безопасной эксплуатации проводится контроль радиационного фона и состояния аккумулятора, при превышении допустимых значений активируется аварийный режим с автоматической посадкой. Синхронизированные данные формируют карту распределения радиационного фона с цветовой градацией, наглядно отображающую зоны повышенного излучения, служа основу для инженерной реализации системы. .Рис. 2. Структурно-функциональная модельпредлагаемого решения нулевого уровня.Проектирование системы. В рамках проектирования была разработана архитектура автономной системы радиационного мониторинга на базе БПЛА, предназначенной для работы в замкнутых помещениях. Проектирование включало внешнюю и внутреннюю стадии и опиралось на результаты моделирования, полученные ранее. На этапе внешнего проектирования было сформировано техническое задание, определяющее функциональные требования к системе, условия эксплуатации, требования к автономности, безопасности полёта, точности навигации по визуальным меткам и корректности сбора радиационных данных. Техническое задание послужило основой для дальнейшего проектирования аппаратной и программной частей системы. Внутреннее проектирование было направлено на разработку программных подсистем, обеспечивающих автономную навигацию, измерение радиационного фона и обработку полученных данных. Система реализована в виде двух ключевых программных модулей. Первый модуль отвечает за автономный полёт БПЛА, визуальную навигацию по ARUCO-меткам, управление миссией и построение карты радиационного фона. Второй модуль предназначен для сбора и предварительной обработки радиационных данных на микроконтроллере с использованием счётчика Гейгера и передачи результатов в управляющую систему. Для реализации управляющей логики и визуализации данных был выбран язык программирования Python и среда ROS, что обусловлено их совместимостью с платформой Clover и широкими возможностями работы с навигацией и обработкой данных. Модуль измерения радиации реализован на языке C++ в среде Arduino IDE, что позволило обеспечить точный подсчёт импульсов и стабильную работу с аппаратными прерываниями. В результате проектирования была сформирована программно-аппаратная архитектура системы, обеспечивающая автономный радиационный мониторинг в закрытых пространствах и готовая к практической инженерной реализации. Инженерная реализация и тестирование системы. На основе разработанных проектных решений реализована автономная система радиационного мониторинга на базе БПЛА. В качестве летательной платформы использовался квадрокоптер Clover, доработанный для интеграции радиационного измерительного модуля и автономной навигации в замкнутых пространствах. Аппаратная часть системы включает полётный контроллер, микрокомпьютер Raspberry Pi, камеру для навигации по ARUCO-меткам, дальномер и измерительный модуль на базе счётчика Гейгера с микроконтроллером Arduino, обеспечивающим надёжный подсчёт радиационных импульсов. Программная реализация выполнена с использованием ROS и включает модуль автономного управления БПЛА и сбора данных, а также модуль регистрации и обработки измерений мощности дозы излучения. По завершении полётной миссии автоматически формируется карта распределения радиационного фона. Проведённые испытания в контролируемых условиях подтвердили работоспособность системы, устойчивость визуальной навигации в отсутствие GPS и корректность измерения радиационного фона. . Рис. 4. Готовая сборка модели БПЛА. . Рис. 5. Тестирование БПЛА в полётной зоне. Изначально мы сгенерировали карту всего нашего поля – 20 меток, но проведем мониторинг только четырех штук. После старта программы дрон взлетит на заданную высоту (1.5 метра) и считает первую метку. После считывания метки происходит зависание на 60 секунд и получения значения радиации. Так происходит с каждой из 4 меток, после последней метки дрон садится, и миссия завершается. На рисунке 6 показаны текстовые результаты полёта: . Рис. 6. Полученные результаты. Заключение. В статье представлена разработка автономной системы радиационного мониторинга на базе беспилотного летательного аппарата, ориентированной на применение в замкнутых пространствах. В ходе исследования выполнен анализ существующих средств и методов радиационного контроля, на основе которого обоснован выбор аппаратно-программной платформы и архитектуры системы. Разработаны и реализованы алгоритмы автономного полёта и визуальной навигации без использования спутниковых навигационных систем, а также методы сбора, обработки и визуализации данных ионизирующего излучения. Проведённые экспериментальные испытания подтвердили устойчивость работы системы, корректность измерений и возможность практического применения предложенного решения для повышения эффективности и безопасности радиационного мониторинга в потенциально опасных и труднодоступных зонах.
Номер журнала Вестник науки №12 (93) том 4 ч. 1
Ссылка для цитирования:
Кириллов Д.Л., Харисов А.Р. РАЗВИТИЕ СИСТЕМЫ АВТОНОМНОГО РАДИАЦИОННОГО МОНИТОРИНГА НА БАЗЕ БПЛА ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ЗАМКНУТЫХ ПРОСТРАНСТВАХ // Вестник науки №12 (93) том 4 ч. 1. С. 732 - 741. 2025 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/27856 (дата обращения: 07.02.2026 г.)
Вестник науки © 2025. 16+