Применение беспилотных летательных аппаратов (БЛА) на строительных объектах в целях обеспечения государственного контроля

Введение. Строительная отрасль, традиционно управляемая аналоговыми процессами, недавно совершила скачок в цифровое будущее. За последние несколько десятилетий компании модернизировали свои системы планирования, совместной работы и надзора, чтобы включить в них точные цифровые данные, и это принесло многочисленные выгоды [7].

Информационное моделирование зданий (BIM) – одна из новых технологий цифрового планирования. Выступая в качестве современного аналога традиционных чертежей, BIM позволяет компаниям точно отслеживать ход работ по мере того, как члены проектной группы вносят свой вклад. Для того чтобы эта система оправдала свой потенциал и укрепила рабочие процессы на стройплощадке, компаниям необходим способ многократного сбора точных данных – и здесь на помощь приходят беспилотники.

Рисунок 1. Иллюстрация технологии, когда чертежи могут совпадать с реальными 3D моделями строящегося объекта

Беспилотники добились значительных успехов в строительстве, поскольку технология стала более распространенной и доступной. Подрядчики нашли множество ролей для беспилотников на стройплощадке и используют данные, собранные их все более совершенными сенсорными модулями. Эта информация – это как топливо, которое необходимо BIM-решениям, поэтому беспилотные летательные аппараты и BIM идеально сочетаются.

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) позволяют сделать здания более надежными, а строителям - получать меньше травм на работе, то есть может отследить, кто из строителей не надел на голову каску

Рисунок 2. БПЛА в строительной площадке

А также практика применения БПЛА необходимо синхронизировать с уже запущенными процессами цифровизации отрасли строительства и ЖКХ. Все преимущества использования аппаратов - повышение качества и скорости выполняемых работ и процессов, снижение издержек - требуется обосновать с точки зрения экономических эффектов.

Некоторые крупные российские компании используют дроны - прежде всего для мониторинга на стройках, инспекции, контроля качества, замеров объектов, для картографических съемок, но из-за дорогой комплектации оборудования скорость внедрения становится медленным, сложным и требует дополнительных инвестиций.

В данной исследовательской работе планируется оптимизировать процесс строительного контроля путем увеличения поставки объемов качественного и бюджетного варианта дронов, быстрого обучения операторов и об активном вовлечении таких специалистов во все процессы стройки. Санкции сильно ограничивают доступ к необходимым моделям оборудования. Дроны любительских и начальных серий не подходят для контроля за крупными строительными проектами.

Использование оператора и одного комплекта оборудования стоимостью в 40-100 тысяч рублей позволяет сократить время в три-четыре раза, сократить количество персонала, задействованного в процессах контроля. Дроны позволяют усилить контроль за техникой безопасности, программа фиксирует отсутствие ограждения, страховочных механизмов. Сегодня каски, механизмы, техника снабжены QR-кодами, что позволяет видеть объективную ситуацию. Помимо существенной экономии времени дает возможность людям сохранить жизнь. Подобная техника на стройке резко повышает дисциплину и внимательность.

Основные этапы исследования

BIM создаёт цифровые модели строительных объектов на всех этапах. Данные от дронов позволяют строить точные 3D-модели и сравнивать их с проектами. БПЛА применяются для аэрофотосъёмки, мониторинга и контроля качества, предоставляя данные для BIM-систем.

Основная проблема — быстрая разрядка аккумуляторов на холоде. Решение — теплоизоляционные материалы, сохраняющие заряд и увеличивающие время полёта. Выбор и сборка оптимального БПЛА делают его доступным для применения на строительных площадках.

Цель данного исследовательского проекта заключается в создании БПЛА, который не будет уступать по качеству, будет доступным для любой строительной организации и строителю, а также в условиях суровой зимы обеспечивать сохранению заряда аккумулятора путем применения теплозащитных материалов.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1. Анализ аналогичных проектов и решений;

2. Сравнение и подбор комплектующих;

3. Поиск лучших теплозащитных материалов для аккумуляторов БПЛА в условиях суровой зимы;

4. Сборка БПЛА;

5. Тестирование летных характеристик и продолжительности работы в условиях отрицательных температур;

6. Сбор данных в виде изображений;

7. Создание 3D модели по полученным изображениям.

Пошаговая реализация проекта

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) предлагают ненавязчивый способ сбора информации о строительной площадке или объекте, что делает их полезными на всех этапах реализации строительного проекта. Данные, полученные с помощью дронов, могут быть интегрированы в процессы проектирования подрядчика, мониторинга хода работ и обеспечения соответствия высоким стандартам качества и безопасности через постоянное управление объектами.

         Работа с БПЛА на строительной площадке осуществляется в несколько этапов:

1. Перед началом работ

БПЛА способны проводить съемку рабочей площадки, предоставляя точные топографические данные, которые затем используются для создания первоначальной 3D-модели в BIM-платформе. Такой уровень точности помогает подрядчикам избежать ошибок. Даже на сложных рельефах беспилотники обеспечивают безопасный и эффективный способ сканирования всей территории.

2. Во время работы

Регулярные облеты с использованием БПЛА позволяют информировать всех заинтересованных участников о текущем состоянии выполнения работ. Генерация обновленных 3D-моделей для наложения на исходные планы является одной из ключевых функций дронов в контексте BIM. Эти устройства также могут предоставлять аэрофотоснимки с указанием расположения объектов, что способствует более эффективной координации действий руководителей.

3. После завершения работ

Функции BIM-технологии не завершаются с окончанием строительных работ, и это также относится к использованию беспилотников. БПЛА могут проводить безопасные и эффективные инспекции, позволяя получить полное представление о сооружении и убедиться в том, что каждая его часть конструктивно надежна и соответствует установленным нормам.

Анализ имеющихся БПЛА на рынке и выбор оптимальной комплектации

Использование дронов для проведения мониторинга в воздухе обеспечивает регулярное получение информации о прогрессе строительных, отделочных и пуско-наладочных работ. При предварительном планировании 3D-моделирование предоставляет дизайнерам возможность визуализировать проекты в контексте фактической строительной площадки. Высококачественные изображения и видеоматериалы, полученные на различных этапах строительства, могут служить подтверждением эффективности, точности и качества выполняемых работ. Благодаря детализированным снимкам эксперты способны выявлять отклонения от проектных планов с точностью до сантиметра и проверять достоверность отчетов подрядчиков.

Такой подход к мониторингу предоставляет значительные юридические преимущества, обеспечивая наличие визуальной документации, что может быть полезно в случае возникновения споров и судебных разбирательств.

            Ниже в таблицах приведены сравнительные характеристики различных типов беспилотных летательных аппаратов, а также характеристики камер для съемки зданий.

Таблица 1

Сравнительные характеристики БПЛА

Таблица 2.

Характеристики камер

Проводя анализ комплектующих был выбран оптимальный вариант БПЛА типа ZMR250 QAV250 с камерой FPV MINI Camera, который хорошо подходит для первого образцового прототипа дрона с помощью которого будет протестирована программная возможность создания 3D модели объекта с малогабаритной фотокамерой.

Сборка БПЛА

В рамках данной главы представлено поэтапное сборка прототипа БПЛА (дрона) типа ZMR250 QAV250 с камерой FPV MINI Camera. 

В рамках урока был использован БПЛА набор Kit, который позволяет самостоятельно подбирать аккумулятор, камеру и приемник. Такой тип БПЛА был выбран, потому что это позволяет адаптировать квадрокоптер под разные задачи, что позволяет более гибкому подходу к исследовательскому проекту. Также для сборки БПЛА использовали учебное пособие: «Беспилотные летательные аппараты вертикального взлета: сборка, настройка, программирование» М.А. Ковалёв, Д.Н. Овакимян. – Самара: Издательство Самарского университета, 2023 [1].

Рисунок 3. Набор БПЛА Kit

Способность самостоятельно собирать и настраивать дрон способствует развитию технических навыков у людей без предварительного опыта, что соответствует эффективному обучению будущих работников на строительной площадке. Высокая производительность устройства и возможность установки FPV-камеры для передачи видеосигнала в реальном времени открывают дополнительные возможности для совершенствования процессов.

На текущем этапе доступны следующие компоненты:

1. Рама

2. Моторы, ESC, пропеллеры, аккумулятор, зарядное устройство

3. Плата распределения питания/соединительные жгуты

4. Контроллер полёта и устройство связи

Рисунок 4. Схема подключения БПЛА

GPS приемопередатчик можно не устанавливать, так как квадрокоптер в строительной площадке будет в зоне видимости.

На рисунке 5 показан процесс сборки рамы

Рисунок 5. Рама квадрокоптера

На рисунке 6 представлена камера FPV MINI.

Рисунок 6. Камера FPV MINI

Далее на рисунке 7 сборка пропеллера квадрокоптера

Рисунок 7. Сборка пропеллера квадрокоптера

На рисунке 8 представлена окончательная сборка БПЛА

Рисунок 8. БПЛА ZMR250 QAV250

Многие специалисты высказывают негативное мнение о зимних полетах, указывая на основную угрозу — низкие температуры. По их мнению, именно температурный фактор может стать критическим и вызвать множество проблем у тех, кто решится запустить беспилотник в холодное время года. В качестве убедительного аргумента они ссылаются на технические характеристики дронов или рекомендации, содержащиеся в инструкциях к ним, где часто указывается, что эксплуатация летательных аппаратов при отрицательных температурах не рекомендуется или строго запрещена. В случае поломки устройства производитель, как правило, лишает владельца права на гарантийный ремонт. 

Основные риски, связанные с зимним пилотированием, заключаются в следующем:

– Наиболее очевидной проблемой является быстрое снижение уровня заряда аккумуляторов как дрона, так и пульта управления. Низкие температуры негативно влияют на современные аккумуляторы, ускоряя их разрядку. Если батареи не оснащены функцией самообогрева, как это реализовано в последних моделях профессиональных дронов DJI (в любительских моделях такой функции пока нет), время полета может сократиться в два и более раз. Владельцам придется постоянно контролировать уровень заряда, даже если предусмотрена функция автоматического возврата на базу при критическом уровне заряда. Это связано с тем, что мороз может привести к разрядке батарей еще до их установки в дрон и пульт.

– Низкие температуры оказывают разрушительное воздействие на пластиковые компоненты корпуса, пропеллеров и другие важные элементы летательного аппарата. Это увеличивает вероятность поломок, особенно в случае аварий. Пластик, ставший хрупким на морозе, может разрушаться в ситуациях, которые при других температурных условиях не привели бы к подобным последствиям.

– Обледенение представляет собой серьезную угрозу для электроники и механизмов коптера. Зимний полет сопряжен с попаданием снега через различные отверстия в корпусе устройства. Тепло, выделяемое во время работы компонентов, приводит к таянию снега и образованию воды и конденсата внутри. При сильном ветре и очень низких температурах капли воды могут замерзать, образуя наледь. Это обледенение может со временем привести к негативным или даже катастрофическим последствиям для аппарата.

С целью улучшения технических характеристик беспилотных летательных аппаратов планируется использование теплоизоляционного материала, который сможет поддерживать температуру аккумуляторов в пределах допустимого значения, что позволит увеличить продолжительность полета.

Таблица 3

Таблица описания материалов для теплоизоляции аккумуляторов

Для теплоизоляции будет использоваться фольгированный материал, который предотвращает, перегрев на солнце и сохраняет стабильную температуру аккумуляторов в холодную погоду. Отражающая теплоизоляция состоит из двух слоев — основного и отражающего, где в качестве отражателя используется металлическая фольга, изображенная на рисунке 9. В связи тем, что в Таблице 3 указаны многие другие альтернативные материалы, но в данной работе оптимальным выбором считается теплоизоляция с использованием фольгированного материала. А также этот материал позволяет смягчить механические воздействия.

Рисунок 9. Отражающая теплоизоляция

Расчет эффективности теплоизоляции НПЭ-Ф для LiPo 1500 mAh на дроне ZMR250 QAV250.

Для оценки эффективности теплоизоляции НПЭ-Ф (вспененный полиэтилен с фольгированным слоем) и времени работы аккумулятора LiPo 1500 mAh в разных температурных условиях использованы следующие допущения:

Исходные данные:

 - Тип аккумулятора: LiPo 3S (11.1 В), 1500 mAh, 20 градусов.

- Потребляемая мощность дрона ZMR250 QAV250: ~10–15 А (в среднем 12 А при активном полете).

Теоретическое время работы без учета температуры:

 минут (в идеальных условиях)

Влияние холода на LiPo:

• При 0°C емкость снижается на ~10–15%.
• Каждые -5°C дополнительно уменьшают емкость на ~9–23%.
• При -30°C и ниже LiPo почти неработоспособен без подогрева.

Эффективность НПЭ-Ф:

• Уменьшает теплопотери на 50–70% (в зависимости от толщины и конструкции).
• Позволяет сохранять рабочую температуру аккумулятора на 5–15°C выше окружающей среды.

Таблица 4

Расчет времени работы аккумулятора:

Теплоизоляция НПЭ-Ф критически важна для работы дрона при температурах ниже -10°C.

1. Максимальный эффект заметен в диапазоне 0…-15°C, где время полета увеличивается на 9–20%.
2. Для экстремальных условий (-40°C) требуется дополнительный подогрев.

Рекомендация: Провести реальные испытания, так как на результат влияют:

• Толщина изоляции.
• Скорость ветра.
• Режим полета (рывки снижают время работы).

График зависимости времени работы от температуры можно представить в виде диаграммы для наглядности.

Заключение. В рамках исследования был проведён анализ существующих моделей БПЛА. На основе анализа был выбран дрон типа ZMR250 QAV250, обладающий оптимальным соотношением цены и качества. Для сборки использован набор Kit, включающий раму, моторы, пропеллеры, аккумулятор, камеру FPV MINI и контроллер полёта. Для повышения эффективности работы БПЛА в зимних условиях предложен метод теплоизоляции аккумуляторов с использованием фольгированных материалов и планируется протестировать в реальных зимних условиях продолжительность работы, а также летом защитить от сильного перегрева.

В результате исследования был собран прототип БПЛА типа ZMR250 QAV250, оснащённый камерой FPV MINI и теплоизоляционными материалами для аккумуляторов.

Дрон способен осуществлять мониторинг строительных объектов, собирать данные для создания 3D-моделей и работать в условиях низких и высоких температур. Предложен-ное решение позволяет повысить эффективность использования БПЛА в строительной отрасли, особенно в регионах с суровым климатом. А также планируется протестировать и сравнить время полета БПЛА в разных температурных условиях.

1. Беспилотные летательные аппараты вертикального взлета: сборка, настройка и программирование: учебное пособие / М.А. Ковалёв, Д.Н. Овакимян. – Самара: Издательство Самарского университета, 2023
2. DJI Гид покупателя/[Электронный ресурс] Cсылка: https://djimsk.ru/guides/
3. Дрономания  /[Электронный ресурс] Cсылка: https://dronomania.ru/faq/dron-svoimi-rukami-urok-1-terminologiya.html
4. Видеоматериал /[Электронный ресурс] Cсылка: https://rutube.ru/video/23c2a0fd94566075e25f436566478fd8/?r=wd
5. Строительно-техническая экспертиза с применением БПЛА (дронов)/ /[Электронный ресурс] Cсылка:https://a-expert.ru/services/ekspertizi-stati/stroitelno-texnicheskaya-ekspertiza-s-primeneniem-bpla-dronov/
6. UAV Pilot / /[Электронный ресурс] Cсылка:https://blog.rctoysky.com/?p=634
7. Полётный контроллер F4 V3S PLUS для FPV квадрокоптера или самолета/[Электронный ресурс] Cсылка: http://www.muuh.ru/meropriyatiya-novosti/134-polety/radioupravlyaemye-modeli/poletnye-kontrollery/788-poljotnyj-kontroller-f4-v3s-plus-dlya-fpv-kvadrokoptera-ili-samoleta.html
8. Эксперты объяснили, зачем нужны дроны на стройплощадках /[Электронный ресурс] Cсылка: https://rg.ru/2023/04/01/eksperty-obiasnili-zachem-nuzhny-drony-na-strojploshchadkah.html
9. МИНСТРОЙ/[Электронный ресурс] Cсылка: www.minstroyrf.gov.ru