Анализ применения различных типов беспилотных летательных аппаратов в строительной отрасли



В работе проведен анализ применяемых в строительной отрасли типов беспилотных летательных аппаратов — дронов. Оценены недостатки и преимущества каждого из них. При помощи анализа практики применения разных типов дронов выявлены критерии выбора типа дрона, исходя из условий и нужд строительного проекта.

Ключевые слова: дрон, беспилотный летательный аппарат, БПЛА, дроны самолетного типа, дроны роторного типа, дроны гибридного типа.

The paper analyzes the types of unmanned aerial vehicles — drones — used in the construction industry. The disadvantages and advantages of each of them are evaluated. By analyzing the practice of application of different types of drones the criteria for choosing the type of drone based on the conditions and needs of the construction project are revealed.

Keywords: drone, unmanned aerial vehicle, UAV, airplane-type UAV, rotor-type UAV, hybrid-type UAV.

В настоящее время в строительной отрасли применяются три типа беспилотных летательных аппаратов: дроны «коптерного» (роторного) типа (Рис. 1); самолётного с неподвижным крылом (Рис. 2); гибридного (с винтами и крыльями) (Рис. 3) [1, с. 3; 2, с. 482; 3, с. 2]. Их конструкция-тип влияет на эффективность их применения для различных задач строительства.

Мульти-роторные БПЛА, также известные как винтокрылые, используют для подъема и полёта несколько несущих винтов, обычно от четырёх до восьми. Количество винтов влияет на их грузоподъёмность, позволяет им транспортировать более тяжёлые грузы или нести на себе дополнительные аппаратные компоненты такие как специализированные датчики, тепловизионные камеры высокого разрешения, георадары которые существенно увеличивают их функциональность в строительстве и эксплуатации [1, с. 3–4].

По дальности и скорости полёта много роторные БПЛА проигрывают дронам самолетного типа. Но использование винтов для полёта позволяет им зависать и маневрировать над объектом что делает их особенно эффективными для задач, требующих точного позиционирования или детальных проверок строительных площадок и инфраструктуры как вертикальных, так и горизонтальных объектов [1, с. 3–4; 2, с. 482; 3, с. 4–5]

Винтокрылые дроны за счёт своей конструкции не нуждаются во взлетно-посадочной полосе или открытой площадке, для взлета и посадке, по сравнению с дронами с неподвижным крылом. Это делает их идеальным для применения в замкнутых пространствах, например таких как промышленные здания и сооружений, трубопроводы большого диаметра и т. д. Дроны с винтокрылыми крыльями так же обладают невысокой скоростью полёта по сравнению с дронами самолетного или гибридного типов, что делает их намного проще в эксплуатации, на них могут летать пилоты с меньшей подготовкой и опытом [3, с. 4–5].

Несмотря на все преимущества использования мульти-роторных БПЛА, этот тип дронов имеет существенные недостатки, такие как ограниченное время полета, так как работающие роторы потребляют много энергии по сравнению с дронами самолетного типа. Это ограничивает зону их работы и делает их менее подходящими для крупномасштабных проектов мониторинга, таких как автомагистрали или железная дорога, требующих длительного времени полета. Кроме того, за счёт их формы и конструкции, порывы ветра влияют на стабильность их полета и качество получаемых данных больше, чем на дроны с неподвижным крылом. По сравнению с дронами с неподвижным крылом или гибридными дронами, вертолетные дроны имеют меньшую грузоподъемность [3, с. 4–5].

Рис. 1. Дроны коптерного (роторного) типа, слева направо квадрокоптер с 4 винтами, гексакоптер с 6 винтами, октокоптер с 8 винтами [3]

БПЛА с неподвижным крылом, имеет форму самолета, что обеспечивает этому типу БПЛА расширенные летные возможности включая большую подъемную силу и устойчивость в полете. Такие дроны обычно крупнее чем их винтокрылые аналоги, и требуют взлетно-посадочной полосы или иной гладкой поверхности для взлета и посадки. Одними из их главных преимуществ это оставаться в воздухе в течение длительного периода времени, и так же большая дальность и скорость полета, что достигается за счёт их аэродинамической формы. И делает их идеальными для крупномасштабных проектов за счёт возможности покрывать большие территории, как например для картографирования и сбора данных. Тем не менее, БПЛА с неподвижным крылом также имеют некоторые конструктивные недостатки, которые заключаются в не высокой маневренности и в отсутствии возможности зависания над объектом. Что в свою очередь ограничивает их использования в тесных или замкнутых пространствах и лимитирует их функциональность для проверки вертикальных объектов. За счёт довольно высокой скорости полета этот тип дронов требует более специализированной и длительной подготовки для их операторов [1, с. 3; 3, с. 4]. БПЛА с неподвижным крылом, как правило, более устойчивы в ветреную погоду, чем винтокрылые дроны. Их обтекаемая форма делает их более стойкими к порывам ветра, что позволяет им сохранять устойчивость и получать высококачественные изображения во время полета даже в сложных погодных условиях. Они имеют более высокую грузоподъемность, что позволяет им нести более тяжелое оборудование, такое как камеры высокого разрешения или датчики LIDAR, на дальние расстояния. Для сбора подробных аэрофотоснимков, для точного картографирования, 3D-моделирования или мониторинга строительных площадок [3, с. 4].

.

Рис. 2. Дрон самолётного типа с неподвижным крылом [1]

Рис. 3. Дрон гибридного типа (с винтами и крыльями) [1]

БПЛА гибридного типа представляют собой БПЛА, сочетающие в себе характеристики дронов с неподвижным крылом и дронов роторного типа. За счёт их гибридной конструкции они обладают большой дальность действия, маневренностью, возможностью зависания над обьектом, высокой скоростью и опцией вертикального взлета и посадки, что делает их универсальными. Этот широкий функционал позволяет применять гибридные БПЛА для широкого диапазона задач, и выполнять широкий спектр миссий, требующих возможности зависания, и одновременно высокой скорости полета. Они так же идеально подходят для использования в отдаленных или труднодоступных местах. Кроме того, гибридные дроны могут нести больше полезной нагрузки, чем роторные БПЛА или дроны с неподвижным крылом. Перейдя в режим полета с неподвижным крылом, они смогут экономить энергию и преодолевать большие расстояния за один полет. Тем не менее они все же имеют свои недостатки. И одним из их основных недостатков является их стоимость, поскольку этот тип дронов, как правило, дороже, чем другие два. Кроме того, гибридные БПЛА из-за особенностей своей конструкции более требовательные к обслуживанию и как правило их сложнее обслуживать. И они так же сложны в управлении и требуют большего опыта и навыков от их операторов. Наконец, гибридные БПЛА более уязвимы к определенным типам погодных условий, такими как сильный ветер или проливной дождь. В целом, гибридные БПЛА являются многообещающей технологией для строительной отрасли, предлагающей баланс возможностей между дронами роторного и самолетного типов [1, с. 4–5; 3, с. 5].

Заключение

Как видно из рассмотренных выше материалов, что для небольших и средних по площади строительных проектах, а особенно вертикальных конструкций таких как башни, небоскребы идеально подходят БПЛА роторного типа. Для крупных строительных площадок или линейных сооружений эффективно применять дроны самолетного типа. Их преимущества так же не оспоримо при изыскательных работах на больших площадях. БПЛА гибридного типа одинаково эффективны для любых вышеизложенных направлений. Но в связи с их более высокой стоимостью, большими расходами на эксплуатацию по сравнению с другими типами БПЛА и требованиями к их операторам, которые должны иметь опыт управления как роторными БПЛА, так и дронами самолетного типа, их внедрение и применение требует больших затрат.

Литература:

1. Han LiangЬ, Seong-Cheol Lee, Woosung Bae, Jeongyun Kim, Suyoung Seo, Towards UAVs in Construction: Advancements, Challenges and Future Directions for Monitoring and Inspection, (2023), официальный сайт [Электронный ресурс]. URL: https://doi.org/10.3390/drones7030202 (дата обращения: 21.06.24), С. 3–5
2. Spoorthy Prakash, M.S., Caroline Clevenger, Manideep Tummalapudi, Unmanned Aerial Systems in the U. S. Construction Industry: Exploratory Study on Current State of Practice, (2022), официальный сайт [Электронный ресурс]. URL: https://easychair.org/publications/paper/pqDw (дата обращения: 22.06.24), С. 482.
3. Hee-Wook Choi, Hyung-Jin Kim, Sung-Keun Kim, Wongi S. Na, An Overview of Drone Applications in the Construction Industry, (2023), официальный сайт [Электронный ресурс]. URL: https://doi.org/10.3390/drones7080515 (дата обращения: 23.06.24), С. 2–5