Дроны представляют собой разновидность летающих роботов с возможностью передачи частичного, либо полного управления человеку. Впервые подобные роботы применялись в 1983 году армией США, где от них требовались задачи нахождения баз, лучших путей отхода или глубокая разведка. Применение дронов, таким образом, помогло сохранить множество жизней, и минимизировать ущерб в боевых действиях.

Однако время идет, и теперь подобные технологии становятся общедоступными для множества потребителей, и соответственно к дронам начинают предъявлять     более специфичный спектр задач. В наши дни они применяются спасателями в случае чрезвычайных ситуаций, после катастроф, если необходимо провести осмотр больших территорий, для поиска выживших. Также с помощью них производится съемка объектов, погрузо-разгрузочные работы на больших высотах, где затруднен проход человека.

Применение их в сельском хозяйстве, также имеет свой потенциал. Для примера, рассмотрим конструкцию и технические характеристика наиболее распространенного на данное время дрона модели AR.Drone 2.0.

Конструкция его (Рис.1) как и любого летающего дрона, представляет из себя, защитный кожух 1, внутри которого находится бортовая ЭВМ с датчиками положения, системой управления и собственным программным обеспечением, доступным для корректировки. Для маневрирования в воздухе, и набора высоты дрон использует винты 2, количество и мощность которых варьируется в зависимости от модификации. Чтобы человек-оператор мог получать сигналы от дрона, и корректировать его движение, робот снабжен web-камерой 3 и системой беспроводного соединения компьютером оператора, радиус взаимодействий которых также может варьироваться. Чтобы предотвратить поломку винтов, имеется защитный корпус 4. Для того чтобы дрон мог захватывать и перетаскивать вещи, имеются крепежные элементы 5 находящиеся под защитным кожухом.

Рисунок 1 – AR.Drone 2.0

Представленный дрон имеет следующие интересующие нас технические характеристики (таблица 1).

Таблица 1 – Технические характеристики AR.Drone 2.0

Естественно, данные характеристики могут варьироваться в зависимости от конструкции. Дрону свойственно и автоматическое управление. На рисунке 2 приведены примеры траекторий полета робота, который он может выполнять без участия оператора, ориентируясь лишь на собственную систему управления, и собственный выбор возможности преодоления преграды, либо выполнения задания.

Рисунок 2 – Возможные виды траекторий движения дрона при автоматическом управлении

В итоге, после приведенной информации применение дронов в сельском хозяйстве может представляться в следующем:

1. Картографическая съемка местности. Более быстродоступная и менее дорогая, чем спутниковая съемка.
   
2. Распыление химических веществ над локальными территориями сельскохозяйственного назначения. Более точное, чем обработка полей с помощью сельскохозяйственной авиации.
   
3. Быстрое оперирование грузами. Доставка инструментов, семян и прочих предметов определенного веса, не учитывая сложности ландшафта.

Таким образом, были обозначены ряд направлений применения дронов. Их необходимые характеристики, и более конкретные способы применения будут рассчитаны и описаны в последующих статьях.

Одной из характерных особенностей данного программного продукта является его способность в интерактивном режиме следить за корректностью осуществления сборки деталей в узле отслеживая наличие сопряжений и учитывая их взаимную подвижность (степени свободы кинематических пар). Виртуальная проверка работы изделия разработанного в среде Inventor снижает вероятность ошибок и увеличивает технологичность его изготовления. Возможна как проверка пересечений статичных деталей с подсвечиванием (рисунок 1) пересекающихся частей (кинематических коллизий), так и проверка потенциальных пересечений движущихся частей механизма с помощью вариации зависимостей или перетаскивания компонентов.

Рисунок 1 – Пример осуществления автоматической проверки пересечений статичных деталей

Автоматический мониторинг соблюдения важных конструкторских параметров позволяет снизить вероятность возникновения ошибок проектирования. Эта функция позволяет контролировать длину, расстояние, угол, диаметр, периметр контура, площадь, объем и массу. При выходе значений отслеживаемых параметров за пределы заданного диапазона появляется предупреждающий сигнал. Корректор ошибок – это диагностическое средство, с помощью которого можно выявлять потенциальные проблемы в механической системе и находить пути их исправления (рисунок 2).

Рисунок 2 – Диалоговое окно корректора ошибок

Функция анализа методом конечных элементов (рисунок 3), предназначенная для расчета напряжений и деформаций, помогает повысить качественые показатели конструкций и предотвратить эксплуатационные отказы. Возможность динамического анализа позволяет рассчитывать силы и ускорения для каждой детали в реальных условиях с учетом переменных нагрузок, влияния сил трения и характеристик упругих компонентов, таких как пружины и демпферы.

Рисунок 3 ­– Цветовая карта деформации конструкции

Отмеченные выше аспекты делают незаменимым Autodesk Inventor при освоении таких базовых инженерных дисциплин как «Теория механизмов и машин», «Сопротивление материалов» и «Детали машин и основы конструирования» [1,2].

Кроме того, технология цифровых прототипов, реализованная в среде САПР Autodesk Inventor, позволяет инженеру с максимальной эффективностью реализовать свой творческий потенциал не отвлекаясь на рутинные операции, а ученому – качественно проанализировать объект исследования для принятия оптимального решения по выбору обоснованных значений параметров технической системы и адекватно представить экспертам свои результаты на любых этапах рецензирования научной работы.

Выполненные в среде САПР Autodesk Inventor твердотельные модели технических систем обладают убедительной правдоподобностью, зрелищностью [3] и позволяют эффективно представить свой взгляд на структуру объекта профессиональной деятельности с позиции защиты его инновационных аспектов.

Необходимость создания систем для автоматизированного проектирования и/или разработки МИЛР возникает вследствие высокой сложности программной реализации системы продукционных правил (СПП), которая напрямую зависит от количества термов, используемых для представления переменных [2].

МИЛР являются альтернативной ступенью развития нечетких регуляторов в плане повышения быстродействия систем автоматического регулирования на их основе, расширения области применения и снижения взаимного влияния контуров регулирования.

Отличительной особенностью структуры МИЛР является отсутствие в ней элементов обработки продукционных правил. Так, в каждом цикле работы МИЛР в процессе сканирования значений непрерывных величин формируется ID-номер, или ключ, продукционного правила, используемый для определения комбинации значений управляющих воздействий в текущий момент t. Комбинации значений управляющих воздействий МИЛР хранятся в массиве или базе данных (зависит от технических характеристик используемых устройств автоматизации).

На рисунке 1 приведена блок-схема МИЛР с n входными параметрами X, k и m выходными параметрами Z и Y, где И₁, …, И_n – интервализаторы, а Д₁^(Z), …, Д_k^(Z) и Д₁^(Y), …, Д_m^(Y) – деинтервализаторы МИЛР; N_min, N_тек и N_max – минимальный, текущий и максимальный ID-номер продукционного правила в массиве значений управляющих воздействий в блоке логического вывода (БЛВ) с регулирующей и компенсационной СПП (РСПП и КСПП соответственно); # – элемент ID-номера продукционного правила БЛВ, формируемого из номеров термов T(X₁), …, T(X_n) и T(Z₁), …, T (Z_k).

Рисунок 1 – Блок-схема МИЛР с минимизированным временем отклика

В МИЛР, в связи со спецификой работы, взамен стандартных для нечетких регуляторов (НР) понятий “фаззификации” и “дефаззификации”, введены понятия “интервализации” и “деинтервализации”, определенные ниже [3].

Интервализация представляет собой процесс определения принадлежности значения непрерывной величины МИЛР тому или иному интервалу, входящему в диапазон значений данной величины.

Деинтервализация – процесс, обратный интервализации, то есть выделение требуемого значения непрерывной величины из интервала, входящего в диапазон значений данной величины.

Интервализаторы и деинтервализаторы МИЛР представляют собой блоки, реализующие процессы интервализации и деинтервализации соответственно.

ID-номера продукционных правил МИЛР с n входными, k и m выходными параметрами будут расположены в диапазоне от N_min до N_max. Правило, ID-номер которого равен 0 предназначено для контроля состояний непрерывных величин и называется “нулевым”, или аварийным, правилом.

На рисунке 2 изображена структурная схема системы автоматизированной разработки МИЛР “САР МИЛР”, разработанной автором (стрелками обозначены внутренние связи между отдельными блоками “САР МИЛР”, каждый из которых является самостоятельным элементом).

Рисунок 2 – Структурная схема системы автоматизированной разработки МИЛР

Редакторы блоков интервализации и деинтервализации предназначены для создания или редактирования параметров интервализаторов и деинтервализаторов непрерывных физических величин МИЛР с целью дальнейшего преобразования их кода в форматы языков программирования международного стандарта IEC 61131-3 [4].

Редактор правил и управляющих воздействий предназначен для создания и редактирования СПП МИЛР и выполняет следующие основные функции:

– создание и/или редактирование СПП МИЛР с учётом логических связей с редакторами интервализаторов и деинтервализаторов;

– интегрирование СПП в структуру МИЛР;

– проверка правильности вводимых с клавиатуры данных;

– преобразование программы МИЛР в форматы языков программирования, описанных в стандарте IEC 61131-3;

– графическое отображение СПП МИЛР.

Для создания СПП в редакторе реализован собственный графический язык программирования, получивший название STEP GRAPH и основанный на системе интервализаторов и деинтервализаторов МИЛР. При создании правила в редактор продукционных правил добавляются отрезки числовых осей всех входных блоков МИЛР, которые поделены на области, или термы, отмеченные красным цветом. В редактор управляющих воздействий при этом будут добавлены отрезки числовых осей всех выходных блоков МИЛР. Логические переменные будут представлены в виде отрезков, разбитых на две области, которые соответствуют состояниям “0″ и “1″ соответственно [5].

Принцип работы со STEP GRAPH базируется на создании продукционных правил путём выделения необходимых областей, или термов, переменных МИЛР [6]. Для этого надо кликнуть мышью по требуемой области отрезка числовой оси, при этом термы будут автоматически окрашены в зелёный цвет.

На рисунке 3 представлен скриншот главного окна “САР МИЛР”.

Рисунок 3 – Скриншот главного окна “САР МИЛР”

Проектирование и разработка МИЛР с использованием программы “САР МИЛР” позволяет снизить затраты времени в плане:

– создания систем интервализаторов/деинтервализаторов МИЛР с нужным числом, характером и порядком распределения термов непрерывных величин;

– создания и редактирования СПП в графическом языке программирования STEP GRAPH;

– проведения семантического анализа структуры МИЛР с целью выявления логических ошибок или отклонений от концепции построения;

– генерации программ МИЛР для промышленных контроллеров в формате языков программирования, описанных в международном стандарте IEC 61131-3.

Несмотря на то, что дорожные службы практически ежегодно ремонтируют дорожное покрытие, «ямочный» ремонт не приводит к необходимым результатам. Очевидно, что транспортно-эксплуатационные характеристики автомобильных дорог зависят от особенностей природно-климатических условий каждого конкретного региона [1,2].

Дальний Восток – это очень важный и эффективный транспортно-коммуникационный узел между Россией и странами Азиатско-Тихоокеанского региона: здесь сходятся сухопутные границы трех стран (Россия, Китай и Корейская Народно-демократическая республика); незамерзающие морские порты, в сочетании с природными ресурсами и промышленным потенциалом, создают благоприятные условия для международного сотрудничества и активного включения России в интеграционные процессы стремительно развивающегося АТР.

На развитие транспортной инфраструктуры оказывает влияние специфика географического положения юга Дальнего Востока: экстремальные природно-климатические условия, отдаленность от промышленных регионов, высокие тарифы на перевозку грузов железнодорожным транспортом. Все больше товаропроизводителей и крупных транспортно-логистических компаний пользуются для выполнения задач по доставке грузов автомобилями повышенной грузоподъемности, которые, в свою очередь, повышают весовые нагрузки на дорожные одежды.

При проектировании, строительстве и эксплуатации дорог необходимо максимально учитывать местные природные условия. Целый ряд ученых отмечал, что действующее нормативное дорожно-климатическое районирование не в полной мере адекватно учитывает все факторы, необходимые для проектирования автомобильных дорог [1-4].

В дополнение к нормативному дорожно-климатическому районированию, многие авторы районируют территорию страны на основе комплексного анализа групп различных факторов: зональных, интразональных, региональных [1,3,5].

При проектировании, строительстве и эксплуатации дорог необходимо максимально учитывать местные природные условия. Согласно требованиям СНиП 2.05.02-85* юг Дальнего Востока делится на I и II дорожно-климатические зоны (рис. 1).

Рис. 1. Нормативное дорожно-климатическое районирование

На основании изученного нами исследовательского материала, возможно сделать вывод, что для юга Дальнего Востока необходимо более детальное разбиение на районы и подрайоны, чем разделение на две ДКЗ (ввиду особенностей географического положения, геологического строения почвы и природно-климатических условий).

Очевидно, что назрела необходимость внесения изменений в строительные нормы по проектированию автодорог.

За основу методики районирования можно взять разработки зарубежных ученых, которые стараются максимально детализировать дорожно-климатические факторы, учитывая все многообразие факторов: климат, грунт, водоотвод и др. [6,7] Результаты экспериментальных исследований по изучению водно-теплового режима земляного полотна в рассматриваемом регионе и анализ влияния погодно-климатических факторов на состояние грунтов позволили установить, что весеннюю влажность грунтов при глубоком залегании грунтовых вод можно характеризовать интенсивностью накопления отрицательных температур воздуха за первую половину зимы (октябрь-декабрь месяцы). Этого периода вполне достаточно, чтобы граница промерзания опустилась ниже активной зоны земляного полотна, ограничив тем самым приращение влажности за счет миграционного потока в зону фазовых переходов.

Предлагаем ориентировочное дорожно-климатическое районирование с учетом всех вышеприведенных комплексно-учитываемых факторов, которое потребует в дальнейшем уточнения на основе теоретических и экспериментальных исследований (рис. 2).

Рис. 2. Эскизно предлагаемое дорожно-климатическое районирование

Сравнивая результаты уточнения границ I-III дорожно-климатических районов, выявляем, что I зона сокращена до небольшой территории на северо-западе Еврейской автономной области. II зона располагается на побережье Японского моря, доходя до 50-70 км вглубь материка, III зона занимают большую часть континентальной территории.

Для уточненных дорожно-климатических зон на территории юга Дальнего Востока расчетные параметры грунтов, необходимые для расчета нежестких дорожных одежд по условию прочности применительно к участкам автодорог, расположенных на местности I типа по условиям увлажнения, были установлены в зависимости от величины расчетной влажности [8, 9].

Для определения расчетных значений влажности использовали зависимость проф. В.Н. Ефименко, с помощью которой можно учитывать температурно-влажностный режим отдельных дорожно-климатических зон [5]. Предварительные расчеты по указанной зависимости подтвердили адекватность ее использования для природно-климатических условий юга Дальнего Востока. При этом учитывались значения многолетних данных метеорологических станций исследуемого района (Владивосток, Агзу, Анучино, Барабаш, Глубинное, Дальнереченск, Заветное, Камень-Рыболов, Кировский, Красный Яр и др.). Метеорологические значения учитывались по состоянию за последние 20 лет. Для определения расчетной влажности, для случаев глубокого залегания грунтовых вод, был разработан метод, который не требует данных непосредственного определения влажности грунтов. При его использовании необходимы значения метеорологических параметров, влияющих на влагонакопление в грунтах.

Статистическая обработка метеорологических переменных обеспечивала получение расчетных значений влажности, прочности и деформируемости глинистых грунтов для целей проектирования нежестких дорожных одежд при уровне надежности Р=0,95 (табл. 1).

Таблица 1. Расчетные значения характеристик глинистых грунтов земляного полотна для дорожных районов, выделенных на территории юга Дальнего Востока

Согласно [2,5], точность определения Wp в значительной степени зависит от правильности определения расчетной суммы отрицательных температур воздуха (градусо-суток) за период с октября по декабрь.

Расчетная сумму отрицательных градусо-суток была установлена, на основе зависимости, взятой из [5]:

где  – среднемноголетняя сумма отрицательных градусо-суток;  – среднеквадратичное отклонение; t – коэффициент нормированного отклонения, принимаемый при заданном уровне надежности Кн.
Рекомендуемые значения характеристик грунтов обоснованы и назначены с максимальным учетом природно-климатических условий исследуемого района, что будет способствовать проектированию надежных конструкций дорожных одежд, не влекущих под собой дополнительных расходов на ремонт в процессе их эксплуатации [1,10].