Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В рамках первого этапа проекта в 2022 году был проведен анализ требований к высокомобильной нодальной сейсмической системе (НСС) с беспроводными каналами передачи данных, что позволило определить ключевые критерии эффективности в отношении систем данного класса. На основании проведенного анализа был сформирован перечень требований к НСС с беспроводными каналами передачи данных, основанной на использовании автономных сейсмических модулей и группы БВС, а также выработаны спецификации требований к нодам в составе данной системы с учетом заявленных целей проекта. Проведен детальный анализ современного состояния исследований в области использования результатов полной векторной декомпозиции (векторной сейсморазведки) в задачах разведки и контроля разработки месторождений нефти и газа. Были проанализированы современные подходы к векторной сейсморазведке, а также проведена оценка перспектив их дальнейшего развития. По результатам анализа были выявлены значительные перспективы использования дополнительной угловой информации в новых методах обработки сейсмических данных. Реализация соответствующих методов выдвигает специфический набор требований к системам сбора полевых данных в том числе, предполагая размещение приемников и источников на поверхности исследуемой территории, что напрямую влияет на регламент проведения операций по расстановке сенсоров и потенциально позволит снизить сложность автоматизированного размещения сейсмических сенсоров средствами БпЛА. В рамках первого этапа проекта были разработаны модели механической конструкции высокомобильного малогабаритного цифрового сейсмического модуля, обладающего возможностью по беспроводной передаче данных в условиях динамически изменяющегося внешнего окружения. В частности, был определен компонентный состав для высокомобильного малогабаритного сейсмического модуля для использования его в наземных сейсмических системах при расстановке с использованием БпЛА. В ходе работ было разработано два принципиально разных варианта конструкции модуля НСС, отличающихся форм-фактором корпуса и используемой электронной элементной базой. Так сейсмический модуль в корпусе диаметром 102 мм разработан с учетом включения отсека, содержащего парашютную систему сброса. Учитывая габаритное соотношение высота/диаметр, данная конструкция модуля является более устойчивой на неровных поверхностях, чем альтернативная конструкция в корпусе диаметром 63 мм. Также данная спецификация модуля содержит цифровой блок, который имеет 24 битный АЦП, что обеспечивает большее разрешение по отношению сигнал/шум, по сравнению с 14 битным АЦП в случае модуля в корпусе 63 мм. Ключевое преимущество последней конструкции связано с тем, что в данном исполнении модуль будет иметь вес до 3,5 кг по сравнению с исполнением в корпусе с диаметром 102 мм, вес которого в данном исполнении предположительно будет составлять порядка 6,5 кг, что значительным образом влияет на возможности роботизированных агентов по размещению сейсмических модулей. В 2022 году также была разработана функциональная схема высокомобильного малогабаритного цифрового сейсмического модуля, обладающего возможностью по беспроводной передаче данных в условиях динамически изменяющегося внешнего окружения с учетом различных режимов функционирования устройства. Предложенная функциональная схема сейсмического модуля основана на значительном объеме экспериментальных данных, полученных при ранее проведенных испытаниях отдельных элементов, входящих в состав предлагаемой конструкции. Разработанные варианты конструкторских решений и функциональных схем будут использованы в дальнейшем для создания тестовых образцов сейсмических модулей для экспериментальной проверки найденных решений. Был разработан подход к проведению аэромониторинга местности группой БВС с целью формирования актуальной карты местности для последующей разметки зон установки сейсмических модулей. Предложенный подход основан на синхронизации работы БВС друг с другом и позволяет БВС получать дополнительную информацию для корректировки функционирования автопилота на полетном контроллере. В качестве алгоритмической основы предлагаемого подхода к аэромониторингу местности был предложен метод планирования траектории покрытия, основанный на паттерне возвратно-поступательного движения в сочетании с алгоритмами локального планирования траекторий агентов для уклонения от препятствий. Ключевая особенность используемого метода заключается в том, что глобальная траектория, построенная на основе паттерна возвратно-поступательного движения, разделяется на непересекающиеся участки, где каждому из участков назначается отдельный агент. При этом расстояние между формируемыми участками зависит от параметров установленных на борту сенсоров и заданного процента перекрытия при выполнении мониторинга. Другими словами, декомпозиции подвергается не вся рабочая область, а только сгенерированная глобальная траектория БВС. Данный шаг позволяет существенно сократить время расчета индивидуальных траекторий БВС, что критически необходимо в задачах планирования и распределения маршрутов между агентами в режиме приближенному к реальному времени. На текущем этапе реализации проекта также была разработана онтологическая модель для систематизации и формализации визуальных признаков участков местности, пригодных к установке сейсмических модулей, в качестве основы которой был использован набор яркостных и спектральных индексов, базирующихся на интенсивности отражения от поверхности электромагнитного диапазона той или иной длины волны. Дополнительно была предложена специализированная методика, направленная на выявление статистически значимых признаков для выделенных классов поверхностей и определения интервалов значений яркостных и спектральных индексов, соответствующих каждому заданному классу поверхностей. При выполнении работ по проекту был определен набор возможных внештатных ситуаций при выполнении группой БВС полетных задач в процессе функционирования системы и разработаны соответствующие алгоритмы реагирования и переопределения траекторий движения группы БВС. Также была разработана и апробирована система планирования траекторий движения для группы БВС при выполнении полетных задач, основанная комбинированном использовании следующего набора алгоритмов: алгоритма распределения БВС между целевыми объектами, алгоритма планирования глобального пути RRT* для каждого БВС из группы и алгоритма разрешения возможных столкновений, основанного на принципе ORCA. Комбинация приведенных алгоритмов позволила реализовать систему планирования траекторий движения для участников группы и исключить возможность столкновения между ними, при этом генерируемые системой траектории будут проходимыми для БВС и учитывать препятствия, а используемый алгоритм распределения целей гарантирует обслуживание всех целевых объектов. Результаты исследования опубликованы в сети Интернет по адресу: https://robotics.nw.ru/servis/project_detail.php?ID=492

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Разработан оригинальный сверхбыстрый метод высокоточного расчета распространения опорной волны от источника и «обратной» волны от группы приемников для 2D и 3D, отличающийся от традиционных методов расчетом волнового поля с использованием уравнений акустики в первых производных – в давлениях и скоростях. При этом расчеты проводились с контролируемой точностью не для 64-разрядных, а для 32-разрядных вычислений не только с использованием CPU (Central Processing Unit), но также с использованием GPU (Graphics Processing Unit), позволившее сократить время типового расчета волновых полей без потери точности расчетов до двух порядков. 2. Предложены подходы к миграции в обратном времени и угловой декомпозиции волн с использованием опорной волны на основе уравнений акустики, описываемых дифференциальными уравнениями первого порядка для давлений и векторов скорости частиц, изменяющихся во времени (усреднение последних по времени приводит к традиционным статичным во времени векторам нормали к фронту распространения волн). Детальная фиксация во времени углов между векторами скоростей частиц в прямой волне и в обратной приводит к необходимости промежуточного хранения большого количества информации (в среднем на три порядка больше, чем исходные сейсмические данные). Проведенные численные эксперименты показали, что использование стохастической расстановки источников и приёмников позволяет сократить количество используемых программных модулей в несколько раз при неизменном качестве обработки сейсмических данных. 3. Разработаны и испытаны в лабораторных условиях макетные образцы высокомобильного малогабаритного цифрового сейсмического модуля, состоящего из трех ортогонально установленных активных линейных молекулярно-электронных геофонов MTSS-1001 с рабочей полосой в базовой конфигурации от 1 до 300 Гц. Линейные геофоны MTSS сочетают малые габариты и вес – не более 65 граммов с высокой чувствительностью – до 250 В/(м/с). Ключевой отличительной особенностью геофонов MTSS является широкая рабочая полоса частот до 1 Гц, что больше, чем у других типов приборов, что является особенно важным для работы на сложных территориях, содержащих труднодоступные участки, ограничивающие возможности для создания плотных расстановок сейсмодатчиков. Кроме того, сейсмические модули устойчивы к вибрациям и ударам при транспортировке, а также сохраняют работоспособность при любой ориентации относительно вертикали, что значительно снижает требования по точности выставления вертикали при использовании неподготовленной площадки. Конструкция разработанного датчика позволяет осуществлять его размещение и установку с БВС. 4. Разработано встраиваемое программное обеспечение, реализующее систему планирования траекторий движения для группы БВС при выполнении полетных задач. Программное обеспечение состоит из следующих модулей: модуль графического интерфейса для выбора рабочей области, модуль определения местоположения БВС, модуль расчета предварительных траекторий движения с учетом целей и коллизий, модуль динамического перепланирования при изменении ситуаций, модуль связи для распределения задач между БВС, модуль конфигурационных параметров БВС. На основе разработанного программного обеспечения проведены испытания в условиях, приближенных к реальным, а также проведено моделирование данной миссии с использованием среды Gazebo с целью сравнения полученных результатов. Для этого была осуществлена миссия по установке семи сейсмодатчиков на площади 1 квадратный километр с помощью двух и четырех БВС. Во время испытаний все БВС успешно осуществили доставку сенсоров к своим целям без коллизий, замен АКБ не требовалось. 5. Разработан метод позиционирования группы БВС для организации устойчивых беспроводных каналов связи между БВС и сейсмическими модулями в процессе функционирования беспроводной нодальной сейсмической системы в условиях динамически изменяющегося внешнего окружения, отличающийся многоэтапным решением задачи передачи данных между БВС и сейсмическими сенсорами за минимальное время посредством распределения и планирования траекторий движения БВС на основе тепловой карты распространения Wi-Fi сигналов от датчиков, расположенных на местности. 6. Разработана методика разметки обучающих наборов данных аэромониторинга для моделей сегментации местности и идентификации зон, пригодных для размещения сейсмических модулей, отличающаяся предварительным анализом геопространственных спутниковых изображений, формированием данных в формате OSM для геопривязки объектов на местности и обеспечивающая автоматическую разметку в системе классов и подклассов поверхностей и классификацию пригодных и не пригодных для размещения сейсмических модулей зон. 7. Разработан подход к распределению сейсмических сенсоров на местности при формировании беспроводной нодальной системы, основанный на анализе спектральных данных о подстилающих поверхностях в «скользящем окне» в 1 кв. км с шагом смещения в 100 м для сегментации зон, пригодных к установке сейсмических сенсоров с учетом угла наклона поверхности, обеспечивающий формирование множества геопростраственных координат для установки семи сейсмических сенсоров на 1 кв. км с привязкой к ГИС системе. 8. Разработан набор моделей механической конструкции механизмов БВС, предназначенных для размещения и сбора сейсмических модулей, созданных на основе анализа наиболее эффективных кинематических захватов и массогабаритных параметров сейсмического сенсора, позволяющие изготовить бортовое устройство для захвата и установки сейсмического сенсора с использованием БВС. 9. Разработан технический облик в САПР системе и функциональные схемы БВС с учетом требований массогабаритных параметров сейсмического сенсора, расположения бортового радиокоммуникационного оборудования, бортового вычислителя и системы технического зрения для точной посадки БВС при выполнении задач по доставке и установке сенсорных устройств, обмен данными с сенсорными устройствами и автономное движение БВС. 10. По результатам текущих исследований в 2023 году коллективом исполнителей опубликовано и принято к публикации в 2024 году 8 научных статей в журналах (Russian Journal of Earth Sciences, Научный журнал «ТРУДЫ МФТИ», Журнал радиоэлектроники, Робототехника и техническая кибернетика) и трудах конференций, индексируемых в RSCI/Scopus/WoS. Кроме того, полученные за отчетный период результаты представлены на 6 научных мероприятиях – в рамках Всероссийской научной конференции «Цифровая индустрия: состояние и перспективы развития 2023» (ЦИСП’2023), 8th International Conference on Interactive Collaborative Robotics (ICR 2023), III Международной конференции по цифровизации сельского хозяйства и органическому производству (ADOP 2023), 34-й Международной научно-технической конференции «Экстремальная робототехника» (ЭР-2023), Международной научно-технической конференции «Автоматизация» (RusAutoCon 2023), XVII Международной сейсмологической школы "Современные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных".