Беспилотное будущее: как проектируют дроны и почему они падают

Роман Федоренко — доцент Центра компетенций НТИ по направлению «Технологии компонентов робототехники и мехатроники» Университета Иннополис.

Дмитрий Девитт — младший научный сотрудник Центра компетенций НТИ по направлению «Технологии компонентов робототехники и мехатроники» Университета Иннополис.

Все выходят из гаража

Роман Федоренко: Как Google, Apple, Microsoft и прочие ИТ-гиганты вышли из гаража, так и наша исследовательская группа началась с того же. Мы возлагаем большие надежды на наш гараж. Это центр разработки и испытаний роботов. А занимаемся мы прежде всего именно роботами и дроны воспринимаем исключительно как роботов. Может быть, для многих это необычная история. Традиционно люди представляют робота как шагающего андроида. Но существует такая область field robotics, в которой мы как раз и работаем. По сути, это все роботы, которые передвигаются: ездят, плавают или летают.

Робототехника (field robotics) — прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем и являющаяся важнейшей технической основой развития производства. Выделяют строительную, промышленную, бытовую, медицинскую, авиационную и экстремальную (военную, космическую, подводную) робототехнику.

Р. Ф.: Наш центр работает в основном под эгидой Национально-технологической инициативы (НТИ). Среди наших партнеров 6 академических институтов, 18 партнеров в индустрии и 7 иностранных партнеров. Чем мы занимаемся? Всей робототехникой за исключением, наверное, микророботов. Начиная с промышленных: от манипуляторов, в том числе современных коллаборативных роботов, и до нейротехнологий, заканчивая, разумеется, искусственным интеллектом (это вообще сквозная технология).

Р. Ф.: Проект, с которого всё для меня началось, — это автономные дирижабли. И это нестандартный путь. Обычно когда говорят о беспилотниках, думают, что ты, скорее всего, занимаешься коптерами. В моем случае причина заключается в случае. В вузе, в котором я учился, — Южном федеральном университете — был НИИ Робототехники и процессов управления. Я туда пришел и сразу заинтересовался дирижаблями. Как это всё получилось, сейчас уже трудно понять. Но я прошел путь от маленького дирижабля, которым занимался в студенческом бюро, до 70-метрового полноценного устройства для Китайского космического агентства. Студенческий проект летал внутри помещения, и это была отдельная проблема, чтобы работать без GPS. А китайский дирижабль уже нуждался в системе управления, навигации и телекоммуникации.

Дмитрий Девитт: Мы занимаемся системами по управлению и системами облета препятствий. Собственно, это то, чем занимаются сейчас российские и мировые научные школы. В частности мы создавали системы для работы дронов, предназначенных для киносъемок. Это вообще наша первая самостоятельная работа. И эта штука уже применялась в нескольких фильмах — «Годзилла», «Мулан» и прочих. Чтобы не заморачивались режиссеры с тем, как выстроить картинку, всё делается с помощью дрона в автоматическом режиме.

От китайских фонариков к беспилотникам

Р. Ф.: Первые летательные аппараты — это китайские фонарики. Дальше можно привести в пример монгольфьер — воздушный шар. Но самым известным из первых аппаратов стал самолет братьев Райт с мотором. Свои первые летательные аппараты они делали как планеры, но в 1903 году был зафиксирован еще не автоматический, но управляемый полет. Но на самом деле история спорная, потому что в 1901 году уже летали дирижабли. В начале прошлого века самолеты и дирижабли сильно конкурировали. Дирижабли совершали трансатлантические полеты. Они были огромные, удобные, красивые, практически как лайнеры сейчас. Но в итоге самолеты, можно сказать, победили. Хотя дирижабли остаются и всё равно находят свою нишу.

Р. Ф.: Существует три принципа создания подъемной силы. Есть дирижабли — и это аэростатический принцип. Как надувной шарик за счет силы Архимеда поднимается и держится в воздухе. Есть аэродинамический способ — с фиксированным крылом или вращающимся ротором. К нему относятся вертолеты и всем известные коптеры. Конечно, еще к одному типу можно отнести реактивное движение — есть и реактивные самолеты, но в первую очередь это ракеты.

Р. Ф.: Мы работаем с гибридом двух из перечисленных технологий создания подъемной силы — конвертопланом. Это аппарат, который имеет возможность вертикального взлета и посадки, а также движения за счет крыла. Если говорить о применении беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), то сегодня самое популярное — это хобби, фото- и видеосъемка. Причем речь идет уже о вполне конкурентном и сформированном рынке. Следующее применение — вооруженные силы и финансы. Если говорить о военном применении, то Россия сегодня занимает 15% из общемировой практики применения воздушной робототехники. Еще один сегмент, в котором применяют дроны, — это мониторинг. Сегодня активно развиваются решения для доставки и задач «последней мили». Также на подъеме точное земледелие, промышленные задачи и телекоммуникация. Один из кейсов — Google Ballon — аэростаты, которые раздают интернет. Ведущий производитель дронов — китайская компания DJI — с налетом более миллионов часов и уже более чем 70% от всего мирового рынка.

Р. Ф.: Одна из задач точного земледелия — мониторинг посевов. Кроме того, анализ вегетативного индекса и определение проблемных мест. Конечно, можно опрыскивать всё поле трактором, это дешевле на единицу площади, но не очень эффективно. Задача стоит — найти проблемные места, очаги распространения каких-то вредителей и прочее с помощью дронов, оснащенных специализированными инфракрасными камерами. Еще один вариант применения — орошение и опрыскивание. Ребята из Казани сделали классный проект BRAERON — агродрон российского производства. Это такой огромный аппарат, у него два винта, которые работают за счет ДВС. Они создают основную подъемную силу. И есть коптерная схема, которая создает подруливающей силой момент для управления движением.

Р. Ф.: Еще один вариант применения БПЛА ради хобби — гонки дронов. Drone Racing League (DRL) — самая популярная из организаций, которые проводят эти соревнования. Есть и виртуальные гонки на основе симуляторов.

«Выгулять, так сказать, песика!»

Д. Д.: Всего существует восемь стадий разработки дрона. В целом квадрокоптер, беспилотный самолет и беспилотный автомобиль — это всё роботы, у них схожие структуры и везде нужно применять алгоритмы управления. Сенсорика при этом не всегда схожа.

Р. Ф.: Двигатели, которые стоят в дронах, обычно бесщеточные. У них есть отдельный блок управления, который представляет собой многоуровневую структуру. У двигателя установлен ESC — электронный speed-контроллер. Мы задаем желаемую тягу, а он отрабатывает, как нужно управлять двигателем, как переключать обмотку и так далее. Следующее звено — это автопилот, сложная штука с контроллером и множеством датчиков: GPS, инерциальная навигационная система, барометр и прочие. Внутри автопилота выполняется логика управления движением. Также есть функциональные отдельные блоки — блок регулятора, планирования движения, простого движения из точки в точку и блок совмещения данных от разных сенсоров. Например, данные GPS у нас поступают с малой частотой, данные инерциальной системы поступают с большей частотой, но имеют накапливающуюся ошибку. Есть алгоритмы, которые позволяют все это комплексировать и давать нам хорошие данные.

Р. Ф.: Автопилот в дроне — это низкоуровневая базовая вещь. Для дальнейшего и более интеллектуального управления используется уже бортовой компьютер, камеры, сенсоры и другие дополнительные устройства.

Р. Ф.: Разработка дрона начинается с концептуальных расчетов. Проектируется облик аппарата, его система управления: какие нужны тяги, какая будет аэродинамика и так далее. Затем выполняется математическое моделирование. По сути, это работа без «железа». Следующим этапом является разработка системы управления, именно алгоритмики. Для симуляции используются различные подходы и пакеты, например, MATLAB, либо уже готовые симуляторы — Gazebo, Microsoft FS. В Университете Иннополис есть свой симулятор — Innopolis Simulator. В нем есть не только визуальная демонстрация, но и симуляция всех датчиков, то есть он дает такие же данные, как датчики GPS, датчики персепшна, камеры и лидары. Это позволяет отрабатывать многоуровневые высокоинтеллектуальные технологии управления. Когда мы отладили всё в симуляторе (а там оно обычно хорошо работает), можно перейти к самому интересному — к тестам, изготовлению тестового образца и летным тестам. В рамках нашего сотрудничества с Казанским авиационным институтом строятся производственные помещения для изготовления БПЛА, где будут применяться технологии изготовления дронов из углеволокна. Если говорить об аддитивной технологии, то это мы можем делать прямо в Иннополисе.

Д. Д.: Первым делом мы тестируем систему управления, чтобы она была максимально устойчивой. Допустим, нужно проверить, как квадрокоптер сопротивляется ветру. Это можно имитировать — например, Роман пытается его дергать и пускать в разнос, по сути, выступая внешним возмущением. Но это не совсем летные тесты, это так называемые тесты на подвесе. Мы смотрим, как аппарат себя стабилизирует. Проводим и безумные эксперименты — в летающем коптере включаем маршевый двигатель, самолетный, и смотрим, как он себя ведет. То есть держит ли он так же правильно свою ориентацию, как и должен в коптерном режиме. Когда мы в душе уже уверены, что эта штука не упадет, можно запускать ее. Выгулять, так сказать, песика!

Р. Ф.: Главная проблема в разработке летательных аппаратов, которые не являются дирижаблями, заключается в том, что малейшая ошибка может привести к падению. С дирижаблем попроще — к нему можно там подключиться и даже что-нибудь перезапустить. А вот с самолетом и коптером малейшая погрешность, неточность в настройке, и всё.

Главные тренды в разработке дронов

Р. Ф.: Основной тренд робототехники, которым мы занимаемся, — увеличение автономности. Раньше беспилотник был простым носителем полезной нагрузки, то есть довольно тупым и передвигающимся из точки в точку. Это тоже нелегко. Из точки в точку летал, но ничего не знал о препятствиях, о работе в городских условиях и сенсорах. А если сенсоры на нем и были, то просто записывали данные и собирали фотографии. Сейчас идет тренд отказа от носителя полезной нагрузки к более умному роботу. То есть он не только снимает данные, а сразу анализирует их и использует для собственного управления. Дрон, например, может не строить всю карту, а находить на ней какие-то области, сразу анализировать и дальше исследовать интересные территории. Понятно, что для этого требуется программное обеспечение и алгоритмы.

Р. Ф.: Главный тренд, с точки зрения конструкции дрона, — энергоэффективность. Мы используем самые лучшие батареи, но, как правило, квадрокоптер не может летать больше часа (даже самый лучший). Поэтому есть различные варианты, как с этим бороться для конечного применения. И они распадаются обычно на две составляющие. Это либо какие-то станции автоматического обслуживания дрона, которые позволяют расширить его автономное функционирование за счет смены батарей или автоматической зарядки на посадочной станции. И другое направление — это гибридные конструкции. То есть более эффективные аппараты, которые для своих режимов используют различные принципы движения. Кроме того, на дронах есть возможность с текущим развитием сенсорики применять различные крутые сенсоры, которые раньше весили много и стоили дорого. Это лидары, мультиспектральные камеры и другие крутые камеры.

Д. Д.: Сейчас в мире активно занимаются системами облета препятствий. Чаще всего это работа в помещениях, сложных и зашумленных местах. В основном это нужно для анализа разрушенных зданий. Над такими системами, способными работать в условиях ЧС, активно сейчас работают Цюрих и ведущие лаборатории США, MIT, а также «Сколтех». Мы тоже этим занимаемся — себя инспектировали, пытались облететь подвал. И задач тут очень много — это навигация без GPS, использование только сенсоров для движения и само планирование, то есть как нам нужно двигаться, чтобы получить максимум информации о данной местности. Сегодня порядка 20 лабораторий соревнуются между собой в качестве и скорости, потому что важно не просто совершить облет, но и сделать это за меньшее время. Это один из вызовов и по сенсорике, и по обработке, и по алгоритмам. Сейчас самый активный разработчик — это Швейцарская высшая техническая школа Цюриха. Они разработали свою собственную камеру, по сути, это вообще новый тип камер, схож по своей структуре с физиологией человеческого глаза и может давать не кадры в секунду, а разницу между кадрами. Из-за этого мы получаем частоту — миллионы кадров в секунду. То есть миллионы изменений. Если мы имеем на борту «железо», которое позволяет это обрабатывать, то молниеносно можем принимать и подавать управление.

Д. Д.: Очень активно развивается система инспектирования, даже запущены соревнования у DARPA — SupT Challenge. Команды пытаются разными типами роботов инспектировать тоннели. Стоит понимать, что в тоннеле просто ужасный электромагнитный фон. Само собой, никакой радионавигации мы не можем применять. А значит, необходимо развить технологии автономного планирования и навигации. Это очень интересная задача. Применять ее можно просто в колоссальных областях. Банально — в условиях пожара. Зачем отправлять человека, если можно отправить дрон с радаром. Пусть он летает, строит карту, пусть смотрит, где люди находятся. Это все будет в режиме реального времени на борту. Да и просто прикладное применение — дрон, который залетел в окно и продолжил движение без GPS внутри помещения.

Д. Д.: На рынке сегодня главный производитель дронов — DJI. Можно даже сказать, что DJI умеет всё. Китайская компания делает очень качественный и отлаженный продукт. Даже система облета препятствий у них гарантирует, что дрон остановится и не пролетит в любой точке на бешеной скорости. То есть главное — это безопасность аппарата и окружающих. Последние передовые разработки, которые они интегрировали, уже продают. Например, дрон Skydio 2 из MIT. Такое устройство за $1 000 будет облетать препятствия по лесу. По автономности это круче DJI, оно имеет круговой обзор и умеет проводить анализ и построение карты, а также избегать столкновений. Если дрон DJI останавливается, то этот отходит и продолжает движение. В общем, крутая штука, но они продаются по предзаказу.

Р. Ф.: Есть интересные решения и с точки зрения конструкции, например, когда дрону нужно пролететь сквозь отверстие, он может складываться и делать это динамично. Мы тоже работаем сейчас над интересной конструкцией. Она и складная, и неубиваемая отчасти. Это так называемый тензор-дрон. Здесь применяется принцип тенсегрити, который используется в архитектуре. Это дрон, у которого рама и конструкция защитной клетки объединены и реализованы как тенсегрити-структура, позволяющая ему выживать при падениях. Мы его кидали с 20 метров, бросали о стену. Сломать его смогли только школьники на экскурсии.

Тенсегрити — принцип построения конструкций из стержней и тросов, в которых стержни работают на сжатие, а тросы — на растяжение. При этом стержни не соприкасаются друг с другом, но висят в пространстве, а их относительное положение фиксируется растянутыми тросами, в результате чего ни один из стержней не работает на изгиб.

Д. Д.: Одно из популярных коммерческих применений — автономная инспекция. Для этого используют промышленные дроны DJI с тепловизорами. Они могут подлететь и посмотреть состояние, например, линии электропередач, вышек связи телекоммуникационных, газопровода и всего-всего. Мы решали задачу наведения камеры на провод, что пилоту достаточно сложно сделать в движении. Мы хотим, чтобы дрон сам наводился на камере и сопровождал его при движении. По этой тематике есть классный проект — «Канатоход». Это дрон, который движется по проводам, по канату и перелетает через столбы. Классная штука, причем российская.

Р. Ф.: Если говорить об автономности, то сейчас активно развиваются зарядные станции. В Университете Иннополис мы разработали специальную посадочную платформу для дрона. Она изначально делалась для КамАЗа — это беспилотный грузовик, имеющий дрон, который может ему построить карту и сказать, куда ему ехать. Но у платформы есть и другое коммерческое применение. Мы можем поставить ее возле карьера, смотреть выработку, либо на стройке, и периодически по расписанию выполнять полеты или обследования и составлять карту изменений.

Р. Ф.: Еще один тренд — совмещение посадочной станции с постаматом. Российская компания «Коптер Экспресс», которая сейчас активно развивается в производстве дронов, сделала такой постамат и сейчас продвигают его вместе с дронами. Он имеет ячейки хранения, умеет выдавать посылки и так далее.

Д. Д.: Лететь полностью автономно с использованием нейронных сетей — одна из перспективных задач в направлении автономности. Уровень технологий дошел до той стадии, когда мы можем на борту квадрокоптера принимать решения прямо во время облета. И тут два подхода. Один подход — классический, когда у нас есть планировщик, регулятор, отдельные персепшн-модули и у нас нейросеть. И другой — так называемый end-to-end с единой нейросеткой. Она работает как черный ящик. У нее есть входы, сенсорика и выходы управления. И она реализует уже заданные критерии.

Читайте также:

Посмотрите, что способен увидеть в космосе новый телескоп — преемник Хаббла

Раскрыта история происхождения «странных» метеоритов: они упали на Землю в 60-е

Появилось фото, как пыль пустыни «вытекает» в Атлантический океан