;
Иннополис 15 февраля 2021

Какие бывают дроны и когда появятся пассажирские аэротакси

Далее

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) — одна из сквозных технологий, объединяющая компьютерное зрение, искусственный интеллект и автономность вместе с авиацией. К 2030 году в большинстве развитых стран уже появится законодательная база для официальных перевозок людей с помощью БПЛА. А пока их создатели экспериментируют, создают прототипы и применяют беспилотники в самых разных областях: от световых шоу и рекламы до поисков пропавших людей. Об этом рассказывается во втором дайджесте о робототехнике, подготовленном Университетом Иннополис: в нем эксперты из компаний, создающих БПЛА, поделились своими наработками и сделали прогнозы о том, как будут развиваться технологии автономности.

«За безопасную эксплуатацию дронов всегда несут ответственность пилоты»

Барбара Стелзнер, директор компании DJI по корпоративным коммуникациям в Европе

Фрэнк Ванг (CEO компании) разработал систему автоматической стабилизации с функцией зависания в воздухе для радиоуправляемых моделей вертолетов. Эта система и легла в основу будущей технологии дронов DJI.

В 2012 году мы создали беспилотный летательный аппарат Phantom. А в 2016-м, переосмыслив концепцию внешнего вида БПЛА, представили на рынке свой первый складной дрон Mavic Pro. В 2017 году изготовили первый управляемый при помощи жестов дрон Spark, а в 2018-м выпустили Mavic 2 Pro — дрон со встроенной камерой Hasselblad. В 2019 году в категории наиболее безопасных дронов весом менее 249 г нами представлен первый портативный дрон Mavic Mini.


Применение дронов:

  • дрон Phantom 4 RTK и ПО DJI Terra для точного картографирования;
  • усовершенствованная серия Mavic 2 Enterprise для лучшего, более безопасного и быстрого развертывания в сложных условиях;
  • Matrice 300 RTK; Zenmuse H20 Series.

В 2015 году вышла серия интеллектуальных сельскохозяйственных дронов Agras, облегчающих работу многих фермеров. А в ноябре 2019 года дроны этой серии были использованы для борьбы с малярией.

Технологии, разработанные DJI для воздуха, изначально мы применяли в системах, предназначенных для эксплуатации на земле. Например, в портативных креплениях камеры DJI Pocket 2 и стабилизаторов DJI RS 2, DJI RSC 2 использовалась та же концепция. Она обеспечивает устойчивость камер даже при сильном ветре, что позволяет легко создавать кинематографические движущиеся кадры.

На сегодняшний день дроны используются в самых разных областях: пожаротушение, поисково-спасательные работы, строительство, диагностика и мониторинг инфраструктуры, геодезия и картография, охрана дикой природы, журналистика и многое другое.


По данным DJI, при помощи БПЛА в ходе поисково-спасательных работ спасли около 500 человеческих жизней по всему миру.


За безопасную и легальную эксплуатацию дронов всегда несут ответственность пилоты, где бы они ни находились. Для обеспечения безопасности полета БПЛА оснащаются:

  • обязательными средствами ограничения высоты;
  • функцией автоматического возврата (return-tohome), благодаря которой дроны способны безопасно возвращаться к месту запуска в случае потери сигнала передачи с пульта или низком уровне заряда батареи;
  • приемниками AirSense для приема сигналов ADS-B от пассажирских самолетов и предупреждения пилотов дронов о потенциальных столкновениях;
  • системами обнаружения препятствий и предотвращения столкновения с препятствиями;
  • системой GEO DJI, определяющей, где можно летать безопасно, где полет может вызвать сложности и где полет ограничен.

Одним из самых больших барьеров для широкого внедрения технологий дронов является существующая нормативно-правовая база, связанная с беспилотными авиационными системами. Политическая стимулирующая деятельность должна быть направлена на результаты, а не на методы их достижения.

«Даже при выходе из строя шести блоков машина продолжает лететь»

Максим Левошин, CEO и соучредитель компании Flyka

Наш проект зародился в 2015 году — это был классический стартап в гараже. Изначально мы планировали просто создать безопасный коптер. Позднее сформировалась идея создать безопасный транспорт именно для перевозки людей. В 2016 году была основана компания Flyka для реализации этой цели. Полеты на нашем транспорте должны быть более дешевыми, чем даже наземные перевозки, чтобы любой человек мог его использовать.

Экспериментальные образцы сегодня есть у многих компаний. Мы протестировали прототип нашей машины в масштабе 1:10. Испытали на нем аппаратное и программное обеспечение, датчики и прочее. Сейчас находимся на стадии подготовки к сертификации полноразмерной машины. Ее размеры: 5,2х5,8 м; при этом у нее складываются крылья — такая конфигурация позволяет хранить ее в обычном гараже для автомобиля.

Грузоподъемность такой машины составляет 165 кг. Технически этого достаточно для двух людей средней комплекции либо для одного человека с багажом. Машина беспилотная, однако в ней предусмотрена возможность ручного управления — так называемое опционально пилотируемое управление.

Общечеловеческим барьером является страх. Большое количество людей боится летать даже на самолетах, не говоря уже о вертолетах. Наша машина способна лететь на высоте 1 м на скорости 5 км/час, поэтому летать на ней во время демонстрационного полета будет совсем не страшно.

Максим Левошин, CEO и соучредитель компании Flyka


Большое количество летающих машин предполагает большие риски возникновения аварий. По нашим расчетам, даже привычная надежность 10 в минус девятой степени не является достаточной для городского аэротакси. Поэтому в нашей разработке вероятность отказа системы будет составлять 10 в минус 12-й степени. Модель отказов на базе распределения Вейбулла показала, что для достижения такой вероятности оптимальным является использование 22 двигателей, 22 роторов и 22 винтов соответственно.

Если бы вертолеты могли занять нишу массового воздушного транспорта, они бы давно это сделали. В среднем 15-минутный полет на вертолете обходится в 40 тыс. рублей. Даже учитывая тот факт, что там четыре места, включая место для пилота, стоимость на человека получается слишком высокой. Полет на нашей машине будет стоить около 300 рублей — таким образом мы сможем предоставить услуги широкому кругу людей. При крейсерской скорости 110 км/ч, с учетом неспешных взлета и посадки в условиях наличия людей вокруг, думаю, это будут примерно те же 30 км, как у вертолета.


Как управлять дроном

Самый простой полетный контроллер включает в себя микроконтроллер (например, ARM STM32) с минимальным набором датчиков для оценки положения, ориентации и высоты (акселерометры, гироскопы, барометры). Такая конфигурация позволяет дрону выполнять базовые функции: самостоятельно стабилизировать положение в воздухе и удерживать высоту.

Оператор должен обеспечивать постоянный контроль управления дроном. Дрон, в контроллер которого вставлен датчик GPS, может самостоятельно ориентироваться в пространстве и выполнять базовые функции полета по точкам, следовать по траектории миссии и выполнять несложные действия без участия пилота

(например, возврат в точку старта). Благодаря этому существенно упрощается управление дроном: оператору не нужно контролировать положение дрона, достаточно управлять «виртуальной точкой» в пространстве, система управления сама рассчитает, с какой скоростью нужно летать, чтобы отработать команду пилота.


Такую сравнительно низкую стоимость мы получили благодаря использованию компонентов неавиационного класса. Каждый из 22 моторных блоков Flyka f1 имеет свой двигатель, свой аккумулятор и свою систему управления. Даже при выходе из строя шести блоков машина продолжает лететь. Помимо этого, мы используем традиционные для этого класса устройств дополнительные системы безопасности, такие как парашют для всей машины.

Дрон, который не боится упасть

Роман Федоренко, руководитель лаборатории специальной робототехники (Центр компонентов технологий робототехники и мехатроники) в Университете Иннополис

В Университете Иннополис разрабатывают специализированные робототехнические системы, предназначенные для прикладных задач в различных отраслях: продукты, проекты, в том числе R&D на заказ. Сейчас у лаборатории специальной робототехники три собственных продукта: самолет вертикального взлета и посадки; система мониторинга на базе БПЛА с наземной станцией обслуживания; и Тенсодрон — суперпрочный дрон для заводской инспекции.

Беспилотный самолет вертикального взлета и посадки (VTOL-самолет) — это гибрид коптера и самолета, который собрал все плюсы того и другого аппарата. Как самолет он дольше работает за счет аэродинамической подъемной силы крыла. Как коптер, в отличие от обычного самолета, не требует взлетно-посадочной полосы (или пускового устройства и парашюта). VTOL может применяться для картографии, доставки, мониторинга.

Назначение системы мониторинга на базе БПЛА с наземной станцией обслуживания — в том, чтобы увеличить время функционирования беспилотника при мониторинге. При разряде батареи коптер автоматически выполняет посадку, заряжается и продолжает работу.

Еще один проект лаборатории Университета Иннополис — дрон, который не боится падений. Беспилотный летательный аппарат мультироторного типа с защитой от столкновений, сделанный по принципу тенсегрити.

Такой подход позволяет повысить устойчивость к ударам при меньшей массе. Области применения: визуальный и мультиспектральный осмотр труднодоступной промышленной инфраструктуры: котлов, теплообменников, баков, хранилищ, резервуаров, кабельных и канализационных коллекторов. Помимо этого, тенсодроны применимы в поисково-спасательных операциях.


ЦИФРЫ

В 2035 году в небе постоянно могут находиться не менее 100 000 беспилотных воздушных судов и космических аппаратов, обслуживающих единый рынок работ и услуг для удовлетворения различных, постоянно возрастающих, потребностей экономики на основе цифровой модели Земли и российских технологий ГЛОНАСС.

2% — доля России на мировом рынке, причем большая часть выручки от поставок приходится на оборонные БАС.

250 г минимальный вес дрона, подлежащего постановке на учет в России.

249 г — Mavic Mini от компании DJI — самый маленький беспилотник в мире размером с ладонь.


Проекты в области дронов мы стараемся унифицировать, использовать одинаковые подходы, повторно использовать программные модули. Одной из сквозных технологий является планирование движения. Для мониторинга мы используем концепцию двух траекторий: траектория дрона (look-from) и траектория точки интереса, куда смотрит камера (look-at). Когда мы планируем гладкие траектории между ключевыми кадрами, можем получить красивое решение для художественной видеосъемки.

Для мониторинга также важно ровное движение камеры дрона без скачков. Учет направления камеры либо других сенсоров еще важен в задаче инспекции (exploration), когда дрон сам автоматически выбирает оптимальный план движения для захвата своими сенсорами наибольшего объема пространства в помещении или вне его. Кстати, мы сделали дрон для работы внутри помещений: для исследовательских задач и соревнований. В составе все, что нужно для отработки алгоритмов управления и навигации — камеры Realsense, бортовой компьютер NVIDIA Xavier NX, автопилот PX4 CUAV. Конструкция сделана модульная, с расчетом на ремонтопригодность, изготовление на базе стандартных карбоновых трубок и 3D-печатных деталей: питстоп по замене сломанного.

Перспективу БПЛА я вижу именно в роботизации, то есть повышении автономности. Возможно, здесь я заложник иллюзии частотности, так как работаю в этой области, но все выглядит так, что именно придание БПЛА «интеллекта» обеспечивает их более широкое применение.

Что касается прогнозов, в ближайшие пяти лет должна все же появиться коммерческая доставка дронами, все к этому идет. В перспективе десятилетия хочется верить (и уже можно говорить без опасения показаться совсем мечтателем), что появятся летающие автомобили. Для широкого распространения такие аппараты должны управляться автоматически, при этом работать в городской среде с препятствиями, нестабильным GPS.

«Наше будущее — это конвергенция технологий»

Елена Никитина, руководитель образовательного направления в ГК «Геоскан»

Первым решением «Геоскан» было решение для профессиональной фотограмметрии Metashape. Сейчас это ПО поставляется в несколько десятков стран и порядка 140 университетов. Для работы в программе не нужно быть специалистом по фотограмметрии, а интерфейс понятен настолько, что зачастую не требуется даже руководство пользователя. С помощью ПО легко создавать как ортофотопланы, так и трехмерные модели, что особенно распространено в видеоиграх, фильмах.

Такие решения превосходят аналоги по продолжительности полета. Она важна при линейной съемке и оценке состояния протяженных объектов — таких, как дороги, ЛЭП и трубопроводы. Также при площадной съемке на десятки гектаров, например, в сельском хозяйстве или в рамках мониторинга капитального строительства.

В случае, когда необходимо снимать очень большие площади, оператор даже может поставить точку посадки в другом месте; пока дрон осуществляет полетное задание, оператор перемещается на автомобиле в нужную точку, чтобы принять его. Дрон, способный длительное время находиться в воздухе, может самостоятельно слетать туда и обратно.

У аппаратов самолетного типа большая продолжительность полета без замены АКБ, что делает их эффективнее при съемках протяженных объектов. Также, если для исполнения задачи требуется более одной полезной нагрузки (например, при стереоскопической съемке), используют «крыло», то есть самолет. Квадрокоптер обычно применяется для видеомониторинга (оптическая камера или тепловизор) или лидарной съемки.


Световое шоу и интертеймент с БПЛА

Самым наглядный примером внедрения группового типа управления являются световые шоу дронов. «Геоскан» участвовал в завершении онлайн-интенсива по ИИ и анализу данных «Архипелаг 20.35». Команда задействовала 500 беспилотников «Салют» в световом представлении.

Децентрализованное управление сравнимо с полетом роя пчел, в данном случае каждый способен независимо принимать решение, анализировать обстановку и перепланировать свой маршрут так, чтобы максимально эффективно решать поставленную перед роем миссию. В будущем такой «стайный принцип» поможет дронам достичь полной автономности.


Наше будущее — это конвергенция технологий: БПЛА, ИИ и так далее. Чем больше развивается беспилотная авиация, тем больше появляется новых задач. Например, хорошо бы, чтобы дрон сам детектировал объекты и избегал столкновения с ними, и распознавал другие беспилотники, совместно с которыми выполняет задачу. Еще классно, если бы при изменении погодных условий дрон тоже менял поведение, и его не приходилось убирать с трассы.

Уже примерно два года «Геоскан» сотрудничает с ДПСО «Лизой Алерт» — добровольцами, которые занимаются поиском пропавших людей. В отряде есть направление, которое посвящено поиску с беспилотников. Одна из задач, с которой пришли к нам — попытаться сделать так, чтобы дрон мог летать не только над, но и под кронами деревьев, и помогал осматривать.


Читайте также:

Аборты и наука: что будет с детьми, которых родят

Посмотрите на самые красивые снимки «Хаббла». Что увидел телескоп за 30 лет?

Шельф Бранта в Антарктиде разрушается со скоростью 5 метров в сутки

Загрузка...