Что такое БПЛА. Объясняем простыми словами

История летающих дронов

Время на прочтение
7 мин

Дроны — беспилотные летательные аппараты, которыми либо удаленно управляет оператор, либо они двигаются по заранее заданному маршруту. Сейчас эти устройства находятся на пике популярности. Удивляться не приходится, ведь их можно использовать для развлечения, фото- и видеосъемки (в том числе и профессиональных), военной разведки и ведения наблюдения за промышленными системами.

Дроны вовсе не новинка 21 века. Первые прототипы появились даже не в 20-м, а в 19-м веке, когда «цифра» еще не существовала. Что собой представляли предки современных беспилотников и что они умеют сейчас?

Начало всего

Если говорить о дроне как об устройстве, которое управляется удаленно, то первым идею представил Никола Тесла. Ученый не просто теоретизировал, а зарегистрировал патент, в котором говорилось о транспортном средстве, управляемом при помощи радиоволн. Тесла разработал концепцию боевых дронов, которые, как он считал, смогут усмирить воинственный дух наций и прекратить войны благодаря угрозе применения «безошибочной и неограниченной разрушительной силы».

Демонстрацию первого в мире радиоуправляемого дрона он провел в 1898 году, в пруду Мэдисон-сквер-гарден. Большинство идей, предложенных Тесла, получили дальнейшее развитие и привели к появлению дронов в их современном обличии.

Эволюция идеи

Одним из первых таких дронов стал «Автоматический аэроплан Хьюитта-Сперри», созданный в 1917 году. Правда, он не имел радиоуправления, для полета по заданному курсу его создатели настраивали гироскопы (на борту их было два). О том, как все это работало, информации практически не сохранилось. Но зато есть фотография автоматического аэроплана.

Первым боевым дроном стала «воздушная торпеда Кеттеринга», разработанная во время Первой мировой войны.

Говоря о дронах, не стоит забывать о квадрокоптерах, которые тоже далеко не новинка. Первые прототипы (правда, пилотируемые) были разработаны еще в 20-х годах прошлого века. Над созданием устройств такого типа работали сразу два человека. Первый — это конструктор Георгий Ботезат, живший в США и французский инженер Этьен Эмишен. Идея создания аппарата с четырьмя противопоставленными пропеллерами витала в воздухе, так что в том, что над ней независимо работало сразу два человека, нет ничего удивительного.

Коптеры того времени смогли поучаствовать лишь в тестовых полетах без дальнейшей практической реализации. Как оказалось, системы имеют три главных недостатка:
очень сложная трансмиссия, которая должна передавать крутящий момент с двигателя сразу на все роторы. Она работала, но часто ломалась.

Аппараты никак не были стабилизированы в воздухе, поэтому малейшее дуновение ветерка могло вывести летательный аппарат из строя.

Слишком большое число пропеллеров (Эмишен предложил восемь), плюс недостаточная маневренность. Так, коптер Георгия Ботезата мог более-менее нормально передвигаться только при наличии ветра определенного направления и силы.

В 30-х годах прошлого века серийно производился дрон DH.82B Queen Bee. Он представлял собой биплан, разработанный на основе двух летательных аппаратов — DH.60 Moth и DH.82 Tiger Moth. В качестве управляющей аппаратуры служил передатчик на вакуумных электронных лампах и электромеханических реле. Этот дрон был военным, но использовался не в боях, а в учениях — летчики отрабатывали на них приемы воздушного боя.

Немецкие самолеты-снаряды вроде «Фау-1» тоже являются дронами, их относительная успешность дала толчок развития не только ракетной техники, но и автономных летательных аппаратов.

Далее дроны применялись, в основном, военными. Среди прочих моделей стоит указать самолет-разведчик Ryan Model 147E, разработанный в США и применявшийся во Вьетнаме, советские дроны Ту-123, Ту-141 и Ту-143. Все это — крупногабаритные летательные аппараты, размеры которых примерно такие же, как и у самолетов с сопоставимой функциональностью.

В 1982 году вступили в дело радиоуправляемые дроны, разработанные израильтянами. Они использовались в ходе Ливанской войны. Чаще всего применялись IAI Scout и Tadiran Mastiff. Их разработали «с нуля», это уже не были переделанные под автономный полет самолеты. Размах их крыльев составлял не более пяти метров, а вес — около 100 кг. Снизить размеры беспилотников удалось благодаря появлению и развитию полупроводниковой электроники, что привело к миниатюризации как бытовой, так и военной техники.

Ну а потом другие страны, включая США, стали производить сверхсовременные военные дроны вроде MQ-1B Predator и MQ-9 Reaper, способные передавать данные наблюдения в режиме реального времени. Некоторые модели таких дронов умеют и стрелять по цели, причем ракетами.

Примерно со второй половины 20 века активно стало развиваться и такое направление, как бытовые радиоуправляемые дроны. Изначально это были сплошь DIY-модели, которые представляли собой имитацию самолетов. Но затем бизнес, видя востребованность радиоуправляемых летательных аппаратов, взял инициативу в свои руки.

Появление современных невоенных дронов

Специалисты считают, что эпоха современных невоенных дронов началась в 2006 году. Именно в этом году Федеральная авиационная администрация США одобрила полеты небольших пользовательских беспилотников. Распространение получили все же не бытовые дроны для развлечения, а летательные аппараты для научных задач и промышленности.

Так, правительственные организации отслеживали при помощи таких систем распространение пожаров, изучали ситуацию в эпицентре катастроф (землетрясения, наводнения и т.п.). Коммерческие компании изучали состояние нефтепроводов, посевов и морских угодий (наблюдение за перемещениями косяков рыбы). Использовались (и используются) дроны на стройке, в геодезии и других сферах.

С течением времени все большую популярность стали получать пользовательские дроны, которые служат развлечением для любителей полетов. С самого начала рынок радиоуправляемых дронов разделился на два направления:

Среди компаний, чья продукция стала популярной в первом случае, можно выделить Parrot, Gaui, DJI, Xaircraft, GoPro и другие. Во втором направлении популярна продукция MultiWii, KaptainKuk, ArduCopter. Любители DIY активно используют платы Arduino, Raspberry Pi и др.

После того, как в дронах появились камеры, передающие видеопоток прямо в телефон, видео-очки или ноутбук, популярность персональных БПЛА взлетела до небес. На Хабре опубликована масса материалов о персональных дронах — самых разных моделях.

Этика и безопасность как часть истории

Появление камер и персональных дронов, которые способны отдаляться от оператора на многие километры, подняло ряд вопросов об этической стороне работы с «домашними» БПЛА. Ведь любой желающий теперь мог заглянуть в окно соседа, или окно соседней компании, направляя аудио- и видеопоток прямо на свой телефон или компьютер. Стало известно о большом количестве злоупотреблений, когда владельцы дронов снимали происходящее в частных домах, офисах коммерческих и правительственных организаций.

Дроны падали на головы зрителям на спортивных стадионах, создавали угрозу пассажирским самолетам и промышленным объектам. Дрон — практически идеальный инструмент для любителя подглядывать, шпиона (коммерческого или государственного), анархиста и т.п.

В итоге во многих странах законодатели стали спешно принимать новые законы, регулирующие продажи и эксплуатацию дронов. В каждой стране свои законы, но в большинстве случаев владельцам дронов запрещается снимать людей без явного их согласия, БПЛА нельзя использовать рядом с аэропортами, вокзалами, объектами военного и промышленного значения. В большинстве случаев дрон не может взлететь на высоту более 150 метров, производители устанавливают ограничения как на расстояния, преодолеваемые дроном, так и на максимальную скорость.

В России получение разрешение на съемку с мультикоптера обязательно. При нарушении правила на виновника может быть наложен штраф в размере 3–50 тыс. рублей. Да и для получения разрешения на полеты необходимо получать разрешение. Для этого требуется:

Пилотирование дронов в РФ регулируется такими документами:

В России разрешены такие модели БПЛА:
Syma,

Что дальше?

Будущее дронов не ограничено лишь персональными моделями. После того, как стали популярны мультикоптеры, их возможности активно изучаются бизнесом:

Коптеры применяют и в медицине, например, для быстрой доставки необходимых медикаментов. На днях компания UPS объявила о запуске службы доставки медикаментов и образцов анализов при помощи дронов. Правда, пока что сервис работает лишь в одном городе США — Роли (Северная Каролина). Дроны будут обеспечивать доставку по определенному маршруту между больницами и медицинскими центрами WakeMed.

Доставку грузов при помощи дронов опробовала компания DHL еще в 2013 году, сейчас эта практика постепенно получает все более широкое распространение.

Не отстает от DHL и Amazon — в том же 2013 году компания анонсировала сервис Prime Air (он работает в ограниченном количестве регионов), который позиционируется как самый быстрый способ доставки покупок. С его помощью покупки доставляются в течении получаса, это минимум в четыре раза быстрее самого быстрого наземного сервиса Amazon Prime Now.

В России в свое время тестировали сервис доставки грузов коптерами Коптер-Экспресс. 21 июня 2014 года «Додо Пицца» в рекламных целях начала доставлять пиццу дронами, причем доставили всего шесть коробок. После этого чиновники решили оштрафовать создателя компании, поставляющей дроны на 50 тысяч рублей. Но хотя штраф потом отменили, доставка грузов дронами в РФ особого распространения не получила.

Доставляют (вернее, планируют доставлять) при помощи дронов и людей. Так, некоторые компании, включая Uber и Lyft, разрабатывают аэротакси. Аналогичные работы ведут и другие компании, включая стартап из Саудовской Аравии.

Технологии ИИ постепенно развиваются, а емкости батарей растут, поэтому нет сомнений, что дроны станут умнее, маневреннее и функциональнее. Они станут неотъемлемой частью многих сфер нашей жизни: работы и учебы, включая транспорт, исследования, доставку грузов и все прочее, о чем я говорил выше.

Беспилотник — в широком смысле это техническое устройство, которое движется (едет, летит, плывёт) и выполняет какие-то определённые задачи без человека на борту. Проще говоря, беспилотник — это устройство, которое движется с какой-то целью без пилота (водителя) внутри. Какими бывают беспилотники. Типы Беспилотники бывают самых разных видов, функций и назначений: — летающие беспилотники — авиационные (БПЛА); — наземные-сухопутные беспилотники (БНТС); — морские-подводные беспилотники (БПА). Кроме того, беспилотники делятся: — на гражданские и военные; — любительские-простецкие и навороченные-профессиональные, технически очень сложные. В зависимости от типа и модификации беспилотники могут управляться дистанционно специально обученным оператором или двигаться в частично или полностью автоматизированном режиме. Беспилотники также могут быть обвешаны различными датчиками, дополнительными устройствами (вплоть до боекомплекта) и камерами, которые в режиме реального времени транслируют оператору картинку с места событий, становясь его глазами на местности. Или записывают данные. Сегодня слово «беспилотник» чаще всего используют в контексте авиации, сужая это понятие до беспилотных летательных аппаратов. Что такое БПЛА, мы подробно рассказали здесь . Сейчас речь пойдёт о других видах беспилотников. Наземные беспилотники (БНТС) Сухопутные беспилотники применяют очень активно и в самых различных сферах жизни. Если говорить о мегаполисах, то уже пару лет наземные беспилотные роботы доставляют различные грузы и заказы клиентам в Москве, Санкт-Петербурге, Казани и других городах, а в некоторых фирмах их используют для передачи документации из отдела в отдел. Несколько лет назад амбассадор мировых инноваций Илон Маск анонсировал беспилотные грузовики, которые в будущем потеснят обычных работяг-дальнобойщиков. Россия не отстаёт в гонке технологий: аналогичные испытания отечественных беспилотных фур должны пройти уже в этом году на трассе М11 «Нева» между Москвой и Петербургом. Вместе с тем ожидаются испытания и первых беспилотных такси в Москве. Пока все эти глобальные новшества автопроизводители и IT-гиганты вводят узко и локально, в рамках различных тестов и экспериментов. До массового и повсеместного использования беспилотной рабочей силы в рамках повседневной жизни обыкновенных граждан, кажется, ещё далеко. Беспилотные устройства сухопутного типа применяют в местах труднодоступных или опасных для человека. Например, на вооружении у армии и различных спецслужб есть роботы-сапёры, задача которых разминировать определённый участок или объект, не подвергая при этом опасности жизнь человека-оператора. Также беспилотных роботов используют для помощи в ликвидации различных чрезвычайных ситуаций. Например сухопутные беспилотники обследовали территорию японской АЭС «Фукусима-1», где в 2011 году произошла одна из крупнейших в мире (после аварии на Чернобыльской АЭС) радиационных аварий. Также беспилотники применяют в промышленности. Например, горнодобывающие компании используют самосвалы, которые без человека курсируют между пунктами загрузки и разгрузки. Хотя это направление перспективно, пока никому в России и СНГ не удалось добиться экономически обоснованного применения таких систем. Сегодня встретить сухопутный беспилотник можно даже дома: всем известные роботы-пылесосы также вполне подходят под категорию наземных беспилотников. Самый «далёкий» пример — роботы-марсоходы, бороздящие ландшафты космических объектов и других планет. Хоть эти беспилотники и находятся в космосе, но они скорее относятся к сухопутным роботам, ведь передвигаются по поверхности земли, пусть и не нашей. Морские-подводные беспилотники (БПА) Подводные или морские беспилотники часто используют спасатели во время поисковых работ. Особенно если ЧС вдруг случилось на воде и нужно на большой глубине разыскать обломки или погибших. Например, после крушения вертолета МИ-8 на Камчатке, спасатели установили, что обломки летательного аппарата могут находиться в озере в 700 м от берега и на глубине 137 м. Тогда к поискам привлекли подводный беспилотник, который обследовал глубины, на которые водолазу погружаться дольше и сложнее. Также подводные беспилотники используют в промышленности (георазведка). Например, морские дроны применяют для прокладки трубопроводов, морского бурения, прокладки кабелей и многих других коммерческих целей. Такие аппараты позволяют компаниям, занимающимся разведкой и добычей, легко и экономически эффективно устанавливать трубы и другое оборудование с минимальным воздействием на морскую среду. В исследовательских целях подводные беспилотники используют, например, для картирования морского дна и погружения на труднодоступные глубины. Кроме того, подводные беспилотники стоят на вооружении в армиях мира. Пример использования на «Секрете» «В Севастополе отбили атаку морских беспилотников. Как сообщил в телеграм-канале глава города Михаил Развожаев, было уничтожено три объекта, по которым моряки вели огонь из стрелкового оружия». (Из новости об атаке морских беспилотников на Севастополь .) Ошибки употребления Сегодня в русскоязычном сегменте интернета одной из самых частых неточностей в употреблении слова «беспилотник» является отождествление беспилотника и БПЛА, хотя они связаны как часть и целое. Пользователи Сети, информационные ресурсы и даже некоторые СМИ используют слово «беспилотник» в обозначении любых дронов, коптеров и прочих БПЛА. Грубой ошибкой это конечно не является, но может вызвать путаницу. Факт Считается , что первый беспилотник был изобретён в 1921 году. Тогда американская компания RCA презентовала своё радиоуправляемое устройство. Это был автомобиль, которым оператор управлял беспроводным способом по радиоканалу. Статью проверил: Михаил Макеев , управляющий директор компании «Пиклема» (цифровизирует горную промышленность в том числе беспилотниками)

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) стали уже привычным оружием в военных конфликтах. Небольшие разведчики, тяжелые ударные дроны, беспилотники-камикадзе — они выполняют самые разные задачи на поле боя, помогая войскам в достижении боевых целей. «Рамблер» разобрался, что сегодня могут армейские БПЛА и составил список самых мощных беспилотников.

Что умеют армейские БПЛА

Одна из основных задач военных беспилотников на сегодняшний день — разведка и наблюдение за полем боя с воздуха. Они позволяют эффективно патрулировать территорию, охранять важные маршруты, быть наводчиками для артиллерии и корректировать огонь. Подобные модели сравнительно дешевы и имеют небольшие размеры — чтобы их было сложнее обнаружить.

Продолжение истории после рекламы

Мощные аппараты, на которых допускается боевая нагрузка, обходятся гораздо дороже, однако способны выполнять большее количество задач. У них увеличен размах крыльев, на них устанавливаются управляемые ракеты и авиабомбы. Самые дорогие и лучшие беспилотники относятся именно к этому классу.

Также отдельно можно выделить боевые дроны-камикадзе. В этом случае сам БПЛА является снарядом, который допускает корректировку траектории полета после запуска и подрывается вместе со своей целью.

Преимущества и недостатки беспилотников

К главному преимуществу использования БПЛА на поле боя относят отсутствие пилота. Оператор может управлять машиной даже в тысячах километров от места применения, при наличии достаточно хорошей связи. В результате специалист, на подготовку которого были потрачены время и ресурсы, не рискует своей жизнью.

Кроме того, отдельные беспилотники большой продолжительности полета могут без проблем пересечь океан на одном баке.

Эксперты отмечают все более частое использование БПЛА на поле боя, однако некоторые из них считают, что классические истребители и бомбардировщики они пока заменить не могут. Одна из основных причин — невозможность самостоятельно принимать решения, из-за чего их эффективность полностью зависит от действий оператора. Он же может просто не увидеть опасность — обзор ограничен картинкой, которая передается камерой.

Кроме того, у беспилотников есть ряд других недостатков

Лидером по проектировке и созданию боевых дронов сейчас является США. Однако другие страны если пока и не могут соревноваться по количеству, то точно способны предоставить не менее интересные и качественные модели.

GAAS Avenger

GAAS Avenger является модификацией широко известного Predator, который был снят с вооружения в 2020 году. Аппарат разработан специально для использования на авианосцах — его крылья складываются, чтобы занимать меньше места.

Современный американский ударный дрон способен нести на себе до 500 кг снаряжения и оружия, будучи также снабженный управляемыми бомбами с лазерным прицелом общей массой до 440 кг. Еще одно серьезно преимущество — скорость до 740 км/ч при подъеме на высоту в 18 км.

Heron TP

Модель израильского производства по оценкам некоторых военных изданий является одним из самых продаваемых БПЛА в мире. Он относится к разведывательно-ударным беспилотным летательным аппаратам с большой продолжительностью полета. На высоте до 13,7 км он может развивать крейсерскую скорость до 296 км/ч, неся на себя как средства управления огнем, так и различные ударные комплексы, которые можно устанавливать в зависимости от задачи.

MQ-9 Reaper

Еще одна американская модель, название которой переводится как «жнец», является одним из самых мощных и известных БПЛА в мире. Максимальная высота полета — 14 км, крейсерская скорость — до 310 км/ч, а максимальная — до 480 км/ч. Однако примечателен он своей огромной для класса подобных аппаратов грузоподъемностью — до 4,7 тонн. Загружать в него могут различное вооружение, в зависимости от поставленной задачи.

Bayraktar TB2

БПЛА турецкого производства является тактическим средневысотным аппаратом, который имеет большую продолжительность полета. Отдельным преимуществом является программное обеспечение, которое превосходит, к примеру, израильский Heron.

Вместе с тем Baryaktar TB2 может похвастаться довольно длительным временем нахождения в полете — до суток. При крейсерской скорости в 130 км/ч он способен развивать до 250 км/ч, неся на себе две управляемые ракеты и бомбы.

CH-5

Современный средневысотный беспилотник из Китая способен нести до 16 ракет класса «воздух-земля». Для этого ему требуется ощутимая ширина крыльев (21 метр), однако подобная конструкция позволяет провести в воздухе без дозаправки до 60 часов при максимальной скорости в 400 км/ч.

Yabhon United 40

Рекордсмен по времени нахождения в воздухе на одном топливном баке, до 120 часов, был разработан в ОАЭ. Полезная нагрузка дрона составляет более тонны, а потолок полета — до 7 км.

С-70 «Охотник»

В области создания мощных аппаратов может похвастаться и Россия. Пока детальные характеристики «Охотника» держатся в секрете, однако разработчики уверены, что звено из нескольких дронов, снаряженных современными ракетами «земля-воздух» и управляемыми бомбами способны быстро разобраться с любой инфраструктурой противника.

Известно, что боевая нагрузка аппарата будет составлять около 6 тонн, что даже больше, чем у вышеупомянутого «Жнеца». Максимальная скорость — 920 км/ч.

Сейчас цена производства ударного БПЛА составляет около 1 млрд рублей. В будущем она может снизиться вдвое — после того, как «Охотника» запустят в серию. Предположительно, поступать в российскую армию они начнут уже с 2024 года.

Что такое БПЛА. Объясняем простыми словами

БПЛА (беспилотный летательный аппарат) — это техническое устройство, осуществляющее полёт и выполняющее определённые задачи (как промышленные, так и военные) без человека на борту. Проще говоря, это летающее с какой-то целью устройство без пилота и пассажиров внутри. БПЛА — одна из разновидностей беспилотников. БПЛА различаются по конструкции, назначению и множеству других параметров. В зависимости от модификации БПЛА могут управляться дистанционно специально обученным оператором или выполнять полёт в частично или полностью автоматизированном режиме. Обычно летающие беспилотники оснащены камерой, которая в режиме реального времени транслирует оператору картинку с места событий, становясь его глазами на местности. Или записывают все данные. Опционально БПЛА может быть оснащён тепловизором и даже боекомплектом (об этом ниже). Нюансы Грубо говоря, даже запущенный из окна бумажный самолётик тоже в каком-то смысле является беспилотником, а школьник, его запустивший, может считаться внешним пилотом-оператором. Звучит абсурдно, но несколько лет назад в США Федеральное управление гражданской авиации (FAA) приняло закон, согласно которому бумажный самолётик с приделанным к нему моторчиком приравнивается к полноценному дрону . Однако это за океаном. В России есть специальный закон, определяющий, что такое БПЛА и его основные характеристики. Так, согласно 32 статье Воздушного кодекса Российской Федерации даже коптер или авиамодель считается беспилотным воздушным судном (БВС), а тот, кто управляет им, — внешним пилотом. При этом государство ведёт учёт «беспилотных гражданских воздушных судов с максимальной взлётной массой от 0,15 до 30 кг, ввезённых в РФ или произведённых в РФ». Т.е. простой бумажный самолётик под эти параметры точно не попадает. Заявление о постановке на учёт подается в Федеральное агентство воздушного транспорта (Росавиация). Его можно отправить «Почтой России» или через Единый портал госуслуг, где для этих целей есть специальная форма . Ведомство вносит информацию о БПЛА в специальную базу данных, присваивает аппарату учётную запись и уникальный номер, а владелец получает уведомление, что теперь его дрон «в законе». Однако запускать БПЛА можно далеко не везде, и чаще всего для этого требуется специальное разрешение и согласование с местным органом власти. Кроме того, сегодня уже в 30 регионах России запрещено запускать БПЛА. За нарушение может грозить штраф или даже уголовная ответственность , в том числе за шпионаж или незаконное получение информации, составляющей гостайну. Где применяют беспилотники Авиационные беспилотники уже много лет активно применяются в общественной жизни, бизнесе и даже в военных действиях. Так, МЧС использует БПЛА для помощи спасателям в ликвидации последствий стихийных бедствий, поисках без вести пропавших и оценке ущерба, нанесённого катаклизмом. Оснащённые видеокамерами БПЛА могут добираться в труднодоступные природные зоны и в режиме реального времени отправлять картинку на пульт управления. В промышленности летающие беспилотники используют для мониторинга и инспекции различных объектов, для наблюдения за ними и обеспечения безопасности. В сельском хозяйстве дроны используют для наблюдения за посевами и точечного опрыскивания растений удобрениями. Также БПЛА активно применяются в кинематографе, когда съёмочной группе необходимо заснять тот или иной панорамный план природы, города, высотного здания и так далее. В военных действиях БПЛА широко применяются как для разведки и корректировки огня, так и для нанесения ударов по стратегическим объектам или местам дислокации военной силы противника. Ошибки в употреблении Самой распространённой ошибкой в употреблении в русскоязычном сегменте интернета является слово «квадрокоптер» или «коптер». Пользователи Сети и даже некоторые информационные ресурсы ошибочно используют его в общем обозначении любых беспилотников и БПЛА, хотя здесь речь идёт о части и целом. Беспилотник — общая категория технических аппаратов. Дрон, БПЛА — подвид летательных беспилотных аппаратов. А вот коптер — это одна из моделей беспилотного летательного аппарата, поднимающаяся в воздух за счёт пропеллеров, по аналогии с вертолётом. Приставка «квадро» (quadro) в слове «квадрокоптер» (quadrocopter) буквально означает, что конструкция данного аппарата имеет четыре несущих винта (quadro — четыре). Существуют также трикоптеры с тремя пропеллерами, гексакоптеры с шестью пропеллерами, октокоптеры с восемью пропеллерами и т. д. Однако наибольшее распространение в России получили как раз модели с четырьмя винтами — квадрокоптеры, со временем став именем нарицательным, хоть это и ошибочно. Для простоты понимания можно провести аналогию с автомобилями. Если БПЛА это вообще все автомобили на дороге, то коптеры — это седаны. Кстати, считается, что само название quadrocopter пошло от английского helicopter — вертолёт. Пример употребления в «Секрете» «Над Джанкоем сбили несколько беспилотников. Все сбитые БПЛА целились в гражданские объекты. Один сбили над джанкойским техникумом. Он упал между учебным корпусом и общежитием. Остальные рухнули над жилыми районами, никаких военных объектов рядом не было. В каждом беспилотнике была взрывчатка, а ещё шрапнель». (Из материала о сбитых над российским городом беспилотниках.) Факт 15 июня 1849 года в небе над Венецией появились беспилотные аэростаты австрийских войск, запущенные с борта парохода. В следующий миг на город упали шрапнельные заряды. Беспилотные аппараты были оснащены простым устройством, которое позволяло сбросить бомбы в расчётное время. Эффект от той бомбардировки был минимальным, но этот эпизод вошёл в историю как первое применение беспилотника в бою.

Зачем нам дроны и как сделать их лучше

Дроны, или беспилотные летательные аппараты (БПЛА) сейчас используются в самых разных сферах жизни людей, от военных операций до съёмки дней рождения с воздуха. Ещё в 2016 году в США число лицензий, выданных на управление дронами, превысило число лицензий пилотов «обычного» авиатранспорта, а в 2020 году Федеральное управление гражданской авиации (FAA) сообщило, что общее количество коммерческих и потребительских дронов в стране достигло 1,7 млн единиц. Так почему же дроны ещё не стали нормой жизни для бизнеса и обычных пользователей? Обсудим основные проблемы и технологические ограничения современных БПЛА, но сперва поговорим о том, для чего они в принципе нужны.

Птицы одного полёта

Скажем сразу, что в этой статье мы не планируем подробно останавливаться на военных и боевых БПЛА — по своей конструкции эти летательные аппараты намного ближе к классическим самолётам (или крылатым ракетам), поэтому список сильных и слабых сторон для них будет сильно отличаться от аналогичных параметров у коммерческих дронов, доступных для пользователей или бизнеса. Итак, что же такое дрон? Само название происходит от английского drone, что можно перевести и как «трутень», и как «гул» или «жужжание». Термин отлично подходит для классических дронов-коптеров, но впервые был применён к беспилотным самолётам-мишеням ещё в 30-х годах прошлого века. В зависимости от сферы применения, конструкция дрона может различаться, но общими знаменателями остаются наличие пропеллеров, которые необходимы для полёта и маневрирования в воздухе (в зависимости от их количества устройство может также называться моно- би- три- квадро- и т. д. коптером) и система связи, позволяющая управлять устройством дистанционно.

Подробный разбор всех возможных способов использования дронов — дело неблагодарное просто потому, что человеческая фантазия продолжает придумывать их практически постоянно. К примеру, ещё в 2018 году на открытии Олимпийских игр в Южной Корее Intel продемонстрировала грандиозное световое шоу (точнее, его запись) с синхронным полётом более тысячи дронов, которое попало в Книгу рекордов Гиннесса. В целом же сферы применения БПЛА можно разделить на несколько крупных групп:

К примеру, Toshiba разработала систему с использованием дронов, которая способна оценивать состояние промышленных структур, снимая их на встроенную камеру БПЛА. В системе применяется технология проведения измерений при помощи 3D лазера наземного базирования, которая позволяет разработать оптимизированный маршрут для дрона, охватывающий все ключевые точки объекта, БПЛА с камерой, а также технологии распознавания изображения, необходимые для оценки состояния конструкций (например, мест образования ржавчины) на объекте.

Периодические облёты объекта дронами помогают отслеживать динамику его состояния и своевременно выявлять проблемные детали конструкции, которые требуют ремонта или замены. При этом система избавляет технический персонал от необходимости лично проводить такие проверки, подвергая себя риску. Использовать систему предполагается на крупных объектах, которые могут представлять опасность в случае аварий, например, на нефтеперерабатывающих заводах или электростанциях. (*Данный проект прекращён в 2019 году.)

Перспективы использования дронов можно смело назвать колоссальными, но мы не видим пролетающие в небе эскадрильи БПЛА каждый день. Почему? По целому ряду причин, только часть из которых может быть устранена в ближайшее время. Условно эти причины можно разделить на несколько основных групп:

Преимущества батарей SCiB​ для дронов, изображение: Toshiba

Как вариант многие компании предлагают отказаться от традиционных литий-ионных батарей и воспользоваться другими технологиями. Например, южнокорейская компания MetaVista в 2019 году провела испытания дрона с водородным двигателем, который смог продержаться в воздухе более 10 часов, что само по себе рекорд для отрасли.

А Toshiba в свою очередь развивает идеи батарей SCiB​ собственной разработки, применение которых позволит резко снизить количество отходов и влияние на экологию за счёт долгого времени службы, даёт возможность заряжать дроны намного быстрее и использовать их в условиях низких температур, которые крайне негативно влияют на ёмкость литий-ионных аккумуляторов.

Выводы и прогнозы

Общество всегда опасалось новых идей, но назвать дроны и БПЛА в целом чем-то новым уже не получается. В конце концов, появились они значительно больше века назад. Компании по всему миру активно заинтересованы в том, чтобы дроны продолжали летать, что можно заметить и по количеству новых стартапов, и по стабильному росту спроса на дроны в потребительском и коммерческом секторах — по прогнозам аналитиков этот рынок к 2025 году увеличится более чем вдвое по сравнению с 2020 годом (с 20,8 млрд до 51,97 млрд долларов США). Соответственно, решение большинства описанных в статье проблем — это только вопрос времени и совершенствования новых технологий.

Дроны нужны не только для развлечений и съемок красивых видов, они способны на большее. Исследователи уже делают беспилотники, которые общаются друг с другом и ищут тонущих людей. Они же представляют устройства, которые доставляют товары быстрее любого курьера. Летающее беспилотное такси — тоже не фантазия ученых, а транспорт будущего. Что нам ждать и какие устройства разрабатывают в Иннополисе — в своей лекции рассказал Роман Федоренко, экс-доцент Лаборатории специальной робототехники Университета Иннополис.

Читайте «Хайтек» в

Несколько лет назад на Reddit появилась классная штука — ученые описывали сложные исследования одной простой фразой. Если бы меня попросили так сделать, я бы сказал, что робототехника — область, где можно увидеть, как двигается код.

Робототехника — это синергетическая прикладная сфера деятельности. Она состоит из программирования, мехатроники и кибернетики. Мехатроника — это то, что взаимодействует с реальным миром. А кибернетика — многозвенная наука, которая включает в себя, прежде всего, управление созданными программами.

Что такое робот? 15 лет назад многие бы сказали, что это робот-манипулятор, который работает на заводе и занимается сваркой или покраской. Другой популярный ответ — это робот-андроид из мира кино. Но является ли роботом подвижная тележка или беспилотный автомобиль? Да, это тоже одна из областей роботехники. Летательные аппараты — тоже роботы, одни из самых последних разработок включают в себя интеллектуальные технологии и являются, по сути, автономными роботами.

Подвижная тележка — это тоже робот

Еще есть такая область робототехники как field robotics — «мобильная робототехника». Сюда включают всех роботов, которые двигаются в поле, здании или под водой. Самое интересное применение, на мой взгляд, — это сельское хозяйство.

История летательных аппаратов

История летательных аппаратов началась в прошлом веке. До этого летали только воздушные шары без двигателя, и их сложно было назвать роботами. В начале прошлого века функционировали два типа летательных аппаратов — дирижабли и самолеты. Первый управляемый полет совершили братья Райт. Причем первый автопилот появился довольно быстро, практически через 10 лет после этого, он помогал стабилизировать полет.

Текущее направление робототехники связано с развитием и доступностью новых открытых автопилотов, таких как PixHawk (PixHawk — открытое аппаратное обеспечение для контроллеров, дронов и других БПЛА. Его используют для академических, любительских и профессиональных целей). Пример прихода дронов в жизнь каждого человека — доставка пиццы компанией «Додо Пицца» совместно с «Коптр экспресс» — это произошло в 2014 году.

История летальных аппаратов

Как управляется дрон

Современные летательные аппараты используют один из трех принципов создания подъемной силы — аэростатический, реактивный или аэродинамический. Аэродинамический принцип полета и создания подъемной силы (отбрасывание вниз части воздуха) можно реализовать либо за счет движения всего аппарата, снабженного неподвижной несущей поверхностью (крыло), либо за счет движения отдельных несущих частей аппарата (несущий винт, вентилятор) относительно воздушной среды.

Как летают устройства

У дрона есть винт, который создает подъемную тягу. Оторвавшись от земли, устройство начинает двигать винтом быстрее и поднимается вверх. Но сила действия равна силе противодействия. При вращении винта создается момент в другую сторону — с этим связана конструкция вертолетов и коптера. Если у вертолета будет один винт — он не будет стабильным. Поэтому устройство использует либо схему с двумя винтами, либо хвостовой винт.

В квадрокоптере очень простая конструкция — у него обычно четыре винта, два из которых вращаются в одну сторону, а два — в другую. Если пользователю нужно двигаться вперед, то одни винты вращаются медленнее, а другие — быстрее. А если пользователь хочет повернуть, то одни винты, размещенные по диагонали, ускоряются, а другие — замедляются.

Как летает квадрокоптер

Движения коптера по углам связаны с движением по координатам. Если пилот хочет двигаться вперед, нужно сначала наклонить дрон вперед, а затем, когда устройство на электротяге потянется вперед, стабилизировать его в той точке, где мы хотим остаться.

Это схема одного из самых популярных автопилотов, на базе которого можно сделать новые устройства. Он подключается ко всем моторам и датчикам. Причем у моторов есть свой блок управления, регулятор ESC — Electronic Speed Controller, управляющий оборотами мотора.

Из сенсоров здесь есть GPS, чтобы дрон мог работать вне помещений, летать по точкам и стабилизировать положение. Но внутри самого автопилота также есть IMU — модуль инерциальных датчиков, который позволяет ему определять углы ориентации. Также есть канал связи, наземный пункт управления и батарея.

Как говорилось выше, существует некий уровень управления двигателем — мы, уже не задумываясь, можем задать скорость вращения. По тому же принципу работают и остальные уровни: следующий — это управление ориентацией.

Но прежде нам нужно управлять скоростью вращения — на этом уровне летают FPV-коптеры (устройства, которые позволяют наблюдать за картинкой с камеры дрона в режиме реального времени от первого лица (FPV – First Person View). Опытные пилоты задают скорость вращения и постоянно подруливают джойстиком. Следующий этап — когда пользователь может стабилизировать угол, но при этом дрон все равно будет двигаться. Дальше — контроль скорости, а самый высокий — это позиционное управление, маневры для движения в точку или движение по заданной траектории.

Те, кто хотят программировать, собирать и управлять дронами — должны обратить внимание на opensource-автопилот PIX4. Вокруг воздушной роботехники есть целое сообщество (ROS — robotic operating system, или Open robotics), есть симуляторы для дронов. Поэтому многие эксперименты можно совершить в симуляторе, не имея самого дрона.

Стадии разработки дрона

Исследователи начинают с концептуального моделирования, а затем им нужно построить точную модель аппарата. Не углубляясь в формулу, модель коптера — это, по сути, модель твердого тела. Это второй закон Ньютона, расширенный на системы частиц. Он имеет поступательное и вращательное движение, есть кинематика и динамика движения, а чтобы описать модель конкретного аппарата, мы должны добавить сюда уравнение сил, действующих на конкретный дрон.

Как моделируют БПЛА

Следующим этапом является разработка системы управления. Если идти классическим способом: сначала мы узнаем точную математическую модель и на ее основе уже синтезируем алгоритм управления или новые формулы. В систему управления можно включать все уровни: планирование движения, восприятие среды, оценивание состояния с помощью датчиков. Алгоритмы позволяют уточнять наши координаты и данные.

Система управления дронами

Когда есть алгоритм управления, его можно сразу применять, но делать это довольно затратно. Устройства падают при малейшей ошибке — это надо учитывать и делать резервные копии. Для тестирования используются симуляторы.

Ниже показана виртуальная экскурсия по Иннополису — продукт нашего университета, он доступен для скачивания на GitHub. Это не только визуальная составляющая, но и данные всех датчиков аппарата. У него есть все позиционные датчики, им управляют как дроном и могут отлаживать все алгоритмы управления.

Так дроны учатся в симуляции

Когда на основе опыта с симулятором появляется больше уверенности — можно переходить к аппаратной реализации. Здесь показаны ее составляющие: изготовление аппарата из карбона и композита, создание электроники, размещение двигателей, их крепление.

Тесты начинаются не на улице: сначала устройства тестируются на подвесе или специальном стенде. На них можно отлаживать элементы функционирования беспилотного летательного аппарата. Например, здесь показан самолет вертикального взлета и посадки — это гибрид коптера и самолета, на видео можно увидеть, как он справляется со внешними возмущениями и держит угол. Справа показан довольно безумный эксперимент, когда запускают пять двигателей одновременно и смотрят, как система управления справляется с этим.

Так строят дроны

После тестирования переходят к подлетам — небольшие взлеты на небольших скоростях, управляемое движение с пилотом, который может перехватить контроль. Финальным аккордом является полностью беспилотный полет.

Устройство взлетает вертикально — «по-коптерному», потом у него включается маршевый двигатель, беспилотник разгоняется, переходит в самолетный режим, развивает достаточную скорость, чтобы работало крыло. Затем контурные винты выключаются, и он летит по-самолетному — процесс посадки осуществляется в обратной последовательности.

Что происходит с беспилотниками

Одна из задач, над которой работают современные ученые — обход препятствий при полете. Некоторые дроны уже умеют это, но задача стоит чуть шире — надо научить устройства как можно быстрее двигаться в среде с препятствиями. И тут по-прежнему есть куда стремиться и улучшать алгоритмы.

Еще один пример такого тестирования — полет в лесу. Есть очень интересный подход — здесь применяются не только новые алгоритмы, но и сенсорика — ивенткамера. Это очень высокочастотная камера, которая передает разницу между кадрами в каждую единицу времени: это позволяет быстро осуществлять управление и реагировать на препятствия.

В области планирования движения дрона проводятся соревнования: кто быстрее это сделает. Задача состоит в том, чтобы картографировать неизвестную область, построить ее трехмерное представление, найти на ней объекты. Мы летали в университете, но тоже решали задачу поиска объектов. Наши результаты были даже лучше, чем у известных опубликованных алгоритмов.

Существуют соревнования и по гонке дронов. Они делаются на устройствах с камерой, когда у пилота есть очки и он управляет дроном, чтобы максимально быстро пролететь через ворота. Довольно зрелищное мероприятие, где ту же задачу надо выполнить и в автоматическом режиме. К сожалению, пока компьютеру удалось победить человека только в шахматы, а робот-дрон не смог обогнать человека-пилота, хотя прогресс уже довольно серьезный. Дрон с помощью алгоритма машинного зрения может выполнять такие задачи, работа идет только на увеличение скорости.

Еще одно соревнование — Microsoft Games of drones, оно проводится в симуляторе. В этой же области проводится одно из известных ведущих соревнований в Саудовской Аравии. Участники там набираются на три года вперед.

https://youtube.com/watch?v=LtRwpfh8-Sg%3Ffeature%3Doembed

Беспилотные устройства используют для шоу дронов — это зрелищные мероприятия, которые сегодня стали заменой салютам. Но это не единственное групповое применение — они могут инспектировать большую область.