Классификация БПЛА по летным характеристикам¶

Ниже мы расскажем о пяти наиболее актуальных моделях беспилотных летательных аппаратов из разных стран, разработанных в военных целях.

Типы БПЛА

Исторически сложилось так, что беспилотники классифицируют по исполнению — самолетному и мультироторному. Мультироторные можно разделить по количеству винтов: монокоптеры, квадрокоптеры, гексакоптеры и т.д. Такие БПЛА получили широкое распространение, поскольку им не нужны дополнительные устройства для взлета и посадки. Недавно появился третий класс БПЛА — конвертопланы. Но такая конструкция чаще встречается в специализированных разработках.

SDK и комплекты

Понятно, DJI — не единственный пример. SDK есть у Parrot, 3DR, Skydio, Yuneec (правда 3DR, Yuneec и Parrot работают с open-source-платформами, о них мы поговорим далее). 

По сути сейчас мы наблюдаем процесс формирования целого рынка программного обеспечения для таких программируемых дронов. 

Некоторое ПО, в т.ч. на DJI (несмотря на то, что он не open-source) можно найти на GitHub.

Кстати, образовательные решения тут тоже есть. Например, тот же DJI выпускает специальный комплект из нескольких дронов, рассчитанный на обучение целой группы студентов программированию на Scratch, Python и Swift. 

Помимо проприетарных, есть множество DIY-решений, основанных на популярных универсальных полетных контроллерах. Откровенно говоря, DIY-сообщество в свое время и стало родоначальником всего рынка управляемых дронов. Компании с рынка радиоуправляемых моделей взялись за разработку БПЛА лишь тогда, когда идея стала популярна в народе и можно было построить какие-то бизнес-прогнозы.

DIY-решения обычно опираются на какую-то из доступных систем управления (автопилотов), например Ardupilot или Pixhawk. А контроллер подбирается из списка поддерживаемых для выбранного автопилота. Впоследствии его можно даже доукомплектовать оборудованием (если прошивка позволяет это сделать). Под такие решения есть свои универсальные платформы разработки, например MAVSDK (его поддерживают 3DR, Yuneec и Parrot).

По аналогии с 3D-принтерами некоторые производители выпускают кит-комплекты для DIY дронов. К примеру, в упомянутом выше хакатоне ребята работали с дронами «Иволга» отечественного производства. Есть и другие примеры, например, Ardupilot, как производитель, предлагает на рынке собственные наборы, цена на которые варьируется в зависимости от комплектации.

Пример комплекта с Aliexpress

На базе open source контроллеров встречаются и промышленные решения.

Начиная с самосборных решений под управлением готового автопилота, некоторые энтузиасты переходят к разработкам собственного автопилота. Так мир open source в этой части постоянно расширяется. Однако это задача не для новичка. Поскольку суть заключается не столько в самом программировании, сколько в решении инженерных задач. 

Bayraktar Akinci — новое поколение турецких БПЛА

Турция пока не может похвастаться собственными сколько-нибудь серьезными разработками в области самолето- и вертолетостроения, зато эта страна неожиданно вырвалась в мировые лидеры по разработке беспилотных летательных аппаратов. Например, только одних ударных БПЛА в Турции было разработано пять моделей, причем занимались этим три разных компании.

Пожалуй самый известный турецкий производитель беспилотников, это компания Baykar Makina. Именно эта фирма выпускает наиболее массовый и самый воюющий турецкий ударный дрон — Bayraktar TB2. Успех этой фирмы во многом стал возможен благодаря её руководителю — Сельчуку Байрактару, который оказался не только хорошим инженером и бизнесменом, но и стал зятем турецкого президента Реджепа Эрдогана. Понятно, что имея такого высокопоставленного и влиятельного родственника, Байрактару без особых проблем удавалось находить общий язык с турецкими военными и чиновниками. Что способствовало процветанию его фирмы.

Построенная по образцу европейских и американских компаний, Baykar Makina выглядела и выглядит весьма привлекательно и для военных из других стран, особенно тех, кто находится с Турцией в партнерских и союзных отношениях. Вот почему первый ударный беспилотник Bayraktar TB2 сразу же начал активно экспортироваться, и если появление его на вооружении Азербайджана, Ливии и Украины вполне объяснимо с учетом серьёзного военно-технического сотрудничества этих стран с Турцией, то поставки БПЛА Польше, Марокко, Киргизии и Пакистану говорят о том, что Baykar Makina создала весьма конкурентоспособный продукт. Ведь все эти страны могли выбрать дроны производства других стран, но выбрали Bayraktar TB2.

В прошлом году на вооружении турецкой армии был принят новейший, двухдвигательный беспилотник Bayraktar Akinci, которым с полным основанием можно назвать стратегическим ударным беспилотником. На испытаниях он пролетел 7500 километров, то есть он обладает межконтинентальной дальностью полета. Кроме того, он может забираться на высоту 12 километров, а в его арсенале находится крылатая ракета SOM с дальностью стрельбы 270 километров и массой боевой части 230 кг.

Bayraktar Akinci весит 5500 кг и может брать ракетно-бомбовую нагрузку весом 1350 кг. Длина беспилотника составляет 12 метров, размах крыльев — 20 м, два турбовинтовых двигателя АИ-450С производства Запорожского завода «Прогресс» совокупной мощностью 900 л.с. позволяют Akinci развивать максимальную скорость 360 км/ч. К другим особенностям беспилотника стоит отнести возможность обнаруживать и сбивать воздушные цели, система искусственного интеллекта позволяет ему решать широкий круг задач, причем в воздухе он может находиться до 26 часов. То есть БПЛА в состоянии выполнять боевые задачи более суток.

Правда, в отличие от своего достаточно недорогого предшественника Bayraktar TB2, цена Akinci превышает цену некоторых современных истребителей — вот почему турецкая армия заказала пока всего десяток таких боевых машин. Да и экспортные поставки вызывают вопросы, ведь не каждая страна в состоянии приобрести беспилотник стоимостью более 100 миллионов долларов.

Есть два уровня программирования

Если рассуждать о глубине погружения в тему программирования беспилотных летательных аппаратов, можно выделить два «уровня»:

1. Планирование и закладка в аппарат полетного плана для готового решения, а также последующий контроль его исполнения. Этот уровень позволяет решать множество очень интересных задач, хотя и ограничен возможностями используемой платформы;
2. Создание собственной системы управления — своего рода «системное программирование» в мире БПЛА.

На Хабре любят DIY и тут довольно много рассказов о деталях второго уровня (например вот этот пост), в то время как первый до сих пор охвачен слабо. В основном обсуждают детали программирования в определенном SDK или сравнивают аппараты, что понятно лишь тем, кто в теме. Так что далее будем говорить именно про первый уровень.

Программирование под готовые платформы выводит летательные аппараты далеко за рамки класса «игрушек». Это полноценная разработка, которая просто использует библиотеки и функции автопилота для серийно выпускаемого дрона (или для open source полетного контроллера), так что создатель программы может сосредоточиться на решении своей задачи, будь то аэрофотосъемка или воздушные световые шоу. 

Самое важное: программирование позволяет снять с оператора часть задач по управлению в режиме реального времени, что на самом деле упрощает применение БПЛА. Не у каждого любителя фотосъемки найдется время и желание учиться пилотировать дрон в сложных условиях.

Устройство и принципы программирования

Для программирования дрона сегодня не надо разбираться в физике полета и прочих тонкостях, поскольку эти вопросы за вас уже решили разработчики контроллеров и SDK. Тем не менее, тема остается не такой простой. И в этом посте мы хотим рассказать, с какой стороны к ней подступиться.

Фото с омского «Хакатона по применению малых БПЛА»

Под катом — из чего состоит дрон, какие бывают комплекты и как начать с ними работу.

Shahed 149 Gaza — иранский пример импортозамещения

Как Турция и Израиль, Иран многие десятилетия покупал авиатехнику в США, но после того как страна попала под санкции, Исламская республика стала испытывать серьезные проблемы с обновлением своего авиационного парка. Если истребители МиГ-29 удалось приобрести в России, то беспилотники иранцы начали разрабатывать самостоятельно и значительно продвинулись в этом направлении.

В 2022 году иранская армия должна получить на вооружении ударный БПЛА Shahed 149 Gaza, разработанный авиастроительной компанией Shahed Aviation Industries. Этот беспилотник является дальнейшим развитием БПЛА Shahed 129 разработки почти двадцатилетней давности. Его длина составляет 10,5 метра, размах крыльев — 21 метр, он оснащается одним 750-сильным турбовинтовым двигателем, развивает скорость в 350 км/ч и может находится в воздухе более 30 часов.

Примеры программирования дронов

Учитывая разнообразие решений на рынке, мы не имеем возможности рассказать о всех вариациях в программировании дронов, но покажем, как это происходит на паре примеров.

Пример 1: DJI

Для программирования проприетарного дрона DJI необходимо зарегистрировать девелоперский аккаунт.

• фреймворк и необходимые библиотеки, которые импортируются в мобильное приложение дрона под Android или iOS;
• инструмент симуляции и визуализации полета;
• вспомогательные инструменты для iOS;
• примеры кода и документацию.

В своем приложении разработчик может контролировать полет, использовать данные с камеры или датчиков на борту дрона, следить за состоянием систем на борту. При этом SDK берет на себя заботу о низкоуровневом функционале — стабилизации полета, управлении питанием.
Логическая схема подключения к дрону представлена на картинке:

Прежде чем приступать к разработке, необходимо сгенерировать для приложения уникальный App Key, который активирует SDK.

Сам процесс разработки зависит от рассматриваемой платформы (iOS или Android). Подробно и для Android, и для iOS он описан в документации, а на GitHUB есть примеры простейших приложений для каждой из этих платформ. Есть замечательное видео, описывающее весь процесс создания простейшего приложения.

Для запуска скомпилированное приложение необходимо перенести на мобильное устройство. Непосредственно перед запуском устройство также надо подключить к дрону по Wi-Fi или через USB-кабель (тип подключения зависит от конкретного устройства).

Пример 2: Pixracer R14

Pixracer — одно из поколений полетного контроллера Pixhawk, который широко используется в DIY-проектах.

Для программирования этого полетного контроллера используется библиотека ROS (Robot Operating System), которая позволяет управлять дронами с помощью MAVLink (пакет называется MAVROS). Писать можно на Python, используя клиент для этой библиотеки под названием rospy.

Для запуска приложения необходимо подключиться по SSH к полетному контроллеру.
С DIY-проектами процедуру программирования в общем виде описать гораздо сложнее, нежели с проприетарными решениями, поскольку слишком многое зависит от деталей прошивки. Для kit-комплектов, которые зачастую построены именно на открытых разработках, обычно есть подробная инструкция по программированию.

«Альтиус» — новейший беспилотник России

В ближайшей перспективе на вооружение Российской армии должен поступить тяжелый, дальний разведывательно-ударный беспилотник «Альтиус». Точные данные об этой машине пока неизвестны, открытые источники сообщают, что её вес может составить порядка 5-6 тонн, размах крыльев достигает около 30 метров, что она оснащается двумя немецкими турбовинтовыми двигателями RED A03 совокупной мощностью 960 л.с. и что дрон может провести в воздухе более 40 часов.

Судя по имеющимся данным, «Альтиус» является одноклассником турецкого Bayraktar Akinci, и не исключено, что со временем он станет его прямым конкурентом на мировом рынке вооружения. Но сначала этот беспилотник должна получить российская армия, возможности которой благодаря таким БПЛА значительно возрастут. В военных конфликтах последних лет беспилотники стали играть весьма заметную роль, поэтому каждая современная армия старается обзавестись как можно большим их количеством и разнообразием.

И если с легкими разведывательными беспилотниками у Российской армии проблем давно нет, то тяжелых ударных БПЛА она пока не имеет в нужном количестве. Однако с появлением «Альтиуса» этот пробел должен быть устранен. Главное, что эта машина разработана и прошла лётные испытания. Следующий этап — наладить её выпуск в необходимых армии количествах. Впрочем, производство БПЛА в России сейчас больше зависит от того, смогут ли российские предприятия найти замену импортным комплектующим.

IAI Eitan — усовершенствованный Heron

Если истребители и боевые вертолеты Израиль по-прежнему покупает в США, то беспилотники предпочитает разрабатывать самостоятельно. И добился на этом поприще впечатляющих успехов, став одним из крупнейших в мире экспортеров БПЛА, продавая беспилотники даже странам НАТО. С середины 2000-х годов израильская компания Israel Aerospace Industries (IAI) начала работы над совершенствованием своего дрона Heron, создав экспортную модификацию Heron TP, известную в Израиле как Eitan.

Этот беспилотник хотя и появился почти на 15 лет раньше, чем Bayraktar Akinci, но по многим показателям превосходит его. Eitan способен летать на высоте 14 км, что позволяет ему работать в районах, через которые проходит пассажирское авиасообщение.

При практически одинаковом взлетном весе с Akinci, израильский беспилотник берёт на борт почти вдвое большую нагрузку. Единственный турбовинтовой двигатель, установленный на Eitan, развивает мощность в 1200 л.с. что позволяет БПЛА разгоняться до 410 км/ч. Дальность полета израильского беспилотника может достигать 8000 км, а время непрерывного нахождения в воздухе, в том числе благодаря 26-метровому размаху крыльев, составляет 30 часов.

К плюсам IAI Eitan можно отнести самую современную разведывательную электронику и возможность несколько часов лететь без управления оператора, используя навигацию и возможности искусственного интеллекта. Израильтяне не делают упор на ударных возможностях Eitan, предпочитая характеризовать его как «разведывательно-многоцелевой», но известен, как минимум, один факт использования этого БПЛА в качестве ударного. В настоящее время данный беспилотник стоит на вооружении армии Израиля, Греции и Индии.

Языки и среды разработки

В двух словах программирование дрона сводится к контролю координат промежуточных точек и высоты над землей с одновременным управлением полезной нагрузкой в зависимости от поставленной задачи.
Используемый для программирования язык, как и среда разработки, определяется системой управления, а в случае с проприетарными решениями — производителем контроллера.

Но пока на рынке царит настоящий зоопарк подходов и языков.

Часть производителей вообще предлагает собственные среды — как упомянутый выше DJI.

Сообщества, разрабатывающие опенсорсные полетные контроллеры, от них не отстают. Исторически сложилось, что большинство DIY решений основано на среде Arduino. Тот же Ardupilot в свое время разрабатывался для управления дроном с контроллером ATMega 2560, а в качестве среды разработки использовал оболочку Arduino. Но сегодня этого уже недостаточно. Задачи, возложенные на беспилотники, усложняются, а вслед за этим растут требования к железу и ПО. Так что аппаратная составляющая меняется. Даже опенсорсные решения уже базируются не на контроллерах, а на полноценных процессорах с ARM-архитектурой (по аналогии со смартфонами). Среды разработки, соответственно, также дорабатываются и усложняются. Они становятся кроссплатформенными, но пока все еще ориентированы на конкретный автопилот. И хотя на данный момент существуют общепринятые частные стандарты (например, передачи данных или взаимодействия беспилотников с наземными станциями), до выявления лидера среди языков разработки и SDK пока далеко.

С точки зрения гарантированного выбора направления развития этот этап становления рынка абсолютно непредсказуем. Однако именно сейчас время самых интересных проектов, ведь столько задач еще не решено!

Для чего используются

Конструкция определяет возможное применение. Сфер, где успели «засветиться» беспилотные летательные аппараты уже довольно много. Даже если говорить только о «гражданских» машинах (не ориентированных на военных или спасателей), это:

• геодезия и картография;
• сельское хозяйство (в части контроля и обработки полей);
• фермерство;
• аэрофотосъемка,
• обычная фото и видео съемка;
• предпроектные исследования и контроль объектов строительства;
• доставка товаров;
• мониторинг протяженных объектов. 

Применение беспилотника во многом определяется тем, какую полезную нагрузку он способен нести: может ли поднять посылку с грузом или вынужден ограничиться экшн-камерой.

Есть комплекты для обучения

Доступность обучающих комплектов уже потянула за собой массовое появление как кружков по работе с дронами, так и всевозможных мероприятий — семинаров, мастер-классов, олимпиад.

Обучающий набор DJI EDU 

Например, в конце января в Точке кипения Омского технического университета (ОГТУ) проходил хакатон, посвященный программированию дронов. 

Один из организаторов хакатона — Александр Голунов — помогал нам в подготовке этого поста

Любопытно, что до мероприятия ребята, принимавшие в нем участие, не были знакомых с беспилотниками. Некоторые из них увидели дрон вживую первый раз в жизни. Но после знакомства — блочной сборки, настройки, калибровки БПЛА, а также построения виртуального полетного плана — они смогли предложить новые способы применения дронов в быту. Как бы это о том, что ничего сложного тут, в целом, нет.

Железо дрона

С точки зрения железа дрон состоит из:

• рамы, на которой крепятся агрегаты и защитный кожух. Последний, кстати, присутствует не всегда, но какая-то защита движущихся частей аппарата, а заодно и окружающих от удара этими движущимися частями, есть почти везде;
• необходимого количества роторов;
• аккумулятора;
• набора датчиков. Самый простой дрон может летать с трехосевым акселерометром, но управлять им будет сложно. Заметно упрощают этот процесс: трехосевой акселерометр, трехосевой датчик угловой скорости (ДУС), барометр и магнитометр. Также в списке датчиков могут присутствовать: компас, гироскоп, GPS или приемник любой другой системы глобального позиционирования;
• модуля связи. Это может быть радиосвязь с пультом управления (наземной станцией) или 4G-модем для получения команд и отправки телеметрии через интернет;
• полезной нагрузки, например камеры на подвесе, сонара, дальномера и т.п.;
• сердца дрона — полетного контроллера, который всем этим управляет.

Пример состава оборудования программируемого дрона с полетным контроллером pixhawk

Чем занимается полетный контроллер

Контроллер решает классические задачи по:

• ориентации беспилотника вокруг его центра масс;
• ориентации центра масс беспилотника в пространстве;
• движению БПЛА по маршруту;
• избежанию коллизий с другими беспилотниками, если это групповой полет, или с иными объектами. Например, есть много разработок безопасных дронов, которые не сталкиваются с людьми, — все зависит от конкретной задачи;
• управлению полезной нагрузкой — камерой, захватами для груза и т.п.;
• передаче информации, в частности, приему команд с пульта, если управление осуществляется вручную;
• корректировке полета, в т.ч. в больших формациях.

Полетный контроллер Arducopter

Полетный контроллер DJI A3

Полетные контроллеры присутствуют на рынке как самостоятельно, так и в составе готовых дронов.

Среди готовых решений широко известны китайские DJI. Вслед за полетным контроллером, шесть лет назад, китайцы предложили SDK, с которым можно создавать вполне профессиональные решения. Вот лишь небольшой список уже решенных задач:

• контроль неправильно припаркованных автомобилей и дорожного движения в целом;
• обследование и обработка территорий в сельском хозяйстве (в том числе, поля и виноградники);
• 3D-реконструкция модели поверхности земли — маркшейдерские работы, трехмерная реконструкция природных туристических объектов и т.п.;
• контроль флотилии дронов для развлекательных целей или быстрого прочесывания местности.

В 2018 году полиция Нью-Йорка обзавелась 14 дронами (фото: CNN)

Wing Loong-10 — реактивный китайский дракон

За последние годы китайский авиапром, особенно военный, развивался семимильными шагами, хотя от закупок боевых самолетов за рубежом Китай отказался совсем недавно. Например, российские истребители Су-35С Китай покупал ещё в 2018 году. Но что касается разработки и производства беспилотников, то здесь китайские авиастроители безусловно являются одними из ведущих в мире. Они не только производят огромное количество разнообразных дронов, но и одними из первых в мире начали выпуск реактивных летательных аппаратов.

Одним из них является среднеразмерный ударный беспилотник Wing Loong-10, выпускаемый фирмой Chengdu Aircraft. От других беспилотников семейства Wing Loong данная машина отличается не только наличием реактивного двигателя, но новым фюзеляжем, при проектировании которого использовались технологии малозаметности. И хотя Wing Loong-10 не является полноценным стелс-беспилотником, обнаружить его с помощью радара будет заметно сложнее, чем другие БПЛА.

Полная взлетная масса китайского дрона составляет 3200 кг, вес ракетно-бомбовой нагрузки 400 кг, длина 9 метров, а размах крыла — 18 метров. На шести узлах подвески он может нести свободнопадающие бомбы, управляемые бомбы и ракеты. Одним из плюсов беспилотника является предельная высота полета в 15 километров, то есть он может летать значительно выше пассажирских самолетов, не представляя для них опасности.

Максимальная скорость в 620 км/ч позволит ему гораздо быстрее, чем другим беспилотникам, покинуть опасный район, а продолжительность полета в 20 часов дает ему высокую степень автономности. С 2016 года Wing Loong-10 поступает на вооружение китайской армии, также разработана его экспортная модификация, но пока что покупателей на этот БПЛА не нашлось.