Как работают дроны и что представляет из себя технология дронов?
В данной статье простым языком рассказывается о том, что такое дрон и как они работают. Технология БПЛА постоянно развивается, так как новые инновации и инвестиции являются двигателем совершенствования дронов, новые модели которых выпускаются каждые несколько месяцев.
Ниже мы обсудим технологию БПЛА на примере самых популярных дронов, в которых использованы все новейшие технологии. У большинства дронов очень похожие системы.
Технология БПЛА охватывает все: от аэродинамики дрона и материалов изготовления до печатных плат, чипсета и программного обеспечения, которые являются мозгами дрона.
Одним из самых популярных дронов на рынке является DJI Phantom 3. Этот дрон был очень популярен среди профессиональных воздушных операторов. Хотя сейчас он считается устаревшим, в нем использованы передовые технологии, которые присутствуют в самых последних моделях БПЛА.
Этот беспилотник можно использовать для описания технологии БПЛА, поскольку в нем есть все: сам дрон, карданов подвес и камера. Также, в нем применены передовые технологии.
Всего через несколько месяцев после написания этой статьи на рынке появилось несколько новых дронов, таких как DJI Mavic 2, Mavic Air, Phantom 4 Pro, Inspire 2 и Walkera Voyager 5.
Инновации в технологии БПЛА развиваются в быстром темпе. Данная статья охватывает самые последние технологические достижения в сфере БПЛА. Так что эта статья, как и все ссылки здесь, актуальны.
Как работают дроны
Типичный беспилотный летательный аппарат изготовлен из лёгких композитных материалов с целью уменьшения веса и повышения манёвренности. Прочность композитного материала позволяет военным дронам совершать полёты на чрезвычайно больших высотах.
Беспилотники оснащены различными современными технологиями, такими как инфракрасные камеры, GPS и лазер (бытовой, коммерческий и военный БПЛА). Дроны управляются с помощью систем дистанционного управления с земли (GSC), который также называется «наземный пульт управления».
Система БПЛА включает: сам дрон и систему управления.
В носовой части дрона расположены все датчики и навигационные системы. Так как нет необходимости в размещении человека внутри, остальная часть корпуса заполнена системами БПЛА.
Конструкционные материалы, использованные для создания дрона, представляют собой очень сложные композиты, предназначенные для поглощения вибраций, которые уменьшают производимый шум. Эти материалы очень легкие.
Что такое дрон — технология БПЛА
Ниже мы рассмотрим научное обоснование и технологии, использованные в беспилотнике DJI Phantom 3. Также, мы владеем информацией о технологиях, применяемых в новейших моделях на рынке дронов.
Существует множество ссылок, по которым вы можете пройти, чтобы изучить различные компоненты технологии дронов. Например, вот потрясающая статья о компонентах дронов. Здесь приведён обзор отдельных компонентов, которые встречаются в большинстве дронов.
Типы и размеры дронов
Дроны бывают самых разных размеров, причём самые большие, такие как беспилотник Predator, используются в военных целях. Следующими по размеру являются дроны, которые имеют фиксированные крылья и требуют коротких взлётно-посадочных полос. Они обычно используются для охвата больших территорий, например, для географической съёмки или для борьбы с браконьерством в дикой природе.
Следующими по размеру являются так называемые дроны ВВП. Многие из них — квадрокоптеры, но не все. Беспилотники ВВП могут взлетать, летать, зависать в воздухе и приземляться вертикально. Точное значение ВВП — «Вертикальный взлет и посадка».
Большинство последних моделей, такие как DJI Mavic Air и DJI Spark, вывели технологию ВВП на новый уровень и теперь запускаются даже с ладони.
Вывод в заданную точку с помощью РЛС и Функция возвращения домой
Большинство последних моделей дронов оснащены двойными глобальными навигационными спутниковыми системами (GNSS), такими как GPS и ГЛОНАСС.
Дроны могут летать как в GNSS, так и в не спутниковых режимах. Например, дроны DJI могут летать в режиме P (GPS & ГЛОНАСС) или ATTI, который не использует спутниковую навигацию.
Высокоточная навигация очень важна при полете, особенно, если дрон применяется для создания 3D-карт, съёмки ландшафта и миссии SAR (Search & Rescue).
При первом включении, квадрокоптер ищет и обнаруживает спутники GNSS. Высококачественные системы GNSS используют технологию. По сути, спутниковая группировка — это группа спутников, работающих синхронизированно, и обеспечивающих скоординированное покрытие. Заход (прохождение) и покрытие — это периоды, в течение которых спутник виден над местным горизонтом.
Радиолокационная технология будет сигнализировать на дисплее пульта дистанционного управления о следующем;
• обнаружение достаточного количества спутников GNSS и готовность к полёту
• текущее положение и местоположение дрона по отношению к пилоту
• фиксирование исходной точки для функции «Возвращения домой»
Большинство последних моделей беспилотных летательных аппаратов имеют 3 типа технологии «Возвращения домой»:
• Пилот инициировал возвращение домой, нажав кнопку на пульте дистанционного управления или в приложении.
• Низкий уровень заряда батареи, при котором беспилотник автоматически летит обратно в исходную точку.
• Потеря передачи между БПЛА и пультом дистанционного управления, когда БПЛА автоматически возвращается в исходную точку.
Новейшая функция Mavic Air RTH позволяет обнаруживать препятствия во время автоматического возвращения домой. Mavic Air RTH позволяет избежать препятствий, если достаточно освещения;
- Mavic Air замедляется при обнаружении препятствия
- Он останавливается и зависает в воздухе, а затем летит обратно и поднимется вверх, пока не обнаружит, что препятствий на пути нет.
- Затем процесс RTH возобновляется, и Mavic Air возвращается в исходную точку на новой высоте.
Технология обнаружения препятствий и предотвращения столкновений
Многие дроны оснащены системами предотвращения столкновений. В системе искусственного зрения использованы датчики обнаружения препятствий для сканирования окружающей среды, в то время как программные алгоритмы и технология SLAM переносят изображения в трёхмерные карты, позволяя контроллеру полёта обнаруживать объект и избегать его. Эти системы объединяют один или несколько следующих датчиков для обнаружения и обхода препятствий;
• Датчик изображения
• Время полёта (ToF)
• Монокулярное зрение
Последние модели DJI Mavic 2 Pro и Mavic 2 Zoom способны обнаруживать препятствия с 6 сторон. В Mavic 2 используются как датчики изображения, так и инфракрасные датчики, встроенные в систему наблюдения, известную как всенаправленное распознавание препятствий.
Система обнаружения препятствий DJI Mavic 2 переходит на следующий уровень, где она может фактически облетать препятствия спереди или при обратном движении. Если дрон не сможет определить траекторию полёта вокруг объекта, он зависнет в воздухе перед препятствием. Это называется APAS (усовершенствованная система помощи пилотам), которая применяется на дронах DJI Mavic 2 и Mavic Air.
Гироскопическая стабилизация, IMU и контроллеры полета
Технология гироскопической стабилизации является одним из компонентов, обеспечивающих беспилотный полет дрона. Гироскоп должен мгновенно реагировать на силы, оказывающие давление на дрон. Гироскоп предоставляет необходимую навигационную информацию центральному контроллеру полета.
Инерциальный измерительный блок (IMU) работает посредством определения текущей скорости ускорения с использованием одного или нескольких акселерометров. IMU обнаруживает изменения атрибутов вращения, таких как тангаж, крен и рыскание, используя один или несколько гироскопов. Некоторые IMU включают в себя магнитометр , чтобы упростить каллибровку при сбоях ориентации.
Гироскоп является компонентом IMU, а IMU является важным компонентом контроллера полёта дронов. Контроллер полёта является «мозгом» дрона.
Вот потрясающая статья, которая описывает гиростабилизацию и технологию IMU, применяемую в дронах.
Направление двигателя дрона и конструкция пропеллера
Двигатели и пропеллеры — это технология БПЛА, которая поднимает дрон в воздух и позволяет летать в любом направлении, а также зависать в воздухе. На квадрокоптере двигатели и пропеллеры работают в паре: 2 двигателя/пропеллера, вращающиеся по часовой стрелке (пропеллеры CW) и 2 двигателя, вращающиеся против часовой стрелки (пропеллеры CCW). Они получают команды с контроллера полёта и электронных регуляторов скорости (ESC) о направлении движения дрона либо зависнуть в воздухе, либо лететь.
Экранные параметры полёта в реальном времени
Почти во всех дронах встроен контроллер наземной станции (GSC) или приложение, позволяющее отслеживать текущую телеметрию полёта и видеть на вашем мобильном устройстве то, что видит ваш дрон.
Чтобы повысить безопасность полетов и предотвратить случайные полеты в запрещенных зонах, последние модели дронов от DJI и других производителей включают функцию «Бесполетная зона».
Бесполетные зоны были разделены на две категории: A и B. Производители могут обновить и изменить эту технологию с помощью обновлений микропрограмм.
Режим GPS «Готов к полету»
Когда компас откалиброван, дрон ищет местоположение спутников GPS. Когда найдено более 6, дрон переходит в режим «Готов к полёту».
Внутренний компас и отказоустойчивая функция
Позволяет БПЛА и системе дистанционного управления точно знать местоположение дрона в полёте. Калибровка компаса необходима, чтобы установить исходную точку. Исходной точкой является место, куда дрон вернётся в случае потери сигнала между дроном и системой дистанционного управления (также известна как «отказоустойчивая функция»).
Онлайн Передача Видео. Режим FPV
FPV означает «вид от первого лица» (First Person View). На БПЛА установлена видеокамера, которая транслирует видео в реальном времени пилоту на земле. Пилот летает на дроне и видит картину так, будто он находится на борту самолёта, а не находится на земле.
FPV позволяет летать намного выше и дальше, чем вы если смотреть на дрон с земли. Режим FPV позволяет летать более аккуратно, особенно это касается обхода препятствий.
FPV позволяет запускать дрон в помещении, пролетать через леса и вокруг зданий, где было бы невозможно летать, наблюдая за ним с земли.
Исключительно быстрый рост и развитие индустрии БПЛА был бы невозможен без технологии прямой передачи видео FPV. Эта технология использует радиосигнал для передачи и приёма видео в реальном времени.
Дрон оснащен встроенным многодиапазонным беспроводным передатчиком FPV с антенной. В зависимости от дрона, приемником видеосигналов может быть пульт дистанционного управления, компьютер, планшет или смартфон. Прямая трансляция видео напрямую зависит от уровня сигнала на наземном управлении дрона. Диапазон передачи видео в реальном времени с дрона DJI Mavic 2составляет FPV 5 миль (8 км) с передачей видео в качестве 1080p.
Другие, более старые дроны, такие как DJI Mavic и Phantom 4 Pro, передают видео на расстоянии до 4,3 мили (7 км). В Phantom 4 Pro и Inspire 2 используется новейшая система DJI Lightbridge 2.
В таких дронах, как DJI Mavic, используются встроенные контроллеры и интеллектуальные алгоритмы, которые устанавливают новый стандарт беспроводной передачи изображений высокой чёткости за счёт снижения задержки и увеличения максимальной дальности и надёжности.
FPV в сети 4G / LTEI
В 2016 году была анонсирована новая возможность трансляции видео по сети 4G / LTE с неограниченным диапазоном и с низкой задержкой. Эта технология БПЛА называется Sky Drone FPV 2. Она включает в себя модуль камеры, модуль данных и модем 4G / LTE.
Прошивка и Ассистент
Система управления полётом обменивается данными с помощником, установленным на ПК, через кабель Micro-USB. Это позволяет настраивать БПЛА и обновлять прошивку дрона.
Дрон проще всего описать так: летающий компьютер с прикреплённой камерой или датчиком.
Как и компьютеры, дроны оснащены встроенным программным обеспечением, которое отправляет команды физическим компонентам дрона или удалённого контроллера. Производители БПЛА выпускают обновления прошивки для исправления ошибок и добавления новых функций к дрону, пульту дистанционного управления или программному обеспечению, если оно используется для управления дроном.
Светодиодные индикаторы полета
Они расположены в передней и задней части дрона. Обычно светодиоды зелёного, жёлтого или красного цвета.
Передние светодиоды показывают, где находится дрон. Задние светодиоды загораются, чтобы показать состояние дрона при включении питания, обновлении прошивки и полете.
Важно понимать, о чём уведомляют светодиоды на вашем квадрокоптере. Например, медленно мигающий красный светодиод может обозначать низкий уровень заряда батареи, а постоянный красный цвет указывает на ошибку. Все дроны поставляются с руководством по эксплуатации, в котором перечислены значения каждого светодиода.
Система дистанционного управления БПЛА
На DJI Phantom 3 это устройство беспроводной связи, использующее частоту 5,8 ГГц. Дрон и система дистанционного управления должны быть подключены ещё на заводе.
Дистанционное управление БПЛА, Ресивер
Расположение кнопки связи технологии ресивера на чистоте 5,8 ГГц расположена под БПЛА.
Почти все последние модели дронов работают на частоте 2,4 или 5,8 ГГц.
Расширитель диапазона БПЛА
Это устройство беспроводной связи, которое обычно работает на частоте 2,4 ГГц. Оно используется для расширения диапазона связи между смартфоном или планшетом и дроном в открытой местности.
Дальность передачи может достигать до 700 метров. Каждый расширитель диапазона имеет уникальный MAC-адрес и имя сети (SSID).
Последние модели дронов DJI способны летать на расстояние до 5 миль (8 км).
Многие старые модели или дроны других ведущих производителей не летают так далеко. Однако набирает популярность такой продукт, как расширитель диапазона, который способен увеличить расстояние полета.
Приложение для смартфона с функцией наземной станции
Сегодня многими дронами возможно управлять с пульта дистанционного управления или из приложения для смартфона, которое можно загрузить из Google Play или Apple Store. Приложение предоставляет полный контроль над дроном. Каждый производитель предлагает свое фирменное приложение, среди них Go 4 от DJI.
В последние дроны от DJI, Walkera, Yuneec и многих других производителей встроены камеры, которые могут снимать видео в формате 4k и могут делать 12-мегапиксельные кадры.
Многие из более ранних моделей дронов использовали камеры, которые не были пригодны для съемок с воздуха. Многие из этих аэрофотоснимков имели бочкообразное искажение из-за широкоугольного объектива.
Тем не менее, дроны серии DJI Mavic, DJI Inspire 1, Phantom 3 Professional и Phantom 4, оснащены, 4-к камерой предназначенной для съемки с воздуха.
Лучший дрон для профессиональной воздушной съемки — DJI Inspire 2, с камерой DJI Zenmuse X7. При использовании этой камеры, система обработки изображений Inspire 2 CineCore 2.1 записывает видео весом до 6 КБ в CinemaDNG / RAW и 5,2 К в Apple ProRes.
Дроны с зум-камерами
В 2016, 2017 и 2018 годах на рынок поступил ряд интегрированных подвесов с оптическим и цифровым зумом.
DJI выпустил Zenmuse Z3, который является встроенной камерой для аэросъёмок с зумом, оптимизированной для фотосъёмки. Zenmuse Z3 с 7-кратным зумом, состоящим из 3,5-кратного оптического и 2-кратного цифрового зума без потерь, создаёт эквивалентный диапазон фокусных расстояний от 22 до 77 мм, что делает его идеальным для промышленного применения.
В октябре 2016 года DJI выпустили камеру Zenmuse Z30. Мощная камера Zenmuse Z30 представляет собой встроенную камеру для аэросъёмок, имеет 30-кратный оптический и 6-кратный цифровой зум для увеличения до 180x. Благодаря этим параметрам, камера подходит для промышленного использования, такого как осмотр вышек сотовой связи или ветряных турбин, для более детального осмотра конструкции, проводов, модулей и компонентов, и обнаружения повреждений. Zenmuse совместим с дронами DJI Matrice.
Walkera Voyager 4 поставляется с камерой с 18-кратным зумом. Камера с 18-кратным оптическим зумом на Voyager 4 обеспечивает беспрепятственную съёмку на 360 градусов. Она может снимать в формате 4k , 30 кадров в секунду. Система передачи изображений высокой чёткости использует 3-осевую бесщёточную стабилизирующую технологию подвеса. Walkera также выпустила Voyager 5. У него невероятная камера с 30-кратным оптическим зумом. Он включает в себя множество систем резервирования, таких как двойной GPS, двойной гироскоп и система с 3 аккумуляторами. Он также имеет дополнительную тепловую инфракрасную камеру и камеру ночного видения для съёмки при слабом освещении.
Подвес и регулировка наклона
Технология карданного подвеса очень важна для получения качественных аэрофотоснимков, видео или 3D-изображений. Подвес сохраняет камеру от вибраций. Используя подвес можно наклонять камеру во время полёта, делая уникальные ракурсы. Подвесы, в основном, — это 3-х осевые стабилизированные карданы с 2 режимами работы. Режим не-FPV и режим FPV.
Практически во всех последних дронах встроен карданные подвесы и камеры. Лидером в технологии воздушных подвесов является DJI в линейке Zenmuse. Вы можете прочитать больше о конструкции карданного подвеса здесь.
Съемка с дронов без карданного подвеса
На CES 2017 компания под названием Ambarella анонсировала чип H22 для камер в дронах. Этот чип позволяет снимать видео в формате 4K HD и включает в себя электронную стабилизацию изображения, устраняя необходимость в подвесе.
Дроны с сенсорами для создания 3D карт и моделей с использованием Sensor Fusion
Лидарные, мультиспектральные и фотограмметрические датчики используются для создания трёхмерных моделей зданий и ландшафтов. Датчики ночного видения для работы при слабом освещении и тепловизионные датчики используются для сканирования зданий и ландшафтов и для оказания помощи в сельском хозяйстве, пожаротушении, поисковых и спасательных операциях. У большинства дронов разные датчики с программным обеспечением, объединяющим полученные данные для лучшего результата. Эта технология известна как сенсорный синтез и работает следующим образом;
Sensor fusion — это программное обеспечение, которое комбинирует данные, полученные с нескольких датчиков, например, с тепловизоров и датчиков RGB-камеры, с целью улучшения производительности приложения или системы. Объединение данных полученных с нескольких датчиков понижает погрешности отдельных датчиков при расчете точной информации о положении и направлении движения дрона.
Например, мультиспектральные датчики на дронах могут создавать цифровые карты рельефа (DEMS), чтобы предоставлять точные данные о состоянии сельскохозяйственных культур, цветов, фауны, кустарников и деревьев.
В 2016 году на рынке появились дроны с Time-of-Flight (ToF)
камерами. Камеры ToF с лидарными датчиками могут использоваться отдельно или с RGB и обычными лидарными датчиками для выполнения целого ряда функций. ToF-камеры могут использоваться для сканирования объектов, навигации в замкнутом пространстве, обхода препятствий, распознавания жестов, отслеживания объектов, измерения объёмов, для измерения высоты, для 3D-съёмки, для игр с дополненной реальностью и т.д.
Time-of-Flight камеры с лидарными датчиками имеют огромное преимущество перед другими технологиями, так как способны измерять расстояния до объектов в пределах зоны за один снимок.
С помощью лидарного и фотограмметрического картографирования дрон запрограммирован на полёты над определённой областью с использованием автономной навигации по GPS. Камера на дроне будет делать фотографии с интервалом 0,5 или 1 сек. Эти фотографии затем соединяются вместе с помощью специализированного программного обеспечения для создания 3D-изображений.
DroneDeploy
является одним из лидеров в создании программного обеспечения для 3D картографирования. Их мобильное приложение и карты в реальном времени используются во многих секторах для создания 3D-карт и моделей. У них есть специализированное решение для сельскохозяйственного сектора, и их программное обеспечение работает с большинством новейших дронов.
Захват изображений с высоким разрешением на стабилизированном дроне очень важен. Использование лучшего программного обеспечения фотограмметрии для обработки изображений в реальные карты и модели также важно. Ниже приведены одни из лучших программ для картографирования с использованием дронов:
• DroneDeploy 3D Mapping Solutions
• Pix4D Mapper Фотограмметрия
• AutoDesk ReCap Фотограмметрия
• Карты Made Easy — Ортофото и 3D-модели
• 3DF Zephyr Фотограмметрия
• Agisoft PhotoScan Фотограмметрия
• PrecisionHawk Precision Mapper / Viewer
• Open Drone Map
• ESRI Drone2Map для ArcGIS
В этой статье вы можете прочитать обзор программного обеспечения для фотограмметрии для 3D-карт.
Комплект против падения
Помогает держать стабилизатор и камеру подключёнными к БПЛА.
Программное обеспечение для редактирования видео
Наличие качественного программного обеспечения для видео имеет важное значение для последующей обработки. Большинство последних моделей дронов снимают в формате Adobe DNG raw, что означает, что вся исходная информация об изображении сохраняется для дальнейшей обработки.
Большинство беспилотных летательных аппаратов используют Linux и только несколько — MS Windows. В 2014 году Linux Foundation запустили проект под названием Dronecode project.
Dronecode Project — это проект с открытым исходным кодом, который объединяет существующие и будущие проекты БПЛА с открытым исходным кодом в рамках некоммерческой структуры, управляемой The Linux Foundation. Результатом является общая платформа с открытым исходным кодом для БПЛА.
Безопасность и возможность взлома
Дроны напоминают летающие компьютеры с операционной системой, контроллерами полета и основными платы с программируемым кодом. Именно поэтому их также можно взломать. Существуют такие дроны, которые летают в поисках других дронов и взламывают их беспроводную сеть, отключая владельца и захватывая дрон. Однако есть несколько способов, как защитить свой беспилотник от хакеров.
Новейшие инновационные технологические дроны
DJI располагает огромным ассортиментом продуктов на рынке потребительских и профессиональных БПЛА. Ниже приведён список новейших дронов с запатентованными технологиями:
- DJI Mavic 2 — поставляется в 2 моделях. Камера 4k и зум. Это позволяет предотвратить столкновения со всех сторон.
- DJI Mavic 2 Enterprise или M2E — модели с зумом или тепловизором. Включает в себя дополнительные компоненты, такие как маяк, прожекторы и громкоговоритель. Разработан специально для применения в поисково-спасательных операциях или подобных работ.
- DJI Mavic Air — это малогабаритный профессиональный дрон. Оснащён 4k камерой, очень стабильный в полёте. Есть функция предотвращения столкновений. Также способен летать, используя жесты рук, и имеет технологию распознавания лиц.
- DJI Phantom 4 Pro — с технологией предотвращения столкновений «Vision». Многоцелевой дрон, включая 4k воздушную съемку, фотографию и фотограмметрию.
- DJI Inspire 2 — запатентованный дизайн и двигатели. Многоцелевой дрон для профессиональной 5k воздушной съемки, фотографии, фотограмметрии, мультиспектральных и тепловизионных изображений.
- Yuneec Typhoon H Pro — использует запатентованную технологию предотвращения столкновений Intel Realsense. Отлично подходит для профессиональной аэрофотосъемки.
- Walkera Voyager 5 — потрясающий последний дрон от Walkera. Можно выбрать камеру с 30-кратный оптический зум, инфракрасным зумом, а также ночного видения для работы при слабом освещении.
- Walkera Vitus Starlight — новейший малогабаритный потребительский дрон от Walkera с датчиками предотвращения столкновений и камерой ночного видения для работы при слабом освещении.
- DJI Matrice 600- коммерческий мультикоптер, представляет собой платформу для аэросъемки с возможностью установки 7 различных камер Zenmuse.
- Коммерческий квадрокоптер DJI Matrice 200 — резервирование с двойной батареей, IMU и спутниковой навигационной системой. Под квадрокоптером можно установить 2 камеры (например, тепловизионную и с зумом). Кроме того, установите камеру сверху на Matrice 200, что упростит съемку мостов. Matrice 200 предоствращает столкновения с 6 направлений благодаря ToF-лазеру, ультразвуковому датчику и датчику Vision.
Умные системы полета
• Наблюдаемая цель (профиль, прожектор, круг)
• Ориентир местности
• Режим отслеживания местности
• Режим штатива
• Режим жестов
• S-Mode (Спорт)
• P-режим (Позиционироание)
• A-Mode (Отношение)
• Режим новичка
• Course Lock
• Home Lock
• Облет препятствий
Дроны можно применять как угодно. Если вы устанавливаете камеру или датчики, такие как LiDAR, Thermal, ToF, Multispectral и многие другие, диапазон применения дронов расширяется. Здесь вы найдете список применения дронов.
Учимся собирать и программировать дроны
Лучшие видео о технологии БПЛА
Ниже я прикрепил 2 видео, в которых подробно рассказывается о технологии БПЛА. Первое видео от ведущего учёного-исследователя БПЛА Раффаэлло Д’Андреа, который потрясающе рассказывает о программном обеспечении технологии БПЛА с научной точки зрения. Он говорит об алгоритмах, теории управления и проектировании на основе моделей.
В видео ниже объясняется как настоящее, так и будущее науки и технологии, стоящих за военными БПЛА, такими как Predator и Reaper. Два военных дрона среднего размера, которые в настоящее время используются, — это MQ-1B Predator (с англ. хищник) и MQ-9 Reaper (с англ. жнец). Они широко использовались в Афганистане и Пакистане.
Лично я интересуюсь использованием технологий БПЛА в повседневной жизни в работе различных предприятий, профессионалов и любителей. Еще несколько лет назад большая часть технологий военных БПЛА перешла на потребительский и бизнес рынок.
В последние несколько лет мы наблюдаем огромные инвестиции в БПЛА, особенно в сфере бизнеса и потребительских БПЛА. За последние время технология БПЛА действительно стремительно развивалась.
«Новое и перспективное направление»
«Необходимо удешевлять средства защиты от беспилотников. Стрелять по ним зенитными ракетам стоимостью в десятки тысяч долларов — слишком затратное занятие. Да, в России сегодня разрабатываются дешёвые ракеты, но лучше всего применять иные средства, не требующие больших расходов», — рассуждает Шурыгин.
В разговоре с RT главный редактор специализированного издания «Беспилотная авиация» Денис Федутинов заявил, что ROSC-1 нацелен на защиту от атак дронов-камикадзе и недорогих аппаратов, которые оснащаются взрывчатыми веществами. По его словам, в мире появился новый класс угроз, который потребовал сочетания на одной платформе различных способов обнаружения и противодействия.
Также по теме
«Никто на них не покушается»: как Польша намерена охранять восточные границы НАТО c помощью турецких беспилотников
«Разработка предприятия концерна «Алмаз-Антей» как раз относится к такого рода комплексным решениям. Система (ROSC-1. — RT) повышает эффективность противодействия беспилотным летательным аппаратам малого класса», — сказал Федутинов.
Аналогичной точки зрения придерживается директор музея ПВО в Балашихе Юрий Кнутов. В беседе с RT эксперт выразил мнение, что специалисты «Алмаза» создали комплекс, который позволяет обнаруживать дроны, практически не отражающие радиолокационные волны. При реализации проекта ROSC-1 не последнюю роль, как считает аналитик, сыграл опыт сирийской кампании.
«Перехваченные дроны сирийских боевиков были тщательно изучены военными и представителями оборонной промышленности. Прежде всего опыт защиты авиабазы Хмеймим от нападения БПЛА террористов показал необходимость использования разных каналов обнаружения и широкого применения средств радиоэлектронной борьбы, что, собственно, и учтено в разработке «Алмаза», — отметил Кнутов.
Также эксперт высоко оценил возможности «Волка-18». По его мнению, беспилотник-перехватчик не является основным средством противодействия дронам противника, но эффективен, когда требуется осмотреть или обезвредить цель, особенно одиночную.
«Такой антидрон — это новое и перспективное направление развития инженерной мысли. В определённых обстоятельствах он эффективен против барражирующих боеприпасов и разведывательных аппаратов. Принятие на вооружение ROSC-1 должно увеличить возможности России по защите от БПЛА», — подытожил Кнутов.
БЕСПИЛОТНЫЕ ЛЕТАТЕЛЬНЫЕ АППАРАТЫ
В последние годы появилось большое количество публикаций по использованию для решения топографических задач беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), или беспилотных авиационных систем (БАС). Такой интерес в немалой степени вызван простотой их эксплуатации, экономичностью, относительно невысокой стоимостью, оперативностью и т.д. Перечисленные качества и наличие эффективных программных средств автоматической обработки материалов аэрофотосъемки (включая выбор необходимых точек) открывают возможности широкого использования программно-технических средств беспилотной авиации в практике инженерно-геодезических изысканий.
В этом номере обзором технических средств беспилотной авиации мы открываем серию публикаций о возможностях БПЛА и опыте их использования при полевых и камеральных работах.
Д.П. ИНОЗЕМЦЕВ,руководитель проекта ООО«ПЛАЗ»,г. Санкт-Петербург
БЕСПИЛОТНЫЕ ЛЕТАТЕЛЬНЫЕ АППАРАТЫ: ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
Часть 1. Обзор технических средств
многократного использования, а созданная на его основе радиоуправляемая мишень использовалась в королевском флоте Великобритании до 1943 года.
На несколько десятков лет опередили свое время исследования немецких ученых, давших миру в 1940-х годах реактивный двигатель и крылатую ракету «Фау-1» как первый применявшийся в реальных боевых действиях беспилотный летательный аппарат.
В СССР в 1930–1940 годы авиаконструктором Никитиным был разработан торпедоносец-планер типа «летающее крыло», а к началу 40-х был подготовлен проект беспилотной летающей торпеды с дальностью полета от 100 километров и выше, однако в реальные конструкции эти разработки не превратились.
После окончания Великой Отечественной войны интерес к БПЛА существенно возрос, а начиная с 1960-х годов отмечается их широкое внедрение для решения задач невоенного характера.
1.1849 год–начало ХХ века — попытки и экспериментальные опыты по созданию БПЛА, формирование теоретических основ аэродинамики, теории полета и расчета самолета в работах ученых.
2.Начало ХХ века — 1945 год — разработка БПЛА военного назначения (самолетов-снарядов с небольшой дальностью и продолжительностью полета).
3.1945–1960 годы — период расширения классификации БПЛА по назначению и создание их преимущественно для разведывательных операций.
4.1960 годы — наши дни — расширение классификации и усовершенствование БПЛА, начало массового использования для решения задач невоенного характера.
Общеизвестно, что аэрофотосъемка, как вид дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), — это наиболее производительный метод сбора пространственной информации, основа для создания топографических планов и карт, создания трехмерных моделей рельефа и местности. Аэрофотосъемка выполняется как с пилотируемых летательных аппаратов — самолетов, дирижаблей мотодельтапланов и аэростатов, так и с беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).
Беспилотные летательные аппараты, как и пилотируемые, бывают самолетного, а также вертолетного типа (вертолеты и мультикоптеры — летательные аппараты с четырьмя и более роторами с несущими винтами). В настоящее время в России не существует общепринятой классификации БПЛА самолетного типа. Missiles.
Микро- и мини-БПЛА ближнего радиуса действия. Класс миниатюрных сверхлегких и легких аппаратов и комплексов на их основе с взлетной массой до 5 килограммов начал появляться в России относительно недавно, но уже довольно
широко представлен. Такие БПЛА предназначены для индивидуального оперативного использования на коротких дальностях на удалении до 25–40 километров. Они просты в эксплуатации и транспортировке, вы полняются складными и позиционируются как «носимые», запуск осуществляется, с помощью катапульты или с руки. Сюда относятся : Geoscan 101, Geoscan 201, 101ZALA 421-11, ZALA 421-08, ZALA 421-12, Т23 «Элерон», Т25, «Элерон-3», «Гамаюн-3», «Иркут-2М», «Истра-10»,
«БРАТ», «Локон», «Инспектор 101», «Инспектор 201», «Инспектор 301» и др.
Легкие БПЛА малого радиусадействия. К этому классу относятся несколько более крупные аппараты — взлетной массой от 5 до 50 килограммов. Дальность их действия — в пределах 10–120 километров.
Среди них: Geoscan 300, «ГрАНТ», ZALA 421-04, Орлан-10, ПтероСМ, ПтероЕ5, Т10, «Эле рон-10», «Гамаюн-10», «Иркут-10»,
Т92 «Лотос», Т90 (Т90-11), Т21, Т24, «Типчак» БПЛА-05, БПЛА-07, БПЛА-08.
Легкие БПЛА среднего радиуса действия. Ряд отечественных образцов можно отнести к этому классу БПЛА. Их масса варьируется в пределах 50–100 килограммов. К ним относится: Т92М «Чибис», ZALA 421-09,
«Дозор-2», «Дозор-4», «Пчела-1Т».
Средние БПЛА. Взлетная масса средних БПЛА лежит в диапазоне от 100 до 300 килограммов. Они предназначены для применения на дальностях 150–1000 километров. В этом классе: М850 «Астра», «Бином», Ла-225 «Комар», Т04, Е22М «Берта», «Беркут», «Иркут-200».
Среднетяжелые БПЛА. Этот класс имеют схожую с БПЛА предыдущего класса дальность применения, но обладают несколько большей взлетной массой — от 300 до 500 килограммов.
К этому классу следует отнести: «Колибри», «Данэм», «Дань-Барук», «Аист» («Юлия»), «Дозор-3».
Тяжелые БПЛА среднего радиуса действия. Данный класс включает БПЛА полетной массой от 500 и более килограммов, предназначены для применения на средних дальностях 70–300 километров. В классе тяжлых следующие: Ту-243 «Рейс-Д», Ту-300, «Иркут-850», «Нарт» (А-03).
Тяжелые БПЛА большой продолжительности полета. Достаточно востребованная за рубежом категория беспилотных аппаратов, к которой относятся американские БПЛА Predator, Reaper, GlobalHawk, израильские Heron, Heron TP. В России образцы практически отсутствуют: «Зонд-3M», «Зонд-2», «Зонд-1», беспилотные авиационные системы Сухого («БасС»), в рамках которой создается роботизированный авиационный комплекс (РАК).
Беспилотные боевые самолеты (ББС). В настоящее время в мире активно ведутся работы по созданию перспективных БПЛА, имеющих возможность нести на борту оружие и предназначенных для ударов по наземным и надводным стационарным и подвижным целям в условиях сильного противодействия сил ПВО противника. Они характеризуются дальностью действия около 1500 километров и массой от 1500 килограммов.
На практике для аэрофотосъемки, как правило, применяются БПЛА весом до 10–15 килограммов (микро-, мини-БПЛА и легкие БПЛА). Это связано с тем, что при увеличении взлетного веса БПЛА растет сложность его разработки и, cоответственно, стоимость, но снижается надежность и безопасность эксплуатации. Дело в том, что при посадке БПЛА выделяется энергия E = mv2 / 2, а чем больше масса аппарата m, тем больше его посадочная скорость v, то есть выделяемая при посадке энергия очень быстро растет с ростом массы. А эта энергия может повредить как сам БПЛА, так и находящееся на земле имущество.
Беспилотный вертолет и мультикоптер лишены этого недостатка. Теоретически, такой аппарат можно посадить со сколь угодно малой скоростью сближения с Землей. Однако беспилотные вертолеты слишком дороги, а коптеры пока не способны летать на большие расстояния, и применяются только для съемки локальных объектов (отдельных зданий и сооружений).
Превосходством БПЛА перед пилотируемыми воздушными судами является, прежде всего, стоимость производства работ, а также значительное уменьшение количества регламентных операций. Само отсутствие человека на борту самолета значительно упрощает подготовительные мероприятия для проведения аэрофотосъемочных работ.
Во-первых, не нужен аэродром, даже самый примитивный. Беспилотные летательные аппараты запускаются или с руки, или с помощью специального взлетного устройства — катапульты.
Во-вторых, особенно при использовании электрической двигательной схемы, отсутствует необходимость в квалифицированной технической помощи для обслуживания летательного аппарата, не так сложны мероприятия по обеспечению безопасности на объекте работ.
В-третьих, отсутствует или намного увеличен межрегламентный период эксплуатации БПЛА по сравнению с пилотируемым воздушным судном.
Данное обстоятельство имеет большое значение при эксплуатации аэрофотосъемочного комплекса в удаленных районах нашей страны. Как правило, полевой сезон аэрофотосъемочных работ короток, каждый погожий день необходимо использовать для производства съемки.
две основные схемы компоновки БПЛА: классическая (по схеме «фюзеляж+крылья+хвост»), к которой относится, например БПЛА «Орлан-10», Mavinci SIRIUS (рис. 1) и др., и «летающее крыло», к которой относятся Geoscan101 (рис. 2), Gatewing X100, Trimble UX5 и др.
Основными частями беспилотного аэрофотосъемочного комплекса являются: корпус, двигатель, бортовая система управления (автопилот), наземная система управления (НСУ) и аэрофотосъемочное оборудование.
Корпус БПЛА изготавливают излегкого пластика (например, углепластика или кевлара), чтобы защитить дорогостоящую фотоаппаратуру и средства управления и навигации, а его крылья — из пластика или экструдированного пенополистирола (EPP). Этот материал легок, достаточно прочен и не ломается при ударе. Деформированную деталь из ЕРР зачастую можно восстановить подручными средствами.
Легкий БПЛА с посадкой на парашюте может выдержать несколько сотен полетов без ремонта, который, как правило, включает замену крыльев, элементов фюзеляжа и др. Производители стараются удешевить части корпуса, подверженные износу, чтобы расходы пользователя на поддержа-БПЛА в рабочем состоянии были минимальными.
Надо отметить, что наиболее дорогостоящие элементы аэрофотосъемочного комплекса, наземная система управления, авионика, программное обеспечение, — вообще не подвержены износу.
Силовая установка БПЛА можетбыть бензиновой или электрической. Причем, бензиновый двигатель обеспечит намного более продолжительный полет, так как в бензине, в расчете на килограмм, запасено в 10–15 раз больше энергии, чем мож-но сохранить в самом лучшем аккумуляторе. Однако такая силовая установка сложна, менее надежна и требует значительного времени для подготовки БПЛА к старту. Кроме того, беспилотный летательный аппарат с бензиновым двигателем крайне сложно перевозить к месту работ на самолете. Наконец, он требует от оператора высокой квалификации. Поэтому бензиновый БПЛА имеет смысл применять только в тех случаях, когда необходима очень большая продолжительность полета — для непрерывного мониторинга, для обследования особо удаленных объектов.
Электрическая двигательная установка, напротив, очень нетребовательна к уровню квалификации обслу-живающего персонала. Современные аккумуляторные батареи могут обеспечить длительность непрерывного полета свыше четырех часов. Обслуживание электрического двигателя совсем несложно. Преимущественно это только защита от влаги и грязи, а также проверка напряжения бортовой сети, что осуществляется с наземной системы управления. Зарядка аккумуляторов производится от бортовой сети сопровождающего автомобиля или от автономного электрогенератора. Бесколлекторный электрический двигатель БПЛА практически не изнашивается.
Автопилот —с инерциальной системой (рис. 3) — наиболее важный элемент управления БПЛА.
Автопилот весит всего 20–30 граммов. Но это очень сложное изделие. В автопилоте, кроме мощного процессора, установлено множество датчиков — трехосевые гироскоп и акселерометр (а иногда и магнитометр), ГЛО-НАСС/GPS-приемник, датчик давления, датчик воздушной скорости. С этими приборами беспилотный летательный аппарат сможет летать строго по заданному курсу.
В БПЛА имеется радиомодем, необходимый для загрузки полетного задания, передачи в наземную систему управления телеметрических данных о полете и текущем местоположении на участке работ.
Наземная система управления
(НСУ) —это планшетный компьютерили ноутбук, оснащенный модемом для связи с БПЛА. Важная часть НСУ — программное обеспечение для планирования полетного задания и отображения хода его выполнения.
Как правило, полетное задание составляется автоматически, по заданному контуру площадного объекта или узловым точкам линейного объекта. Кроме того, существует возможность проектирования полетных маршрутов, исходя из необходимой высоты полета и требуемого разрешения фотоснимков на местности. Для автоматического выдерживания заданной высоты полета есть возможность учесть в полетном задании цифровую модель местности в распространенных форматах.
Во время полета на картографической подложке монитора НСУ отображается положение БПЛА и контуры снимаемых фотографий. Оператор имеет возможность во время выполнения полета оперативно перенацелить БПЛА на другой район посадки и даже оперативно посадить беспилотник с «красной» кнопки наземной системы управления. По команде с НСУ могут быть запланированы и другие вспомогательные операции, например — выброс парашюта.
Кроме обеспечения навигации и обеспечения полета автопилот должен управлять фотоаппаратом, чтобы получать снимки с заданным межкадровым интервалом (как только БПЛА пролетит нужное расстояние от предыдущего центра фотографирования). Если заранее рассчитанный межкадровый интервал не выдерживается стабильно, приходится настраивать время срабатывания затвора с таким расчетом, чтобы даже при попутном ветре продольное перекрытие было достаточным.
Автопилот должен регистрировать координаты центров фотографирования геодезического спутникового приемника ГЛОНАСС/GPS, чтобы программа автоматической обработки снимков смогла построить модель быстро и привязать ее к местности. Требуемая точность определения координат центров фотографирования зависит от технического задания к выполнению аэрофотосъемочных работ.
Аэрофотосъемочное оборудование на БПЛА устанавливается в зависимости от его класса и цели использования.
На микро- и мини-БПЛА устанавливаются компактные цифровые фотокамеры, комплектуемые сменными объективами с постоянным фокусным расстоянием (без трансфокатора или zoom-устройства) весом 300–500 граммов. В качестве таких камер в настоящее время используются фотоаппараты SONY NEX-7
с матрицей 24,3 МП, CANON600D матрицей 18,5 МП и подобные им. Управление срабатыванием затвора и передача сигнала от затвора в спутниковый приемник производится с помощью штатных или незначительно доработанных электрических разъемов фотоаппарата.
На легкие БПЛА малого радиуса действия устанавливаются зеркальные фотокамеры с большим размером светочувствительного элемента, например CanonEOS5D(размер сенсора 36×24 мм) , NikonD800 (матрица 36,8 МП (размер сенсора 35,9×24 мм)), Pentax645D(CCD-сенсор 44×33 мм, матрица 40 МП) и им подобные, весом 1,0–1,5 килограмма.
Рис. 4. Схема размещения аэроснимков (голубые прямоугольники с подписями номеров)
Согласно требованиям документа «Основные положения по аэрофотосъемке, выполняемой для создания и обновления топографических карт и планов» ГКИНП-09-32-80 носитель аэрофотосъемочной аппаратуры должен предельно точно следовать проектному положению маршрутов аэрофотосъемки, выдерживать заданный эшелон (высоту фотографирования), обеспечивать требования по соблюдению предельных отклонений по углам ориентирования фотокамеры — наклон, крен, тангаж. Кроме того, навигационная аппаратура должна обеспечивать точное время срабатывания фотозатвора и определять координаты центров фотографирования.
Выше указывалась аппаратура, интегрированная в автопилот: это микробарометр, датчик воздушной скорости, инерциальная система, навигационная спутниковая аппаратура. По проведен-ным испытаниям (в частности, БПЛА Geoscan101) были установлены следующие отклонения реальных параметров съемки от заданных:
• уклонения БПЛА от оси маршрута — в диапазоне 5–10 метров;
• уклонения высот фотографирования — в диапазоне 5–10 метров;
• колебание высот фотографирования смежных снимков — не более
Возникающие в полете «елочки» (развороты снимков в горизонтальной плоскости) обрабатываются автоматизированной системой фотограмметрической обработки без заметных негативных последствий.
Фотоаппаратура, устанавливаемая на БПЛА, позволяет получить цифровые изображения местности с разрешением лучше 3 сантиметров на один пиксель. Применение коротко-, средне-, и длиннофокусных фотообъективов определяется ха-рактером получаемых готовых мате-риалов: будь это модель рельефа или ортофотоплан. Все расчеты производятся так же, как и в «большой» аэрофотосъемке.
Применение двухчастотной ГЛО-НАСС/GPSспутниковой геодезической системы для определения координат центров снимков позволяет в процессе постобработки получить координаты центров фотографирования с точностью лучше 5 сантиметров, а применение метода PPP(PrecisePointPositioning) — позволяет определять координаты центров снимков без использования базовых станций или на значительном удалении от них.
Конечная обработка материалов аэрофотосъемки может служить объективным критерием оценки качества выполненной работы. Для иллюстрации можно рассмотреть данные об оценке точности фотограмметрической обработки материалов аэрофотосъемки с БПЛА, выполненной в ПО «PhotoScan» (производства фирмы Agisoſt, г. СанктПетербург) по контрольным точкам (табл. 2).
В мире, а в последнее время и в России, беспилотные летательные аппараты применяются в геодезических изысканиях при строительстве, для составления кадастровых планов промышленных объектов, транспортной инфраструктуры, поселков, дачных массивов, в маркшейдерском деле для определения объемов горных выработок и отвалов, при учете движения сыпучих грузов в карьерах, портах, горнообогатительных комбинатах, для создания карт, планов и 3D-моделей городов и предприятий.
Беспилотники применяются при мониторинге линий электропередач (определение зарастания, провисания проводов, деформации опор, повреждений изоляторов и проводов), трубопроводов (выявление врезок, незаконных построек, зарастания), дорог (выявление деформации насыпи, дефектов полотна), для мониторинга госграницы, особо охраняемых объектов, зон аэропортов (выявление изменений, выявление незаконных построек), акваторий портов и др.
Эти аппараты также применяются для обнаружения лесных пожаров, при ликвидации чрезвычайных ситуаций, отслеживании нарушителей ПДД, для проводки судов во льдах. Используют их и в потребительском секторе — для съемки спортивных соревнований, рекламных роликов, съемки для создания карт и 3D-моделей личных владений.
1. Павлушенко М., Евстафьев Г., Макаренко И. БПЛА: история, применение, угроза распространения и перспективы развития. М., «Права человека», 2005.
3. Цепляева Т.П., Морозова О.В. Этапы развития беспилотных летательных аппаратов. М., «Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии», № 42, 2009.
4. Сайт www.Missiles.ru.
5. Сайт www.mavinci.de.
6. Сайт www.geoscan.aero.
7. Сайт www.micropilot.com.
Что можно прикрепить к летательному аппарату
— Следующим компонентом беспилотной авиационной системы является полезная нагрузка. Помимо общепринятых фотокамер и видеокамер на беспилотник можно прикрепить практически всё, что поможет вам решить какую-то задачу. Например, это может быть воздушный лазерный сканер.
Еще одним важным компонентом системы — практически основным — является программное обеспечение. Беспилотник — по сути большой компьютер, которым управляет оператор. У аппарата есть пилот, просто он находится не на борту, и этому пилоту требуется специальная программа. С ее помощью можно настроить беспилотник, управлять им и запрограммировать автоматический полет.
Справка об Агентстве «Цифровая Россия»
Агентство «Цифровая Россия», которое организовал медиаресурс iot.ru – это сообщество экспертов и профессионалов, представляющих лучшие высокотехнологичные компании на рынке. Агентство предлагает заказчикам любого масштаба цифровые решения и продукты для оптимизации процессов и разработки новых бизнес-моделей. В практическом смысле это выражается в определении «цифровой» потребности клиента и интеграции наиболее подходящих решений.
Для кого работает Агентство?
Для всех, кому необходима цифровизация. Оборудовать дом умными счетчиками по сбору данных, установить датчики на производстве, оцифровать документооборот в компании, поставить умные остановки и умные фонари на улицах и многое другое – если перед вами стоит одна из подобных задач, то мы работаем для вас!
Все подробности и возможность оставить заявку — https://agency.iot.ru/
