luckyea77 (luckyea77) wrote,
luckyea77
luckyea77

Category:

Беспилотное будущее: как проектируют дроны и почему они падают



Двое научных сотрудников из Исследовательской группы по беспилотными летательным аппаратам Университета Иннополис Роман Федоренко и Дмитрий Девитт провели онлайн-лекцию из своей святая святых — гаража, где российские робототехники работают над различными видами автономных устройств: от летающих дронов до беспилотных автомобилей. Ученые рассказали о стадиях разработки дрона, летательных тестах и уникальных кейсах применения БПЛА в условиях чрезвычайных ситуаций. «Хайтек» записал лекцию Университета Иннополис и ЦСК «Смена», посвященную трендам робототехники, разработкам, которые сейчас являются state of the art, и тонкостям проектирования дронов.

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

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

Все выходят из гаража

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

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

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



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

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

От китайских фонариков к беспилотникам

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

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



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

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

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

«Выгулять, так сказать, песика!»

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

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

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

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



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

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

Главные тренды в разработке дронов

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

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

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



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

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

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

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

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



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

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

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

Tags: дрон
Subscribe

Posts from This Journal “дрон” Tag

promo luckyea77 июнь 19, 23:05 11
Buy for 10 tokens
Часть 1 Часть 2 Часть 3 Часть 4 Часть 5 Март 2018 года Индустриализация стала основным инструментом достижения экономического богатства стран, начиная с появления прядильных машин в конце XVIII века; при смене технологических укладов менялись местами мировые промышленные лидеры. Какой…
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 3 comments