Дроны: какие бывают и как работают. Управление беспилотником (бпла) или "геймеры на войне"

Дата: 24.09.2019

Дрон среди ясного неба

Развитие беспилотной авиации в России находится на подъеме. Проанализировав опыт стран НАТО и привнеся в него свои ноу-хау, в Минобороны сумели добиться того, что опыт и тактику использования беспилотников теперь начали перенимать у нас. В России подготовкой специалистов и изучением теории и практики применения БПЛА занимается Государственный центр беспилотной авиации Минобороны России. Корреспондент «МК» пообщался с курсантами и преподавателями расположенного под Коломной центра.

Совершенствованию применения беспилотной авиации в Минобороны России уделяется пристальное внимание. Можно констатировать факт, что в этой области сделан существенный скачок. Если в 2011 году в Вооруженных силах было 180 беспилотных систем, то на конец 2015 года их стало почти в 10 раз больше. Кроме того, опыт выполнения боевых задач в Сирии показал, что они незаменимы в ходе боевых действий. На сегодня роты беспилотной авиации созданы в каждом военном округе, а уже к концу этого года будет сформировано аналогичное подразделение на Северном флоте. В Государственном центре беспилотной авиации готовят операторов дронов, изучают перспективные образцы техники и даже занимаются теорией применения БПЛА.

Жесткий отбор

Сейчас, с увеличением задач, которые выполняют беспилотники, очень остро стоит вопрос о подготовке грамотных операторов, знающих свои машины, что называется, от «а» до «я». Это и призван осуществлять центр. Кроме того, он выполняет задачи по воздушной разведке, ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, проведению войсковых испытаний комплексов с беспилотными летательными аппаратами до их принятия на вооружение, а также проводит научные исследования. В прошлом году центр подготовил более 1100 специалистов по применению комплексов с беспилотными летательными аппаратами. В ближайшей перспективе планируется оснащение центра автоматизированной информационно-обучающей системой и создание филиалов в военных округах. Вскоре помимо военнослужащих Минобороны за парты сядут специалисты из других ведомств - МВД, ФСБ, МЧС.

Учатся в Коломне только контрактники, имеющие образование не ниже среднего специального. Для того чтобы получить направление в центр, военнослужащий сначала проходит ряд квалификационных испытаний у себя в части. В начале учебы курсанты проходят курс теоретической подготовки, сдают зачеты, получают навыки управления БПЛА на тренажерах и после получения необходимых допусков уже приступают к практике.

Как рассказал «МК» начальник центра Валерий Фролов, сдают экзамены далеко не все: около 10–15 процентов курсантов отсеиваются уже в первые недели обучения.

Отбор жесткий: одна «двойка» на экзаменах - и права пересдачи уже нет, военнослужащий отправляется в ту часть, откуда прибыл.

Курс подготовки зависит от того, на какой тип беспилотников обучаются курсанты. Если это комплексы малой дальности и ближнего действия, типа беспилотников «Гранат» от первой до четвертой модификации, «Элерон», «Застава» и др., то учеба длится 2,5 месяца; на комплексы среднего действия, типа БПЛА «Форпост», учатся около четырех месяцев.

После окончания учебы военнослужащие отправляются в свои воинские части.

Лейтенант морской пехоты Александр Житенев рассказывает: для того чтобы попасть на учебу в центр, нужно пройти серьезный отбор в частях.

Операторы будущего

На площадке перед плацем стоят беспилотники, на которых сейчас обучаются курсанты. Вот линейка БПЛА «Гранат». Самый миниатюрный из них - «Гранат-1». Он собирается за пять минут, запускается с руки и может вести разведку на дальности до 15 км. Комплекс «Гранат-2» - уже побольше. Он может вести наблюдение на дальностях более 20 км. Оснащается как фото-, так и видеокамерой. Дальность «Граната-3» - более 40 километров, а комплекс «Гранат-4» может работать уже на дальностях более 100 км. Этот аппарат может использовать и тепловизор.

Чуть подальше стоят уже «большие» БПЛА - к примеру, комплекс «Орлан-10». Этот аппарат работает на дальности до 150 км. Предназначен для ведения разведки с фото- и видеофиксацией. Оснащен инфракрасной камерой и УКВ-пеленгаторами. Высота его полета - до 5 тысяч метров. Может выдавать корректировки и передавать данные в режиме реального времени на командный пункт. Способен находиться в воздухе до 10 часов.

В учебных классах кипит работа. Возле мониторов сидят курсанты центра, а в середине класса - инструктор, который следит за выполнением поставленных задач.

При достижении высоты 100 - выпуск парашюта, - дает вводную инструктор. - На посадке ветер 120.

Принял, - отвечает курсант. - К посадке готов.

Лейтенант морской пехоты Александр Житенев обучается в центре уже давно. Он рассказывает, что его направили на учебу из части, которая находится неподалеку от озера Байкал. Сам он оканчивал Рязанское автомобильное училище и отправился по распределению в Центральный военный округ, однако, узнав о наборе в центр, решил сменить квалификацию и стать оператором БПЛА. Сейчас он осваивает «Орлан-10».

В войсках операторы беспилотников очень востребованы, - объясняет свой выбор офицер. - Вот решил переквалифицироваться. На самом деле у меня все родственники - военные летчики, я сам пытался поступить в авиационное училище, но не прошел по здоровью. Сейчас мне, можно сказать, предоставился второй шанс попасть в авиацию.

Александр говорит, что хотя учеба и непростая, но пока никаких замечаний у него не было.

После окончания учебы вернусь обратно к себе в часть, на Байкал, - делится планами офицер. - Большинство моих сослуживцев хотят понимать, что такое беспилотник, знать о них побольше. Это тоже побудило пойти в операторы дронов. Сейчас целое поколение новых машин появляется - считай, что я одним из первых освою эту профессию…

Житенев рассказывает: для того, чтобы попасть на учебу в центр, нужно пройти серьезный отбор в частях. Просто так, для «галочки», сюда учиться не отправляют. Кроме того, в центре тоже обучение идет в три этапа. Сначала проверяют знание компьютеров, профпригодность, а уже потом начинается изучение азов профессии.

В сухопутных подразделениях используют легкие беспилотники, поэтому я изучаю здесь их тактико-технические характеристики, - рассказывает Александр. - В дальнейшем я хочу освоить всю линейку беспилотной авиации, изучить в том числе и тяжелые дроны. Это очень интересно и перспективно.

В классах курсанты изучают топографию, тактико-специальную подготовку, связь; кроме этого, оператор БПЛА должен быть уверенным пользователем компьютера. Большое внимание уделяется технической составляющей дрона. Изучается работа всех типов двигателей - и бензиновых, и электрических.

В идеале оператор дрона должен знать свою машину, что называется, до винтика, - говорит офицер. - Он должен уметь устранить в ней мелкие неполадки. В принципе ничего сложного здесь нет.

Наверстать упущенное

На полигонах отрабатывается на практике то, что зазубривалось в классах. Курсанты под присмотром инструкторов самостоятельно запускают дроны в небо и выполняют учебные задачи. Причем непогода на практические занятия никак не влияет. Беспилотники поднимаются и в снегопад, и в дождь.

Действительно, сейчас нет отбоя от желающих направиться на учебу в центр. Здесь самая современная учебная база и опытные наставники. Для обмена опытом в центр приезжают даже из летных училищ. Помимо непосредственно обучения курсантов специалисты центра ведут разработку программных и уставных документов по применению комплексов с беспилотными летательными аппаратами и использованию воздушного пространства БПЛА. Причем российская тактика применения БПЛА признается сейчас лучшей в мире. Здесь огромная заслуга руководства центра, которое сумело почти с нуля создать уникальный объект, способный подготовить специалистов мирового уровня.

Конечно, отставание у России по созданию боевых дронов пока существует. Если в Советском Союзе это направление считалось одним из приоритетных, и мы были одними из лидеров, то в 90-е годы отрасль провалилась в яму, которая длилась около 20 лет. Сейчас промышленность активно наверстывает упущенное.

Появились перспективные тяжелые БПЛА, способные нести ударное вооружение, разрабатываются дроны вертолетного типа. Они не уступают передовым образцам иностранных государств по дальности и продолжительности полета, эффективности ведения воздушной разведки, выполнению специальных задач. Все эти машины в обязательном порядке будут проходить испытания в центре.

Что такое беспилотный летательный аппарат и как работают дроны? Ответы на эти вопросы вы найдете в данной статье.

Сразу стоит сказать, что дроны постоянно эволюционируют: новые технологии и инвестиции в этот сегмент приводят к тому, что каждый месяц появляются продвинутые модели.

Технология БПЛА охватывает все: от аэродинамики аппарата и материалов для его изготовления до печатных плат, микросхем, программного обеспечения, которые в совокупности составляют мозг беспилотника.

Одной из самых популярных моделей на рынке является DJI Phantom 3. Этот дрон пользуется спросом среди людей, занимающихся воздушной съемкой. Несмотря на то, что сегодня он слегка устарел, в нем используется множество передовых технологий, присутствующих и в самых свежих моделях БПЛА. Этот аппарат идеально подходит в качества образца для объяснения как работает данный класс устройств.

Сейчас на рынке появились новые высокотехнологичные дроны, такие как и Inspire 2. Темп развития технологии просто поражает.

Как работают БПЛА

Типичный беспилотный летательный аппарат изготовлен из легких композитных материалов: это способствует снижению веса корпуса и увеличению маневренности устройства. Свойства таких материалов позволяют военным дронам совершать полеты на чрезвычайно больших высотах.

Дроны оснащаются различными технологиями, такими как инфракрасные камеры, GPS и лазеры (в большей мере, это относится именно к военным образцам). Беспилотники могут быть управляемы дистанционной системой, которую иногда еще называют наземной кабиной. То есть можно говорить, что БПЛА состоит из 2-х частей: самого дрона и его системы управления.

« Нос» беспилотника – это то место, где расположены его датчики и навигационная система. Все остальное размещается в «теле» устройства. Композитный материал, из которого изготавливаются аппараты, помимо своей легкости еще и способен поглощать вибрацию.

Типы и размеры дронов

БПЛА бывают самых разных размеров, причем самые большие из них используются чаще всего в военных целях, например, Predator. Следом за ними идут средние беспилотники с фиксированными крыльями, которым для взлета требуется небольшая взлетно-посадочная полоса. Такие модели используются для охвата обширных территорий, например, для географической съемки или борьбы с браконьерами.

Еще меньше по размерам модели, называемые VTOL дроны. Большинство из них – это квадрокоптеры. Эти беспилотники способны взлетать и приземляться вертикально. Аббревиатура VTOL означает «вертикальный взлет и посадка». К примеру, такой маленький дрон как DJI Spark вовсе можно запускать с ладони.

Определение местоположения и возвращение домой

Многие из последних БПЛА оснащены двумя глобальными навигационными системами (GNSS), включающими в себя GPS и ГЛОНАСС. Дроны могут совершать полеты как используя GNSS, так и без помощи спутников. Например, устройства DJI могут летать в режиме P-Mode (GPS и GLONASS) или ATTI, который не использует спутниковую навигацию.

Высокоточная навигация очень важна для дронов занимающихся картографической съёмкой, а также для беспилотников, выполняющих поисково-спасательные миссии.

При первом включении квадрокоптера происходит поиск и обнаружение спутников GNSS. Система GNSS использует технологию Satellite Constellation (спутниковая группировка). Принцип ее работы заключается в координации и синхронизации всех спутников, что позволяет ей охватывать всю зону покрытия, не оставляя «слепых пятен».

Радиолокационная технология БПЛА при включении устройства отобразит на пульте дистанционного управления (ПДУ) следующую информацию:

Сигнал об обнаружении достаточного количества спутников GNSS и готовность к полету.
Текущую позицию дрона относительно пилота.
Запись исходной точки для функции «Возращение домой».

Большинство современных беспилотных летательных аппаратов имеют три типа этой функции:

«Возвращение домой» по приказу пилота, нажавшего соответствующую кнопку на ПДУ или в приложении.
Низкий уровень заряда батареи, который приводит к автоматическому возврату дрона.
Потеря сигнала между БПЛА и ПДУ: в этом случае устройство также возвращается на исходную позицию.

Например, дрон при использовании опции RTH (Return to Home) будет обнаруживать все препятствия на обратном пути и активно их избегать. В условиях недостаточного освещения функция RTH будет работать так:

При обнаружении препятствия беспилотник замедляется.
Он останавливается и начинает парить из стороны в сторону и вверх-вниз до тех пор, пока не найдет способ обойти препятствие.
Затем БПЛА возвращается на исходную позицию.

Гиростабилизация, IMU и контроллер полета

Технология гиростабилизации позволяет дронам летать плавно и без рывков. Гироскоп должен работать молниеносно, чтобы обеспечивать стабильный полет устройства. Кроме того, он предоставляет всю необходимую навигационную информацию пилоту, т.е. вам.

Инерциальный измерительный блок (IMU) служит для отслеживания текущего ускорения устройства, используя для этого сочетание нескольких акселерометров. Некоторые блоки IMU включают в себя еще и магнитометр, служащий для дополнительной стабилизации аппарата.

Гироскоп является составной частью IMU, а тот в свою очередь – важный компонент контрольно-измерительной системы БПЛА. Контроллер полета (Flight Controller) – это, по сути, центральный мозг беспилотника.

Двигатель дрона и конструкция пропеллеров

Благодаря своим двигателям и пропеллерам дроны способны летать в любых направлениях. На квадрокоптерах они работают парами: 2 двигателя и 2 пропеллера, вращающихся по часовой стрелке (CW Propellers) и пара двигателей с пропеллерами, вращающимися против часовой стрелки (CCW Propellers).

Они получают данные от контроллера полета и электронных регуляторов скорости (ESC) и в соответствии с ними заставляют дрон парить на одном месте либо лететь в нужном направлении.

Параметры полета на экране в режиме реального времени

Следить за телеметрией полета и наблюдать за всем тем, что видит дрон можно с помощью ПДУ или смартфона.

Технология «No Fly Zone»

Чтобы повысить безопасность и предотвратить полеты в запретных зонах, последние беспилотные аппараты от DJI и других производителей включают в себя функцию «No Fly Zone».

Эти запретные зоны подразделяются на две категории: А и В. Производитель с помощью обновления прошивки может изменять и корректировать размер и местоположение этих зон.

Подготовка к полету

После включения устройства происходит поиск спутников GPS. Когда дрон обнаружит как минимум 6 спутников, то на экране пульта управления появится надпись «Готов к полету».

Внутренний компас и функция Failsafe

Позволяет БПЛА и системе дистанционного управления точно обнаруживать свое текущее местоположение. Калибровка компаса необходима для установки точки возвращения. После того как данная точка будет установлена, в случае потери сигнала между дроном и системой дистанционного управления, БПЛА вернется «домой». Эта функция известна под названием Failsafe.

Технология трансляции видео от первого лица

FPV расшифровывается как « First Person View » и означает наличие камеры, которая устанавливается на беспилотнике, а затем транслирует видео в режиме реального времени на принимающее устройство пилота на земле. То есть, человек, управляющий дроном, может почти буквально «видеть его глазами», а не просто наблюдать за БПЛА с земли.

Данная функция также позволяет более точно управлять дроном, особенно, когда дело касается ухода от столкновения с препятствиями. С ее помощью очень удобно управлять дроном, летающим в закрытом помещении, а также в тех случаях, когда наблюдение с земли за БПЛА по ряду причин просто невозможно (например, вы отправили дрон в лес или в горы).

Исключительно быстрый рост и развитие гоночных соревнований дронов не был бы возможен без FPV технологии.

Такие «гоночные» дроны оснащены встроенным многодиапазонным беспроводным передатчиком FPV. В зависимости от типа беспилотника принимать транслируемое видео может как ПДУ, так и компьютер, планшет или смартфон.

Разумеется, передача видео в режиме реального времени напрямую зависит от силы сигнала между ПДУ и дроном. Новейшие беспилотники, такие как DJI Mavic и Phantom 4 Pro могут транслировать «живое видео» на расстоянии до 7 км. Phantom 4 Pro и Inspire 2 используют новейшую систему передачи DJI Lightbridge 2 .

Дроны, такие как DJI Mavic Pro, используют интегрированные контроллеры и интеллектуальные алгоритмы для установки нового стандарта беспроводной передачи изображений высокого разрешения путем снижения задержки и увеличения максимального диапазона связи.

FPV для сетей 4G / LTE

В 2016 году появилась новая технология, позволяющая передавать видео в режиме реального времени с минимальной задержкой с помощью 4G. Технология получила название Sky Drone FPV 2.Она включает в себя установку на дрон камеры, модуля данных и 4G модема.

Прошивка и порт для обновлений

Обновить систему управления полетом практически любого нового дрона можно с помощью ПК, используя USB-кабель.

БПЛА можно описать как летающий компьютер, с установленной на нем камерой и разными датчиками. Как и у любого компьютера, у дронов имеется прошивка – программное обеспечение, отвечающее за работу беспилотника и его управление.

Производители БПЛА выпускают обновления для исправления ошибок и добавления новых функций устройства.

Светодиодные индикаторы полета

Он расположены на передней и задней частях беспилотного летательного аппарата. Передние светодиоды обозначают «нос» устройства. Задние же загораются тогда, когда разряжен аккумулятор устройства, чтобы его владелец сразу это заметил.

Система дистанционного управления БПЛА

Представляет собой устройство беспроводной связи, использующее частоту 5,8 ГГц. Дрон и ПДУ должны быть сопряжены по умолчанию, что называется «из коробки». В эту систему входит приемник, встроенный в ПДУ и ряд других элементов, о которых ниже.

Расширитель диапазона частот БПЛА

Это тоже устройство беспроводной связи, которое работает на частоте 2,4 ГГц. Оно используется для расширения диапазона связи между смартфоном или планшетом и дроном на открытых пространствах.

Дальность передачи может достигать 700 м. Каждый такой расширитель имеет уникальный MAC-адрес и сетевое имя (SSID).

Как упоминалось выше, некоторые модели могут летать на расстоянии до 7 км, при этом транслируя видео. Это хорошая реклама расширителей диапазона – поэтому они пользуются большой популярностью среди пользователей.

Приложения для смартфонов, превращающие их в наземные станции

Большинство современных дронов могут управляться как с ПДУ, так и со смартфона с помощью специального приложения. Такие приложения полностью заменяют пульт дистанционного управления, скачать их можно из Google Play или Apple Store. У каждого производителя имеется свое фирменное приложение, например, Go 4 от DJI.

Высокопроизводительная камера

В новейших беспилотных аппаратах от DJI, Walkera, Yuneec и других производителей установлены камеры, которые могут снимать видео в формате 4К, а также делать 12-ти мегапиксельные снимки.

Многие старые модели БПЛА использовали камеры, не совсем пригодные для аэрофотосъёмки. Из-за широкоугольного объектива снимки часто имели искажения. В последних же моделях такой недостаток устранен.

Дроны с зум-объективом

В 2016 и 2017 годах на рынке появился ряд карданных подвесов с интегрированными камерами, поддерживающими функцию Zoom.

DJI выпустила Zenmuse Z3, которая является интегрированной камерой с воздушным зумом и оптимизирована для фотосъемки. Zenmuse Z3 имеет 7-кратный зум, состоящий из 3,5-кратного оптического и двумерного цифрового, с диапазоном фокусного расстояния от 22 до 77 мм, что делает ее идеальной для промышленного применения.

Затем в октябре 2016 года DJI выпустила камеру Zenmuse Z30. Zenmuse Z30 представляет собой интегрированную камеру с 30-кратным оптическим и 6-кратным цифровым зумом с полным увеличением до 180x. Это позволяет использовать ее в промышленности, например, для осмотра башен сотовой связи для получения подробной информации о состоянии проводов и конструкции в целом. Zenmuse совместим с диапазоном частот дронов DJI Matrice.

Walkera Voyager 4 поставляется с невероятной камерой с 18-ти кратным зумом. Данная камера имеет возможность вести съемку на все 360 градусов. Запись видео производится в формате 4K со скоростью 30 кадров в секунду.

Карданные подвесы

Технология карданных подвесов имеет огромное значение для качественной фото-, видеосъемки. Карданный подвес позволяет изолировать камеру от вибрации, исходящей от самого БПЛА. Кроме того, с его помощью камера может изменять углы обзора. Большинство 3-х осевых стабилизирующих карданов способны работать в двух съемочных режимах: обычном и FPV.

Практически все новые БПЛА оснащены такой системой. Лидером в этой области является DJI со своей линейкой Zenmuse.

Датчики БПЛА

Мультиспектральные, лидарные, фотограмметрические и тепловизионные датчики используются в беспилотных аппаратах для высокоточного картографирования и аэрофотосъемки. С их помощью можно получать цифровые карты высот (DEMS), а также данные о состоянии сельскохозяйственных культур, цветов, кустарников, деревьев и даже фауны.

В 2016 году на рынке появились дроны с Time-of-Flight, так называемыми «времяпролетными» датчиками, определяющие расстояние до объекта. Эти сенсоры могут быть использованы в различных целях: для сканирования объектов, внутренней навигации, предотвращения столкновении с препятствиями, 3D-съемки, в играх дополненной реальности и многих других областях.

Дрон может быть запрограммирован на полет над определенной областью с использованием автономной навигационной системы. Камера БПЛА будет делать снимки с интервалом 0,5 или 1 сек. Затем эти изображения «сшиваются» воедино с помощью специального ПО и в результате получается 3D-карта местности.

Компания DroneDeploy является одним из лидеров в создании программного обеспечения для 3D-картографии в сельском хозяйстве. Их последний продукт под названием Fieldscanner работает с большинством новейших беспилотных летательных аппаратов.

Технология обнаружения препятствий и предотвращения столкновений

Современные беспилотники практически всегда оснащены такими системами. Датчик обнаружения препятствий постоянно сканирует окружение. Одновременно с этим программные алгоритмы и технология SLAM создают 3D-карту, которая обрабатывается контроллером полета и позволяет дрону избегать столкновений. Эта система использует один из нескольких датчиков для лучшего распознавания потенциально опасных объектов:

видеосенсор,
ультразвуковой,
инфракрасный,
лидар,
монокулярное зрение.

Защита от падения (Anti-Drop Kit)

Защищает камеру в случае аварийного падения БПЛА.

ПО для редактирования видео

Наличие высококачественного видеопрограммного обеспечения важно как для съемки, так и для последующей обработки материала. Большинство современных дронов могут снимать в формате Adobe DNG, что очень удобно для последующей работы с полученными изображениями.

Операционные системы, которые используют дроны

Основная масса беспилотников работают под управлением Linux, остальные используют MS Windows. Также, у Linux Foundation есть проект, запущенный в 2014 году, под названием Dronecode*.

*Dronecode - проект по созданию свободной платформы с открытым исходным кодом для беспилотных летательных аппаратов.

Последние высокотехнологичные беспилотники

Львиную долю рынка инновационных дронов занимает, конечно же, компания DJI. Вот список новейших устройств, на которые стоит обратить внимание:

– маленький беспилотник, который может взлетать с ладони.

– небольшой складной дрон с датчиками предотвращения столкновения, расположенными спереди и снизу. Супер стабильный полет и возможность снимать видео в формате 4k.

DJI Phantom 4 Pro – с технологией предотвращения столкновения «Vision». Многоцелевой беспилотный летательный аппарат, способный вести аэрофотосъемку и фотограмметрические работы. Встроенная камера оснащена 4-х кратным зумом.

DJI Inspire 2 – запатентованная конструкция и двигатели. Многоцелевой беспилотник с подвесными карданами и камерой, предназначенной для аэрофотосъемки, записи видео в 5К, фотограмметрии, съёмки мультиспектральных и тепловизионных изображений.

Yuneec Typhoon H Pro – использует запатентованную технологию предотвращения столкновений Intel «Realsense». Отлично подходит для профессиональной аэрофотосъемки.

Walkera Voyager 4 – профессиональный дрон с 18-кратной оптической трансфокаторной камерой, что делает его идеальным для поисково-спасательных работ.

DJI Matrice 200 Commercial Quadcopter – дрон со встроенной двойной батареей, системами IMU и спутниковой навигацией. Поддерживает установку 2-х камер (например, камеры с тепловизором и зумом). Оснащен видеосенсором, ультразвуковым и ToF датчиками. Идеально подходит для осмотра труднодоступных объектов с целью оценки их состояния.

Интеллектуальные режимы полета

Все вышеперечисленные БПЛА имеют множество разных интеллектуальных режимов полета. Особенно ярко на фоне остальных выделяется Phantom 4 Pro от DJI, имеющий такие режимы как:

Active Track (Profile, Spotlight, Circle) - активный трек;
Draw Waypoints - рисунок точек пути;
TapFly - интеллектуальный режим полета;
Terrain Follow Mode - режим рельефа местности;
Tripod Mode - режим штатива;
Gesture Mode - режим жестов;
S-Mode (спорт);
P-Mode (позиция);
A-Mode (положение в воздухе);
Beginner Mode - начальный режим;
Course Lock - блокировка курса;
Home Lock - домашний замок;
Obstacle Avoidance - обхождение препятствий.

Использование БПЛА

Дронов можно использовать в самых различных целях. Когда вы устанавливаете камеру или датчики, такие как лидар, тепловизор, ToF, мультиспектральный и многие другие, диапазон применения устройств расширяется еще больше.

Лучшие видео на тему БПЛА

Ниже размещены 2 видеоролика, в которых подробно рассказывается о технологии БПЛА. На первом видео ведущий специалист по БПЛА Раффаэлло Д"Андреа даст зрителям представление о ПО, лежащем в основе технологии беспилотных летательных аппаратов. Он также расскажет об алгоритмах работы, теории управления и проектирования на основе разных моделей (видео, к сожалению, не адаптировано на русский язык).

Военные беспилотники

Следующее видео – это рассказ о том, что настоящее и будущее военной техники принадлежит беспилотным летательным аппаратам, таким как Predator и Reaper.

Два военных БПЛА среднего размера, которые в настоящее время активно используются – это Predator MQ-1B и MQ-9 Reaper . Их применяли в Афганистане и Пакистане.

Последние несколько лет характеризуются значительными инвестициями в разработку дронов, особенно в секторе бизнеса и потребительских БПЛА. Технологии действительно удалось совершить громадный рывок всего лишь за несколько лет.

По материалам DroneZon

Аннотация : в данной статье приведена ТРИЗ-эволюция систем управления беспилотными летательными аппаратами, начиная с первых и заканчивая современными, с их описанием, техническими противоречиями и возможным дальнейшим развитием.

Ключевые слова : система управления, беспилотный летательный аппарат, БПЛА.

Annotation: In this article we present TRIZ-evolution of control systems of unmanned aerial vehicles, that is starting with the original and ending with the modern, with their description, technical contradictions and possible further development.

Keywords: control system, unmanned aerial vehicle, UAV.

В настоящее время беспилотные летательные аппараты (БПЛА) достаточно сильно развиты и имеют широкий круг применений. За век своего существования БПЛА как увеличились в своих размера до десятков метров, так и уменьшились до нескольких миллиметров; их диапазон скорости, грузоподъёмности тоже существенно расширился.

Однако системы управления БПЛА неизменно развивались и продолжают развиваться. Рассмотрим эволюцию систем управления БПЛА, начиная от систем управления первых беспилотных «воздушных торпед» до систем управления современных беспилотников. Для современных БПЛА ограничимся мини и микро классами аппаратов (вес до 30 кг).

Как всегда бывает, первыми БПЛА разрабатывали военные, и только в XXI веке началось активное развитие БПЛА гражданского назначения.

1. Исторически первый БПЛА .

Исторически первым БПЛА считается «Жук» Кеттеринга (см. рис. 1). Это один из первых успешных проектов беспилотного летательного средства. По заказу армии США в 1917 году изобретатель Чарльз Кеттеринг разработал свою экспериментальную беспилотную «воздушную торпеду», которая стала предшественником крылатых ракет. Целью было создать дешёвый и простой беспилотный самолёт-снаряд для армейского авиационного корпуса.

Рисунок 1 – Жук Кеттеринга.

Аппарат получился достаточно компактный, в отличие от «крылатой бомбы» Сперри, разрабатываемой и испытываемой в тоже время. «Жук» имел цилиндрический корпус из дерева, к которому крепилась бипланная V-образная коробка.

Беспилотное средство было оснащено дешёвым четырёхцилиндровым двигателем и инерциальной автоматической системой управления. После старта, питающийся электричеством от двигателя, гироскоп обеспечивал стабилизацию «Жука» по направлению . Гироскоп был соединён с вакуум-пневматическим автопилотом (рис. 2), который осуществлял управление рулём направления. Блок-схема системы управления «Жука» представлена на рисунке 3.

Рисунок 2 – Вакуум-пневматический автопилот (пример)

Управление рулём высоты осуществлялось аналогичным образом, но датчиком в этом случае уже являлся барометрический альтиметр.

Перед стартом на беспилотном аппарате задавали значение высоты и максимальное количество оборотов пропеллера, что соответствовало пройденному расстоянию; раскручивали гироскоп. Запуск происходил с рельсовой катапульты, «Жук» выходил на заданную высоту и летел по прямой в сторону цели. Специальное устройство отсчитывало обороты пропеллера и по достижении нужного расстояния (количества оборотов пропеллера сравнялось с заданным), высвобождался пружинный механизм, который отключал двигатель и выбивал болты, держащие крылья. Корпус аппарата падал вниз и достигал цели.

Рисунок 3 – Блок-схема системы управления

«Жук» Кеттеринга предназначался для обстрела городов, крупных промышленных центров и мест сосредоточения войск противника на дистанции до 120 км. Он успешно прошёл испытания, в отличие от «воздушной торпеды» Сперри, и был прият на вооружение. Система показала себя лучше, успешней и дешевле предыдущих, но Первая мировая война закончилась, и заказ так и не был выполнен . Всего было изготовлено 45 машин.

У «Жука» Кеттеринга были реализованы простейшие функции автопилота: управление рулём высоты и рулём направления, отсчитывание пройдённого расстояния, отключение двигателя и сброс крыльев. Неудачи в испытаниях были связаны с проблемами удержания аппарата на курсе. Аппарат мог отклониться от курса как при запуске с рельсовой катапульты, так и во время полёта. Кроме того, «воздушная торпеда» под действием ветра могла завалиться на крыло и упасть. Примитивный автопилот хоть и пытался придерживаться курса, но с сильными порывами ветра или ошибкой при запуске справиться не мог.

Представим алгоритм управления «Жука» Кеттеринга:

1) Перед стартом задавались максимальная высота и число оборов пропеллера.

2) Происходил запуск с рельсовой катапульты.

3) Аппарат выходил на заданную высоту (контроль высоты осуществлялся с помощью барометрического альтиметра).

4) Автопилот поддерживал неизменный курс благодаря воздействию гироскопа (полёт представлял собой движение по прямой).

5) При достижении заданного числа оборотов (нужного расстояния), происходило отключение двигателя и сброс крыльев. Корпус аппарата падал вертикально вниз в цель.

Аппарат имел малую дальность и мог двигаться только по прямой из пункта «А» в пункт «Б». Маршрут с большим количеством точек был невыполнимой задачей, как и возвращение аппарата на место старта.

Выявим технические противоречия (ТП), имеющиеся в описываемой системе, для единообразия в формулировках противоречий все рассматриваемы системы будем называть БПЛА:

ТП1. При повышении степени стабилизации БПЛА по крену, путём введения стабилизирующих элементов на крыльях, недопустимо повышается вес аппарата.

ТП2. При повышении степени стабилизации БПЛА по крену, путём введения стабилизирующих элементов на крыльях, недопустимо повышается сложность конструкции.

ТП3. При повышении степени стабилизации по курсу недопустимо уменьшается расстояние до цели.

ТП4. При повышении сложности маршрута недопустимо повышается сложность конструкции.

Противоречие ТП4 было разрешено использованием приёмов вынесения, непрерывности полезного действия, «посредника», путём замены инерциального автопилота на систему радиоуправления. Этап ТРИЗ-эволюции представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 – Первый этап эволюции.

2. Новая веха : появление радиоуправляемых летательных аппаратов .

В 1930-х годах армия США получила предложения поставлять радиоуправляемые беспилотные самолёты для различных нужд. Среди компаний, сделавших предложение, была Radioplane Company. Основана она Дени Реджинальдом, бывшим пилотом британской королевской авиации, который эмигрировал в США и стал актёром, а позже основал магазин и компанию по производству радио моделей самолётов .

Radioplane Company предложила армии США линейку радиоуправляемых моделей самолётов, среди которых присутствовала модель Radioplane OQ-2 (рис. 5). Это первый дистанционно-пилотируемый летательный аппарат (ДПЛА), поступивший в массовое производство. В общем было произведено 15000 моделей. Эксплуатация проводилась вплоть до 1948 года .

Radioplane OQ-2 представлял собой самолёт-мишень для обучения зенитных расчётов. Длина – 2,65 м. Размах – 3,73 м. Взлётный вес – 47 кг. Максимальная скорость – 137 км/ч. Максимальное время полёта – 1 час.

Рисунок 5 – Внешний вид Radioplane OQ-2

Запуск происходил с катапульты, а управлялась беспилотная радио модель оператором с земли, который мог имитировать различный ситуации (например, заход истребителя для атаки). Если аппарат оставался цел после полёта, посадка происходила с помощью выбрасываемого парашюта и неубираемого шасси (было не у всех моделей), которое смягчало удар о землю. Блок-схема системы управления представления на рисунке 6.

Рисунок 6 – Блок-схема радиоуправления

Радиоуправление позволило беспилотникам следовать по сложным маршрутам и выполнять сложные манёвры в воздухе, превосходя в этом «Жука» Кеттеринга и «Крылатую торпеду» Сперри. Аппараты получили возможность возвращаться на стартовую позицию, что увеличило количество их использования. Малогабаритная конструкция Radioplane OQ-2 и простота позволили развивать ему большие скорости и покрывать большее расстояние. Однако появилась проблема с малым потолком использования в 2438 м.

Аппаратура того времени позволяла эффективно использовать Radioplane OQ-2 только в поле видимости оператора. Именно так оператор с земли мог производить управление беспилотником. Если аппарат вылетал из радиуса видимости, то его можно было контролировать только радаром, что не обеспечивало эффективного наблюдения и снижало точность позиционирования.

При рассмотрении Radioplane OQ-2 можно выявить следующие противоречия:

ТП5. При увеличении дальности, путём увеличения пунктов управления по маршруту движения радиоуправляемого аппарата, недопустимо увеличивается объём наземной аппаратуры управления.

ТП6. При увеличении дальности, путём увеличения пунктов управления по маршруту движения радиоуправляемого аппарата, недопустимо увеличивается количество персонала.

ТП7. При увеличении дальности, путём увеличения объёма топливного бака, недопустимо увеличивается вес.

Второй этап эволюции показан на рисунке 7.

Противоречие ТП7 было разрешено использованием приёмов вынесения, непрерывности полезного действия, «посредника».

Рисунок 7 – Второй этап эволюции

3. Разработки второй мировой войны .

Фау-1 – самолёт-снаряд, прообраз современных крылатый ракет, состоял на вооружении армии Германии в середине Второй мировой войны (рис. 8). Эта ракета создана в рамках проекта «Оружие возмездия». Проект беспилотного аппарата разработан немецкими конструкторами Робертом Луссером и Фритцем Госслау. Разработка производилась в период 1942-1944 гг .

Фау-1 была построена по самолётной схеме, в задней части корпуса над рулём курса крепился реактивный двигатель. В процессе разработки проекта появилась необходимость ввести стабилизаторы и гироскоп для стабилизации аппарата во время полёта.

На земле перед запуском беспилотному аппарату задавали значения высоты и курса, а так же дальность полёта. Наведение выполнялось по магнитному компасу. После пуска аппарата (производился с катапульты, либо с самолёта-носителя – модифицированного бомбардировщика Heinkel He 111 H-22) он летел с помощью автопилота по заданному курсу и на заранее определённой высоте. Стабилизация по курсу и тангажу осуществлялась на базе показаний 3-степенного гироскопа: по тангажу суммировались с показаниями барометрического датчика высоты; по курсу – со значениями угловых скоростей от двух 2-степенных гироскопов, используемых для уменьшения колебаний снаряда. Управление по крену отсутствовало, так как Фау-1 была достаточно устойчива вокруг продольной оси .

Рисунок 8 – Внешний вид Фау-1

Автопилот был пневматическим устройством, работающим на сжатом воздухе. Золотники пневматических машинок рулей курса и высоты приводились в действие воздушным давлением, в зависимости от показаний гироскопов. Сами гироскопы раскручивались также сжатым воздухом. Расстояние полёта задавалось на специальный механический счётчик, а прикреплённый на нос снаряда анемометр постепенно сводил значение к нулю. По достижении нулевого значения происходило разблокирование ударных взрывателей и отключение двигателя. Примерна блок-схема показана на рисунке 9.

Длина – 7.75 м. Размах крыльев – 5,3 (5,7) м. Максимальная скорость – 656 км/ч (по мере расходования топлива скорость доходила до 800 км/ч). Дальность доходила до 280 км.

Фау-1 могла летать только по прямой (как «Жук» Кеттеринга), однако покрывала большее расстояние и развивала гораздо большую скорость.

Рисунок 9 – Блок-схема системы управления.

После рассмотрения Фау-1 были выделены следующие технические противоречия:

ТП8. При упрощении процесса старта, путём отказа от катапульты, недопустимо увеличивается сложность конструкции.

ТП9. При увеличении сложности маршрута недопустимо увеличивается сложность оборудования.

ТП10. При увеличении сложности маршрута недопустимо увеличивается вес аппарата.

На основе вышеописанных противоречий выделен второй этап ТРИЗ-эволюции беспилотных летательных аппаратов (рис. 10).

Противоречия ТП8 и ТП9 были разрешены с помощью приёмов вынесения, непрерывности полезного действия, «посредника», путём замены самолётной схемы на вертолётную.

Рисунок 10 – Третий этап эволюции.

4. Противолодочный вертолёт .

Проект американского беспилотного летательного аппарата, а если точнее бдеспилотного вертолёта. Gyrodyne QH-50 DASH – первый в мире беспилотный вертолёт принятый на вооружение (рис. 11). Первый его полёт состоялся в 1959 году, и вплоть до 1969, когда ВМС США отказались от проекта, было произведено 700 аппаратов различных модификация. Изначально проектировались как штатное противолодочное вооружение ракетных крейсеров .

Рисунок 11 – Внешний вид Gyrodyne QH-50 DASH

Вертолёт был в длину 3,9 м, в высоту 3 м.. Вес неснаряжённого и снаряжённого соответственно 537 кг. и 991кг. Максимальный взлётный вес 1046 кг. Максимальная скорость 148 км/ч. и дальность 132 км. Практический потолок 4939 м. На борту нёс 33,6 галлонов топлива .

В отличие от предыдущих систем, аппарату не требовалась взлётная полоса или оборудование (например, катапульта), а требовалась небольшая ровная поверхность.

Беспилотный вертолёт разрабатывался для старта с палубы корабля. Перед запуском к нему подвешивали торпеды.

Контроль управления вёлся с пульта оператора (блок-схема системы управления представлена на рис. 12). На пульт также приходили данные о состоянии аппарата, сигналы оружейной системы. В дальнейшем было предложено ввести два пульта управления. По требованию, один пульт должен был находиться на палубе, а другой в командном пункте.

Так как торпеды весили много, пришлось отказаться от телеаппаратуры. Поэтому запускали сразу два вертолёта: один с аппаратом обнаружения и целеуказания; второй с вооружением.

Проект Gyrodyne QH-50 DASH был отменён из-за несовершенства системы управления и конструктивных дефектов, почти половина аппаратов разбились. Во время полёта у беспилотного вертолёта могло произойти самопроизвольное отключение аппаратуры управления. Также сказалось начало войны во Вьетнаме. Но использование беспилотного вертолёта вплоть до 2006 года как учебное пособие, объект экспериментов и т.д.

Рисунок 12 – Блок-схема системы управления.

Выделим противоречия беспилотного вертолёта Gyrodyne QH-50 DASH:

ТП11. При уменьшении габаритов беспилотного аппарата недопустимо уменьшается показатель полезной нагрузки.

ТП12. При уменьшении габаритов беспилотного аппарата недопустимо уменьшается дальность полёта.

Противоречия ТП10 и ТП11 были разрешены с помощью приёмов вынесения, объединения, универсальности, замены механической схемы, путём создания доступных контроллеров полёта для авиамоделистов.

По этим противоречиям составим этап ТРИЗ-эволюции (рис. 13).

Рисунок 13 – Четвёртый этап эволюции.

5. « Беспилотники » в массы . Полётные контроллеры для моделирования .

В наше время беспилотные летательные аппараты перестали быть военными «игрушками». В начале XXI века всё больше и больше различных БПЛА находят применение в гражданских сферах: аэросъёмка, доставка грузов, отдых и досуг, образование и др. Появилось множество схем конструкций (мультикоптеры, самолётного типа и др.). Теперь их можно спокойно купить в магазинах или даже сделать самому при покупке определённых комплектующих. О них и пойдёт речь далее.

Полётный контроллер – это основная плата управления, обеспечивающая функционирование беспилотного летательного аппарата.

Одним из первых популярных полётных контроллеров XXI века был MultiWii (рис. 14). Это открытый проект полётного контроллера на основе Arduino (аппаратной вычислительной платформе, основными компонентами которой являются простая плата ввода/вывода и среда разработки на языке Processing/Wirin (Си подобный)). Используется как элемент системы управления самодельных беспилотных аппаратов (в частности для мультикоптеров). Название MultiWii исторически сложилось потому, что в первых версиях были задействованы гироскопы из контроллера к игровой консоли Nintendo Wii.

Рисунок 14 – Внешний вид платы MultiWii

В данный момент платформа поддерживает большое количество сенсоров. Изначально нужно было докупать гироскопы из контроллера Wii Motion Plus и акселерометр из контроллера Wii Nunchuk, однако сейчас этого делать не нужно.

Так как основой проекта служит Arduino, то подключаемые модули (GPS, радио передатчик и т.д.) совместимо с проектом полётного контроллера ArduPilot (подробнее о нём поговорим ниже). По своей сути это плата с контактами, а не готовая система управления, к которой радиолюбитель может присоединять различные модули (в соответствии с нужными целями). Есть возможность настроить управление по радио пульту (с помощью приемника/передатчика радиосвязи) либо простые функции автопилота, такие как движение по точкам (необходим модуль GPS) и удержание курса (магнитометр). Естественно всё это возможно только при правильной настройке контроллера.

Изначально на плате был 8-битный микроконтроллер ATMega328 (тактовая частота до 20MHz, FLASH-память 32кб, SRAM-память 2кб), либо ATMega2560 (тактовая частота 16MHz, FLASH-память 256кб, SRAM-память 8кб). Но, т. к. проект является открытым, появились любительские версии с 32-битным STM32. Так же присутствуют встроенные датчики MPU6050 (3-осевой гироскоп и 3-осевой акселерометр), BMP085 (барометр) и HMC5883L (электронный магнитный компас). Информация представлена в общем виде и может отличаться для различных версий плат.

На рисунке 15 показана блок-схема системы управления.

Предполагаемый алгоритм управления:

1) Необходимо подключить все необходимые для задачи пользователя модули, предварительно записав программу в микроконтроллер (официальную или самодельную).

3) В зависимости от конструкции беспилотного аппарата, следует произвести запуск.

Полётные контроллеры в основном предназначались для радиоуправления. Хоть они и поддерживали некоторые функции автопилота, оператору приходилось контролировать полёт. Например, двигаясь по точкам маршрута, летающий аппарата может врезаться в возникшее препятствие, если не будет принято своевременных мер. Это относится и к остальным моделям полётных контроллеров, описанных ниже.

Рисунок 15 – Блок-схема системы управления.

ТП13. При повышении гибкости настройки управления контроллера недопустимо повышается сложность кода.

ТП14. При повышении гибкости настройки управления контроллера недопустимо повышается количество часов, требуемых на это.

Противоречия ТП13 и ТП14 были разрешены с помощью приёмов вынесения, объединения, универсальности, замены механической схемы.

Этап эволюции показан на рисунке 16.

Рисунок 16 – Пятый этап эволюции.

6. Новые аналоги .

Контроллер CopterControl3D (CC3D) создан в рамках открытого проекта Open Pilot,начатого в 2009 году (рис. 17). Как и MultiWii является небольшой и относительно дешевой программируемой платой, но в отличие от неё разрабатывался специально для квадрокоптеров. Так же получил своё программное обеспечение OpenPilot GCS для настройки. Примерно 90% квадрокоптеров используемых для управления First Person Viev (FPV, вид от первого лица – управление осуществляется не только по радио каналу, но и по дополнительному каналу принимается на экран видео в реальном времени) собираются любителями именно на этом контроллере.

Рисунок 17 – Внешний вид платы CC3D

На плате присутствует 32-битный микроконтроллер STM32F103 72MHz с FLASH-памятью 128кб и чип MPU6000 (совмещает 3-осевой гироскоп и 3-осевой акселерометр).

Информация представлена в общем виде и может отличаться для различных версий плат.

Блок-схема системы управления показана на рисунке 18 (отличия только в интерфейсах подключения устройств).

Рисунок 18 – Блок-схема системы управления

В системе выявлены следующие противоречия:

ТП15. При повышении гибкости управления контроллера, путём добавления функций автопилота, недопустимо повышается сложность кода.

ТП16. При повышении универсальности использования контроллера недопустимо повышается сложность кода.

Противоречия ТП15 и ТП16 были разрешены с помощью приёмов вынесения, универсальности, самообслуживания, «посредника».

Этап эволюции представлен на рисунке 19.

Рисунок 19 – Шестой этап эволюции

7. Решение от Arduino.

Полётный контроллер ArduPilot Mega (рис. 20), разработанный компанией Arduino. Главным отличием от предыдущих является поддержка не только летающих беспилотных аппаратов, но наземных и лодочных систем. Так же помимо радиоуправляемого дистанционного пилотирования – автоматическое управление по заранее созданному маршруту, т.е. полет по точкам, а так же обладает возможностью двухсторонней передачей телеметрических данных с борта на наземную станцию (телефон, планшет, ноутбук и т.д.) и ведение журнала во встроенную память.

Рисунок 20 – Внешний вид платы

Контроллер поддерживает программирование, как и прочие продукты Arduino, язык программирования Arduino (является стандартным C++ с некоторыми особенностями). При грамотной настройке позволяет превратить любой аппарат в автономное средство и эффективно использовать его не только в развлекательных целях, но и для выполнения профессиональных проектов. По сравнению с вышеописанными платами более стабильно ведёт себя во время полёта, может неплохо выполнять некоторые фигуры полёта.

Контроллер поддерживает авиасимулятор через ПО Mission Planner, который позволят настроить управление, проложить маршрут и т.д.

На плате установлен микроконтроллеры ATMega2560 и ATMega32U2 (8-битный, тактовая частота 16 MHz, FLASH-память 32кб, SRAM-память 1 кб), датчики MPU6000 и MS5611 (барометр).

Блок-схема системы управления показана на рисунке 21.

Рисунок 21 – Блок-схема системы управления.

В рассмотренной системе были выявлены следующее противоречие:

ТП17. При повышении гибкости управления контроллера недопустимо уменьшается универсальность использования контроллера.

ТП18. При повышении качества платы недопустимо повышается цена.

ТП19. При повышении гибкости управления контроллера недопустимо повышается сложность схемы подключения периферии.

Противоречия ТП17 и ТП18 были разрешены с помощью приёмов объединения, дешёвой замены, универсальности, путём создания универсального полётного контроллера.

На рисунке 22 показан этап эволюции.

Рисунок 22 – Седьмой этап эволюции.

8. Новое поколение .

Pixhawk – полетный контроллер нового поколения (рис. 23), дальнейшая разработка проекта PX4 и программного кода Ardupilot от 3DRobotics. В контроллере присутствует операционная система реального времени NuttX.

Контроллер поддерживает большое количество систем:

наземные, воздушные, наводные. Поддерживает различные модули и стандарты для их связи. Из-за своей универсальности и стал популярным. Поддерживает использование ПО Mission Planner как ArduPilot.

Рисунок 23 – Внешний вид контроллера Pixhawk

На плате установлен 32-битный микропроцессор STM32F427 Cortex M4 (168MHz, FLASH-память 2 Мб, RAM- память 256кб) и 32-битный сопроцессор STM32F103. Так же присутствуют датчики: ST Micro L3GD 20 – 3-осевой гироскоп, ST Micro LSM303D – 3-осевой акселерометр/магнитометр, MPU6000 - 3-осевой акселерометр/гироскоп, MEAS MS5611 – барометр.

Блок-схема системы управления показана на рисунке 24.

Рисунок 24 – Блок-схема системы управления.

Выявим противоречия описанной системы:

ТП20. При повышении гибкости управления аппарата недопустимо повышается сложность аппаратуры управления.

Противоречия ТП20 были разрешены с помощью приёмов объединения, универсальности, путём создания многофункционального БПЛА с открытым кодом для любительских разработок.

Этап эволюции представлен на рисунке 25.

Рисунок 25 – Восьмой этап эволюции.

9. Готовое решение .

В 2010 году французская фирма Parrot выпустила на рынок свой беспилотный летательный аппарат AR.Drone. Через пару лет была выпущена обновлённая версия Parrot AR.Drone 2.0 (рис. 29). Проект квадрокоптера был полностью открыт для идей пользователей, что помогло ему стать хитом.

У Parrot AR.Drone 2.0 имеются четыре мотора мощностью 14,5 Вт. Максимальная скорость – 18 км/ч. Масса дополнительной полезной нагрузки – 150 г. Процессор ARM Cortex A8 с частотой 1 ГГц. с 800 Гц. DSP TMS320DMC64x для обработки видео сигналов. RAM DDR2 1Гбит. Две камеры: основная для съёмки и режима FPV с разрешением 720p; дополнительная камера с разрешением 240p для измерения горизонтальной скорости, расположена снизу.Wi-Fi точка для подключения устройства управления (смартфон или планшет с ОС Android или iOS) .

Рисунок 29 – Внешний вид Parrot AR.Drone 2.0

Открытость проекта позволяет к готовому аппарату подключать дополнительные компоненты. Это была одна из привлекательных черт описываемого квадрокоптера. Также пользователи могли программировать его полётный контроллер, либо создавать различные приложения для управления на языках C, Java и Objectiv-C.

Примерная блок-схема управления представлена на рисунке 30.

Одна из главных проблем всех беспилотных летающих аппаратов заключается в том, что если во время режима автопилота перед ними возникнет препятствие (будь то стена, дерево, другой летающий аппарат или даже человек) столкновения не избежать. Максимум на что можно рассчитывать, что БПЛА попытается остановиться или оператор вовремя вмешается в процесс. Однако, если прогнозы развития верны и в ближайшее время нас ожидает дальнейшее развитие рынка беспилотных летательных аппаратов, эта проблема будет всё больше набирать актуальность.

Рисунок 30 – Блок-схема системы управления.

Выявленные противоречия:

ТП21. При добавлении дополнительной аппаратуры, повышающей функционал автопилота, недопустимо повышается вес аппарата.

10. Дальнейшее развитие .

Дальнейшее развитие беспилотных систем, в том числе БПЛА, заключается во внедрении в систему управления искусственного интеллекта. Интеллектуальная система управления позволит ещё больше развить функции автопилота, автоматизировать беспилотные аппараты. При этом действия оператора сводятся только к подготовке аппарату к началу полёта и непосредственно к самому запуску.

Но возникает техническое противоречие ТП21. Это противоречие разрешается принципами объединения, универсальности, непрерывности полезного действия, «посредника».

Интеллектуальную систему управления можно реализовать на микропроцессорном компьютере (например, Raspberry Pi) с несколькими датчиками (2 видео камеры и лидар). Такая система при движении по заданному маршруту сможет определить появившееся препятствие, которым может быть человек, другой БПЛА или дерево, стена, которые не заметил оператор при составлении маршрута. Данная система будет распознавать объекты методом компьютерного зрения и определять вектор движения этих объектов. После определения вектора движения, система сравнит его с вектором БПЛА и построит маршрут уклонения с минимальным уходом с маршрута. Такая схема несильно повлияет свои весом на характеристики беспилотного летательного аппарата, но значительно повысит степень его «выживаемости».

Литература и примечания :

Куда полетит беспилотник без пилота – День за днем [электронный ресурс] // LIVEJOURNAL.COM: Живой журнал. – Электрон. данные. URL: http://novser.livejournal.com/9293

99.html OQ-2 [электронный ресурс] // AVIA.PRO: Новости авиации. – Электрон. данные. URL: http://avia.pro/blog/oq-2

(дата обращения 14.11.2016 г.). – Заглавие с экрана.

Фау-1 [электронный ресурс] // ANAGA.RU: Информационный портал «Столичный комитет». 2008 г. – Электрон. данные. URL: http://anaga.ru/v-1.htm (дата обращения

17.12.2016 г.). – Заглавие с экрана. Gyrodyne Helicopter Co. Mfg of QH-50 series of VTOL

UAVs. [электронный ресурс] // GYRODYNEHELICOPT ERS.COM: Информационный сайт. – Электрон. данные. URL: http://www.gyrodynehelicopters.com/dash_weapon_system.htm

(дата обращения 14.11.2016 г.). – Заглавие с экрана.

AR.Drone 2.0: обзор возможностей и дополнений [электронный ресурс] // XAKER.RU: Электронный журнал. – Электрон. данные. URL:

БПЛА – беспилотный летательный аппарат. Еще их называют дроны (от англ. трутень) или просто беспилотники. На самом деле никаких беспилотников не существует. Любой БПЛА имеет своего оператора-пилота, а некоторые дроны имеют по два-три оператора. В данном случае, термин «беспилотный» означает что летчик не находится на борту летательного аппарата (ЛА). Но управляет разведывательным или ударным беспилотником все-таки человек.

Применение БПЛА в военных конфликтах, с участием американской армии, в последние годы, многократно увеличилось. В связи с этим, конгрессом США в 2013 году планировалось ввести медаль «За особые боевые заслуги», которую полагали вручать операторам беспилотников и спецам боевых киберподразделений принимавшим участие в военных конфликтах. Но справедливое негодование настоящих ветеранов, участников настоящих боев, было так велико, что медаль без особой помпы тихо отменили. Это говорит, во-первых, о многократно возросшем участии операторов в боевых действиях, и, во-вторых, о назревающем конфликте в системе БПЛА – оператор.

Так кто же такой оператор-пилот дрона? Военный, принимающий ответственные решения о применении оружия? Или просто геймер виртуально управляющий дорогой игрушкой на расстоянии? Задача беспилотника не подвергать опасности человека сидящего в кабине. Действительно, физической опасности для оператора, находящегося за много миль от места боевых действий, не существует. Однако, как выяснили американские психологи и медики, оператор БПЛА, проводивший боевые операции с применением оружия, подвержен серьезным психологическим нагрузкам. Он даже подвержен посттравматическим синдромам, подобно бойцу, принимавшему непосредственное участие в боевых операциях. Как бы ни был автоматизирован дрон-беспилотник, ответственность за его действия, за применение оружия несет человек. Опыт эксплуатации оперативно-тактических беспилотных авиационных комплексов (БАК), показал, что наиболее эффективна команда из трех человек для управления и принятия решения.

Первый это сам пилот, управляющий БПЛА, второй член команды - оператор боевых систем. В его обязанности входит обнаружение, идентификация цели, и принятие решения о применении оружия. И третий из состава-оператор интеллектуальных систем, имеющий опыт управления БПЛА и владеющий системами интеллектуальной поддержки в помощь летчику, обладающий отменной реакцией в принятии решения. Эта команда, со своими рабочими местами объединена в локальную сеть, и находятся в одном операторском помещении.

Помещение мобильно и оборудовано всеми необходимыми многофункциональными органами управления, многофункциональными мониторами, и ручными органами управления. К ручным органам управления относятся кистевые самолетные ручки и флайстики на манер игровых джойстиков. Несмотря на огромное количество современного оборудования, на большое количество поступающей и обрабатываемой информации этого явно недостаточно. Это хорошо понимают пилоты, которые знают разницу между авиатренажером и реальным полетом. Как бы ни был совершенен авиасимулятор или тренажер, он имеет один существенный недостаток, так называемый «сенсорный голод». Это, прежде всего отсутствие перегрузок, которые чувствует в полете пилот «пятой точкой».

Неуловимое изменение в пространстве самолета сразу становится понятно опытному летчику как раз этой самой пресловутой «пятой точкой», и это не анекдот, автор этих строк испытал на себе это ощущение. Небольшая вертикальная или боковая нагрузка, говорит о полете больше чем все приборы вместе взятые. Так вот, оператор БПЛА как раз вот этих ощущений и лишен. Если добавить сюда отсутствие звука двигателя, и невозможность бросить мгновенный взгляд влево-вправо, вверх-назад, становится понятным термин «сенсорное голодание». Работы над обратной связью «БПЛА-пилот» сейчас ведутся полным ходом. Например, дрожание картинки на экране, и вибрация флайстика, может подсказать оператору о попадании ЛА в зону турбулентности, это позволит ему оперативнее отреагировать не неблагополучную ситуацию в полете.

Первоначально операторов набирали среди бывших или действующих пилотов. Но со временем стало понятно, что по скорости реакции, без ощущений «пятой точки», стало ясно, что профессионалы значительно уступают простым геймерам, имеющим опыт обращения с авиасимуляторами на компьютерах или игровых консолях, таких как Playstation или ХBoх. Операторы, обучающиеся пилотированию БПЛА, что называется «с нуля», быстрее осваивали сложную аппаратуру и управление ЛА, в отличие от летчиков, которые делали больше ошибок и медленнее обучались.

Но в связи с этим встает проблема уже не технического характера, а морально-этического. Профессиональный военный летчик много лет не только осваивает сложную авиационную технику, он так же готовится принимать ответственные решения в экстремальных боевых условиях. Четко осознает все меру ответственности за применение боевого оружия, за управление очень дорогостоящим ЛА. Он сам находится в гуще событий, подвергается опасности, для него это не виртуальная реальность. Оператор из гражданских, привлеченных на службу геймеров, не всегда осознает грань между виртуальным и реальным пространством. Для него сохраняется игровой момент в управлении многомиллионным беспилотником. Сейчас существует десять степеней автоматизации в системе «оператор-БПЛА». От полного управления и принятия всех решений оператором человеком, до полной автономности дрона, где человек просто наблюдатель, не принимающий никаких решений. Если в первом варианте всю моральную и правовую ответственность за отдачу команды «огонь» несет полностью человек, то во втором варианте автоматика, робот. И тогда случаи сбоя или неисправности, могут привести к фатальным последствиям. Сейчас в лабораториях США ведутся исследования и разработки голосового интерфейса для общения оператора с роботом-дроном. И для принятия ответственного решения на применение оружия, они могут выработать совместное решение, предварительно «обсудив» ситуацию.

Сейчас сохраняется тенденция большей ответственности оператора человека за принимаемые решения. Даже посадку тяжелых многофункциональных БПЛА осуществляет оператор. Дроны склонны к более крутой глиссаде на посадке, к большим перегрузкам и более жесткому касанию полосы, что зачастую приводит к выводу из строя взлетно-посадочных устройств, или попросту-шасси. И сейчас БПЛА в основном сажаются операторами-пилотами, ведь стоимость тяжелого дрона-десятки миллионов долларов.

К 2030 году планируется сконструировать полностью автономного робота-дрона, принимающего все решения автономно, вплоть до выбора цели, и нанесения боевого удара. А пока, ведущее место в управлении БПЛА занимает все-таки человек, пилот, оператор, осознающий всю меру ответственности за чьи-то жизни.

Валерий Смирнов специально для

В представлении большинства людей, не имеющих отношения к авиации, беспилотные летательные аппараты представляют собой несколько усложненные версии радиоуправляемых моделей самолетов. В определенном смысле так оно и есть. Однако функции этих устройств в последнее время стали настолько разнообразными, что ограничиваться только таким взглядом на них больше нельзя.

Начало беспилотной эры

Если говорить об автоматических летательных и космических дистанционно управляемых системах, то тема эта не нова. Другое дело, что в последнее десятилетие на них возникла определенная мода. По своей сути, советский челнок «Буран», совершивший космический полет без экипажа и благополучно приземлившийся в теперь уже далеком 1988 году, - тоже беспилотник. Фото поверхности Венеры и многие научные данные об этой планете (1965) также получены в автоматическом и телеметрическом режиме. И луноходы вполне соответствуют представлениям о беспилотной технике. И многие другие достижения советской науки в космической сфере. Откуда же возникла упомянутая мода? По всей видимости, она стала результатом опыта боевого применения подобной техники, а он был богатым.

А как этим пользоваться?

Управление беспилотными летательными аппаратами является такой же специальностью, как обычная Дорогую и сложную машину запросто можно разбить о землю, совершая неумелую посадку. Ее можно потерять в результате неудачного маневра или обстрела неприятелем. Как и обычный самолет или вертолет, беспилотник нужно постараться спасти и вывести из опасной зоны. Риск, конечно, не такой, как в случае с «живым» экипажем, но и разбрасываться дорогостоящим оборудованием не стоит. Сегодня в большинстве стран инструкторскую и учебную работу проводят опытные летчики, усвоившие управление БЛА. Они, как правило, не являются профессиональными педагогами и специалистами по компьютерной технике, поэтому такой подход вряд ли сохранится надолго. Требования к «виртуальному пилоту» отличаются от тех, что предъявляются к будущему курсанту при приеме в летное училище. Можно предположить, что конкурс среди поступающих на специальность «оператор БЛА» будет немалым.

Горький украинский опыт

Не вдаваясь в политическую подоплеку вооруженного конфликта в восточных областях Украины, можно отметить крайне неудачные попытки проведения воздушной разведки самолетами Ан-30 и Ан-26. Если первый из них был разработан специально для аэрофотосъемки (преимущественно мирной), то второй - исключительно транспортная модификация пассажирского Ан-24. Оба самолета были сбиты огнем ополченцев. А как же беспилотники Украины? Почему их не использовали для получения информации о дислокации сил повстанцев? Ответ прост. Их нет.

На фоне перманентного финансового кризиса в стране средств, необходимых для создания современных образцов вооружения, не нашлось. Беспилотники Украины пребывают на стадии эскизных проектов или простейших самодельных устройств. Некоторые из них собраны из радиоуправляемый авиамоделей, приобретенных в магазине «Пилотаж». Точно так же действуют и ополченцы. Не так давно по украинскому телевидению был показан якобы сбитый российский беспилотник. Фото, на котором изображена небольшая и не самая дорогая модель (без каких-либо повреждений) с кустарным образом прикрепленной видеокамерой, вряд ли может послужить иллюстрацией агрессивной военной мощи «северного соседа».