В МАИ разработали беспилотную систему для поиска людей и мониторинга территорий

В Московском авиационном институте (МАИ) разработана беспилотная авиационная система (БАС) «Скаут» со станцией пилота, полетным контроллером и встроенным бортовым вычислителем собственной разработки. Цель системы — импортозаместить зарубежные БАС весом до 3 кг и продолжительностью полета более 30 минут.

«Скаут» способен решать широкий спектр задач: мониторинг общественной безопасности и дорожного движения, аэрофотосъемка, поиск пропавших людей и ряд других. С помощью нейросети беспилотник обрабатывает данные и принимает решения во время полета, что важно при потере спутникового сигнала.

«Ключевое преимущество устройства — возможность облетать препятствия в автоматическом режиме, сохраняя безопасное расстояние, а также огибать неравномерный рельеф на скорости до 10 м/с за счет использования ПО и лазерных дальномеров. В настоящее время аппарат успешно прошел испытания и находится на стадии формирования документации для серийного изготовления. В рамках проектно-образовательного интенсива “Архипелаг-2024” МАИ совместно с ООО БАС и фондом НТИ реализовывали один из сценариев применения — использование беспилотника для детекции и подсчета подсолнухов»,— отметил один из разработчиков, инженер по организации испытаний Центра БЛА МАИ Никита Неприятелев.

В настоящее время аппарат успешно прошел испытания и находится на стадии формирования документации для серийного изготовления. «Скаут» разработан в рамках стратегического проекта «Аэромобильность» программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» (нацпроект «Наука и университеты»).

Юрий Бухарев, директор Центра БЛА МАИ, ответил на вопросы «Ъ-Науки»:

— Что включает в себя беспилотная авиационная система?

— Если говорить в общем, то в беспилотную авиационную систему (БАС) как минимум входит непосредственно сам беспилотный летательный аппарат (БЛА) и наземный пункт управления, с помощью которого внешний пилот осуществляет либо пилотирование, либо контроль за автоматическим полетом аппарата. Это минимальный состав. В принципе в его состав могут входить еще и станция базирования, если необходимо, чтобы беспилотник имел постоянную дислокацию в одном месте, или еще какие-то дополнительные опциональные вещи.

Если говорить о БАС в применении к «Скауту», то здесь мы имеем минимальный набор: сам БЛА, наземный пункт управления в виде компактного пульта и программное обеспечение. Для «Скаута» программное обеспечение играет решающую роль, потому что его целевое назначение — это фотографирование и распознавание состояния посевов либо нарушителей на полях.

— Чем отличается система «Скаут» от аналогов, существующих в мире? В чем ее преимущества?

— От существующих аппаратов «Скаут» отличает автономность: все, что касается автоматического полета без участия человека, мы постарались сделать лучше, чем у существующих аналогов. Наши специалисты отрабатывали остановку перед препятствиями на разных скоростях, облет препятствий, которые могут находиться снизу, обнаружение препятствий с разных ракурсов.

Кроме того, в случае потери радиосигнала аппарат способен выполнить миссию и вернуться к точке старта, если у него сохранился сигнал GPS, но даже в случае потери сигнала GPS при небольших расстояниях он способен с высокой точностью вернуться обратно. Это, кстати, тоже одно из отличий «Скаута» от имеющихся аналогов. Многие БЛА после потери сигнала начинают возвращаться обратно к месту старта, для того чтобы не потеряться. «Скаут» же продолжает выполнение миссии и завершает маршрут уже на точке посадки. В принципе потери сигнала при мирном, гражданском применении могут быть только из-за рельефа местности, поэтому, когда аппарат облетит это препятствие или поднимется выше, сигнал восстановится.

Еще одно важное отличие — это сама полезная нагрузка. Мы поставили на «Скаут» камеру с большим разрешением, для того чтобы получать изображение наивысшего качества при самых разных условиях: в условиях тряски аппарата, плохого освещения, плохой погоды.

И это очень важно, потому что полезная нагрузка играет ключевую роль. Аппарат — всего лишь ее носитель. От носителя требуется выполнение безопасного полета по маршруту, отсутствие каких-то дополнительных лишних действий. Все остальное делает автоматика, которая стоит в виде полезной нагрузки и софтов, которые базируются либо на борту аппарата, либо на наземной станции, где происходит обработка данных после приземления БЛА.

По «Скауту» мы постарались максимально автоматизировать сам процесс. Например, «Скаут» во время полета собирает информацию, привозит ее и в автоматическом режиме подключается к компьютеру наземной станции, передает туда собранную информацию, где тут же происходит ее обработка. Пользователю достаточно нажать несколько кнопок — «Старт миссии» и «Посадка», причем посадка может происходить и в полностью автоматическом режиме.

Все такие коммерческие аппараты создаются с таким учетом, что люди, которые ими управляют, являются не профессиональными пилотами, а операторами. «Скаут» — это, по сути, рабочий инструмент для сельского хозяйства. Агроном приезжает в поле, разворачивает аппарат, нажимает несколько кнопок, и он выполняют свою задачу. Для этого агроному не нужно получать лицензию или дополнительное образование пилота дрона, ему не нужно уметь выполнять какие-то красивые фигуры пилотажа с ним. Ему достаточно знать, из чего аппарат состоит, как его зарядить, снарядить и запустить в полет, нажав при этом всего несколько кнопок. Для этого достаточно пройти небольшую программу обучения работы с БАС.

Это связано с тем, что «Скаут» непосредственно на борту аппарата имеет вычислитель — электронный «мозг» беспилотной системы. Из-за этого ему и не требуется постоянная связь с наземным пунктом управления. «Скаут» не пересылает информацию для того, чтобы обработать какие-то действия, вычислитель полностью обеспечивает автономность аппарата при полете — и для выполнения миссии полета по маршруту, и для сбора информации и обработки с полезной нагрузки. Поэтому аппарат может как привозить сырые данные в виде фотографий для последующей обработки на наземной станции, так и привозить готовый результат обработки. Например, фотографируя, он может сами фотографии и не хранить, а привозить результат обработки в виде более легкого файла, потому что все фотографии с большим разрешением очень тяжелые по объему занимаемой памяти. Это позволяет достичь большей эффективности в работе.

— В каких сферах он может применяться?

— «Скаут» разрабатывался как аппарат для применения в сельском хозяйстве: сначала для фотографирования посевов, отслеживания их состояния, потом пришел запрос на такой же дрон, но не только для наблюдения за посевами, но и для наблюдения за нарушителями на полях, то есть своего рода младший брат БАС «Контур». Этой цели мы достигли, заменив стационарную камеру, которая смотрит только вниз, на камеру с сервоприводом, установленную по курсу движения аппарата. В итоге получается, что, используя одну и ту же платформу, меняя лишь полезную нагрузку, пользователь может применять аппарат для решения разных задач.

В принципе для фирм, которые занимаются фермерским бизнесом, это выгодно, потому что они используют однотипные аппараты с абсолютно одинаковыми запчастями, условиями по обслуживанию, и пользователю при этом не нужно разбираться с разными графическими интерфейсами программного обеспечения и настройками. Ему достаточно поменять полезную нагрузку, нажатием кнопки загрузить другую программу полета, и аппарат автоматически выполнит новую миссию.

«Скаут» — это очень гибкая система. Если придумать поставить на этот аппарат что-то еще — пожалуйста. Учитывая то, что на борту «Скаута» кроме автопилота есть вычислитель, то, заливая туда разные софты, которые обрабатывают информацию с полезной нагрузки, пользователь может изменить и сферу его применения.

— Как реализуется безопасность беспилотных систем?

— Поскольку «Скаут» — это гражданский аппарат, то безопасность мы рассматриваем с нескольких сторон. Во-первых, это непосредственно безопасность самого беспилотника, то есть его максимальная автономность в плане облета препятствий, полета над местностью. Так, установленные на нем лидары, которые, смотря вниз и по сторонам, позволяют ему огибать препятствия на земле, безопасно летать на низких высотах. Препятствия могут быть самыми различными: трактор оставили в поле, на карте не всегда отмечены растительность, столбы, ЛЭП. Все эти препятствия «Скаут» автоматически распознает и облетает. Второй аспект — это безопасность пользователя. Мы постарались сделать аппарат, который максимально безопасен для пользователя, чтобы он был понятен для него и прост в эксплуатации. И третий аспект — это устойчивость к посторонним сигналам, нарушению сигнала навигации, который позволяет аппарату безопасно вернуться к месту базирования, защитить аппарат от угона.

— Основным направлением деятельности Центра БЛА МАИ является проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в сфере беспилотных авиационных систем. Расскажите подробнее об исследованиях таких систем.

— Проект в Центре БЛА МАИ рождается только при наличии действительно актуальной задачи в какой-то области народного хозяйства. Делать проект ради проекта — это не наш метод. Мы отталкиваемся не просто от требований к функционалу аппарата, а от полного понимания комплексной задачи, которая решается конечным пользователем. Когда начиналась работа над прототипом «Скаута» с первым заказчиком, мы сразу начали выяснять у него все тонкости и нюансы задач, которые предстоит выполнять аппарату. Такой комплексный подход позволяет в будущем, когда появляется аппарат, придумывать для него какие-то дополнительные функции, которые пользователь мог не учесть, либо предлагать этот аппарат для каких-то других возможных применений. Это первое. И второе: когда ты понимаешь задачу в комплексе, есть возможность при ее решении расширять функционал с помощью наземных софтов, которые интегрируют аппарат и его функции в какую-то общую структуру.

После того как сформировано требование к аппарату, мы проводим работы, которые связаны с поиском технических решений: и по конструкции аппарата, и по удобству его эксплуатации, и по подбору той полезной нагрузки, которая должна базироваться на нем. Когда вся эта информация собрана, формируется так называемый аванпроект. Он позволяет оценить, насколько решаемая задача достижима существующими на рынке средствами. После этого принимается решение о более глубокой проработке проекта — это уже этап эскизно-технического проекта. На этом этапе уже из набранного материала возможных видов аппарата, возможных нагрузок, софтов мы собираем прообраз будущего аппарата и состава системы в целом. Формируется его окончательная конструкция, определяются ключевые узлы, полностью появляется понимание в части требований к системе.

Когда мы прошли этап эскизно-технического проекта, мы готовим рабочую документацию, 3D-модели, чертежи, собираем первые опытные аппараты.

Если аппарат достаточно крупный, то потребуются исследования его аэродинамических характеристик. На отдельных проектах, там, где это необходимо, мы делаем стендовые испытания, либо полунатурные, либо математическое моделирование.

Когда у нас есть опытный образец, начинается большой пласт работ, связанный с проверкой его характеристик. Специалисты нашего центра заранее формируют программы методики испытаний, проверяя соответствие аппарата заданным летно-техническим требованиям, и документируют эти результаты, на основании которых система доводится в части конструкции или в части сборки на производстве.

Если заниматься только одним проектом и иметь полностью укомплектованную высококвалифицированную команду специалистов, то в целом можно уложиться в срок от полугода до года. Но это без учета сертификации. Наши аппараты в основном меньше 30 кг. Они не требуют получения сертификата типа, выполняется только регистрация БЛА в Росавиации. Аппараты же массой свыше 30 кг должны проходить обязательную сертификацию.

Сертификация — процесс формальный. Есть набор требований, которые нужно подтвердить, причем конкретными результатами. Это либо инженерные расчеты, либо стендовые испытания, либо математическое моделирование, либо проведение еще полунатурных работ, позволяющих проверить прочность аппарата. Это процесс, который необходимо не просто провести, его нужно правильно описать, организовать, обработать результат и только после этого предоставить результаты на рассмотрение и принятие решения конечному сертифицирующему органу. Этот процесс может занять довольно продолжительное время.

Не всегда проекты доходят до стадии «железа». Учитывая то, что центр у нас молодой, ему всего несколько лет, то процентов 30 точно доходит до стадии опытного образца. Бывает, что проект умирает на этапе бумаги. Это обусловлено тем, что на основных рубежах проекта совместно с заказчиком проводится анализ достигнутых результатов и принимается решение о целесообразности продолжения работ.

— Как сегодня развивается область создания беспилотников в целом? Расскажите о нескольких наиболее интересных направлениях.

— Один из ключевых трендов в России — это в основном аэрологистика, то есть доставка грузов. Насколько она перспективна, тут очень трудно судить, потому что пока нет четкого подтверждения возможности массового внедрения и получения с этого прибыли. Грузы вертолетом пока возить дешевле, чем беспилотником. Для массового применения беспилотников требуется определенная наземная инфраструктура, которая обеспечит управление воздушным движением, потому что обеспечение безопасности беспилотников — это одно, а обеспечение безопасности пилотируемых судов — это другое. Очевидно, что беспилотников при эксплуатации будет больше, чем пилотируемых воздушных судов. Поэтому имеющаяся инфраструктура для большой авиации не потянет целый рой беспилотников, которые будут летать, сновать и жужжать как надоедливые мухи, и требуется более фундаментальный подход, для того чтобы обеспечить эксплуатацию и интегрирование в воздушное пространство большого количества беспилотников.

Еще один тренд — это аэротакси. Впереди планеты всей здесь идет Китай, который показывает уже коммерческие продукты: аппараты покупают для выполнения небольших перевозок. Мы тоже смотрим за этим, у нас есть свой проект по аэротакси, с которым мы работаем, но он у нас инициативный. Речь идет пока о проработке общего вида, компоновки и так далее. В любом случае тут требуется инвестор, делать такой проект в одиночку очень накладно. Инвестор должен быть заинтересован формировать какие-то требования, сказать: «Да, мне этот аппарат нужен!» И тогда мы уже начнем делать его в полный рост.

Материал подготовлен при поддержке Минобрнауки России