МАИ разработал беспилотник для мониторинга со сменным набором целевых нагрузок

В МАИ разработали беспилотник для мониторинга со сменным набором целевых нагрузок.

В Московском авиационном институте в рамках стратегического проекта «Аэромобильность» программы «Приоритет-2030» разработана многоцелевая беспилотная авиационная система (БАС) «Скаут» с полётным контроллером и со встроенным бортовым вычислителем собственной разработки.

БАС «Скаут» призван импортозаместить зарубежные беспилотные решения весом до 3 кг и продолжительностью полёта более 30 минут. Он способен решать широкий спектр задач, таких как аэрофотосъёмка, мониторинг общественной безопасности и дорожного движения, поиск пропавших людей и ряд других.

Благодаря встроенной нейронной сети БЛА осуществляет обработку получаемых данных и принимает решения непосредственно на борту во время полёта. Этот функционал крайне важен для отдельных сценариев применения, а также в условиях возможной потери спутникового сигнала.

Важным преимуществом БАС «Скаут» является возможность в автоматическом режиме облетать препятствия, сохраняя безопасное расстояние, а также огибать неравномерный рельеф на скорости до 10 м/с за счёт использования специального программного обеспечения и лазерных дальномеров. В настоящее время аппарат успешно прошёл испытания и находится на стадии формирования документации для серийного изготовления.

Важно отметить, что БАС «Скаут» — это не отдельно взятый дрон, а полностью готовое решение со станцией пилота, интегрированным полётным контроллером собственного производства, а также нейронной сетью, обучаемой под широкий спектр задач мониторинга.

В рамках проектно-образовательного интенсива «Архипелаг-2024», проходившего в июле 2024 года на Сахалине, МАИ совместно с ООО «БАС» и фондом НТИ реализовывали один из сценариев применения — мониторинг в сельском хозяйстве. В рамках испытаний аппаратов, разработанных МАИ, была успешно продемонстрирована возможность использования БАС для детекции и подсчёта подсолнухов.

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 полётом аппарата. Это минимальный состав. В принципе, в его состав могут входить ещё и станция базирования, если необходимо, чтобы беспилотник имел постоянную дислокацию в одном месте, или ещё 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 чём её преимущества?

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

Кроме того, в случае потери радиосигнала аппарат способен выполнить миссию и вернутся 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.

Ещё 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 её носитель. От носителя требуется выполнение безопасного полёта по маршруту, отсутствие каких-то дополнительных лишних действий. Всё 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 полёта собирает информацию, привозит её и в автоматическом режиме подключается к компьютеру наземной станции, передаёт туда собранную информацию, где тут же происходит её обработка. Пользователю достаточно нажать несколько кнопок: «Старт миссии» и «Посадка», причём посадка может происходить и в полностью автоматическом режиме.

Все такие коммерческие аппараты создаются с таким учётом, что люди, которые ими управляют, не являются 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 полёт, 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 полёте — и для выполнения миссии полёта 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 лёгкого файла, потому что все фотографии с большим разрешением очень тяжёлые по объёму занимаемой памяти. Это позволяет достичь большей эффективности в работе.

В каких сферах она может применяться?

«Скаут» разрабатывался как аппарат для применения в сельском хозяйстве. Сначала для фотографирования посевов, отслеживания их состояния, потом пришёл запрос на такой же дрон, но не только для наблюдения за посевами, но и для наблюдения за нарушителями на полях, т.е. своего рода младший брат БАС «Контур». Этой цели мы достигли, заменив стационарную камеру, которая смотрит только вниз, на камеру с сервоприводом, установленной 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 полёта, и аппарат автоматически выполнит новую миссию.

«Скаут» — это очень гибкая система. Если придумать поставить на этот аппарат что-то ещё — 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, т.е. его максимальная автономность в плане облёта препятствий, полёта над местностью. Так, установленные на нём лидары, которые смотря вниз и по сторонам, позволяют ему огибать препятствия на земле, безопасно летать на низких высотах. Препятствия могут быть сами различными: трактор оставили в поле, на карте не всегда отмечены растительность, столбы, ЛЭП. Все эти препятствия «Скаут» автоматически распознаёт 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 её 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 нём. 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 проект, 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 лётно-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 учёта сертификации. Наши аппараты в основном меньше 30 кг. Они не требуют получения сертификата типа, выполняется только регистрации БЛА в Росавиации. Аппараты же массой свыше 30 кг должны проходить обязательную сертификацию.

Сертификация — процесс формальный. Есть набор требований, которые нужно подтвердить, причём конкретными результатами. Это либо инженерные расчёты, либо стендовые испытания, либо математическое моделирование, либо проведение ещё 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 продолжении 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, т.е. доставка грузов. Насколько она перспективна, тут очень трудно судить, потому что пока нет чёткого подтверждения возможности массового внедрения и получения с этого прибыли. Грузы вертолётом пока возить дешевле, чем беспилотником. Для массового применения беспилотников требуется определённая 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.

Ещё один тренд — это аэротакси. Впереди планеты всей здесь идёт 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 идёт 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 начнём делать его в полный рост».

Материал подготовлен при поддержке Минобрнауки России