Умные БЛА: как беспилотники учатся решать сложные задачи
Беспилотные летательные аппараты становятся всё более массовым явлением, а сами БАС — умнее и проще в эксплуатации. В том, какое многообразие задач они выполняют и как им в этом помогают электронные «мозги» нам помог разобраться ведущий программист Центра БЛА МАИ, начальник лаборатории «Автономные робототехнические комплексы» института № 14 «Передовая инженерная школа», кандидат технических наук Николай Бодунков.
БЛА, БАС и БАК: где располагаются «мозги» беспилотника?
Для обычного человека «беспилотник» — это маленький, а иногда и не очень, летающий аппарат. Однако в действительности сам беспилотный летательный аппарат (БЛА) — это только верхушка айсберга, за которой стоит целая умная инфраструктура.
Самая минимальная её версия называется «БАС» — беспилотная авиационная система. В неё входит сам летательный аппарат, наземный пункт управления и каналы связи. Часто для её работы необходимо присутствие человека — оператора.
Несколько таких БАС или одна БАС с дополнительной инфраструктурой (дронопорты, система обеспечения безопасности и т.п.) образуют беспилотный авиационный комплекс (БАК). Он может обеспечивать планирование автономного выполнения и контроля целевой задачи.
Яркий пример — система доставки грузов на основе БЛА. В её основе — распределённая сеть дронопортов. На вход БАК поступает заказ о доставке груза в определённую точку. Система автоматического управления (САУ) БАК планирует: какой БЛА куда должен полететь, сколько будет стоить доставка, какие риски потери груза, и на выходе клиенту выдаёт стоимость доставки и какими БЛА она может выполнить заказ. Или, наоборот, может прийти к выводу о том, что заказ не выгоден и его невозможно выполнить.
Помимо управления работой дронов, БАК обязательно должен обеспечить безопасность человека, аппаратов и грузов. Например, должна быть предусмотрена система предотвращения столкновений с другими БЛА.
Если для отдельного БЛА часто бывает достаточно одного ноутбука со специализированным программным обеспечением в качестве наземного пункта управления, то когда речь идёт о сети из БАС — тогда необходимо учитывать, что аппарат должен взаимодействовать не с одним конкретным наземным пунктом, а с распределённой сетью таких пунктов, обмениваться информацией в рамках глобальной сети, в которой он отмечает своё положение, статус, получает статус других аппаратов.
Когда беспилотник должен быть умным
Возвращаясь к БЛА, следует заметить, что отдельному аппарату вовсе не обязательно быть умным. За большинство из беспилотной летающей братии думает оператор, электронные «мозги» наземного пункта управления. Но всё же бывают случаи, когда «мозги» необходимо встраивать и в сам аппарат.
Обработка данных на борту целесообразна, когда важна оперативность. Например, определить зону лесного пожара, где могут находиться люди, которых необходимо спасти. Пока оператор удалённо обследует территорию, пока аппарат передаст данные на землю, пока они будут обработаны в наземном пункте управления — пройдёт слишком много времени. Это особенно важно, когда нет широкополосного канала связи, обеспечивающего быструю и бесперебойную передачу данных, а решение необходимо принять оперативно.
Другая ситуация, когда БЛА может каким-то образом повлиять на происходящее, например, используя умные алгоритмы поиска объекта. Стоит задача: найти человека. Но человек либо совсем не хочет, чтобы его нашли, либо он не всегда находится в пределах обзора, например, может быть скрыт элементами рельефа (деревьями, травой, камнями). В таком случае необходимо построить маршрут БЛА таким образом, чтобы попытаться его найти. Например, чтобы БЛА, когда заметит потенциально похожий на искомый объект предмет, самостоятельно построил маршрут для сближения с ним, снизился и обследовал этот район более детально. В этих случаях необходимо, чтобы обработка данных происходила на борту.
Тренд на адаптивность
Многие целевые задачи требуют от БЛА адаптации к изменению обстановки, и современный тренд — это как раз разработка т.н. адаптивных, автономных систем, которые без участия оператора могут подстроиться под изменение ситуации: например, при изменении силы и направления ветра, погоды в целом. В таких случаях также нужно обрабатывать всю доступную информацию в реальном времени.
Например, обработка пестицидами в сельском хозяйстве при помощи дронов обычно происходит так: сначала дрон сканирует поле, определяет места скопления вредителей, а потом по этим местам производится обработка химикатом. В принципе, эти две операции можно автоматизировать и сделать за один заход. Другой вопрос — нужно ли это, сильно ли изменится картина с момента после обработки.
Другой пример: промышленная безопасность на стройке. Определить, ходят ли работники без каски, в принципе, можно и на земле: какая разница, когда именно это сделали? А вот если дрон оснащён громкоговорителем и может оперативно предупредить нарушителя — в таком случае он должен обрабатывать информацию в реальном времени, непосредственно в воздухе.
Наиболее важная задача, которая решается только на борту — это навигация, в том числе визуальная, которая требует больших вычислительных и интеллектуальных ресурсов. Частный случай такой навигации — когда необходимо провести точную посадку, доставить груз и пр.
Вместо заключения
Хотя беспилотники применяются уже больше столетия, по-настоящему массовое применение они получили только в последние годы. Появление микроэлектромеханических инерциальных датчиков вместо громоздких авиационных навигационных комплексов, достаточно мощных, но компактных, дешёвых и массовых вычислителей, нейросетей сделали БЛА не только компактными, но и доступными.
Следующий шаг в развитии беспилотной авиации — становится всё умнее и автономнее в применении. И для этого сейчас есть все предпосылки.
Такие решения активно внедряются в МАИ в рамках стратегического проекта «Аэромобильность», где сформирована экосистема, охватывающая полный спектр научно-технологических и образовательных направлений в области беспилотной авиации, в частности, разработка программного обеспечения, компонентов и решений.
Материал подготовлен при поддержке Минобрнауки России
