ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ АППАРАТНО-ПРОГРАММНОЙ ПЛАТФОРМЫ УПРАВЛЕНИЯ БПЛА С КОМПЛЕКСНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМОЙ В УСЛОВИЯХ ГОРНЫХ ТЕРРИТОРИЙ

На сегодняшний день беспилотные летательные аппараты (БПЛА) – одно из самых быстроразвивающихся направлений робототехники. В течение последнего десятилетия в развитии гражданских беспилотных систем произошел настоящий прорыв, обусловленный резким снижением габаритов и стоимости электронной элементной базы и появлением нового поколения двигательных установок и аккумуляторов. В настоящее время беспилотные технологии по доступности приближаются к уровню бытовых технологий. В мире представлено большое количество гражданских БПЛА, различающихся по своим спецификациям и набору характеристик: самолётный, вертолётный и мультироторный. Конструктивно БПЛА состоит из летающей платформы, двигателей, системы управления и полезной целевой нагрузки.

Практический опыт применения БПЛА ведущими странами выявил широкий набор гражданских задач: в геологии для мониторинга обвалов, селей и оползней; в геодезии с их помощью строят топографические карты и создают трёхмерные модели исследуемой местности; мониторинг линий электропередач, газопроводов; выявление очагов возгорания в лесах; обеспечение телекоммуникаций и т.д. Направление развития БПЛА идет от универсальности в сторону специализации беспилотных аппаратов и самих комплексов на унифицированных платформах управления. При этом унификация платформы управления позволит формировать один комплекс с набором аппаратов разного класса и типа. Данный подход позволяет снизить стоимость как самого комплекса, так и удельные затраты в период его эксплуатации за счет оптимизации выполнения полетов путем выбора типа аппаратов и полезной нагрузки под конкретные задачи.

В последние годы началось бурное развитие нового класса небольших беспилотных мультироторных летательных аппаратов. Мультикоптеры, в отличие от БПЛА вертолетного типа традиционной продольной схемы с несущим и рулевым винтами и аппаратов сосной схемы, обладают рядом достоинств, таких, как простота и надежность конструкции и схемы стабилизации, а также малую взлетную массу при существенной массе полезной нагрузки, компактность, высокую маневренность и низкую стоимость. Повышается гибкость организации проведения исследований, снижаются удельные затраты, работы могут выполняться согласно оперативным планам в любое время.

Применение БПЛА предоставляет следующие преимущества по сравнению с пилотируемыми носителями: снижение стоимости работ; возможность оперативного проведения разновысотной съемки на заданном маршруте; отсутствие необходимости в специальных взлетно-посадочных площадках; обслуживание БПЛА не требует высококвалифицированного летного и технического персонала; возможность оснащения этой системой полевых отрядов и экспедиций, что позволит резко увеличить объемы и качество выполнения исследовательских работ. С его помощью возможно исследовать все труднодоступные и недоступные участки, которые прежними методами изучить с достаточной точностью было практически невозможно, поскольку нахождение на этих объектах опасно для здоровья и жизни исполнителя. Однако управление беспилотным летательным аппаратом в условиях горных и предгорных территорий сопряжено с рядом проблем: аппарат должен находиться в прямой видимости оператора, либо в зоне устойчивой связи системы телеметрии и сигнала системы спутниковой навигации, что существенно ограничивает возможности его применения. На сегодняшний день большинство работ, связанных с разработкой навигационных систем для БПЛА, не учитывают специфику горной и предгорной местности (воздушные потоки, перепад высот, неотмеченные на карте препятствия и т.п.), что увеличивает вероятность крушений БПЛА, в том числе по причине человеческого фактора (например, вследствие изменения рельефа окружающей среды). Поэтому существует необходимость в разработке такой системы, которая расширит возможности и повысит надёжность и безопасность полётов БПЛА. Чтобы решить данную задачу планируется разработать аппаратно-программную платформу с комплексной навигационной системой, способную ориентироваться на местности независимо от изменений рельефа, в том числе в автоматическом режиме по заданным координатам без участия оператора.

На базе СКГМИ (ГТУ) разрабатывается аппаратно-программная платформа предназначенная для автоматизированного управления мультироторным беспилотным летательным аппаратом в условиях горной и предгорной местности. Целью исследования является уменьшение влияния возмущающих факторов на результат определения полетного задания БПЛА.

С целью повышения качества исследований необходимо решить следующие задачи:

·     снизить вероятность аварий при выполнении полетов;

·     повысить точность навигации БПЛА на местности;

·     повысить длительность и дальность выполнения полетов.

На аварийность выполнения полетов влияют внешние погодные факторы, надежность узлов БПЛА, а также человеческий фактор. Снижение человеческого фактора возможно путем увеличения автоматизации управления БПЛА, снижением роли человека, либо созданием максимально удобных интерфейсов взаимодействия между человеком и объектом управления – БПЛА. Один из возможных способов решения данной задачи – использование очков дополненной реальности, либо шлема. Ключевым моментом в данном подходе является обеспечение достоверности получаемой оператором информации, что в свою очередь позволит повысить эффективность управления БПЛА оператором и снизит вероятность столкновения с препятствиями, находящимися в непосредственной близости от траектории полета.

Повышение точности навигации на горной местности, представляет определенные трудности, связанные с перепадом высот, необходимостью проведения полета в ограниченном пространстве, в том числе в непосредственной близости от препятствий. Наиболее эффективным способом решения данной задачи является разработка комплексной навигационной системы, в состав которой будет входить спутниковая, инерциальная навигационная система и навигационная система на основе машинного зрения с функцией распознавания препятствий. Реализация данной комплексной навигационной системы позволит существенно снизить нагрузку на оператора, повысить точность позиционирования БПЛА в процессе выполнения съемки, снизить влияние неблагоприятных погодных факторов на выполнение полёта.

Повышение длительности и дальности полетов – одна из основных задач разработчиков БПЛА. Для БПЛА с электродвигателями решается она путем использования источников питания с высокой удельной емкостью, двигателей с высоким КПД, оптимизацией управления электродвигателями.

Предлагаемые меры должны повысить возможности по проведению съемок, в том числе в труднодоступных местах, безопасность проведения полетов, достоверность получаемых снимков для дальнейшего исследования.

Основными отраслями, в которых будет применяться данная разработка, являются геодезия, экология, геология, горная инженерия. Разрабатываемая аппаратно-программная платформа позволит совершать полёты БПЛА при отсутствии достоверных данных о рельефе местности, например, при обвалах в горах, сходе селей и оползней, лавин, ледников, изменении рельефа под воздействием антропогенных факторов (например, при разработке карьеров).

Научной новизной проекта является способ навигации БПЛА, обеспечивающий получение данных о рельефе с привязкой к географическим координатам, выполняемое комплексной навигационной системой, входящей в состав системы управления БПЛА, непосредственно в процессе полета, что может быть использовано для корректировки маршрута в автономном режиме. Данный функционал реализуется за счет использования системы машинного зрения, на основе видеокамер, в комплексе со спутниковой и инерциальной навигационной системой, которая позволит получать данные о рельефе в процессе выполнения полета одновременно сопоставляя их с текущими географическими координатами БПЛА. Таким образом, система управления БПЛА будет располагать актуальной трехмерной моделью рельефа местности, что позволит исключить (или существенно снизить) вероятность аварии из-за столкновения с препятствиями и уменьшит влияние человеческого фактора при управлении БПЛА в ограниченном пространстве. Полученные данные о рельефе можно будет сохранить в базе данных и в дальнейшем использовать для навигации при повторном выполнении исследований на том же участке местности (механизм репликации данных). Кроме того, планируется разработать алгоритм, ранжирующий участки местности по сложности рельефа и аварийной опасности, что позволит системе управления в автономном режиме выполнения полета оптимизировать скорость БПЛА в зависимости от сложности и опасности каждого участка по маршруту полета. Существующие навигационные системы БПЛА, как правило, используют спутниковую навигационную систему, которая иногда дополняется инерциальной. Кроме того, существуют лабораторные разработки, дополняющие навигационный комплекс системами машинного зрения [1–3]. Однако предлагаемые известные решения используют рельеф для ориентирования на местности, осуществляя привязку положения БПЛА к характерным точкам рельефа с известными географическими координатами. Другое направление использования машинного зрения связано со сравнением получаемых в процессе полета снимков с имеющимися в базе данных. Недостатком данного способа является необходимость задействования больших вычислительных ресурсов, что исключает возможность полностью автоматического полета, поскольку требуется постоянная связь для передачи и обработки снимков на стационарной ЭВМ высокой производительности. Предлагаемый способ навигации обеспечивает возможность ориентирования БПЛА при сильном изменении рельефа. Источником данных о географическом местоположении БПЛА являются спутниковая и инерциальная навигационные системы. Задачей машинного зрения является получение трехмерной модели местности, связанной с данными о географическом положении, что позволит избежать столкновения с препятствиями. При этом отсутствует необходимость в поиске характерных точек рельефа, а также в сравнении со снимками из базы данных. Таким образом, для реализации навигационной системы можно использовать ЭВМ с относительно малой вычислительной мощностью, способную получать из последовательных фотоснимков информацию о расстоянии до препятствий. Это позволит выполнять полёты в полностью автономном режиме, в том числе, при отсутствии связи наземного пункта управления с БПЛА при полете по заданным точкам на малоизученном либо неизвестном рельефе. В перспективе возможно создание такой навигационной системы, которая сможет обходится без спутниковой навигационной системы при выполнении длительных полетов. Такая комплексная навигационная система может найти применение, например, при обследовании закрытых помещений, пещер и, возможно, при исследовании других планет (например, при реализации проекта Titan Saturn System Mission [3] в котором планируется участие России) и космических объектов, где любая связь с пунктом управления затруднена.