В МАИ разработали беспилотник для мониторинга со сменным набором целевых нагрузок

В Московском авиационном институте в рамках стратегического проекта «Аэромобильность» программы «Приоритет-2030» создана многоцелевая беспилотная авиационная система (БАС) «Скаут» с полётным контроллером и 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 аппарат обрабатывает получаемые данные 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.

Преимущество «Скаута» — возможность в автоматическом режиме облетать препятствия, сохраняя безопасную дистанцию, 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 «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 на Сахалине, МАИ совместно с ООО «БАС» и фондом НТИ реализовывал один из сценариев применения — мониторинг в сельском хозяйстве. 

Что включает в себя беспилотная авиационная система?

Если говорить в общем, то в неё как минимум входят сам беспилотный летательный аппарат (БЛА) и наземный пункт управления, с помощью которого осуществляется либо пилотирование, либо контроль за автоматическим полётом аппарата. В принципе, в состав могут входить ещё и станция базирования, если необходимо, чтобы беспилотник имел постоянную дислокацию в одном месте, или другие компоненты.

Если говорить о БАС «Скаут», 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 обнаружение 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 аналогов. Наши специалисты отрабатывали остановку перед препятствиями на разных скоростях, их облёт, обнаружение 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 при небольших расстояниях он способен с высокой точностью вернуться обратно. Это кстати тоже одно из отличий «Скаута» от аналогов. Многие БЛА после потери сигнала начинают возвращаться обратно, чтобы не потеряться. «Скаут» же продолжает выполнение миссии и завершает маршрут уже на точке посадки. 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 отличие — это сама полезная нагрузка. Мы поставили на «Скаут» камеру с большим разрешением, чтобы получать изображение наивысшего качества в самых разных условиях: при тряске аппарата, плохом освещении, ненастной погоде.

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

По «Скауту» мы постарались максимально автоматизировать сам процесс. Например, он во время полёта собирает информацию, возвращается и в автоматическом режиме подключается к компьютеру наземной станции, где тут же происходит 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 учётом, что люди, которые ими управляют, не являются профессиональными пилотами. «Скаут» — это 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. Для этого можно пройти небольшую программу обучения работы с БАС.

В каких сферах может применяться система?

«Скаут» разрабатывался как аппарат для применения в сельском хозяйстве. Сначала для фотографирования посевов, отслеживания их состояния. Потом пришёл запрос на подобный дрон: не только для наблюдения за посевами, но и для обнаружения нарушителей на полях, т.е. это 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 задействовать аппарат для решения разных задач.

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

«Скаут» — это очень гибкая система. На его борту, кроме автопилота, есть вычислитель, и заливая туда разные софты, которые обрабатывают информацию с полезной нагрузки, пользователь может изменить сферу его применения.

Как реализуется безопасность беспилотных систем?

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

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

Проект в Центре БЛА МАИ рождается только при наличии действительно актуальной задачи в какой-то области экономики. 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 выяснили 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 либо предлагать разработку для 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 общую структуру.

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

Когда мы прошли этап эскизно-технического проекта, 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 или полунатурные испытания 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 результаты, на основании которых система доводится в части конструкции или сборки на производстве.

Если заниматься только одним проектом и иметь полностью укомплектованную высококвалифицированную команду специалистов, то 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 регистрация 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 его 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 аэрологистика, т.е. доставка грузов. Насколько она перспективна, 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. 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. Требуется более фундаментальный подход, 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 в МАИ тоже смотрим за этим, у нас есть свой инициативный проект по аэротакси. 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, сказать: «Да, мне этот аппарат нужен». И тогда мы уже начнём делать его в полный рост.

Материал подготовлен при поддержке Минобрнауки России