Система управления беспилотным летательным аппаратом. Управление беспилотником (бпла) или "геймеры на войне"

20.09.2019

Введение диссертации (часть автореферата) на тему "Методы управления беспилотными летательными аппаратами в общем воздушном пространстве с использованием полетной информации при автоматическом зависимом наблюдении"

Важнейшей задачей воздушного транспорта является обеспечение транспортной доступности в отдаленных регионах страны, что необходимо для их экономического и социального развития. Эта задача возложена на региональную коммерческую гражданскую авиацию, которая должна обслуживать наиболее социально значимые сегменты спроса - местные авиаперевозки, авиационные работы в интересах отраслей экономики, а также сферу некоммерческого использования гражданской авиации - авиации общего назначения (АОН), включающую в себя, в том числе, любительскую и деловую авиацию.

Сегодня приоритетной задачей региональной авиации является обеспечение сообщения между центрами регионов и отдаленными населенными пунктами в регионах Сибири и Крайнего Севера, где самолет является основным, часто единственным средством обеспечения транспортной доступности. В обеспечении материальными ресурсами и создании экспортного сырьевого потенциала России эти регионы имеют первостепенное значение.

Совершенно очевидно, что интерес, который в последнее время проявляют организации ТЭК к использованию БПЛА, закономерен . Имея в своей структуре сотни тысяч километров трубопроводов, которые довольно слабо охраняются, а зачастую и вообще не охраняются, предприятия ТЭК напрямую заинтересованы в использовании беспилотных систем. Простая экономическая выгода подталкивает предприятия ТЭК к принятию решений по использованию БПЛА, и этот процесс, находящийся в данный момент в начальной стадии, будет неуклонно развиваться.

С помощью беспилотных систем можно контролировать как техническое состояние объектов, так и их безопасность, функционирование, притом, что контролируемые объекты могут находиться на большом удалении (протяженные объекты).

Однако применение БПЛА в гражданском секторе в настоящее время находится в ожидании решения некоторых технических и организационных проблем, без чего невозможно стабильное использование БПЛА.

Основные проблемы связаны с использованием воздушного пространства, выделением частотного диапазона для управления БПЛА и передачей информации с борта на землю и наоборот.

Также следует отметить, что основной вопрос в сфере применения БПЛА - это получение беспилотными аппаратами статуса воздушного судна (ВС).

БПЛА, не являясь ВС, не подлежат регистрации в реестре ВС и не имеют Свидетельства о регистрации и годности к использованию. Им невозможно, да и не нужно получать разрешение на использование воздушного пространства. А это уже чревато самыми серьезными последствиями. Аппарат, способный летать на высоте до 4 км со скоростью до 250 км/час, массой около 100 кг, может подняться в воздух без разрешения на использование воздушного пространства, ведь по классификации - это радиоуправляемая модель. В этой ситуации скорее нужны не запретительные меры, а организация разрешительных мероприятий.

В рамках действующего законодательства есть вид авиации, в котором «беспилотники» могут существовать на законном основании. Это -экспериментальная авиация. По этому пути идут и другие страны (США, Европа). В этой отрасли есть многолетний опыт использования летательных аппаратов, а также возможность контроля за техническим состоянием БПЛА и многое другое. Получив статус ВС в рамках экспериментальной авиации, БПЛА смогут использовать воздушное пространство по существующим правилам. Конечно, все БПЛА должны быть застрахованы от ущерба третьим лицам.

БПЛА должны иметь на борту транспондеры, отвечающие всем требованиям ИКАО в этой области. Те БПЛА, которые не способны нести аппаратуру, могут летать только в специально отведенных районах по предварительным заявкам с большим сроком уведомления. 6

Цель всех организаций, участвующих в регламентации использования БПЛА в воздушном пространстве России, состоит в том, чтобы достигнуть уровня безопасности полетов любого класса БПЛА, эквивалентного уровню безопасности полетов самолетов. Для этой цели необходимо разработать технические требования к БПЛА, которые бы способствовали выполнению этой задачи.

БПЛА в последние годы активно применялись военными, поэтому наработанный ими опыт эксплуатации БПЛА в различных условиях отбрасывать ни в коем случае нельзя. Наоборот, нужно привлечь военных к выработке технических требований к БПЛА с учетом того, что цели и задачи применения беспилотных аппаратов в гражданском секторе некоторым образом отличаются от задач, решаемых военными.

Таким образом, можно отметить тот факт, что использование БПЛА в воздушном пространстве России не только возможно, но и необходимо. Полеты БПЛА возможны при условии выполнения требований (выработанных) для получения Свидетельств о летной годности и регистрации. Это можно сделать в рамках экспериментальной авиации.

Вместо этого на практике существует следующая ситуация. Большинство образцов беспилотных летательных аппаратов создаются в инициативном порядке, с использованием доступных комплектующих. Говорить об унификации и стандартизации не приходится. Как следствие, в России эксплуатируются десятки (если не сотни) разнотипных аппаратов, наиболее распространенные семейства которых насчитывают по несколько десятков машин. Говорить же о создании полноценной системы, которая бы включала в себя не только летательные аппараты, но и мощную наземную инфраструктуру, могут только единичные разработчики и производители.

Отсутствие законодательной и нормативной базы в области беспилотной авиации создает разработчикам и потенциальным эксплуатантам серьезные проблемы. Даже в оборонной области проектные работы регламентируются общетехническими требованиями 20-летней давности, а для проектирования коммерческих БПЛА никакой нормативной базы не существует вовсе. В 7 настоящее время в правительстве идет работа над программой возрождения малой авиации, в которую составной частью войдет и беспилотная авиация. В условиях, когда рынок имеет большой потенциал для роста, необходимо консолидировать усилия разработчиков, заказчиков и всех ветвей власти.

В настоящее время контролю уровня безопасности полетов придается исключительное значение. Это вызвано ростом объемов воздушных перевозок и тяжестью последствия воздушных катастроф. Для повышения эффективности функционирования системы управления воздушным движением (УВД) требуется оптимизировать существующие функции контроля за соблюдаемым уровнем безопасности полетов. Для этого, используя современные методы обработки информации, нужно иметь возможность оперативно контролировать текущий уровень безопасности полетов.

При вычислении оперативной оценки уровня безопасности полетов должна использоваться наиболее полная информация о движении ВС (в том числе и БПЛА) в текущий момент времени и структуре контролируемого воздушного пространства. При этом выделяют несколько задач: оценка уровня безопасности при полетах на трассах, в зоне подхода, при взлете и посадке ВС, руление в зоне аэродрома. Задача разработки практически приемлемых схем и маневров, разрешающих потенциально конфликтную ситуацию пары воздушных судов, является крайне важной для обеспечения безопасности воздушного движения.

Следует отметить, что наблюдение за воздушными судами, осуществляющими полет в национальном воздушном пространстве, является составной частью существующей системы управления воздушным движением

России. В настоящее время технология наблюдения основывается на использовании первичного и вторичного радиолокаторов. Хотя эта технология и сохранит свое значение для УВД в обозримом будущем, в ИКАО рассматриваются новые, обеспечивающие наблюдение, технологии, применение которых за рубежом уже частично началось, несмотря на отсутствие единого взгляда на концепцию и ее конкретную техническую реализацию. В России разработана эксплуатационная концепция одной из таких 8 новых технологий, использование которой, как видится, могло бы обеспечить наиболее рациональный для наших условий путь перехода к будущей системе С№/АТМ. Данная технология основывается на сочетании надежных и точных бортовых навигационных систем и надежной системы связи по линии передачи данных (ЛПД), которая транслирует полученную на борту информацию о координатах воздушного судна всем заинтересованным в ее использовании потребителям. Упомянутая технология получила название радиовещательного автоматического зависимого наблюдения (АЗН-В).

Применение АЗН-В не будет ограничиваться традиционными функциями, ассоциирующимися с наземными радиолокационными системами, а обеспечит новые возможности, реализуемые как на борту воздушного судна, так и на автоматизированных рабочих местах диспетчеров УВД. АЗН-В объединяет, фактически, две технологии: на основе ЛПД «воздух-земля» и ЛПД «воздух-воздух». Эксплуатационная концепция представляет сценарии АЗН-В, которые будут реализовываться на эволюционной основе при принятии- решения о развертывании радиовещательного АЗН в России. Эксплуатационная концепция не акцентирует внимание на выборе или определении технических деталей реализации АЗН-В, а нацелена на обеспечение будущих эксплуатационных потребностей, а также плавного экономически выгодного перехода от существующей системы наблюдения радиолокационного типа к перспективной, на базе АЗН-В.

Таким- образом, требования нормативно-правовых документов, проводимые исследования в области управления БПЛА при организации воздушного движения показывают, что в настоящее время существуют противоречия между:

Возросшим объемом задач для БПЛА, решаемых в интересах народного хозяйства России, и отсутствием нормативно-законодательной базы для их использования;

Уровнем потенциальных возможностей БПЛА дальнего радиуса действия и запретом их использования в общем воздушном пространстве;

Требованием поддержания паритета с уровнем развития БПЛА в индустриально и технологически развитых государствах и современным состоянием разработки, унификации, стандартизации «беспилотников» в гражданской авиации России;

Отсутствием в настоящее время трудов, носящих системный характер, направленных на создание системы правил использования БПЛА в общем воздушном пространстве, и насущной потребностью в этом;

Ростом производительности и надежности применяемых технических средств (в частности систем АЗН) и отсутствием тенденции их использования при управлении БПЛА.

Изложенные выше частные противоречия позволяют сформулировать главное противоречие, которое заключается в том, что существующий уровень развития методов управления БПЛА на основе вещательного автоматического зависимого наблюдения позволяет обеспечить координацию полетов БПЛА, но при этом отсутствует нормативно-правовая база для их использования в общем воздушном пространстве.

Сформулированные частные противоречия и их обобщение позволяют уяснить, что без их устранения невозможно дальнейшее полноценное использование БПЛА, а, следовательно, и развитие гражданской авиации России.

Сложившееся положение в области управления БПЛА, изложенные выше противоречия и предопределили актуальность темы диссертации, направленной на разработку методов управления беспилотными летательными аппаратами в общем воздушном пространстве с использованием полетной информации при автоматическом зависимом наблюдении.

Объектом исследования в работе является управление воздушным движением беспилотных летательных аппаратов.

Предметом исследований - методы управления беспилотными летательными аппаратами в общем воздушном пространстве путем использования новых информационных технологий сбора, обработки и передачи навигационных данных и команд управления.

Цель диссертационной работы: повышение безопасности полетов беспилотных летательных аппаратов в общем воздушном пространстве на основе применения новых методов их управления с использованием полетной информации при автоматическом зависимом наблюдении.

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи исследований:

1 - Проведен анализ технических характеристик беспилотных летательных аппаратов и областей их применения для решения задач народного хозяйства страны.

2 - Систематизированы требования к методам управления полетами БПЛА в общем воздушном пространстве, обеспечивающим безопасность полетов всех участников воздушного движения.

3 - Разработаны алгоритмы разрешения ПКС между БПЛА и ВС в общем воздушном пространстве.

4 - Исследована проблема информационной безопасности АЗН как проблема целостности и конфиденциальности передачи данных.

5 - Разработан алгоритм контроля достоверности передаваемых данных.

6 - Разработана структура и определены функции наземного и бортового оборудования для управления БПЛА.

Методы исследования. Расчетно-аналитическое описание исследований основано на общей теории управления и общей теории динамических систем, на применении теории вероятностей, общей теории статистики, теории надежности, теории конечных автоматов и алгоритмов, теории оптимальных решений, методов математического анализа и программирования.

Основными исходными данными для проведения исследований являются: соответствующие положения нормативно-правовых документов; протоколы государственных испытаний сети вещательного автоматического зависимого наблюдения; результаты выполненных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

Достоверность результатов исследований подтверждается результатами экспериментальных проверок предлагаемых способов и методов управления БПЛА.

В качестве информационной базы исследований использовались рекомендации документов ИКАО и Евроконтроля, нормативные документы МТ РФ и ФАВТ.

Структура диссертации и краткая аннотация"каждого раздела.

Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка использованных источников из 93-х наименований, 3-х приложений.

Заключение диссертации по теме "Навигация и управление воздушным движением", Токарев, Юрий Петрович

Выводы по четвертому разделу

1. Предложенный комплекс (модель) контроля и управления БПЛА обеспечивает решение совокупности задач, связанных с управлением БПЛА, обработкой координатной информации, отображением принятой информации, отображением маршрутов планируемого и реального полёта БПЛА на фоне карты местности выполнения полёта, формированием команд управления в ручном режиме полёта, оперативной регистрацией всего объёма принимаемых от каждого БПЛА данных и переданных команд управления.

2. Данный комплекс управления поддерживает работу всех штатных режимов контроля и управления БПЛА. В нем реализованы новейшие разработки аппаратуры управления, применены новейшие информационные технологии.

3. Результаты испытаний данного комплекса управления показали, что его использование с применением АЗН-В возможно для управления полетами БПЛА в общем воздушном пространстве.

4. Разработанный комплекс контроля и управления БПЛА способен; выполнять свои задачи в группе (строю) с другими летальными аппаратами в общем воздушном пространстве.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В последнее время в нашей стране вопросам создания и управления движением БПЛА уделяется все большее внимание.

Но следует отметить, что, несмотря на привлекательность, кажущиеся, доступность и простоту тематики БПЛА, она в реальности является не только весьма сложной технической задачей, но и серьезнейшей идеологической проблемой, поскольку затрагивает вопросы идеологии организации экономической политики государства. Нормативно-правовая база вопросов применения БПЛА в общем воздушном пространстве в настоящее время нуждается в доработке.

Разработке методов управления беспилотными летательными аппаратами в общем воздушном пространстве с использованием полетной информации при автоматическом зависимом наблюдении и посвящена данная диссертационная работа, в ходе которой достигнута заявленная цель исследований, поставленные задачи решены.

Проведенные в диссертационной работе исследования привели- к созданию методологии, обеспечивающей безопасное управление полетами беспилотных летательных аппаратов в общем воздушном пространстве. При этом получены следующие основные результаты:

1 Выполнен анализ перспективной технологии наблюдения АЗН-В за воздушными судами, которая обеспечивает диспетчеру УВД, наряду с радиолокационным наблюдением, и спутниковое поле наблюдения, гарантирующее высокую точность определения координат независимо от направления и расстояния до наблюдаемого объекта: до 15 м или до 2 м при использовании локальной контрольно корректирующей станции.

2 Разработана и экспериментально подтверждена технология управления полетом БПЛА в общем воздушном пространстве, отличающаяся тем, что команды управления передаются (в условиях прямой радиовидимости) на борт БПЛА с наземного пункта управления оператором по ЛПД АЗН-В.

3 Установлено, что уровень целостности АЗН-В можно оценить

139 показателем вероятности потери или искажения данных о положении БПЛА. Предложен метод оценки искажения данных о положении БПЛА, заключающийся в определении времени задержек при прохождении сигнала от источника излучения и измерения расстояния до БПЛА, вычисляемого по координатам. Если разность вычисленных координат превышает по модулю допустимую величину, то принимают решение об искажении данных. За счет этого повышается достоверность данных передаваемых по ЛПД.

4 Предложены методы и алгоритмы предотвращения потенциально конфликтных ситуаций с участием БПЛА. Маневры БПЛА оптимизированы с учетом особенностей распространения информации АЗН-В, таких как точность, периодичность, заблаговременность.

5 Предложен способ управления БПЛА и устройство для его реализации. Способ управления защищен авторским свидетельством (патент на изобретение № 2390815). Устройство реализует методы управления, в которых осуществляется сравнение расчетных прогнозируемых значений параметров полета БПЛА с текущими значениями координат, полученными от приемника спутниковой навигационной системы, и при их неравенстве вырабатываются соответствующие сигналы по трем каналам управления вращательного движения и по каналу продольного движения.

6 Определены принципы построения программно-аппаратного комплекса контроля и управления БПЛА и разработаны требования к человеко-машинному интерфейсу.

7 Научно обоснован минимальный перечень команд управления для обеспечения безопасности воздушного движения БПЛА в общем воздушном пространстве, который обеспечивает его управление при навигационном управлении.

8 Результаты испытаний подтверждают возможность их использования для управления полетами БПЛА в общем воздушном пространстве.

9 АЗН-В позволяет эксплуатировать БПЛА в общем воздушном пространстве, так как интегрируется в автоматизированную систему УВД и обеспечивает за счет широковещательной передачи координат движения БПЛА

140 информацию по узкополосному каналу ЛПД для всех участников движения, что обеспечивает безопасность воздушного движения.

Дальнейшие исследования целесообразно проводить в области совершенствования работы сети АЗН-В для управления движением БПЛА в общем воздушном пространстве.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Токарев, Юрий Петрович, 2011 год

1. Кулик A.C., Гордин А.Г., Нарожный В.В., Бычкова И.В., Таран А.Н. Проблематика разработки перспективных малогабаритных летающих роботов. Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт», Украина, 2005

2. Управление и наведение беспилотных маневренных летательных аппаратов на основе современных информационных технологий /Под ред. М.Н. Красилыцикова, Г.Г. Себрякова. М.: Физматлит, 2003.

3. Вилкова Н. Н., Сухачев А. Б. Россия должна вернуться в ряд ведущих «беспилотных» держав. // Национальная оборона. №10 (19), октябрь 2007, с.48-54.

4. Сухачев А. Б. Беспилотные летательные аппараты. Состояние и перспективы развития. М.: МНИТИ, 2007, 60 с.

5. Сухачев А. Б., Мелькумова Н. Г., Шапиро Б. Л.,- Ерема С. Л. Исследование технико-экономических характеристик перспективных комплексов беспилотных летательных аппаратов.//Электросвязь,. №5, 2008, | с. 16-20.

6. Беспилотные самолеты вертикального взлета и посадки: Выбор схемы и определение проектных параметров / Н. К. Лисейцев, В. 3. Максимович и др.; Под ред. д-ра техн. наук, проф. Н. К. Лисейцева.- Из-во МАИ-ПРИНТ, 2009.- 140с.

7. Трубников Г. В. Опыт развития гражданских беспилотных систем и услуг в России. // Труды Второго Московского Международного Форума «Беспилотные многоцелевые комплексы в интересах ТЭК». М. Экспоцентр, 29-31 января 2008 г.

8. Беспилотные летательные аппараты // AeroBusiness., Сурков A.M., 1998. №1. С. 35 -37

9. Миниатюризация - новое направление развития информационных беспилотных комплексов // ГосНИИАС. Авиационные системы. Научно-техническая информация. 2001/2.

10. Беспилотные летательные аппараты. Состояние и тенденции развития/ Под ред. Иванова Ю.Л. М.: Варяг, 2004.

11. Развитие, основы устройства, проектирования, конструирования и производства летательных аппаратов (дистанционно-пилотируемые летательные аппараты)/ Под ред. Голубева И.С., Янкевича Ю.И. М.: Изд-во МАИ, 2006.

12. Концепция и системы CNS/ATM в гражданской авиации / Бочкарев В. В., Кравцов В. Ф., Крыжановский Г. А. и др.; Под ред. Г. А. Крыжановского.-М.: ИКЦ «Академкнига», 2003.- 415 с.

13. Бабаскин В. В., Королькова М. А., Олянюк П. В., "Чепига В. Е. Воздушный транспорт в современном мире / под ред. П. В. Олянюка. С-Пб.: Государственный университет ГА, 2010-ЗЗбс.

14. Фальков Э.Я. Об организации полетов беспилотных летательных аппаратов в гражданском воздушном пространстве// Тезисы докладов 5-международной конференции «Авиация и космонавтика 2006». - М.: МАИ, 2006.

15. Авиационная миссия Москвы: Ставка на малую авиацию и новые технологии. // «Авиапанорама», март-апрель 2008.

16. Авиационная миссия Москвы: Восстановлен воздушный мост для Золотого кольца России. // «Авиапанорама», май-июнь 2008.

17. Авиационная миссия Москвы: Базовый принцип безопасного управления // «Авиапанорама», июль-август 2008.

18. Авиационная миссия Москвы: Авиатакси и не только // «Авиапанорама», сентябрь-октябрь 2008.

19. Беляев В. Война в воздухе. Новая угроза. Авиация и космонавтика вчера, сегодня, завтра. №4, 2004

20. США разрабатывают самолет-убийцу./ Интерфакс-АВН. Известия №51,2005

21. Авиационная электросвязь. Приложение 10 к Международной конвенции ИКАО (t.IV: Системы обзорной радиолокации и предупреждения столкновений). Монреаль, 1995.

22. Tomlin C, Lygeros J., Sastry S. Synthesizing Controllers for Nonlinear Hybrid Systems. Report of the Research under NASA Grant NAG-2-1039. University of California, Department of Electrical Engineering and Computer Sciences. 1997. 16 pp.

23. ГОСТ 20058-80. Динамика летательных аппаратов в атмосфере. Термины, определения и обозначения. М.: Госстандарт. 1980.

24. Автоматизированные системы управления воздушным движением: Справочник / Савицкий В.И., Василенко В.А. и др. М.: Транспорт,Л 986. 192 с.

25. Патент № US2008033604 "System and Method For Safely Flying Unmanned Aerial Vehicles in Civilian Airspace", опубл., 2008-02-07, http://v3.espacenet.com.

26. Minimum Aviation System Performance Standards For Automatic Dependent Surveillance Broadcast (ADS-B). RTCA/DO-242A. RTCA, Inc. 2002.

27. Автоматизированное управление самолетами и вертолетами / Федоров С.М., Кейн.В.М., Михайлов О.И., Сухих Н.Н. М.: Транспорт, 1992, 266с.

28. Токарев Ю.П. Автоматическое зависимое наблюдение в условиях интенсивного развития беспилотной авиации. Транспорт: наука, техника, управление. ВИНИТИ. 2006, №8, с. 17-20.

29. Токарев Ю.П. Применение линии передачи данных для управлениябеспилотным летательным аппаратом. СПб: Научно-технические ведомости

30. СПбГПУ. Информатика. Телекоммуникации. Управление. №6 (113)/2010, с. 7144

31. Руководство по применению линий передачи данных в цепях обслуживания воздушного движения: Doc/9694 AN/ 995/ - Монреаль, 1999, Юс.

32. Привалов A.A. Метод топологического преобразования стохастических сетей и его использование для оценки эффективности систем связи ВМФ. СПб: BMA, 2000г., 160 с.

33. Привалов A.A., Чемиренко В.П. и др. Модели и методы исследования сетей связи ВМФ. СПб: BMA, 2003 г., 219 с.

34. Красовский H.H. Теория управления движением. М: Наука, 1968,476с.

35. Красовский H.H., Субботин А.И. Позиционные дифференциальные игры. М: Наука, 1974, 456с.

36. Куржанский А.Б. Управление и наблюдение в условиях неопределенности. -М: Наука, 1977, 392с.

37. Автоматизированные системы управления воздушным движением: Новые информационные технологии в авиации: Учеб. Пособие / P.M. Ахмедов, A.A. Бибутов, A.B. Васильев и др.; Под ред. С.Г. Пятко и А.И. Красова. СПб: Политехника, 2004, 446с.

38. Кейн В.М. Оптимизация систем управления по минимаксному критерию. -М.: Наука, 1985. 248 с.

39. Кумков С.И. Конфликтные ситуации в пространстве, маневр по вертикали. Отчет по НИР "Алгоритмы обнаружения и разрешения конфликтных ситуаций применительно к конкретным районам УВД". ИММ УрО РАН, Екатеринбург, 2002. 47с.

40. Kumkov S. I. Conflict Detection and Resolution in Air Traffic Control // IF AC on-line Journal on Automatic Control in Aerospace, AS-09-004, 2009, 7 pp.

41. Анодина Т.Г., А. А. Кузнецов A.A., Е. Д. Маркович. Е.Д. Автоматизация управления воздушным движением. М: Транспорт, 1992.

42. Белкин A.M., Н. Ф. Миронов Н.Ф., Ю. И. Рублев Ю.И., Сарайский Ю.Н. М: Воздушная навигация: справочник. Транспорт, 1998.

43. Токарев Ю.П. // Флуктуационные явления на ОВЧ линии передачи данных режима 4. Тезисы докладов XXXIX научной конференции студентов, аспирантов" и молодых ученых, посвященной памяти авиаконструктора И. И. Сикорского. СПбГУГА, 2007. с. 14.

44. Токарев Ю.П. Особенности применения ОВЧ линии передачиданных режима 4 на беспилотных летательных аппаратах. // Тезисы докладов

45. XXXIX научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых,146посвященной памяти авиаконструктора И. И. Сикорского. СПбГУГА, 2007. с.15.

46. Бочкарев В.В., Крыжановский Г.А., Сухих Н.Н Автоматизированное управлениедвижением авиационного транспорта. \ Под. Ред. Г.А. Крыжановского,. ¡Транспорт, 1999. 319с.

47. Королев E.H. Технологии работы диспетчеров управления воздушным движением. М: Воздушный транспорт, 2000, 155с.

48. Липин A.B., Олянюк П.В. Бортовые системы предотвращения столкновений воздушных судов. Учебное пособие. СПб.: Академия гражданской авиации, 1999. 54 с.

49. Пятко С.Г. Методы повышения точности прогнозирования траекторий полета самолетов в автоматизированных системах управления воздушным движением. Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. Л, ОЛАГА, 1985, 188 с.

50. Пятко С.Г. Методы прикладной теории наблюдения на основе информационных множеств в автоматизированных системах управления воздушным движением. Дисс. на соискание ученой степени доктора техн. наук. С-Пб, АГА, 2000, 370 с.

51. Токарев Ю.П. Применение АЗН-В в задачах обеспечениябезопасности движения БПЛА. // Тезисы докладов XLII научно-техническойконференции студентов, аспирантов и молодых учены, посвященной памяти147авиаконструктора И. И. Сикорского. СПбГУГА, 2010. с.21.

52. Eduardo D. Sontag, Mathematical Control Theory: Deterministic Finite Dimensional Systems. Second Edition, Springer, New York, 1998.

53. Пацко B.C., Пятко С.Г., Кумков A.A., Федотов A.A. Оценивание движения воздушного судна на основе информационных множеств при не полных замерах координат: Научные доклады. - СПб: Академия гражданской авиации, 1999; ИММ УрО РАН, Екатеринбург, 1999.

54. Пятко С.Г. Скользящая модернизация систем УВД. - СПб, Типография фирмы «НИТА», выпуск 2, 2003.

55. Правила аэронавигационного обслуживания. Организация воздушного движения. Doc 4444 ATM/501. ИКАО. Издание пятнадцатое, 2007

56. Правила аэронавигационного обслуживания. Производство полетов воздушных судов. Том 1. Правила производства полетов. Doc 8168-OPS/611, Том 1. ИКАО, Издание пятое, 2006

57. Правила аэронавигационного обслуживания. Производство полетов воздушных судов. Том 2. Построение схем визуальных полетов. Doc 8168-OPS/611, Том 2. ИКАО, Издание пятое, 2006

58. Руководство по навигации, основанной на характеристиках (PBN). Doc 9618-AN/937, ИКАО, Издание третье, 2008

59. Руководство по планированию воздушного пространства. Основные принципы. ASM.ET1 .ST03.4000.EAPM.01.02. Издание 1. Евроконтроль. 2002

60. Глобальная эксплуатационная концепция ОрВД. Doc 9854-AN/458, ИКАО, Издание первое, 2005

61. Обслуживание воздушного движения. Диспетчерское обслуживание воздушного движения, полетно-информационное обслуживание, служба аварийного оповещения. Приложение 11 к Конвекции о международной авиации. ИКАО, Издание тринадцатое, 2001

62. Справочник по организации воздушного пространства. ASM.ET1 .ST08.5000.HKB-02-00. Издание 2. Евроконтроль. 2003

63. Методика создания и допуска к эксплуатации маршрутовобслуживания воздушного движения. Москва. Госкорпорация по ОрВД. 2008148

64. Федеральные правила использования воздушного пространства Российской Федерации. Утверждены постановлением Правительства Российской Федерации от 11 марта 2010. №138. М. 2010, 45 с

65. Токарев Ю.П., Фальков Э.Я. Полеты беспилотных летательных систем в гражданском воздушном пространстве в рамках существующих стандартов и методов ИКАО. UNMANNED AIRCRAFT SYSTEMS STUDY GROUP (UASSG) SECOND MEETING Montréal, 2 to 5 December, 2008.

66. Токарев Ю.П., Громова Е.Г., Фальков Э.Я., Пятко С.Г. Организация полетов беспилотных летательных систем в общем воздушном пространстве. -М: ВВИА, 20-21 ноября 2008.

68. Токарев Ю.П. Беспилотные воздушные системы (UAS). Потребности и вызовы. Глобальный форум по организации ВД по вопросам гражданско-военного сотрудничества, ИКАО, октябрь 2009.

69. Бортовая аппаратура радиоуправления АЗН-В4Д. Технические условия. НКПГ.464211.001 ТУ. Санкт Петербург, ООО «Фирма «НИТА», 2009, 41 с

70. Бортовая аппаратура радиоуправления «АЗН-В4Д». Руководство по эксплуатации. НКПГ.464211.001 РЭ. Санкт Петербург, ООО «Фирма «НИТА», 2008, 25 с

71. Наземная станция связи, навигации и наблюдения «ПУЛЬСАР-Н». Руководство по эксплуатации. НКПГ.464511.006 РЭ. Санкт Петербург, ООО «Фирма «НИТА», 2008, 60 с.

72. Наземная станция связи, навигации и наблюдения «ПУЛЬСАР-Н». Управляющий модуль. Руководство оператора. НКПГ. 10401-01 34. Петербург, ООО «Фирма «НИТА», 2008, 18 с.

73. Наземная станция связи, навигации и наблюдения «ПУЛЬСАР-Н». Управляющий модуль. Руководство системного программиста. НКПГ. 10401-01 32. Петербург, ООО «Фирма «НИТА», 2008, 11 с.

74. Minimum operational performance specification for VDL mode 4149aircraft transceiver for ADS-B. Version L. ED-108. EUROCAE. 2001, 386 c.

75. Manual on VHF Digital Link (VDL) Mode 4. Doc 9816-AN/448, ИКАО, Издание первое, 2004

76. Системы адаптивного управления летательными аппаратами. / Новиков А.С. и др. М.: Машиностроение, 1987

77. Бабуров В.И. и др. Совместное использование навигационных полей спутниковых радионавигационных систем и сетей псевдоспутников. - СПб.: Агенство «РДК-Принт», 2005

78. Г. О лее он, Д. Пиани Цифровые системы автоматизации и управления. СПб.:Невский Диалект, 2001. -557с.

79. Кузьмин Б.И. Авиационная цифровая электросвязь в условиях150реализации «Концепция ИКАО-ИАТА CNS/АТМ» в Российской Федерации. С-Петербург-Н. Новгород: ООО «Агентство» ВиТ-принт», 2007.- 384 с.

80. Патент № US2008033604 "System and Method For Safely Flying Unmanned Aerial Vehicles in Civilian Airspace", опубл. 2008-02-07, http://v3.espacenet.com.

81. Субботин А.И., Ченцов А.Г. Оптимизация гарантии в задачах управления. М.: издательство «Наука», 1981 год, 288 стр.

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.

БПЛА – беспилотный летательный аппарат. Еще их называют дроны (от англ. трутень) или просто беспилотники. На самом деле никаких беспилотников не существует. Любой БПЛА имеет своего оператора-пилота, а некоторые дроны имеют по два-три оператора. В данном случае, термин «беспилотный» означает что летчик не находится на борту летательного аппарата (ЛА). Но управляет разведывательным или ударным беспилотником все-таки человек.

Применение БПЛА в военных конфликтах, с участием американской армии, в последние годы, многократно увеличилось. В связи с этим, конгрессом США в 2013 году планировалось ввести медаль «За особые боевые заслуги», которую полагали вручать операторам беспилотников и спецам боевых киберподразделений принимавшим участие в военных конфликтах. Но справедливое негодование настоящих ветеранов, участников настоящих боев, было так велико, что медаль без особой помпы тихо отменили. Это говорит, во-первых, о многократно возросшем участии операторов в боевых действиях, и, во-вторых, о назревающем конфликте в системе БПЛА – оператор.

Так кто же такой оператор-пилот дрона? Военный, принимающий ответственные решения о применении оружия? Или просто геймер виртуально управляющий дорогой игрушкой на расстоянии? Задача беспилотника не подвергать опасности человека сидящего в кабине. Действительно, физической опасности для оператора, находящегося за много миль от места боевых действий, не существует. Однако, как выяснили американские психологи и медики, оператор БПЛА, проводивший боевые операции с применением оружия, подвержен серьезным психологическим нагрузкам. Он даже подвержен посттравматическим синдромам, подобно бойцу, принимавшему непосредственное участие в боевых операциях. Как бы ни был автоматизирован дрон-беспилотник, ответственность за его действия, за применение оружия несет человек. Опыт эксплуатации оперативно-тактических беспилотных авиационных комплексов (БАК), показал, что наиболее эффективна команда из трех человек для управления и принятия решения.

Первый это сам пилот, управляющий БПЛА, второй член команды - оператор боевых систем. В его обязанности входит обнаружение, идентификация цели, и принятие решения о применении оружия. И третий из состава-оператор интеллектуальных систем, имеющий опыт управления БПЛА и владеющий системами интеллектуальной поддержки в помощь летчику, обладающий отменной реакцией в принятии решения. Эта команда, со своими рабочими местами объединена в локальную сеть, и находятся в одном операторском помещении.

Помещение мобильно и оборудовано всеми необходимыми многофункциональными органами управления, многофункциональными мониторами, и ручными органами управления. К ручным органам управления относятся кистевые самолетные ручки и флайстики на манер игровых джойстиков. Несмотря на огромное количество современного оборудования, на большое количество поступающей и обрабатываемой информации этого явно недостаточно. Это хорошо понимают пилоты, которые знают разницу между авиатренажером и реальным полетом. Как бы ни был совершенен авиасимулятор или тренажер, он имеет один существенный недостаток, так называемый «сенсорный голод». Это, прежде всего отсутствие перегрузок, которые чувствует в полете пилот «пятой точкой».

Неуловимое изменение в пространстве самолета сразу становится понятно опытному летчику как раз этой самой пресловутой «пятой точкой», и это не анекдот, автор этих строк испытал на себе это ощущение. Небольшая вертикальная или боковая нагрузка, говорит о полете больше чем все приборы вместе взятые. Так вот, оператор БПЛА как раз вот этих ощущений и лишен. Если добавить сюда отсутствие звука двигателя, и невозможность бросить мгновенный взгляд влево-вправо, вверх-назад, становится понятным термин «сенсорное голодание». Работы над обратной связью «БПЛА-пилот» сейчас ведутся полным ходом. Например, дрожание картинки на экране, и вибрация флайстика, может подсказать оператору о попадании ЛА в зону турбулентности, это позволит ему оперативнее отреагировать не неблагополучную ситуацию в полете.

Первоначально операторов набирали среди бывших или действующих пилотов. Но со временем стало понятно, что по скорости реакции, без ощущений «пятой точки», стало ясно, что профессионалы значительно уступают простым геймерам, имеющим опыт обращения с авиасимуляторами на компьютерах или игровых консолях, таких как Playstation или ХBoх. Операторы, обучающиеся пилотированию БПЛА, что называется «с нуля», быстрее осваивали сложную аппаратуру и управление ЛА, в отличие от летчиков, которые делали больше ошибок и медленнее обучались.

Но в связи с этим встает проблема уже не технического характера, а морально-этического. Профессиональный военный летчик много лет не только осваивает сложную авиационную технику, он так же готовится принимать ответственные решения в экстремальных боевых условиях. Четко осознает все меру ответственности за применение боевого оружия, за управление очень дорогостоящим ЛА. Он сам находится в гуще событий, подвергается опасности, для него это не виртуальная реальность. Оператор из гражданских, привлеченных на службу геймеров, не всегда осознает грань между виртуальным и реальным пространством. Для него сохраняется игровой момент в управлении многомиллионным беспилотником. Сейчас существует десять степеней автоматизации в системе «оператор-БПЛА». От полного управления и принятия всех решений оператором человеком, до полной автономности дрона, где человек просто наблюдатель, не принимающий никаких решений. Если в первом варианте всю моральную и правовую ответственность за отдачу команды «огонь» несет полностью человек, то во втором варианте автоматика, робот. И тогда случаи сбоя или неисправности, могут привести к фатальным последствиям. Сейчас в лабораториях США ведутся исследования и разработки голосового интерфейса для общения оператора с роботом-дроном. И для принятия ответственного решения на применение оружия, они могут выработать совместное решение, предварительно «обсудив» ситуацию.

Сейчас сохраняется тенденция большей ответственности оператора человека за принимаемые решения. Даже посадку тяжелых многофункциональных БПЛА осуществляет оператор. Дроны склонны к более крутой глиссаде на посадке, к большим перегрузкам и более жесткому касанию полосы, что зачастую приводит к выводу из строя взлетно-посадочных устройств, или попросту-шасси. И сейчас БПЛА в основном сажаются операторами-пилотами, ведь стоимость тяжелого дрона-десятки миллионов долларов.

К 2030 году планируется сконструировать полностью автономного робота-дрона, принимающего все решения автономно, вплоть до выбора цели, и нанесения боевого удара. А пока, ведущее место в управлении БПЛА занимает все-таки человек, пилот, оператор, осознающий всю меру ответственности за чьи-то жизни.

Валерий Смирнов специально для

Архитектура построения навигационного комплекса беспилотных летательных аппаратов может быть различной, в зависимости от требований и выполняемой задачи, ниже рассмотрены основные из них.

Как показывает опыт разработки беспилотных летательных аппаратов, в контуре управления БЛА существуют два основных элемента. Первый - исполнительный, т.е. это сам планер с силовой установкой и рулевые механизмы. Второй - командный. Это тот элемент, который ставит задачу на полёт, принимает решение в случае необходимости изменить программу полёта, выполняет коррекцию движения летательного аппарата при его отклонениях от заданной траектории движения.

При построении комплекса управления БЛА командный элемент или его часть выносится за пределы аппарата и связывается с исполнительным элементом линией передачи.

Наибольшие трудности возникают при разработке системы управления (СУ). Это связано с тем, что БЛА должен выполнять задачи в условиях автономного полёта, следовательно, иметь полную функционально замкнутую СУ. Кроме того, малые размеры и масса БЛА приводят к увеличению количества и диапазона внешних воздействий на данные объекты по сравнению с существующими летательными аппаратами, и, следовательно, ужесточают требования к элементной базе СУ. В связи с этим СУ должна решать следующие задачи:

стабилизация параметров движения объекта применительно к внешним помехам различной природы;

анализ внешних данных бортовыми средствами и определение приоритетной цели в зависимости от поставленной перед БЛА задачи;

расчет оптимальной траектории движения с целью уменьшения времени движения и расхода ресурсов БЛА;

контроль правильности удержания траектории;

обеспечение отказоустойчивости объекта управления или компенсация изменений его характеристик бортовыми средствами;

выполнение вычислительных операций большого объема в реальном масштабе времени для реализации алгоритмов управления БЛА.

Следует подчеркнуть, что основной функцией, решаемой СУ, является управление движением центра масс (три канала управления) и угловыми движениями БЛА относительно центра масс (три канала управления). Если не нужно точно выдерживать движение летательного аппарата по заданной траектории, то управляют только его угловыми движениями. Управление угловыми движениями обеспечивает вполне определенное положение БЛА в пространстве по отношению к вектору скорости центра масс. Управление движением центра масс обеспечивает полёт по наилучшей (оптимальной) траектории, например, по кратчайшему пути за кратчайшее время.

Таким образом, управление полетом БЛА сводится к управлению параметрами его движения: угловыми координатами, угловыми скоростями и ускорениями, линейными координатами (дальностью, высотой, боковым перемещением) и т. д.

Существующие СУ подразделяют на автономные и неавтономные. Кроме того, в отдельную группу могут быть выделены комбинированные СУ. Особенностью автономных СУ является то, что сигналы управления движением вырабатываются аппаратурой, целиком расположенной на борту, причем эта аппаратура после запуска не получает никакой информации из пункта управления. Автономные СУ действуют по заранее определенной программе.

При использовании автономных систем существует два метода получения управляющих сигналов. Можно заранее перед стартом рассчитать, как должны изменяться во времени основные параметры движения БЛА (скорость, угол и т.д.), определяющие траекторию движения. Полученные функции времени вводятся в специальные устройства СУ в качестве заданных величин или программ. После старта в процессе полета БЛА соответствующими устройствами непрерывно изменяются текущие (действительные) значения указанных параметров. СУ осуществляет сравнение расчетных значений параметров с текущими значениями и при их неравенстве вырабатывает соответствующие сигналы управления. Если на БЛА установлена аппаратура, позволяющая вести непрерывное измерение её координат в пространстве, то автономное управление можно осуществить по-другому. Координаты, получаемые от аппаратуры, автоматически вводятся в бортовое вычислительное устройство, которое в соответствии с заранее заложенной программой вычисляет величину сигналов управления. Следовательно, заранее не задается определенная траектория, а каждый раз вычисляется в зависимости от текущих координат. При этом предполагается, что координаты объекта предварительно заложены в вычислительное устройство. На работу таких СУ не оказывают влияние искусственно создаваемые помехи. Это основное их достоинство. Кроме того, эти системы можно применять для управления БЛА с большой дальностью полета.

Определение собственных координат воздушным судном происходит ежесекундно при стандартной работе приёмника спутниковой навигационной системы (СНС). При перенастройке приемника частота определения собственных координат может быть увеличена. Практически же увеличение частоты не дает выигрыша в точности определения координат, так как скорость изменения координат накладывает ограничения на маневренность БЛА. Характер движения в течение одной секунды меняется мало, и положение БЛА можно достаточно точно рассчитать по его предыдущему положению, динамике полета и текущему маневру. В реальности стоит задача не только знать, где и в какое время находится объект, но и в зависимости от его местоположения выработать ответную реакцию.

Итак, ситуацию можно разделить на три условные категории. Первая - простейший случай мониторинга. Задача системы состоит в фиксации местоположения объекта с привязкой ко времени. Вторая - это расширение первой. Причем, в добавление к наблюдению, система вырабатывает внутри себя ответную реакцию (сигнализацию, набор вычислительных процедур, выработку внутренней команды). В этом случае время на выработку ответной реакции и на ее исполнение ничтожно мало по сравнению с дискретностью отсчета местоположения объекта. Третья категория - передача вычисленных во втором случае данных обратно на борт летательного аппарата. Например, с целью коррекции его движения. Здесь складываются времена передачи координат с летательного аппарата на пункт наблюдения, выработки команды и передачи команды обратно на борт аппарата.

Рассмотрим расположение командного элемента на пункте управления.

Одним из методов управления БЛА является пилотажный (рисунок 1.2).

Видеоинформация

Уникальное программное решение помогает заказчикам эффективно управлять даже большим количеством беспилотных летательных аппаратов (БЛА), или дронов.

Аэрофотосъемка, видеонаблюдение, обследование обширных территорий, экологический мониторинг - это далеко не полный перечень задач, которые становятся проще с использованием беспилотников. Чтобы раскрыть весь потенциал дронов, их операторы должны иметь в распоряжении удобный инструмент для контроля и управления БЛА.
КРОК предлагает заказчикам универсальную систему управления, которая поддерживает практически все доступные на гражданском рынке беспилотные системы и автопилоты: DJI, MavLink-совместимые, Yuneec, Mikrokopter, Microdrones.

Предлагаемые продукты


	Планирование и выполнение полетов Программное обеспечение для управления беспилотниками и производства карт по данным аэрофотосъемки. Планирование оптимального маршрута на трехмерной карте с учетом препятствий, закрытых зон
	Система высотного наблюдения Привязной беспилотный летательный аппарат с подачей питания по проводу с наземной станции. Высота - до 100 м, продолжительность полёта - до 200 часов
	Управление группировками дронов Координация синхронных перемещений множества беспилотных летательных аппаратов для организации световых, пиротехнических шоу

Функции решения

Управление одним или несколькими БЛА, прием и запись телеметрии, уведомление оператора об опасных сближениях дронов с другими участниками воздушного движения
Поддержка ОС Windows, MacOS, Linux, Android

Одновременная работа нескольких операторов, гибкая настройка сценариев управления, разделение функций между участниками команды
Интеграция с системами автоматического зависимого наблюдения-вещания (АЗН-В)

Особенности решения

Универсальная архитектура позволяет подключать дроны со своими протоколами управления и телеметрии, быстро и легко добавлять новые устройства без масштабных доработок ПО - прямо «из коробки» система знакома с устройствами от основных ведущих производителей робототехники. Решение поддерживает масштабируемость и модульность для поддержки новых протоколов управления и типов полезной нагрузки.

Разные сценарии позволяют работать с системой одному или нескольким операторам, управляющим одним или несколькими БЛА, разделять между операторами управление движением и полезной нагрузкой БЛА. Пользовательский интерфейс может быть стандартизирован для конкретного типа аппарата. Режим симуляции позволяет организовать обучение, тренировку операторов БЛА и проведение экзаменов.

Благодаря поддержке полноценной трехмерной картографии и алгоритмов планирования траекторий можно создавать маршруты с учетом рельефа, препятствий и запретных зон, трасс в воздушном пространстве РФ, отраженных на цифровой модели местности. Задания формируются с использованием типовых маневров: движение по прямой, круг, «змейка», «коробочка», облет периметра, аэрофотосъемка с заданными параметрами перекрытия и разрешения. При подготовке заданий операторы могут измерять расстояния и площади, оценивать зоны прямой радиовидимости, планировать выполнение различных действий на тех или иных сегментах маршрута: поворот камеры, съемка в точке интереса, сброс полезной нагрузки и т. д. В постоянном режиме обеспечивается контроль профиля высот по маршруту.

В зависимости от типа полезной нагрузки БЛА могут собирать большие объёмы фото- и видеоматериалов, данных радиационной, экологической разведки, прочую информацию об окружающей обстановке с привязкой к модели движения с координатами и ориентацией в пространстве. По желанию заказчика систему можно доработать для сбора информации от внешних систем и электронных чипов (местоположение личного состава, стационарной и подвижной техники, объекты из системы автоматического зависимого наблюдения-вещания). Получение оперативной информации и отображение целевых объектов на карте повышает скорость оценки сценариев развития и планирования заданий. Все данные телеметрии могут сохраняться для дальнейшего анализа и просмотра.

Что такое беспилотный летательный аппарат и как работают дроны? Ответы на эти вопросы вы найдете в данной статье.

Сразу стоит сказать, что дроны постоянно эволюционируют: новые технологии и инвестиции в этот сегмент приводят к тому, что каждый месяц появляются продвинутые модели.

Технология БПЛА охватывает все: от аэродинамики аппарата и материалов для его изготовления до печатных плат, микросхем, программного обеспечения, которые в совокупности составляют мозг беспилотника.

Одной из самых популярных моделей на рынке является DJI Phantom 3. Этот дрон пользуется спросом среди людей, занимающихся воздушной съемкой. Несмотря на то, что сегодня он слегка устарел, в нем используется множество передовых технологий, присутствующих и в самых свежих моделях БПЛА. Этот аппарат идеально подходит в качества образца для объяснения как работает данный класс устройств.

Сейчас на рынке появились новые высокотехнологичные дроны, такие как и Inspire 2. Темп развития технологии просто поражает.

Как работают БПЛА

Типичный беспилотный летательный аппарат изготовлен из легких композитных материалов: это способствует снижению веса корпуса и увеличению маневренности устройства. Свойства таких материалов позволяют военным дронам совершать полеты на чрезвычайно больших высотах.

Дроны оснащаются различными технологиями, такими как инфракрасные камеры, GPS и лазеры (в большей мере, это относится именно к военным образцам). Беспилотники могут быть управляемы дистанционной системой, которую иногда еще называют наземной кабиной. То есть можно говорить, что БПЛА состоит из 2-х частей: самого дрона и его системы управления.

« Нос» беспилотника – это то место, где расположены его датчики и навигационная система. Все остальное размещается в «теле» устройства. Композитный материал, из которого изготавливаются аппараты, помимо своей легкости еще и способен поглощать вибрацию.

Типы и размеры дронов

БПЛА бывают самых разных размеров, причем самые большие из них используются чаще всего в военных целях, например, Predator. Следом за ними идут средние беспилотники с фиксированными крыльями, которым для взлета требуется небольшая взлетно-посадочная полоса. Такие модели используются для охвата обширных территорий, например, для географической съемки или борьбы с браконьерами.

Еще меньше по размерам модели, называемые VTOL дроны. Большинство из них – это квадрокоптеры. Эти беспилотники способны взлетать и приземляться вертикально. Аббревиатура VTOL означает «вертикальный взлет и посадка». К примеру, такой маленький дрон как DJI Spark вовсе можно запускать с ладони.

Определение местоположения и возвращение домой

Многие из последних БПЛА оснащены двумя глобальными навигационными системами (GNSS), включающими в себя GPS и ГЛОНАСС. Дроны могут совершать полеты как используя GNSS, так и без помощи спутников. Например, устройства DJI могут летать в режиме P-Mode (GPS и GLONASS) или ATTI, который не использует спутниковую навигацию.

Высокоточная навигация очень важна для дронов занимающихся картографической съёмкой, а также для беспилотников, выполняющих поисково-спасательные миссии.

При первом включении квадрокоптера происходит поиск и обнаружение спутников GNSS. Система GNSS использует технологию Satellite Constellation (спутниковая группировка). Принцип ее работы заключается в координации и синхронизации всех спутников, что позволяет ей охватывать всю зону покрытия, не оставляя «слепых пятен».

Радиолокационная технология БПЛА при включении устройства отобразит на пульте дистанционного управления (ПДУ) следующую информацию:

Сигнал об обнаружении достаточного количества спутников GNSS и готовность к полету.
Текущую позицию дрона относительно пилота.
Запись исходной точки для функции «Возращение домой».

Большинство современных беспилотных летательных аппаратов имеют три типа этой функции:

«Возвращение домой» по приказу пилота, нажавшего соответствующую кнопку на ПДУ или в приложении.
Низкий уровень заряда батареи, который приводит к автоматическому возврату дрона.
Потеря сигнала между БПЛА и ПДУ: в этом случае устройство также возвращается на исходную позицию.

Например, дрон при использовании опции RTH (Return to Home) будет обнаруживать все препятствия на обратном пути и активно их избегать. В условиях недостаточного освещения функция RTH будет работать так:

При обнаружении препятствия беспилотник замедляется.
Он останавливается и начинает парить из стороны в сторону и вверх-вниз до тех пор, пока не найдет способ обойти препятствие.
Затем БПЛА возвращается на исходную позицию.

Гиростабилизация, IMU и контроллер полета

Технология гиростабилизации позволяет дронам летать плавно и без рывков. Гироскоп должен работать молниеносно, чтобы обеспечивать стабильный полет устройства. Кроме того, он предоставляет всю необходимую навигационную информацию пилоту, т.е. вам.

Инерциальный измерительный блок (IMU) служит для отслеживания текущего ускорения устройства, используя для этого сочетание нескольких акселерометров. Некоторые блоки IMU включают в себя еще и магнитометр, служащий для дополнительной стабилизации аппарата.

Гироскоп является составной частью IMU, а тот в свою очередь – важный компонент контрольно-измерительной системы БПЛА. Контроллер полета (Flight Controller) – это, по сути, центральный мозг беспилотника.

Двигатель дрона и конструкция пропеллеров

Благодаря своим двигателям и пропеллерам дроны способны летать в любых направлениях. На квадрокоптерах они работают парами: 2 двигателя и 2 пропеллера, вращающихся по часовой стрелке (CW Propellers) и пара двигателей с пропеллерами, вращающимися против часовой стрелки (CCW Propellers).

Они получают данные от контроллера полета и электронных регуляторов скорости (ESC) и в соответствии с ними заставляют дрон парить на одном месте либо лететь в нужном направлении.

Параметры полета на экране в режиме реального времени

Следить за телеметрией полета и наблюдать за всем тем, что видит дрон можно с помощью ПДУ или смартфона.

Технология «No Fly Zone»

Чтобы повысить безопасность и предотвратить полеты в запретных зонах, последние беспилотные аппараты от DJI и других производителей включают в себя функцию «No Fly Zone».

Эти запретные зоны подразделяются на две категории: А и В. Производитель с помощью обновления прошивки может изменять и корректировать размер и местоположение этих зон.

Подготовка к полету

После включения устройства происходит поиск спутников GPS. Когда дрон обнаружит как минимум 6 спутников, то на экране пульта управления появится надпись «Готов к полету».

Внутренний компас и функция Failsafe

Позволяет БПЛА и системе дистанционного управления точно обнаруживать свое текущее местоположение. Калибровка компаса необходима для установки точки возвращения. После того как данная точка будет установлена, в случае потери сигнала между дроном и системой дистанционного управления, БПЛА вернется «домой». Эта функция известна под названием Failsafe.

Технология трансляции видео от первого лица

FPV расшифровывается как « First Person View » и означает наличие камеры, которая устанавливается на беспилотнике, а затем транслирует видео в режиме реального времени на принимающее устройство пилота на земле. То есть, человек, управляющий дроном, может почти буквально «видеть его глазами», а не просто наблюдать за БПЛА с земли.

Данная функция также позволяет более точно управлять дроном, особенно, когда дело касается ухода от столкновения с препятствиями. С ее помощью очень удобно управлять дроном, летающим в закрытом помещении, а также в тех случаях, когда наблюдение с земли за БПЛА по ряду причин просто невозможно (например, вы отправили дрон в лес или в горы).

Исключительно быстрый рост и развитие гоночных соревнований дронов не был бы возможен без FPV технологии.

Такие «гоночные» дроны оснащены встроенным многодиапазонным беспроводным передатчиком FPV. В зависимости от типа беспилотника принимать транслируемое видео может как ПДУ, так и компьютер, планшет или смартфон.

Разумеется, передача видео в режиме реального времени напрямую зависит от силы сигнала между ПДУ и дроном. Новейшие беспилотники, такие как DJI Mavic и Phantom 4 Pro могут транслировать «живое видео» на расстоянии до 7 км. Phantom 4 Pro и Inspire 2 используют новейшую систему передачи DJI Lightbridge 2 .

Дроны, такие как DJI Mavic Pro, используют интегрированные контроллеры и интеллектуальные алгоритмы для установки нового стандарта беспроводной передачи изображений высокого разрешения путем снижения задержки и увеличения максимального диапазона связи.

FPV для сетей 4G / LTE

В 2016 году появилась новая технология, позволяющая передавать видео в режиме реального времени с минимальной задержкой с помощью 4G. Технология получила название Sky Drone FPV 2.Она включает в себя установку на дрон камеры, модуля данных и 4G модема.

Прошивка и порт для обновлений

Обновить систему управления полетом практически любого нового дрона можно с помощью ПК, используя USB-кабель.

БПЛА можно описать как летающий компьютер, с установленной на нем камерой и разными датчиками. Как и у любого компьютера, у дронов имеется прошивка – программное обеспечение, отвечающее за работу беспилотника и его управление.

Производители БПЛА выпускают обновления для исправления ошибок и добавления новых функций устройства.

Светодиодные индикаторы полета

Он расположены на передней и задней частях беспилотного летательного аппарата. Передние светодиоды обозначают «нос» устройства. Задние же загораются тогда, когда разряжен аккумулятор устройства, чтобы его владелец сразу это заметил.

Система дистанционного управления БПЛА

Представляет собой устройство беспроводной связи, использующее частоту 5,8 ГГц. Дрон и ПДУ должны быть сопряжены по умолчанию, что называется «из коробки». В эту систему входит приемник, встроенный в ПДУ и ряд других элементов, о которых ниже.

Расширитель диапазона частот БПЛА

Это тоже устройство беспроводной связи, которое работает на частоте 2,4 ГГц. Оно используется для расширения диапазона связи между смартфоном или планшетом и дроном на открытых пространствах.

Дальность передачи может достигать 700 м. Каждый такой расширитель имеет уникальный MAC-адрес и сетевое имя (SSID).

Как упоминалось выше, некоторые модели могут летать на расстоянии до 7 км, при этом транслируя видео. Это хорошая реклама расширителей диапазона – поэтому они пользуются большой популярностью среди пользователей.

Приложения для смартфонов, превращающие их в наземные станции

Большинство современных дронов могут управляться как с ПДУ, так и со смартфона с помощью специального приложения. Такие приложения полностью заменяют пульт дистанционного управления, скачать их можно из Google Play или Apple Store. У каждого производителя имеется свое фирменное приложение, например, Go 4 от DJI.

Высокопроизводительная камера

В новейших беспилотных аппаратах от DJI, Walkera, Yuneec и других производителей установлены камеры, которые могут снимать видео в формате 4К, а также делать 12-ти мегапиксельные снимки.

Многие старые модели БПЛА использовали камеры, не совсем пригодные для аэрофотосъёмки. Из-за широкоугольного объектива снимки часто имели искажения. В последних же моделях такой недостаток устранен.

Дроны с зум-объективом

В 2016 и 2017 годах на рынке появился ряд карданных подвесов с интегрированными камерами, поддерживающими функцию Zoom.

DJI выпустила Zenmuse Z3, которая является интегрированной камерой с воздушным зумом и оптимизирована для фотосъемки. Zenmuse Z3 имеет 7-кратный зум, состоящий из 3,5-кратного оптического и двумерного цифрового, с диапазоном фокусного расстояния от 22 до 77 мм, что делает ее идеальной для промышленного применения.

Затем в октябре 2016 года DJI выпустила камеру Zenmuse Z30. Zenmuse Z30 представляет собой интегрированную камеру с 30-кратным оптическим и 6-кратным цифровым зумом с полным увеличением до 180x. Это позволяет использовать ее в промышленности, например, для осмотра башен сотовой связи для получения подробной информации о состоянии проводов и конструкции в целом. Zenmuse совместим с диапазоном частот дронов DJI Matrice.

Walkera Voyager 4 поставляется с невероятной камерой с 18-ти кратным зумом. Данная камера имеет возможность вести съемку на все 360 градусов. Запись видео производится в формате 4K со скоростью 30 кадров в секунду.

Карданные подвесы

Технология карданных подвесов имеет огромное значение для качественной фото-, видеосъемки. Карданный подвес позволяет изолировать камеру от вибрации, исходящей от самого БПЛА. Кроме того, с его помощью камера может изменять углы обзора. Большинство 3-х осевых стабилизирующих карданов способны работать в двух съемочных режимах: обычном и FPV.

Практически все новые БПЛА оснащены такой системой. Лидером в этой области является DJI со своей линейкой Zenmuse.

Датчики БПЛА

Мультиспектральные, лидарные, фотограмметрические и тепловизионные датчики используются в беспилотных аппаратах для высокоточного картографирования и аэрофотосъемки. С их помощью можно получать цифровые карты высот (DEMS), а также данные о состоянии сельскохозяйственных культур, цветов, кустарников, деревьев и даже фауны.

В 2016 году на рынке появились дроны с Time-of-Flight, так называемыми «времяпролетными» датчиками, определяющие расстояние до объекта. Эти сенсоры могут быть использованы в различных целях: для сканирования объектов, внутренней навигации, предотвращения столкновении с препятствиями, 3D-съемки, в играх дополненной реальности и многих других областях.

Дрон может быть запрограммирован на полет над определенной областью с использованием автономной навигационной системы. Камера БПЛА будет делать снимки с интервалом 0,5 или 1 сек. Затем эти изображения «сшиваются» воедино с помощью специального ПО и в результате получается 3D-карта местности.

Компания DroneDeploy является одним из лидеров в создании программного обеспечения для 3D-картографии в сельском хозяйстве. Их последний продукт под названием Fieldscanner работает с большинством новейших беспилотных летательных аппаратов.

Технология обнаружения препятствий и предотвращения столкновений

Современные беспилотники практически всегда оснащены такими системами. Датчик обнаружения препятствий постоянно сканирует окружение. Одновременно с этим программные алгоритмы и технология SLAM создают 3D-карту, которая обрабатывается контроллером полета и позволяет дрону избегать столкновений. Эта система использует один из нескольких датчиков для лучшего распознавания потенциально опасных объектов:

видеосенсор,
ультразвуковой,
инфракрасный,
лидар,
монокулярное зрение.

Защита от падения (Anti-Drop Kit)

Защищает камеру в случае аварийного падения БПЛА.

ПО для редактирования видео

Наличие высококачественного видеопрограммного обеспечения важно как для съемки, так и для последующей обработки материала. Большинство современных дронов могут снимать в формате Adobe DNG, что очень удобно для последующей работы с полученными изображениями.

Операционные системы, которые используют дроны

Основная масса беспилотников работают под управлением Linux, остальные используют MS Windows. Также, у Linux Foundation есть проект, запущенный в 2014 году, под названием Dronecode*.

*Dronecode - проект по созданию свободной платформы с открытым исходным кодом для беспилотных летательных аппаратов.

Последние высокотехнологичные беспилотники

Львиную долю рынка инновационных дронов занимает, конечно же, компания DJI. Вот список новейших устройств, на которые стоит обратить внимание:

– маленький беспилотник, который может взлетать с ладони.

– небольшой складной дрон с датчиками предотвращения столкновения, расположенными спереди и снизу. Супер стабильный полет и возможность снимать видео в формате 4k.

DJI Phantom 4 Pro – с технологией предотвращения столкновения «Vision». Многоцелевой беспилотный летательный аппарат, способный вести аэрофотосъемку и фотограмметрические работы. Встроенная камера оснащена 4-х кратным зумом.

DJI Inspire 2 – запатентованная конструкция и двигатели. Многоцелевой беспилотник с подвесными карданами и камерой, предназначенной для аэрофотосъемки, записи видео в 5К, фотограмметрии, съёмки мультиспектральных и тепловизионных изображений.

Yuneec Typhoon H Pro – использует запатентованную технологию предотвращения столкновений Intel «Realsense». Отлично подходит для профессиональной аэрофотосъемки.

Walkera Voyager 4 – профессиональный дрон с 18-кратной оптической трансфокаторной камерой, что делает его идеальным для поисково-спасательных работ.

DJI Matrice 200 Commercial Quadcopter – дрон со встроенной двойной батареей, системами IMU и спутниковой навигацией. Поддерживает установку 2-х камер (например, камеры с тепловизором и зумом). Оснащен видеосенсором, ультразвуковым и ToF датчиками. Идеально подходит для осмотра труднодоступных объектов с целью оценки их состояния.

Интеллектуальные режимы полета

Все вышеперечисленные БПЛА имеют множество разных интеллектуальных режимов полета. Особенно ярко на фоне остальных выделяется Phantom 4 Pro от DJI, имеющий такие режимы как:

Active Track (Profile, Spotlight, Circle) - активный трек;
Draw Waypoints - рисунок точек пути;
TapFly - интеллектуальный режим полета;
Terrain Follow Mode - режим рельефа местности;
Tripod Mode - режим штатива;
Gesture Mode - режим жестов;
S-Mode (спорт);
P-Mode (позиция);
A-Mode (положение в воздухе);
Beginner Mode - начальный режим;
Course Lock - блокировка курса;
Home Lock - домашний замок;
Obstacle Avoidance - обхождение препятствий.

Использование БПЛА

Дронов можно использовать в самых различных целях. Когда вы устанавливаете камеру или датчики, такие как лидар, тепловизор, ToF, мультиспектральный и многие другие, диапазон применения устройств расширяется еще больше.

Лучшие видео на тему БПЛА

Ниже размещены 2 видеоролика, в которых подробно рассказывается о технологии БПЛА. На первом видео ведущий специалист по БПЛА Раффаэлло Д"Андреа даст зрителям представление о ПО, лежащем в основе технологии беспилотных летательных аппаратов. Он также расскажет об алгоритмах работы, теории управления и проектирования на основе разных моделей (видео, к сожалению, не адаптировано на русский язык).

Военные беспилотники

Следующее видео – это рассказ о том, что настоящее и будущее военной техники принадлежит беспилотным летательным аппаратам, таким как Predator и Reaper.

Два военных БПЛА среднего размера, которые в настоящее время активно используются – это Predator MQ-1B и MQ-9 Reaper . Их применяли в Афганистане и Пакистане.

Последние несколько лет характеризуются значительными инвестициями в разработку дронов, особенно в секторе бизнеса и потребительских БПЛА. Технологии действительно удалось совершить громадный рывок всего лишь за несколько лет.

По материалам DroneZon