Дроны для бизнеса: зачем и как мы их разрабатываем

Что планируем делать дальше

Что касается системы мониторинга, далее мы планируем работать по следующим направлениям:

1. Продолжить работы в направлении безмаркерного позиционирования. Система маркеров хорошо работает, но мы не видим за ней будущего автономных дронов. Дроны должны быть настолько умными, чтобы не требовать никаких внешних подсказок, которые могут деформироваться. Мы видим будущее за дронами, которые применяют весь комплекс современных технологий исключительно на своем борту — нейросети, стереозрение, визуальную одометрию, машинное обучение и лидары.
2. Разработать рабочее место сотрудника фермы, которое позволит легко создавать маршруты и планы облетов объектов мониторинга и следить за работой дронов. Это поможет поддержать работу маркерной системы.
3. Доработать системы автоматической подзарядки.
4. Разработать системы управления «роем» дронов, чтобы ускорить процесс мониторинга на больших объектах iFarm.
5. Облегчить вес и стоимость электронных компонент и увеличить их мощность.

В рамках задачи по созданию систему доставки с помощью дронов мы планируем действовать в следующих направлениях:

1. Перенести полученные наработки из indoor системы в outdoor там, где они применимы.
2. Разработать самостоятельно или взять готовые конструкции грузовых дронов, опробовать и подобрать оптимальные варианты для всех заказчиков.
3. Разработать систему приема легких грузов так, чтобы она монтировалась в основание стандартных окон получателя. Мы планируем реализовать систему приема лёгких грузов и мелких посылок весом до 1 кг, чтобы не нужно было посещать точки получения груза. Мы не видим в ближайшем будущем широкого применения дронов, доставляющих грузы тяжелее 2 кг. Более тяжелые грузы несут риск для безопасности людей. Они требуют разработки регуляторных нормативов и систем безопасности, на что, в лучшем случае, уйдет 2-3 года. А получить прямо в окно клубнику, которая 5 минут назад росла на грядке — это реализуемо прямо сейчас.
4. Продолжить проектирование и разработку системы, где частные пилоты дронов из дома могут мониторить автономных дронов-доставщиков. В случае нештатных ситуаций пилоты будут немедленно перехватывать контроль за управлением дроном, получая вознаграждение за каждую доставку. Доставка автомобилями будет преобладать некоторое время, но из-за вопросов экологии, здравоохранения, распространения вирусов архаичные, плоские, небезопасные системы постепенно будут вытеснены. Новые системы симбиоза дронов и людей изменят стандарты скорости, качества и удобства сервисов и создадут новые профессии.

Мы благодарны iFarm за возможность применить наши исследования с пользой для бизнеса и прогресса отрасли. С большим интересом продолжим совместную работу!

От быстрых доставок в час пик до сканирования труднодоступного объекта — беспилотники полезны там, где человек не способен действовать мгновенно и эффективно.

Повышение эффективности производства, снижение рабочей нагрузки и производственных затрат, а также решение проблем безопасности в широком масштабе — лишь некоторые из задач, решаемых дронами во всем мире.

Всё больше компаний и государственных организаций стремятся использовать преимущества активно развивающихся беспилотных технологий. Если вы тоже хотите воспользоваться возможностями новых технологий и разработать дрона для своих бизнес-задач — мы готовы вам помочь.

«заяц! волк!»

Некоторые считают, что роботом можно назвать придуманного Леонардо да Винчи рыцаря-андроида, который автономно вращал головой и шевелил руками. Но в современном мире к этой технологии относят другие механизмы — те, что способны работать в автономном режиме или действовать на свое усмотрение.

Стремительное развитие робототехники пришлось на годы после Второй мировой. В 1950-х годах ХХ века началась разработка первых механических манипуляторов, умевших повторять движение рук управляющего ими человека. Первый из них, созданный компанией Unimation, был опробован на General Motors в 1961 году.

Роботизированная рука весом почти две тонны переносила тяжелые литые детали с конвейера и приваривала их к кузовам автомобилей. Подобная работа была крайне опасной для сотрудников: они рисковали отравиться производственными газами или уронить на себя гигантские детали при транспортировке.

Первый советский андроид, на самом деле больше похожий на робота-зайца из «Ну, погоди!», был создан в Новочеркасске 16-летним школьником Вадимом Мацкевичем. Робот умел самостоятельно поднимать правую руку, за что в 1937 году даже был отправлен на Всемирную выставку в Париж.

Там, правда, случился казус: из-за слабого мотора железная рука поднималась только чуть выше уровня плеча, что весьма заинтересовало немецкую делегацию. Вадима Мацкевича ждало большое будущее: он стал одним из наиболее заметных советских военных инженеров второй половины XX века

К середине 1980-х мировым лидером промышленной роботизации стал Советский Союз. В стране использовалось около 40 тысяч автономных устройств. Однако вскоре ситуация изменилась: на Западе появлялись первые микропроцессоры и развивались языки программирования — это позволяло делать устройства более интеллектуальными.

После развала СССР лидерами в робототехнике стали Япония, ФРГ и США. Некоторые их разработки были исключительно развлекательными, как, например, придуманный в конце 1990-х инженерами Sony робопес Aibo с мультяшной внешностью. Правда, он был похож скорее на тамагочи, чем на реального робота. Собаку нужно было воспитывать, а если пользователь не справлялся, Aibo просто спал целый день.

Тогда же появился и последний большой успех 1990-х — и робот, и беспилотник, и марсоход, получивший название «Соджорнер». Две технологии — беспилотники и роботы, развивавшиеся параллельно, но до этого не пересекавшиеся, — впервые объединили в одном устройстве.

Марсоход умел самостоятельно выстраивать безопасный маршрут и отклоняться от него в случае необходимости, составлять 3D-карты местности, проводить спектрографические исследования пород и отправлять на Землю фотографии. После окончания миссии «Соджорнер» потерялся где-то на Красной планете. Возможно, однажды колонисты найдут его и доставят обратно на Землю.

На отработку технологии ушло десятилетие. На Западе первую посылку с помощью дрона доставила компания Amazon. Однако первыми были россияне: в 2023 году в Сыктывкаре пиццерия «Додо» доставила несколько заказов с помощью беспилотников. Впоследствии эксперимент повторять не стали, его цели были связаны скорее с маркетингом, чем с развитием технологии.

Несмотря на множество успешных примеров, беспилотную доставку пока используют в исключительных случаях. Ее тестировали Mercedes-Benz в Цюрихе, Walmart в Техасе, Flytrex в Рейкьявике, Google в Канберре. Однако все эти эксперименты не привели к тому, что дроны стали доставлять грузы на постоянной основе.

До недавнего момента единственным постоянным, а не пилотным опытом с роботами в России была доставка из «Яндекс.Лавки» в татарстанском Иннополисе: еду из ресторанов жителям города развозит робот-курьер. А в октябре 2023 года роботов-доставщиков «Яндекса»начала использовать «Почта России».

Эксперимент проходит в Москве, 36 роботов нового поколения доставляют посылки из 27 отделений столицы. Заказать доставку роботом можно через приложение «Почты России». Если адрес входит в зону покрытия, то робот приедет по нужному адресу, а стоимость доставки составит всего один рубль.

Куда охотнее по всему миру внедряют промышленных роботов. Первый полностью роботизированный завод появился в Китае в 2023 году. Компания Changying Precision Technology Company, выпускающая компоненты для мобильных телефонов, отказалась от услуг 650 рабочих и заменила их на 60 рук-манипуляторов. На фабрике остались работать только 20 офисных сотрудников.

Возможности дронов

Но давайте представим, что законы предоставили беспилотникам полную свободу действий. В таком случае у них бы появились совершенно новые возможности. С тех пор как Amazon представил доставку дронами Prime Air за 60 минут, все компании захотели себе такой же сервис.

Сейчас компания Джеффа Безоса тестирует доставку малых пакетов в Великобритании и надеется вскоре расширить границы своей деятельности. Почта России недавно протестировала запуск первого беспилотника. Правда, неудачно — дрон врезался в стену дома. В прошлом году Герман Греф объявлял о тестировании доставки дронами наличных денег.

Американская Domino’s при этом уже доставляет  пиццу дронами в Новой Зеландии, а стартап Zipline использует беспилотники для доставки медикаментов в сельские районы Руанды. Американская компания по экспресс-доставке UPS планирует привозить посылки на грузовике в район получателя, а затем доставлять их дронами к конкретному дому. Доставив груз, такие дроны будут возвращаться обратно в грузовик и заряжаться по дороге в следующий район.

Беспилотники Zipline

Беспилотники могут прилетать в недоступные и опасные зоны и сбрасывать необходимые припасы. Дрон способен добраться и изучить практически любое место, куда не могут или не хотят попасть люди.

Исследователи и инженеры все больше задумываются о создании целого «роя» дронов, который будет действовать слаженно, как стая птиц или насекомых. Такой рой может перевозить большие грузы или разделяться на части для изучения разных участков местности.

Полет дронов сопровождал выступление группы Odesza в эти выходные:

А еще отряд дронов использовался для оценки повреждений и составления плана восстановления городов после урагана Харви.

Гироскопическая стабилизация ибб (imu) и контроллеры полёта

Технология гироскопической стабилизации является одним из тех компонентов, который «жизненно» необходим беспилотным летательным аппаратам.

Гироскоп предназначен для моментальной обработки нагрузок, возникающих от внешних сил, воздействующих на конструкцию дрона. Гироскоп обеспечивает вывод необходимой навигационной информации на пульт ДУ.

Инерциальный измерительный блок – ИББ (IMU) работает по принципу вычисления текущей скорости и ускорения с использованием одного или нескольких акселерометров.

Модулем ИББ обнаруживаются малейшие изменения систем вращения, таких как шаг винта, разворот, отклонение элеронов, используя один или несколько гироскопов. Некоторые модели ИББ содержат магнитометр под калибровку дрейфа ориентации.

Контроллер полёта, присутствующий в конструкции дрона – по факту представляет собой обычный компьютер, оснащённый соответствующим программным обеспечением.

Таким компьютером БПЛА автоматически управляются все системы с учётом сигналов, поступающих от пульта ДУ пользователя. Кроме того, в качестве базового управления используется код так называемой «прошивки» — микросхемы памяти, действующей в паре с микроконтроллером.

Дрон — функции компаса и видеонаблюдения

Встроенная в систему дистанционного управления функция компаса обеспечивает дрону точные координаты местоположения в процессе полёта.

Калибровкой компаса устанавливается точка возврата «домой» — место, куда дрону необходимо возвращаться в случае потери сигнала управления. Часто функцию компаса называют «отказоустойчивой функцией».

Одним из важных предметов оснащения дрона является вид от первого лица (FPV — First Person View). Устройство видеокамеры смонтированной на беспилотном летательном аппарате и предназначенной для трансляции видео в реальном времени диспетчеру ДУ.

Таким образом, диспетчер управления дроном наблюдает картину полёта аналогично тому, как если бы находился непосредственно на борту БПЛА и рассматривал вид Земли сверху — от фактического положения кресла пилота.

Функция и оснащение FPV позволяет беспилотным летательным аппаратам совершать перелёты на значительных высотах и на дальние расстояния, ограниченные только зарядом батареи питания. Также «First Person View» обеспечивает безопасность полётов среди препятствий.

Конструкции современных дронов имеют широкодиапазонный беспроводной передатчик FPV, который устанавливается в комплекте с антеннами.

В зависимости от конфигурации, приемником видеосигналов может выступать не только пульт дистанционного управления, но также компьютер, планшет, смартфон.

Последние разработки дронов, например, «DJI Mavic» и «Phantom 4 Pro», обеспечивают передачу видео в реальном времени на расстоянии до 7 км. Системы «Inspire 2» и «Phantom 4 Pro» используют новейшую систему передачи видеосигнала «DJI Lightbridge 2».

Дроны подобные «DJI Mavic Pro» характерны интеграцией контроллеров с интеллектуальными алгоритмами установки нового стандарта беспроводной передачи изображений.

Эта технология даёт высокий уровень разрешения путём снижения латентности и увеличения максимального диапазона частот.

Дроны в военных целях и конфликтах

Первое использование беспилотных устройств в военных целях произошло задолго до появления дронов. В середине 19 века при осаде Венеции армией Австрии применялись воздушные шары с подвешенными на них бомбами. Они автоматически сбрасывались при появлении над городом.

Ну а во время второй мировой войны немцы продемонстрировали миру управляемые ракеты ФАУ-1, являющиеся прототипами современных крылатых ракет. В ракете был установлен автопилот, в который вводились данные о направлении полета. Из-за недоработки конструкции их применение не оправдало тех надежд, которые на них возлагались немецкими властями. Но все же это дало толчок к дальнейшему развитию таких систем.

Рис. 3 Немецкие ракеты ФАУ-1

После второй мировой войны основной упор стал делаться на создание беспилотных дронов с разведывательной целью. По внешнему виду они были похожи на самолет с такой же функциональной системой. Среди них американский дрон Ryan Model 147E, с успехом применявшиеся во Вьетнаме, и советские самолеты-разведчики на базе ТУ-123, ТУ-143. Всего было выпущено для нужд советской армии 950 штук таких боевых машин.

Рис. 4 Советский дрон ТУ-143

Очередной виток своего развития дроны получили во время войны израильтян с Ливаном в 1982 году. Вес дронов составлял около 100 кг, а размах крыльев достигал 5 метров. В то время уже были разработаны миниатюрные полупроводниковые системы электроники, позволяющие снизить вес и компактность применяемого оборудования.

Беспилотные системы применялись армией США во время операции «Буря в пустыне» в Ираке, а также при применении сил НАТО во время бомбежки бывшей Югославии. В США насчитывается самый большой ассортимент дронов различных модификаций, в 2023 году их было почти 7,5 тысяч.

Рис. 5 Военный дрон

Современные дроны, помимо сбора разведывательных данных, могут выполнять все функции, которые свойственны военным самолетам. Они могут сбрасывать бомбы, расстреливать войска противника, наносить точечные удары по террористам, и даже есть дроны-камикадзе, начиненные взрывчаткой.

Правовое нерегулирование

Более широкому внедрению беспилотников и в России, и на Западе мешают законодательные ограничения. Проблема заключаются в том, кто будет нести ответственность, если падение дрона нанесет кому-то вред или если беспилотник перехватят киберпреступники. Пока непонятно, какими системами обнаружения должны быть оборудованы такие устройства и кто должен их мониторить.

Немаловажно и то, как законодательно закрепить использование беспилотного автотранспорта под управлением искусственного интеллекта. Аналитики Сбера добавляют, что внедрение роботов может создать и этические проблемы, например, перспективу массовой безработицы. Именно поэтому обе эти сферы в России не регулируются практически никак.

У отсутствия правовых норм есть и плюсы: это дает время на развитие самих технологий. Например, российский рынок робототехники в ближайшие годы, как ожидается, будет стремительно расти. На доступность роботов прямо повлияет снижение стоимости их производства

«Роботы уже выходят на массовый рынок, причиной чего стала не только востребованность самой технологии, но и удешевление стоимости комплектующих, — говорит Литвинов. — Дополнительным драйвером становится развитие технологий искусственного интеллекта, а также сетей связи пятого поколения. Поэтому неудивительно, что на рынок робототехники приходят все новые и новые игроки».

Повышенным спросом пользуются и беспилотники. Метро Копенгагена уже отказалось от услуг машинистов, автомобили Google возят пассажиров в Фениксе, Uber — в Калифорнии, а «Яндекс» — в Иннополисе, в США и Германии активно тестируются фуры-беспилотники, аналогичным проектом занимается и «Газпром».

Беспилотные такси и грузовики — уже вполне сегодняшний день, ими никого не удивишь. Будущее — за воздушными такси. В Китае уже создали такие машины и даже начали их использовать — правда, пока только в качестве игрушки для туристов. В Европе тем временем уже тестируют беспилотную воздушную скорую помощь. Добрались тесты и до Москвы: в 2023 году в «Лужниках» провели испытания дрона-такси Hover.

«Наша общая цель — превращение Москвы в город будущего, где передвижение будет возможно без пробок и светофоров, и где сэкономленное время можно будет уделять разным приятным вещам. Начало массового применения дронов-такси в составе транспортной инфраструктуры города станет очередным доказательством того, что с помощью технологий возможно все», — объясняет автор проекта, изобретатель и футуролог Александр Атаманов.

Принцип действия дрона (бпла)

Типовой беспилотный летательный аппарат делается на основе облегчённых композитов, благодаря чему снижается вес и увеличивается маневренность конструкции. Эти свойства позволяют профессиональным дронам летать на значительных высотах.

Система беспилотного воздушного транспорта содержит две основы:

1. Механику беспилотного летательного аппарата.
2. Систему управления.

Носовая часть дрона – это, как правило, область корпуса, где установлены датчики навигационной системы. Остальная корпусная часть предназначена для размещения механики, электроники, электрооборудования.

Традиционно в конструкциях современных дронов задействованы системы GPS и ГЛОНАСС. Дроны способны летать под управлением ГНСС, но с тем же успехом поддерживают полёт в режиме без ГНСС.

Например, дроны «DJI» поддерживают полёт в режиме P-Mode (GPS и GLONASS) либо в режиме ATTI (Advanced Technology Transfer and Infusion), не предусмотренным в спутниковой навигации.

Когда дрон запускается пользователем, система машины выполняет поиск с последующим обнаружением спутников ГНСС. Высокопроизводительные системы ГНСС рассчитаны под технологию «Satellite Constellation».

В принципе, спутниковая группировка представляет собой набор аппаратов, работающих совместно, обеспечивая скоординированный охват и синхронизацию с целью качественного покрытия сигналом зоны обслуживания. Пропуск или охват — это период, в течение которого спутник видим над локальным горизонтом.

Радиолокационное оборудование дрона обнаруживает сигнал и транслирует результат на дисплее пульта дистанционного управления. В частности, показывает следующие установки:

• сигнал о достаточном числе спутников ГНСС и готовность к полету;
• отображение текущей позиции и местоположение дрона относительно пульта ДУ;
• запись отправной точки для последующего возвращения «домой»;

Большинство современных беспилотных летательных аппаратов поддерживают три способа возвращения «домой»:

1. Инициировано возвращение «домой» кнопкой пульта ДУ.
2. Низкий уровень заряда батареи питания дрона.
3. Потеря связи между БПЛА и пультом ДУ.

Во всех трёх случаях автоматически задействуется функция «Mavic Air RTH», благодаря которой дрон эффективно обходит препятствия, встречающиеся на пути возвращения «домой».

Продукты производства известной компании dji

Под завершение список конструкций дронов фирмы DJI, имеющихся в продаже на рынке, и представляющих интерес для пользователей:

«DJI Mavic Air» — портативный профессиональный дрон. Оснащён 4-кратной камерой, способной распознавать лица, системой предотвращения столкновений. Конструкцию отличает высокая стабильность полёта.

«DJI Mavic Pro» — маленький складной дрон с датчиками предотвращения столкновения спереди и снизу. Супер стабильный полёт и 4k памяти для съёмок.

«DJI Phantom 4 Pro» — оснащение технологией предотвращения столкновения «Vision». Многоцелевой беспилотный летательный аппарат, включающий в конструкцию 4-кратную аэрофотосъемку, фотографию и фотограмметрию.

«DJI Inspire 2» — запатентованная конструкция двигателя и системы. Многоцелевой дрон профессиональной 5-кратной аэрофотосъемки, фотографии, фотограмметрии, мультиспектрального и тепловизионного изображения.

«Yuneec Typhoon H Pro» — дрон использует запатентованную технологию от Intel — «Realsense» — предотвращение столкновений. Отлично подходит для профессиональной аэрофотосъемки.

«Walkera Voyager 5» — Варианты камеры включают 30-кратный оптический зуммер, инфракрасный порт и камеру ночного видения высокой чувствительности.

«DJI Matrice 200 Commercial Quadcopter» — резервирование с двойной батареей, системами IMU и спутниковой навигации. Дрон допускает монтаж 2 камер. Аппарат контролирует 6 направлений предотвращения столкновений за счёт ToF-лазера, ультразвуковых датчиков и датчиков «Vision».

«DJI Matrice 600» — коммерческий проект дрона — настоящая платформа для аэрофотосъемки. Варианты установки предусматривают до 7 различных камер «Zenmuse».

Разрушительная сила

В конце XVIII века братья Монгольфье запустили в небо воздушный шар, наполненный дымом, с тремя пассажирами — бараном, уткой и петухом. В итоге шар упал, а о судьбе животных историки умолчали. Именно этот полет некоторые считают первым задокументированным опытом использования беспилотного летательного аппарата.

На то, чтобы создать дистанционно управляемый аппарат, ушел век. В конце XIX века Никола Теслапродемонстрировал устройство, которое сегодня принято считать одним из первых роботов: управляемую с помощью радиоволн лодку. Изобретение, которое он показал в пруду нью-йоркского Мэдисон-сквер-гарден, впечатлило и случайных прохожих, и военных.

Вскоре по всему миру начали интересоваться, как можно использовать беспилотные устройства для уничтожения армий противника. То, что разработка привлечет внимание скорее военных, признавал и сам Тесла: он считал, что беспилотники обладают «безошибочной и неограниченной разрушительной силой».

Идея создать военный летательный беспилотник возникла вскоре после того, как американцы братья Райт впервые взлетели на самолете. Однако первые подобные аппараты появились только в 1930-е годы. Британцы разработали беспилотник под названием Queen Bee (буквальный перевод — «пчела-королева», так на английском называют пчелиную матку).

Устройством, разработанном на базе биплана, можно было управлять по радио с корабля. Британские военные использовали его для отработки приемов воздушного боя. Именно этому проекту дроны обязаны своим названием: слово drone («самец пчелы, трутень» на английском) предложил использовать американский адмирал Уильям Стэндли. Он наблюдал за учениями с использованием британских бипланов, а затем потребовал разработать аналогичную систему в США.

Управляемые радиоволнами небольшие беспилотники (по сути — бомбы с крыльями) применялись и во время Второй мировой войны. Однако даже спустя 50 лет после падения Третьего рейха дроны все еще использовали в основном военные: технология была слишком дорогой для обычных людей или бизнеса.

Реализация

Дрон состоит из карбоновой рамы, полетного микроконтроллера со специализированным ПО, бесколлекторных моторов, регуляторов оборотов моторов и ПО для них, пропеллеров, аккумулятора, системы питания периферии, лидара и соединяющих всё это вместе проводов.

Краткий алгоритм работы полетного микроконтроллера заключается в следующем:

1. Алгоритмы компьютерного зрения присылают расчеты датчикам и интерфейсам связи. С датчиков и интерфейсов связи полётный микроконтроллер собирает данные. Формируется полный пакет исходных данных для ПИД-регуляторов встроенного ПО полётного микроконтроллера. ПИД-регуляторы формируют управляющий сигнал, чтобы получить нужные точность и качество переходного процесса.
2. На основе полученных данных 32-битное ядро полётного микроконтроллера в реальном времени рассчитывает значения управляющих сигналов и отправляет их на регуляторы оборотов моторов.
3. Регуляторы оборотов моторов получают сигнал. С помощью встроенного ПО они рассчитывают и направляют необходимую силу тока с аккумулятора на обмотки мотора с нужной частотой. В ответ микроконтроллеру они отправляют данные о текущих реальных оборотах мотора и его потреблении.

Это лишь часть всей системы дрона в целом. На его борту ещё установлен микрокомпьютер. Мы тестируем различные варианты микрокомпьютеров подходящего размера. Уже освоили Raspberry PI, Rock Pi, Nvidia Jetson Nano, а теперь на очереди самый производительный и технологичный в своём размере Nvidia Jetson Xavier NX, который открывает новые горизонты для развития интеллекта дрона.

На таких микрокомпьютерах мы производим расчеты для различных алгоритмов компьютерного зрения, одометрии и нейросетей. При этом используем видео потоки с камер вместе с данными сенсоров, которые предоставляет полётный микроконтроллер. Таким образом микрокомпьютер и микроконтроллер помогают друг другу стабилизировать дрон в пространстве.

Решение и трудности

С помощью дрона мы готовы удовлетворить большую часть требований iFarm к системе мониторинга. Но главный вызов, с которым мы сейчас работаем — это система позиционирования внутри помещений.

Есть несколько стандартных путей решения задачи. Это, например, ультразвуковые или радиовещательные датчики с картой их монтажа внутри помещений. Дрон отслеживает текущую силу сигнала и соотносит с частотой и силой сигнала датчиков на карте помещения — наподобие GPS в замкнутом пространстве.

Другой классический метод — маркерное позиционирование в сочетании с технологией отслеживания перемещений («optic flow»). Мы выбрали его в качестве первого прототипа. Для этого метода не требуется устанавливать дополнительное оборудование в помещении. Нужно только расклеить маркеры в контрольных точках карты перемещения дрона.

Провели удачные тесты, которые показали достойную точность позиционирования с погрешностью 5-10 см для шестимоторной конфигурации. Мы сделали выводы, что конструкция коптера слишком большая и недостаточно мобильная. Поэтому переделали конструкцию на классическую модель с четырьмя двигателями.

Считаем, что данную комбинацию уже можно вводить в производство. Осталось сделать ряд простых изменений по требованиям iFarm, чтобы обеспечить большую безопасность для сотрудников фермы и растений, а именно:

1. защитить пропеллеры бамперами и кожухами,
2. собрать систему автозарядки,
3. наладить систему передачи отснятого материала на сервер для дальнейшей обработки нейросетями и алгоритмами машинного обучения.

Это линейные задачи в рамках всего комплекса работ. Основные сложные и рисковые задачи были сделаны нами ранее.

Реализация

Дрон состоит из карбоновой рамы, полетного микроконтроллера со специализированным ПО, бесколлекторных моторов, регуляторов оборотов моторов и ПО для них, пропеллеров, аккумулятора, системы питания периферии, лидара и соединяющих всё это вместе проводов. Полетный микроконтроллер имеет встроенный акселерометр, барометр, датчики температуры и другие датчики, которые отслеживают потребление тока и напряжение у аккумулятора.

Краткий алгоритм работы полетного микроконтроллера заключается в следующем:

1. Алгоритмы компьютерного зрения присылают расчеты датчикам и интерфейсам связи. С датчиков и интерфейсов связи полётный микроконтроллер собирает данные. Формируется полный пакет исходных данных для ПИД-регуляторов встроенного ПО полётного микроконтроллера. ПИД-регуляторы формируют управляющий сигнал, чтобы получить нужные точность и качество переходного процесса.
2. На основе полученных данных 32-битное ядро полётного микроконтроллера в реальном времени рассчитывает значения управляющих сигналов и отправляет их на регуляторы оборотов моторов.
3. Регуляторы оборотов моторов получают сигнал. С помощью встроенного ПО они рассчитывают и направляют необходимую силу тока с аккумулятора на обмотки мотора с нужной частотой. В ответ микроконтроллеру они отправляют данные о текущих реальных оборотах мотора и его потреблении.

Это лишь часть всей системы дрона в целом. На его борту ещё установлен микрокомпьютер. Мы тестируем различные варианты микрокомпьютеров подходящего размера. Уже освоили Raspberry PI, Rock Pi, Nvidia Jetson Nano, а теперь на очереди самый производительный и технологичный в своём размере Nvidia Jetson Xavier NX, который открывает новые горизонты для развития интеллекта дрона.

На таких микрокомпьютерах мы производим расчеты для различных алгоритмов компьютерного зрения, одометрии и нейросетей. При этом используем видео потоки с камер вместе с данными сенсоров, которые предоставляет полётный микроконтроллер. Таким образом микрокомпьютер и микроконтроллер помогают друг другу стабилизировать дрон в пространстве. Также с помощью микрокомпьютеров мы кодируем и конвертируем различные форматы видео потоков и решаем прикладные задачи, включая связь и управление дроном.

Результаты первого этапа

На первом этапе мы хотели проверить, достаточно ли точные результаты получаются при использовании концепции маркерного позиционирования для «узких» задач мониторинга: нужно автоматически попадать в проходы между рядами шириной 80 см и при этом нести на борту дополнительное оборудование. Требовалось подобрать и опробовать максимально эффективную компонентную модель дрона, его аэродинамическую форму и проверить ряд электронных компонент от китайских, турецких и американских поставщиков.

За полгода работы все задачи нам удалось выполнить. Мы довольны полученными результатами и по ходу исследований сгенерировали много идей для работы.

Что планируем делать дальше

Что касается системы мониторинга, далее мы планируем работать по следующим направлениям:

1. Продолжить работы в направлении безмаркерного позиционирования. Система маркеров хорошо работает, но мы не видим за ней будущего автономных дронов. Дроны должны быть настолько умными, чтобы не требовать никаких внешних подсказок, которые могут деформироваться. Мы видим будущее за дронами, которые применяют весь комплекс современных технологий исключительно на своем борту — нейросети, стереозрение, визуальную одометрию, машинное обучение и лидары.
2. Разработать рабочее место сотрудника фермы, которое позволит легко создавать маршруты и планы облетов объектов мониторинга и следить за работой дронов. Это поможет поддержать работу маркерной системы.
3. Доработать системы автоматической подзарядки.
4. Разработать системы управления «роем» дронов, чтобы ускорить процесс мониторинга на больших объектах iFarm.
5. Облегчить вес и стоимость электронных компонент и увеличить их мощность.

В рамках задачи по созданию систему доставки с помощью дронов мы планируем действовать в следующих направлениях:

1. Перенести полученные наработки из indoor системы в outdoor там, где они применимы.
2. Разработать самостоятельно или взять готовые конструкции грузовых дронов, опробовать и подобрать оптимальные варианты для всех заказчиков.
3. Разработать систему приема легких грузов так, чтобы она монтировалась в основание стандартных окон получателя. Мы планируем реализовать систему приема лёгких грузов и мелких посылок весом до 1 кг, чтобы не нужно было посещать точки получения груза. Мы не видим в ближайшем будущем широкого применения дронов, доставляющих грузы тяжелее 2 кг. Более тяжелые грузы несут риск для безопасности людей. Они требуют разработки регуляторных нормативов и систем безопасности, на что, в лучшем случае, уйдет 2-3 года. А получить прямо в окно клубнику, которая 5 минут назад росла на грядке — это реализуемо прямо сейчас.
4. Продолжить проектирование и разработку системы, где частные пилоты дронов из дома могут мониторить автономных дронов-доставщиков. В случае нештатных ситуаций пилоты будут немедленно перехватывать контроль за управлением дроном, получая вознаграждение за каждую доставку. Доставка автомобилями будет преобладать некоторое время, но из-за вопросов экологии, здравоохранения, распространения вирусов архаичные, плоские, небезопасные системы постепенно будут вытеснены. Новые системы симбиоза дронов и людей изменят стандарты скорости, качества и удобства сервисов и создадут новые профессии.

Мы благодарны iFarm за возможность применить наши исследования с пользой для бизнеса и прогресса отрасли. С большим интересом продолжим совместную работу!

От быстрых доставок в час пик до сканирования труднодоступного объекта — беспилотники полезны там, где человек не способен действовать мгновенно и эффективно.

Повышение эффективности производства, снижение рабочей нагрузки и производственных затрат, а также решение проблем безопасности в широком масштабе — лишь некоторые из задач, решаемых дронами во всем мире.

Всё больше компаний и государственных организаций стремятся использовать преимущества активно развивающихся беспилотных технологий. Если вы тоже хотите воспользоваться возможностями новых технологий и разработать дрона для своих бизнес-задач — мы готовы вам помочь.

Типы и габаритные размеры дронов

Дроны производят в самых разных конфигурациях и размерах. Наиболее габаритными считаются конструкции армейского назначения, например — дроны «Predator».

Несколько меньшими по величине являются беспилотные летательные аппараты, наделённые фиксированными крыльями. Эти конструкции не требуют длинных взлетно-посадочных полос.

Дроны, конструкция которых имеет фиксированные крылья, обычно используются под перелёты на расстояния в несколько километров. Эти машины часто применяются для нужд народного хозяйства, к примеру, для ландшафтной съемки, выслеживания браконьеров и т.п.

Следующий тип беспилотных аппаратов для полёта – VTOL (Vertical Take-Off and Landing) – конструкции вертикального взлёта и посадки. Обычно имеют небольшие габариты и отличаются наличием четырёх вертикально установленных пропеллеров хода в дополнение к силовой установке. По сути, речь идёт о гибридных конструкциях, наделённых уникальными свойствами.

Только имитация жизни

Роботы и дроны постепенно дешевеют, а значит, теперь их можно применять даже там, где раньше это было невозможно или попросту невыгодно. Эти устройства могут произвести прорыв в медицине и социальной сфере.

Современные роботы-хирурги настолько самодостаточны, что могут работать практически самостоятельно. Они меньше повреждают ткани во время операций, им чужд человеческий фактор. Механические хирурги уже выполняют операции на сердце, применяются в урологии, гинекологии и при пересадке волос.

Роботы — совсем необязательно только про четкость и методичность. Некоторые из них способны быть друзьями и создавать приятную атмосферу. Есть целый отряд таких роботов — роботы-питомцы и роботы-компаньоны. Самый современный из них был анонсированкомпанией Amazon осенью 2023 года.

По мнению отдельных специалистов, современные роботы-компаньоны стоят довольно дорого, поэтому рассчитаны скорее на тех, кто живет технологиями и инновациями. Времена, когда механизированный питомец будет доступен каждому, еще должны наступить.

Четвертая промышленная революция

Фантасты и эксперты предсказывали, что в будущем люди не будут участвовать в войнах — вместо них на поле боя отправятся механизмы. То, что еще 50 лет казалось фантастикой, сегодня претворяется в жизнь. Десятки стран, включая Россию, США, Китай, Великобританию, Францию и Израиль, работают над разработкой роботов, способных воевать без человеческого участия.

К 2025 году в России планируют создать и начать внедрять беспилотных боевых роботов с широким набором функций: они будут способны применять стрелково-гранатометный модуль, использовать миномет, запускать одноразовые дроны. Беспилотные роботы будут практически автономными, оператору нужно будет прикладывать минимум усилий, чтобы ими управлять.

Внедрение подобных разработок — вопрос неоднозначный. Искусственный интеллект сегодня недостаточно хорошо развит для того, чтобы люди могли предсказать, как именно поведет себя робот с оружием в реальных боевых действиях. Сможет ли он идентифицировать врага и обнаружить противника, который маскируется под своего? С другой стороны, внедрению технологии мешают правовые аспекты.

«Как я вижу беспилотные авиационные комплексы в перспективе? Это будет некая нейросеть, элементы которой смогут взаимодействовать между собой. Причем эта сеть будет многоуровневая, начиная от вычислителя миссии внутри летательного аппарата и заканчивая взаимодействием между этими летательными аппаратами на обширной территории ведения боевых действий, включая все компоненты — не только воздушные, но и наземные, космические и морские», — обрисовал в интервью ТАСС образ будущего Николай Долженков, генеральный конструктор компании «Кронштадт», которая считается одним из ведущих российских разработчиков беспилотных летательных аппаратов.

Ученые воспринимают подобные препятствия скорее как вызов. Сегодня многие уже говорят о четвертой промышленной революции — переходе к новому экономическому укладу, который будет спровоцирован тотальным внедрением IT в производственные процессы.

В основу четвертой промышленной революции лягут большие данные, интернет вещей, виртуальная и дополненная реальность, 3D-печать, квантовые вычисления, блокчейн и печатная электроника. В мире, пережившем четвертую промышленную революцию, экономика станет более прозрачной и скоростной в развитии, общество — более цифровым и безопасным, все товары и услуги — персонализированными. Большинство экспертов считают, что революция уже происходит, однако сроки ее окончания назвать сложно

Предприятия будущего со временем станут полностью цифровыми. От современных они будут отличаться тем, что в них практически моментально можно будет перенастроить процессы. При наличии необходимого программного кода запустить новые линии или переориентировать производство станет вопросом нескольких минут.

«Роботизация — один из столпов четвертой промышленной революции, во всяком случае в той ее части, что напрямую завязана на промышленности, — считает Дмитрий Буторин. — Я уверен, что без промышленных роботов вообще нельзя говорить о четвертой промышленной революции, это два взаимодополняющих явления».

***

Когда роботы и дроны окончательно внедрятся в ключевые сферы реальности и изменят течение нашей жизни — вопрос, который остается предметом для дискуссии. Некоторые исследователи говорят, что мир кардинально изменится к 2040 году, другие считают, что уже к 2030-му.

Заводы, которые работают без людей, роботы-хирурги, которые не допускают ошибок, и беспилотные автомобили, которые не попадают в ДТП — такое будущее ждет человечество не в книгах фантастов, а в ближайшем будущем.

Какие законы понадобятся для того, чтобы роботы и беспилотники приносили только пользу, — вопрос, на который человечеству еще только предстоит дать ответ. Ясно одно: грань, отделяющая действительность от будущего, которое рисовали самые смелые мечтатели, сегодня ощущается не так остро, как это было в 1899 году на пруду в Мэдисон-сквер-гарден.