Гонки на квадрокоптерах: как выглядит новое развлечение XXI века | РБК Тренды

Основные правила

Как и сама беспилотная технология, дрон-рейсинг постоянно меняющийся вид спорта. По состоянию на 2023 год в соответствии с Drone Pilots Federation основными правилами являются:

• Гоночные классы: 3S (больше подходит для начинающих гонщиков), 4S (для более опытных гонщиков) и открытого класса (для всех типов БЛА).
• Для гоночных дронов классов 3S и 4S – расстояние между моторами по диагонали может быть не более 305мм. Для открытого класса ограничений нет.
• Несущие винты: для классов 3S и 4S могут быть не более 15см. Двигатели электрические. Для открытого класса никаких ограничений нет.
• Питание: для 3S – 3-баночное LiPo. Для 4S – 4 баночная LiPo. Для открытого класса ограничений нет.
• Вес дрона: для всех классов не более 800 грамм.

Подробно о правилах можно узнать здесь.

А что в россии?

В России робототехника вообще становится популярна, есть кружки, курсы и много STEM-education-движухи. Соревнования дронов в основном проводятся среди школьников и студентов. Мы их и сами проводим. Конкурсов, ориентированных на организации и более сложные задачи, немного (хотя порой и современные школьники делают удивительные вещи).

Когда-то компания КРОК проводила интересный конкурс, с тех пор мало подобного было. Пример недавнего конкурса для производителей БПЛА — конкурс от ПАО «Газпром нефть» и AeroNet по перевозке груза, имитирующего пробы нефти. Однако, там задачи больше по аппаратной составляющей БПЛА, чем по планированию движения и обработке сенсорных данных.

Основы

Для тех кто не знает, дрон-рейсинг заключается в следующем: участники соревнований надевают FPV очки, на которые транслируется видеопоток в режиме реального времени с камеры дрона управляемого посредством аппаратуры управления.

*Пример FPV дрон трека.

Ad hoc vs унифицированные подходы

Общефилософское отступление в целом о соревнованиях. С одной стороны, соревнования направлены на стимулирование развитие технологий для практического применения. С другой, искусственность соревнований обуславливает то, что более простые решения, работающие для конкретных условий, выигрывают в сравнении с более общими подходами, которые к тому же требуют более длительной разработки. Вообще, это называется «костыли», но, говорят, есть более научный термин: Ad hoc.

В нашем случае, у нас были в заготовке еще до соревнований некоторые универсальные средства: планировщики, сегментация облаков, конструкция дрона, программная инфраструктура. С другой стороны, воля к победе требует в процессе отладке во время соревнований применять и некоторые «оптимизации» и упрощения.

Хорошим примером здесь будет наш планировщик для первого задания. Можно делать универсальный алгоритм с NBV, оптимизацией движения с целью максимального захвата камерой неисследованного объема, а можно, зная размеры комнат и что они имеют простую форму, задать несколько рандомных точек в каждой.

Также можно задавать направление движения, зная что карта устроена для движения по или против часовой стрелки. Еще забавный момент — если предположить, что организаторы расставили объекты поиска в точки с целыми координатами (или с координатами кратными 0.5), что свойственно человеку, можно довести точность их определения дроном до абсолютной простым округлением 🙂

Approach

Общий подход у нас и у других команд состоял в классической структуре системы управления с разделением на функциональные блоки локализации и картографии, управления, планирования движения, восприятия окружающей среды, планирования миссии. End-2-end и подобное никто не делал, хотя элементы такого подхода в третьем задании напрашиваются.

Drone sports global

Антенны с левой или правой круговой поляризацией

Чтобы еще уменьшить интерференцию можно использовать антенны с левой и правой поляризацией (англ.). Это поможет потому что антенны с левой поляризацией очень слабо влияют на сигнал с антенны с правой поляризацией и наоборот. Так что пилот на канале 1 может использовать правую антенну, на канале 3 — левую, на 5 — опять правую и т.д.

Восприятие

В задачи восприятия, которых мы касаемся здесь, входят детекция (и локализация)

Для детекцией кубиков хватило базовых методов OpenCV: SIFT Homography PnP. Т.к. мы знали паттерн на сторонах куба, достаточно было определить точное положение этого паттерна относительно камеры, а дальше можно получить позицию относительно любой системы координат. Для этого был написан простой пакет под ROS на python.

Для QR кодов помимо координат необходимо было произвести расшифровку кода. На python с этим отлично справляется библиотека zbar. 

Выбор каналов

В нашей группе, мы можем летать максимум по 4 человека, потому что все используем частоты ImmersionRC.

Всего существует 5 сеток, итого 40 каналов в диапазоне 5.8 ГГц (традиционные A B E F и новая Raceband).

В принципе, возможно одновременное участие и бОльшего числа пилотов, используя все частоты и сильнее разделяя каналы. Но, помните, что разделять нужно достаточно сильно и учитывать гармоники (кратные частоты, на которых и будет максимум помех).

Используйте передатчики меньшей мощности, в гонках 200мВт гораздо лучше чем 600 мВт. 600мВт это слишком большая мощность, от таких передатчиков заметна интерференция на других каналах.

Если вы упали, то как только поднимите коптер, сразу отключайте аккумулятор. Если вы пойдете назад с включенным видео передатчиком, то возможно создадите помехи другим участникам, которые все еще летают.

Я слышал, что какие-то кампании разрабатывают видео передатчики которые отслеживают состояние коптера и выбирают подходящую выходную мощность. Например если произошла авария, то мощность снижается с 200мВт до 25мВт, так минимизируется интерференция с другими пилотами. Это будет отличная фишка!

Гонки на время

Тест на скорость коптеров на трассе, записывается время пересечения финишной линии. Хорошо что на этот тип гонок не влияют ограничения по пересечению частот передатчиков.

Гонки по кругу

Два (или больше) коптера соревнуются на трассе один или более раз. Результат — порядок пересечения линии финиша. Если вы упали — дисквалификация, если пропустили ворота, то нужно вернуться и пролететь через них, иначе дисквалификация.

Обычно число участников ограничено пересечением частот видео передатчиков.

Дроны других участников

Железо

Все летали на опенсорс автопилоте PX4 (слава ему).

По бортовым компьютерам: Nvidia Jetson (Nano/NX/Xavier) или Raspberry Pi или свой компьютер у FastSense.

Из сенсоров для восприятия мира, как правило, есть камеры глубины Realsense D435, многие летают также с использованием RPLIDAR плюс обычные камеры (вебки) для детекции объектов.

История развития гонок на коптерах

Взрыв популярности этого направления хобби относится к периоду появления «мини квадриков». До этого все в основном летали на коптерах 450 и больших размеров: квадро- и гекса- коптерах.

Квадрокоптеры 450го размера тяжелее и у них нет гибкости и прочности (при авариях) в сравнении с гоночными мини квадрокоптерами 250го размера. Мини квадрики сделаны для разного рода падений; обычно после падения, Вы можете просто поднять его и продолжить летать через пару минут или даже секунд.

Числа 250, 450 и т.д. — это расстояние между моторами по диагонали, по сути означает размер мультикоптера.

С тех пор мы видим огромный прогресс в мощности мини коптеров, винты от 4″ до 6″, аккумуляторы 3-4S  и даже до 6S, моторы все больше и больше, были 1806, 2204, теперь и 2208. Безумное соотношение веса и тяги — 8:1, становится реальным, превращая парк флаеры (самолеты/коптеры на которых летают в основном в парках, на полянах, прим. перев.) в сумасшедшие ракеты, которые достигают скоростей порядка 110 км/час.

Картография

Первые две задачи соревнований включают в себя по сути задачу инспекции, то есть автоматическое обследование дроном заданной территории для быстрого поиска объекта. В первом задании нужно находить кубы с логотипом и возвращать их координаты, во втором — QR-коды и выбирать дальнейшие действия по данным в них.

Мы использовали свою наработку в этой области, основанную на модифицированном алгоритме NBV (next-best-view), а также библиотеке voxblox для представления карты. 

Алгоритм строит 3d карту (цветной mesh) в реальном времени на борту дрона, зная только предполагаемые размеры области инспекции. При планировании также выполняется обход препятствий, пролет в окно для инспекции следующего помещения также планирует этот алгоритм.

Как это выглядит в реальных тестах:

Команды-участники

Соревнования проводились в два этапа. Для первого, отборочного, был сделан симулятор на базе Gazebo с клёвыми обоями (я просил добавить ковры на стены, но это, видимо, оставили для следующих версий). Второй этап проходил на специальном полигоне.

Из-за коронавируса в этом году команд было меньше, чем в прошлом, но уровень был выше: у всех дроны летали и все делали попытки выполнения заданий. Еще порадовало, что команды были гибридные — представители академических институтов и индустрии. Список и краткая инфа о командах:

Локализация

Здесь две доминирующие идеи: 2D SLAM на Google Cartographer (мы использовали только на этапе симуляциий) c RPLIDAR и tracking камеры Realsense T265.

Последние при хорошей удаче закрывают вопрос локализации полностью причем на аппаратном уровне. Однако, как и вся визуальная одометрия, могут «плыть» (особенно в условиях вибраций на дроне). Мы пробовали делать комплексирование двух камер одновременно — одна вниз, другая вперед или вверх, например, но это тоже не всегда работает, так как сами камеры могут давать неверную ковариацию.

Мероприятие

Так выглядит спортивное мероприятие на одном из нескольких гоночных дрон треков Drone Racing League:

Наш дрон

Про звезду Давида мы не специально (кажется). Просто такая форма получилась достаточно жесткой.

Вообще, конструкция сделана модульная, с расчетом на ремонтопригодность, изготовление на базе стандартных карбоновых трубой и 3D-печатных деталей.

Последних мы взяли с собой мешочек про запас. Питстоп по замене сломанного крепления двигателя — не более 60 секунд:

Новые этапы rdr — виртуальная россия

В то время, когда вокруг вирусы, изоляция, отмена мероприятий, запреты и, кажется, все становится только хуже, мы рассматриваем такие события как возможность стать лучше, сильнее и интереснее, работать с двойной-тройной силой на полной скорости, настоящий фуллтротл!

Всероссийская лига гонок дронов RDR решила дать новые возможности пилотам и добавляет в правила еще один регион — «Виртуальная Россия».

Организации дрон-ресинга

Поскольку этот вид спорта только начинает раскрываться, существует множество гоночных организаций по всему миру. В списке самых известных:

1. Drone Championship League (DCL)
2. Drone Racing League (DRL)
3. Drone Sports Association
4. MultiGP

Отборочный этап

Хотя, как я уже говорил, отборочный этап проходил в режиме симуляции, он был очный. Организаторы предоставили каждой команде мощный компьютер, на котором мы запускали как симулятор, так и код выполнения заданий. Зачетные попытки демонстрировались на большом экране. Перед зачетными попытками организаторы загружали новые сцены, слегка отличающиеся от предоставленных для тренировки.

Все три задания от третьего к первому на симуляторе (этап 1) в таймлапсе:

На отборочном этапе наша команда заняла первое место с заметным отрывом, но расслабляться было рано.

Отступление 2

Читайте регламент заранее и рассчитывайте на худший сценарий. Если заметили неточность, предлагайте уточнение.   

Отступление 3

Все кто делают дронов, рассчитывайте на тройное резервирование, бюджеты умножьте на 3 и не соглашайтесь на меньшее 🙂 Дроны падают.

Обещанное видео падений:

И еще. Делайте бэкапы. У нас, например, накрылась флешка со всей системой на бортовом компьютере и это стоило нам дня соревнований и ночи восстановления. 

Пит-стоп для дронов

На FPV-гонках, как и в Формуле-1, есть свой пит-стоп. Правда, на них работает всего один инженер. У него есть инструментальный ящик со всем тем, что может пригодится, если дрон сломается. Вот что в нем лежит:

• шесть аккумуляторов и зарядка для них:
• запасной мотор;
• пропеллеры, шайбы, винты и гайки;
• зубная нить, которая нужна, чтобы пропеллеры не слетали с вала.

Во время самого соревнования пит-стоп не нужен. Ремонтируют устройства обычно после гонки. Если дрон падает, застревает или переворачивается, его поднимают проходящие или сидящие рядом люди.

Победила дружба

По результатам соревнований судейской коллегией было принято решение не выявлять победителей, т.к. ни одной командой не были пройдены задания второго тура целиком. По итогу: 1) потрачено много запчастей и нервов, 2) было весело, собрались интересные ребята, 3) победила дружба.

Покупать или собирать?

Если сборка коптера с нуля, из запчастей кажется Вам слишком сложной, вы можете рассмотреть покупку RTF или ARTF наборов (RTF — ready to fly, значит готовый к полету, ARTF — almost ready to fly — почти готовый к полету, прим. перев.) типа EMAX NightHawk Pro 280 (англ.)

Эти наборы не требуют пайки и по сути «plug-and-play» (включай и играй). Но я рекомендую построить коптер самостоятельно! Сборка это тоже удовольствие, опыт и умения которые вы получите по ходу сборки научат вас ремонтировать коптер после аварий и дадут идеи для дальнейших апгрейдов.

Полёты

Репортаж о соревнованиях и дронах, у которых есть имена (источник):

Полигон

Полигон в его вариантах для разных заданий выглядел так:

Правила безопасности

Безопасность это главное! Всегда помните что гоночные мини коптеры очень БЫСТРЫЕ и могут нанести травмы как вам, так и окружающим. Мы ненавидим людей игнорирующих правила безопасности, потому что это влияет не только на них, но и на всех кто увлечен этим хобби.

• Проверьте местные законы и правила на счет FPV и вообще радиоуправляемых моделей.
• Купите страховку!
• Должен быть наблюдатель!
• Выбирайте место полетов с осторожностью, не летайте в местах массового скопления людей.
• Никогда не летайте над людьми или животными.
• Отключайте аккумулятор сразу после того как подобрали коптер.
• Не пытайтесь поймать коптер в полете!
• Никогда не используйте поврежденные аккумуляторы. Утилизируйте их правильно.

Помимо самих полетов, вы должны также побеспокоиться о безопасной утилизации литиевых аккумуляторов.

Распределение частот для видео передачи

Как только вы добрались до места полетов, первое же что нужно сделать — выяснить кто какой канал использует для передачи видео.

НЕ ВКЛЮЧАЙТЕ коптер до того как убедитесь, что канал свободен. Когда два человека на одном канале и находятся недалеко друг от друга, вы можете перебить чужое видео и, возможно, прямо во время полета или создадите кучу помех, что вызовет аварию. Всегда предупреждайте других пилотов прежде чем включить коптер на случай появления интерференции (помехи на соседних каналах), кроме как если вы действительно ненавидите кого-то и делаете это намеренно, шутка.

Как вариант — включите видео приемник и проверьте какие каналы свободны прежде чем включать видео передатчик.

С качественным оборудованием и нормальным распределением по частотам, одновременно может летать до 8 человек, но обычно летает 4 человека, чтобы избежать интерференции.

Сколько стоит? дорого?

Меня спрашивают об этом каждый раз когда я летаю в парке: сколько будет стоит собрать такого дрона?

Как и многое другое в жизни, это очень сильно зависит от выбора компонентов. Грубая оценка стоимости коптера: что-то среднее между $150 и $500, или даже дороже. Это просто сам коптер, не включая сюда запасные аккумуляторы, видео очки, видео передатчики, инструменты и т.д.

Советы на счет гонок на миниквадриках

Победа в гонке это не только максимальная скорость. Главное оставаться в воздухе! Иногда лучше лететь медленнее и увереннее, чем гнать и потерять управление. Я много раз видел как быстро летящие проигрывали более медленным, потому что разбивались в время гонки, несмотря на то что все время лидировали.

Убедитесь что есть достаточно количество запасных пропеллеров, падения непредсказуемы, а вы будете падать неоднократно. Когда начнете практиковаться будьте готовы к крашам и поломкам винтов и других частей. Вы будете расти и улучшать свои навыки значительно быстрее, если перестанете беспокоиться о падениях!

Создаем трассу для гонок

Как только вы собрали квадрик и нашли единомышленников, пора делать трассу для гонок.

Когда вы планируете трассу, помните, нет готового набора трасс, как и нет пределов фантазии! Кроме обычных ворот и флагов, добавьте еще и другие объекты которые вас окружают: деревья или кусты, это сделает полет более динамичным и более 3дшным.

Ворота стоят не мало, но вы всегда можете изготовить их самостоятельно используя картон, обручи, ленты, в общем все попадется вам под руку. Возможно в будущем я сделаю какую-нибудь инструкцию, если будет время.

Я делал обзор ворот FPVModel Race (англ.), они отлично подходят для получения практики.

Это видео где я соревнуюсь с друзьями (ну, не совсем соревнуюсь, скорее стараюсь не отстать 🙂 )

А это гонка на время (начинается с 2:30)

Соревнования новых технологий

В московском баре Bolivar проходят необычные соревнования — гонки на FPV-дронах. FPV расшифровывается как First Person View — человек управляет квадрокоптером от первого лица. Нужно надеть очки, которые соединяются по видеосвязи с камерой, установленной на дроне. Это позволяет гонщику увидеть все то же, что видит его беспилотник.

Квадрокоптеры бывают разные: большие и маленькие. Маленькие стоят от 5 тыс. руб., а их скорость — 25-30 км/ч. Как раз такие и используют на гонках. К размеру дронов есть требования: необходимо, чтобы между моторами диагональ составляла 15 мм, а пропеллер был защищен. Так организаторы пытаются избежать инцидентов в закрытом пространстве.

Очки для гонок стоят дороже — около 20 тыс. руб. Также потребуется пульт управления.

Соревновательная робототехника

Если спортивное программирование и индустриальная разработка уже во многих случаях весьма далеки друг от друга, то в робототехнике зачастую крупные соревнования становятся драйверами развития целых направлений. Пожалуй, самый яркий пример —  DARPA Grand Challenge, которые предопределили бурное развитие автономных автомобилей. Основатель DJI начинал свою работу по БПЛА с соревнований  ABU Robocon в составе команды гонконгского университета HKUST.

Среди современных крупных конкурсов в области воздушной робототехники я выделю:

Состав нашей команды

• Дмитрий Девитт — главный заводила, знает вкус победы предыдущих соревнований Аэробот-2023. Видели Noize MC, обвешанного гитарой и укулеле с сэмплером и клавишами? Вот примерно так работает Дима при тестах: в одной руке ноутбук, в другой пульт ручного управления для подстраховки;

• Дмитрий Пономарев — программист, реализовал фьюзинг нескольких реалсенсов для локализации, генерировал миры в Gazebo; 

• Илья Севостьянов — студент Университета Иннополис, работал над детекцией полосы и посадочной площадки;

• Юрий Сухоруков — студент, много занимался сборкой кошерного дрона, 3D-печатью, сделал ворота и параллельно порадовал сайд-проектом по детекции масок с дрона;

• Роман Федоренко — я, каким-то волшебным образом собрал эту мега-команду и наблюдаю за успехом (спокойствие все же только видимое).

Следующие сотрудники большой команды нашей лаборатории не были в официальном составе соревнований (по регламенту не больше 5 человек с российским гражданством), однако их наработки были очень полезны:

Спорт будущего

Дрон-рейсинг (от англ. drone racing) — стремительно развивающийся высокотехнологичный вид спорта. Подразумевает соревнования посредством гоночных FPV дронов на специально оборудованных FPV треках.

Первая официальная беспилотная гонка в режиме FPV состоялась осенью 2023 года в Лос-Анджелесе на поле Apollo XI RC. Шли года и всё это время этот высокотехнологичный спорт стремительно процветал. В июне 2023 года лига чемпионов (Drone Champions League — DCL), одна из крупнейших в мире профессиональных гоночных организаций, провела спортивное мероприятие «Paris Drone Festival» вдоль знаменитых елисейских полей в Париже.

Его посетило более 150 000 фанатов. Другая не менее известная конкурирующая организация — Drone Racing League (DRL) проведёт в текущем году ряд мероприятий в США, Франции, Германии и Саудовской Аравии, которые будут транслироваться в более чем 90 странах по таким каналам как ESPN и Sky Sports. Победитель, который определится в финальном мероприятии в ноябре, получит не менее 100 000 долларов. И это только начало!

Ожидается, что к 2020 году человек будет соревноваться с беспилотниками с ИИ.

*Победитель Drone Racing League 2023-2023 года — Jordan «Jet» Temkin из США.

Стартовая площадка и сложная трасса

Старт, отметка очередного круга и финиш выглядят одинаково — это высокая табуретка с QR-кодами, сквозь которую должен пролететь дрон.

Самые сложные элементы трассы — светодиодные фигурные рамы, которые нужно облететь или пролететь сквозь них со снижением, что даже опытным гонщикам удается далеко не всегда.

Последняя часть гонок — бешеный разгон. Квадрокоптеры набирают максимальную для бара скорость — 30 км/ч. Цель — врезаться в висящую майку.

Технология тряпочки

Надеюсь, ребята из Fast Sense Studio не поругают меня за разглашение ноу-хао с тряпочкой, т.к. это яркий пример того, с чем приходится сталкиваться при работе с реальным железом, особенно если сравнивать с симулятором.

Итак, уважаемые знатоки, внимание, вопрос: для чего нужна тряпочка на взлетно-посадочной площадке?

Технополис эра

Эра — это военный Технополис. Круто, что он у моря. «Расположение Технополиса на морском побережье создает комфортные условия для работы и жизни.» — сказано на сайте Технополиса 🙂

И да, у них свой пирс с вертолётной площадкой.

Типы гонок, места для проведения

Гонки можно проводить где-угодно: на складах, в парках, в лесу или просто на открытом пространстве с препятствиями.

В гонках на мини коптерах, как правило, цель — пролететь по трассе с препятствиями типа ворот, флагов за минимально возможное время. Существует 3 основных вида гонок.

Траекторное управление и обход препятствий

Пожалуй это одна из самых интересных и важных частей проекта. Нам нужно было обеспечивать максимально безопасную, но в тоже время быструю траекторию движения дрона, избегая заранее неизвестные препятствия. К тому же необходимость планирования в трехмерном пространстве добавляет вычислительную сложность.

Изначально планировщик знает положение дрона, целевую точку (или несколько), а также карту в виде облака точек. Помимо этого мы настраиваем максимальные скорости и ускорения дрона.

На основе облака точек формируется новая карта с дополнительными границами вокруг препятствий (т.н. inflation). По этой карте находится оптимальный маршрут, используя несколько алгоритмов (для быстрого поиска — сильно модифицированный elastic band planner, в сложных случаях дополнительно используется A*).

Фото гонок дронов

Фристайл

В некоторых случаях проводятся соревнования по фристайлу, но это больше похоже на «Гимнастику на Олимпиаде» чем на гонки. Вы вытворяете всякие безумные акробатические вещи за ограниченное время, чтобы впечатлить судей и аудиторию.

Дальше мы поговорим об организации трасс.