Основы разработки дронов-ликбез — Wiki о коптерах

разработка——–автор Книжников ВВ

эксплуатационный выбор

При выборе облика платформы всегда надо опираться на все эксплутационные свойства бпла—-например

1) по надежности компонентов первым идёт лк—-затем классический мотопланер—потом самолёт—утка—–мультикоптер—вертолёт!более подробно смотри статьи “сопромат”,”механика”

2) по стабильности полёта и АК первым идёт мотопланер—самолёт—утка—-лк —вертолёт —мильтикоптер!более подробно смотри статью “аэродинамика”

3) по экономии энергии и ветропробиваемости первым идёт мотопланер—самолёт—лк—вертолёт—мульти!более подробно смотри статью “динамика”

4) по минимальным габаритам в сложенном состоянии первым идёт мультикоптер—-вертолёт —лк—самолёт—мотопланер!более подробно смотри статью “композит”

5) по простоте взлёта и посадки первым идёт мультикоптер—-вертолёт ——мотопланер—–самолёт—–лк!более подробно смотри статью “пусковые устройства”

Соответственно квадрокоптер по совопупности всёх потребительских свойств в 16 раз хуже мотопланера—так как для динамической устойчивости и управляемости у квадрокоптера четыре ВМГ против одной на планере и
прожорливость на крейсере у мультикоптера в 4-5раз больше, чем у самолёта плюс его планирующие свойства!

Смотрите про коптеры: ТОП 20 вибраторов с дистанционным управлением - какой купить?

оптимизация

Основная задача инженера при проектировании дрона ---это оптимизация всех параметров и  относительных размеров элементов при условии начальных габаритов и ттх!

Один из самых простых способов в мировой практике— это прямое копирование уже отработанных схем и решений конструкции типа а ля клон с некоторыми незначительными изменениями,чтобы не нарушать авторское право, а также линейное масштабирование отработанного узла или корпуса в целом на основе удачного дрона с учётом доступности технологий!

Графический метод оптимизации  любой консоли по закону усеченного конуса  или его плоской  проекции например----

Всегда старайтесь применять трапецевидную консоль крыла с сужением 1.5-2 по ряду положительных причин—-

близкое к элипсному распределению подъёмной силы по размаху и максимум АК—-

оптимальная эпюра момента на изгиб по сопромату то есть минимальное сечение балки или лонжерона в корневище крыла а значит и вес крыла —-

также минимальный момент инерции —-

очень технологично при композитном исполнении при позитивной формовки по пеноядру—-

всё это в сумме дает оптимальные характеристики в целом для ла !

Также проектируются все силовые балки типа лучей, хвостов, стоек, пилонов, форма килей и стабилизаторов!

Применять конструктив типа монокок—–то есть рабочая силовая жесткая обшивка с минимум внутреннего поддерживающего каркаса типа шпангоутов и стрингеров! Хороший пример замкнутого контура многосекционный бутылочный фюзеляж или пустотелые тонкостенные композитные корпуса отлитые или отформанованные в матрицах !

метод—одна вторая

При проектировании дрона любого типа можно  использовать правило одна вторая для относительной массы компонентов или  схему дерева !

1) сухая масса носителя это одна вторая от полной взлетной или плавающей 50%—- соответствено плюс одна вторая общего груза 50% —-где полезный груз 25% и топливо (аккумулятор) 25% тоже по одной второй!

2) масса носителя состоит из одной второй массы силовой платформы типа планер бпла или корпус лодки или шасси с кузовом! соответственно плюс одна вторая на силовой приводной механизм типа вмг и авионика, где электро вмг или двс привод с трансмиссией одна вторая и плюс управляющая электроника одна вторая по массе!

3) планер состоит из крыла одной второй массы и одной второй фюзеля с оперением или у мультиротора масса лучей с моторамами равна массе силового центрального корпуса , а масса кузова и шасси с колесами также равны или одна вторая по соотношению.

Например—- заказчик просит возить полезную нагрузку в 2 кг не менее 2 часов типа подвесной цифровой профессиональной камеры с оптическим зумом на гироплаформе в защитном прозачном колпаке—-сразу прикидываем, что топливо не менее 2 кг —-итого груз 4 кг!
полётная масса 8 кг —- значит масса снаряженного сухого бпла около 4 кг—–
из них планер 2 кг и силовой привод с авионикой тоже 2 кг—–
из них крыло 1 кг и фюзеляж с оперением тоже 1кг —-
винтомоторная группа с регулятором и силовыми проводами около 1 кг и исполнительные серво приводы с управляющей электроникой типа автопилот, телеметрия, радиомодем и курсовой видеоонлайн с бортовым электропитанием тоже 1 кг!

Это ориентировочный весовой расклад —–далее исходя из доступных технологий, материалов и промышленных комплектующих вносятся уточнения по каждой категории при условиях дополнительных опций типа колесное шасси, САС на парашюте или гидропоплавки, наличие дополнительного и дублирующего оборудования!

методы оптимизации дрона в зависимости от задачи

Поставленная задача заказчиком определяет для разработчика тактико-технические характеристики (ТТХ) беспилотника!!!
Тоесть задача определяет поиск экстремума или максимальной эффективности основного требуемого физического параметра!
например для—-

1) долголёта крылатого типа в режиме баражирования—– основной параметр это максимальное время непрерывной автожизни на одной зарядке в часах

2) дальнолёта крылатого типа в режиме максимальной дальности—– основной параметр это пробег в километрах

3) грузовика крылатого типа—- возможность взять максимум полезной нагрузки в килограммах

4) перехватчика крылатого типа—- это максимальная скорость в км/ч и перегрузка

5) специфические задачи типа минимального размера бпла или вертикальный взлёт или посадка с неподготовленной площадки —-обычно используются мультиротарные коптерные платформы или дирижабли

Из-за нелинейности реальных физических функций в комплексном уравнении всегда есть пик или экстремум в виде горки или ямки показывающий максимальную эффективность по искомому параметру!
Так как начальных вводных много, как-то полётная масса,габариты,скорости ветра,энергетика то это сильно сужает поле поиска и облегчает инженерную задачу
Обычно расчёт ведётся как деферинциал располагаемой энергии на борту—-чем больше удельная энергия источника или аккумулятора тем выше показатели по дальности и времени,а по удельной мощности СУ определяется максимальная скорость и грузоподъёмность дрона!!!

Для каждого типа беспилотника в зависимости от задачи есть свой оптимум относительной массы компонентов—-поэтому существует такое большое разнообразие в облике , конструкциях и технологиях изготовления!

Некоторые параметры противоречат друг другу—-например чем больше масса полезного груза,тем меньше топлива можно взять в полёт и значит меньше дальность миссии или чем мощнее ВМГ, тем меньше кпд при крейсере и время автожизни

НАЗВАНИЕ100%—-КРЫЛЬЯ%—-ФЮЗЕЛЯЖ%—-ОПЕРЕНИЕ%—-ШАССИ%—-АВИОНИКА%—–ВИДЕО%—–ВМГ%—–АККУ%—–ГРУЗ%

Долголёт——————-30——————10———————5——————-0——————-10——————0—————-5————35———5

Дальнолёт—————–20——————10———————5——————-0——————-5——————-5—————–5————40——–10

Грузовик——————–15——————10——————–5——————–5——————5——————-5—————-10———–20——–25

Перехватчик лк———-25——————-5———————0——————–0——————10——————-5—————-15———–30——–10

Коптер—————–лучи7————центр8——————–0——————–5——————10——————10—————-20———–40———-0

масса аккумулятора желательно не менее двух масс вмг—-например Макку=2 Мвмг=2(Мв Мбк Мрх)=2(5 30 10)=90грамм

более подробно смотри статью “методы оценки ла ”

запас прочности

Применение коэфициента запаса прочности на разрушение в сопромате в 1.62  от максимальной эксплатуацинной  перегрузки в сечении всегда позволяет на практике гарантировано сделать живучую и легкую конструкцию  ла!

В силовой электротехники запас по токопроводимости проводов, регуляторов хода электромоторов, аккумуляторов тоже лучше брать как 1.6—–тоесть производитель гарантирует максимальный ток регулятора хода 32 ампер то на практике лучше не нагружать более 20а и силовые полевые транзисторы гарантированно не перегорят, сечение проводов тоже увеличить в 1.6 от расчетной на тепловой максимальный нагрев!

Долго играющая мощность электромотора не должна превышать 0.6 от максимальной разрешенной производителем с запасом по току в 1.6— тоже самое с акку написано ток 10С значит на практике не более 6С, максимальный расчетный момент на сервоприводах всегда 0.6 от заявленного производителем.

Объясняется этот запас разбросом условий эксплуатации от идеальных лабораторных в первую очередь от температуры окружающего воздуха и условий охлаждения и как следствие температуры самого электрокомпонента—чего бы там не писали производители, всегда не более 50 град по С.

окраска беспилотников

Все наружные поверхности корпусов дронов соприкасающиеся с агрессивной средой в которой много химических загрязнителей, воды, соли, пыли и песка обработаны защитным слоем в простонародье краска!
Водостойкое защитное покрытие всегда состоит из основы органической смолы типа нитро, акрил, алкид, полиэфир, эпокси и наполнителя с цветным пигментом!
Для удобства нанесения кистью, валиком или через пульвизатор краску обычно разбавляют рекомендованным органическим растворителем—— например ацетон, спирт, бензин и другие!
Для лучшей адгезии краски к металлам и стеклопластику используют промежуточный слой специальной грунтовки, рекомендуемой производителем!

Цветовая гамма краски для дрона выбирается на вкус и пожелание заказчика—-
обычно гражданские дроны делают яркими, контрастными красками для лучшего наблюдения и поиска типа красные, желтые, оранжевые цвета !

Для военных целей используют маскировочную окраску под тип местности—–зеленый оттенок цвета летом ,белый зимой,серый или коричневый в межсезонье,черный в ночь!

расположение компонентов в беспилотнике

1) Радиомодем и другие излучатели электромагнитных волн распологать как можно дальше от автопилота и жпс приёмника —например в хвост или на кончик крыла

2) Также с силовыми проводами, импульсными источниками тока, рулевыми машинками,видеокамерами, аккумулятором, регуляторами хода и электромоторами подальше от малоточной чувствительной электроники, которую надо экранировать и заземлить—-

обычно вмг и акку распологают в носу бпла при тянущей схеме, сервоприводы на плоскостях и в хвосте, а в центр именно управляющую слаботочную электронику типа автопилота, жпс приёмника  и приемника ру!

3) Все информационные провода скрутить в витую пару или в экран с заземлением типа коасил!

4) Внимание некоторые жпс приёмники забиваются диапозоном радиомодема или видеопередатчика или радиостанции—-надо подбирать! типичные разрешённые диапозоны 144 мгц, 433 мгц, 900 мгц, 1.2 ггц, 2.4 ггц, 5.8ггц .

5) Силовые провода и информационные шлейфы развести по разные борта фюзеляжа.

6) Антены приемников и передатчиков на ла распологать перпендикулярно или на одной оси вертикально вниз и вверх для снижения взаимного влияния напряженностью поля и только снаружи корпуса.

7) Все металлические и карбоновые детали корпуса дрона обязательно соединить электрически и заземлить на минус---

иначе железки будут работать как паразитные несоглассованные элементы и расстраивать антенны.

более подробно смотри статью “радиопомехи”

дублирование

Вообще в авиции правило удвоения или дублирования функции очень повышает надежность и живучесть ла в целом ----например

1) двух моторность,

2) разрезные аэрорули,

3) двойные карбюраторы и системы зажигания,

4) двойные баки и резервное электропитание от дополнительного акку,

5) двойные запараллеленые тумблера,

6) двойная топливная магистраль и двойные тормоза ,

7) две бутылки воды и два типа радиостанции встроеная и переносная ,

8) дублирующий монтаж –сначало приклеить, потом зашурупить на локтайт, любое сращение силовых деталей бондажить свм ниткой или стеклотканью на клею,

9) все электро разъемы с фиксируещими замками и двойными клеймиками то есть гнездами питания,

10) двойной крепеж особо важных компонентов типа мотора, сервоприводов или качалок и петель—-
если в теории хватит двух-трех точек крепежа, то на практике всегда четыре-шесть и контровка,

И всегда помнить—-ни какого трения при вибрациях не существует!

момент инерции

Так как вращение летательного аппарата происходит вокруг точки центра масс ----то моменты инерции по осям определяют угловое ускорение на реакцию управлении в целом---

момент инерции (МИ) это произведение массы элемента на квадрат расстояния между цм элемента до цм ла

Поэтому сумма этих моментов у лк относительно поперечной оси обычно самая маленькая и отзыв на тангаж самый отзывчатый!
Относительно продольной оси где-то в два раза больше и и поэтому реакция по крену ниже!
Максимальная сумма моментов по вертикальной оси в четыре раза больше и по рысканью самая медленная реакция на руль поворота !

1) консоль крыла или стабилизатора или киля трапецевидной формы имеет наименьший ми против прямоугольного—

2) тонкий конус хвостовой балки лучше —

3) хвостовое оперение всегда делать как можно легче—-мотор,пилот, груз и бак распологать как можно ближе к центру масс и у вас получиться отзывчатый ла идущей за штурвалом–так делаются все учебные и спортивно-пилотажные самолёты.

У грузопассажирских и бпла, где полезный груз размазан вдоль фюзеляжа— ми очень большой и самолёт сильно тупит по тангажу—так как топливо обычно в крыльях, то при взлёте ми по крену максимален и вялый отклик!

Помнить всегда, что рулить этими утюгами надо очень медленно и осторожно— то есть минимальные расходы и не стараться заложить крутой вираж—иначе легко сорвать в штопор!

Кстати длинные крылья у классических планеров и лк с большим удлинением крыла сильно тупят по крену и наоборот резкие по тангажу—-тандемы вертлявы по крену и тупые по тангажу—-и лишь у короткокрылой классики оптимальные отзывы на управление по всем осям —то есть типичные поршневые спортивнопилотажные самолёты и гоночные лк.

Также двухмоторники на крыльях сильно тупят по крену и рысканью, а вот двухмоторники по продольному тандему типа тяни нос-толкай хвост сильно тупят по тангажу и тоже по рысканью, четырех или трех точечные конвертопланы из за большого разноса масс вмг по длине лучей очень сильно тупят по всем осям и двух стоячное шасси с хвостовым костылем имеет ми меньше, чем трех стоячного с передним рулевым

Чтобы разгрузить лонжерон по перечному изгибу в центроплане, нужно равномерно распределять начинку и топливо по размаху крыла.

Перегрузка в вираже грузового бпла не должна превышать 2.5 же!
с учётом коэф запаса прочности 1.62—перегрузка на разружение 4же

Внимание!----самый главный принцип в авиации это минимальная достаточность функций и компонентов!!!

если можно обойтись без ненужной роскоши то сразу за борт, так как это лишняя масса и повышенный риск на отказ системы в целом—-например

1)убираемые шасси и сильная механизиция крыла(закрылки,предкрылки,инцепторы,винглетты)

2)складной винт и ВИШ

3)световое, звуковое и видео оборудование

4)переизбыточный многофукциональный автопилот и многоканальная система управления

5)складные и разборные конструкции типа механических замков для элементов крепления крыла , хвоста и электроразъёмов для электроники

6)любая механизация в самом нагруженном месте всегда ведёт к повышенной аварийности, лишней массе и уменьшением ресурса ла—–например механизм изменяемой стреловидности крыла, механизм перекоса лопастей в вертолёте—–поворотный механизм вмг в конвертопланах !!!

Основное правило первого испытательного запуска---не бороться со следствием кривой  работы ,а устранение самой причины  неисправности!!!как-то

кривая геометрия изделия—крутка и углы установки,

неправильная центровка—-обычно слишком задняя

биение-вибрации от несбалансированного ВМГ,

слишком большие углы руления,

пере или недо регулирование ПИДов автопилота,

неграмотное расположение чувствительной радиоэлектроники,

отсутствие пассивной защиты элементов конструкции,

холодная пайка и неполный электроконтакт в разъёмах,

люфты или закусы механики!

Первое испытание всегда проводить только в ручном визуальном режиме!!!

Sdk и комплекты

Понятно, DJI — не единственный пример. SDK есть у Parrot, 3DR, Skydio, Yuneec (правда 3DR, Yuneec и Parrot работают с open-source-платформами, о них мы поговорим далее).

По сути сейчас мы наблюдаем процесс формирования целого рынка программного обеспечения для таких программируемых дронов.

Некоторое ПО, в т.ч. на DJI (несмотря на то, что он не open-source) можно найти на GitHub.

Кстати, образовательные решения тут тоже есть. Например, тот же DJI выпускает специальный комплект из нескольких дронов, рассчитанный на обучение целой группы студентов программированию на Scratch, Python и Swift.

Помимо проприетарных, есть множество DIY-решений, основанных на популярных универсальных полетных контроллерах. Откровенно говоря, DIY-сообщество в свое время и стало родоначальником всего рынка управляемых дронов. Компании с рынка радиоуправляемых моделей взялись за разработку БПЛА лишь тогда, когда идея стала популярна в народе и можно было построить какие-то бизнес-прогнозы.

DIY-решения обычно опираются на какую-то из доступных систем управления (автопилотов), например Ardupilot или Pixhawk. А контроллер подбирается из списка поддерживаемых для выбранного автопилота. Впоследствии его можно даже доукомплектовать оборудованием (если прошивка позволяет это сделать). Под такие решения есть свои универсальные платформы разработки, например MAVSDK (его поддерживают 3DR, Yuneec и Parrot).

По аналогии с 3D-принтерами некоторые производители выпускают кит-комплекты для DIY дронов. К примеру, в упомянутом выше хакатоне ребята работали с дронами «Иволга» отечественного производства. Есть и другие примеры, например, Ardupilot, как производитель, предлагает на рынке собственные наборы, цена на которые варьируется в зависимости от комплектации.

Пример комплекта с Aliexpress

На базе open source контроллеров встречаются и промышленные решения.

Начиная с самосборных решений под управлением готового автопилота, некоторые энтузиасты переходят к разработкам собственного автопилота. Так мир open source в этой части постоянно расширяется. Однако это задача не для новичка. Поскольку суть заключается не столько в самом программировании, сколько в решении инженерных задач.

Бизнес-идеи

Растущий интерес к беспилотникам – отличный повод запустить собственный бизнес. Доступны несколько франшиз – по продаже квадрокоптеров и подготовке пилотов (для детей и взрослых). К примеру, открытие курсов пилотирования для детей по франшизе потребует 990 тыс рублей инвестиций и 300 тыс паушального взноса. При обороте 400 тыс рублей в месяц бизнес окупится за год.

Военные дроны

Wi-Fi-дрон Titan Aerospace на солнечной энергии!

Военное и разведывательное применение – в 2023 году вооруженные силы США потратили 4,5 млрд долларов на дронов. К 2023 году ожидается, что сумма вырастет до 18,7 млрд.

44. Дроны для запуска ракет – уже используются.

45. Дроны-бомбардировщики – уже используются.

46. Дроны-маскировщики – для визуальной маскировки всего, что находится под ним.

47. Прерыватели коммуникации – создают зоны с невозможностью коммуникации.

48. Дроны-транспортировщики медсредств – практически мгновенная доставка припасов и оборудования для обработки полевых ранений.

49. Невидимые дроны-шпионы – слишком маленькие, чтобы их заметить, катятся, прыгают, летают, прилипают к любым поверхностям.

50. Дрон-пуля с датчиком температуры – вероятно, самое опасное оружие, которое могло бы существовать – дрон-пулю можно было бы выстрелить с расстояния в тысячи километров в определённую цель, и он бы никогда не промазывал.

51. Высотный Wi-Fi-дрон на солнечной энергии – Google приобрела компанию Titan Aerospace, разработавшую подобное устройство. Сверхлёгкие беспилотники могут пять лет летать над коммерческими авиапутями.

Для чего используются

Конструкция определяет возможное применение. Сфер, где успели «засветиться» беспилотные летательные аппараты уже довольно много. Даже если говорить только о «гражданских» машинах (не ориентированных на военных или спасателей), это:

Применение беспилотника во многом определяется тем, какую полезную нагрузку он способен нести: может ли поднять посылку с грузом или вынужден ограничиться экшн-камерой.

Доставка для малого бизнеса

Беспилотники могут принести небольшим предприятиям огромную пользу. Они могут доставлять повседневные припасы, ремонтные материалы, товары и выполнять второстепенные функции, которые значительно снизят эксплуатационные расходы для малого бизнеса. Отказ от посредников и передача подобной работы БПЛА повысили бы прибыльность многих предприятий по всему миру.

Дроны в библиотеке

Университет Южной Флориды планирует разрешить использование дронов в библиотеке

Деятельность библиотек будет изменена до неузнаваемости.

36. Библиотека, где можно одолжить инструменты, – дрель, ключ, комплект насадок, сварочную горелку, молоток, фуганок, пилу, паяльник и т. д.

37. Библиотека, где можно одолжить аварийное оборудование, – аварийные генераторы, освещение, аптечки и т. д.

38. Библиотека, где можно одолжить питомца, – приюты смогут отправить вам животное без промедления.

39. Круглосуточные архивы с книгами, аудио- и видеофайлами, предметами искусства – услуги библиотеки прямо у вас дома.

40. Библиотека, где можно одолжить техническое оборудование, – если вы нашли старый картридж от приставки «Дэнди» и хотите устроить себе ретро-уик-энд, поиграв в космических захватчиков, просто одолжите оригинальную консоль.

41. Библиотека с услугами эксперта – летающий экран с онлайн-трансляцией, позволяющей вам пообщаться с экспертом, который ответит на вопросы.

42. Одолжите большого брата – компания сопровождающего «дрона-взрослого».

43. Библиотека, где можно одолжить дронов, – возьмите дрона напрокат. Он прилетит сам.

Дроны для образования

Команда студентов “SkyBarge” выиграла конкурс дронов от Американского сообщества инженеров-механиков

60. Дроны для исторической справки – “На этом месте 18 октября 1963 года встреча определила исход…”

61. Схемы в реальном времени – “Между партиями сейчас идёт гражданская война, и вы можете увидеть снимки их главной транспортной системы до и после событий…”

62. Геометрические формы – дроны создают фигуры в пространстве, отображая математику просчитанных углов, объемы, зоны и связь.

63. Дрон-справочник – куда бы вы ни пошли, этот дрон будет задавать вопросы и проверять ваши знания об окружающем мире. Правильный ответ вы узнаете после трёх попыток.

64. Дроны-документалисты – кинокомпании могут использовать дронов, потому что они тише и не подвержены такой вибрации, как вертолёты.

65. Дрон-лингвист – выучите иностранный язык с интерактивным дроном-партнёром.

66. Дроны-математики – математические задачи решаются в трёхмерных примерах.

67. Дрон-экзаменатор – проверяет вас перед экзаменом.

Дроны для путешествий

Будущий дрон-вертолёт

Дроны для путешествий – летающие дроны станут для нас теми самыми летающими машинами

76. Дроны-вертолёты.

77. Дроны-лимузины.

78. Дроны для рейда по барам.

79. Туристические дроны.

80. Дроны, курсирующие по маршруту.

81. Дроны для аварийных ситуаций.

82. Дроны-перевозчики.

83. Дроны для совместных ночёвок.

Дроны для скотоводства

Дроны для пастьбы/наблюдения за скотом

Отслеживание перемещения скота, моделей питания, набора и потери массы, признаков опасности. Для каждого отдельного типа скота будут необходимы свои датчики, системы отслеживания и мониторинговое оборудование.

9. Наблюдение за коровами, лошадьми, свиньями, овцами и другим скотом.

10. Наблюдение за курами, индюками, утками и гусями.

11. Наблюдение за пчёлами.

Дроны для умного дома

20. Рой пульверизаторов – добавляйте художественные росписи стен в считанные секунды.

21. Дрон для уборки пыли – очищает стены, полки и практически любые поверхности.

22. Дрон-газонокосильщик – идеальный газон всегда.

23. Дрон для сгребания листьев – монотонная работа в прошлом.

24. Дрон–охранная система дома – будь то угроза с воздуха или с земли, дроны заметят проблему, оповестят хозяев, представителей властей и доставят хлопоты любым злоумышленникам.

25. Дрон–3D-принтер для ремонта – прилетит и заделает любую трещину или повреждение.

26. Специальный док для дронов – для круглосуточной доставки и оповещения вас по прибытии.

27. Дрон–сменщик подгузников – непонятно, как это будет работать, но после реализации идеи спрос будет огромным!

Дроны с манипуляторами

Беспилотник с роботизированной рукой

Дроны с манипуляторами – добавьте роботизированный манипулятор к летающему дрону и получите массу возможностей

84. Дроны для работы с опасными веществами.

85. Дроны-транспортировщики опасных химикатов.

86. Дроны для спасения опастных животных..

87. Дроны-шахматисты.

88. Дроны-армрестлеры.

89. Дроны для точечной сварки в труднодоступных местах.

90. Дроны для ремонта механических частей.

91. Дроны для сбора космического мусора.

Дроны, связанные со здравоохранением

52. Гуманистическое применение – исследователи создают дронов, которые смогут доставлять вакцины и другие важные медицинские средства в отдалённые места в развивающихся странах.

53. Дроны-канарейки – проверка качества воздуха в шахтах и другой сомнительной среде.

54. Наблюдение за телесной сферой – рой микродронов для наблюдения за любыми изменениями энергетического поля человека.

55. Парящие датчики здоровья – измерение и анализ состояния в реальном времени.

56. Анализ физических движений – терапевтическое наблюдение за всеми физическими движениями для анализа сильных и слабых сторон.

57. Наблюдение за кожей – отслеживание состояния и здоровья кожи.

58. Дроны-поводыри – замена собакам-поводырям.

59. Дрон для отслеживания инфекционных заболеваний – предупредит о приближении к кому-то с инфекционным заболеванием.

Дроны-инновации

Дрон-перископ, который видит намного дальше, чем с земли.

100. Личные перископы – хотите увидеть, что находится за высоким зданием? Без проблем, картинка появится на смартфоне.

101. Дрон-переводчик растений – если внимательно прислушаться, то растения с нами говорят.

102. Турбофрисби – турбоускоритель с самовыравниванием в фрисби.

103. Дрон-тень – слишком много солнца? Не проблема! Ваше персональное облако.

104. Антимоскитные дроны – отгоняет всю неприятную живность.

105. Дрон–ассистент для свиданий – замечает потенциальных партнёров для свиданий, которые подходят по совместимости.

106. Дроны–фильтры по актуальности – ограничивает всё несущественное.

107. Дроны-элеваторы – переносят людей на внешнюю сторону здания, позволяют прыгать по нему.

Есть два уровня программирования

Если рассуждать о глубине погружения в тему программирования беспилотных летательных аппаратов, можно выделить два «уровня»:

Планирование и закладка в аппарат полетного плана для готового решения, а также последующий контроль его исполнения. Этот уровень позволяет решать множество очень интересных задач, хотя и ограничен возможностями используемой платформы;
Создание собственной системы управления — своего рода «системное программирование» в мире БПЛА.

На Хабре любят DIY и тут довольно много рассказов о деталях второго уровня (например

), в то время как первый до сих пор охвачен слабо. В основном обсуждают детали программирования в определенном SDK или сравнивают аппараты, что понятно лишь тем, кто в теме. Так что далее будем говорить именно про первый уровень.

Программирование под готовые платформы выводит летательные аппараты далеко за рамки класса «игрушек». Это полноценная разработка, которая просто использует библиотеки и функции автопилота для серийно выпускаемого дрона (или для open source полетного контроллера), так что создатель программы может сосредоточиться на решении своей задачи, будь то аэрофотосъемка или воздушные световые шоу.

Самое важное: программирование позволяет снять с оператора часть задач по управлению в режиме реального времени, что на самом деле упрощает применение БПЛА. Не у каждого любителя фотосъемки найдется время и желание учиться пилотировать дрон в сложных условиях.

Есть комплекты для обучения

Доступность обучающих комплектов уже потянула за собой массовое появление как кружков по работе с дронами, так и всевозможных мероприятий — семинаров, мастер-классов, олимпиад.

Обучающий набор DJI EDU

Например, в конце января в Точке кипения Омского технического университета (ОГТУ) проходил хакатон, посвященный программированию дронов.

Один из организаторов хакатона — Александр Голунов — помогал нам в подготовке этого поста

Любопытно, что до мероприятия ребята, принимавшие в нем участие, не были знакомых с беспилотниками. Некоторые из них увидели дрон вживую первый раз в жизни. Но после знакомства — блочной сборки, настройки, калибровки БПЛА, а также построения виртуального полетного плана — они смогли предложить новые способы применения дронов в быту. Как бы это о том, что ничего сложного тут, в целом, нет.

Железо дрона

С точки зрения железа дрон состоит из:

рамы, на которой крепятся агрегаты и защитный кожух. Последний, кстати, присутствует не всегда, но какая-то защита движущихся частей аппарата, а заодно и окружающих от удара этими движущимися частями, есть почти везде;
необходимого количества роторов;
аккумулятора;
набора датчиков. Самый простой дрон может летать с трехосевым акселерометром, но управлять им будет сложно. Заметно упрощают этот процесс: трехосевой акселерометр, трехосевой датчик угловой скорости (ДУС), барометр и магнитометр. Также в списке датчиков могут присутствовать: компас, гироскоп, GPS или приемник любой другой системы глобального позиционирования;
модуля связи. Это может быть радиосвязь с пультом управления (наземной станцией) или 4G-модем для получения команд и отправки телеметрии через интернет;
полезной нагрузки, например камеры на подвесе, сонара, дальномера и т.п.;
сердца дрона — полетного контроллера, который всем этим управляет.

Пример состава оборудования программируемого дрона с полетным контроллером pixhawk

Картография и промышленная инспекция

При наличии карты с географической привязкой беспилотники могут легко измерить и оценить области и объекты, на проверку которых у наземной группы потребовалось бы несколько дней. Услуги такого бизнеса были бы полезны для архитекторов, владельцев строительных площадок, горных инженеров или специалистов по судоходству и инфраструктуре.

Курсы по управлению беспилотниками

По мере роста интереса к БПЛА и их активному использованию востребованным станет обучение у профессиональных пилотов, экспертов и производителей. Курсы управления могут включать теоретические и практические занятия, основные маневры и безопасное использование беспилотников для фото- и видеосъемки. По итогам обучкения у авторизованных преподавателей можно предоставлять студентам лицензии и сертификаты.

Международный рынок

Трудности развития индустрии привели к тому, что к 2023 году многие стартапы исчерпали источники финансирования до выхода на прибыль. В конце 2023 года Bloomberg объявил, что рынок дронов не оправдал ожиданий: в период с 2023 по 2023 инвесторы вложили в сектор более $2,6 млрд, но дроны все еще остаются слишком дорогим и непрактичным инструментом для реального использования в бизнесе. Технологии требуют доработки в течение нескольких лет.

Снижение интереса инвесторов, однако, повлияло лишь на стартапы: крупные производители продолжают наращивать продажи. Статистика Drone Market Report оценивает мировой рынок дронов в 2020 году в $22,5 млрд. Предполагается, что к 2025 году объем вырастет до $42,8 млрд.

Наука и исследования

68. Археология – термальные снимки с дронов позволяют исследователям видеть то, что находится под землёй, чтобы понять, где расположены строения.

69. Наблюдение за китами – отслеживание китов в реальном времени, где бы те ни находились.

70. Миграция птиц – отслеживание птиц в реальном времени, пока они следуют по своему маршруту миграции.

71. Состояние леса – создание карты обитания животных, болезней и т. д.

72. Океанические течения – использование датчиков температуры для отслеживания тёплых течений в реальном времени.

73. Полярное сияние – отслеживание северного сияния, солнечного ветра и магнитосферных заряженных частиц в реальном времени.

74. Солнечные вспышки – с помощью разнообразных дронов для наблюдения за Солнцем учёные смогут в реальном времени видеть всю солнечную активность с большей точностью.

75. Шум Земли – широкое разнообразие устройств в атмосфере для фиксации изменения фона шумов нашей планеты.

Недвижимость

Рынок недвижимости — новая возможность для беспилотных технологий. С помощью дронов можно организовать демонстрационный тур для потенциальных покупателей. Этот инструмент предоставит более захватывающий опыт, чем традиционные фотографии.

Существуют и другие бизнес-идеи, связанные с БПЛА.

Промышленная инспекция: осмотр строительных площадок, мостов, сотовых и телевизионных башен, ветряных турбин, линий электропередач, трубопроводов и даже солнечных батарей.
Доставка продуктов и фастфуда: в технологию уже инвестирует крупный бизнес. Например, в Москве и Иннополисе можно заказать доставку из «Яндекс.Еды» с помощью робота «Яндекс.Ровер».
Доставка посылок: подобные проекты есть у «Почты России», Australia Post и Amazon.
Осмотр жилых домов: проверка крыш, дымоходов, сайдинга, кирпичей и других элементов на предмет внешних повреждений.
Методы доставки дронов: они могут решить проблему «последней мили» — посылку можно сбросить, спустить на парашюте или оставить на поверхности.
Программное обеспечение или приложения: если вы знаете, чего не хватает рынку дронов, то инвестируйте в создание приложения, которое решит проблему.
Аренда: поскольку ситуация на рынке беспилотников меняется так быстро, компании не всегда имеет смысл делать долгосрочные инвестиции. Сдача аппаратов в аренду поможет бизнесу действовать более гибко.

Это лишь некоторые из огромных перспектив многообещающей отрасли БПЛА. И она находится еще в начале развития. Правильная бизнес-идея поможет быстро закрепиться на новом рынке и опередить конкурентов.

Источник.

Фото на обложке: Den Rozhnovsky / Shutterstock

Парящие города

Далёкие концепции

Парящие города когда-нибудь станут реальностью?

108. Массивные летающие места для отдыха – что-то наподобие Venetian Hotel в Лас-Вегасе, который бы парил на высоте 300 метров. Рай на Земле.

109. Искусственные дождевые черви – микродевайсы размером с микроба прокладывают себе путь через свалки с токсичным материалом и улучшают их распад.

110. Личные стилисты – в душе рой микроботов сушит кожу, делает причёску и является частью гардероба.

111. Одежда из микроботов – летающие микроскопические дроны трансформируются в одежду по команде, меняя стиль и цвет по мере необходимости.

112. Защитные микроботы – летающие микроскопические дроны создают щит для защиты от чрезмерного влияния солнца, ветра, температуры и даже при драке.

113. Ментальные микроботы – летающие микроскопические дроны функционируют как источник информации для мозга, получая беспроводные сигналы, обрабатывая данные и создавая визуальные дисплеи, видимые только для нас.

114. Удалённый просмотр – удалённый просмотр из любого места, любого угла, в любое время, когда дроны перемещаются в нужную нам точку.

Перспективные идеи для бизнеса на дронах:

1. Розничная продажа. Несмотря на популярность китайских маркетплейсов, продажи в офлайновом магазине имеют свои преимущества. Онлайн-версия магазина и страницы в популярных соцсетях обеспечат поток покупателей. Дополнительно можно продавать запчасти или предлагать услуги по ремонту – неопытные пользователи постоянно ломают квадрокоптеры.

2. Аренда. Продвинутые модели дронов стоят дорого, и относятся к тем вещам, которые покупатели стремятся протестировать перед покупкой. Помимо простой аренды, можно предусмотреть лизинг.

3. Услуги. Техническое совершенство беспилотников растет стремительно. Тем не менее, управление профессиональным аппаратом требует специальных навыков. Разнообразные услуги, связанные с использованием дронов, еще долго будут востребованы. Возможный сервис включает съемку торжественных событий, создание рекламных роликов, трехмерный обзор объектов недвижимости.

Перспективы рынка дронов

Изменения в законодательстве РФ положительно повлияли на рост продаж любительских беспилотников весом от 0,2 до 1,5 кг. Повышается спрос на дорогие аппараты, оборудованные качественными видеокамерами Ultra HD и 4К.

На российском рынке с успехом продаются как китайские, так и отечественные модели. В ближайшей перспективе бизнес, связанный с продажей и обслуживанием любительских и профессиональных дронов, может рассчитывать на стабильную прибыль.

Полицейские дроны

Полиция может использовать дронов для выслеживания преступников и даже поиска и спасения пострадавших. Это выгодная альтернатива полицейским вертолётам.

12. Дроны для определения наркотиков – более шустрые и разнообразные, чем собаки.

13. Дроны для определения коррумпированных политиков – более проворные, чем стукачи… Возможно!

14. Дроны для преследования – погоня закончится ещё до того, как начнётся.

15. Отслеживание семейного насилия – удалённое отслеживание потенциально опасных ситуаций.

16. Отслеживание насилия над детьми – когда есть сомнения, эти парящие камеры дадут возможность рассмотреть всё вблизи.

17. Камеры для патрулирования района – даже когда соседи разъехались.

18. Дроны для замены браслетов на лодыжку – настроенные на судебные постановления об ограничении свободы, с более подробными данными в реальном времени.

19. Мгновенные судебные дроны – после получения штрафа в суде всё будет решаться за несколько минут.

Поля для искажения реальности

Поля для искажения реальности – искажение практически каждого нашего чувственного восприятия.

92. Поглощения запаха – избавьтесь от неприятных запахов и добавьте запах весны во все уборные, свалки и свиные фермы.

93. Поглощение шума и звука – шумные соседи останутся проблемой прошлого.

94. Поглощение видимого света – мантия-невидимка Гарри Поттера в виде дрона.

95. Дроны–увеличительные линзы – сделайте отдалённый объект более видимым.

96. Дроны–уменьшительные линзы – сделайте близкий объект более отдалённым.

97. Дроны-хамелеоны – измените видимый цветовой спектр на какой пожелаете.

98. Термопушки – выпустите тепло туда, куда нужно.

99. Дроны–голоса в голове. Тихий невидимый дрон рядом. Немножко вуду-программирования – и голос будет звучать точно как наш. Можно повлиять на бандитов и террористов, взывая к их совести.

Препятствия в развитии индустрии

Коммерческое использование беспилотников ограничивается технологическими и законодательными проблемами. Главное техническое ограничение – небольшая емкость аккумулятора: дронам нужна регулярная подзарядка. Гексакоптеры Amazon подзаряжаются в запатентованных башнях-ульях, но продолжительность полета пока не превышает 16 км, а максимальный вес груза – 2,3 кг. Стоимость доставки остается слишком высокой.

Среди других сложных задач – обеспечение дронов машинным зрением и обучением. Нейронная сеть, управляющая устройством, должна распознавать живые и механические объекты, определять место посадки.

Законодательное регулирование – не менее проблемный этап развития отрасли. Организация воздушного движения, запрет на полеты рядом с секретными и стратегическими объектами, уязвимость навигационной системы для взлома хакерами и террористами – лишь несколько пунктов из задач, которые предстоит решить на локальном и международных уровнях.

Пример 1: dji

Для программирования проприетарного дрона DJI необходимо

девелоперский аккаунт.

Пример 2: pixracer r14

Pixracer — одно из поколений полетного контроллера Pixhawk, который широко используется в DIY-проектах.

Примеры программирования дронов

Учитывая разнообразие решений на рынке, мы не имеем возможности рассказать о всех вариациях в программировании дронов, но покажем, как это происходит на паре примеров.

Ремонт беспилотников

В большинстве перспективных отраслей промышленности существует и потребность в техническом обслуживании и ремонте. Чем больше беспилотные летательные аппараты будут применяться, тем выше будет спрос на подобные сервисы.

Ремонт дронов может показаться не самой революционной бизнес-идеей, но это отличный способ выйти на рынок и быстро занять нишу. Снизить затраты поможет 3D-печать.

Российский рынок дронов

По статистике «М.Видео», только за первое полугодие 2020 года россияне прибрели беспилотников на сумму 1,3 млрд рублей. Устройства покупают как для развлечения, так и в коммерческих целях. Росту продаж способствовали положительные изменения в законодательстве: теперь дроны весом до 30 кг можно запускать без согласования.

Четырехкратный рост продаж отметил магазин «Озон». Представители маркетплейса связывают это с улучшением технических характеристик аппаратов: встроенные камеры новейших дронов обеспечивают качество видео до 4К.

Разработчики дронов в России есть. Лидирует в области компания Pilotage – производитель дронов начального и среднего уровня. Беспилотник «Феникс» от разработчика «БГ-Оптикс» используется для аэрофотосъемки, доставки мелких грузов и спасательных средств.

Профессиональные беспилотники создает компания Fixar. Разработчик промышленных авиационных систем из Санкт-Петербурга создает дроны для геодезии, сельского хозяйства, аэрофотосъёмки, лазерного сканирования.

Основы разработки дронов-ликбез — Wiki о коптерах — Беспилотник Fixar

Стартап Traceair создал уникальный алгоритм для контролирования процесса строительства с помощью беспилотников. Создание 3D-модели объекта с помощью дрона обходится на порядок дешевле, чем с помощью лазерного сканирования, к тому же гаджеты могут обследовать недоступные сканеру внутренние участки здания.

В DRONESTROY разработали коптеры с тепловизорами – для охоты. «Коптер Экспресс» производит устройства для автономного мониторинга и доставки. В ARMAIR создан почтовый дрон, способный доставлять бандероли, подарки и букеты. Дроны «Властелин Небес» ориентированы на рынок игрушек. Устойчивые к неблагоприятным атмосферным явлениям беспилотники создает LeTalo.

Российские разработки сосредоточены на агротехе и промышленном мониторинге. Дроны проводят инвентаризацию склада, инспекционную съемку строительных объектов и трубопроводов.

Компания Azoft занимается решением непростой задачи – разработкой навигационной системы для дронов, работающих в герметично закрытых помещениях: в условиях полной изоляции функционируют вертикальные фермы стартапа iFarm.

Помимо инспекции высокотехнологичных ферм, разработчики Azoft планируют разработать систему доставки свежей продукции дронами – прямо к окну потребителя.

В традиционном российском сельском хозяйстве тоже растет спрос на беспилотники. Первыми дроны внедрили крупные агрохолдинги «Мираторг» и «Степь». Квадрокоптеры используют для мониторинга полей, выявления признаков поражения болезнями и вредителями. Гаджеты создают карты выборочного внесения удобрений и опрыскивания, анализируют рельеф, проводят оценку эффективности мероприятий.

Создание фильмов и видео

Базовых навыков обращения с видеокамерой и управления беспилотником будет достаточно, чтобы создавать собственные документальные и короткометражные фильмы, а также фрагменты видео, для съемки которых в противном случае потребовался бы вертолет. Более того, беспилотники дешевле, маневреннее и безопаснее, при этом появляются все более качественные модели.

Частные лица и крупные компании могут заниматься съемкой свадеб и мероприятий. Покупка беспилотника поможет запустить бизнес по созданию коммерческой видеографии, который станет дополнительным или даже основным источником дохода.

Сферы применения дронов

Любительские квадрокоптеры стали использовать для видеосъемки торжественных событий с воздуха. Это подало производителям идею разработки профессиональных устройств, способных держаться в полете дольше и нести более серьезные грузы. Беспилотники вошли в шоу-бизнес, а затем привлекли внимание представителей производства, коммерции и сферы безопасности.

К 2020 году дроны заменяют людей на заданиях в опасных и труднодоступных условиях. Беспилотники также используются:

в сельском и лесном хозяйстве;
в геодезии, горнодобывающей и нефтяной промышленности;
в логистике и строительстве;
в охранных системах.

Самое перспективное направление – мониторинг. За ним следует доставка грузов. Спрос на дроны резко возрос благодаря пандемии: это бесконтактный и быстрый способ доставки посылок из интернет-магазинов. Беспилотная доставка уже работает в тестовом режиме в США, Великобритании, Финляндии и Австралии.

Типы бпла

Исторически сложилось так, что беспилотники классифицируют по исполнению — самолетному и мультироторному. Мультироторные можно разделить по количеству винтов: монокоптеры, квадрокоптеры, гексакоптеры и т.д. Такие БПЛА получили широкое распространение, поскольку им не нужны дополнительные устройства для взлета и посадки.

Фермерство и сельское хозяйство

Квадрокоптер для наблюдения за урожаем

По мере того как дроны будут дешеветь, в один момент станет выгодно, чтобы микроскопический квадрокоптер транспортировал зёрнышко пшеницы на расстояние 1000 миль к точке назначения.

1. Искусственные пчёлы – дроны быстрого опыления.

2. Посевочные дроны – рой дронов для посева каждого отдельного зёрнышка.

3. Дроны для отслеживания насекомых – мгновенное определение всех насекомых, жуков, червяков и клещей. Истребление вредителей с подсчётом их количества.

4. Дроны для отслеживания уровня удобрений – даже микроскопические элементы могут дать огромный результат.

5. Дроны для отслеживания заболеваний – даже минимальное заражение может быть катастрофическим.

6. Дроны–отпугиватели птиц – для зерновых культур вроде подсолнухов, которые могут быть уничтожены птицами всего за несколько часов.

7. Дрон–опрыскиватель урожая – когда температура опускается ниже нуля.

8. Дроны-сборщики – если необходимо, по одному зерну за раз.

Фотосъемка

Аэрофотосъемка занимает одну из самых больших долей рынка беспилотных услуг. Ее используют для сбора цифровых данных, управления активами и картографирования в самых разных сферах — от архитектуры и нефтегазовой промышленности до гражданского строительства.

Беспилотники помогают фермерам снизить затраты на проверку территорий, поскольку они могут осмотреть нужные области в два раза быстрее, чем это сделает человек. Кроме этого, дроны обнаруживают вредителей и болезни посевов, а так же могут использоваться для распределения удобрений, пестицидов или воды.

Чем занимается полетный контроллер

Насколько легко или сложно управлять конкретным дроном, в том числе и программировать его, определяет полетный контроллер и его программное обеспечение. Именно на него ложится задача управления физикой полета. Благодаря контроллеру оператору достаточно знать только базовые понятия и определения, и нет необходимости защищать докторскую по аэродинамике, чтобы совершить первый полет.

Контроллер решает классические задачи по:

ориентации беспилотника вокруг его центра масс;
ориентации центра масс беспилотника в пространстве;
движению БПЛА по маршруту;
избежанию коллизий с другими беспилотниками, если это групповой полет, или с иными объектами. Например, есть много разработок безопасных дронов, которые не сталкиваются с людьми, — все зависит от конкретной задачи;
управлению полезной нагрузкой — камерой, захватами для груза и т.п.;
передаче информации, в частности, приему команд с пульта, если управление осуществляется вручную;
корректировке полета, в т.ч. в больших формациях.

Полетный контроллер Arducopter
Основы разработки дронов-ликбез — Wiki о коптерах
Полетный контроллер DJI A3

Полетные контроллеры присутствуют на рынке как самостоятельно, так и в составе готовых дронов.

Среди готовых решений широко известны китайские DJI. Вслед за полетным контроллером, шесть лет назад, китайцы предложили SDK, с которым можно создавать вполне профессиональные решения. Вот лишь небольшой список уже решенных задач:

Языки и среды разработки

В двух словах программирование дрона сводится к контролю координат промежуточных точек и высоты над землей с одновременным управлением полезной нагрузкой в зависимости от поставленной задачи.

Используемый для программирования язык, как и среда разработки, определяется системой управления, а в случае с проприетарными решениями — производителем контроллера.

Но пока на рынке царит настоящий зоопарк подходов и языков.

Часть производителей вообще предлагает собственные среды — как упомянутый выше DJI.

Сообщества, разрабатывающие опенсорсные полетные контроллеры, от них не отстают. Исторически сложилось, что большинство DIY решений основано на среде Arduino. Тот же Ardupilot в свое время разрабатывался для управления дроном с контроллером ATMega 2560, а в качестве среды разработки использовал оболочку Arduino.

Но сегодня этого уже недостаточно. Задачи, возложенные на беспилотники, усложняются, а вслед за этим растут требования к железу и ПО. Так что аппаратная составляющая меняется. Даже опенсорсные решения уже базируются не на контроллерах, а на полноценных процессорах с ARM-архитектурой (по аналогии со смартфонами).

Среды разработки, соответственно, также дорабатываются и усложняются. Они становятся кроссплатформенными, но пока все еще ориентированы на конкретный автопилот. И хотя на данный момент существуют общепринятые частные стандарты (например, передачи данных или взаимодействия беспилотников с наземными станциями), до выявления лидера среди языков разработки и SDK пока далеко.

С точки зрения гарантированного выбора направления развития этот этап становления рынка абсолютно непредсказуем. Однако именно сейчас время самых интересных проектов, ведь столько задач еще не решено!

Основы разработки дронов-ликбез — Wiki о коптерах