Регистрация беспилотников: закон, правила постановки на учет беспилотников

В земной колонии всё почти развивается от военной техники, посему рассмотрим сначала её вкратце, а затем перейдём к гражданской, критериев много и, чтобы как-то систематизировать, выбран критерий времени, прежде всего времени полёта, ибо время действия и время полёта не одно и то же как будет показано ниже да и опасность для граждан представляют в основном массивные летающие «железки» или в активном кратковременно состоянии на земле.

ОДНОРАЗОВОСТЬ, ПОСТОЯННОЕ ГЛОБАЛЬНОЕ ИЛИ ТЕРРИТОРИАЛЬНОЕ ДЕЙСТВИЕ

США с одной стороны заявляет об ОДНОРАЗОВЫХ дронах с С-5, С-130, Б-52 и пр сбрасываемых вне зоны действия дальней ПВО/ПРО против нас или запускаемык с земли подразделениями вместо ПТРК как средство разведки сначала (как правило они были многоразовыми), а теперь и поражения вроде Switchblade, оди из наиболее тяжёлых в данном классе, фактически мини крылатая ракета (КР)

https://www.youtube.com/watch?v=3gIQTy5LaOA

Blade Arrow Precision Attack Munition под центнер, вообще у данной фирмы с неадекватным ценником их надёжности, от 3кг есть линейка, специализируется как раз на подобных боеприпасах, так что обычные ПТРК скорее всего быстро устареют, ну а данный монстр планировали для особо ценных целей в городе, также с миномётным стартом, но скорее всего с машин больше, да и время патрулирования, дальнобойность линков,

позволяет запускать за пару сотен км. Его главное отличие большая продолжительность полёта, т.е. одноразовый дрон запускается перед войсковой операцией и до её конца может выполнить суициидальную атаку, такая возможность резко увеличивает возможности пехотных подразделений. Возможность постоянного усиления локально боевой сети до нужного числа.
Есть мелкие, которые могут как гранаты одноразовые носится
с трубки напоминающих ракеты китайских фейерверков (видимо они по ним лидерами и будут) а с другой стороны идёт интенсивнейший обмен технологиями, точнее в основном использование интеллектуального ресурса России и Европы, да и в США жил Инженер с большой буквы Мэйнард Хилл, построивший модель из бальсы и плёнки с двигателем 1972года выпуска TAM-5,

всего несколько кг весом перелетевшую Атлантику пройдя более 3000км (вес максимум 7,5кг с топливом), что с учётом баз и пр. достаточно для достижения любой точки земли в течении суток роем дронов. Деление на гражданские и военные дроны лукаво и не всегда таковым является.

В 2023 планируется запуск в серию достаточно устойчивой к внешним воздействиям электроники, как минимум двух типов, да и не нужны собственно линки на обычно радиосвязи — при нормальных алгоритмах облако дронов самодостаточно для выполнения операций, точность позиционирования на местности выше чем точность GPS в случае помех, например в горах. Полагаю аналогичные гражданские сети переплюнут по ТТХ военные и скоро, тому есть причины.

ГРАЖДАНСКИЕ ДРОНЫ

ОДНОРАЗОВЫЕ/КРАТКОВРЕМЕННЫЕ ГРАЖДАНСКИЕ ДРОНЫ

Если дрон одноразовый то он не обязательно должен быть военным. К примеру вариации на тему ручного противотанкого огнемёта (РПО) Шмеля-М могут эффективно тушить пожары на скважинах и ряде опасных объектов как распыляя ингибитор так и определённым типом подрыва уничтожая очаг возгорания, сбивая пламя, например вихревым кольцом.

При этом их цена куда ближе к тому что нужно — 40г золота вполне достижима в месте с системой автоматического нацеливания блок  из нескольких таких выйдет в 200 грамм. Необходимы для химических, нефтехимических и ряда прочих заводов, опасных производств с ЛВЖ (легковоспламеняющиеся жидкости), например на производтве препрегов или других армированных пластиков.

Примером БПЛА двойного назначения данного типа являются разбрасываемые сети дронов австралийца Пола Паундса из Квинслендского университета.

В виде крылатки — такой формы скорее до земли добираться будут

Предполагается, что будет использоваться для разбрасывания по лесу для раннего обнаружения лесных пожаров. Вместо просто плёнки будут использованы плёночные солнечные батареи с КПД 15-20%. Их как и батарейки скорее всего достаточно будет — Австралия — солнечная кроме окрестностей Мельбурна страна и вообще пожары скорее встречаться будут летом или просто в жаркую погоду солнечную, так что датчики работать исправно будут. Одно с другим связано.

Очень важно, что при посадки таких роев возможно дистанционное управление точками мониторинга, местами где они сядут и можно выбирать в определённых пределах именно в те места где возникновение очагов пожара или иного события наиболее вероятно.Например это важно для постоянного мониторинга разломов в Сан-Андреас вообще всего тихоокеанского огненного пояса разлома заткнутого пробкой и какими-то древними неизвестно кем сделанными системами, стабилизировавшими до того как их разломали неодикари в Израиле и пр. странах, Йемене например, потоки в стыке севернее Мёртвого моря в Израиле/Сирии/Иордании, ряде других мест.

ГРАЖДАНСКИЕ ДРОНЫ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ПОЛЁТА

 Наиболее «богатая» часть дронов. Уже сейчас есть сотни фирм с продукцией от десятков грамм до тонн в данном сегменте. В принципе многие современные самолёты с fly-by-wire являються не чем иным как дроном с человеком который как-то им управляет.

Факторы влияющие на безопасность

Главные тренды в разработке дронов

Р. Ф.: Основной тренд робототехники, которым мы занимаемся, — увеличение автономности. Раньше беспилотник был простым носителем полезной нагрузки, то есть довольно тупым и передвигающимся из точки в точку. Это тоже нелегко. Из точки в точку летал, но ничего не знал о препятствиях, о работе в городских условиях и сенсорах.

А если сенсоры на нем и были, то просто записывали данные и собирали фотографии. Сейчас идет тренд отказа от носителя полезной нагрузки к более умному роботу. То есть он не только снимает данные, а сразу анализирует их и использует для собственного управления.

Р. Ф.: Главный тренд, с точки зрения конструкции дрона, — энергоэффективность. Мы используем самые лучшие батареи, но, как правило, квадрокоптер не может летать больше часа (даже самый лучший). Поэтому есть различные варианты, как с этим бороться для конечного применения.

И они распадаются обычно на две составляющие. Это либо какие-то станции автоматического обслуживания дрона, которые позволяют расширить его автономное функционирование за счет смены батарей или автоматической зарядки на посадочной станции. И другое направление — это гибридные конструкции.

То есть более эффективные аппараты, которые для своих режимов используют различные принципы движения. Кроме того, на дронах есть возможность с текущим развитием сенсорики применять различные крутые сенсоры, которые раньше весили много и стоили дорого. Это лидары, мультиспектральные камеры и другие крутые камеры.

Д. Д.: Сейчас в мире активно занимаются системами облета препятствий. Чаще всего это работа в помещениях, сложных и зашумленных местах. В основном это нужно для анализа разрушенных зданий. Над такими системами, способными работать в условиях ЧС, активно сейчас работают Цюрих и ведущие лаборатории США, MIT, а также «Сколтех».

Мы тоже этим занимаемся — себя инспектировали, пытались облететь подвал. И задач тут очень много — это навигация без GPS, использование только сенсоров для движения и само планирование, то есть как нам нужно двигаться, чтобы получить максимум информации о данной местности.

Сегодня порядка 20 лабораторий соревнуются между собой в качестве и скорости, потому что важно не просто совершить облет, но и сделать это за меньшее время. Это один из вызовов и по сенсорике, и по обработке, и по алгоритмам. Сейчас самый активный разработчик — это Швейцарская высшая техническая школа Цюриха.

Они разработали свою собственную камеру, по сути, это вообще новый тип камер, схож по своей структуре с физиологией человеческого глаза и может давать не кадры в секунду, а разницу между кадрами. Из-за этого мы получаем частоту — миллионы кадров в секунду.

Д. Д.: Очень активно развивается система инспектирования, даже запущены соревнования у DARPA — SupT Challenge. Команды пытаются разными типами роботов инспектировать тоннели. Стоит понимать, что в тоннеле просто ужасный электромагнитный фон.

Само собой, никакой радионавигации мы не можем применять. А значит, необходимо развить технологии автономного планирования и навигации. Это очень интересная задача. Применять ее можно просто в колоссальных областях. Банально — в условиях пожара. Зачем отправлять человека, если можно отправить дрон с радаром.

Д. Д.: На рынке сегодня главный производитель дронов — DJI. Можно даже сказать, что DJI умеет всё. Китайская компания делает очень качественный и отлаженный продукт. Даже система облета препятствий у них гарантирует, что дрон остановится и не пролетит в любой точке на бешеной скорости.

То есть главное — это безопасность аппарата и окружающих. Последние передовые разработки, которые они интегрировали, уже продают. Например, дрон Skydio 2 из MIT. Такое устройство за $1 000 будет облетать препятствия по лесу. По автономности это круче DJI, оно имеет круговой обзор и умеет проводить анализ и построение карты, а также избегать столкновений.

Р. Ф.: Есть интересные решения и с точки зрения конструкции, например, когда дрону нужно пролететь сквозь отверстие, он может складываться и делать это динамично. Мы тоже работаем сейчас над интересной конструкцией. Она и складная, и неубиваемая отчасти.

Это так называемый тензор-дрон. Здесь применяется принцип тенсегрити, который используется в архитектуре. Это дрон, у которого рама и конструкция защитной клетки объединены и реализованы как тенсегрити-структура, позволяющая ему выживать при падениях. Мы его кидали с 20 метров, бросали о стену. Сломать его смогли только школьники на экскурсии.

Европейское право

Определение

Европейское право использует термин «дрон» и определяет его как любой воздушный аппарат, летающий автономно или будучи пилотируемым дистанционно пилотом вне борта. Это определение несколько шире российского, так как включает и полностью автономные модели, запрограммированные на осуществление полета без участия человека.

Легализация дрона

В отличие от России, все дроны, произведенные на территории ЕС, проходят сертификацию и идентификацию. Поэтому отдельно регистрировать дрон, купленный в ЕС, не надо. Не требуется предпринимать какие-либо действия и умельцам, изготовившим дрон легче 250 грамм своими руками.

Таким образом, в большинстве случаев какой-либо регистрации дрона от владельца не требуется. Однако сам он должен зарегистрироваться как пилот на сайте соответствующего ведомства той страны, где он находится. Никаких пошлин за это оплачивать не надо.

Регистрироваться нет необходимости, если:

Использование дрона

Этот вопрос был раскрыт в посте Andrey@at_wrike, но за прошедшее время правила немного изменились, да и перевод с английского поможет легче сориентироваться.

Итак, на сайте Агентства авиационной безопасности ЕС (EASA) можно найти достаточно информативную табличку о том, что можно, а что нельзя в зависимости от весовой категории дрона. Вот ее перевод на русский:

Ахтунг! Правила выше действуют до 1 января 2023 года.

Для запуска дрона тяжелее 25 кг. (подкатегория С) необходимо согласовать план полета (полетный сценарий) с национальным органом каждой страны, через которую будет проходить полет, а также получить лицензию оператора дрона «специальной категории». Насколько это тяжело будет зависеть от конкретной страны ЕС.

Кроме этого, есть еще несколько моментов, на которые нужно обратить внимание:

Коммерческое использование

Дроны подкатегорий А1-А3 можно использовать в любых коммерческих целях без дополнительных юридических процедур. Использование тяжелых дронов категории С в коммерции регулируется в каждой стране ЕС по-своему, и бюрократическая процедура согласования коммерческого предназначения может занять длительный период времени.

Штрафы и ответственность

Размер наказания за несоблюдение правил пользования дронами зависит от конкретной страны ЕС, на территории которой произошло нарушение. В большинстве случаев это – денежные штрафы, причем весьма существенные.

Так, во Франции несоблюдение требований по обучению пилота и пилотированию вблизи людей и построек может повлечь за собой взыскание штрафа в размере до 75 тыс. евро. Если при этом пострадали люди, пилот может быть привлечен и к уголовной ответственности в виде лишения свободы на срок до одного года.

Полеты над запретными зонами также могут встать в копеечку: если дрон забрел в такую зону по неосторожности пилота, последний будет вынужден заплатить штраф в размере до 15 тыс. евро. Если власти докажут умышленный характер нарушения, то штраф может вырасти до 45 тыс. евро.

Аналогично дело обстоит в Германии: за нарушение правил полета и подготовки пилота предусмотрен штраф до 50 тыс. евро. Пролет над немецкими запрещенными зонами и несанкционированное вмешательство в воздушное движение может обойтись любителю дронов не только штрафом, но и лишением свободы от 6 месяцев до 10 лет.

Комбинированные устройства позиционирования

Сочетание различных устройств позиционирования на посадочной площадке позволяет упростить конструкцию, повысить точность и скорость позиционирования, используя преимущества каждого устройства. Кроме того, эти устройства могут работать как параллельно, так и последовательно.

На посадочной платформе, показанной ниже, основным устройством позиционирования является диафрагма. Для расширения допустимого отклонения при посадке имеются воронки над диафрагмами. Таким образом, на посадочной площадке последовательно установлены пассивные и активные устройства позиционирования.

Источник

Ниже показана анимация позиционирования с помощью «бегущей волны», где используются идеи воронки и активного позиционирования: вложенные воронки поднимаются последовательно, перемещая БПЛА.

Посадочная платформа DroneCore компании Asylon, показанная на рисунке ниже, является промышленным примером комбинированного устройства позиционирования с двумерной воронкой (1) с регулируемым углом наклона и дополнительным толкателем (2) для перемещения БПЛА к устройству замены батареи (3).

Источник

Местный режим

Краткий порядок действий по получению разрешения на ИВП — местный режим.

Для получения разрешения необходимо:

1. Наличие разрешения на полёты БВС от органа местного самоуправления (если полёты будут производится в границах населённых пунктов).
2. Согласовать полёты БВС с военным аэродромом (если полёты будут совершаться в зонах ответственности военного аэродрома).
3. Первично согласовать полёты БВС с РЦ ЕС ОрВД, получить информацию об условиях проведения полётов БВС.
4. Составить представления на установление местного режима, отправить и согласовать его с начальником РЦ ЕС ОрВД.
5. Отправить и согласовать представления на установление МР в ЗЦ ЕС ОрВД.
6. Получить номер местного режима в ЗЦ ЕС ОрВД .
7. Отправить план полёта БВС в ЗЦ ЕС ОрВД не менее чем за сутки до начала мероприятия.
8. Не менее чем за 2 часа до начала мероприятия сообщить период своей деятельности должностному лицу военного аэродрома, с которым были ранее согласованы полёты (если полёты будут совершаться в районе ответственности военного аэродрома).
9. Не менее чем за 2 часа до начала мероприятия сообщить период своей деятельности (подтвердить о том, что Вы будете использовать установленный для Вас режим или снять его, если передумали летать) в ЗЦ ЕС ОрВД и РЦ ЕС ОрВД.
10. Не менее чем за 1 час до начала мероприятия запросить разрешение на использование воздушного пространства от РЦ ЕС ОрВД.
11. Сообщить не позднее пяти минут после запланированного начала деятельности: о фактическом времени начала деятельности; о задержке, переносе или отмене деятельности в РЦ ЕС ОрВД.
12. Сообщить о фактическом времени начала деятельности должностному лицу военного аэродрома, с которым были ранее согласованы полёты (если полёты будут совершаться в районе ответственности военного аэродрома).
13. Сообщить не позднее десяти минут после окончания деятельности: об фактическом окончании деятельности; о перерывах в аэродромных полётах более чем на час в РЦ ЕС ОрВД.
14. Сообщить о фактическом времени окончания деятельности должностному лицу военного аэродрома, с которым были ранее согласованы полёты (если полёты совершались в районе ответственности военного аэродрома).
15. Сообщить о фактическом времени окончания деятельности в ЗЦ ЕС ОрВД и снять местный режим (в том случае, если полёты БВС производиться не будут).

Если диспетчер РЦ ЕС ОрВД при доведении информации об условиях проведения полётов БВС сообщил, что полёты будут производиться на условиях установления местного режима, то согласовывать документ и координировать полёты с Главным Центром ЕС ОрВД не требуется.

Пошаговая инструкция по получению разрешения на полёты дрона на примере Калининградской области.

Подытожим: Согласно действующим правилам использования воздушного пространства РФ, чтобы реализовать полёт любого воздушного судна (управляемого пилотом непосредственно из кабины или дистанционно с земли; с максимальной взлётной массой от 0.15 килограмм), необходимо провести ряд обязательных действий и согласований как с органами местной власти, так и с оперативными органами Единой системы организации воздушного движения.

С одной стороны такой многоступенчатый подход гарантирует безопасное перемещение воздушных судов, с другой, серьёзно усложняет использование гражданских БПЛА в интересах беспилотного хобби, что вызвало массовое недовольство всего R/C сообщества РФ, и в целом повлияло на пересмотр чиновниками действующих правил ИВП и внесения в них послабляющих поправок (см. раздел ниже).

Обзор микроконтроллеров stm32 от st

Компания STMicroelectronics является одним из лидеров в области производства микроконтроллеров. Наибольшей популярностью пользуются семейства STM8 и STM32. Для создания дронов могут использоваться представители обоих семейств, но «смешивать» различные контроллеры в одном устройстве было бы нелогично из-за необходимости использования разных сред разработки.

В настоящий момент STM32 объединяет более семи сотен моделей из 10 семейств, отличающихся по четырем ключевым характеристикам: производительности, потреблению, стоимости, уровню интеграции (рисунок 5).

Высокопроизводительные семейства STM32F2, STM32F4, STM32F7, STM32H7. Эта группа ориентирована на достижение максимального быстродействия и отличается наиболее развитой периферией.

• STM32F2. Данное семейство построено на базе «разогнанного» до 120 МГц ядра Cortex®-M3. Объем памяти для представителей семейства составляет 128 кбайт…1 Мбайт.
• STM32F4 – чрезвычайно богатое семейство, построенное на ядре Cortex®-M4 и объединяющее почти полторы сотни микроконтроллеров. Сейчас к услугам разработчиков предоставлены модели с рабочими частотами 168…180 МГц и объемом памяти до 2 Мбайт.
• STM32F7 – производительное семейство на базе ядра Cortex®-M7 с рабочей частотой до 216 МГц и объемом Flash до 2 МБайт. Отличается максимальным разнообразием периферии, например, USB, Ethernet, CAN, HDMI, DFSDM, ЕАЕ-контроллер, графический ускоритель, контроллер внешней памяти FMC и так далее. Семейство STM32F7 оставалось наиболее мощным в номенклатуре STMicroelectronics до появления STM32H7.
• STM32H7 – флагманское семейство STMicroelectronics, производительность которого имеет рекордное значение – 856 DMIPS при рабочей частоте до 400 МГц. По сравнению с STM32F7, новые контроллеры STM32H7 могут похвастаться увеличением ОЗУ до 1 Мбайт, появлением новой периферии, в частности – высокоточного таймера HR с максимальной рабочей частотой 400 МГц и разрешением 2,5 нс, расширением коммуникационных возможностей. Например, встроенный CAN-контроллер теперь поддерживает не только традиционные протоколы ISO 11898-1 (CAN 2.0 A, B), но и CAN FD 1.0 и TTCAN (ISO 11898-4).

Очевидно, что данные семейства станут идеальным выбором для создания центральных блоков управления дронами. Для относительно простых БПЛА подойдут младшие модели STM32F2, для дронов общего назначения следует в первую очередь рассматривать STM32F4, для самых сложных профессиональных аппаратов оптимальным выбором станут STM32F7 и STM32H7.

Базовые семейства STM32F0, STM32F1, STM32F3. Данная группа включает семейства со сбалансированными характеристиками и компромиссным значением производительности/потребления/цены.

Семейства STM32F0 и STM32F3 являются идеальным выбором при создании драйверов электродвигателей для дронов. На базе STM32F0 можно реализовывать недорогие драйверы бесколлекторных электродвигателей с 6-шаговым управлением. Семейство STM32F3 подходит для создания точных драйверов двигателей с векторным управлением.

В этой же группе стоит отметить и наличие специализированного драйвера двигателя STSPIN32F0. Эта микросхема объединяет полноценный контроллер STM32F0, драйвер трехфазного поста, аналоговую периферию (компараторы, АЦП, ОУ) и микросхемы питания (LDO 12 В, DC/DC).

Малопотребляющие микроконтроллеры семейств STM32L. Данная группа объединяет семейства, ориентированные в первую очередь на достижение минимального уровня потребления. Для этого используют различные методы: динамическое управление напряжением питания, гибкую систему тактирования, специализированную периферию (LP-Timer, LP-UART), развитую систему режимов пониженного потребления и так далее.

Малопотребляющие линейки STM32 логично применять во всех блоках, кроме драйверов электродвигателей. STM32L0 идеально подойдут в качестве концентраторов на платах датчиков или в качестве управляющего микроконтроллера в модулях навигации и управления питанием.

Таким образом, при создании дронов разработчик всегда сможет подобрать себе оптимальный микроконтроллер из семейства STM32 для конкретного функционального модуля.

Особенности законодательства в области использования бпла

Дроны являются источником повышенной опасности. При этом их количество растет, а используются они зачастую в непосредственной близости от людей. Государственные органы, понимая это, начали построение соответствующей законодательной базы. Перед тем, как запустить дрон собственной разработки, необходимо ознакомиться с существующими нормативными актами.

Стоит отметить, что нормативное законодательство в РФ не устоялось, и производителям необходимо внимательно следить за вносимыми в него изменениями и нововведениями. На настоящий момент наиболее важными являются три документа:

• Постановление Правительства РФ от 11.03.2023 N 138 (ред. от 12.07.2023) «Об утверждении Федеральных правил использования воздушного пространства Российской Федерации» [3]
• Закон «О внесении изменений в Воздушный кодекс Российской Федерации в части использования беспилотных воздушных судов» [4].Согласно этому закону, государственной регистрации подлежат беспилотные воздушные суда, за исключением беспилотных гражданских воздушных судов с максимальной взлетной массой 0,25 килограмма и менее
• Порядок регистрации БПЛА будет определяться дополнительным постановлением правительства «Об утверждении порядка учета беспилотных воздушных судов, ввезенных в Российскую Федерацию или произведенных в Российской Федерации» [5]. В настоящий момент этот закон пока не действует и находится в состоянии обсуждения и согласования, но именно на этот документ следует ориентироваться производителям БПЛА

Последнее постановление устанавливает правила регистрации БПЛА в ФСБ. Юридическое или физическое лицо, изготовившее или ввезшее БПВС в Российскую Федерацию, подает в Федеральную службу безопасности заявление, в котором содержится полный список сведений как о БПЛА (государство изготовитель, тип, серийный номер, год изготовления, назначение, наименование производителя или имя изготовителя, максимальная взлетная масса, тип и количество двигателей, взлетная масса), так и о самом владельце (наименование юридического лица или имя владельца, паспортные данные, адрес, номер телефона, номер налогоплательщика или ИНН и так далее).

Очевидно, что практически любой дрон, за исключением детских игрушек, весит более 250 г, и значит, должен быть зарегистрирован. Столь жесткие нормы действуют не только в России, но и в США и других развитых странах [1]. Это объясняется тем, что даже небольшой БПЛА потенциально может стать источником террористической угрозы. С этим сложно не согласиться.

Таким образом, перед тем как начать разработку дрона, следует тщательно взвесить все «за» и «против». Это касается как коммерческой составляющей, так и возможности обеспечения требуемой безопасности. Если же решение о разработке и производстве принято, то следует определиться со структурой дрона и используемой элементной базой.

Особенности построения контроллеров электродвигателей на базе компонентов от st

Электродвигатели – ключевые элементы любого дрона. В БПЛА используются высокооборотистые моторы для создания необходимой подъемной силы. Значительная скорость вращения лопастей вынуждает разработчиков использовать бесколлекторные двигатели вместо щеточных двигателей постоянного тока (DC-двигатели).

Бесколлекторные двигатели (BLDC-двигатели) не используют щеточных узлов и при наличии хороших подшипников требуют минимального технического обслуживания. Ротор BLDC-двигателей изготавливается из постоянного магнита и не имеет обмоток. Статор содержит обмотки, переменное поле которых приводит к вращению ротора.

В самом простом случае используют алгоритм из шести шагов (рисунок 6). На каждом из шагов активными являются только две обмотки: одна коммутируется на землю, вторая на шину питания, третья остается неподключенной. При этом для управления скоростью вращения необходимо формировать ШИМ-сигналы и точно определять моменты, когда вал двигателя провернулся и необходимо перейти к возбуждению следующей обмотки. Моменты перехода могут определяться с помощью датчиков либо бездатчиковым способом.

Существует и более сложный алгоритм с векторным управлением. При этом переход между активными обмотками происходит не скачком, а постепенно. Таким образом, можно добиться плавного движения магнитного поля. Однако векторное управление потребует точного измерения положения вала и токов в обмотках.

C помощью компонентов производства ST можно реализовать оба метода управления. Если стоит задача создания максимально компактного решения, то идеальным вариантом станет использование микросхемы STSPIN32F0 с интегрированными драйверами транзисторов (рисунок 7).

STSPIN32F0 представляет собой «систему в корпусе» (SIP), которая создана специально для управления работой трехфазных бесколлекторных двигателей с питающим напряжением до 45 В. В состав STSPIN32F0 входят:

• микроконтроллер STM32F031x6x7 с 32-битным ядром ARM® Cortex®-M0, рабочей частотой до 48 МГц, 4 кбайт ОЗУ, 32 кбайт Flash и программированием по SWD;
• 16-битный таймер с тремя парами комплементарных выходов и программируемым мертвым временем для формирования ШИМ-сигналов для драйверов транзисторов;
• три полумостовых драйвера силовых транзисторов со встроенными бутстрепными диодами и выходным током до 600 мА для управления трехфазным транзисторным мостом;
• четыре операционных усилителя для нормирования сигналов ОС от датчиков Холла или от бездатчиковой схемы с измерением обратной ЭДС;
• сверхбыстрый программируемый компаратор для контроля тока электродвигателя;
• встроенный DC/DC-регулятор 3,3 В с защитой от перегрузки, КЗ и перегрева для питания низковольтных схем;
• встроенный LDO 12 В с защитой от перегрева для питания драйверов, компараторов и ОУ;
• широкий выбор дополнительной периферии: 16 каналов ввода-вывода, 5 таймеров, 12-битный 9-канальный АЦП;
• коммуникационные интерфейсы: I²C, USART и SPI.

STSPIN32F0, благодаря наличию операционных усилителей и АЦП, может реализовать не только 6-шаговое, но и векторное управление.

Для создания силового трехфазного моста компания ST предлагает использовать низковольтные транзисторы семейства StripFET 7, которое объединяет около сотни моделей с различными характеристиками:

• с рейтингом напряжения 40/60/80/100 В;
• с максимальным током стока 4…260 А;
• с сопротивлением открытого канала 1,1…8 мОм;
• с зарядом затвора 8…193 нКл;
• с различными корпусными исполнениями: DPAK, D2PAK, ISOTOP, Max247, SOT-223, TO-220, TO-220FP, TO-247, PowerFLAT 5×6/3,3×3,3/2×2 мм, SO-8 and SOT23-6L.

В качестве примеров идеального компромисса тока/габаритов можно привести силовые ключи STL140N4F7AG и STL160NS3LLH7.

STL140N4F7AG – N-канальный полевой транзистор с рабочим напряжением до 40 В и постоянным током до 120 А. Несмотря на миниатюрный корпус PowerFLAT 5×6 WF 6×5 мм, значение типового сопротивления открытого канала этого ключа – всего 2,1 мОм (Uзи = 10 В).

Силовой N-канальный ключ STL160NS3LLH7 выпускается в том же корпусном исполнении PowerFLAT 5×6 WF, отличается большим допустимым током до 160 А, но меньшим напряжением 30 В. Увеличения тока удалось добиться за счет снижения сопротивления до типового значения 1,6 мОм (Uзи = 10 В).

По своим основным характеристикам семейство транзисторов StripFET 7 превосходит предыдущее семейство StripFET 6 почти в два раза. Такие показатели являются рекордными не только для самой компании STMicroelectronics, но и для ее основных конкурентов.

Если по каким-то причинам возможностей STSPIN32F0 не хватает, следует рассмотреть варианты реализации контроллера двигателя на базе микроконтроллеров STM32 и внешних драйверов силовых ключей. Например, мощный контроллер двигателя с 6-шаговым алгоритмом управления просто реализовать с помощью бюджетных моделей STM32F0 (рисунок 8).

Выбор микроконтроллеров STM32F0 достаточно логичен из-за таких очевидных преимуществ как:

• сверхнизкая цена;
• быстродействующее 32-битное ядро ARM® Cortex®-M0 с рабочей частотой до 48 МГц;
• наличие 16-битного таймера с тремя парами комплементарных выходов и программируемым «мертвым» временем для формирования ШИМ-сигналов для внешних драйверов транзисторов;
• наличие 12-битного АЦП для контроля параметров вращения;
• широкий выбор коммуникационных интерфейсов: I²C, SPI, UART, а также CAN и USB.

В данном случае на первое место поставлена цена, что не случайно. Дело в том, что приведенный набор периферийных блоков можно найти практически во всех семействах STM32 (кроме STM32L), но ни одно из них не сможет сравниться с STM32F0 по стоимости.

Если требуется получить прецизионное векторное управление мощным двигателем, то вместо STM32F0 следует воспользоваться микроконтроллерами STM32F3. Это наиболее «продвинутое» семейство для работы с аналоговыми сигналами. Преимуществами STM32F3 являются:

• повышенное быстродействие благодаря производительному ядру ARM® Cortex®-M4 с рабочей частотой до 72 МГц;
• 16-битные таймеры для формирования ШИМ-сигналов;
• до четырех быстродействующих АЦП последовательного приближения со скоростью преобразования от 200 нc и общим числом до 39 каналов;
• до двух 12-битных ЦАП;
• до семи быстродействующих аналоговых компараторов со временем срабатывания 25 нс;
• до четырех ОУ с программируемым усилением;
• 16-битный ΣΔ-АЦП;
• широкий выбор коммуникационных интерфейсов: I²C, SPI, UART, CAN, USB.

Для управления силовыми транзисторами можно воспользоваться драйверами производства STMicroelectronics. В настоящий момент номенклатура компании насчитывает полтора десятка драйверов полумостов:

• с максимальным током до 650 мА;
• со встроенным диодом;
• с рабочим напряжением шины до 600 В.

В качестве конкретного примера можно привести L6398 – драйвер полумоста со встроенным диодом, выходным током до 450 мА и напряжением шины 600 В.

Чтобы продемонстрировать преимущества своей продукции, компания STMicroelectronics предполагает начать выпуск специализированных отладочных плат STEVAL-ESC001V1.

От китайских фонариков к беспилотникам

Р. Ф.: Первые летательные аппараты — это китайские фонарики. Дальше можно привести в пример монгольфьер — воздушный шар. Но самым известным из первых аппаратов стал самолет братьев Райт с мотором. Свои первые летательные аппараты они делали как планеры, но в 1903 году был зафиксирован еще не автоматический, но управляемый полет.

Но на самом деле история спорная, потому что в 1901 году уже летали дирижабли. В начале прошлого века самолеты и дирижабли сильно конкурировали. Дирижабли совершали трансатлантические полеты. Они были огромные, удобные, красивые, практически как лайнеры сейчас. Но в итоге самолеты, можно сказать, победили. Хотя дирижабли остаются и всё равно находят свою нишу.

Р. Ф.: Существует три принципа создания подъемной силы. Есть дирижабли — и это аэростатический принцип. Как надувной шарик за счет силы Архимеда поднимается и держится в воздухе. Есть аэродинамический способ — с фиксированным крылом или вращающимся ротором.

Р. Ф.: Мы работаем с гибридом двух из перечисленных технологий создания подъемной силы — конвертопланом. Это аппарат, который имеет возможность вертикального взлета и посадки, а также движения за счет крыла. Если говорить о применении беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), то сегодня самое популярное — это хобби, фото- и видеосъемка.

Причем речь идет уже о вполне конкурентном и сформированном рынке. Следующее применение — вооруженные силы и финансы. Если говорить о военном применении, то Россия сегодня занимает 15% из общемировой практики применения воздушной робототехники. Еще один сегмент, в котором применяют дроны, — это мониторинг.

Сегодня активно развиваются решения для доставки и задач «последней мили». Также на подъеме точное земледелие, промышленные задачи и телекоммуникация. Один из кейсов — Google Ballon — аэростаты, которые раздают интернет. Ведущий производитель дронов — китайская компания DJI — с налетом более миллионов часов и уже более чем 70% от всего мирового рынка.

Р. Ф.: Одна из задач точного земледелия — мониторинг посевов. Кроме того, анализ вегетативного индекса и определение проблемных мест. Конечно, можно опрыскивать всё поле трактором, это дешевле на единицу площади, но не очень эффективно. Задача стоит — найти проблемные места, очаги распространения каких-то вредителей и прочее с помощью дронов, оснащенных специализированными инфракрасными камерами.

Еще один вариант применения — орошение и опрыскивание. Ребята из Казани сделали классный проект BRAERON — агродрон российского производства. Это такой огромный аппарат, у него два винта, которые работают за счет ДВС. Они создают основную подъемную силу. И есть коптерная схема, которая создает подруливающей силой момент для управления движением.

Р. Ф.: Еще один вариант применения БПЛА ради хобби — гонки дронов. Drone Racing League (DRL) — самая популярная из организаций, которые проводят эти соревнования. Есть и виртуальные гонки на основе симуляторов.

Позиционирование

На первый взгляд, о чем тут писать — какие-то направляющие, которые толкают дрон в нужную точку. Но, оказывается, здесь целый букет идей и можно проследить несколько направлений мысли конструкторов.

Итак, посадочные платформы можно разделить на: 

Сначала нужно сказать, что есть посадочные платформы без устройств позиционирования вовсе. БПЛА приземляется на площадку с точностью, обеспечиваемой системой управления БПЛА. Обслуживающие устройства БПЛА, входящие в состав посадочной площадки, должны иметь возможность обслуживать БПЛА в том положении, в котором он стоит после посадки.

Платформы с активным позиционированием имеют в своем составе механизмы и устройства, которые перемещают БПЛА в нужное положение и поворачивают его в нужном направлении — толкатели различных типов. Механизмы выбираются в соответствии с требованиями к точности и скорости позиционирования.

Для платформ с пассивным позиционированием отсутствуют приводы для перемещения БПЛА: горизонтальное перемещение БПЛА для позиционирования во время посадки обеспечивается преобразованием его вертикального движения. Пассивные устройства позиционирования включают в себя воронки, откосы, наклонные края и т.д.

Каждое из вышеперечисленных устройств имеет свои особенности и ограничения. Комбинация устройств позиционирования помогает достичь лучших результатов, используя преимущества каждого метода.

Платформы были классифицированы как платформы с нестандартными устройствами позиционирования, в случае необычных устройств посадки или методов позиционирования, которые не перечислены выше. Однако они могут быть активными, пассивными и комбинированными.

Каждый тип устройств позиционирования можно разделить на подтипы, которые показаны на рисунке выше и немного более подробно рассмотрены далее.

Российское право

Определение

В российском законодательстве действует понятие «беспилотное воздушное судно» (БВС) – воздушное судно, управляемое и контролируемое в полете пилотом, находящимся вне борта (внешним пилотом). Не трудно догадаться, что основными признаками, позволяющими относить аппарат к БВС, являются отсутствие пилота и дистанционное управление, что распространяет действие закона на любые виды летающих дронов, в т.ч. квадрокоптеры. Вопрос о применении данного термина к полностью автономным беспилотникам остается спорным.

Легализация дрона

Правила легализации дрона зависят от его взлетной массы – предусмотренной технической документацией максимальной массы аппарата, топлива и груза, с которыми он может осуществить нормальный безопасный полет.

Владельцы дронов, взлетная масса которых меньше 250 грамм, могут спать спокойно – они не обязаны проходить какие-либо юридические процедуры. Для остальных законом предусмотрено два порядка легализации, выбор одного из которых зависит от весовой категории дрона.

1. Постановка на учет. Поставлены на учет должны быть дроны с взлетной массой от 250 грамм до 30 килограмм (легкие дроны). Это процедура заключается в простом уведомлении Росавиации о факте владения дроном. Заявление должно быть подано в ведомство в следующие сроки:

Ахтунг! К заявлению нужно будет приложить фотографии БВС с нескольких ракурсов. Не лишним будет также приложить техдокументацию, подтверждающую взлетную массу до 30 килограмм. Отправить заявление можно следующими способами:

Росавиация обязана ответить на заявку в течение 10 рабочих дней с даты ее получения. За это время ведомство присвоит аппарату учетный номер и направит его вместе с ответом владельцу. До присвоения учетного номера использовать дрон в полетном режиме нельзя.

2. Регистрация. Предназначена для дронов с взлетной массой выше 30 килограмм (тяжелые дроны). Регистрация подразумевает выдачу свидетельства о регистрации, номера дрона и занесение его в специальный реестр. Сроки подачи заявления – такие же, как для постановки на учет.

Помимо самого заявления и фотографий дрона, в Росавиацию нужно будет предоставить:

Заявление на регистрацию подать тоже не так просто: это можно сделать одним из двух способов:

Обработка заявления о регистрации занимает 10 рабочих дней со дня получения всех необходимых документов. Если с документами все в порядке, владельцу дрона выдается свидетельство о регистрации, аналогичное свидетельству о регистрации автомобиля, в котором указывается идентификационный номер БВС.

Денежный вопрос: пошлины и налоги

Госпошлина за постановку легкого дрона на учет не уплачивается. А вот при регистрации дрона с взлетной массой выше 30 килограмм придется заплатить 1 300 рублей.

Аналогично дело обстоит с налогами: от них освобождены владельцы легких дронов, а вот за дрон, подлежащий регистрации, придется платить транспортный налог (Письмо ФНС №БС-4-21/2295@ от 11.02.2023). Размер налога зависит от региона, в котором зарегистрирован владелец и мощности устройства (кВт).

Использование дрона

Функциональная структура мультикоптера

Дрон представляет собой сложное устройство. При его создании потребуется решить множество задач (рисунок 2).

Эффективное управление двигателями. Как правило, в состав дрона входят не менее четырех электромоторов. Для управления их работой потребуются силовые транзисторы, микроконтроллер, драйверы.

Стабилизация полета. При решении этой задачи необходимо определять положение дрона в трех плоскостях (крен, тангаж, рыскание). В настоящее время для этой цели используются различные МЭМС-датчики: акселерометры, гироскопы, магнитометры.

Общее управление полетом включает в себя подзадачи: прием сигналов управления от оператора, формирование задающих сигналов для контроллеров двигателей, стабилизацию полета, управление питанием и так далее. Все эти функции обычно возлагают на мощный центральный процессор.

Координация в пространстве и защита от столкновений. Для обеспечения требуемого уровня безопасности необходимо контролировать параметры полета (высоту, температуру) и вовремя определять препятствия. Для этого применяется целый спектр различных датчиков: датчиков высоты, приближения и прочих.

Связь с оператором. Для управления дроном чаще всего используются радиоинтерфейсы (субгигагерцевые, Bluetooth, Wi-Fi и так далее).

Управление питанием. Эта задача включает в себя контроль за уровнем заряда аккумуляторов, обеспечение процесса заряда и функций защиты при возникновении аварийных ситуаций (например, перегрева батарей, коротких замыканий и прочего).

Навигация. Функция чрезвычайно важная для профессиональных дронов, которые работают на значительных удалениях от оператора или совершают автономные полеты. Для отслеживания положения чаще всего применяют GPS или ГЛОНАСС, но существуют также системы ГАЛИЛЕО (Европа), BeiDou2 (Китай), QZSS (Япония).

Очевидно, что решение перечисленных задач сильно зависит от типа дрона. Если речь идет об игрушке, то все функции значительно упрощаются, например, навигация вряд ли вообще понадобится. К тому же, мощность моторов является невысокой. По этой причине все функциональные блоки могут уместиться на одной единственной плате.

Мощность двигателей в дронах общего назначения обычно оказывается достаточно высокой, и для их управления требуются мощные и габаритные дискретные транзисторы и драйверы. В таких случаях контроллеры электродвигателей (контроллеры скорости, Electronic Speed Control, ESC) выделяют в отдельные модули.

Если речь идет о профессиональных дронах, то в них почти всегда используется модульная система. Каждый электронный блок выполняет одну из перечисленных выше функций – драйверы двигателей (FSC), плата управления (Flight Control Unit, FCU), инерционный модуль IMU, радиопередатчик, модуль питания, модуль навигации (рисунок 3).

На этапе проектирования важно правильно организовать структуру дрона, решить, из каких блоков он будет состоять. Следующим шагом будет определение коммуникационных связей. Выбор интерфейсов зависит от типа дрона и особенностей модуля. Например, миниатюрные игрушечные дроны вполне могут обойтись простыми интерфейсами I²C или UART, которые не требуют дополнительных приемопередатчиков и имеют малую стоимость реализации.

Чтобы обеспечить высокую надежность и помехозащищенность, в профессиональных дронах используют более продвинутые протоколы: CAN или RS-422/485 (рисунок 4). Некоторые блоки могут иметь и особые интерфейсы. Например, драйверы двигателей поддерживают задание скорости вращения посредством ШИМ-сигнала, передаваемого от управляющего контроллера.

Несложно отметить, что для реализации практически каждой задачи необходим микроконтроллер. При этом требования к ним могут очень сильно отличаться. Если от процессора центрального блока управления (FCU) требуется максимальная производительность, то для драйвера электродвигателей важным преимуществом станет наличие специализированной периферии (об этом – ниже).

В случае использования микроконтроллеров STM32 производства компании STMicroelectronics проблем с выбором у разработчиков не будет.