Двое научных служащих из Исследовательской группы по беспилотными летательным аппаратам Института Иннополис Роман Федоренко и Дмитрий Девитт провели онлайн-лекцию из собственной святая святых — гаража, где русские робототехники работают над разными видами автономных устройств: от летающих дронов до беспилотных каров. Ученые поведали о стадиях разработки дрона, летательных тестах и неповторимых кейсах внедрения БПЛА в критериях чрезвычайных ситуаций. «Хайтек» записал лекцию Института Иннополис и ЦСК «Смена», посвященную трендам робототехники, разработкам, которые на данный момент являются state of the art, и тонкостям проектирования дронов.
Роман Федоренко — доцент Центра компетенций НТИ по направлению «Технологии компонент робототехники и мехатроники» Института Иннополис.
Дмитрий Девитт — младший научный сотрудник Центра компетенций НТИ по направлению «Технологии компонент робототехники и мехатроники» Института Иннополис.
Все выходят из гаража
Роман Федоренко: Как Гугл, Apple, Microsoft и остальные ИТ-гиганты вышли из гаража, так и наша экспериментальная группа началась с такого же. Мы возлагаем огромные надежды на наш гараж. Это центр разработки и испытаний ботов. А увлечены мы до этого всего конкретно роботами и дроны воспринимаем только как ботов. Быть может, для почти всех это необыкновенная история. Обычно люди представляют бота как шагающего дроида. Но существует таковая область field robotics, в какой мы как раз и работаем. На самом деле, это все боты, которые передвигаются: ездят, плавают либо летают.
Робототехника (field robotics) — прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматических технических систем и являющаяся важной технической основой развития производства. Выделяют строительную, промышленную, бытовую, мед, авиационную и экстремальную (военную, галлактическую, подводную) робототехнику.
Р. Ф.: Наш центр работает в главном под эгидой Национально-технологической инициативы (НТИ). Посреди наших партнеров 6 академических институтов, 18 партнеров в промышленности и 7 зарубежных партнеров. Чем мы увлечены? Всей робототехникой кроме, наверняка, микророботов. Начиная с промышленных: от манипуляторов, в том числе современных коллаборативных ботов, и до нейротехнологий, заканчивая, очевидно, искусственным умом (это совершенно сквозная разработка).
Р. Ф.: Проект, с которого всё для меня началось, — это автономные дирижабли. И это необычный путь. Обычно когда молвят о беспилотниках, задумываются, что ты, быстрее всего, занимаешься коптерами. В моем случае причина заключается в случае. В вузе, в каком я обучался, — Южном федеральном институте — был центр робототехники. Я туда пришел и сходу заинтересовался дирижаблями. Как это всё вышло, на данный момент уже тяжело осознать. Но я прошел путь от малеханького дирижабля, которым занимался в студенческом бюро, до 70-метрового настоящего устройства для Китайского галлактического агентства. Студенческий проект летал снутри помещения, и это была отдельная неувязка, чтоб работать без GPS. А китайский дирижабль уже нуждался в системе управления, навигации и телекоммуникации.
Дмитрий Девитт: Мы увлечены системами по управлению и системами облета препятствий. Фактически, это то, чем занимаются на данный момент русские и мировые научные школы. А именно мы делали системы для работы дронов, созданных для киносъемок. Это совершенно наша 1-ая самостоятельная работа. И эта штука уже применялась в нескольких фильмах — «Годзилла», «Мулан» и иных. Чтоб не заморачивались режиссеры с тем, как выстроить картину, всё делается при помощи дрона в автоматическом режиме.
От китайских фонариков к беспилотникам
Р. Ф.: 1-ые летательные аппараты — это китайские фонарики. Далее можно привести в пример монгольфьер — воздушный шар. Но самым известным из первых аппаратов стал самолет братьев Райт с мотором. Свои 1-ые летательные аппараты они делали как планеры, но в 1903 году был зафиксирован еще не автоматический, но управляемый полет. Но по сути история спорная, поэтому что в 1901 году уже летали дирижабли. Сначала прошедшего века самолеты и дирижабли очень соперничали. Дирижабли совершали трансатлантические полеты. Они были большие, комфортные, прекрасные, фактически как лайнеры на данный момент. Но в итоге самолеты, можно сказать, одолели. Хотя дирижабли остаются и всё равно находят свою нишу.
Р. Ф.: Существует три принципа сотворения подъемной силы. Есть дирижабли — и это аэростатический принцип. Как надувной шарик за счет силы Архимеда поднимается и держится в воздухе. Есть аэродинамический метод — с фиксированным крылом либо вращающимся ротором. К нему относятся вертолеты и всем известные коптеры. естественно, еще к одному типу можно отнести реактивное движение — есть и реактивные самолеты, но сначала это ракеты.
Р. Ф.: Мы работаем с гибридом 2-ух из перечисленных технологий сотворения подъемной силы — конвертопланом. Это аппарат, который имеет возможность вертикального взлета и высадки, также движения за счет крыла. Если гласить о применении беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), то сейчас самое пользующееся популярностью — это хобби, фото— и видеосъемка. При этом идет речь уже о полностью конкурентноспособном и сформированном рынке. Последующее применение — вооруженные силы и деньги. Если гласить о военном применении, то Наша родина сейчас занимает 15% из общемировой практики внедрения воздушной робототехники. Еще один сектор, в каком используют дроны, — это мониторинг. Сейчас интенсивно развиваются решения для доставки и задач «крайней мили». Также на подъеме четкое земледелие, промышленные задачки и телекоммуникация. один из кейсов — Гугл Ballon — аэростаты, которые раздают веб. Ведущий производитель дронов — китайская компания DGI — с налетом наиболее миллионов часов и уже наиболее чем 70% от всего мирового рынка.
Р. Ф.: одна из задач четкого земледелия — мониторинг посевов. Не считая того, анализ вегетативного индекса и определение проблемных мест. естественно, можно опрыскивать всё поле трактором, это дешевле на единицу площади, но не весьма отлично. Задачка стоит — отыскать проблемные места, очаги распространения каких-либо вредителей и прочее при помощи дронов, снаряженных спец инфракрасными камерами. Еще один вариант внедрения — орошение и опрыскивание. Ребята из Казани сделали потрясающий проект BRAERON — агродрон русского производства. Это таковой большой аппарат, у него два винта, которые работают за счет ДВС. Они делают основную подъемную силу. И есть коптерная схема, которая делает подруливающей силой момент для управления движением.
Р. Ф.: Очередной вариант внедрения БПЛА ради хобби — гонки дронов. DRONE Racing — самая пользующаяся популярностью из организаций, которые проводят эти соревнования. Есть и виртуальные гонки на базе симуляторов.
«Выгулять, так сказать, песика!»
Д. Д.: Всего существует восемь стадий разработки дрона. В целом квадрокоптер, беспилотный самолет и беспилотный кар — это всё боты, у их идентичные структуры и всюду необходимо использовать методы управления. Сенсорика при всем этом не постоянно идентична.
Р. Ф.: Движки, которые стоят в дронах, обычно бесщеточные. У их есть отдельный блок управления, который представляет собой многоуровневую структуру. У мотора установлен ESC — электрический speed-контроллер. Мы задаем желаемую тягу, а он отрабатывает, как необходимо управлять движком, как переключать обмотку и так дальше. Последующее звено — это автопилот, непростая штука с контроллером и обилием датчиков: GPS, инерциальная навигационная система, барометр и остальные. Снутри автопилота производится <span class="wp-tooltip" title="методы доказательств и опровержений Основоположником логики считается к примеру, данные GPS у нас поступают с малой частотой, данные инерциальной системы поступают с большей частотой, но имеют накапливающуюся ошибку. Есть методы, которые разрешают все это комплексировать и давать нам отличные данные.
Р. Ф.: Автопилот в дроне — это низкоуровневая базисная вещь. Для предстоящего и наиболее умственного управления употребляется уже бортовой комп, камеры, детекторы и остальные доп устройства.
Р. Ф.: Разработка дрона начинается с концептуальных расчетов. Проектируется вид аппарата, его система управления: какие необходимы тяги, какая будет аэродинамика и так дальше. Потом производится математическое моделирование. На самом деле, это работа без «железа». Последующим шагом является разработка системы управления, конкретно алгоритмики. Для симуляции употребляются разные подходы и пакеты, к примеру, MATLAB, или уже готовые симуляторы — Gazebo, Microsoft FS. В Институте Иннополис есть собственный симулятор — Innopolis Simulator. В нем есть не только лишь зрительная демонстрация, да и симуляция всех датчиков, другими словами он дает такие же данные, как датчики GPS, датчики персепшна, камеры и лидары. Это дозволяет отрабатывать многоуровневые высокоинтеллектуальные технологии управления. Когда мы отладили всё в симуляторе (а там оно обычно отлично работает), можно перейти к самому увлекательному — к тестам, изготовлению тестового эталона и летным тестам. В рамках нашего сотрудничества с Казанским авиационным институтом строятся производственные помещения для производства БПЛА, где будут применяться технологии производства дронов из углеволокна. Если гласить о аддитивной технологии, то это мы можем созодать прямо в Иннополисе.
Д. Д.: Сперва мы тестируем систему управления, чтоб она была очень устойчивой. Допустим, необходимо проверить, как квадрокоптер сопротивляется ветру. Это можно имитировать — к примеру, Роман пробует его дергать и пускать в разнос, на самом деле, выступая наружным возмущением. Но это не совершенно летные испытания, это так именуемые испытания на подвесе. Мы смотрим, как аппарат себя выравнивает. Проводим и сумасшедшие опыты — в летающем коптере включаем маршевый движок, самолетный, и смотрим, как он себя ведет. Другими словами держит ли он так же верно свою ориентацию, как и должен в коптерном режиме. Когда мы в душе уже убеждены, что эта штука не свалится, можно запускать ее. Выгулять, так сказать, песика!
Р. Ф.: Основная неувязка в разработке летательных аппаратов, которые не являются дирижаблями, состоит в том, что мельчайшая ошибка может привести к падению. С дирижаблем поординарнее — к нему можно там подключиться и даже чего-нибудть перезапустить. А вот с самолетом и коптером мельчайшая погрешность, некорректность в настройке, и всё.
Главные тренды в разработке дронов
Р. Ф.: Главный тренд робототехники, которым мы увлечены, — повышение автономности. Ранее беспилотник был обычным носителем полезной перегрузки, другими словами достаточно тупым и движущимся из точки в точку. Это тоже нелегко. Из точки в точку летал, но ничего не знал о препятствиях, о работе в городских критериях и детекторах. А если детекторы на нем и были, то просто записывали данные и собирали фото. на данный момент идет тренд отказа от носителя полезной перегрузки к наиболее умному боту. Другими словами он не только лишь снимает данные, а сходу анализирует их и употребляет для собственного управления. Дрон, к примеру, может не строить всю карту, а отыскивать на ней какие-то области, сходу рассматривать и далее изучить достойные внимания местности. Понятно, что для этого требуется программное обеспечение и методы.
Р. Ф.: Основной тренд, исходя из убеждений конструкции дрона, — энергоэффективность. Мы используем самые наилучшие батареи, но, как правило, квадрокоптер не может летать больше часа (даже самый наилучший). Потому есть разные варианты, как с сиим биться для конечного внедрения. И они распадаются обычно на две составляющие. Это или какие-то станции автоматического обслуживания дрона, которые разрешают расширить его автономное функционирование за счет смены батарей либо автоматической зарядки на посадочной станции. И другое направление — это гибридные конструкции. Другими словами наиболее действенные аппараты, которые для собственных режимов употребляют разные принципы движения. Не считая того, на дронах есть возможность с текущим развитием сенсорики использовать разные крутые детекторы, которые ранее весили много и стоили недешево. Это лидары, мультиспектральные камеры и остальные крутые камеры.
Д. Д.: на данный момент в мире интенсивно занимаются системами облета препятствий. Почаще всего это работа в помещениях, сложных и зашумленных местах. В главном это необходимо для анализа разрушенных спостроек. Над таковыми системами, способными работать в критериях ЧС, интенсивно на данный момент работают Цюрих и ведущие лаборатории США (Соединённые Штаты Америки — здесь весьма много — это навигация без GPS, внедрение лишь детекторов для движения и само планирование, другими словами как нам необходимо двигаться, чтоб получить максимум инфы о данной местности. сейчас порядка 20 лабораторий соревнуются меж собой в качестве и скорости, поэтому что принципиально не попросту совершить облет, да и создать это за наименьшее время. Это один из вызовов и по сенсорике, и по обработке, и по методам. на данный момент самый активный разраб — это Швейцарская высшая техно школа Цюриха. Они разработали свою свою камеру, на самом деле, это совершенно новейший тип камер, идентичен по собственной структуре с физиологией (Физиологию традиционно делят на физиологию растений и так и отдельных систем и процессов»>физиологию человека и животных) людского глаза и может давать не кадры в секунду, а разницу меж кадрами. Из-за этого мы получаем частоту — миллионы кадров в секунду. Другими словами миллионы конфигураций. Если мы имеем на борту «железо», которое дозволяет это обрабатывать, то моментально можем принимать и подавать управление.
Д. Д.: Весьма интенсивно развивается система инспектирования, даже запущены соревнования у DARPA — SupT Challenge. Команды пробуют различными типами ботов проверять тоннели. Стоит осознавать, что в тоннеле просто страшный электромагнитный фон. Само собой, никакой радионавигации мы не можем использовать. А означает, нужно развить технологии автономного планирования и навигации. Это весьма увлекательная задачка. Использовать ее можно просто в колоссальных областях. Обыденно — в критериях пожара. Для чего отправлять человека, если можно выслать дрон с радаром. Пусть он летает, строит карту, пусть глядит, где люди находятся. Это все будет в режиме настоящего времени на борту. Ну и просто прикладное применение — дрон, который залетел в окно и продолжил движение без GPS снутри помещения.
Д. Д.: На рынке сейчас основной производитель дронов — DGI. Можно даже сказать, что DGI умеет всё. Китайская компания делает весьма высококачественный и отлаженный продукт. Даже система облета препятствий у их гарантирует, что дрон остановится и не пропархает в хоть какой точке на обезумевшой скорости. Другими словами основное — это сохранность аппарата и окружающих. Крайние передовые разработки, которые они интегрировали, уже продают. к примеру, дрон Skydio 2 из MIT. Такое устройство за $1 000 будет облетать препятствия по лесу. По автономности это круче DGI, оно имеет радиальный обзор и умеет проводить анализ и построение карты, также избегать столкновений. Если дрон DGI останавливается, то этот отходит и продолжает движение. В общем, крутая штука, но они продаются по предзаказу.
Р. Ф.: Есть достойные внимания решения и исходя из убеждений конструкции, к примеру, когда дрону необходимо пропархать через отверстие, он может складываться и созодать это оживленно. Мы тоже работаем на данный момент над увлекательной конструкцией. Она и раскладная, и неубиваемая частично. Это так именуемый тензор-дрон. тут применяется принцип тенсегрити, который употребляется в архитектуре. Это дрон, у которого рама и система защитной клеточки объединены и реализованы как тенсегрити-структура, позволяющая ему выживать при падениях. Мы его кидали с 20 метров, кидали о стенку. Сломать его смогли лишь школьники на экскурсии.
Тенсегрити — принцип построения конструкций из стержней и тросов, в каких стержни работают на сжатие, а тросы — на растяжение. При всем этом стержни не соприкасаются друг с другом, но висят в пространстве, а их относительное положение фиксируется растянутыми тросами, в итоге что ни один из стержней не работает на извив.
Д. Д.: Одно из фаворитных коммерческих применений — автономная инспекция. Для этого употребляют промышленные дроны DGI с тепловизорами. Они могут подлететь и поглядеть состояние, к примеру, полосы электропередач, вышек связи телекоммуникационных, газопровода и всего-всего. Мы решали задачку наведения камеры на провод, что пилоту довольно трудно создать в движении. Мы желаем, чтоб дрон сам наводился на камере и аккомпанировал его при движении. По данной теме есть потрясающий проект — «Канатоход». Это дрон, который движется по проводам, по канату и перелетает через столбы. Классная штука, при этом русская.
Р. Ф.: Если гласить о автономности, то на данный момент интенсивно развиваются зарядные станции. В Институте Иннополис мы разработали специальную посадочную платформу для дрона. Она вначале делалась для КамАЗа — это беспилотный грузовик, имеющий дрон, который может ему выстроить карту и сказать, куда ему двигаться. Но у платформы есть и другое коммерческое применение. Мы можем поставить ее около судьба, глядеть выработку, или на стройке, и временами по расписанию делать полеты либо обследования и составлять карту конфигураций.
Р. Ф.: Еще один тренд — совмещение посадочной станции с постаматом. Русская компания «Коптер Экспресс», которая на данный момент интенсивно развивается в производстве дронов, сделала таковой постамат и на данный момент продвигают его совместно с дронами. Он имеет ячейки хранения, умеет выдавать посылки и так дальше.
Д. Д.: Лететь вполне автономно с внедрением нейронных сетей — одна из многообещающих задач в направлении автономности. Уровень технологий дошел до той стадии, когда мы можем на борту квадрокоптера принимать решения прямо во время облета. И здесь два подхода. один подход — традиционный, когда у нас есть планировщик, регулятор, отдельные персепшн-модули и у нас нейросеть. И иной — так именуемый end-to-end с единой нейросеткой. Она работает как темный ящик. У нее есть входы, сенсорика и выходы управления. И она реализует уже данные аспекты.
Читайте также:
Поглядите, что способен узреть в мироздании новейший телескоп — преемник Хаббла
Раскрыта история происхождения «странноватых» метеоров: они свалились на землю в 60-е
Возникло фото, как пыль пустыни «вытекает» в Атлантический океан