Создание беспилотных наблюдательных комплексов или воздушная акробатика

Тема дронов развивается как никогда раньше -- начиная от детских игрушек до систем, несущих на своем борту ракеты. Практически каждая отрасль либо уже примеряла на себя дроны, либо примеряет, либо, по крайней мере, задумывается об их применении для решения своих задач и проблем.

Человек всегда стремился к полету, со времен Икара постоянно идут попытки создания каких-либо летательных аппаратов. Однако попытка Икара была обречена на неудачу, как мне кажется, по двум причинам. Во-первых, он не последовал инструкции и превысил расчетную высоту полета, а во-вторых, его летная система была сделана из несовершенных материалов -- перьев и воска. Современные дроны делают из легких композитных материалов -- борьба идет за каждый грамм.

Сегодняшние "икары" поделились на два типа: те, которые сами хотят взлететь и попасть в небо, и те, которые предпочитают отправить в небо летающего робота вместо себя. Вот об "икарах" второго типа сегодня и пойдет речь.

Рис. 1. Детская игрушка. Дрон с видеокамерой и поворотной системой

Достижения прогресса

Намного безопаснее отправить в воздух робота и управлять им, нежели самому на летающей машине отправиться в полет. Это, пожалуй, одно из ключевых преимуществ дронов, ведь до сих пор вопрос безопасности полетов на летательных аппаратах так и не решен. Человек был создан для того, чтобы ходить по земле, и не имеет никаких возможностей самостоятельно летать, в отличие, например, от птиц. Людям присуще желание усовершенствовать себя и свои навыки, и желание уметь летать -- не исключение. На данную тему -- тему создания совершенства -- мне вспомнился старый инженерно-армейский анекдот про инженеров и генерала.

"Инженеры пригласили генерала к себе в лабораторию, чтобы рассказать о новом транспортном средстве, которое они разработали. Докладывая генералу и показывая чертежи, инженеры рассказывают: "Мы разработали такой аппарат, который может летать, ездить и плавать. Теперь вы, товарищ генерал, получите колоссальное преимущество в тактике при ведении боевых действий". Генерал прищурил один глаз и спросил у инженеров: "Вы, товарищи инженеры, согласны, что природа создает совершенные механизмы?" "Да", -- ответили инженеры. "Так вот, мне в природе известно только одно животное, которое умеет летать, ходить, плавать в воде и под водой -- это утка. Утка отлично летает, хорошо плавает и неплохо ныряет, но посмотрите, как она ходит!"

Рис. 2. Неиссякаемое желание летать.
От Икара у древних греков до
Супермена в настоящее время

Создание совершенного механизма относится к разряду утопии, однако попытки его создания ведут к постоянному прогрессу. Развитие электроники и прогресс в электродвигателях позволили сделать небольшие мощные двигатели и миниатюрные гироскопы, легкие композитные материалы обеспечивают минимальный вес летной конструкции дронов. В плане развития технологий самая большая проблема -- это миниатюризация источников энергии, которой нужно относительно немало, а вот запасать ее приходится в довольно тяжелых, как правило, литий-полимерных аккумуляторах. Думаю, следующий качественный скачок в технологическом развитии цивилизации будет обусловлен именно возможностью получать много энергии из небольшого объема материала.

Наибольшее количество дронов создается в виде так называемых квадрокоптеров, они и наиболее интересны. Данные устройства с четырьмя горизонтально расположенными пропеллерами и несущей полезную нагрузку центральной частью. Такие аппараты вызывают целый бум в беспилотной индустрии. Они относительно просты в изготовлении, и для них нужна относительно несложная авионика.

Актуальность наблюдения с воздуха

Начав уже более 10 лет назад заниматься тепловизорами, естественно, я не мог обойти стороной тему наблюдения с воздуха. Наблюдение с беспилотного летательного аппарата (БПЛА) действительно способно решить немало задач, которые до сих не было возможности решить другими способами. Например, один из проектов, над которыми я работаю, -- наблюдение за карьером. Карьер -- это объект, который постоянно меняется, на нем постоянно происходят какие-либо работы и движение, отсутствуют ограждения и какие-либо инженерные сооружения для препятствия проникновения.

Рис. 3. Карьер - сложнейший для обеспечения безопасности объект
 и поле деятельности для наблюдательного дрона

Это просто огромные пространства, достигающие порой масштабов размера города. Плюс ко всему непосредственно на объекте отсутствуют электричество и коммуникации. Обеспечение наблюдения за подобным объектом вполне под силу беспилотным летательным аппаратам, оснащенным системами дневного и ночного наблюдения. Дрон, летящий над объектом, подобен ястребу, курсирующему над землей в поиске добычи. Такая же задача -- облет территории и поиск добычи.

Инженерные нюансы

Помимо чисто технических проблем создания самих дронов непростая задача -- обеспечение наблюдения с дронов с передачей данных на землю. По сути, создание системы наблюдения на дроне -- чрезвычайно сложный, но увлекательный инженерный вопрос. Необходимо совместить летную систему, систему наблюдения и систему передачи данных в единый работоспособный комплекс.

Классическая компоновка круглосуточной системы наблюдения дрона -- комбинация видеокамеры и тепловизора. Камера работает в дневное время, а тепловизор -- как днем, так и ночью, ведь ему абсолютно не нужно освещение. Для обеспечения наблюдения с дрона необходима опорно-поворотная платформа и система стабилизации изображения. Во время полета из-за вращения двигателей и лопастей происходит постоянная вибрация, которая приводит к тремору и дрожанию изображения с камеры и тепловизора, что, конечно, мешает наблюдению или делает его практически невозможным. Одновременно с этим дрон может закладывать виражи, повороты и наклоны как самостоятельно, так и под воздействием воздушных потоков. Такие качания также серьезно сказываются на качестве получаемого изображения.

Рис. 4. Простейший дрон, оснащенный тепловизором и опорно-поворотным механизмом

Гироскопы для стабилизации изображения

Описанные проблемы стабилизации изображения решаются путем введения в состав опорно-поворотного устройства гироскопов с обратной связью на двигатели поворотного механизма. Гироскопы постоянно отслеживают нормальное положение поворотной системы и выдают компенсационные команды на доворот поворотного механизма в нужном направлении для удержания полей зрения камер в заданном положении.

Рис. 5. Гиростабилизированная платформа
с установленной видеокамерой (S130)

Законченные устройства наблюдения с гироскопами и оптическими сенсорами (камера, тепловизор, лазерный дальномер) для установки на дроны называются гиростабилизированными платформами (система S130), их часто называют подвесами или подвесками. В профессиональных кругах также можно услышать понятие "шарики". Подвески в большинстве случаев действительно изготавливают в виде шариков, внутрь которых помещены тепловизор с камерой. Шарообразная форма идеальна для перемещения в воздушном пространстве такой системы, так как она равномерно обдувается воздушным потоком и не имеет перекосов. Подобная равномерность нужна для повышения качества стабилизации, развесовки, уменьшения массогабаритных характеристик и, как результат, повышения качества выдаваемого стабильного изображения.

Технологическая начинка беспилотника

Я считаю, что на самом деле подвес является основным элементом в беспилотной системе наблюдения, так как именно он выдает изображение облетаемого объекта, ведь весь комплекс и создается ради того, чтобы получать изображение. Поэтому при создании беспилотных наблюдательных комплексов я рекомендую уделять особое внимание подвесу и его оптическим сенсорам. Изображение, выдаваемое самими сенсорами, стабилизация, качество и скорость отработки команд вращения и зуммирования -- все будет складываться в копилку получения или неполучения ожидаемого результата.

Современные подвесы оснащаются тепловизорами с VGA-разрешением с фиксированным объективом и FullHD-видеокамерами с 36--40-кратным зум-объективом. Более низкие параметры являются компромиссом в сторону уменьшения стоимости. Уровень стабилизации поворотной платформы для такого типа камер должнен находиться в диапазоне 100--200 микрорадиан. Стабилизация особенно важна на длинных фокусах -- узких углах обзора видеокамеры. Чем уже угол, тем важнее качество стабилизации, ведь на узких углах видны все нюансы и огрехи системы стабилизации. На узких углах работают при необходимости наблюдения на большие расстояния или при необходимости детально рассмотреть какой-либо объект.

Каналы связи с дроном

Связующим звеном между беспилотником и наземной системой управления и сбора информации является канал связи. Эта связующая нить обусловливает возможности управления беспилотником и подвесом, а также передачу видео с подвеса на землю.

Рис. 6. Следящая система связи с дроном

В зависимости от типа беспилотника необходимая дальность связи может варьироваться от нескольких сотен метров до практически 100 км. Чем больше расстояние связи, тем более критичным становится канал связи. Наиболее простые каналы связи строятся на штыревых omni-антеннах. Данные антенны наиболее функциональны, так как они обладают круговой диаграммой направленности, которая дает возможность совершать полеты в любом направлении без потери зоны связи. Но такие антенны ограничены по дальности действия. Для дальнобойных каналов система связи представляет собой следящую систему с направленной антенной -- установленная на мачте, она постоянно следит за беспилотным аппаратом и самостоятельно направляется в то место, в котором находится аппарат. Такое решение позволяет использовать узконаправленные антенны, что, в свою очередь, обеспечивает большую дальность связи.

В заключение хочу отметить, что беспилотная тема настолько обширна и многообразна в своих применениях, что просто захватывает дух, когда думаешь, какие возможности она открывает и какие задачи может решать!