«ЭРА» мультикоптерных беспилотников

В городе Анапа на базе Военного инновационного технополиса «ЭРА» в период с 26 по 30 марта проходила финальная часть открытого конкурса Фонда перспективных исследований по автономному управлению мультироторными беспилотными летательными аппаратами.

На вопросы «Красной звезды» о соревновании и перспективах развития одного из сегментов беспилотной авиации ответил руководитель Дирекции программ по робототехнике ВИТ «ЭРА» Виталий Лопота.

– Виталий Александрович, среди специалистов, работающих в тематике беспилотной авиации, в последнее время довольно часто используется термин аэробот. Давайте с определения термина и назначения этого аппарата начнём нашу беседу.

– Строго говоря, термин аэробот переводится как летающий робот, но я так понимаю, вы спрашиваете про проект «Аэробот» реализованный Фондом перспективных исследований. Аэробот представляет собой исследовательскую платформу на базе квадрокоптера мультироторного беспилотного летального аппарата, оборудованную системами технического зрения и мощными бортовыми вычислительными комплексами.

Аэробот по сути это летающая лаборатория, которая предназначена для проведения исследований в области автономного полёта, обнаружения и распознавания объектов в уникальной и неопределённой обстановке, интеллектуального планирования траектории летательного аппарата. Она предназначена и для исследований методов, подходов к автономному высокоскоростному функционированию беспилотного летательного аппарата в различных условиях, в том числе: при отсутствии сигналов вспомогательных систем навигации; глобальной навигационной системы типа GPS, ГЛОНАСС; ограниченной оптической видимости — ночь, дым, туман; искажённого магнитного поля Земли; ограниченного пространства сложной конфигурации — лес, промышленные объекты, жилые помещения.

– Аэробот в исследовательском и конструктивном плане, что собой представляет?

– Аэробот в своём составе имеет: беспилотный исследовательский летательный аппарат (БИЛА), наземный пульт управления и комплект средств разработчика (КСР).

В конструктивном плане БИЛА представляет собой квадракоптер с изменяющимся вектором тяги и оснащенный самым современным набором сенсоров.

Маневренность БИЛА во время полёта обеспечивается изменением вектора тяги, посредством независимых поворотных лучей, снабженных индивидуальными сервоприводами. Поворотные лучи при этом способы отклонятся в пределах от +60 до -60 градусов. В состав системы сенсоров входят различные датчики, в том числе: фронтальная камера ближнего ИК диапазона; блок бинокулярного зрения; лазерный сканирующий дальномер; лазерный альтиметр; инерциальные сенсоры на базе бесплатформенной инерциальной навигационной системы; магнитометр.

Все расчёты производятся на высокопроизводительном процессоре с возможностью параллельных вычислений при решении задач обработки изображений.

БИЛА также оснащён системой регистрации приема/передачи телеметрической информации и команд управления НПУ.

КСР включает в себя набор программных библиотек, среду симуляции и соответствующий набор документации. Среда симуляции использует разработанную физико-математическую модель БИЛА и обеспечивает: моделирование его аэродинамики полёта в заданных условиях; формирование и визуализацию пользовательского 3D пространства; визуальное отображение полета в сформированной 3D среде; многопараметрическое взаимодействие беспилотного аппарата с внешней 3D средой, включая изменения атмосферных показателей; формирование выходных сигналов и их передачу в подсистему автопилотирования.

– Со стороны Минобороны, чем вызван интерес к этому типу летательных аппаратов?

– Интерес к беспилотникам мильтикоптерного типа вызван тем, что они имеют высокую маневренность на малых скоростях, режим зависания, могут выполнять вертикальный взлёт и посадку.

Активным изучением такого типа беспилотников в Минобороны занялись примерно два года назад. Тогда военные сформулировали и довели до сведенья разработчиков основные требования к этим перспективным комплексам.

По мнению военного ведомства, мультикоптер должен выполнять полётное задание более 90 минут, в зависимости от выполняемых задач иметь грузоподъемность по целевой нагрузке от 1 до 30 кг, эксплуатироваться при температурах наружного воздуха от плюс 30 до минус 30 градусов. Кроме того заявлен и ряд специфических требований, в числе которых работа при соблюдении радиомолчания, а также выполнение задания в автоматическом режиме с полётом по заранее определенному маршруту с возможностью самостоятельной посадки в заданной точке. Это, как понимаете, требуется для скрытного выполнения задания, а также с целью снижения возможности по противодействию попыткам противника перехватить управление аппаратом.

– Авиация перешагнула столетний рубеж своей деятельности и на фоне имеющегося научного прогресса особым пунктом звучит требование про возможность выполнения автономного полёта. В чём сложность по выполнению этого требования?

– Когда в кабине специально сконструированного летательного аппарата хорошо подготовленный человек, то задача по выполнению полётного задания по предназначению не представляет особой сложности. Другое дело, когда в небе беспилотник, и он должен работать в автоматическом режиме, самостоятельно.

При выполнении задачи автономного полёта необходимо взаимосвязанное решение задач навигации, построения маршрута и обнаружения цели. При этом российские военные не уповают на ГЛОНАСС или GPS, а весьма серьёзно относятся к использованию и других систем навигации, в том числе инерциальных. В условиях, когда пользоваться спутниковыми навигационными технологиями невозможно, данная задача не выглядит тривиальной. Здесь для решения задачи навигации, с точностью, доходящей до единиц сантиметров, необходимо создавать алгоритмы комплексирующие всю имеющуюся информацию о внешней среде, получаемую посредством систем технического зрения, лидаров, альтиметров, инерциальных модулей. При этом планирование полёта нужно проводить в условиях заранее неизвестной обстановки, порой, не видя конечную цель.

В целом технология автономной навигации на основе технического зрения уже достаточно развита. С начала 2000-х годов активно совершенствуются методы так называемого одновременного картографирования и ориентации по данным с одной или нескольких камер (SLAM — от англ. Simultaneous Localization and Mapping).

При этом поиск интересующих объектов и цели также довольно сложная задача, поскольку различные ракурсы объекта, освещенность, частичное перекрытие и другие факторы существенным образом сказываются на качестве обнаружения и идентификации. Сейчас созданы различные программы по «склейке» фотоснимков местности. Осталось научить машину такой фотопланшет сличать с картой. Здесь мы от программирования выходим на уровень элементов искусственного интеллекта.

– Какие перспективы в области повышения интеллекта беспилотников в России и за рубежом?

– С целью создания искусственного интеллекта по оценкам специалистов необходимо как минимум создать квантовый компьютер. Именно он обеспечит качественное изменение во многих областях научно-прикладного развития. Его возможности в плане вычислений и моделирования будут на несколько порядков (!) превышать самые высокоскоростные ЭВМ, имеющиеся сегодня в мире. Лидирующие позиции по его созданию занимают Китай, Россия и Соединённые Штаты. Решение этой задачи по уровню своего значения можно сравнить с созданием ядерного оружия в середине прошлого века. Прорывного успеха революционного характера ещё не достигнуто.

Поэтому параллельно с созданием искусственного интеллекта в настоящее время в мире проводится большое количество фундаментальных, поисковых и прикладных научно-исследовательских работ направленных на развитие компетенций в области интеллектуализации летательных аппаратов, в том числе и коптерного типа.

Среди ключевых технологий в данном направлении можно выделить технологии навигации, распознавания образов, планирования и управления дроном в незнакомой среде, в том числе и динамически меняющейся обстановке.

Над этой темой мы и занимаемся в ВИТ «ЭРА». Очевидно, что проблемы нужно актуализировать последовательно и с привлечением самых передовых научных школ страны, проведением открытых конкурсов и выявлением лучших решений и алгоритмов.

С этой целью Фондом перспективных исследований проделана большая работа по организации и проведению конкурса на лучшее решение в области создания программного обеспечения для автономного полёта коптеров, а также по разработке аппаратно-программного комплекса, включающего в себя квадракоптер с изменяемым вектором тяги и оснащенный самым современным набором датчиков для решения большого круга задач.

– Расскажите более подробно о соревновании.

– Конкурс проводится в два этапа. Первый прошёл с использованием технологии виртуального полигона. На виртуальном полигоне, реализованном в программной среде ROS (robot operation system) с использованием визуальной среды Gazebo выполнялось квалификационное задание, в котором участники соревнований должны были преодолеть сложный полигон, буквально напичканный различными объектами (препятствиями) и выполнить миссию. Для решения данной задачи была разработана математическая модель квадракоптера и смоделированы показания работы всех сенсоров.

Проект реализуется командой, состоящей из шести операторов научных рот и тремя штатными сотрудниками Военного инновационного технополиса. Среди 44 команд-участниц, подавших заявки, отборочный тур прошли только десять. Участники представили программно-аппаратные решения для выполнения задач автономной навигации. В ходе первого этапа конкурса определились четыре команды с наилучшим результатом.

Участие в финальном этапе конкурса принимают команды АО «Научно-конструкторское бюро робототехники и систем управления», Национального Томского политехнического университета, Института проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН и Московского физико-технического института.

На втором этапе конкурса командам предложено выполнить квалификационное задание, по пролету внутри лабиринта сложной конфигурации, но уже с использованием реального квадракоптера в реальных условиях.

В ходе соревнований дронам предстоит обойти различные препятствия на специальном полигоне, оборудованном в закрытом помещении площадью в несколько сотен квадратных метров. По условиям конкурса, командам не известна расстановка препятствий, полёты будут осуществляться в полностью автономном режиме без использования средств спутниковой навигации. Движение аппаратов будет осуществляться за счёт систем технического зрения комплексированных с инерциальными, а обработка данных производиться непосредственно на борту беспилотника.

– Какие призы ждут победителей?

– Победители будут приглашены на Международный военно-технический форум «Армия-2019», где проведут показательные полёты с демонстрацией возможностей мультироторных беспилотных летательных аппаратов, а также летающих лабораторий, созданных на их базе.

Также, насколько мне известно, победители соревнований смогут принять участие в реализации проектов Фонда перспективных исследований в области создания систем автономной навигации для беспилотных летательных аппаратов и наземных роботехнических комплексов.

– Давайте вернёмся к БИЛА, а точнее к той научной площадке, на которой она используется. Расскажите о ней.

– В технополисе «ЭРА» размещена лаборатория по исследованию интеллектуальных алгоритмов управления летающими аппаратами.

Суть проекта, над которым работает коллектив лаборатории сделать полёт квадрокоптера полностью автономным, т.е. не зависящим от действий оператора, что в итоге приводит к снижению ошибок пилотирования и повышает эффективность выполнения задач по предназначению. Создаваемая интеллектуальная система управления квадракоптером не будет нуждаться в использовании информации спутниковых навигационных систем. Все решение строится на основе данных получаемых с датчиков, установленных на квадракоптере. В проекте активно используются технологии нейронных сетей и сенсорики. Интеллектуальный алгоритм позволяет легко обходить естественные и искусственные преграды в различных условиях, будь то городской ландшафт или лесистая местность. Созданные решения могут масштабироваться как для военных, так и гражданских нужд.

– Кто участвует в реализации проекта, какие у него перспективы по реализации?

– Проект реализуется командой, состоящей из шести операторов научных рот и тремя штатными сотрудниками Военного инновационного технополиса. Научное руководство проектом осуществляет доктор технических наук, доцент Ринат Садеков.

Операторы научных рот работают над разработкой системы управления квадракоптером, системой обработки данных и распознавания образов, а также системой навигации, реализованной с использованием технического зрения.

Проект выполняется последовательно сначала все предлагаемые решения отрабатываются на виртуальном полигоне, а далее переносятся в вычислитель БИЛА для реальной проверки. Благодаря возможности многократно моделировать полёт на виртуальном полигоне, появляется принципиальная возможность оценить надёжность предлагаемых решений, что как следствие, позволяет уменьшить ситуации, связанные с нанесением ущерба коптеру в реальных условиях.

В будущем на базе решений, отработанных в БИЛА будут разработаны системы: спасания утопающих на воде; доставки грузов; мониторинга за обстановкой при массовом скоплении людей; контроля за противоправной деятельностью; мониторинга строительства площадных и линейных объектов, в том числе линий электропередач. Успешная реализация этих проектов позволит снизить зависимость от импортных решений и продолжить производство конкурентно способных продуктов в условиях санкций.

Юрий Авдеев, «Красная звезда»