Вертолёт, 2012 № 03-04

Пинг-понг, пробежки, джаз-банд и другие увлечения квадрокоптеров

История помнит, что на заре вертолетостроения предпринимались попытки создать многовинтовые машины. Одной из таких попыток был, например, квадрокоптер Ботезата, который увидел свет в 1923 году. Недостатком этих аппаратов была сложная трансмиссия, передававшая вращение одного мотора на несколько винтов. Изобретение рулевого винта и автомата перекоса на время прекратило эти попытки. Новые разработки начались в 1950-е годы, но дальше прототипов дело не продвинулось.

Однако идея квадрокоптера неожиданно получила новое развитие в XXI веке в проектах беспилотных летательных аппаратов: простота конструкции сделала квадрокоптер популярным в любительском моделировании.

Позволим себе напомнить, что сама идея создания первого беспилотника принадлежит великому русскому ученому М.В. Ломоносову. Для своих метеоисследований (в измерении на разных высотах температуры, давления и т. д.) он разработал летательный аппарат вертикального взлета – первый прототип вертолета при двух равных винтах на параллельных осях, равноудаленных от центра тяжести и оси прибора. Аппарат изначально не подразумевал пилотируемых полетов. Действующая модель аппарата, к сожалению, не сохранилась, но документы показывают, что ученый ее создал.

В прошлом году весь Интернет покорил ролик, где два квадрокоптера играют друг с другом в пинг-понг.

Команда разработчиков из Государственного федерального технологического института (Швейцария) создала эти маленькие беспилотники, которые могут автономно играть друг с другом. В верхней части миниатюрных беспилотников авторы установили головки теннисных ракеток. Стоит подать мячик для настольного тенниса, как машина самостоятельно определит его местоположение, вычислит траекторию и услужливо поставит под него свою бьющую поверхность.

Исследователи из Швейцарского федерального технологического института (ETH Zurich) продемонстрировали в действии тройку квадрокоптеров, которые с впечатляющей ловкостью управляются с небольшой сеткой и мячом. Они ловят его, подкидывают и забрасывают в кольцо. Специальный алгоритм высчитывает в реальном времени траекторию броска и синхронизирует действия группы, что позволяет ловить мяч на лету. Они умеют не только слаженно двигаться, но и корректировать свои действия в зависимости от того, удалось ли добиться успешного результата. Так что теперь это не просто скоординированная самообучающаяся стайка летающих роботов.

Та же группа исследователей из ETH Zurich разработала небольшие дроны-квадрокоптеры, которыми можно управлять при помощи жестов благодаря контролеру Kinect от Microsoft. Для того чтобы роботы могли правильно интерпретировать команды, исследователи установили две камеры. Одну камеру для Xbox 360 поместили на полу, другую повесили над головой человека. Управляется робот так же, как кукла- марионетка. Единственное отличие – отсутствие каких-либо нитей. Например, для того чтобы квадрокоптер взлетел, необходимо лишь взмахнуть рукой. Если робота нужно посадить, достаточно слегка хлопнуть руками: встроенный микрофон уловит звук и дрон плавно приземлится на пол.

Ученые из Мельбурна (Австралия) изобрели летающего спутника для пробежек и назвали его Joggobot. В это летающее чудо техники разработчики вмонтировали камеру, при помощи которой квадрокоптер может отслеживать местонахождение бегуна и лететь в нескольких футах впереди. Хотя существующая версия имеет ряд серьезных недоработок, его изобретатели настроены оптимистично и с уверенностью утверждают, что у этого изобретения великое будущее.

Квадролеты очень популярны сейчас у инженеров разных стран, работающих над автоматизацией полета. Так, специалисты из Университета Пенсильвании разработали алгоритм, который позволяет роботам-квадролетам творить невероятные и даже немного пугающие вещи. Их роботы уже умеют самостоятельно обходить препятствия, приземляться друг на друга и даже собирать структуры из строительных материалов. Не останавливаясь на достигнутом, инженеры сделали кучу маленьких квадролетов, которые умеют летать эдаким роботизированным роем. Эти малыши способны на скоординированные действия в ограниченном пространстве. Нетрудно представить, как они смогут передавать что-то по цепочке или выполнять другие операции, требующие коллективных действий. В эксперименте участвовали двадцать таких летающих машинок. Выглядит это как проявление коллективного разума, не иначе.

Позже пенсильванские умельцы продемонстрировали, как можно использовать квадрокоптер для игры на музыкальных инструментах. На них подвесили грузики, и квадрокоптеры успешно справились не только с клавишными, но также с барабаном и гитарой.

Комната, где проходил «концерт», была оборудована инфракрасными источниками света и камерами. Каждый квадрокоптер имел отражатели, благодаря которым система могла определять точное расположение робота и давать ему команды.

В Австрии уже несколько лет проводится шоу беспилотников, которое стало частью ежегодного музыкального и мультимедийного фестиваля. Одним из организаторов светового шоу является лаборатория GRASP Lab уже упомянутого выше Университета Пенсильвании. В этом году специалисты австрийской компании Ars Electronica Futurelab создали компьютерную модель воздушной хореографической композиции и оборудовали беспилотники-квадрокоптеры Hummingbird специальным радиоприемным оборудованием и компьютеризированными модулями.

Инженеры запустили в небо полсотни небольших летательных аппаратов с меняющими цвет фонарями. В результате 50 машин синхронно поднялись в небо и целым роем начали демонстрировать различные фигуры, получилось действительно красиво. А светодиодные фонари превратили рой в некое подобие огромного дисплея.

Это лишь единичные примеры того, что могут вытворять маленькие роботы-квадролеты. По той информации, что периодически появляется в Сети, прессе и на телевидении создается впечатление, что сегодня тема конструирования квадрокоптеров развивается семимильными шагами. Долгое время такие проекты, как квадрокоптер, воспринимались как игрушки. Но сегодня становится понятно, что с помощью этого аппарата можно выполнять полезную работу. Появился стимул вкладывать в это направление силы, энергию, мысли и развивать его.

Кроме обрывочных новостей и забавных роликов в Сети, популяризации квадрокоптеров способствуют тематические конкурсы летающей робототехники. Они, собирая умельцев, создающих нечто ценное и интересное с точки зрения сложных технических решений, становятся просто кладезем инженерной мысли.

Подобные конкурсы смело можно назвать фестивалями науки и техники. Их задача – в простой и интересной форме рассказать о новейших достижениях. Любой посетитель может на практике понять как, над чем и насколько успешно работают лучшие умы мира.

Например, Агенство DARPA (Агентство передовых оборонных исследовательских проектов Министерства обороны США, отвечающее за разработку новых технологий для использования в вооруженных силах) периодически проводит подобные мероприятия, и в этом году объявило открытый конкурс на проект лучшего беспилотного летательного аппарата. До его завершения еще много времени, но в лидерах уже выделилась тройка оригинальных проектов. GremLion – проект Национального университета Сингапура. В режиме ожидания представляет собой сферу на небольших колесах. Сложенные лопасти двух несущих винтов располагаются внутри корпуса и раскрываются подобно тюльпану. Проект от UAVForge под названием X-MAUS – это квадрокоптер со складывающейся конструкцией и управлением на основе платформы Arduino. Третий аппарат – QuadShot от компании TU Delft – также выполнен по схеме квадрокоптера и напоминает истребитель из «Звездных войн». Как правило, все «находки» конкурсов DARPA потом берет в свой актив.

В Нидерландах ежегодно проходит Международная конференция по микроавиации (IMAV). Там бывают широко представлены самые разнообразные летательные аппараты, среди которых много автономных роботов оригинальной конструкции – квадрокоптеры, орнитоптеры и другие. Участниками выставки в рамках этой конференции становятся как крупные компании, специализирующиеся на этом направлении, так и частные лица, которые становятся активными участниками форумов и конкурсов в рамках IMAV.

Ну и, конечно же, самый широко известный в узких кругах – это международный конкурс летающих роботов (International Aerial Robotics Competition, IARC), ежегодное открытое соревнование беспилотных автономных летающих роботов, которое проводится с 1991 года. Конкурс призван стимулировать создание небольших, но очень умных летающих роботов, способных автономно, без постороннего вмешательства, выполнять сложные задачи.

Конкурс был организован бывшим президентом Международной ассоциации беспилотных транспортных средств (Association for Unmanned Vehicle Systems International, AUVSI) Робертом Михельсоном, а IARC выступила организатором и спонсором призового фонда.

Ежегодно на каждом этапе организаторы конкурса придумывают миссию в виде сценария, которую на момент постановки задачи не может выполнить ни один из существующих гражданских или военных беспилотных летающих роботов. За выполнение миссии устанавливается денежный приз. И команды предоставляют на конкурс созданных им роботов, способных решить поставленную задачу. Если ни одна из команд не смогла выполнить миссию, она остается прежней, а призовое вознаграждение увеличивается.

В первой миссии беспилотнику ставилась задача самостоятельно перенести небольшой груз (металлический диск) из одного конца площадки в другой. Победителем стала команда Стенфордского университета.

Вторая миссия заключалась в розыске токсичных отходов. Необходимо было попасть на свалку токсичных отходов, где в беспорядке захоронено пять бочек. Определить содержимое каждой бочки по находящимся возле них этикеткам и вернуться с образцом содержимого одной из них. В 1996 году команде Массачусетского технологического института и Бостонского университета при поддержке Draper Labs удалось создать робота, который правильно определил расположение всех пяти бочек с отходами и содержимое двух из них, то есть решил около 75% задачи. Однако только в следующем году команда из Университета Карнеги-Меллон смогла выполнить миссию полностью.

Задачей третьей миссии стали поисково-спасательные работы. Нужно было пролететь в зону бедствия среди огня, облаков ядовитого газа и разрушений. Найти мертвых и живых, неспособных самостоятельно выбраться. Живые определялись по движению и имитировались с помощью специальных роботов. Победителем в 2000 году стал робот из Берлинского технического университета, который смог избежать всех опасностей и успешно обнаружить всех живых.

Четвертая миссия предполагала, что беспилотный автономный летательный аппарат за 15 минут должен пролететь по открытой местности 3 мили (около 5 км), найти определенное здание, залететь в его окно, сфотографировать обстановку и вернуться. Для четвертого этапа было придумано несколько сценариев с аналогичным способом решения. Первый из них предполагал, что недружественным государством были захвачены заложники. Автономный летательный аппарат, выпущенный с подводной лодки в трех милях от берега, должен добраться до здания, где удерживают заложников, проникнуть в него и отправить информацию обратно на подводную лодку. Второй сценарий повествовал об археологах, открывших древний мавзолей. Неизвестный вирус убил археологов, но перед смертью они сообщили, что на стене мавзолея висит неизвестный гобелен с очень важной информацией. Правительство собирается взорвать территорию, чтобы уничтожить вирус, но робот за 15 минут должен найти мавзолей, влететь в него, сфотографировать гобелен и передать информацию ученым. Попытка пройти миссию длилась девять лет, в результате было решено, что все участвующие команды в значительной степени могут продемонстрировать возможность ее осуществления по двум предложенным сценариям. Поэтому в 2008 году миссия была признана пройденной, а призовой фонд в 80000 долларов США был поделен между всеми участниками.

Третий сценарий лег в основу пятой миссии.

В пятой миссии была заложена задача ориентации в закрытом помещении без каких-либо внешних сигналов. Никаких дополнительных сведений об этом помещении роботу не предоставляется. По сценарию в некоем «Украинистане» взорвался реактор на АЭС, что привело к резкому повышению радиации, гибели и эвакуации людей. В результате срабатывания аварийной автоматики удалось заглушить два реактора, но третий остался включенным. роботу необходимо попасть внутрь станции через разбитое окно, пролететь через все помещения, найти «главный пульт управления» по горящим светодиодам. Изображение индикаторов и положение тумблеров робот должен передать по радио, для оценки специалистами и поиска выхода из положения. В 2009 году миссия с четвертой попытки была выполнена роботом MAV, созданным в Robust Robotics Group Массачусетского технологического института под руководством профессора Николаса роя.

По сценарию шестой миссии надо было незаметно проникнуть в здание разведки «республики Нари», которое окружено забором под напряжением, воспользовавшись полученной от разведки информацией о слепых зонах камер безопасности. Избегая регулярных обходов охраны, найти определенное помещение и лежащую в нем флешку с секретной информацией. Флешку необходимо заменить на пустую таким образом, чтобы противник не заметил пропажи. Оригинал же незаметно вынести из здания и передать разведке. Призовой фонд данной миссии на сегодняшний день еще не разыгран.

В этом году впервые подобный конкурс появился в России.

Этой осенью компания КРОК запустила конкурс конструкторов беспилотных летающих аппаратов (БПЛА). Несмотря на то, что рассчитан он в первую очередь на программистов, разрабатывающих ПО для дронов, сотрудников робототехнических бюро и НИИ, учащихся специализированных вузов, конкурс не имеет никаких ограничений по профессиональным критериям. В нем могут принять участие все энтузиасты, на любительском или более серьезном уровне увлекающиеся темой беспилотных устройств. Финансовая мотивация в виде главного приза (1 миллион рублей) позволит победителю расширить свои возможности по созданию автономных систем, требующих использования достаточно дорогих компонентов.

Основная цель конкурса конструкторов – популяризация темы робототехники и беспилотных летательных аппаратов (дронов), создание сообщества энтузиастов, увлеченных данной тематикой, а также поиск интересных людей и идей, которые позволили бы дронам найти более широкое применение в различных сферах. Летательные аппараты, которые достаточно широко используются за границей, расширяют возможности служб быстрого реагирования, уменьшают риск для жизни и здоровья человека на опасных объектах (от горящих зданий до АЭС). Также они широко применяются для контроля состояния высотных конструкций – дымовых труб, промышленных установок, линий электропередачи, мостов, небоскребов. За 15 минут дрон может выполнить работу, которую промышленные альпинисты выполняют несколько дней. При этом нет риска для жизни и здоровья людей, а затраты на обследования значительно меньше.

«В октябре мы участвовали в трех выставках – ФСК Grid, «Дорога» и UVS TECH. Мы увидели массовый интерес к применению беспилотников для решения самых разнообразных задач – от мониторинга обстановки и объектов до спасательных и разведывательных операций, – добавляет Алексей Добровольский, директор по разработке программного обеспечения компании КРОК. – Например, спасательные операции на море и ледовая разведка. Бывает, что корабль несет на себе полноразмерный пилотируемый вертолет, но его применение затруднено из-за погодных условий или вылет может быть только «в один конец» из-за невозможности приема вертолета на борт в условиях низкой видимости, ветра и сильной качки. В таких случаях только беспилотный аппарат способен выполнить задачи воздушного обеспечения. Даже высокая вероятность потери беспилотника является приемлемой во многих случаях».

Прием заявок на конкурс КРОК уже завершен. Сейчас в нем участвуют 295 команд и 241 индивидуальный разработчик, в их числе и те, кто по роду свой деятельности связан с роботехникой и созданием летательных аппаратов. География участников соревнования обширная: от регионов России до Украины, Белоруссии, Латвии, Польши. Также есть разработчики из Казани («КАИ-СТАР», выпускники Казанского авиационного института).

Впереди несколько контрольных точек, во время которых участники должны предоставить техническое описание своих дронов, продемонстрировать выполнение отдельных элементов конкурсного задания, например, автоматический взлет со стартовой площадки, полет и поиск второй посадочной площадки и приземление на нее. Победителем в этой игре выйдет команда или индивидуальный участник, справившийся лучше всех с созданием системы автономного управления беспилотным устройством на полигоне, оборудованном искусственными препятствиями.

Это не так уж просто, утверждают организаторы конкурса. Для успешного преодоления всех трудностей требуются значительные временные и интеллектуальные усилия: нужно либо самостоятельно спроектировать умного робота, либо серьезно доработать программное обеспечение готового дрона, а также оснастить его необходимыми сенсорами. От разработчиков требуется действительно оригинальный продукт, который бы сделал стандартное устройство абсолютно автономным. Это не всегда под силу поставщикам так называемых промышленных решений, работающим на российском рынке. Как правило, они предлагают всего лишь модернизированные импортные любительские БПЛА. Отсутствие оригинальных идей и разработок, копирование аналогов и ориентация на удовлетворение только текущих потребностей заказчиков практически блокируют развитие направления в России.

«Да, сейчас предел требований 99% заказчиков к малым беспилотникам – это полет по координатам с камерой (максимум с тепловизором или мультиспектральной камерой). Для того чтобы удовлетворить их, не нужны высокая наука и технологии. Подобные аппараты серийно производятся и присутствуют даже в секторе любительских устройств. Это, например, очень популярные немецкие многороторные аппараты Mikrokopter. Кстати, они также широко заимствуются и разработчиками «оригинальных» БПЛА. При стоимости комплекта для сборки, начинающейся от 1000 евро, такие летающие роботы могут нести камеру и лететь по маршруту, заданному GPS-координатами. Профессиональные агрегаты более высокой надежности, способные осуществлять длительный полет, тоже стоят относительно недорого – обычно в пределах стоимости нескольких полетов «настоящего» вертолета», – добавляет Алексей Добровольский.

Но настоящий бум малых беспилотников, по мнению представителя КРОК, наступит, когда развитие систем управления позволит им выполнять миссию в сложном окружении в автоматическом или полуавтоматическом режиме, Сейчас основным средством навигации являются GPS или другие спутниковые системы. Их применение даже среди городской застройки возможно только в режиме ручного дистанционного управления. Требования к квалификации и время на подготовку оператора в таком случае не особо отличаются от требований к пилотам «настоящих» вертолетов, а сделать из каждого полицейского или спасателя пилота невозможно.

Задача управления дроном внутри помещения изначально не была условием конкурса, для упрощения задачи было принято решение строить полигон под открытым небом, но в самой компании КРОК над решением проблемы управления в здании (а также решением других подобных нетривиальных задач) активно работают. Примечательно, что конкурс для разработчиков простимулировал самих инженеров КРОК шире исследовать технологии летающих аппаратов, штудировать мировой опыт, создавать роботов и проводить тестирования.

Сейчас требования к конкурсным работам масштабнее того, что ждут от роботов потенциальные заказчики. Это определенно идет на пользу компетенции компании. В настоящий момент КРОК поставляет на рынок информационных роботов-гидов с программным обеспечением собственной разработки, а также БПЛА разработки немецкой компании Microdrones. При своем небольшом весе они могут работать весьма продолжительное время – почти 1,5 часа против 10-15 минут любительских аппаратов. Летающие роботы КРОК просты в использовании, имеют проработанную систему стабилизации, могут быть интегрированы с ГИС-пакетами (геоинформационная система) известных производителей, системами сбора и аналитической обработки данных, системами управления и контроля доступа. Для фото- и видеосъемок в любое время суток могут быть использованы камеры высокого разрешения, мультиспектральные камеры, а также камеры с тепловизионными свойствами. При этом БПЛА способны выполнять работу в самых разнообразных условиях: в широком диапазоне температур, при любом атмосферном давлении, влажности, ветре, в дождь, снег и даже во время полевых бурь.

Имея уже сейчас солидный портфель решений в области разработки летающих роботов, КРОК является и организатором, и главным экспертом в рамках конкурса конструкторов. Но оценивать качество конкурсных работ будет жюри. Его состав обнародуют в начале 2013 года, хотя уже сейчас точно известно, что в число судей войдут представители информационных, технических и стратегических партнеров КРОК, а также, вероятно, сторонние эксперты, уже участвовавшие в подобных российских конкурсах. Подведение результатов и награждение победителей конкурса состоится в августе 2013 года. Журнал «Вертолет» и далее будет информировать своих читателей о результатах его проведения.

В России разработок на эту тему нет. Между тем в США активные исследования по полетам в сложном окружении и помещениях, в условиях блокированной спутниковой навигации ведутся уже два десятка лет. Там достигнуты впечатляющие результаты – дроны могут находить маршрут в помещениях, обходить препятствия, искать людей и предметы. Но все равно пока аппараты нельзя использовать в «бою» из-за их низкой надежности. В 99% случаев алгоритмы навигации в помещениях «сходят с ума» при встрече с обычными зеркалами, есть проблемы с окнами, занавесками, не исключены столкновения с людьми. Но серьезная основа для создания промышленных образцов уже заложена.

Сегодня на фоне отсутствия новых моделей и проектов в вертолетной отрасли сам факт создания подобного конкурса и возникший к нему интерес у технически подкованной молодежи вселяет надежду на возрождение инженерной мысли. И как следствие – появление ярких новинок и поиск новых инженерных решений в вертолетостроении. Уже само количество специалистов и энтузиастов, откликнувшихся на предложение об участии в конкурсе, позволяет ожидать интересных результатов. Для самой изобретательной молодежи участие в подобных проектах может стать не простым развлечением, а действительно шагом вперед.