Американцы спасут дроны от «проблемы 50 футов»
Американская компания Near Earth Autonomy получила контракт NASA на разработку навигационных систем, которые помогут дроном справиться с так называемой «проблемой 50 футов». Как пишет Aviation Week, такие системы позволят беспилотникам выполнять полеты вблизи земли, деревьев или зданий, а также управлять плотным движением дронов на малой высоте.
«Проблемой 50 футов» называют трудности беспилотников точно определять свои координаты на высоте полета 50 футов (15 метров) или меньше. Дело в том, что для точного контроля нескольких беспилотников в одном воздушном пространстве необходима высокая точность позиционирования.
Однако вблизи зданий или поверхности земли определение координат по спутниковым сигналам может становиться неточным или не работать вовсе. Например, это может происходить из-за появления отраженных сигналов GPS. Кроме того, спутниковые сигналы могут вовсе пропадать при пролете беспилотников под кронами деревьев, арками мостов или в районах города с плотной застройкой.
Разработка новой навигационной системы ведется в рамках проекта Safe50. Прототип системы включает в себя лидар Velodyne 3D, несколько камер и систему инерциальной навигации. Все оборудование устанавливается на подвижную внешнюю подвеску, а его масса составляет около 200 граммов.
Для определения положения дрона после потери или искажения GPS сигнала используется инерциальная система навигации, накапливающаяся ошибка в работе которой частично корректируется данными с лидара. Последний формирует трехмерную карту окружающего пространства, которая также дополняется данными с камер.
Трехмерная карта формируется лидаром из 400 тысяч точек в секунду. После совмещения этой карты и обработанных изображений с камеры готовое изображение пространства сравнивается с цифровыми снимками местности, заложенными в базу данных бортовой системы Safe50. После сравнения, сопоставления и корректировки координат инерциальной системы, дрон с высокой точностью определяет свое положение.
Обновление информации о положении дрона производится системой 200 раз в секунду. Летные испытания прототипа Safe50 уже состоялись. После завершения разработки системы ее включат в состав нового комплекса для автономных дронов, который позволит им уклоняться от столкновений с различными объектами и пролетать на малой высоте над поверхностью, повторяя ее изгиб.
NASA планирует включить Safe 50 вместе с комплексом уклонения от столкновений в более масштабную диспетчерскую систему UTM, предназначенную для контроля полетов большого количества беспилотников в едином воздушном пространстве. Испытания прототипа этой системы состоялись в середине ноября текущего года.
Диспетчерская система UTM, как предполагается, будет полезной в первую очередь для экстренных служб, использующих в поисково-спасательных операциях беспилотники. В UTM предполагается использование центрального сервера обработки данных и специальных пультов управления дронами.
Пульты передают на сервер информацию о взлете и посадке беспилотника, запланированном маршруте его полета, высоте и координатах аппарата. На основе эти данных система дает разрешение на взлет другим аппаратам или предлагает пересмотреть маршрут.
Василий Сычёв
Его система управления автоматически находит оптимальные точки в воздушных потоках
Инженеры разработали алгоритм управления для беспилотников самолетного типа, который позволяет парить на восходящих воздушных потоках, расходуя в 150 раз меньше энергии, чем при активном полете с работающим двигателем. Алгоритм отслеживает и подстраивается под непрерывно изменяющиеся воздушные потоки, сохраняя высоту. Препринт доступен на arXiv.org. При поддержке Angie — первого российского веб-сервера Беспилотники самолетного типа более энергоэффективны, чем мультикоптеры. Благодаря крыльям они способны преодолевать большие дистанции и могут гораздо дольше находиться в воздухе. Причем эти параметры могут быть увеличены за счет парения — планирующего полета, в котором аппарат использует восходящие воздушные потоки для удержания в воздухе без использования тяги двигателей, аналогично тому, как это делают некоторые птицы. Группа инженеров под руководством Гвидо де Круна (Guido de Croon) из Делфтского технического университета разработала систему управления, которая позволяет беспилотникам самолетного типа без какой-либо предварительной информации о поле ветра самостоятельно находить оптимальные точки в восходящих воздушных потоках и использовать их для длительного парения с минимальным расходом энергии. В системе управления вместо обычного ПИД-регулятора используется метод инкрементальной нелинейной динамической инверсии, контролирующий угловое ускорение, подстраивая его под желаемые значения. Система управления может без изменения настроек работать и в режиме парения, и при полете с включенным двигателем во время поиска новых оптимальных точек в воздушных потоках или для компенсации резких порывов ветра. Для поиска оптимальных точек в поле ветра, в которых скорость снижения полностью компенсируется восходящим потоком воздуха, применяется алгоритм имитации отжига. Он случайно выбирает направления в пространстве пытаясь найти такую точку, в которой беспилотник может устойчиво лететь с минимально возможной тягой двигателя. Для тестов инженеры построили 3D-печатный прототип на основе модели радиоуправляемого самолета Eclipson model C. Он имеет размах крыла 1100 миллиметров и массу 716 грамм вместе с аккумуляторной батареей. В качестве полетного контроллера применяется Pixhawk 4. Помимо установленного под крылом и откалиброванного в аэродинамической трубе сенсора скорости, беспилотник имеет GPS-модуль для отслеживания положения во время полетов на открытом воздухе. В помещении применяется оптическая система Optitrack. Испытания проводились в аэродинамической трубе, возле которой установили наклонную рампу, для создания восходящего воздушного потока. Прототип запускали в воздушном потоке сначала на ручном управлении, после чего включали автопилот. Разработчики провели эксперименты двух типов. В первом они постепенно изменяли скорость воздушного потока от 8,5 до 9,8 метров в секунду при фиксированном угле наклона рампы. Во втором эксперименте скорость воздушного потока оставалась неизменной, зато менялся угол установки подиума. В обоих случаях алгоритм системы управления быстро находил в поле ветра точки, в которых мог поддерживать планирующий полет в течение более чем 25 минут, лишь изредка задействуя тягу двигателя в среднем лишь на 0,25 процента от максимальной, хотя при таких значениях воздушного потока для поддержания обычного полета требуется около 38 процентов. При изменении поля ветра из-за изменившегося угла наклона рампы или скорости воздушного потока алгоритм успешно находил и удерживал новое положение равновесия. В будущем инженеры планируют провести испытания на открытом воздухе. https://www.youtube.com/watch?v=b_YLoinHepo Американские инженеры и планетологи предложили использовать планер, способный длительное время держаться в воздухе за счет восходящих потоков и термиков, для изучения каньонов Марса. Предполагается, что такие аппараты с надувными разворачиваемыми крыльями могут стартовать с аэростата или дирижабля и затем планировать в атмосфере Марса от 20 минут до суток.