Беспилотники. Ч2: дроноприменение

Решил взять формат обзора для следующей статьи про беспилотники. В прошлой статье мы рассмотрели два самых распространенных класса воздушных дронов: с фиксированным крылом (самолеты) и с вращающимся крылом (мультикоптеры). В этой статье расскажу чуть подробнее про применение дронов в гражданском секторе. Для каждого примера применения постараюсь рассказать к чему могут привести наличие случайных погрешностей и низкая надежность микромеханических датчиков.

Другие части серии

Беспилотники. Ч1: что это за игрушка и как ею управляют
Беспилотники. Ч2: дроноприменение
Беспилотники. Ч3: Схемы ИНС. Ортогональная против Избыточной
Беспилотники. Ч4: Неортогональный блок и Матрица Направляющих Косинусов.

Для чего нужны дроны?

Беспилотные Летательные Аппараты (БЛА, БПЛА) в народе часто называют дронами, хотя в профессиональных кругах термин “дрон” скорее относят к боевым БПЛА средних размеров. Но давайте поддадимся всеобщему заблуждению и тоже иногда будет эксплуатировать слово “дрон” в контексте гражданского применения. Уж больно он привлекателен своей краткостью и звучностью.

Еще в 2013 году Amazon анонсировала использование дронов для поставки потребителям негабаритных, лёгких товаров. Эту тему быстро подхватили производители аппаратного и программного обеспечения. Тогда беспилотниками заинтересовались коммерческие компании, поставляющие геоинформационные услуги, страховые и инвестиционные компании, а также различные госслужбы.
Сейчас беспилотники пользуются популярностью у экстремалов и инди-фотографов, которые снимают с их помощью великолепные сюжеты в дикой природе, а также снимаю различные корпоративные события или свадьбы. Также, насколько мне известно уже давно внедряется доставка медикоментов в пределах мегаполиса. Также в новостях можно встретить описание применения дронов для опыления полей и о схожих применениях БПЛА.
Сейчас идет мощный тренд перестройки традиционных видов бизнеса с применением дронов и технологий сектора “Интернета Вещей” (IoT; тема для отдельного поста). “Все новое - это хорошо задроненное старое”.
Давайте рассмотрим основные кейсы применения беспилотников в гражданском секторе. В качестве источников информации использую следующие зарубежные ресурсы:

• Best uses of drones
• 10 Cool Commercial Drone Uses Coming to a Sky Near You
• Future Drone Technology
• DRONE APPLICATIONS LIST

1. Доставка еды и медикаментов

   • Flytrex

   2 дрона, 25 доставок в день; планы нарастить объем до 100 вылетов

   • UPS

   1 дрон; экстренная доставка медикаментов

   • Amazon

   Amazon Prime Air, доставка грузов легче 5 фунтов

   • Royal Mail delivery drones

   доставка почты воздушными дронами и грузовиками на автопилоте

   • Walmart, DHL (parcelcopter).

   • Дроны выгодны в местности со сложным рельефом, там где от места продажи по прямой расстояние невелико, но курьеру приходится делать большой крюк из-за сложной конфигурации путей наземного транспорта.

   • Дроны выгодны для доставки единичных заказов мелких грузов, если не удается объединить много заказов в один наземный экипаж (привет, задача коммивояжера).

   • В случае стихийных бедствий или техногенных катастроф дроны могут использоваться для экстренной доставки медикаментов и провизии.

2. Ховербайки и беспилотные воздушные такси

   • Dubai's Roads and Transportation Agency

   доставка одного человека до 100 кг на расстояние в пределах 30 мин. лёта

   • В прошлой статье я упоминал характерные размеры гражданских дронов до 70 см. На самом деле есть еще серьезное направление аэротакси, но по численности и развитию рынка малые БПЛА все-таки значительно шире распространены.

3. Временное покрытие локаций беспроводной связью

   • BT

   демо-проект “Adastral Park”

   • Facebook

   Aquila Soars, дрон на солнечной батарее, используется для обеспечения беспроводным интернетом труднодоступной местности.

   • Google и Amazon также инвестируют в беспроводные сети на дронах.

4. Дроны для фермерства и животноводства (“прецизионный агробизнес”).

   • Park rangers in Africa

   наблюдение за носорогами в национальном парке.

   • Thales, Yamaha, разные стартапы и проекты с гос. Поддержкой.
   • Дроны можно использовать для мониторинга посевов, наблюдения за ирригационной системой, посева, опрыскивания, удобрения.
   • Данные, получаемые с помощью дронов (Big Data), могут быть использованы с выгодой для анализа эффективности агробизнеса и оптимизации производства.

5. Использование дронов для обеспечения безопасности

   • Полицейские службы Devon и Cornwall (дроны с камерами высокой четкости для поиска людей, мониторинга трафика и съемки мест преступлений)
   • Мониторинг трафика в Англии при поддержке NASA.
   • Balfour Beatty

   обеспечение безопасности персонала на стройке, отслеживание уровня стресса строителей.

   • Shell

   использование дронов для мониторинга труднодоступных мест нефтедобычи.

   • Easyjet

   бюджетная авиакомпания тестировала дроны для инспекции самолетов.

6. 3D сканирование больших объектов

   • Gaudi's Sagrada Familia

   реставрация церкви с применением технологий дополненной реальности, 3D печати и дронов.

   • Network Rail

   проект ORBIS, оцифровка ж/д сети.

7. Фото- и Видеосъемка, журналистика

   • BBC и Al Jazeera

   использовали дроны для некоторых репортажей.

   • Различные развлекательные применения вроде кейса на “видео для привлечения внимания” (ссылка на видео про дрон над / в Ниагарском Водопаде). Людям надевали шлем VR и опытный оператор осуществлял виртуальную прогулку во внутри Ниагары.

8. Использование дронов для тренировки операторов и обучению пилотированию БПЛА в согласии с нормами и правилами регулятора (FAA).

Как я писал в прошлой статье на беспилотники ставят Инерциальные Навигационные Системы на дешевых микромеханических датчиках. Но возникает резонный вопрос: “А почему бы не поставить датчики Military Grade или сенсоры космического применения?”

Разница стоимости очень велика.

Один отечественный одноосевой Волоконно Оптический Гироскоп (ВОГ, по ценам 2011 г.) для гражданской авиации стоил почти 1 млн. руб. Одноосевой кварцевый акселерометр имел примерно такой же уровень цены. В простейшем случае надо три ВОГ и три акселерометра. Для сравнения популярные у “самоделкиных” комбайны “MPU9250” мне несколько месяцев назад удалось купить 40 штук по цене в пределах 1 тыс. руб. за весь лот. При этом каждый MPU9250 содержит в себе 3 гироскопа, 3 акселерометра и 3 магнитометра (3D компас). “30 копеек за пучок” против шести “чугунных мостов”. Обратная сторона медали - чувствительность и уровень шумов. ВОГ за “почти миллион” вполне способен чувствовать вращение матушки-Земли, а у цифрового MPU9250 младший разряд будет значительно больше угловой скорости вращения на полусе Земли. Плюс высокий уровень шумов.

Кроме того, ВОГ это пара км. (или больше) оптоволокна в металлическом корпусе с кучей аналогово-цифровой электроники с габаритами 6-10 см. (примерно). Размер и вес намного больше, чем у модуля MPU9250. А ВОГов надо как минимум три. Кварцевые акселерометры с электродинамической обратной связью (катушка индуктивности, “электрическая пружина”) также весят намного больше, чем MPU9250. В случае с малыми дронами каждый грамм стоит очень дорого, ведь это время полета.

Заключение

Пост получился длинный, поэтому кратко постараюсь описать к чему приведет высокий уровень случайной погрешности в некоторых характерных кейсах.

1. В кейсе доставки в условиях плотной застройки у дрона могут пропасть сигналы спутников и тогда точность прибытия на место будет полностью зависеть от эффективности подавления шумов iMEMS датчиков. За 3 минуты автономного движения накопленная ошибка позиционирования может достичь уровня 300 м. без эффективной фильтрации.

   “Извините, Ваше лекарство улетело в соседний микрорайон”.

2. Прецизионный агробизнес требует точной привязки фото-, видеоматериалов и прочих замеров к координатам местности. По данным с дронов могут направить автопилотируемые трактора, комбайны и прочую уборочную технику. Посев, опрыскивание и удобрение дронами также требует точного позиционирования.

   “Это что Васька опять пьяным сел за автосеялку? ”

   “Нет… это Ваши дроны разбросали зерна как попало.”

3. 3D сканирование зданий требует очень точного позиционирования и хорошей стабилизации.

   “Судя по 3D скану церкви, древний архитектор хотел построить улей. Окна волнами понатыканы...”

4. Если человеку надеть шлем VR, подключенный к FPV камере на дроне, которого колбасит вверх, вниз и в стороны, то человеку быстро поплохеет. Мозжечок качки не чувствует, а глаза наблюдают постоянные колебания.

   “Оператор, а ну ка забери свою шайтан-арбу, мне срочно надо отлучиться до ветру...”

Случайные помехи нужно гасить всеми доступными средствами, но желательно не сделать дрон инерционным как чугунный утюг в масле.

В следующих статьях я собираюсь более подробно рассказать о дизайне системы, борющейся со случайными погрешностями инерциальной навигационной системы беспилотника на основе дешевых микромеханических датчиков.