CC BY
42DO: 10.24411/2619-0761-2020-10020 УДК 351.02
ИЗМЕНЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОСТИ И СТРУКТУР БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ ДЛЯ ГРАЖДАНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Губарев С.А. * Шин Е.Р.
Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова, г. Белгород, Россия * E-mail: [email protected]
Аннотация. В данной статье рассмотрено развитие беспилотных летательных аппаратов, а также внедряемые на их основе технологические новшества.
Ключевые слова: квадракоптер, БПЛА, дрон, аэросъемка, геодезия, стабилизация, топознаки.
В
Введение.
начале 21 века роль беспилотных летательных аппаратов (далее - БПЛА) значительно возросла, чему способствовало появление новых лёгких и прочных композитных материалов; развитие микроэлектроники и микропроцессорной техники; систем распознавания на базе нейронных сетей и нейрокомпьютеров; микроконтроллеров, навигационных датчиков, приёмников-передатчиков радиосигналов, различных СВЧ-устройств, миниатюрных видеокамер и т.д.; разработка надёжных источников питания на основе литий-полимерных аккумуляторов, топливных элементов и др.; разработка новых типов электродвигателей, реактивных и поршневых двигателей; развитие спутниковых систем глобального позиционирования.
Сами БПЛА, как правило, гораздо дешевле пилотируемых самолётов и вертолётов; дешевле, чем подготовка лётчика, обходится и подготовка оператора беспилотной системы. Отсутствие пилота позволяет исключить бортовые системы жизнеобеспечения, уменьшить массу и габариты БПЛА, а также увеличить диапазон допустимых перегрузок и влияющих факторов. Большое значение имеет и фактор безопасности - потери беспилотных аппаратов не ведут к потере пилотов.
Назначение современных БПЛА не ограничивается только военной областью. Стремительно расширяется и сфера их гражданского применения в нефтегазовой
промышленности, на транспорте, в строительстве, сельском хозяйстве, связи и др. Полностью автономные беспилотные мобильные средства встречаются редко. Как правило, автономность не является стопроцентной: обычно оператор имеет возможность корректировать поведение аппарата или переводить его на ручное дистанционное управление [2].
Основная часть. В таком виде, какие они есть сейчас коптеры стали выглядеть примерно с 2006 г., это были модели производства Германии компании MikroKopter. Они имели ряд усовершенствований и опций, позволяющих достичь стабильности при полете, фиксации позиции и предназначались для профессионального использования. Девайс был оборудован 3 гироскопами, барометром и акселерометром. Чуть позже к нему добавили модуль GPS (рис. 1).
Рис. 1. Октокоптер компании MikroKopter Усовершенствование системы стабилизированной подвески позволило устанавли-в ать на коптер фото- и видеокамеру, чтобы при этом присоединенное оборудование
© ®
Содержимое этой работы может использоваться в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution 4.0. Любое дальнейшее распространение этой работы должно содержать указание на автора (ов) и название работы, цитирование в журнале и DOI.
находилось в строгой фиксации, способствовало тому, что дроны начали массово и повсеместно продаваться.
Помимо этого, такой апгрейд значительно увеличил качественные характеристики аэросъемки с квадрокоптеров, и именно благодаря этой технологии они сегодня широко применяются в рекламных съёмках, киносъемках, военных разработках и прочих сферах.
Далее развитие дронов с четырьмя винтами имело 2 пути:
- изготовление полноценных устройств для видеосьемки - от недорогих игрушек до платформ для видеосъемки и других профессиональных сфер. Обычно, в комплекте идет аппарат и собственная линейка микроконтроллеров и программного обеспечения к ним;
- отдельное производство микроконтроллеров и программного обеспечения для них, которые можно адаптировать к самодельным или приобретенным в магазине коптерам, что дает возможность всем любителям моделирования дронов, самостоятельно сконструировать свой вариант системы.
По первому пути пошли такие ныне известные компании, как Gaui, DЛ, ХАпсгай и другие производители. Как правило, в их продукцию входит сам аппарат, собственная линейка микроконтроллеров и программного обеспечения к ним.
Во втором направлении особо отметились такие компании, как MultiWii, Kaptain-Кик, ArduCopter. При разработке своих микроконтроллеров они часто используют платы Arduino и разрабатывают открытый исходный код, давая возможность энтузиастам самим создавать свои варианты систем.
Китайский беспилотный летательный аппарат модели Xaircraft X650, производимый с 2010 года предназначен для осуществления аэросъёмки и аэрофотографирования местности, может применяться для выполнения наблюдательных и мониторинговых миссий, при этом, благодаря низкой стоимости, проект БПЛА оказался весьма перспективным, вследствие чего устройство продолжает активно производиться и по сегодняшний день (рис. 2).
Рис. 2. БПЛА модели Xaircraft X650 В 2012 году на рынок беспилотных летательных аппаратов вышла Российская кампания Геоскан с беспилотниками серии геоскан 101, 201, 401.
Геоскан 101 и 401 предназначен для выполнения аэрофотосъемочных работ сравнительно небольших территорий. За один вылет он позволяет снять до 4 квадратных километров с разрешением 4 см на пиксе л ь. При этом, за один день можно выполнить до 5...8 полетов (рис. 3).
Рис. 3. БПЛА Геоскан 101 В качестве полезной нагрузки может быть использована фотокамера Sony Alpha A5000 со стандартным объективом, со спектрозональным объективом для определения индекса NDVI, либо фотокамера Sony DSC-RX1, имеющая полноразмерную матрицу 24.7 Мпикс, 35-мм объектив и центральный затвор.
Для привязки результатов аэрофотосъемки могут быть использованы наземные топо-знаки, либо опционально устанавливаемый бортовой спутниковый приемник Topcon [1].
В 2013 году на рынок БПЛА поступил первый полностью доработанный квадроко-птер компании DJI - Phantom 1. Если сравнивать его с современными дронами, то он много в чём им сильно уступает. Но в свое время, он стал прорывом индустрии.
DJI Phantom 1 заточен под камеру GoPro, однако можно использовать и другую.
Тогда на рынке были плохо собранные, относительно дешёвые дроны, от малоизвестных компаний, а также имевшие огромные размеры и достаточно дорогие профессиональные БПЛА. Phantom 1, совместил преимущества дорогих аппаратов, и цену «дешёвых» (рис. 4).
Рис. 4. БПЛА DJI Phantom 1
Начиная с 2016 года компания DJI выпустила на рынок боле усовершенствованную модель квадракоптера Phantom 4. В ней были исправлены недочеты предыдущих моделей квадракоптеров данной серии и увеличены характеристики как полетные так и фото-, видеосъемки.
Пропеллеры на DJI Phantom 4 установлены открытого типа, что способствует снижению нагрева оболочки корпуса при резком разгоне или торможении во время полёта. Они крепятся при помощи нового механизма визуально напоминающего крышку от бутылки.
У Phantom 4 есть функция «следовать за объектом съёмки», 2 специальные камеры отслеживают преграды, мешающие нормальному полёту, а встроенный процессор рассчитывает путь их облёта.
На Phantom 4 установлена 4К-камера, способная запечатлеть различные моменты с качеством, не уступающим профессиональному кинематографическому оборудованию. Запись делается со скоростью 30 кадров в секунду, разрешением 1920*1080 пикселей со скоростью 120 к/с, что соответствует видео высокой чёткости (Full HD). Такой режим используется при записи плавного видео Slow Motion (рис. 5).
В камере есть 10 цветных профилей, что позволяет придать снятому сюжету практически любой вид: от режима Vivid - живой, колоритный, до Cine-D и D-Log, которые применяются профи при дальнейшей обработке видео.
Рис. 5. Квадракоптер DJI Phantom 4
На аппарате установлена асферическая линза новейшего образца с углом обзора в 94°, уменьшающая возможные искажения на 36 %. 4К-камера делает 12 Мп фотоснимки с поддержкой Adobe DNG RAW. Выдержка имеет диапазон 8-1/8000 с, ISO во время съёмки достигает 3200.
Значительно улучшена стабилизация, которая находится в постоянном контакте с системой управления полётом. Специальный объектив гиперфокального типа позволяет приблизиться к интересующему объекту на минимальное расстояние, сохраняя при этом стабильную резкость.
Аэрофотосъемочный комплекс Gemini созданный в конце 2019 года для оперативного картографирования, геодезических работ и кадастровой съемки, делает получение точных пространственных данных проще, быстрее и дешевле.
Встроенная камера Sony с разрешением 20,1 Мп обеспечивает высокое качество снимков, матрица которой при одинаковом количестве пикселей способна воспринимать в 13 раз больше света, что дает намного лучшее качество изображений даже при низкой освещенности.
Точность позиционирования, которую обеспечивает встроенный в GEMINI геодезический приемник Topcon B 111, известной японской корпорации, является еще одним ключевым преимуществом. Результат - погрешность на фотограмметрической модели равна 4 см, этот результат является очень существенным для профессиональных целей использования, также имеет сертификат подтверждающий это и официально используется на базе предприятий (рис. 6).
I
Рис. 6. Квадракоптер Геоскан Gemini Заключение. В результате оценки рынка БПЛА можно сделать вывод, что с каждым новым поколение квадракоптеров они становятся точнее за счет добавления в них различных модулей и совершенствования программных продуктов. На сегодняшний
день квадракоптеры способны проводить съемку значительных территорий и предоставлять данные не только в виде фотографий, но и привязывать их к координатам местности. Такие возможности положительно влияют на производство геодезических работ, так как сокращают время и трудозатраты на производство различного рода геодезических работ в различных отраслях жизнедеятельности человека.
Литература
1. Карякин В.Ф., Пири С.Д., Былин И.П. Инженерно-геодезические и инженерно-геологические изыскания в строительстве. Белгород: Изд-во БГТУ, 2016. 88 с.
2. Большая российская энциклопедия [Эл. ресурс]. Режим доступа: https:// bigenc.ru/technology_and_technique/ text/4087725. (24.03.2020).
Контактные данные:
Губарев Сергей Александрович, эл. почта: [email protected] Шин Евгений Рудовикович, эл. почта: [email protected]
© Губарев С.А., Шин Е.Р., 2020
CHANGING THE FUNCTIONALITY AND STRUCTURES OF UNMANNED AERIAL VEHICLES FOR CIVILIAN USE
S.A. Gubarev*, E.R. Shnn
Belgorod state technological University named after V.G. Shukhov, Belgorod, Russia
*E-mail: gubarev. sereja@yandex. ru
Abstract. This article discusses the development of unmanned aerial vehicles, as well as technological innovations introduced on their basis.
Keywords: quadrocopter, UAV, drone, aerial survey, geodesy, stabilization, topographic signs.
References 2. Bol'shaya rossijskaya enciklopediya
1. Karyakin V.F., Piri S.D., Bylin IP. In- [The Great Russian Encyclopedia][El. resurs].
zhenerno-geodezicheskie i inzhenerno- Rezhim dostupa: tap^MgrnaiW
geologicheskie izyskaniya v stroitel'stve technology_and_technique/text/4087725.
[Engineering-geodetic and engineering- (24 03 2020). (rus) geological surveys in construction]. Belgorod: Izd-vo BGTU, 2016. 88 p. (rus)
Contacts:
Sergey A. Gubarev, [email protected] Evgeny R. Shin, [email protected]
© Gubarev, S.A., Shin, E.R., 2020
Губарев С.А., Шин Е.Р. Изменение функциональности и структур беспилотных летательных аппаратов для гражданского назначения // Вектор ГеоНаук. 2020. Т.3. №2. С. 64-68. DOI: 10.24411/2619-0761-2020-10020.
Gubarev S.A., Shin E.R., 2020. Changing the functionality and structures of unmanned aerial vehicles for civilian use. Vector of Geosciences. 3(2). Pp. 64-68. DOI: 10.24411/2619-0761-202010020.
