CC BY
27
УДК 004.89
К ВОПРОСУ КЛАССИФИКАЦИИ АВТОНОМНЫХ БЕСПИЛОТНЫХ ОБЪЕКТОВ
М. В. Сарамуд, И. В. Ковалев, В. В. Лосев, М. В. Посконин, А. О. Калинин
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: msaramud@gmail.com
Рассматривается вопрос классификации автономных беспилотных объектов, описываются примеры их применения в различных областях, перспективы развития.
Ключевые слова: автономный беспилотный объект, мультироторные системы, классификация.
ON THE QUESTION OF CLASSIFICATION OF AUTONOMOUS UNMANNED OBJECTS
M. V. Saramud, I. V. Kovalev, V. V. Losev, M. V. Poskonin, A. O. Kalinin
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: msaramud@gmail.com
The article deals with the classification of autonomous unmanned objects, describes examples of their application in various fields and prospects for their development.
Keywords: autonomous unmanned object, multi-rotor systems, classification.
С развитием робототехники в последние годы все более актуальными становятся автономные беспилотные объекты. Толчком к этому служит как развитие технической базы - появление компактных контроллеров с все более высокой вычислительной мощностью, точных датчиков, камер с высокой разрешающей способностью, появление рынка готовых изделий, например-круговой лазерный сканер можно просто купить, это потребительский товар и на рынке уже представлен не один производитель, так же с каждым годом электронные компоненты становятся все компактнее и энергоэффективнее. Вторым фактором является наработка алгоритмической базы, автономное управление уже не первый год является актуальной задачей и это направление активно развивается, появляются новые алгоритмы и методы, готовые программные решения. Что можно назвать автономным беспилотным объектом (АБО)? Это объект, способный перемещаться (будь то подводные, наводные, наземные, воздушные объекты) или корректировать свое позиционирование в пространстве (космические объекты) на основании некоторого набора входных данных (изображение с камер, сканирующих лидаров, показания различных датчиков, заранее заданный маршрут с привязкой к местности) и способный либо выполнять манипуляции с окружающими объектами, либо собирать/ отправлять данные. У подобных объектов может иметься возможность перехвата управления вручную, по каналу связи, однако это не обязательно и не всегда удобно либо вовсе не реализуемо (например, работа в среде, в которой невозможно прохождение радиосигналов и обеспечение иных способов реализации канала связи), определяющая характеристика - способность полностью автономной работы, без участия оператора или поступления иных команд из вне.
Условно АБО можно разделить на следующие классы.
Наземные - группа объектов, предназначенных для передвижения по поверхности земли, городским улицам, дорогам, внутри зданий и т. д. Это самый распространенный класс, включающий в себя множество различных по назначению АБО, от учебных платформ, на которых
Секция «Математические методы моделирования, управления и анализа данных»
школьники и студенты познают азы робототехнического конструирования и программирования контроллеров до специализированных военных роботов-саперов и строительных роботов, участвующих в ликвидации аварий на атомных электростанциях.
Для учебных целей данный класс наиболее прост и безопасен, так как позволяет проводить занятия в обычной аудитории и даже собирать прототипы у себя дома, а в случае отказа каких-либо блоков не представляет особой опасности как с точки зрения возможной аварии с окружающими объектами так и с точки зрения потери самого АБО.
Водные - этот класс можно условно разбить на наводные и подводные объекты, что интересно - несмотря на значительно более сложную техническую реализацию именно подводных решений, связанных с герметичностью, противостоянию высокому давлению, зачастую экстремальному (в зависимости от глубины погружения), прохождением сигнала в воде, низкой видимостью и т. д., они получили наибольшее распространение, так как решают круг задач, где наиболее востребована «беспилотность». В военной отрасли подводные АБО могут выполнять как задачи разведки и обнаружения, так и боевые задачи, доставляя на себе оружие. В гражданских отраслях подводные АБО служат для обследования кабелей, проложенных по дну водоемов, обследованию затонувшей техники, подводных работ, научных исследований. Они позволяют существенно снизить стоимость оборудования, поскольку к подводному устройству, не предназначенному для нахождения в нем человека применяются другие требования, нет необходимости в особой атмосфере внутри, азота и кислорода для дыхания, габариты без пилота внутри существенно уменьшаются, а сделать маленький корпус устойчивым к высокому давлению проще и дешевле. Что также очень важно, уходит риск для человека при выполнении подобных работ, поскольку они либо проходят в автономном режиме, либо под управлением оператора, находящегося на поверхности воды, вне опасности.
Воздушные - к этому классу относятся как классические крылатые беспилотники и ракетная техника, так и набирающие популярность мультироторные системы (квадро-, гекса-, окто-коптеры). В случае воздушных полетов вес и габариты крайне важны, поскольку поднять в небо среднего человека уже существенная задача, требующая совершенно иного уровня аппаратных средств, по сравнению с поднятием зачастую некрупной полезной нагрузки, например-оборудования для видео или фотосъемки. Отсутствие пилота позволяет кардинально снизить вес и уменьшить габариты летательного аппарата, соответственно снижаются и затраты на производство и сами полеты, в большинстве случаев отпадает необходимость в топливных двигателях, достаточно электромоторов, работающих от аккумуляторов. Небольшие габариты и отсутствие топливных двигателей-источников большого количества тепла существенно усложняют обнаружение подобных летательных средств. Основным недостатком беспилотных летательных аппаратов считается уязвимость радиоканала связи для удаленного управления, автономный режим решает эту проблему, поскольку даже полная потеря канала не выводит аппарат из строя, он продолжает выполнять задачу. Отсутствие радиоканала также является существенным преимуществом в плане сложности обнаружения объекта. На данный момент воздушные АБО применяются как в военной отрасли - от самолетов-разведчиков до боевой техники, несущей на себе вооружение, так и в повседневном использовании - уже практикуется доставка потребительских товаров с помощью автономных беспилотных мультироторных систем.
Космические - к данному классу относятся как решения для постоянного нахождения в открытом космосе, как спутники на околоземной орбите, так и аппараты, запускаемые на другие космические тела, предназначенные для передвижения по ним и активных действий - сбор и анализ образцов поверхности, атмосферы, фото, видеосъемка с дальнейшей отправкой результатов на землю. Несмотря на реализацию радиоканала связи управление подобными объектами крайне затруднительно, поскольку на космических расстояниях начинает иметь значение скорость радиосигнала, внося существенные задержки как в сторону передачи управляющих команд, так и в сторону отправки видео или иного сигнала с управляемого объекта. Например, вы пытаетесь управлять объектом в трех световых минутах от земли, который постоянно транслирует картинку с камеры, в данный момент вы видите картинку не в реальном времени, а с задержкой не менее трех минут, отправляете управляющие команды, которые также дойдут до объекта только спустя 3 минуты, он их выполнит, а видеосигнал процесса выполнения дойдет до вас
только спустя 6 минут после ваших команд на земле, этот фактор существенно усложняет удаленное управление, даже при наличии стабильного канала связи, к тому же расходует лишнюю энергию на аппарате для поддержания постоянной двусторонней связи на таком расстоянии. Поэтому космические аппараты разрабатываются автономными, с возможностью ручного управления во внеплановых ситуациях. На сегодняшний день дальние космические полеты осуществимы только беспилотными аппаратами, поскольку отправить человека на расстояние нескольких световых лет и вернуть его назад практически неосуществимо на данном этапе развития технологий. Наличие человека для подобных миссий не требуется, а его отсутствие позволяет сделать космический аппарат существенно легче, компактнее и проще, что очень важно для космических запусков. Благодаря миниатюризации электронных компонентов стали возможны такие проекты, как кубсат и покетсат, дающие шанс на реальный запуск в космос студенческих малых спутников.
Автономные беспилотные объекты уже проникают во многие сферы жизни современного человека, в дальнейшем их распространение и количество решаемых задач будет только увеличиваться. Разработка технических решений и программного обеспечения для них является актуальной задачей, как для дальнейшего развития существующих АБО, так и для создания принципиально новых, для тех областей, где ранее они не применялись.
Библиографические ссылки
1. К вопросу реализации мультиверсионной среды исполнения бортового программного обеспечения автономных беспилотных объектов средствами операционной системы реального времени / И. В. Ковалев, В. В. Лосев, М. В. Сарамуд и др. // Вестник СибГАУ. 2017. № 1 (18). С. 58-61.
2. Характеристика надежности программных модулей / М. В. Сарамуд, П. В. Зеленков, И. В. Ковалев и др. // Решетневские чтения : материалы XIX Междунар. науч.-практ. конф., по-свящ. 55-летию Сиб. гос. аэрокосмич. ун-та им. акад. М. Ф. Решетнева / Красноярск, 2015. Ч. 2. С. 87-88.
3. М. В. Сарамуд, П. В. Зеленков, В. В. Брезицкая и др. К вопросу надежности программного обеспечения отказоустойчивых систем // Современное состояние науки и техники : материалы Междунар. науч.-практ. конф. 2016. С. 149-151.
© Сарамуд М. В., Ковалев И. В., Лосев В. В., Посконин М. В., Калинин А. О., 2017
