3 октября стало известно о том, что в Петрозаводском государственном университете разработали надводный беспилотный комплекс для мониторинга водоёмов.
Как рассказал Алексей Кабонен, директор Центра цифрового мониторинга северных и арктических экосистем ПетрГУ, «дистанционно управляемый надводный беспилотный комплекс предназначен для надзорного, гидрологического или экологического мониторинга водных объектов. Комплекс состоит из надводного беспилотного судна, оборудованного системами измерения и управления, и наземной станции управления и мониторинга. Для мониторинга территорий на борту надводного беспилотника находятся две цифровые камеры, осуществляющие передачу видеоизображения на наземную станцию мониторинга по протоколу связи RTSP в режиме реального времени. Движение судна со скоростью до 10 км/час обеспечивается двумя бесколлекторными электрическими двигателями, расположенными ниже ватерлинии, ориентация в пространстве дрона при автономном режиме плавания осуществляется по GPS с возможностью управления оператором в ручном режиме на расстоянии до 30 километров. Беспилотник способен находиться в непрерывном плавании не менее 24 часов благодаря установленным 8-ми литий-полимерным аккумуляторным батареям общей емкостью 80 тыс. mAh. Тип корпуса судна − катамаран, на корпус установлена платформа, в которой размещены аккумуляторы и оборудование. Для изготовления корпуса беспилотника использовались композитные и полимерные материалы (ПВХ), 37 отдельных деталей корпуса были напечатаны на 3D-принтере из PLA-пластика. Весь цикл проектирования и изготовления корпуса, а также его сборка, распайка электроники были осуществлены в ПетрГУ. Комплекс может использоваться как дистанционно-управляемая или автономная платформа с движением судна по заранее запрограммированной траектории, автоматически или в ручном режиме производить измерения гидрологических и экологических параметров, а также в режиме реального времени проводить визуальный осмотр дна, опор мостов, трубопроводов и других инженерных сооружений».
Разработчики рассчитывают, что комплекс найдёт применение в надзорном и экологическом мониторинге на водных объектах, а его основные потребителями станут нефтедобывающие компании, гидрометеорологические центры, государственные учреждения науки, МЧС (ГИМС), Федеральное агентство по рыболовству.
Проект петрозаводских разработчиков имеет ряд преимуществ в сравнении с зарубежными аналогами, имеющими ряд существенных недостатков. Среди них высокая стоимость (от 4-10 миллионов рублей), отсутствие интеллектуальных систем детектирования и распознавания объектов на воде, отсутствие механизмов разноглубинного отбора и транспортировки проб воды, малый радиус действия связи со станцией управления (до 1-5 километров) и малое время работы (до 2-4 часов). Разработанный же в ПетрГУ беспилотник будет стоить до 1 миллиона рублей в базовой комплектации. Кроме того, в настоящее время разработчики приступили к укомплектованию аппарата системой технического зрения для распознавания объектов на воде. Ведётся разработка собственной системы дистанционного управления судном с использованием радиоканала LoRa и программирования микроконтроллеров.
Беспилотники. История рождения
Тема применения беспилотных технологий в Арктической зоне Российской Федерации на слуху уже не первый год. Впервые о возможностях новых технологий в Арктике заговорили в 2000-х. Согласно данным ААНИИ, использование российских беспилотных летательных аппаратов в Арктическом регионе началось в 2007 году, когда дрон «Элерон-Т23» осуществил свой первый полёт над дрейфующей станцией «Северный полюс-35». С 2009 года эти аппараты применяются круглогодично для сбора актуальной информации о ледяной обстановке в районе дрейфа станции.
Однако начали свою историю дроны не в 21-ом веке, и даже не в 20-ом, а в 1898 году, когда учёный Николай Тесла представил первый в мире радиоуправляемый дрон. Это был надводный аппарат, и его демонстрация состоялась в пруду Мэдисон-сквер-Гарден. Надо сказать, что учёный не ограничился теоретическими изысканиями, а даже оформил патент. Тесла же позже разработал идею боевых дронов, которые, по его мнению, должны были останавливать военные конфликты путём угрозы использования «безошибочной и неограниченной разрушительной силы». Первым таким дроном стала «воздушная торпеда «Кеттеринга», разработанная во время Первой мировой войны.
Но, безусловно, наиболее быстрое развитие получили квадрокоптеры. Первые версии этих летательных аппаратов (хотя и с пилотами) были созданы ещё в 20-х годах XX века. Их разработкой занимались два специалиста: конструктор из США Георгий Ботезат и француз Этьен Эмишен. Идея создания аппарата с четырьмя параллельными винтами была на пике популярности и конструктор и инженер с разных континентов, не сговариваясь, практически одновременно приступили к работе.
Однако аппараты работали, но не стабильно и, по сути, могли осуществлять только испытательные полёты. Внедрение их в практическое использование так и не состоялось по причине, как минимум, трёх основных проблем: трансмиссия, обеспечивавшая передачу крутящего момента от двигателя ко всем роторам, была слишком сложной и часто давала сбои; аппараты не имели необходимой стабилизации в воздухе и даже слабый ветер лишал их управляемости; количество пропеллеров оказалось чрезмерным (Эмишен предложил восемь), а манёвренность — неудовлетворительной. Коптер Георгия Ботезата мог сносно двигаться лишь в условиях определённого направления и силы ветра.
Вновь за разработку и производство дронов взялись в 1930-х годах. Первая удача – дрон DH.82B Queen Bee, представлявший собой биплан, созданный на основе двух предыдущих моделей — DH.60 Moth и DH.82 Tiger Moth. Он управлялся с помощью передатчика, использующего вакуумные электронные лампы и электромеханические реле. Этот военный дрон был отправлен в серийное производство, но использовался не в боевых действиях, а для тренировки пилотов в воздушном бою.
Потом были немецкие снаряды типа «Фау-1», давшие толчок в развитии разработок в области ракетных технологий и автономных летательных устройств. С этого времени дроны использовались, в основном, военными. Самые значимые модели – разведывательный самолёт Ryan Model 147E, созданный в США и задействованный для войны во Вьетнаме, а также советские дроны Ту-123, Ту-141 и Ту-143.
В 1982 году в «беспилотную гонку» вступил Израиль. Страна вела кровавую войну против Ливана. Наибольшее распространение у израильских военных получили модели IAI Scout и Tadiran Mastiff. Их израильские спецы спроектировали «с нуля», без использования предыдущего опыта разработок. Особенность этих дронов была в том, что в отличие от практически самолётов, созданных ранее, они имели размах крыльев не более пяти метров, а вес менее 100 килограмм. Такие нововведения стали возможны благодаря развитию полупроводниковой электроники. Отработанный на ливанцах опыт Израиля тут же был передан США. В Штатах практически сразу приступили к производству высокотехнологичных военных дронов типа MQ-1B Predator и MQ-9 Reaper, обладающих также возможностью передачи данных наблюдений в режиме реального времени. Большую часть этих БПЛА оборудовали оружием, способным наносить удары по целям с помощью ракет.
В России со второй половины XX века получили развитие бытовые радиоуправляемые дроны. Изначально это были самодельные модели, напоминающие по форме самолёты, но вскоре идеи получили и более широкое применение.
С начала 2000-х годов беспилотные аппараты официально начали отсчёт своей истории как массовый вид техники, используемый как в военных, так и в мирных целях.
В настоящее время в России для съёмки с использованием мультикоптера обязательно специальное разрешение. В случае нарушения требования законодательства предусмотрен штраф в размере от 3 до 50 тысяч рублей. Для получения разрешения на полёты требуется представить в контролирующие органы удостоверение, подтверждающее лётную годность, доступ к эксплуатации воздушного пространства (ВП) и свидетельство о правомерном управлении беспилотным летательным аппаратом (БПЛА). Пилотирование дронов на территории России регламентируется Воздушным кодексом РФ, Уголовным кодексом (статья 271.1 ФЗ), Административным кодексом (статья 11.4, в части «Нарушения правил эксплуатации российского воздушного пространства»), а также федеральными правилами эксплуатации воздушного пространства РФ.
Использование в Арктике
Использование дронов в Арктической зоне стало настоящим прорывом и подмогой в освоении этих территорий, уверены специалисты. БПЛА становятся неотъемлемой частью изучения самых удалённых и труднодоступных районов Арктики. Особенно ценной их помощь стала для учёных и исследователей. При помощи дронов стали возможны как новые открытия, так и новые формы мониторинга окружающей среды. Не секрет, что исследователи Арктики сталкиваются с такими трудностями как экстремальные температуры, отсутствие инфраструктуры и суровый климат. Для новейших БПЛА они не составляют проблемы. Сбор данных о климатических изменениях и состоянии ледников, картографирование, наблюдение за фауной и исследование морских маршрутов в недоступных районах для дронов чаще всего обыденная задача.
В настоящее время беспилотники в Арктике уже «научились» принимать участие в логистике, обеспечении связи и доставке в отдалённые поселения. Как отмечают эксперты, использование этих современных технологий позволяет не только оптимизировать процессы, но существенно сократить воздействие человека на хрупкую природу региона.
Одним из ярких примеров использования БПЛА в Арктике является проект по мониторингу состояния ледников. С помощью высокоточных сенсоров и камер, беспилотники собирают данные о скорости таяния льда, учитывая изменения в геометрии ледников. Эти показатели критически важны для понимания глобального потепления и его влияния на уровень моря. БПЛА способны проводить многократные замеры в одной и той же области, что позволяет исследователям отслеживать динамику изменений с точностью и эффективностью, которые традиционные методы не могут обеспечить. Испытания беспилотного летательного аппарата «Фаэтон», предназначенного для ледового мониторинга на Северном морском пути в России завершились в 2023 году. «Фаэтон», аэрогибрид, объединивший черты как самолёта, так и вертолёта, продемонстрировал высокий уровень экономичности и простоты в использовании. В дополнение к нему компания – разработчик «Эйрбург» готовит крупный транспортный беспилотник, предназначенный для перевозки до 500 килограмм полезной нагрузки в арктических условиях.
Активно используются российскими научными учреждениями БПЛА и в исследовании морской фауны. Благодаря им фиксируются миграционные пути животных, ведётся наблюдение за их поведением в естественной среде обитания и осуществляется подсчёт численности видов, находящихся под угрозой исчезновения. Использование беспилотников делает исследование менее навязчивым, что особенно важно в условиях хрупкой арктической экосистемы.
С технологической точки зрения БПЛА открывают новые возможности и в сфере данных. Благодаря возможности комбинировать традиционные исследования с современными методами, становится возможным создание комплексных моделей, обеспечивающих более глубокое понимание Арктики и её многообразия особенно в труднодоступных для человека районах. Так, БПЛА, оснащённые термальными и инфракрасными камерами, проводят мониторинг ледяных шапок и открытых водоёмов, фиксируя изменения температуры и состояния поверхности льда, выполняют роль наблюдателей в ситуациях экологических катастроф, таких как разливы нефти, например. В этих случаях доступна более быстрая оценка степени распространения загрязняющих веществ и мониторинг состояния экосистемы, что, в свою очередь, позволяет более оперативно реагировать на угрозы и принимать более взвешенные и правильные решения.
С каждым годом, дроны становятся всё более «умными» и увеличивают дальность полётов и разрешающую способность камер и датчиков. Данные, полученные с помощью БПЛА, интегрируются с другими источниками информации, такими как спутниковая съёмка и метеорологические данные, создавая комплексные модели, помогающие в прогнозировании изменений в Арктике.
Используются беспилотники и в области образования. Ряд учебных заведений уже использует данные дронов для проведения практических занятий и полевых исследований, обеспечивая эффект «полного погружения».
В борьбе с незаконной охотой и вырубкой лесов БПЛА также стали незаменимым помощником людям. Оснащённые современными камерами и датчиками, дроны умеют выявлять незаконные действия и уведомлять правоохранительные органы в режиме реального времени, обеспечивая при этом взаимодействие между государственными учреждениями и неправительственными организациями.
На пустынных арктических территориях России беспилотники уже обеспечивают охрану важных объектов (например, сотни тысяч километров слабо охраняемых трубопроводов топливно-энергетических компаний), поиск и обнаружение морских судов, контроль морских границ и правил рыболовства, ведут аэрофотосъёмку, картографию, геологоразведку, разведку ледовой обстановки, осуществляют инспекцию соблюдения договорных обязательств, контроль гидро – метеообстановки и активно излучающих объектов, а также следят в круглосуточном режиме за волнением моря и изменением погодных условий.
Есть куда расти
Из первоочередных задач, которые необходимо решить в ближайшее время для достижения большего позитивного эффекта в использовании дронов в Арктике, специалисты называют уровень качества измерительной техники. Эффективность эксплуатации БПЛА тесно связана с уровнем технологичности их бортового оборудования, особенно с точностью информационно-измерительных сигналов, применяемых в процессе управления. Параметры движения, включая местонахождение, ориентацию и скорость, получают данные от различных измерительных и навигационных систем. Однако их измерительные сигналы могут иметь ошибки, обусловленные конструктивными особенностями и условиями работы БПЛА. Чтобы улучшить точность измерений необходимо анализировать причины ошибок и применять алгоритмы для их компенсации.
Говоря о высоких широтах, эксперты подчёркивают, что дроны сталкиваются с сложными климатическими условиями, пассивными и активными помехами, что требует от систем управления (СУ) высокой точности и манёвренности. Полёты российских и международных компаний по трассам «Polar-1», «Polar-2», «Polar-3» и «Polar-4» показали недостаточную эффективность систем управления и наблюдения над Северным Ледовитым океаном в разные периоды года.
В этом случае, безопасность и надёжность полётов зависят от качественного навигационного обеспечения, что делает критически важным обеспечение точности координат и непрерывности передачи данных о БПЛА на высоких широтах. Основные проблемы использования БПЛА в этих условиях включают недостаточность российской законодательной базы вкупе с неблагоприятными метеорологическими условиями и недостаточной навигацией.
Российские специалисты постоянно работают над усовершенствованием используемых дронов не только в Арктике, но и в целом в стране. Мониторинг инфраструктуры с помощью беспилотников проводят сегодня «Газпром» и «Газпром нефть», «Роснефть», НОВАТЭК.
На государственном уровне создана специальная правительственная комиссия по вопросам развития беспилотных авиационных систем (БАС). В зоне её ответственности также поиск оптимальных решений для организации разработки, производства, сертификации и эксплуатации беспилотников, средств защиты от их противоправного применения, подготовка профильных специалистов, обеспечение интеграции БПЛА в воздушное пространство. Ключевыми задачами отрасли на сегодня являются локализация производства, разработка прорывных технологий и элементной базы, формирование кластерных площадок производства БАС и наземной инфраструктуры, а также переход на цифровизацию организации воздушного движения – Постановление правительства РФ № 190 от 09.02.2023.
По оценкам Минпромторга РФ, к 2030 году рост рынка БАС ожидается до 180 тысяч устройств, доля российского оборудования при этом достигнет 70%.
С 2024 года, в соответствии с госбюджетом на 2024 год и плановый период 2025-2026 годов, финансирование нацпроекта «Беспилотные авиационные системы» составило 45,5 миллиардов рублей. При этом большая часть суммы – 36,4 миллиардов рублей – предназначена именно для развития инфраструктуры и кадрового потенциала, обеспечения безопасности и формирования системы сертификации беспилотников. Планируется, что в 2025 и 2026 годах поддержка нацпроекта составит 9,6 и 8,8 миллиардов рублей соответственно. Кроме того, субсидии предусмотрены и для стимулирования спроса на беспилотники отечественного производства. Средства будут направлены на закупки дронов и связанных с ними услуг госорганами, компенсацию части стоимости лётного часа, предоставление скидки покупателям. Также запланирована поддержка разработчиков и производителей дронов. В частности, на компенсацию их затрат на проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (по 5,3 миллиардов рублей ежегодно), сертификацию (по 475 миллионов рублей), разработку комплектующих (по 1,3 миллиарда рублей ежегодно) и работы по интеграции дронов в единое воздушное пространство (по 598 миллионов рублей ежегодно).
Рина Румянцева по материалам ПетрГУ, Журнал “Нефть и газ”, Научный Лидер, Хабр
Поделиться:
Ещё статьи: