Умные БЛА: как беспилотники учатся решать сложные задачи

Беспилотные летательные аппараты становятся всё более массовым явлением, а их системы — умнее и проще в эксплуатации. В том, как устроены электронные «мозги» дронов, помог разобраться ведущий программист Центра БЛА МАИ, начальник лаборатории «Автономные робототехнические комплексы» института № 14 «Передовая инженерная школа», кандидат технических наук Николай Бодунков.

БЛА, БАС и БАК: где располагаются «мозги» беспилотника?

Для обычного человека беспилотник — это маленький, а иногда и не очень, летающий аппарат. Однако в действительности сам беспилотный летательный аппарат (БЛА) — это только верхушка айсберга, за которой стоит целая умная инфраструктура.

Самая минимальная её версия называется БАС — беспилотная авиационная система. В неё входят сам летательный аппарат, наземный пункт управления и каналы связи. Часто для её работы необходимо присутствие человека — оператора.

Несколько таких БАС или одна БАС с дополнительной инфраструктурой (дронопорты, система обеспечения безопасности и т.п.) образуют беспилотный авиационный комплекс (БАК). Он может обеспечивать планирование автономного выполнения и контроля целевой задачи.

Яркий пример — система доставки грузов на основе БЛА. В её основе — распределённая сеть дронопортов. На вход БАК поступает заказ о доставке груза в определённую точку. Система автоматического управления (САУ) БАК планирует: какой БЛА куда должен полететь, сколько будет стоить доставка, какие риски потери груза, и на выходе выдаёт клиенту, за какую сумму и какими средствами она может выполнить заказ. Или, наоборот, может прийти к выводу о том, что заказ не выгоден и его невозможно выполнить.

Помимо управления работой дронов, БАК обязательно должен обеспечить безопасность человека, аппаратов и грузов. Например, должна быть предусмотрена система предотвращения столкновений БЛА друг с другом.

Если для отдельного БЛА часто бывает достаточно одного ноутбука со специализированным программным обеспечением в качестве наземного пункта управления, то когда речь идёт о сети из БАС, необходимо учитывать, что аппарат должен взаимодействовать с распределённой сетью таких пунктов, обмениваться информацией в рамках глобальной сети, в которой он отмечает своё положение, статус, получает статус других аппаратов.

Когда беспилотник должен быть умным

Возвращаясь к БЛА, следует заметить, что отдельному аппарату вовсе не обязательно быть умным. За большинство из них думают оператор и электронные «мозги» наземного пункта управления. Но всё же бывают случаи, когда «мозги» необходимо встраивать и в сам аппарат.

Обработка данных на борту целесообразна, когда важна оперативность. Например, нужно определить зону лесного пожара, где могут находиться люди. Пока оператор удалённо обследует территорию, а аппарат передаёт данные на землю и они обрабатываются в наземном пункте управления — проходит слишком много времени. Это особенно важно, когда нет широкополосного канала связи, обеспечивающего быструю и бесперебойную передачу данных, а решение необходимо принять быстро.

Другая ситуация: БЛА может повлиять на происходящее, например, используя умные алгоритмы поиска объекта. Допустим, стоит задача: найти человека. Но человек либо совсем не хочет, чтобы его нашли, либо не всегда находится в пределах обзора, например, может быть скрыт элементами рельефа (деревьями, травой, камнями). В таком случае необходимо, чтобы БЛА, заметив потенциально подходящий объект, самостоятельно построил маршрут для сближения с ним, снизился и обследовал район более детально. При этом важно, чтобы обработка данных происходила на борту.

Тренд на адаптивность

Многие целевые задачи требуют от БЛА адаптации к изменению обстановки, и современный тренд — это разработка так называемых адаптивных, автономных систем, которые без участия оператора могут подстроиться под динамику ситуации: например, при изменении силы и направления ветра, погоды в целом. В таких случаях также нужно обрабатывать всю доступную информацию в реальном времени.

В качестве примера можно привести технику безопасности на стройке. Дрон может передать данные, ходят ли работники без каски, на землю, но если он оснащён громкоговорителем, то он оперативно предупредит нарушителя.

Наиболее важная задача, которая решается только на борту и требует больших вычислительных и интеллектуальных ресурсов, — это навигация, в том числе визуальная. Частный случай — необходимость провести точную посадку, доставить груз и пр.

Вместо заключения

Хотя беспилотники используются уже больше столетия, по-настоящему массовое применение они получили только в последние годы. Появление микроэлектромеханических инерциальных датчиков вместо громоздких авиационных навигационных комплексов, достаточно мощных, но компактных, дешёвых и массовых вычислителей, нейросетей сделало БЛА не только компактными, но и доступными.

Следующий шаг в развитии беспилотной авиации — повышение интеллектуальности и автономности. И для этого сейчас есть все предпосылки.

Такие решения активно внедряются в МАИ в рамках стратегического проекта «Аэромобильность». В университете сформирована экосистема, охватывающая полный спектр научно-технологических и образовательных направлений в области беспилотной авиации, в частности, разработку программного обеспечения, компонентов и решений.