Современные беспилотные летающие аппараты

Северная Америка является авангардом инноваций на рынке беспилотного программного обеспечения. Присутствие крупных технологических гигантов, активная научно-исследовательская деятельность и благоприятная нормативно-правовая база способствуют созданию благоприятных условий для технологического прогресса. В этом регионе процветают как начинающие, так и уже состоявшиеся компании, что способствует инновациям в таких областях, как автономный полет, анализ данных и протоколы безопасности. Европа демонстрирует уникальный ландшафт рынка, который характеризуется сильным акцентом на интеграцию и сотрудничество. Европейские страны уделяют особое внимание разработке стандартизированных протоколов для работы беспилотных летательных аппаратов, усилению мер безопасности и обеспечению беспрепятственной интеграции с существующей инфраструктурой. Азиатско-Тихоокеанский регион занимает лидирующие позиции по темпам роста рынка программного обеспечения для беспилотников. Стремительная урбанизация, развитие электронной коммерции и потребность в эффективных методах ведения сельского хозяйства обусловили спрос.

Программирование и программное обеспечение играют важнейшую роль в успешной эксплуатации беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Без правильно разработанного программного обеспечения и грамотного подхода к программированию невозможно обеспечить выполнение поставленной задачи, безопасность полетов, а также высокую точность работы беспилотника.

БПЛА оснащены встроенным программным обеспечением, которое отправляет команды исполняющим устройствам БПЛА или удалённому контроллеру. Во многом качество и надежность системы управления БПЛА зависит от программного обеспечения. В последние годы для управления роботизированными системами, в том числе и БПЛА, широкое распространение получили операционные системы реального времени (ОСРВ). Такие операционные системы позволяют реагировать БПЛА на возникающие события и изменения в окружающей обстановке с высокой скоростью. Применение ОСРВ позволяет полностью автоматизировать функционирование БПЛА, оператор в данном случае лишь задает полетное задание и выполняет задачи, не связанные с контролем за полетом, например, производит аэрофотосъемку, топографическую съемку и т.д. Большинство беспилотных летательных аппаратов используют операционные системы реального времени на базе UNIX систем. В 2014 году компанией Linux Foundation запущен проект Dronecode project. Dronecode Project – это проект с открытым исходным кодом, который объединяет существующие и будущие проекты беспилотных летательных аппаратов с открытым исходным кодом в рамках некоммерческой структуры, управляемой The Linux Foundation. Результатом является открытая общая платформа для БПЛА. Современные БПЛА напоминают летающие компьютеры с операционной системой реального времени, контроллерами полета, что открывает возможность для перехвата управления беспилотником. В настоящее время созданы дроны, которые летают в поисках других дронов и взламывают их системы управления, отключают владельца и перехватывают дрон.

Основные задачи, решаемые программированием и ПО.

1.Автоматизация управления полетом. Программа управляет всеми этапами полета беспилотника: от взлета до посадки. Она контролирует работу двигателей, датчиков, систем навигации и связи. Например, ПО должно уметь распознавать препятствия и избегать столкновений, поддерживать стабильный полет в любых погодных условиях и точно следовать запланированному маршруту.

2. Обработка данных. Программное обеспечение собирает и обрабатывает огромный объем данных, поступающий от камер, датчиков и приборов. Оно осуществляет обработку изображений, построение трехмерных моделей местности, обнаружение аномалий и оценку ситуации в режиме реального времени.

3.Безопасность полетов. Надежное программное обеспечение гарантирует безопасное функционирование беспилотника. Система должна мгновенно выявлять неисправности, также сбои, своевременно сообщать оператору и предпринимать защитные меры, такие как экстренная посадка или возврат на точку вылета.

4. Оптимизация расхода топлива и заряда батареи. Эффективное программное обеспечение минимизирует расход электроэнергии и топлива, увеличивая продолжительность полета. Алгоритмы рассчитывают оптимальный маршрут и высоту полета, выбирают наилучшее положение крыльев и регулируют мощность двигателя.

5. Навигация и слежение. Для точной навигации используется встроенное ПО, взаимодействующее с системами глобального позиционирования (GPS, ГЛОНАСС). Программное обеспечение вычисляет оптимальное расположение антенн, фильтрует шумы и ошибки измерения, обеспечивая точное следование курсу.

6. Анализ полученных данных. После завершения задания программа проводит анализ собранных данных, формирует отчёты и рекомендации для дальнейшего использования. Это критически важно для приложений, таких как мониторинг сельхозугодий, лесовоздушная разведка и геологоразведочные работы.

7. Интеграция с внешними системами. Многие беспилотники интегрируются с наземными станциями управления, диспетчерскими центрами и облачными сервисами хранения данных. Такое взаимодействие требует сложного сетевого протокола и надежных протоколов обмена информацией.

8. Тестирование и обновление ПО. Регулярное тестирование программного обеспечения и своевременное обновление версий необходимы для устранения багов, улучшения производительности и расширения функционала. Качественно написанное ПО проходит строгие проверки на совместимость, устойчивость и отказоустойчивость.

Отличие полетных контроллеров заключается не только в типах используемых компонентов, из которых они состоят, но и в устанавливаемом программном обеспечение (прошивках). Прошивка, на которой работает полетный контроллер – это специальный набор правил и алгоритмов, которые обрабатывает микроконтроллер и без нее мультикоптер не включится и не взлетит. Для каждой прошивки разрабатывается свой поддерживаемый конфигуратор.

Конфигуратор – это программа с графическим интерфейсом, с помощью которой настраивается (включаются и отключаются датчики, меняются параметры PID, подключается внешняя периферия, задаются начальные и максимальные обороты двигателя и т.д.) и загружаются прошивка в полетный контроллер.

Одними из самых популярных конфигураторов, с помощью которых можно прошивать и гибко настраивать мультикоптер: Betaflight Configurator; CleanFlight Configurator; Raceflight Configurator. Существенных отличий в работе между ними нет, за исключением разного интерфейса и поддерживаемых полетных контроллеров.

8. Модуль спутниковой навигации (GPS, ГЛОНАСС, Бэйдоу). Многие современные беспилотники оснащаются модулями спутниковой навигации. Чаще всего это модуль GPS, однако на многих последних дронах от DJI можно встретить двойную систему навигации, которая может включать комбинации GPS и ГЛОНАСС или же GPS и Бэйдоу. В зависимости от установленной комбинации такой беспилотник может эффективно эксплуатироваться в тех или иных регионах мира. Примером может быть серия промышленных беспилотников DJI Matrice 200.

Модуль (или комбинация модулей) спутниковой навигации обеспечивает бортовой компьютер дрона данными о местонахождении аппарата (долгота, широта и высота). Подобная, достаточно сложная, система навигации необходима прежде всего специализированным беспилотникам, которые выполняют полеты на большие расстояния и/или выполняют достаточно сложные задачи в области безопасности, военные задачи или работают в сфере промышленности.

С помощью модуля спутниковой навигации летательный аппарат не только ориентируется в пространстве во время полета, но и может в автоматическом режиме точно приземлиться на “базу”, даже если его визуальные датчики и штатная камера не работают, а связь с пультом дистанционного управления утеряна. Таким образом, модуль спутниковой навигации поможет обеспечить безопасность полета.

Какое бывает программное обеспечение для квадрокоптеров? Ответ на этот вопрос напрямую зависит от того, для каких целей используется ваш БПЛА. То есть, существуют системы управления, приложения и платформы, улучшающие показатели вашего БПЛА.

Режимы полета бывают следующие:

–автоматический полет по маршруту, с возможностью прерывания на другой режим полета;

–полет в указанную точку на карте вне маршрута;

–кружение в текущей или заданной точке на карте.

Системные требования программного обеспечения БПЛА:

–операционная система: Windows 10, 11.

–процессор: Intel или AMD с тактовой частотой 1,6 ГГц и более

–ОЗУ: 4 Гб и более

–место на жестком диске: 1 Гб свободного пространства

–интернет: требуется подключение для загрузки карт и рельефа.

Большинство современных БПЛА поддерживают языки программирования высокого уровня, такие как Python. Однако для более сложных операций, таких как управление двигателями или обработка сигналов с датчиков, могут использоваться языки низкого уровня, такие как C или C++. Согласно статистике, 60% всех программ для управления дронами написаны на C++, в то время как Python используется в 25% случаев. Эти языки позволяют разработчикам создавать сложные алгоритмы для выполнения различных задач, от простого наблюдения до сложных маневров и ударов. Существуют также специализированные библиотеки и фреймворки, например, DroneKit для Python, которые упрощают разработку и тестирование программного обеспечения для БПЛА.

ПО БПЛА можно представить следующими системами.

1.Система управления дронами DJI FlightHub. DJI.

Программное обеспечение представлено универсальной системой управления lightHub, симулятором полетов Flight Simulator и приложением DJI GS PRO для управления при помощи iPad.

Программное обеспечение для картографирования представлено DJI Terra Pro и DJI Ttrra Advanced, обработка данных осуществляется при помощи Pix4Dbim.

ПО БПЛА для сельского хозяйства представляет специально созданное Pix4d Fields, а для фотограмметрии Pix4 Dmapper.

Софт для спасателей, пожарных, полиции и МЧС обозначен как Pix4DReact.

ПО DJI FlightHub позволяет эффективно управлять всеми аспектами работы коммерческих дронов при помощи одной платформы.

C помощью программного обеспечения DJI FlightHub осуществляется управление целым флотом БПЛА. То есть, есть возможность группировать по проектам определенные записи полетов или команды пилотов.

ПО позволяет просматривать полетные задания дронов в режиме реального времени, а уже на основании этих данных составляется статистика эффективности использования устройств.

Записанные во время полета данные можно просматривать и анализировать, используя веб-приложение DJI FlightHub. Благодаря этому появляется возможность удостоверится в правомерности использования оборудования в конкретной местности или на конкретном задании. Кроме того, для повышения результативности применения БПЛА всегда есть возможность проанализировать записанные данные.