AeRod-система посадки/подзарядки для БПЛА

Проект реализовывается при поддержке

              

Сколково инновационный центр   

Аннотация.

В статье рассказывается о системе посадки для беспилотных летательных аппаратов вертикального взлета/посадки. Система может быть применена везде, где есть необходимость применения летательных аппаратов для аэрофотосъемки и мониторинга или других задач, но нет возможности гарантировано и безопасно для окружающих посадить аппарат в автоматическом режиме обычным способом. 
В статье описан программно-аппаратный комплекс, для создания сети базовых станций, между которыми будут летать дроны для целей оперативного мониторинга и доставки грузов. 
Данная система позволит дрону автономно функционировать месяцами ежедневно выполняя полеты или годами в случае редких полетов.

Ключевые слова: беспилотник, БПЛА, БВС, автономный беспилотник, воздушное судно, авиационная система, беспилотный мониторинг

Введение

Фильмы о будущем пророчат нам огромное количество дронов летающих по улицам и участвующих практически во всех сферах человеческой жизнедеятельности.

Что же нас отделяет от такого будущего?

Это искусственный интеллект и автономность дронов.

Для решения второго вопроса, есть 2 варианта дополняющих друг друга. Первый это увеличение времени полета за счет улучшенных источников тока (топливные элементы, и т.д.), второй это создание базовых станций(БС)(рис 1), по которому мы и пошли.

Кому и зачем это нужно уже сейчас и где это будет экономически обоснованным.

Рис. 1. Схема работы системы

Первое, это задача автономного мониторинга локального объекта. Проще говоря, чтобы на круглосуточном дежурстве был один или несколько дронов, но при этом, чтобы это было коробочное решение, без необходимости подготовки дополнительных специалистов.

Следующее применение, это когда дрон выполняет мониторинг протяженного объекта и садиться на следующую базовую станцию за 5, 10 или 50км. Это мониторинг сложных участков протяженных объектов – ЛЭП, нефте-газопроводы или участок границы с ущельями.

И третий вид задачи, это система мониторинга города. Где какое-то количество базовых станций  расположены по всему городу и на дежурстве у пожарных у полиции у предприятий и администрации есть свои дроны, которые выполняют свои задачи, например осмотр неблагополучных территорий, проверка места правонарушения, ДТП, пожара, митинга.

Или доставка грузов-документов обмен, которыми между некоторыми организациями происходит десятки раз в день.

В целом мировая тенденция развития беспилотных систем показала, что появление “базовых станций” зарядки-посадки для дронов это вполне логичная ступень в развитии беспилотной отрасли, это своего рода аналог бензозаправки для автомобиля или аэропорта для самолета.

Что представляет собой “базовая станция”?

Это небольшое устройство, которое закрепляется в метре от стены и в нескольких метрах от земли.

             

              Рис. 2. Фото “якоря”                         Рис. 3. Фото БПЛА севшего на базовую станцию.

Устройство выполнено из композитных материалов и к нему подведено электропитание, которое проходит через преобразователь питания и зарядное устройство и заряжает аккумулятор беспилотника. Внутри базовой станции (рис. 3), находится камера системы наведения и видеопередатчик, передающий картинку на аппарат, для корректировки курса подлета бепилотника.

Также внутри базовой станции находятся створки фиксации якоря аппарата, через эти створки организован электрический контакт между базовой станцией и “якорем” аппарата. Сверху базовой станции установлена метеостанция, измеряющая скорость и направление ветра, и другие параметры.

На самом аппарате, установлен вертикальный “якорь” (рис. 2), через который происходит заряд аккумулятора аппарата. Также на аппарате установлены метки, для системы наведения.

Беспилотник подлетает, и, находясь на высоте 50м над базовой станцией, дает сигнал о своем приближении, и станция открывает створки для захода аппарата. Аппарат снижается в нескольких метрах от базовой станции и на несколько метров ниже нее, затем подлетает под станцию и, используя точную систему наведения, влетает в станцию, створки закрываются и фиксируют аппарат.

Беспилотник переходит в режим заряда, но при получении нового задания, в любой момент может полететь выполнять его. (рис. 4)

Рис. 4. Подлет и попадание в зону БС

В чем преимущество нашего варианта от решений компаний CopterZone, H3Dynamics (рис. 5), Luftera(рис. 6), Karlsson.project, Boeing (рис. 7) и других? Задача ведь не нова.

     

             Рис. 5. H3Dynamics                         рис. 6. Luftera                рис. 7. Boeing

Под любым аппаратом вертикального взлета/посадки создается “воздушная подушка”, которая вызывает переотражения воздушных масс, когда аппарат находится близко к земле или к стене. Это явление ухудшает точность посадки даже при условиях закрытого помещения до десятков сантиметров. При сильном ветре, задача точной посадки становится в несколько раз сложнее.

В нашем варианте системы, по определению, не возникает проблем с отражающимися ветровыми потоками, что убирает, при посадке аппарата, неконтролируемую паразитную ошибку.

Обсуждая погодные ограничения, можно провести сравнение между “фонарным столбом” (наша система) и “песочницей” (классическая система)? На песочницу будут постоянно падать осадки, мусор, пыль, осенью там будет листва, весной наст, а зимой сугроб и с этим ничего не сделаешь. Необходимо дополнительно продумывать системы очистки и разморозки, встраивать их, что влияет и на надежность и на цену, наша система, просто по самой идее, лишена этих проблем.

В нашей системе нет необходимости в свободном пространстве, тем более его не так уж и много на таких объектах как корабли, морские платформы и т.д., ее за пару минут, можно закрепить на любом фонарном столбе.

Корпус для нашей системы печатается на 3D принтере и по форме и размерам похож на банку из-под краски, классические системы должны состоять из очень прочных материалов и быть намного больше, что само по себе повлечет гораздо большую стоимость.

В оперативности, наша система тоже выигрывает. Так как аппарат уже фактически находиться в воздухе на определенной высоте еще до включения моторов.

Система “Город”

Это программно-аппаратный комплекс, основной задачей которого является оперативный мониторинг любой территории в городе. (Рис 8) 

Рис. 8. Блок-схема работы системы “Город”

Система может использоваться силовыми и административными службами для следующих задач:

• Оперативный мониторинг участков, где в данный момент происходит пожар или правонарушение (разбой, убийство, и т.д.)

• Поиск пропавшего оборудования, автомобилей, людей, животных, на закрытых территориях

• Плановый мониторинг неблагополучных или особо опасных территорий (стройки, пром. зоны)

• Контроль проведения массовых мероприятий.

Кроме того, любой пользователь может заказать услугу, по мониторингу интересующего его незакрытого участка территории.

Также систему можно использовать и для передачи грузов, как между станциями, так и с выбросом груза на маршруте.

При использовании системы в силовых структурах, схема работы следующая:

При получении адреса или района, где происходит правонарушение на пульт дежурного (рис.9). Дежурный вводит адрес (отмечает на карте) дом или район в специализированную ГИС систему - “UAVGIS” (рис. 10)

Рис. 9. Беспилотник на базовой станции у отделения полиции.

ГИС система определяет, какое количество дронов и с каких базовых станций, можно применить для данной задачи. При необходимости дроны “снимаются” с маршрутов, в том числе коммерческие и грузовые. В зависимости от задачи и количества дронов, каждому дрону определяется его маршрут, с условием, чтобы покрыть как можно большую площадь при мониторинге и не столкнуться в воздухе.

Сигнал от оператора уходит на башню управления, которая находиться на одном из самых высоких мест в городе.

С нее раздаются команды на дроны, участвующие в выполнении задания. Для получения видеосигналов с дронов, в сторону полета дронов, направляется видео антенна с узкой диаграммой направленности, и полученный видеосигнал отправляется оператору.

Оператор выбирает дрон и при необходимости может его снизить, для более детального рассмотрения интересующего объекта.

Рис. 10. Скриншот система “SmartDrones” внутри ГИС “UAVGIS”

  Слои ГИС “UAVGIS”

1)       3D модель города

2)       Плоская карта города с отметками высот

3)       Карта Единой Системы Органов Воздушной системы (аэродромы, временно и постоянно закрытые территории, местные воздушные линии)

4)       Погодная карта (скорость и направление ветра, температура, осадки)

5)       Карта росрееста

6)       Карты закрытых территорий (военные, ФСИН, и другие силовики)

7)       Пользовательские карта (снятые материалы с воздуха и другие важные метки)

8)       Карты магнитных аномалий и т.д.

При организации полетных заданий ГИС система учитывает следующие параметры:

1)       Емкость аккумулятора, каждого из дронов, который может участвовать в задаче.

2)       Погодные условия, полученные на основе метеостанций, установленных вместе с базовыми станциями (легким, перегруженным дронам, намного тяжелее бороться с ветром, чем тяжелым дронам летающим на уровне газа 60%)

3)       Наличие закрытых территорий, которые необходимо облетать (аэропорты, военные объекты, зоны с закрытым воздушным пространством).

4)       Наличие необходимой полезной нагрузки на борту аппарата.

На основании этих и других параметров ГИС система решает, как построить маршрут нескольких разных по параметрам дронов, в том числе и разного типа (самолетных и мультироторных), с учетом их прибытия и убытия в разное время, так чтобы поставленная задача по мониторингу местности, была решена наиболее полно. При этом система может в любой момент пересчитать решения, при появлении новых факторов, например выбытие одного из дронов по разным причинам.

Заключение

Внедрение систем посадки, для увеличения автономности дронов с целью оперативного мониторинга и доставки грузов, это следующий логичный шаг в развитии беспилотных систем, а внедрение на их основе системы “Город”, следующий шаг по грамотному совмещению существующих решений, который еще на шаг приблизит нас к будущему, и весь вопрос в том, кто сделает эти шаги первым.

Проект реализовывается при поддержке

              

Сколково инновационный центр