المستقبل بدون طيار: كيف يتم تصميم الطائرات بدون طيار ولماذا تتحطم

رومان فيدورنكو - استاذ مشارك في مركز NTI للكفاءة في اتجاه "تقنيات مكونات الروبوتات و

ميكاترونكس ”جامعة إنوبوليس.

ديمتري ديفيت - باحث مبتدئ في مركز الكفاءات NTI في اتجاه "تقنيات الروبوتات ومكونات الميكاترونكس" في جامعة إنوبوليس.

الجميع يترك المرآب

رومان فيدرينكو: مع مغادرة Google و Apple و Microsoft وعمالقة تكنولوجيا المعلومات الآخرين المرآب ، لذلك بدأت مجموعتنا البحثية من نفس المنطلق. لدينا آمال كبيرة في مرآبنا. وهي مركز تطوير واختبار الروبوتات. ونحن نشارك في المقام الأول في الروبوتات ونرى الطائرات بدون طيار على وجه الحصر على أنها روبوتات. ربما هذه قصة غير عادية للكثيرين. تقليديا ، يعتقد البشر أن الروبوت هو الروبوت المشي. ولكن هناك مجال من الروبوتات الميدانية التي نعمل فيها. في الواقع ، هذه كلها روبوتات تتحرك: تدفع ، تسبح أو تطير.

الروبوتات (الروبوتات الميدانية) - تطوير العلوم التطبيقيةالأنظمة التقنية الآلية وهي أهم أساس تقني لتطوير الإنتاج. هناك الروبوتات البناء والصناعية والمنزلية والطبية والطيران والروبوتات المتطرفة (العسكرية والفضائية وتحت الماء).

RF: يعمل مركزنا بشكل رئيسي تحت رعاية مبادرة التكنولوجيا الوطنية (NTI). من بين شركائنا 6 مؤسسات أكاديمية ،18 شريك صناعة و 7 شركاء أجانب. ماذا نفعل؟ جميع الروبوتات ، على الأرجح ، الروبوتات الصغيرة. بدءا من تلك الصناعية: من المتلاعبين ، بما في ذلك الروبوتات التعاونية الحديثة ، إلى التقنيات العصبية ، وتنتهي ، بالطبع ، بالذكاء الاصطناعي (هذه عادة تقنية شاملة).

ر ف: المشروع الذي بدأ كل شيء بالنسبة لي هو مناطيد مستقلة. وهذه طريقة غير قياسية. عادة ، عندما يتحدثون عن الطائرات بدون طيار ، يعتقدون أنك على الأرجح تشارك في المروحيات. في حالتي ، السبب هو القضية. في الجامعة التي درست فيها - الجامعة الفيدرالية الجنوبية - كان هناك معهد أبحاث للروبوتات وعمليات التحكم. ذهبت إلى هناك وأصبحت مهتمة على الفور بالطائرات. من الصعب الآن فهم كيف حدث كل هذا. لكنني انتقلت من منطاد صغير ، عملت فيه في مكتب الطلاب ، إلى جهاز كامل 70 مترا لوكالة الفضاء الصينية. كان مشروع الطالب يطير في الداخل وكانت مشكلة منفصلة للعمل بدون GPS. وكانت المنطاد الصيني يحتاج بالفعل إلى نظام تحكم وملاحة واتصالات.

ديمتري ديفيت: نتعامل مع أنظمة التحكم وأنظمة تجنب العوائق. في الواقع ، هذا ما يفعلونه الآنالمدارس العلمية الروسية والعالمية. على وجه الخصوص ، قمنا بإنشاء أنظمة لتشغيل الطائرات بدون طيار المخصصة للتصوير. هذا هو عملنا المستقل الأول بشكل عام. وقد تم استخدام هذا الشيء بالفعل في العديد من الأفلام - "Godzilla" و "Mulan" وغيرها. لكي لا تزعج المديرين بكيفية بناء صورة ، يتم كل شيء بمساعدة طائرة بدون طيار في الوضع التلقائي.

من الفوانيس الصينية إلى الطائرات بدون طيار

RF: كانت الطائرة الأولى من الفوانيس الصينية. Дальше можно привести в пример монгольфьер — بالون. لكن أشهر الأجهزة كانت الطائرة التي تعمل بالطاقة من الأخوين رايت. لقد صنعوا أول آلات طيران لهم كطائرات شراعية ، ولكن في عام 1903 ، لم يتم تسجيل الطيران الأوتوماتيكي ، ولكن تم التحكم فيه. لكن في الواقع ، القصة مثيرة للجدل ، لأن الطائرات كانت تحلق بالفعل في عام 1901. في بداية القرن الماضي ، تنافست الطائرات والطائرات بشكل قوي. قامت المنطاد برحلات عبر المحيط الأطلسي. كانت ضخمة ومريحة وجميلة ، مثل البطانات الآن. ولكن في النهاية ، يمكن القول أن الطائرات قد فازت. على الرغم من بقاء المناطيد ولا تزال تجد مكانها.

RF: هناك ثلاثة مبادئ لإنشاء المصعد. هناك مناطيد - وهذا هو مبدأ الاستاتيكيه. مثل كرة قابلة للنفخ ، بسبب قوة أرخميدس ، ترتفع وتبقى في الهواء. هناك طريقة ديناميكية هوائية - بجناح ثابت أو دوار دوار. وهذا يشمل المروحيات والمروحيات المعروفة. بالطبع ، يمكن أن يُعزى الدفع بالطائرة إلى نوع آخر - هناك طائرات نفاثة ، لكن أولاً وقبل كل شيء صواريخ.

RF: نحن نعمل مع هجين من اثنين من تقنيات الرفع المدرجة - ميل مائل. هذا جهاز لديه القدرةالإقلاع والهبوط العمودي ، وكذلك الحركة بسبب الجناح. إذا تحدثنا عن استخدام المركبات الجوية بدون طيار (UAVs) ، فإن الأكثر شيوعًا اليوم هو هواية والتصوير الفوتوغرافي وتصوير الفيديو. علاوة على ذلك ، نحن نتحدث عن سوق تنافسية تمامًا وجيدة التكوين. التطبيق التالي في الجيش والمال. إذا تحدثنا عن الاستخدام العسكري ، فإن روسيا اليوم تحتل 15٪ من الممارسة العالمية لاستخدام الروبوتات الجوية. الجزء الآخر الذي تستخدم فيه الطائرات بدون طيار هو المراقبة. اليوم ، يتم تطوير حلول التسليم ومهام "الميل الأخير" بنشاط. كما تتزايد الزراعة الدقيقة والتطبيقات الصناعية والاتصالات السلكية واللاسلكية. إحدى الحالات - جوجل بالون - بالونات توزع الإنترنت. الشركة المصنعة الرائدة للطائرات بدون طيار هي شركة DJI الصينية ، مع أكثر من مليون ساعة طيران وأكثر من 70 ٪ من السوق العالمية.

روبي: من مهام الزراعة الدقيقة مراقبة المحاصيل. بالإضافة إلى تحليل المؤشر الخضري وتحديد مجالات المشكلة. بالطبع ، يمكنك رش الحقل بأكمله بجرار ، وهو أرخص لكل وحدة مساحة ، ولكنه ليس فعالًا للغاية. تتمثل المهمة في العثور على مناطق المشاكل ، بؤر انتشار بعض الآفات ، وما إلى ذلك باستخدام طائرات بدون طيار مجهزة بكاميرات الأشعة تحت الحمراء المتخصصة. تطبيق آخر هو الري والرش. لقد صنع الرجال من قازان مشروعًا رائعًا BRAERON - أجرودرون روسي الصنع. هذا جهاز ضخم ، ولديه برغيان يعملان بمحرك احتراق داخلي. يخلقون المصعد الرئيسي. وهناك مخطط مروحية يخلق زخمًا للتوجيه باستخدام الدافع.

RF: خيار آخر لاستخدام الطائرات بدون طيار من أجل هواية هو سباق الطائرات بدون طيار. تعد Drone Racing League (DRL) أكثر المنظمات التي تستضيف هذه المسابقات شهرة. هناك أيضًا أجهزة محاكاة سباق افتراضية.

"المشي ، إذا جاز التعبير ، الكلب!"

دد: هناك ثماني مراحل لتطوير الطائرات بدون طيار في المجموع. بشكل عام ، تعد كوادروكوبتر وطائرة بدون طيار ومركبة غير مأهولة جميعها روبوتات ، ولديها هياكل مماثلة ويجب تطبيق خوارزميات التحكم في كل مكان. في الوقت نفسه ، لا تتشابه المستشعرات دائمًا.

RF: محركات الطائرات بدون طيار عادة ما تكون بدون فرش. لديهم وحدة تحكم منفصلةهو هيكل متعدد المستويات. المحرك لديه ESC - تحكم إلكتروني في السرعة. لقد حددنا الاتجاه المطلوب ، وهو يعمل على كيفية التحكم في المحرك ، وكيفية تبديل اللف ، وما إلى ذلك. الرابط التالي هو الطيار الآلي ، وهو شيء معقد به وحدة تحكم والعديد من المستشعرات: GPS ، ونظام الملاحة بالقصور الذاتي ، ومقياس الضغط وغيرها. داخل الطيار الآلي ، يتم تنفيذ منطق التحكم في الحركة. هناك أيضًا كتل وظيفية منفصلة - كتلة منظم ، وتخطيط للحركة ، وحركة بسيطة من نقطة إلى نقطة ، وكتلة لدمج البيانات من أجهزة استشعار مختلفة. على سبيل المثال ، لدينا بيانات GPS تصل بتردد منخفض وبيانات نظام بالقصور الذاتي تصل إلى تردد أعلى ، ولكن بها خطأ متراكم. هناك خوارزميات تسمح لنا بدمج كل هذا وتعطينا بيانات جيدة.

RF: الطيار الآلي في طائرة بدون طيار هو شيء أساسي منخفض المستوى. لمزيد من التحكم وأكثر ذكاءً ، تم بالفعل استخدام جهاز كمبيوتر داخلي وكاميرات وأجهزة استشعار وأجهزة إضافية أخرى.

RF: تطوير الطائرات بدون طيار يبدأ بالحسابات المفاهيمية. تصميم الجهاز ونظامهالضوابط: ما هو الدفع المطلوب ، وما هي الديناميكا الهوائية ، وما إلى ذلك. ثم يتم تنفيذ النمذجة الرياضية. في الواقع ، هذا عمل بدون أجهزة. الخطوة التالية هي تطوير نظام تحكم ، أي الخوارزميات. للمحاكاة ، يتم استخدام أساليب وحزم مختلفة ، على سبيل المثال ، MATLAB ، أو أجهزة محاكاة جاهزة - Gazebo ، Microsoft FS. تمتلك جامعة إنوبوليس جهاز محاكاة خاص بها - Innopolis Simulator. لا يحتوي على عرض مرئي فحسب ، بل يحتوي أيضًا على محاكاة لجميع المستشعرات ، مما يعني أنه يوفر نفس البيانات مثل مستشعرات GPS وأجهزة استشعار الثبات والكاميرات والليدار هذا يجعل من الممكن تطوير تقنيات تحكم ذكية للغاية ومتعددة المستويات. عندما نقوم بتصحيح كل شيء في جهاز المحاكاة (وعادة ما يعمل بشكل جيد هناك) ، يمكنك الانتقال إلى الاختبارات الأكثر إثارة للاهتمام ، وعمل عينة اختبار واختبارات الطيران. في إطار تعاوننا مع معهد قازان للطيران ، يتم بناء مرافق الإنتاج لتصنيع الطائرات بدون طيار ، حيث سيتم استخدام تقنيات تصنيع الطائرات بدون طيار من ألياف الكربون. إذا تحدثنا عن التكنولوجيا المضافة ، فيمكننا فعل ذلك بشكل صحيح في إنوبوليس.

د. بادئ ذي بدء ، نقوم باختبار نظام التحكم ،بحيث تكون مستقرة قدر الإمكان. لنفترض أنك تريد اختبار كيفية مقاومة كوادكوبتر للرياح. يمكن تقليد هذا - على سبيل المثال ، يحاول رومان أن يجره ويبدأ ، في الواقع ، في التصرف كسخط خارجي. لكن هذه ليست اختبارات طيران حقًا ، فهذه هي ما يسمى باختبارات gimbal. نحن نبحث في كيفية استقرار الجهاز نفسه. نجري أيضًا تجارب مجنونة - في مروحية طيران ، نشغل المحرك الرئيسي والطائرة ونرى كيف يتصرف. أي ، هل يحافظ على اتجاهه صحيحًا كما ينبغي في وضع المروحية. عندما نكون متأكدين بالفعل من أن هذا الشيء لن يسقط في قلوبنا ، يمكننا إطلاقه. المشي ، إذا جاز التعبير ، كلب!

RF: المشكلة الرئيسية في تطوير طائرات ليست مناطيد هي أن أدنى خطأ يمكن أن يؤدي إلى السقوط. المنطاد أبسط - يمكنك الاتصال به هناك وحتى إعادة تشغيل شيء ما. لكن مع طائرة ومروحية ، أدنى خطأ ، عدم دقة في الإعداد ، وهذا كل شيء.

أهم الاتجاهات في تطوير الطائرات بدون طيار

RF: الاتجاه الرئيسي في الروبوتات الذي نقوم به هو زيادة الاستقلالية. كانت الطائرة بدون طيار حاملة بسيطة مفيدةالحمل ، أي ممل إلى حد ما ويتحرك من نقطة إلى أخرى. هذا ليس بالأمر السهل. سافرت من نقطة إلى أخرى ، لكنني لم أكن أعرف شيئًا عن العقبات ، وأعمل في البيئات الحضرية وأجهزة الاستشعار. وإذا كانت تحتوي على أجهزة استشعار ، فسيتم ببساطة تسجيل البيانات وجمع الصور الفوتوغرافية. الآن هناك اتجاه للتخلي عن حامل الحمولة إلى روبوت أكثر ذكاءً. أي أنه لا يأخذ البيانات فحسب ، بل يحللها على الفور ويستخدمها في إدارته الخاصة. قد لا تقوم طائرة بدون طيار ، على سبيل المثال ، ببناء الخريطة بأكملها ، ولكنها تجد بعض المناطق عليها ، وتحلل على الفور وتستكشف مناطق مثيرة للاهتمام. من الواضح أن هذا يتطلب برامج وخوارزميات.

RF: الاتجاه الرئيسي من حيث تصميم الطائرات بدون طيار هو كفاءة الطاقة. نحن نستخدم أفضل البطاريات ، ولكن كيفكقاعدة عامة ، لا يمكن للطائرة الرباعية الطيران لأكثر من ساعة (حتى أفضلها). لذلك ، هناك العديد من الخيارات لكيفية التعامل مع هذا للاستخدام النهائي. وعادة ما تقع في مكونين. هذا نوع من محطة الصيانة التلقائية للطائرة بدون طيار ، والتي تسمح لك بتوسيع عملها المستقل عن طريق تغيير البطاريات أو الشحن تلقائيًا في محطة الهبوط. واتجاه آخر هو الإنشاءات الهجينة. أي أجهزة أكثر كفاءة تستخدم مبادئ مختلفة للحركة في أوضاعها. بالإضافة إلى ذلك ، تتمتع الطائرات بدون طيار بالقدرة ، مع التطور الحالي للاستشعار ، على استخدام مستشعرات رائعة متنوعة كانت تزن كثيرًا وكانت باهظة الثمن. هذه هي الليدار والكاميرات متعددة الأطياف والكاميرات الرائعة الأخرى.

D. D .: الآن في العالم يشاركون بنشاط في أنظمة طيران عقبة. غالبًا ما يكون هذا العمل في غرف معقدة وأماكن صاخبة. هذا ضروري بشكل أساسي لتحليل المباني المدمرة. تعمل زيورخ والمختبرات الرائدة في الولايات المتحدة الأمريكية ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وكذلك سكولتيك بنشاط على مثل هذه الأنظمة القادرة على العمل في حالات الطوارئ. نحن نقوم بذلك أيضًا - قمنا بتفتيش أنفسنا ، وحاولنا التحليق حول الطابق السفلي. وهناك الكثير من المهام هنا - هذا هو التنقل بدون نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، باستخدام المستشعرات فقط للحركة والتخطيط لنفسه ، أي كيف نحتاج إلى التحرك من أجل الحصول على أكبر قدر من المعلومات حول منطقة معينة. اليوم ، يتنافس حوالي 20 معملًا مع بعضها البعض في الجودة والسرعة ، لأنه من المهم ليس فقط التحليق ، ولكن أيضًا القيام بذلك في وقت أقل. هذا هو أحد التحديات من حيث الحساسات والمعالجة والخوارزميات. الآن المطور الأكثر نشاطًا هو المدرسة التقنية العليا السويسرية في زيورخ. لقد طوروا الكاميرا الخاصة بهم ، في الواقع ، هذا نوع جديد من الكاميرات بشكل عام ، يشبه في هيكله فسيولوجيا العين البشرية ولا يمكن أن يعطي إطارات في الثانية ، ولكن الفرق بين الإطارات. وبسبب هذا ، نحصل على تردد يصل إلى ملايين الإطارات في الثانية. أي ملايين التغييرات. إذا كان لدينا جهاز على متن الطائرة يسمح لنا بمعالجة هذا ، فيمكننا التحكم بسرعة البرق والتحكم فيها.

د. النظام يتطور بنشاط كبيرعمليات التفتيش ، حتى تم إطلاق مسابقة في DARPA - SupT Challenge. تحاول الفرق فحص الأنفاق بأنواع مختلفة من الروبوتات. يجب أن يكون مفهوما أن هناك فقط خلفية كهرومغناطيسية رهيبة في النفق. بالطبع ، لا يمكننا استخدام أي نظام ملاحة لاسلكي. هذا يعني أنه من الضروري تطوير تقنيات للتخطيط والملاحة المستقلة. هذا تحد مثير جدا للاهتمام. يمكن تطبيقه ببساطة في مناطق شاسعة. إنه مألوف - في النار. لماذا ترسل شخصًا بينما يمكنك إرسال طائرة بدون طيار باستخدام الرادار. دعه يطير ، يبني خريطة ، دعه ينظر إلى مكان وجود الناس. كل هذا سيكون في الوقت الحقيقي على متن الطائرة. ومجرد تطبيق مطبق - طائرة بدون طيار حلقت عبر النافذة واستمرت في التحرك بدون نظام تحديد المواقع العالمي داخل الغرفة.

D.D .: الشركة المصنعة الرئيسية للطائرات بدون طيار في السوق اليوم هي DJI. يمكنك حتى أن تقول أن DJI يمكنها فعل كل شيء. الشركة الصينية تقدم جودة عالية جدا والمنتج المصحح. حتى نظام تجنب العوائق الخاص بهم يضمن توقف الطائرة بدون طيار وعدم الطيران في أي وقت بسرعة فائقة. هذا هو الشيء الرئيسي هو سلامة الجهاز ومن حوله. آخر التطورات المتطورة التي قاموا بدمجها يتم بيعها بالفعل. على سبيل المثال ، طائرة بدون طيار Skydio 2 من MIT. مثل هذا الجهاز مقابل 1000 دولار سوف يطير حول العقبات في الغابة. من حيث الاستقلالية ، فهي أكثر انحدارًا من DJI ، ولها رؤية دائرية وقادرة على تحليل وبناء الخريطة ، وكذلك تجنب الاصطدامات. إذا توقفت الطائرة بدون طيار DJI ، فسوف يتحرك هذا بعيدًا ويستمر في التحرك. الكل في الكل ، أشياء رائعة ، لكن يتم بيعها بالطلب المسبق.

RF: هناك حلول مثيرة للاهتمام فيما يتعلق بالتصميم ، على سبيل المثال ، عندما تحتاج طائرة بدون طيار إلى التحليق عبر ثقب ، يمكن طيها والقيام بذلك ديناميكيًا. نحن نعمل أيضًا على موضوع مثير للاهتمامالتصميم. إنه قابل للطي وغير قابل للتدمير جزئيًا. هذا هو ما يسمى طائرة بدون طيار موتر. يتم هنا تطبيق مبدأ الشد المستخدم في الهندسة المعمارية. إنها طائرة بدون طيار لها إطار وهيكل قفص وقائي مجتمعين ويتم تنفيذهما كهيكل شد يسمح لها بالبقاء على قيد الحياة أثناء السقوط. رميناها من مسافة 20 مترًا ، ورميناها في الحائط. فقط تلاميذ المدارس في الرحلات يمكنهم كسرها.

توتر - مبدأ بناء الهياكل من قضبان والحبال ، حيث تعمل القضبان بالضغط ، والحبال في حالة الشد. في هذه الحالة ، لا تلمس القضبان بعضها البعض ، بل تتدلى في الفضاء ، ويتم تثبيت موضعها النسبي بواسطة الكابلات الممتدة ، ونتيجة لذلك لا يعمل أي من القضبان للانحناء.

دد: أحد التطبيقات التجارية الشائعة هو الفحص في وضع عدم الاتصال. للقيام بذلك ، استخدم الطائرات بدون طيار الصناعية DJI معأجهزة التصوير الحرارية. يمكنهم التحليق لأعلى ورؤية حالة ، على سبيل المثال ، خطوط الكهرباء وأبراج الاتصالات وخطوط أنابيب الغاز وكل شيء. لقد حللنا مشكلة توجيه الكاميرا نحو السلك ، وهو أمر يصعب جدًا على الطيار القيام به أثناء التنقل. نريد من الطائرة بدون طيار أن توجه نفسها إلى الكاميرا وأن تصاحبها أثناء تحركها. هناك مشروع رائع حول هذا الموضوع - "Rope Walker". هذه طائرة بدون طيار تتحرك على طول الأسلاك ، على طول حبل ، وتطير فوق أعمدة. شيء رائع ، وشيء روسي.

RF: إذا تحدثنا عن الاستقلالية ، فإن محطات الشحن الآن تتطور بنشاط. في جامعة إنوبوليس قمنا بتطويرهامنصة هبوط خاصة للطائرة بدون طيار. تم تصنيعها في الأصل لـ KamAZ - إنها شاحنة بدون طيار بها طائرة بدون طيار يمكنها بناء خريطة له وإخباره إلى أين يذهب. لكن المنصة لها استخدامات تجارية أخرى أيضًا. يمكننا وضعها بالقرب من المحجر ، ومشاهدة التطوير ، أو في موقع البناء ، وبشكل دوري ، وفقًا لجدول زمني ، وإجراء الرحلات الجوية أو الاستطلاعات ورسم خريطة التغيير.

RF: اتجاه آخر هو الجمع بين محطة هبوط ونقطة تفتيش. يذكر أن شركة "كوبتر إكسبريس" الروسية التي أتتطور الآن بنشاط في إنتاج الطائرات بدون طيار ، وقد قامت بعمل مثل هذا postamat وتقوم الآن بالترويج لها مع الطائرات بدون طيار. لديه خلايا تخزين ، ويعرف كيفية إصدار الطرود وما إلى ذلك.

D.D .: الطيران بشكل مستقل تمامًا باستخدام الشبكات العصبية هو أحد المهام الواعدة في اتجاه الاستقلالية. وصل مستوى التكنولوجيا إلى المرحلة التي وصلنا إليهايمكننا اتخاذ قرارات على متن الطائرة الرباعية أثناء الرحلة مباشرة. وهناك طريقتان. أحد الأساليب الكلاسيكية ، عندما يكون لدينا جدولة ، ومنظم ، ووحدات إدراك منفصلة ولدينا شبكة عصبية. والآخر هو ما يسمى بالنهاية بشبكة عصبية واحدة. إنه يعمل مثل الصندوق الأسود. لديها مدخلات وأجهزة استشعار ومخرجات التحكم. وهي تطبق المعايير المحددة بالفعل.

انظر أيضا:

شاهد ما يمكن أن يراه تليسكوب هابل في الفضاء

تم الكشف عن تاريخ أصل النيازك "الغريبة": سقطوا على الأرض في الستينيات

كانت هناك صورة لكيفية "تدفق" غبار الصحراء إلى المحيط الأطلسي