Светом в путь: новая система навигации для БПЛА будет работать на порядок точнее GPS

Российские инженеры создали систему локальной навигации для беспилотников, которая определяет местонахождение устройства с помощью светодиодов с точностью до 4 мм. Это на порядок превосходит возможности спутниковых систем, которые измеряются в метрах. Благодаря этому разработку можно использовать для выполнения особо сложных задач, таких как, например, посадка на движущийся объект в условиях тумана. По задумке авторов, в первую очередь изобретение может применятся в закрытых помещениях, где не работает ни GPS, ни ГЛОНАСС. Как считают эксперты, такие альтернативы спутниковым технологиям необходимы, однако они будут востребованы только в тех областях, где это экономически оправданно.

Ориентация в пространстве с помощью светодиодов

Специалисты ИТМО разработали локальную систему навигации для беспилотников, которая получила название «Восток». Разработка определяет скорость и местоположение летательного аппарата с очень высокой точностью, которая на порядок превышает возможности GPS и может применятся там, где не работают классические спутниковые системы навигации. Например, в плотной городской застройке, тоннелях или закрытых помещениях. Также точное определение координат позволит БПЛА выполнять сложные задачи, такие как, например, посадка на движущейся объект в густом тумане.

— Наш метод основан на классических принципах радионавигации и радиопеленгации и схож с разговором с двумя людьми, которые стоят в одном месте и разговаривают через мегафоны. Хотите услышать одного, встаньте напротив его мегафона, другого — встаньте напротив второго, а если нужно услышать обоих — встаньте посередине, — сказал руководитель проекта, аспирант первого курса факультета безопасности информационных технологий ИТМО Тимофей Мельников.

В «Востоке» роль мегафонов выполняют два светодиода, развернутые друг относительно друга под некоторым углом. В каждом модуле их по две пары. Они светят на фотоприемники беспилотника промодулированным на разной частоте сигналом.

— Фотоприемники принимают сигналы, а специальный модуль усиливает и обрабатывает их, рассчитывает координаты дрона и прямо на борту передает данные в бортовой компьютер. В реальном времени мы видим точное местоположение дрона, а также изменения в высоте и углах наклона бортов,— пояснил Тимофей Мельников.

Зоркий «Борщевик»: новая система позволит находить цели при любой погоде и видимости

Она мгновенно реагирует на наличие техники и людей с оружием и имеет функцию самоуничтожения

Сейчас для навигации и построения маршрута беспилотники ориентируются на данные спутниковых систем навигации (например, GPS или ГЛОНАСС). Однако в сложных условиях она может работать с большой погрешностью. Но даже 2 м разницы между реальным и расчетным местоположением помешает небольшому дрону точно приземлиться на базу подзарядки или положить посылку в нужное место, отметили разработчики.

По их словам, «Восток» рассчитывает координаты с точностью до 4 мм несколько тысяч раз в секунду, превосходя кинематическое позиционирование в реальном времени (GPS RTK), и десять раз в секунду отслеживает скорость с точностью до 2 см/с, не уступая GPS.

В аналогичных системах локальной навигации конструкторы и разработчики используют разные методы — например, расклеивают по площади посадки QR-коды. Камера дрона считывает их и по ним ориентируется в пространстве. Недостаток такого подхода в том, что он требует хорошего равномерного освещения и большого количества QR-кодов разного масштаба, чтобы беспилотник увидел их с разных расстояний.

В отличие от аналогов «Восток» не нуждается в видеокамере, радаре или лидаре для ориентирования, а саму систему можно собрать из недорогих, доступных на отечественном рынке компонентов, отметили разработчики. Сейчас сигнал от комплекта из двух пар модулей покрывает комнату 8х8 м высотой до 3 м. При этом «Восток» легко масштабируется — достаточно увеличить количество модулей, их мощность и конфигурацию, добавили авторы проекта.

Где будут применять технологию

Разработку можно использовать для разных задач. Например, на Северном морском пути «Восток» поможет обеспечить автоматическую посадку беспилотного вертолета на палубу движущегося ледокола или автоматизировать маршрут беспилотных карьерных самосвалов, работающих в пыли. С помощью изобретения можно организовать доставку дроном покупок из онлайн-магазинов в окна загородных домов.

В будущем разработчики планируют испытать систему в большом спортивном зале, а также сконфигурировать систему для позиционирования дронов относительно друг друга, а не только внутри помещения. В перспективе созданное решение станет частью арены рободронов — песочницы, где разработчики будут собирать данные и отрабатывать алгоритмы управления беспилотниками.

— С помощью «Востока» мы планируем создать трехмерный автопилот, который управлял бы дроном так же профессионально, как и человек. Обычно для создания автопилота записывают несколько часов полета, затем обрабатывают данные с камер и на их основе данных тренируют ИИ-модель. Наша система позволяет собрать тот же датасет, но на основе координат, полученных самим беспилотником в полете. Так ИИ-модель станет точнее, поскольку мы собираем больше данных за секунду полета, чем другие системы, и это заметно дешевле — не нужно покупать систему захвата движения, — сказал научный консультант проекта, старший научный сотрудник факультета безопасности информационных технологий ИТМО Андрей Бойко.

Трехмерный автопилот позволит сократить время выполнения рутинных задач, например осмотр полей в сельском хозяйстве или мостов, тоннелей и аналогичных сооружений, так как дрон будет тратить меньше времени на развороты и уклонение от препятствий на большей скорости, отметил специалист.

Проблема развития альтернативной навигации очень актуальна, особенно в условиях применения БПЛА в помещениях, туннелях, крытых парковках и условиях воздействия РЭБ (радиоэлектронной борьбы), пояснил руководитель Центра компетенций НТИ «Геоданные и геоинформационные технологии» на базе МИИГАиК Кирилл Акулов.

— Особенно в таких случаях полезной может быть инерциальная навигация — метод, который не зависит от внешних сигналов и использует датчики на борту беспилотного средства для отслеживания его движения. В условиях, когда спутниковая навигация недоступна или ее сигнал подвергается воздействию, инерциальная навигация в сочетании с внутренними устройствами становится более надежным вариантом для определения местоположения объекта, — сказал он.

Повышенное подавление: новый комплекс защитит от БПЛА жилые кварталы и промышленные объекты

Его использование в населенных пунктах безопаснее, чем зенитно-ракетные комплексы, считают эксперты

Спутниковая навигация, которая работает с точностью до метра, не предназначена для работы в закрытых помещениях, поэтому специалисты уже много лет предлагают различные подходы для использования БПЛА в таких условиях. Однако пока они не нашли массового применения, так как это неоправданно с экономической точки зрения. Для работы таких систем нужны не только датчик на беспилотниках, но и приемники у пользователя. Трудно себе представить, чтобы их устанавливали на каждый смартфон. Однако для работы крупных логистических центров, которые располагаются на огромных площадях, такие разработки, как «Восток», могут быть востребованы, отметил член Рос­сийской ас­со­циа­ции кос­мо­нав­ти­ки К.Э. Циол­ков­ско­го Андрей Ионин.