Комплекс SkyWatch для автоматического мониторинга территорий

Предпосылки создания комплекса

Компания «Совзонд» работает на рынке дистанционного зондирования Земли уже более 25 лет и постоянно наблюдает за развитием технологий. Еще совсем недавно заказчиков приходилось убеждать в эффективности беспилотных аппаратов, а сегодня уже можно решать вопросы оптимизации цикла аэросъемочных работ и разрабатывать новые полезные нагрузки — дроны прочно вошли в рабочий процесс множества предприятий в различных отраслях.

Ситуация на рынке БПЛА кардинально изменилась в период 2015–2017 гг. Буквально за несколько лет дроны прочно вошли в ежедневный обиход практически во всех сферах: от развлечений для школьников и студентов до промышленного использования на предприятиях. Ключевым фактором колоссального роста рынка БПЛА стал серийный выпуск широкого модельного ряда любительских и промышленных дронов, в том числе китайским гигантом DJI, — беспилотники резко стали доступнее и дешевле. Относительно невысокая цена, легкость освоения, постоянно обновляющееся программное обеспечение (ПО), официальное гарантийное обслуживание и способность к модификации открыли пользователям ряд новых возможностей.

Возникла потребность разработать технологию, которая бы исключила пилота из процесса мониторинга территорий и автоматизировала большую часть работы, что и привело к созданию автоматизированной станции управления дронами — SkyWatch. Идея разработки станции управления принадлежит Александру Павловичу Макарову, директору по автоматизации компании. Еще работая в ВИСХАГИ и занимаясь аэросъемкой, он мечтал автоматизировать бо́льшую часть этого процесса. Тогда для аэросъемки применялись самолеты и аналоговые камеры, и это не представлялось возможным.

Сейчас существует масса технологий, позволяющих создавать самых разных роботов. Основная идея компании заключалась в том, чтобы разработать комплекс, который будет автоматически выполнять заданные миссии и даст возможность управлять им удаленно.

Отличительные характеристики и задачи

SkyWatch обеспечивает автономную работу БПЛА мультикоптерного типа. Это российский продукт, на данный момент не имеющий аналогов на мировом рынке. Существует и несколько других зарубежных и российских зарядных станций для дронов, но у них есть ряд существенных минусов, которые не позволяют получить данным продуктам широкое распространение:

• Виды подключения у станций разные, но суть одна — зарядка требует значительного времени.
• К определенной станции подходит только конкретный дрон (как правило, не серийного производства).

Конструкторское решение компании «Совзонд» позволило избежать этих проблем при создании прототипа:

• SkyWatch меняет аккумуляторы, а не заряжает дрон. Происходит это за считанные минуты в полностью автоматическом режиме. Робот может заряжать замененные аккумуляторы как у себя на борту, так и в ангаре.
• SkyWatch обслуживает серийных дронов. Это значит, что замену дрону, разбитому резким порывом ветра, можно приобрести в любом магазине бытовой техники.

Комплекс (рис. 1) управляется через единый интерфейс специально разработанного ПО. Связь с дроном осуществляется через роботизированную станцию, которая также отдает команды на выполнение миссии. Автоматизированная станция способна работать как в индивидуальном порядке, так и в составе сети станций.

Рис. 1. Автоматизированный комплекс для непрерывного мониторинга территорий SkyWatch

Процесс мониторинга происходит следующим образом. Площадки SkyWatch равномерно распределяются по территории, где будут осуществляться работы. Оператор, который находится в офисе, формирует миссии и отправляет на станции — задания выполняются автоматически, по расписанию. В любой момент мониторинга оператор может вмешаться и перевести управление в ручной режим.

Рис. 2. Базовая станция обслуживания SkyWatch

Состав комплекса:

• базовая станция обслуживания (автономный робот-манипулятор, рис. 2–3);
• три квадрокоптера DJI Phantom 4 Pro (возможно использование других аппаратов);
• ПО SkyWatch Flight Control;
• ангар с зарядной станцией на 15 аккумуляторов.
  
  

  Рис. 3. Доставка БПЛА на место взлета

Базовая станция обслуживания состоит из следующих модулей: подвижной платформы на гусеничном ходу, зарядной стойки на три аккумулятора, специализированного подвижного портала для захвата и подъема квадрокоптера на платформу, вертикально-поворотной перемещающейся башни с захватами для аккумулятора, видеокамерой и устройством для чтения карт памяти, а также встроенной метеостанции.

Квадрокоптер Phantom 4 Pro — один из наиболее популярных и доступных БПЛА мультироторного типа для профессиональной съемки. Дрон оснащен четырьмя датчиками сканирования препятствий, снимает видео качества 4К и 60 fps и способен транслировать видео на 7 км.

ПО SkyWatch Flight Control обеспечивает автономную работу комплекса SkyWatch и управление всеми системными процессами. Кроме того, оно может использоваться для планирования и выполнения съемок территории в автоматическом режиме.

Ангар представляет собой защитный модуль для хранения и зарядки комплекса SkyWatch. Он оснащен зарядной станцией на 15 аккумуляторов для их оперативной замены в квадрокоптерах, системой видеонаблюдения и фиксации различных событий, а также охранной сигнализацией. Ангар может вмещать до трех квадрокоптеров типа Phantom 4 Pro.

В зависимости от оснащения БПЛА (полезная нагрузка: камера, датчики) возможно решение следующих задач:

• непрерывный мониторинг территории с целью получения актуальной пространственной информации — ортофотопланов М 1:2 000 и 3D-моделей;
• видеосъемка объектов с прямой трансляцией или записью данных;
• контроль ведения строительных работ;
• обеспечение безопасности — контрольный облет периметров охраняемых территорий или любой сложный маршрут вокруг зданий («летающая камера-охранник»);
• анализ состояния объектов инфраструктуры (нефтегазовые объекты, горные разработки, крупные предприятия и др.);
• тепловизионная съемка объектов;
• анализ качества воздуха;
• контроль движения транспорта;
• различные специфические и отраслевые задачи (в сельском хозяйстве, при чрезвычайных ситуациях и др.).

Применение в сельском хозяйстве

Наиболее востребован комплекс для решения задач сельскохозяйственной отрасли. Давно отработанная технология контроля состояния посевов по данным космической съемки нашла свое применение и в части использования БПЛА. Рынок уже наполнен миниатюрными мультиспектральными камерами, позволяющими получать 4- или 5-канальные снимки с высоким пространственным разрешением (до 6,8 см/пикс на высоте полета 100 м), определять состояние растительности на всех стадиях вегетации, потребность в удобрениях и многое другое (рис. 4). Постоянно растущий рынок БПЛА и возможность их модификации показали перспективность создания воздушного комплекса сельскохозяйственного мониторинга, который сможет приобрести любое агропромышленное предприятие.

Рис. 4. Мультиспектральная камера MicaSense RedEdge M

Решение должно было отвечать следующим критериям: простота изготовления и эксплуатации и низкая цена. В качестве базового носителя был выбран дрон DJI Phantom 4 (Pro).

Вес комплекта составляет чуть менее 300 г, что никак не влияет на продолжительность полета самого дрона, а особенности конструкции позволяют использовать одновременно две камеры: установленную мультиспектральную и стандартную камеру дрона.

Таким образом, за один полет дрон способен выполнять две важные задачи: мониторинг состояния растительности и создание высококачественной пространственной основы (рис. 5). Итоговая стоимость такого комплекта составляет приблизительно 400 000–600 000 руб. в зависимости от выбранной модели камеры, что в 2–3 раза дешевле предлагаемых отечественных аналогов. Комплексы для агропромышленных предприятий успешно продаются уже целый сезон и получают положительные отзывы.

Рис. 5. Карта вегетационного состояния культур на основе индекса NDVI

Интерес к данному комплексу активно проявляют также нефтегазовые компании, которым требуется осуществлять мониторинг трубопроводов с определенной периодичностью в труднодоступных местах. Уже давно хотят оперативно получать пространственную основу высокого качества без необходимости подготовки штатных пилотов и кадастровые службы. Кроме того, заинтересованы в непрерывном мониторинге периметра промышленные предприятия и охранные организации. Также перспективным для выполнения работ в условиях, опасных для жизни человека, видят комплекс в МЧС.

Существующие проблемы

Конечно, сегодня эксплуатация дронов связана с рядом проблем и ограничений. Ключевой вопрос этой отрасли — разрешительный порядок организации полетов. На эту тему ведутся оживленные дискуссии, которые показывают, что трудности есть, но они преодолимы. В качестве основной проблемы, относящейся к теме статьи, стоит выделить отсутствие или низкую квалификацию кадров, осуществляющих эксплуатацию беспилотных летательных аппаратов. Более 80% всех крушений происходят из-за неопытности пилота. Сегодня дроны DJI уже имеют штатный автопилот, позволяющий создавать миссии и летать в автоматическом режиме без участия оператора, но под его контролем. Это снижает риск крушения, однако без пилота все равно не обойтись. Еще одна проблема — необходимость присутствия пилота на территории съемки. Для этого приходится учитывать и логистику, и транспортные расходы, и зависимость от погоды.

Комплекс SkyWatch будет способствовать улучшению условий труда пилотов, которые сейчас вынуждены выполнять тяжелую и сложную работу. Профессия пилота беспилотного аппарата появилась совсем недавно, но в текущем виде на долгое время не сохранится. В связи с этим можно привести в пример эволюцию профессии токаря в оператора ЧПУ, когда труд стал более производительным и интеллектуальным, но при этом не обесценил накопленные знания. Так и в нашем случае: пилот превратится в оператора станции управления, способного контролировать не один, а множество дронов одновременно.

Планы на будущее

Прототип комплекса SkyWatch недавно был продемонстрирован на ряде выставок. Сейчас готовится к запуску серийное производство, но при этом процесс улучшения продукта продолжается. Будет произведена доработка роботизированной платформы, что позволит комплексу не только обслуживать дроны в пределах выделенной площадки, но и самостоятельно добираться до места выполнения работ в радиусе 10 км от точки базирования. В этом году будет реализована система дистанционного управления оператором, а в 2019–2020 гг. — создана автономная беспилотная роботизированная платформа, оснащенная набором датчиков и сенсоров, какими сейчас снабжены беспилотные автомобили.