`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Андрей Зубинский

«Нет смысла»? Тем более, интересно.

+99
голосов

Помнится, я писал об одном мероприятии, на котором если не приговором, то констатацией суровости нашей реальности не раз звучали слова «проектировать своё нет смысла». Причём речь шла о довольно простых (что значит это «довольно» и будет объясняться далее) и интересных устройствах. О дронах.

Задолго до этого события мне было очевидно, что взрыв роста интереса к простым дронам и моментальное (за год где-то) перемещение их из категории исследовательских приборов в товар (ещё и с ценовой планкой ниже установленной рынком для средне хорошего смартфона, товара эталонно массового) означает относительную простоту проектных процессов.

Вот и стало интересно попробовать на досуге пройти своим путём по той же дороге – если кто-то может, то, почему, не я (причём "поход"  серьёзный, от компонентного уровня, без всяких готовых узлов).

Попробую поделиться не столько деталями (не потому, что жалко, - они никому не интересны, у каждого свой подход к решению каких-то задач), сколько тем информационным базисом, который оказался необходим. Он не страшный и вполне «подъёмный» даже в режиме «работы для души, по вечерам».

Прекрасно понимаю, что дроны востребованы сейчас, будут востребованы ещё больше – мы мало что сельскохозяйственная страна, с огромными площадями плодородных земель, на нашей территории располагаются уникальных масштабов транснациональные системы, вроде резервированных магистральных газопроводов, создававшихся ресурсами всего СССР десятилетиями (и только совсем наглые и глупые лжецы могут обещать быструю замену этому уникальному) - всё это требует заботы и ухода, а где большие площади – там и потребность в дешёвом, дёшево летающем и не требующем массовой подготовки каких-то уникальных профессионалов.

Если вы внимательно прочитали предыдущий абзац, вы должны понять – в нём фактически прозвучало то, что называется «техническим заданием». Неявно, но оно там есть (для того этот абзац вообще попал в текст).

В наших специфических условиях дроны должны быть «расходным материалом». Исключительно технологичным (причём, с учётом доступной небольшим компаниям производственной базы – никто не станет рисковать масштабными инвестициями в производство совершенно нового высокотехнологичного продукта для внутреннего рынка), требующим минимума производственных операций с короткими логистическими цепочками, опирающимися на поставщиков компонентов, умеющих работать с мало- и среднесерийными производителями.

Впрочем, лучше по порядку. Мы будем говорить о дронах одной схемы – многовинтовых, с числом винтов, большим двух. Трикоптеры, квадрокоптеры, гекса- и октокоптеры, и так далее. Все они потому так быстро прижились и перешли из экспериментальных устройств в товар, что довольно просты, очень технологичны и, что главное, их технологичность соответствует производственным возможностям малых и средних компаний при небольших объёмах производства (если присмотреться к рынку, подтверждение этому можно увидеть невооружённым глазом, именно такие компании его и формируют). Единственный существенный недостаток этих дронов – малое время полёта.

Как всегда в инженерии, если что-то характеризуется одним известным недостатком, способы устранения этого недостатка будут найдены. Можно говорить, что этот недостаток многовинтовых дронов потенциально устранён – системы питания на основе топливных элементов позволяют довести полётное время квадрокоптера до почти трёх с половиной часов (по крайней мере, канадская Energyor об этом заявляет, как о новом мировом рекорде, и никаких поводов сомневаться в их заявлениях нет).

«Нет смысла»? Тем более, интересно.

Квадрокоптер-рекордсмен c системой питания, основанной на топливных элементах, Energyor

А раз принципиальное решение есть, то ответ на вопрос сначала заключается только в деньгах, позднее – в принятии «дроновой промышленностью» (вот здесь есть действительно трудное в разрешении противоречие между стоимостью дрона и ограничением гос.регуляторами дальности полёта коммерческих дронов дальностью прямой видимости оператором).

Небольшое отступление об этом безусловно важном недостатке (в реальности аппарат с полётным временем 15 минут полезен разве что для развлечения) предназначено сугубо для «самооправдания», чтобы не бояться доводов «они недолго летают, потому возиться с их проектированием смысла нет». Будут они долго летать :)

Основных проблем у конструктора многовинтового дрона, по моему скромному мнению «конструирующего дилетанта», всего две. Первая – изобилие бессистемных тематических материалов (следствие массового любительского подхода) и нехватка «систематического подхода к проектированию», вторая – специфика малых медленных летательных аппаратов, на которые очень долго никто не обращал внимания, настолько долго, что буквально 15 лет назад начали появляться теоретические работы, посвящённые аэродинамике поверхностей при очень низких числах Рейнольдса (менее 10.000), да и просто малые значения этого фундаментального параметра (100.000 – 150.000) тоже не относятся к «классике».

Аэродинамика всегда была, выражаясь чудовищным языком агитплаката, «на службе у военных», а там всегда нужно было как можно быстрее, включая гиперзвуковые скорости, и как можно больше (что в смысле полезной нагрузки, что в неизбежных габаритах). В общем, сверхмалые летательные аппараты были уровнем любительских кружков творчества, баловством и немного – спортом.

Есть третья проблема, но она весьма условна – диспропорция в многовинтовых дронах между ролями разных -ware: soft-, hard- и aero-. Если в классических радиоуправляемых моделях самолётной или вертолётной схемы aero- и hard- составляли чуть ли не 90%, то в многовинтовых дронах картина строго противоположная (кстати, потому и масса конструкций хоть и летает, но далеко не так хорошо, как это возможно – дрономания заманила в свою область море «больше программистов, чем инженеров», а оставшиеся 10% составляющей многовинтового дрона программно компенсировать невозможно, увы).

Все эти соображения возникли не на пустом месте, конечно, а из приличного периода ознакомления с предметной областью и «мучений» всяких летающих многовинтовых изделий. После этого периода «чужие игрушки» стали неинтересными, захотелось поиграть в другие и свои. Так как ни о какой «науке» и «исследованиях» речь идти не может (нет ресурсов, времени и вообще смысла), лучше всего было найти тех, кто уже прошёл путём системного проектирования сверхмалого многовинтового аппарата. Путём, который учитывает вибрационные характеристики несущей конструкции, аэродинамические – её же и винтов, etc. Это оказалось не так просто, но и не невозможно.

В журнале Unmanned Systems, Vol. 2, No. 2 (2014) есть немаленькая (21 страница) статья «Systematic Design and Implementation of a Micro Unmanned Quadrotor System» (авторы - Swee King Phang, Kun Li, Kok Hwa Yu, Ben M. Chen, Tong Heng Lee, все из Национального Университета Сингапура). Я не буду приводить конкретные ссылки, всё перечисленное в формате pdf нетрудно найти по приведенным данным. Статья посвящена проектированию совсем крохотного квадрокоптера (с полётным весом всего 100 граммов, но высотой полёта до 100 метров). Она полезна и интересна подходом к структурному проектированию аппарата, снижающим передачу вибраций на систему инерциальной навигации. А также общей, «с нуля», проектной картиной бортовой электроники (из-за очень маленьких габаритов и веса применение готовых узлов оказалось неприемлемым решением). Советую всем, кто берётся за N-коптеры, внимательно изучить эту статью, незачем изобретать новые проектные подходы, если кто-то за вас это уже сделал, и сделал хорошо. Она весьма ценная, и, например, подсказывает, что совершенно не обязательно использовать какие-то хитрые композитные материалы для рамы, радикально это ничего не улучшит, поможет понять, например, какие распространённые дешёвые алюминиевые профили рациональны в качестве материала рамы и как оценить вибрационные свойства конструкции.

Пропеллеры и их взаимодействие с элементами конструкции дрона – пожалуй, то главное aero-, что есть в многовинтовых дронах. И есть упомянутая в самом начале специфика – низкое значение числа Рейнольдса. Как ни странно, но и в этой области уже есть доступные работы (и я очень сомневаюсь, что бесчисленные, особенно китайские, производители комплектующих для N-коптеров сильно уж «заморачивались» оптимизацией своих изделий). «Low Reynolds Propellers for Increased Quadcopters Endurance», диссертация автора со звучным именем Isa Diana de Sousa Baptista Morais Carvalho, посвящена как раз решению задачи расчёта профилей пропеллеров, соответствующих специфике N-коптеров (число Рейнольдса в пределах 5.000-100.000). Конечно, это уже специфика, требующая знаний аэродинамики, но, как оказалось, вполне «подъёмная» для подготовленного инженера (правда, требующая довольно много времени). Но если уж браться за что-то, то упускать из вида основной аэродинамический элемент N-коптера никак нельзя. Потери от неэффективных пропеллеров, особенно для N-коптеров, проектирующихся для продолжительных полётов (с относительно «медленными» пропеллерами большого диаметра), могут «съедать» до 30% заряда батарей.

«Ориентация» пропеллеров в реальной конструкции. Удивительно, но хорошо известно, доказано теоретически и практически, что пропеллеры N-коптеров (в частности, квадрокоптеров) более эффективны при расположении их ниже рамы аппарата, в «толкающем» режиме (выигрыш в энергоэффективности может доходить до 15%). Теоретическое обоснование есть, например, в статье «Modelling and Control of a Quad-Rotor Robot» (авторы - Paul Pounds, Robert Mahony, Peter Corke, Национальный Университет Австралии), на практике это подтверждается производителями профессиональных дорогих аппаратов для коммерческого использования, с большим временем полёта, яркий представитель - Aeryon SkyRanger (заявленное и подтверждённое полётное время, при традиционной аккумуляторной системе питания, без топливных элементов, - 50 минут):

«Нет смысла»? Тем более, интересно.

Большинство производителей предпочитают «классическую компоновку» с пропеллерами над рамой, при которой меньше нагреваются двигатели (они обдуваются воздухом пропеллером, отсюда в том числе и потери эффективности), меньше рисков при посадке сломать пропеллеры (массовый рынок квадрокоптеров пока остаётся «развлекательным» и потому исключающим какие-либо специальные требования к потенциальным пользователям) и для них проще (читай – дешевле) рамы.

Выбор числа пропеллеров. Совершенно удивительная область. Фактически никакого систематического изучения отыскать не удалось, только отдельные материалы. Из них понятно одно – чем больше винтов и чем меньше их диаметр, тем хуже для конструкции, которая должна долго летать. Увы. В общем, теория и практика доказывают, что лучше дешёвый и хороший квадрокоптер, чем дорогой и не очень хороший октакоптер с соосными винтами (зато последний может быть более надёжным при выходе из строя одного из двигателей, хотя и это потенциальная возможность). А дальнейшими исследованиями пусть занимаются университетские команды.

Обязательной для изучения является и ставшая неоклассической работа Мэтью Уоттсона (Matthew Watson) «The Design and Implementation of a Robust AHRS for Integration into a Quadrotor Platform» (2013 год, Университет Уорик, Meng Electronic Engineering). Аббревиатура AHRS (Attitude And Heading Reference System) на деле означает ту самую систему инерциальной навигации, но в современном исполнении (с MEMS-гироскопами, акселерометрами и магнетометрами) и интегрированную с обязательной собственной подсистемой sensor fusion – предварительной «подготовки-улучшения» потока данных от сенсоров. Достойная титулов Университета Уорик работа, очень хорошо написанная, доступная и многократно подтверждённая практикой.

Для N-коптеров система инерциальной навигации (AHRS) – ключевая, потому что она является и фундаментальной системой стабилизации. А в ней ключевые узлы – гироскопы, акселерометры и (в меньшей мере) магнетометры. Все эти узлы в малых N-коптерах обычно используются в MEMS-исполнении (грубо говоря - в виде микросхем). Это недорогие и доступные компоненты. Но их параметры далеки от даже от «просто хороших» для решения задач стабилизации N-коптера и, особенно, для точного полёта по программе, в полностью автоматическом режиме. На рынке есть, конечно, готовые модули AHRS, относящиеся к классу tactical grade, но их стоимость такова, что о той самой первой задаче проектирования (дрон как расходный материал) лучше раз и навсегда забыть (речь идёт о тысячах и десятках тысяч долларов). Любой инженер знает принцип получения нового качества за счёт параллельного использования N узлов одного типа, в некоторых случаях этот принцип работает. Поэтому есть смысл сразу проверить ответ на вопрос – возможно ли улучшение характеристик AHRS за счёт использования N однотипных MEMS-сенсоров (в первую очередь, гироскопов)? Оказывается, и таким кто-то занимается. И если этот подход принципиально и подтверждённо на уровне прототипов работает, то он претендует на использование в хорошей конструкции (шесть-восемь микросхем по $10 каждая – это, всё-таки, ощутимо дешевле, чем tactical grade инерциальный модуль). К слову, это область, где вполне можно сказать «своё слово», здесь есть что делать (например, даже хорошо подготовленным студентам). Но в целом, здесь всё понятно, благодаря следующим работам:

  • «Signal Processing of MEMS Gyroscope Arrays to Improve Accuracy Using a 1st Order Markov for Rate Signal Modeling», в открытом бесплатном доступе, Sensors 2012, 12 (авторы – Chengyu Jiang, Liang Xue, Honglong Chang, Guangmin Yuan, Weizheng Yuan)
  • «Combining Numerous Uncorrelated MEMS Gyroscopes for Accuracy Improvement Based on an Optimal Kalman Filter», IEEE Transactions On Instrumentation And Measurement (авторы - Honglong Chang, Liang Xue, Chengyu Jiang, Michael Kraft, Weizheng Yuan)
  • «A new approach to better low-cost MEMS IMU performance using sensor arrays», Institute of Navigation GNSS+ 2013, 16-20 September 2013 (авторы - Henry Martin, Paul Groves, Mark Newman, Ramsey Faragher)

TBC 

+99
голосов

Напечатать Отправить другу

Читайте также

Отличная статья. И большое спасибо за ссылки. У меня вопрос следующего плана - для полётов на большой высоте за пределами прямой видимости управляющего потребуется -хорошая- видеосистема способная при этом отрабатывать картинку в режиме реального времени. Как с этим обстоит дело?

я ещё не закончил :)
там дело не столько в видео, сколько в канале
ну и ограничения по высоте всё равно будут, мелкие высотные дроны могут очень много гадостей авиации сделать

всё будет ещё

оффтоп по поводу злых применений - мелкий высотный дрон с возможностью видео записи в жилых кварталах под управлением какого-нибудь извращенца тоже спокойствия не добавит

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT