Инженеры «МИСИС» создали революционное решение для навигации в компактных беспилотниках
Ученые кафедры инженерной кибернетики НИТУ МИСИС совместно со специалистами российской компании «Интеграл» разработали ультракомпактную навигационную систему НВ-микро для малогабаритных дронов. Многоступенчатая система фильтрации и устранения внутренних погрешностей значительно повышает точность расчета навигационных параметров даже при отсутствии сигнала от спутника.
Фото: МИСИС
Глобальная проблема
Согласно последнему докладу ООН, в 2022 году в мире голодало примерно 735 миллионов человек. Еще 2,4 млрд человек, что составляет почти 30% населения Земли, в прошлом году не имело стабильного доступа к продовольствию. По оценке экспертов, проблема нехватки еды продолжает обостряться в Африке, Западной Азии и регионе Карибского бассейна. Страны с максимальной смертностью от голода находятся в первую очередь в локациях с очень высокой плотностью населения, недостатком природных ресурсов и запретами на регулирование рождаемости.
Глобальные организации стараются помочь наиболее бедным странам и регионам, и до 2015 года им вполне удавалось планомерно снижать уровень хронического недоедания в мире. Хотя уже с 2015 года доля голодающих оставалась относительно неизменной, а с 2020 года показатели опять начали расти.
Среди ключевых факторов длительной нехватки продовольствия ООН указывает изменчивость климата, экстремальные климатические явления, такие как засухи и наводнения, а также конфликты и глобальный экономический спад. При этом многие эксперты согласны, что предоставление продовольственной помощи в такие бедствующие страны лишь помогает на время отсрочить самые худшие сценарии, так как там нет ни воды, ни плодородной земли.
И тем не менее, первоочередная глобальная мера борьбы с голодом – это поставка продовольствия в голодающие районы. Только одна Всемирная продовольственная программа, крупнейшая в мире гуманитарная организация, ежегодно обеспечивает около 4 млн тонн продуктов питания. Основная ее часть – это сельскохозяйственные продукты.
Сельское хозяйство сейчас остается одной из важнейших отраслей экономики, которая представлена практически во всех странах мира. По примерным подсчетам, в ней занято около одного миллиарда экономически активного населения Земли.
Курс на эффективность
Технологический уровень ведения сельского хозяйства многократно вырос за последние тысячелетия. Люди перешли от плуга и сохи к селекции и генной инженерии. Это позволило колоссально увеличить производительность всех форм отрасли. Сегодня ученые выводят новые виды растений и животных, которые имеют более высокую устойчивость к вредителям и болезням. Появляются более эффективные способы контроля урожайности, в том числе с внедрением искусственного интеллекта.
Например, научная концепция точного земледелия использует данные о существующих неоднородностях в пределах каждого конкретного поля. Фермеры собирают информацию, чтобы лучше планировать высев, рассчитывать нормы внесения удобрений и средства защиты растений, а также точнее предсказывать урожайность. Все это в общем счете значительно упрощает финансовое планирование сельского хозяйства и увеличивает его эффективность.
Для оценки и детектирования полей применяют самые разные технологии. Например, системы глобального позиционирования, аэрофотоснимки и снимки со спутников, программы на базе геоинформационных систем и технологий искусственного интеллекта.
Другая передовая технология, которую успешно внедрили в сельскохозяйственную отрасль, основана на беспилотных летательных аппаратах (БПЛА). Дроны помогают составлять цветовые карты полей для точного земледелия, по которым фермеры могут контролировать рост и быстро обнаруживать проблемные места. Зачастую их данные более точные в сравнении с изображениями со спутников, поскольку беспилотники летают намного ближе к поверхности.
Дроны повсюду
БПЛА также успешно используют для мониторинга состояния почвы, с их помощью составляют схемы дренажа и засушливых мест, чтобы эффективнее планировать и использовать полив. Датчики дронов позволяют оперативно анализировать соленость почвы и уровень основных микроэлементов – азота, калия и фосфора. В итоге фермеры могут более эффективно распределять удобрения и использовать их только там, где это действительно необходимо.
Также беспилотники нашли применение в опрыскивании и опылении растений, что особенно актуально в труднодоступных горных районах. Быстрые и точные летательные аппараты могут активно бороться с вредителями, уничтожая их с помощью пропеллеров, или постоянно следить за набегами диких животных, предупреждая фермеров о попытках уничтожить урожай.
По данным экономических экспертов, в 2022 году объем мирового рынка сельскохозяйственных дронов уже составил более 13 миллиардов долларов. А к 2030 году планируется, что он вырастет до 65 миллиардов долларов при ежегодном темпе роста около 25%. Стартапы, предлагающие инновационные решения, появляются практически каждый день.
Правительство России в сентябре 2023 года установило в 12 регионах страны экспериментальный правовой режим в сфере цифровых инноваций по эксплуатации сельскохозяйственных беспилотных авиационных систем. В течении трех лет на территории Республики Татарстан, Алтайского и Ставропольского краев, Новосибирской, Саратовской, Тамбовской и других областей будут внедряться технологии защиты растений от вредителей с помощью беспилотников. Этот пилотный проект должен стать началом масштабной технологической реновации в области отечественного сельского хозяйства.
Компактность важнее качества
Зачастую новые технологии и передовые разработки упираются в физические возможности БПЛА. Например, нельзя сделать беспилотник весом два килограмма, если его пропеллеры могут поднять груз до одного килограмма. Это вводит ряд ограничений для инженеров, проектирующих дроны.
Другая проблема, с которой часто сталкиваются в строительстве БПЛА, – искажение навигационных показателей вследствие сильного нагрева электроники или внешней вибрации от вращающихся пропеллеров. Это особенно актуально для малогабаритных дронов, где система управления и навигации часто занимает почти все свободное пространство. А непосредственная близость механических частей негативно влияет на точность работы электроники.
Модуль с единой структурой позволяет существенно уменьшить размеры и массу всего электронного блока за счет использования микроэлектромеханических (МЭМС) датчиков. Это специальные системы, объединяющие микроэлектронные и микромеханические компоненты. Обычно возможные погрешности в работе таких МЭМС-датчиков корректируют вибрационными амортизаторами, а также с помощью методов программной компенсации ошибок от температурного воздействия. Приходится жертвовать точностью ради компактности.
Точность на новом уровне
Революционное решение для навигации в БПЛА предложили инженеры Национального исследовательского технологического университета «МИСИС» (НИТУ МИСИС) совместно со специалистами российской компании «Интеграл». Они разработали сверхкомпактную навигационную систему НВ-микро специально для малогабаритных беспилотников.
«Навигационная система НВ-микро – это ультракомпактное навигационное устройство на основе МЭМС-датчиков для определения углов крена, тангажа и путевого угла объекта. При наличии сигнала от внешнего приемника спутниковых навигационных систем, НВ-микро дополнительно вычисляет линейную скорость объекта, координаты и его высоту. Более того, даже после потери сигнала спутника устройство поддерживает вычисление координат объекта в течение некоторого времени», – объясняет разработчик системы, старший преподаватель кафедры инженерной кибернетики НИТУ МИСИС, главный конструктор компании «Интеграл», Дмитрий Пазычев.
Система НВ-микро использует особый алгоритм расчета параметров, который основан на классическом алгоритме навигации. Но российские инженеры дополнили его многоступенчатой системой фильтрации и устранения внутренних погрешностей при получении сигнала от спутника. Это в итоге помогло обеспечить оптимальную точность и минимальные задержки при расчете параметров навигации дронов.
Еще НВ-микро позволяет корректировать выходные параметры от внешнего магнитометра, системы воздушных сигналов или внешнего датчика пройденного расстояния. Это значительно улучшает точность расчета навигационных параметров даже при отсутствии сигнала от спутника.
При этом новое устройство включает в себя систему температурной стабилизации для двух МЭМС-датчиков. Это позволяет повысить точность и надежность показаний во всем диапазоне температур: от −50°С до +70°С, а также избавляет от необходимости в сложных и дорогостоящих процедурах калибровки.
С помощью таких дополнительных устройств можно даже создавать целый навигационный комплекс, который обеспечит расчет положения и координат беспилотника с высокой точностью в различных условиях его эксплуатации.
Инженеры НИТУ МИСИС провели испытания новой системы навигации на легкомоторном самолете. Результаты подтвердили точность НВ-микро даже при выполнении фигур высшего пилотажа, а также высокие динамические характеристики.
Передовые характеристики в сочетании с экономичностью электронной системы делают ее выгодным и практичным выбором для будущих поколений компактных дронов, которые имеют строгие ограничения по размеру и массе.
Ученые полагают, что уже в ближайшее время навигационную систему НВ-микро начнут использовать при разработке малогабаритных БПЛА сельскохозяйственного назначения, а также вариантов для мониторинга наземной инфраструктуры, например, трубопроводов или линий электропередачи.
