Под сводами дворца: создай свой дрон

Свои паяльные станции и летное поле

Лаборатория состоит из двух частей: исследовательской аудитории и собственного летного поля. В первой студенты и преподаватели разрабатывают и проектируют беспилотники, а во второй занимаются их пилотированием. Основное оборудование – ​аппаратные и приборные комплексы квадрокоптеров, современное программное обеспечение, 3D-принтеры. На последних печатают даже крупные элементы, например, части крыла, корпусов, рам. В лаборатории установлены мощные компьютеры для систем автоматизированного проектирования (САПР), симуляторы и тренажеры, есть зона для пайки, оборудованная специальными столами, вытяжками и паяльными станциями.

Сначала студенты создают трехмерную модель, готовят ее на 3D-принтере, согласовывают чертежи и применяют конструкцию на квадрокоптере. Они могут сами выбрать, что сделать – ​коптер с базовым двигателем или гоночный дрон. Наставники курируют проект от идеи до реализации. Например, сейчас два магистра в качестве дипломных работ создают собственные гоночные дроны, которые будут обладать большой скоростью и стабильной ориентацией в пространстве.

Во второй части лаборатории – ​летное поле и трасса для пилотирования, включающая различные элементы – ​ворота разных размеров, стартовые площадки, поворотные флаги. Здесь студенты тестируют свои решения. Практика позволяет понять, насколько устойчиво будет вести себя квадрокоптер, какой груз он способен нести, какими будут грузозахват и полетный режим. Важно, что в лаборатории можно моделировать реальные объекты транспортной инфраструктуры. Например, во время работы над дипломным проектом одна из магистранток смоделировала участок уличной дорожной сети и подготовила программное решение, которое позволяет исследовать надежность дорожного покрытия.

От разработки до роевых полетов

На базе лаборатории реализуют новые компетенции. На профиле «Эксплуатация авиационных беспилотных систем» разрабатываются новые модули, аппаратные и приборные части, грузовые контейнеры, пилотирование. Профиль «Летающая робототехника» учит автономно управлять несколькими беспилотными аппаратами и программировать их. Упор делается на автономное управление, мониторинг и прикладные задачи, когда оператор управляет авиационной беспилотной системой на расстоянии, пишет программный код, получает данные и потом их обрабатывает. Модули заданий по летающей робототехнике включают роевые запуски – ​когда несколько устройств работают в единой связке.

Николай Майоров, директор Института аэрокосмических приборов и систем ГУАП

«В нашей лаборатории студенты моделируют полетные режимы, пишут программные коды по групповому управлению, чтобы в рое каждый коптер мог решать свои задачи. Это довольно сложно, ведь нужно так запрограммировать аппараты, чтобы каждый из пяти-шести коптеров выполнял свою задачу или вместе они осуществляли групповой полет. Например, на открытии лаборатории два квадрокоптера поднимали флаг университета. Таким образом, летающая робототехника направлена на разработку роевых решений. Она способна справиться с задачами по перевозке грузов, сбору информации, видеомониторингу. На практике это применяется для сбора динамических данных о транспортных системах, объектах инфраструктуры, земной поверхности и преобразования их в цифровые транспортные модели», – ​объясняет директор Института аэрокосмических приборов и систем ГУАП, доктор технических наук Николай Майоров.

Оба направления – ​«Эксплуатация беспилотных авиационных систем» и «Летающая робототехника» – ​связаны между собой: специалисту по роям нужно понимать конструкцию квадрокоптера, а специалисту по эксплуатации – ​знать языки программирования, чтобы реализовать роевые решения.

В ГУАП по направлению «Летающая робототехника» можно проходить обучение на международном курсе Aerial Robotics. Он идет полностью на английском языке. Студенты решают реальные индустриальные задачи международного уровня, что значительно улучшает их практические навыки. Также в вузе внедряют подготовку с помощью движения WorldSkills: студенты сдают демонстрационный экзамен, где решают задачи по доставке грузов, создают оптимизационную модель и реализуют ее. На выходе получаются специалисты, знающие и теорию, и практику.

Работа студента в программном симуляторе полета квадрокоптера

Примеры реальных задач

Главное преимущество Лаборатории эксплуатации беспилотных авиационных систем – ​в том, что там студенты могут создавать реальные проекты для индустрии. Например, сейчас проектируют специализированный грузовой квадрокоптер, который может выдерживать большую полезную нагрузку и перевозить внушительные тяжести. В лаборатории также решают исследовательские задачи по перевозке объектов, требующих сохранения постоянного температурного режима, в том числе минусовых температур. Это своеобразные термосы-холодильники.

На базе лаборатории функционирует Центр управления полетами. Он позволяет из помещений корпуса ГУАП на Большой Морской улице в Адмиралтейском районе Петербурга подключаться к площадке, которая находится в корпусе на улице Гастелло в Московском районе, и в режиме реального времени наблюдать за тестовыми полетами. Получается, что разработчик может находиться на расстоянии, но полет будет выполнен, а данные получены – ​это позволяет проводить всероссийские соревнования и международные турниры. Уже два года в ГУАП проходит финал всероссийской олимпиады Кружкового движения НТИ по профилю «Летающая робототехника». Основная цель олимпиады – ​найти талантливых молодых специалистов и дать им возможность решать актуальные технологические задачи, максимально приближенные к реальным вызовам, использовать оборудование и реализовать свой инженерный потенциал для создания новых технологий.

Пример реализации группового полета на учебных наборах беспилотных авиационных систем

В 2021 году олимпиадники должны были провести инвентаризацию склада и доставить товары: для этого студентам пришлось провести мониторинг склада и определить тип товаров, отметить их разными цветами, затем товары доставляли на дрон-поинт. Задание включало в себя техническое зрение, распознавание цветов, цифр и других объектов, вычисление координат и различные математические операции. Код для полета дронов конкурсанты писали из дома, при этом они могли пользоваться оборудованием лаборатории: летающими робототехническими платформами, 3D-принтерами и программным обеспечением.

Кроме того, в лаборатории проходил чемпионат BRICS Future Skills Challenge, в котором участвовали конкурсанты из России, Бразилии, Китая, Индии и ЮАР. Они дистанционно программировали дроны и управляли ими на полетных трассах. Оценивала выполнение заданий экспертная команда по эксплуатации беспилотных авиационных систем. Участники должны были собрать информацию, систематизировать ее и выдать в качестве технического отчета.

Юлия Антохина, ректор ГУАП. new.guap.ru

Ректор ГУАП, доктор технических наук, профессор Юлия Антохина: «Наш университет чутко реагирует на изменения и запросы индустриальных компаний и партнеров. Один из таких запросов – опережающая подготовка кадров в области беспилотных авиационных систем. Еще в 2016 году на кафедре системного анализа и логистики создали востребованную магистерскую программу “Интеллектуальные транспортные системы”. В этом же году в университете открылась специализированная Лаборатория интеллектуальной транспортной инфраструктуры, где решают актуальные задачи по разработке цифровых решений для транспорта, исследуют транспортные системы с помощью имитационного моделирования и создают проекты в области беспилотного транспорта. С развитием этого направления открылась и Лаборатория беспилотных авиационных систем. В ней проводятся чемпионаты движения WorldSkills по компетенции “Эксплуатация беспилотных авиационных систем” и международные образовательные курсы по направлению “Летающая робототехника”. Именно благодаря такой лаборатории многие футуристические идеи индустриальных компаний и исследователей находят практическую реализацию. Магистры и аспиранты ведут здесь исследования, ставят эксперименты, собирают аналитические данные для научных работ. В лаборатории организуются конкурсы, семинары и выставки. Сотрудники лаборатории и кафедры активно участвуют в развитии компетенции “Летающая робототехника” движения WorldSkills, благодаря чему ГУАП значительно продвинулся в разработке роевых решений».

Разработчики будущего

Область летающей робототехники будет активно развиваться. Она позволяет получать динамические данные, которые сложно добыть человеку. Квадрокоптеры обеспечивают высокое качество информации, большой угол обзора.

«Наши выпускники могут разрабатывать приборные комплексы для беспилотников, систем управления движением и навигацией, а также новые конструкции. Востребованы роевые решения для шоу дронов, для МЧС, когда использование коптеров позволяет обезопасить сотрудника во время техногенных катастроф и аварий, а также они применяются в транспортных системах, на складах. Именно беспилотники дают возможность получить динамические данные для исследования и модернизации транспортных процессов.

Подготовка кадров в лаборатории позволяет свести к минимуму адаптацию молодого сотрудника на предприятии, ведь он уже знаком с оборудованием. Получая навыки сборки, пилотирования, настройки автономного управления, студенты проходят полный производственный цикл и могут быстро приступить к решению практических задач», – ​считает Николай Майоров.

Студент проводит настройку учебной беспилотной авиационной системы для выполнения модуля задания

Сложно сказать, когда такие дроны начнут применяться в повседневной жизни, – ​это зависит не только от исследований, но и от законодательной части, организации воздушного пространства, безопасности полетов. Пока все решения тестируются на закрытом исследовательском летном поле. Это позволяет подготовить разработчика, проектировщика и программиста роевых решений, но для повседневного использования дронов необходима инфраструктура. Пока она отсутствует во всем мире, но обязательно появится в ближайшем будущем.