Беспилотники и Data Science: техника и программирование
В этой статье мы расскажем, что такое дрон, как он устроен, какие виды беспилотников существуют, какие преимущества они имеют, как машинное обучение применяется в дронах и где они используются на практике.
Беспилотные летательные аппараты, или дроны, стали неотъемлемой частью современной жизни. Они используются в разных сферах: от развлечений и фотографии до сельского хозяйства и военных операций. Но за красивыми кадрами и полезными функциями скрывается сложная технология, которая требует знаний и навыков в области Data Science.
Что такое дрон
Дрон — это беспилотный летательный аппарат, который управляется дистанционно с помощью радиосигнала или автономно по заданному алгоритму. Дроны бывают разных размеров, форм и конструкций, в зависимости от цели и условий полета. Дроны могут нести на себе различные датчики, камеры, микрофоны, грузы и даже оружие. Дроны способны летать на разных высотах и скоростях, маневрировать в пространстве и обходить препятствия.
История создания дронов
Первые попытки создания беспилотных летательных аппаратов были предприняты еще в XIX веке. Так, в 1849 году австрийская армия использовала аэростаты с бомбами для бомбардировки Венеции. В 1910 году американский инженер Чарльз Кеттеринг разработал проект бомбы с крыльями, которая могла лететь по прямой без пилота. В 1917 году американцы Елмер Сперри и Питер Хьюит создали радиоуправляемую крылатую торпеду.
В 1930-х годах появились первые автопилоты, которые позволяли дронам летать по заданному маршруту. Во время Второй мировой войны дроны использовались для тренировки стрелков-зенитчиков, для разведки и для нанесения ударов по целям. После войны развитие дронов продолжалось в рамках холодной войны и космической гонки. В 1960-х годах появились первые спутниковые системы навигации, которые повысили точность и надежность полета дронов.
В конце XX века начался бум развития дронов благодаря появлению новых технологий: микропроцессоров, композитных материалов, цифровых камер, беспроводной связи и интернета. Дроны стали доступнее, компактнее, функциональнее и удобнее в управлении. Их начали использовать не только в военных целях, но и в гражданских: для развлечений, фотографии, видеосъемки, доставки, мониторинга и исследований.
Классификация дронов
Дроны можно классифицировать по разным признакам: по размеру, по типу конструкции, по способу управления и по назначению.
* Давайте рассмотрим некоторые из наиболее распространенных типов дронов.
Мультироторные дроны
Мультироторные дроны — это дроны с несколькими винтами (от двух до восьми), которые обеспечивают вертикальный взлет и посадку, а также маневренность и стабилизацию в воздухе. Это самый популярный тип дронов для гражданского использования, так как они относительно дешевые, простые в управлении и подходят для разных целей: от развлечений и фотографии до сельского хозяйства и спасательных операций.
Примеры мультироторных дронов: DJI Mavic, Parrot Bebop, Syma X5C.
Квадракоптеры
Квадрокоптер — это подвид мультироторного беспилотного летательного аппарата с четырьмя пропеллерами (винтами), который управляется пультом дистанционного управления. Обычно на нём стоит мини-камера для фото- и видеосъемки во время полета.
Примеры популярных квадракоптеров: DJI Mini 2, DJI Mavic Air 2, jjrc X12 Pro Aurora 3 KM, MJX MEW4-1 4K.
Дроны с неподвижным крылом
Дроны с неподвижным крылом – это дроны, которые имеют традиционную аэродинамическую форму самолета с крыльями и хвостом. Они не могут взлетать и садиться вертикально, а требуют взлетно-посадочной полосы или катапульты. Они имеют большую скорость, дальность и грузоподъемность, чем мультироторные дроны, но менее маневренные и сложнее в управлении. Этот тип дронов чаще используется в военных или научных целях, так как они могут летать на большие расстояния и высоты, переносить тяжелое оборудование и выполнять сложные задачи.
Примеры дронов с неподвижным крылом: General Atomics MQ-9 Reaper, AeroVironment RQ-11 Raven, Zephyr.
Однороторные дроны
Однороторные дроны — это дроны с одним большим винтом (как у вертолета) и одним или несколькими меньшими винтами для управления направлением полета. Они также могут взлетать и садиться вертикально, но имеют большую грузоподъемность и лучше справляются с плохой погодой, чем мультироторные дроны. Однако они более дорогие, сложные и опасные в эксплуатации, чем мультироторные дроны. Этот тип дронов редко используется в гражданских целях, а чаще в промышленности или специальных операциях.
Примеры однороторных дронов: Sikorsky Cypher, Schiebel Camcopter S-100, Yamaha RMAX.
Гибридные дроны
Гибридные дроны — это дроны, которые сочетают в себе элементы разных типов конструкций. Например, они могут иметь крылья для горизонтального полета и винты для вертикального взлета и посадки.
Преимущества беспилотных аппаратов
Беспилотные летательные аппараты имеют ряд преимуществ перед пилотируемыми, которые делают их востребованными в разных областях. Вот некоторые из них:
- Безопасность. Дроны могут летать в опасных или труднодоступных местах, где риск для жизни и здоровья человека слишком велик. Например, дроны могут использоваться для обследования поврежденных зданий, мостов, трубопроводов, линий электропередачи, для детекции и ликвидации взрывоопасных предметов, а также для мониторинга радиационного фона.
- Экономичность. Дроны обычно стоят дешевле, чем пилотируемые летательные аппараты, так как они имеют меньший размер, вес и потребление топлива. Кроме того, дроны не требуют затрат на обучение и содержание пилотов, а также на страхование и компенсацию в случае аварий.
- Эффективность. Дроны могут выполнять задачи быстрее, точнее и качественнее, чем человек, так как они не подвержены усталости, стрессу, эмоциям и ошибкам. Дроны также могут работать в режиме 24/7, в любую погоду и при любых условиях освещения.
- Гибкость. Дроны можно адаптировать к разным ситуациям и потребностям. Кроме того они используются в единственном экземпляре или группами (рой дронов).
Как в дронах применяется машинное обучение?
Машинное обучение(ML: Machine Learning) — это раздел Data Science, который изучает способы создания компьютерных систем, способных обучаться на основе данных и опыта без явного программирования.
Машинное обучение применяется в дронах для решения разных задач, таких как:
- Навигация. Для того, чтобы дрон мог летать по заданному маршруту или самостоятельно выбирать оптимальный путь к цели, он должен уметь определять свое положение в пространстве, измерять расстояния до объектов и препятствий, анализировать карты и сигналы GPS.
Для этого используются методы машинного обучения: компьютерное зрение, распознавание образов, локализация и картирование.
- Управление. Для того, чтобы дрон мог поддерживать свою стабильность и баланс в воздухе, а также выполнять разные маневры и действия, он должен уметь контролировать свои двигатели, сервоприводы и другие элементы.
Используемые методы машинного обучения: обучение с подкреплением, нейронные сети и генетические алгоритмы.
- Обработка данных. Для того, чтобы дрон мог собирать, передавать и анализировать данные с датчиков, камер, микрофонов и других устройств, он должен уметь обрабатывать большие объемы информации в реальном времени.
Применяемые методы Machine Learning: классификация, регрессия, кластеризация, аномалии и сегментация.
Где используются беспилотные дроны
Беспилотные дроны используются в разных сферах жизни и деятельности человека, например для образовательных организаций, в геодезии и картографии, для фото- и видеосъемки, для устранения пожаров, для поддержания порядка силовыми структурами, для предприятий поисково-спасательных команд, в лесном и сельском хозяйствах и много где еще.
Образовательные учреждения
Обучение студентов и школьников физике, математике, информатике, географии в современном мире становится куда интереснее: преподаватели используют дроны для демонстрации разных явлений и законов природы, проведения экспериментов и измерений, создания интерактивных карт и моделей.
Геодезия и картография
Измерение и отображение различных параметров земной поверхности, таких как высота, площадь, угол наклона, рельеф — это большой труд, если это делать человеческими руками. Беспилотники же облегчают эту задачу и создают точные и детальные карты и планы разных территорий, объектов и сооружений без потери времени и лишних человеческих ресурсов.
Тушение пожаров
Своевременное обнаружение и локализации пожаров, оценка степени опасности и распространения огня, доставка воды и пены на очаги возгорания, эвакуации людей и животных из зоны пожара — это то, что делается с помощью беспилотников гораздо быстрее и эффективнее. Это спасает природу и жизни.
Полиция
В развитых странах дроны применяются для поддержания порядка и безопасности на улицах, для пресечения преступлений и нарушений закона, слежки за подозреваемыми и преступниками, сбора улик и свидетельств.
Поиск и спасение людей
Дроны постоянно используют для поиска и спасения людей в случае аварий, катастроф, стихийных бедствий или военных конфликтов. Дроны способны обследовать разрушенные или затопленные зоны, находить пострадавших или пропавших без вести людей, доставлять им медицинскую помощь или продукты питания.
Лесное хозяйство
Управление и охрана лесных ресурсов, оценка состояния и здоровья деревьев, выявление и борьба с вредителями и болезнями, контроль за лесными пожарами, оптимизация лесозаготовки и переработки древесины — это короткий список того, в чем беспилотные летательные аппараты помогают в лесном хозяйстве.
Сельское хозяйство
В сельском хозяйстве дроны повышают эффективность сельскохозяйственного производства; производят мониторинг и анализ почвы, воды, растений и животных; определяют оптимальные параметры посева, удобрения, полива и уборки урожая. А также используются для борьбы с сорняками и вредителями, доставляют семена, удобрения и пестициды.
Рыбалка
Как улучшить качество и безопасность рыболовства? Как обнаруживать и отслеживать рыбные запасы? Как измерять температуру, соленость и уровень кислорода в воде? Как предотвращать незаконные рыбалки и браконьерства?Как спасать людей и судов в случае аварий или штормов? — Конечно же, с помощью дронов.
Инспекция линий электропередач
Дроны также нужны для обеспечения надежности и безопасности электросетей, для осмотра и диагностики состояния опор, проводов, изоляторов и других элементов линий электропередачи, для выявления и устранения повреждений, коротких замыканий и перегрузок, предупреждения аварий и отключений.
Мониторинг трубопроводов
Контроль за эксплуатацией и обслуживанием трубопроводов разного назначения: нефтяных, газовых, водопроводных — производится с помощью беспилотных устройств. Они могут проверять целостность и прочность труб, обнаруживать и локализовывать утечки, трещины, коррозию и другие дефекты, измерять давление, температуру и химический состав жидкостей и газов.
Мониторинг окружающей среды
Оценка и защита окружающей среды от разных видов загрязнений: атмосферного, водного и почвенного — производится за счет дронов, которые измеряют уровень загрязнения воздуха, воды и почвы разными веществами: тяжелыми металлами, радиоактивными элементами и органическими соединениями Дроны также контролируют состояние природных ресурсов: лесов, водоемов, животных и растений.
Автономная логистика
Еще одна сфера применения — автоматизация процессов доставки разных видов грузов: продуктов питания, лекарств, документов и посылок. Беспилотные летательные аппараты перевозят грузы на небольшие и средние расстояния, обходя пробки, препятствия и границы, сокращая время и стоимость доставки.
Военные цели
Дроны справляются и с военных задачами, такими как разведка и наблюдение за противником, нанесение точечных ударов по целям, поддержка и защита своих войск, разминирование и обезвреживание боеприпасов, эвакуация раненых и погибших солдат и другими целями, которые определяются обстановкой на фронте.
