Дрон в помощь! Где и как применяют дроны в гражданских целях

Небольшая вводная справка по теме:

В базе Росавиации по состоянию на 31 марта 2024 года числятся 97 560 беспилотников. Из них: 70 325 у физических лиц и 27 235 у юридических лиц.

Основное число заявок на регистрацию подано в Москве (2 083), Санкт-Петербурге (783) и Московской области (679), причем 95% заявок подается через Госуслуги. Всего же в ГК по ОрВД только в I квартале 2024 года обработали 10 757 заявлений на государственную услугу по государственному учету БВС.

Ни для кого не секрет, что в последние годы развитие беспилотных летательных аппаратов (БПЛА, БЛА, в разговорной речи – беспилотник, дрон) идёт семимильными шагами, и число сфер, в которых их используют, постоянно возрастает.

Что относится к БПЛА

К БПЛА относятся самые разные устройства:

• Крупногабаритные летательные аппараты: самолёты, вертолёты и т.д.
• Компактные устройства для аэрофото- и видеосъёмки. Как правило, такие аппараты приводятся в движение несколькими несущими винтами – от трех до восьми. По количеству винтов и называют такие аппараты, например, четырехвинтовые - квадрокоптеры.
• Устройства специального назначения.
• Устройства для перемещения полезной нагрузки и выполнения различных задач.

Изначально именно именно устройства специального назначения называли дронами, но постепенно так стали называть любые малогабаритные БПЛА, и различные коптеры, предназначенные для перемещения полезной нагрузки и выполнения гражданских задач.

В сегодняшнем материале мы расскажем именно о последней группе беспилотников – дронах, предназначенных для выполнения тех или иных задач в хозяйственных сферах.

Немного из истории первых дронов

Прежде чем перейти непосредственно к данной теме, небольшая историческая справка о развитии и применениях БПЛА

• 1917 – первый самолёт (биплан) с радиоуправлением, названный Sopwith Sparrow
• 1935 – первое зафиксированное использование термина «дрон»
• 1991 – японская компания KEYENCE CORPORATION выпускает первого в мире дрона бытового назначения с возможностью вертикального взлёта
• 2012 – Google X (в настоящее время – X Development) запускает проект Wing (англ. «Крыло») – проект по разработке беспилотных систем для доставки грузов
• 2013 – основана компания Flirtey (в настоящее время – SkyDrop), специализирующаяся на доставке дронами
• 2013 – первое использование БПЛА в поисково-спасательных работах

И теперь, в 2024 году, БПЛА применяются в огромном количестве сфер. Рассмотрим лишь некоторые применения.

Применение БПЛА для транспортировки грузов

Начнем с самого очевидного применения беспилотников – транспортировки грузов. Первопроходцем в этой сфере в коммерческом масштабе считается компания Google X – дочерняя компания Google. В 2012 году они запустили проект Wing, посвящённый разработке и применению дронов в доставке. В 2018 году Wing выделился в отдельную компанию.

Первые испытания БПЛА, разработанных Wing, были проведены в Австралии в 2014 году, и уже более десяти лет целью Wing является разработка и внедрение БПЛА, способных доставлять грузы (в частности, доставка со складов магазинов до конечного потребителя). Основным направлением разработки является уменьшение собственных веса и размеров дрона, увеличение переносимой полезной нагрузки, а также улучшение аэродинамических свойств. В 2017 году компания описывала свои успехи по проекту. Созданные ими беспилотники могли взлетать и приземляться вертикально, а в полёте могли развивать скорость до 120 км/ч. При этом размах их крыльев не превышал 1,5 м. Средняя дистанция полёта – около 10 км при высоте до 120 метров. Кроме того, Wing стремятся свести к минимуму шум, создаваемый их аппаратами, поскольку это важно, если дроны будут применяться в жилых районах. И при всём этом, на 2017 год дроны могли переносить лишь до 1,5 кг полезной нагрузки.

Важным аспектом, также требующим серьёзной работы, являлась задача автономности дронов. В 2017 каждый БПЛА дистанционно контролировался человеком на случай возникновения неполадок, но целью компании была разработка уже полностью независимой системы, способной функционировать в различных условиях и самостоятельно избегать препятствия.

В настоящее время Wing тесно сотрудничает с некоторыми американскими сетями магазинов. Совместно с Walmart в августе 2023 года Wing развернули широкую сеть по доставке в агломерации Даллас – Форт-Уэрт (штат Техас, США). Общее число домов в зоне доставки превышает 60 000, и в 2024 планируется расширение этой зоны.

Доставка грузов осуществляется следующим образом: заказчик через приложение Wing выбирает товары, которые хочет заказать (помимо Walmart’а, компания сотрудничает также с аптеками и другими магазинами), после чего заказ собирается и крепится к дрону. После этого беспилотник отправляется в путь, и на протяжении всего полёта можно отслеживать его перемещение. При достижении пункта назначения дрон зависает над точкой доставки и опускает груз при помощи лебёдки. Как только посылка касается земли или другой поверхности, лебёдка автоматически отцепляется, и БПЛА улетает.

На рисунке 2 показан внешний вид дрона Wing и его технически характеристики.

Несмотря на то, что система доставки дронами зарекомендовала себя достаточно неплохо, существуют определённые сложности.

В данный момент сеть доставки развёрнута только в регионах с относительно хорошим климатом (в Далласе, где расположены основные зоны доставки, дождливых дней около 30 в году, а солнечных – почти 200. Среднегодовая температура воздуха днём около +20°С). В более тяжёлых условиях (осадки, сильный ветер) для стабилизации дрона и полезной нагрузки потребуется утяжелять всю систему, что приведёт к увеличению размеров и массы, а также к удорожанию всей конструкции.

В Австралии, где долгое время располагалась одна из основных лабораторий Wing и проводились многие испытания, в 2021 году дроны подверглись многочисленным нападениям птиц, охранявших свои гнёзда, что привело к приостановке коммерческой деятельности компании в данном регионе.

Таким образом, доставка с использованием БПЛА – это перспективная отрасль, в которой, однако, имеется достаточно много сложностей, связанных с использованием беспилотников в некоторых регионах.

Применение дронов в поисково-спасательных работах и ликвидации пожаров

Во многих странах БПЛА в целом и дроны в частности всё чаще применяют при поисково-спасательных работах, а также при ликвидации пожаров. Дроны выполняют, преимущественно, роль «глаз» для спасателей. Например, при тушении пожаров, в качестве полезной нагрузки на беспилотниках закрепляют камеры и тепловизоры.

Такие «глаза» помогают определять очаги возгорания и слабые места конструкций до того, как пожарные зайдут на территорию пожара, что позволяет им не работать «вслепую». Помимо сканирования территории, дроны также позволяют находить людей и животных, нуждающихся в помощи. В некоторых случаях, например, при землетрясении, это просто необходимо, поскольку с помощью тепловизоров на дронах можно обнаружить людей под завалами, которых было бы невозможно быстро найти с земли.

Поисково-спасательные работы обычно делят на категории в зависимости от местности, в которой они проводятся:

• Воздушно-морские
• Наземные
• Горные
• Городские

Независимо от типа местности, БПЛА всегда выигрывают в мобильности: они могут преодолевать естественные и искусственные препятствия (горные хребты, завалы, сильный огонь, пробки на дорогах) и быстро достигать зоны происшествия. Особенно это важно, если неизвестно точное местоположение пострадавших людей и требуется провести поиски. Использование дронов позволяет спасателям быстрее обнаружить пострадавших и направиться непосредственно к ним.

Таким образом, к преимуществам применения дронов при поисково-спасательных работах всех видов относятся:

• Быстрое время реагирования. Дроны гораздо более мобильны, чем наземные отряды спасателей, что позволяет их использовать для предварительной разведки местности и ускорения оказания помощи людям.
• Возможность разведки с воздуха.
• Возможность использования различной полезной нагрузки. На БПЛА может быть установлена как обычная видеокамера, так и тепловизор или прибор ночного видения.
• Возможность мониторинга общего прогресса операции. В частности, оценка с воздуха площади пожара, состояния зданий и т.д.

Многие компании-производители дронов выпускают БПЛА, специально предназначенные для работы в сложных условиях эксплуатации.

Всё чаще выпускают беспилотники со встроенной системой искусственного интеллекта (ИИ) для автоматического распознавания целей поисков (например, пожарных или пострадавших людей). В некоторых случаях, помимо оптических систем, на дронах также размещают громкоговорители, что позволяет их использовать как мобильную систему вещания и координировать действия спасателей. На рисунке 3 показан пример такого дрона. В его состав входят тепловизор, камера для стандартной съёмки, а также, опционально, узко- или широкоугольная камера. Возможна также установка оптического модуля, в состав которого будет входить вспышка с мощностью светового потока до 2800 Люмен. На рисунке 3 на примере дрона также видно динамик, но он является опцией и не обязателен к установке.

Отдельно отметим роль, которую дроны играют в коммуникации между спасательными бригадами, что особенно важно на территориях, где коммуникационные системы разрушены (например, в областях, затронутых наводнением или землетрясением) или не проложены в принципе (например, в горной местности).

На рисунке 4 показан пример системы коммуникации с использование дронов: с одной стороны горы расположен командный пункт, где расположены антенны приёма и передачи сигнала, а также зона взлёта-посадки для дронов.

Беспилотные аппараты (летательные и наземные), а также самолёты, управляемые людьми, находятся вне прямой доступности сигнала с командного пункта (этому мешают расстояние и естественные преграды в виде гор).

В этом случае запускается ещё один аппарат, используемый в качестве ретранслятора – он принимает и передаёт дальше сигналы, поступающие из командного пункта, от беспилотных аппаратов и от самолётов.

Таким образом обеспечивается коммуникация между всеми спасательными единицами, участвующими в операции, и их координация, что позволяет быстрее и эффективнее завершить миссию.

В поисково-спасательных работах используют самые различные беспилотники. Выше мы уже показали пример компактного дрона, на котором устанавливаются видео- и фотокамеры, но это далеко не единственный тип БПЛА, используемый в данной сфере.

Также широко распространены более крупные, но гораздо более «выносливые» дроны, на рисунке 5 показан пример такого БПЛА. Размах его крыльев составляет 4,4 м при осевой длине корпуса 2,4 м, но время его полёта составляет 6 ч. Дальность полёта без потери связи с командным пунктом – до 6 км. То есть данный беспилотник позволяет проводить сканирование огромных площадей в течение относительно длительного времени. Для сравнения – время полёта приведённого ранее БПЛА, составляет всего 40 минут. Таким образом, при выборе дрона для участия в операции необходимо учитывать специфику задачи и местность, в которой она будет выполняться.

Рисунок 5 - БПЛА для поисково-спасательных работ

БПЛА в сельском хозяйстве

В сельском хозяйстве БПЛА также получают всё большее распространение.

Некоторые компании предлагают услуги по мониторингу состояния посевов и урожая, используя, в том числе, дроны для съёмки растений с близкого расстояния, чтобы вовремя отследить и предотвратить распространении болезней.

Одна из таких зарубежных компаний, Taranis, использует данные с беспилотников, спутников и самолётов, чтобы получить наиболее полные данные о состоянии посевов.

На рисунке 6 показан дрон, который использует данная компания для наблюдения за полями. Как можно увидеть – это стандартный компактный квадрокоптер (дрон с четырьмя пропеллерами) и кардановым подвесом, с установленной в нём видео- и фотокамерой.

На основе информации, полученной с дронов и спутников, искусственный интеллект через загруженные в него базы данных автоматически анализирует форму, цвет и общее состояние побегов, после чего фермеры могут увидеть результаты в мобильном приложении.

Помимо состояния непосредственно растений, дроны позволяют отслеживать некоторые показатели состояния почвы, например, влажность и особенности рельефа.

В последнее время также участились случаи использования БПЛА для засевания почвы. В Оксфорде был запущен проект BioCarbon Engineering (англ. – Биоуглеродная инженерия), направленный на восстановление лесов. Согласно информации в брошюре проекта, один дрон за раз может нести 150 семенных коробочек, скидывая по одной коробочке в секунду, что позволяет засевать по одному гектару за 20 минут. Согласно экспериментам, проведённым основателями и участниками проекта, отряд из двух операторов при использовании 10 дронов может сеять около 400 000 деревьев за день. Для того, чтобы выполнить цель проекта по восстановлению более 1 млрд деревьев, понадобится около 150 таких отрядов и срок около одного года. Но даже при таким сроках и ресурсах, это всё равно в 10 раз быстрее и на 85% дешевле по сравнению с методами засевания, используемыми сейчас (в среднем один человек может вручную посеять около 1500 деревьев в день). Аналогичный проект под названием Flash Forest в 2020 году был запущен в Канаде.

Кроме того, беспилотники используют для борьбы с насекомыми-вредителями и болезнями, особенно широкое распространение это получило в южно-восточной Азии. В Южной Корее, например, почти 30% от всех полей обрабатываются с помощью БПЛА. Но во многих странах такой способ обработки пока не получил широкого распространения, поскольку часть химикатов, сбрасываемых дронами, сдувает, и, например, в Канаде, проводятся дополнительные испытания на проверку безопасности подобных сбросов. Но в целом преимущества беспилотников в этой сфере очевидны: помимо покрытия больших территорий, им также проще обрабатывать труднодоступные территории, например, высокогорные чайные плантации.

Применение дронов для контроля ЛЭП

В некоторых странах начали активно применять дронов для контроля состояния линий электропередач (ЛЭП). Как и в других сферах, ключевой причиной для этого послужило снижение временных затрат и опасности для человека. Сотрудники, обслуживающие ЛЭП должны подниматься на вышки и обследовать провода, что иногда приводит к несчастным случаям из-за падений или поражения током. Применение в этой сфере БПЛА позволяет исключить подобные риски. Кроме того, использование беспилотников является во всех смыслах более выгодным: в зависимости от условий разведки и используемых дронов, в среднем экономические и временные затраты снижаются на 30-50%.

Дроны позволяют получать 3D-модели ЛЭП, их изображения с помощью тепловизоров, лидаров (от англ. LiDAR – Light Detection and Ranging), фото- и видеокамер.

На рисунке 7 показано изображение ЛЭП, полученное с использованием тепловизора. Ярко-жёлтая область в центре – место чрезмерного нагрева кабелей, который может быть вызван пробоем изоляции кабелей. Таким образом, использование беспилотников позволяет своевременно обнаруживать дефекты и устранять их ещё до того, как они начнут представлять реальную опасность.

Рисунок 7 - Изображение ЛЭП, полученное с помощью тепловизора

Ученые из Университета Южной Дании на базе дрона Tarot 650 создали робота, который способен находиться в воздухе практически неограниченное время. Предназначен он для инспекции ЛЭП, и от них же способен подзаряжаться благодаря специальному захвату. Как только беспилотник фиксирует низкий уровень заряда батарей, камеры и радар начинают искать ближайшую линию электропередач. Найдя её, дрон захватывает провод специальными направляющими, а затем надежно фиксирует контакт двумя эластомерными лентами. Как только сеанс зарядки завершен, захват открывается, и дрон продолжает дальнейшую инспекцию.

В целом, применение дронов для контроля состояния различных конструкций приобретает всё большее распространение. Мы не будем подробно рассказывать о каждой сфере, поскольку принципиально все системы мониторинга схожи, их используют по одним и тем же причинам (безопаснее для людей, экономия времени и средств), и зачастую отличаются лишь используемым оборудованием, поскольку для каких-то задач целесообразно применять тепловизоры, для других – лидары, а для третьих – достаточно фото- и видеокамер высокого разрешения.

К конструкциям, для контроля состояния которых применяют беспилотники, относятся, в том числе дорожные трассы, дамбы и городские постройки.

В сегодняшнем материале мы рассказали лишь о некоторых сферах применения БПЛА, но на самом деле их гораздо больше, и можно с уверенностью говорить о том, что их число будет только увеличиваться. Использование дронов позволяет сократить время и стоимость выполнения многих работ, а также уменьшить риск для здоровья и жизни человека.

При подготовке публикации были использованы открытые источники

А мы еще вернемся к Вам с новыми интересными материалами!

Смотреть другие материалы Блога

ШАХМАТЫ ИЗ ГАРРИ ПОТТЕРА - МАГИЯ ИЛИ РОБОТЫ

ПРИВОДНЫЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Приятного чтения, а мы уже готовим для вас новые интересные материалы!