КОНСТРУИРУЕМ АВИАРОБОТА часть1

Александр БАРСУКОВ
Москва
Специально для журнала РАДИОЛЮБИТЕЛЬ

Авиароботы для видеосъёмки с высоты 

Введение

Изображенный в левой части рис. 1 аппаратик стал сенсацией 2004 года как самый миниатюрный в своём классе воздушный робот – его вес составил всего 13 граммов. Передаваемые по радиоканалу изображения с установленной на нём микрокамеры заставили с новой силой зазвучать разговоры о том, что скоро некуда будет деваться от шпионящих за людьми летающих минироботов. Чтобы добавить в этот сюжет элемент реализма мы совместили с фотографией миниавиаробота еще один кадр (справа), где на первый взгляд ничего не понятно (что характерно для подобных ракурсов). Но это и есть реальная видеосъёмка с высоты. Сделана она, правда, не летящей, а стационарной, закреплённой на потолке видеокамерой, наблюдающей за действиями кассирши. Показательно, что тема денег часто присутствует, когда речь идёт о «виде сверху». Для «большой экономики» одно из важнейших – геоинформационное применение: это территории, ресурсы, строительство, коммуникации и всё остальное, что требует точного определения координат. Коль скоро данная тема рассматривается в журнале «Радиолюбитель», важно отметить, что съёмка местности с высоты необходима для составления цифровых карт при планировании сетей радиосвязи. Причем чем подробнее такая цифровая карта, тем точнее можно учесть влияние рельефа местности и характера привязанных к ней объектов на распространение радиоволн. В частности, для небольших ячеек сотовой сети (размеры которых не более нескольких сотен метров) затухание сигнала можно оценить по расположению зданий, конфигурации улиц и т. п. Учитывая, что задачей на ближайшую перспективу является внедрение новых стандартов беспроводной связи (в том числе, для применения в мобильных роботах), характеризующихся относительно малым радиусом действия и критичностью к рельефу, съёмка местности с высоты приобретёт еще более важное значение.

Относительно частной сферы, мы не утверждаем, что в недалёком будущем летающие видеокамеры будут следовать по пятам за каждым. Тем не менее, интерес к воздушной видеосъёмке растёт так же, как к подводной. Хотя это очень специфическая съёмка с непривычными взгляду ракурсами.

Рис. 1. Слева  — помещающийся на ладони минивертолёт FR—II корпорации Epson c радиоканалом Bluetooth, по которому передаются команды и изображения; два светодиода по команде оператора подают сигналы, чтобы встречные уступали дорогу.

 Справа — система наблюдения за кассирами, разработанная фирмой «Вольта Груп»: решение видео-документарного контроля кассовых операций. Например: за полную тележку продуктов пробивается кассовый чек, не соответствующий количеству товара. Или: кассир берёт у покупателя деньги и, вместо того, чтобы пробить чек, нажимает на «Сброс» – в итоге покупатель уходит без чека, а кассир присваивает деньги. Это нарушения можно легко увидеть сверху.

Рост продаж цифровых фото- и видеокамер, совершенствование технологий (в частности, режима видеосъёмки в фотокамерах), снижение цен приводят к увеличению армии фотовидеолюбителей. И пропорционально ей растёт число интересующихся видеосъёмкой с высоты – убедиться в этом можно, зайдя на форумы авиамоделистов. Поговорив со многими людьми, мы выяснили любопытную вещь: у них хоть раз в жизни была ситуация (некоторые её вспомнили, правда, лишь после наводящего вопроса), когда была нужна была фото- или видеосъёмка с высоты. Самый распространённый случай тоже относится к геоинформатике, только для личных целей: нужен качественный цветной фотоснимок собственного дачного участка и желательно прилегающих к нему соседних. Это помогло бы более рационально планировать на нём работу, да и с опытом соседей всегда полезно сравнить – ведь с высоты птичьего полёта такие вещи выглядят более реалистично, чем с высоты собственного роста. У кого-то была ситуация, когда трудно было найти в лесу заблудившегося человека или даже домашнее животное. Имеющие отношение к сельскому хозяйству говорили, как хорошо бы в новой экономической ситуации заменить пилотируемую сельхозавиацию беспилотной. Творческие люди, особенно кинематографисты сказали о виде с неба, как об источнике новых творческих находок: вспомним заключительные кадры фильма Тарковского «Солярис». И так далее – вплоть до совсем уж экзотических вариантов, но о них как-нибудь в другой раз.

Появление FR-II, на самом деле, не причуда конструкторов. Это – естественный эволюционный процесс развития человека, повышение возможностей его зрения и рук. Иметь в распоряжении мобильные видеокамеры, дистанционно управляемые по радиоканалу, человек подсознательно хочет уже давно. Вот фантастический рассказ английского писателя Уильяма Тенна «Срок авансом»: по сюжету, был украден патент на изобретение таких ТВ-камер и это стало поводом для мести:

«Две камеры выпорхнули из рук операторов – одна повисла над заключенными, другая быстро задвигалась над их лицами: операторы управляли ими с помощью маленьких пультов, умещавшихся на ладони».

Учитывая, что рассказ был написан в середине прошлого века, когда габариты и вес телевизионных камер были огромны, рассказ действительно кажется смелым пророчеством. Но он же и доказывает, что конструкторская мысль пойдёт дальше в этом направлении – вплоть до достижения идеала. У всех разное понимание этого идеала, разные требования к качеству, разные финансовые возможности. Поэтому мы будем стараться рассказать обо всём, ориентируясь на лучшее, а уж те, кому надо выберут то, что им надо, исходя их критериев качества и надёжности.

Часть I.

Весной 2001 года автор этих строк присутствовал на церемонии открытия IV Московского фестиваля каскадёров «Прометей». Всё было по-настоящему: лестницу Театра Российской Армии выстлали ковром, по которому должны были пройти костюмированные персонажи – переодетые в пиратов и герцогинь каскадёры. Церемонию сверху, метров с 10-ти снимал радиоуправляемый вертолёт, команды на маневрирование которому подавались с наземного поста. Длина вертолёта была около метра, объём двигателя – 5,5 куб. см, полётное время – всего несколько минут. Съёмка велась «вслепую» с закреплённой на фюзеляже видеокамеры формата DV – что, правда, говорит о неплохом качестве видеоматериала, так как этот формат приравнивается к профессиональному в определённых жанрах и поэтому кадры съёмки предназначались для презентационных роликов о фестивале. Из диалога с «киноавиамоделистами» выяснилось, что они собираются приобрести более мощный радиоуправляемый вертолёт и снимать более качественно. Что ж: это полноправный вид бизнеса – видеосъёмка с высоты торжественных мероприятий, например, свадеб, чтобы потом взглянуть на себя глазами Всевышнего. Правда, подвыпившие гости могут начать кидаться в вертолёт опустошаемыми бутылками – но это спортивное состязание за отдельную плату.

Энтузиастами воздушной видеосъёмки стали многие их тех, кто понимает ограниченность возможностей видеоряда, создаваемого в горизонтальной плоскости традиционными методами – скудность новостных сюжетов на нашем телевидении это доказывает. Поэтому на Западе воздушная видеосъёмка – растущая ветвь кинотелевизионного бизнеса и для неё создаётся очень дорогостоящая техника (рис 2). Мы порой видим снимаемые с американских вертолётов кадры задержания преступников в прямом эфире, и это, действительно, впечатляет.

 Рис. 2. Специализированный вертолёт R44 Newscopter фирмы Robinson Helicopter, обеспечивающий высококачественную видеосъёмку с передачей изображения в прямой эфир, оснащен гиростабилизированным телевизионным комплексом кругового обзора, включающим цифровую ТВ-камеру Ikegami HL-59NA, имеющую возможность вращения на 360 град., разрешающую способность по горизонтали 650 твл (16:9) или 700 твл (4:3), разрешающую способность по вертикали 400 твл; чувствительность камеры — 2000 лк @ f1.1, минимальная освещенность — 0,25 лк @ f1.4. Объектив с переменным фокусным расстоянием Canon J21 х 7.8, кратность изменения фокусного расстояния – 21х (42х с увеличителем). Дополнительные миникамеры, установленные на фюзеляже, позволяют оператору контролировать окружающее пространство, чтобы подобрать подходящий ракурс.

Однако, есть ситуации, когда условия съёмки требуют миниатюрной и малошумящей техники, способной работать ювелирно. Например, съёмка представителей животного мира. Так, 9 января 2000 г. в эфире CNBC прошел документальный фильм о жизни голубей в Нью-Йорке. Установленная на миниатюрном вертолёте камера смоделировала картину, воспринимаемую глазом хищного сокола, нацеленным на скопление голубей в Центральном парке Нью-Йорка. В этом вертолёте, разработанном в Массачусетском технологическом институте (Лаборатория систем информации и принятия решений) и заслужившем прозвище «акробат» (рис. 3), заложены решения, помогающие делать разнообразные профессиональные воздушные видеосъёмки.

Рис. 3. «Вертолётная команда» авиаробота MIT.

Обычно говорят о роботах, как таковых, но роботы еще и компонент многих современных производств. В частности – кинотелевизионного, где необходимо, чтобы участники съёмочной группы продуктивнее взаимодействовали, максимально облегчить управление киновидеотехникой.  Сейчас, например, монтируя кадры подводных съёмок, за невозможностью заснять вблизи опасную сцену с акулами (для этого нет еще тех же роботов, достаточно совершенных), стали комбинировать “живое видео” с компьютерной графикой. А еще раньше такая проблема возникла при съёмках “космических” фильмов, создаваемых в быстро меняющейся виртуальной среде, куда надо было “встроить” живых персонажей. Традиционная техника не позволяла оперативно отслеживать трёхмерные перемещения и приходилось даже делать съёмку по одному кадру. Понадобилась новая съёмочная техника, обеспечивающая быстроту перемещений, точность съёмки и устойчивость кадра. Появились роботизированные операторские системы, способные с переменной скоростью следить за объектом автоматически и в любом направлении, стабильно удерживая объект в кадре, снимая его с различных точек. Координаты XYZ камеры при панорамировании, выдвижении стрелы операторского крана, наклоне камерной головки автоматически синхронизируются с программой трёхмерной графики.

В полёте всё меняется так же стремительно, как при киносъёмках «Звёздных войн» и поэтому закономерен интерес операторов беспилотных летательных аппаратов (БЛА) к компьютерным играм-авиасимуляторам. Видеокамера движется со скоростью летательного аппарата: как там распределить роли режиссёра, кинооператора, пилота, чтобы следить и за полётом, и за кадром и за сюжетом? В примере с фестивалем каскадёров это был один человек в трёх лицах. Но там можно было сделать один общий план с произвольным панорамированием – фестиваль всё же каскадёров. В примере же с голубями надо было точно смоделировать полёт сокола, придерживаясь определённой траектории. Как ни мал вертолёт FR-II, но в нём постарались предусмотреть возможность программирования траектории полёта. Точно так же и в MIT в своё время принялись за серьёзную доработку своего вертолёта.

Были разные варианты: вертолёт взлетал и приземлялся от ручного дистанционного управления; пилот после взлёта управлял изменением скорости, поворотами, направлением полёта, а автопилот поддерживал заданные высоту, скорость, предохранял от бокового скольжения (или соскальзывания на крыло). Затем степень автономности повысилась: в режиме автономного полёта вертолёт направлялся к waypoint правой зоны, одновременно набирая высоту со скоростью 1,5 м/с. Достигнув этой «промежуточной точки», вертолёт разворачивался и летел к левой waypoint. Набрав высоту 90 м, вертолёт ускорялся до 12 м/с и выполнял фигуру высшего пилотажа. Следующий шаг к автономности – выполнение «восьмёрки», сформированной четырьмя waypoints с выполнением фигур воздушной акробатики. На рис. 4 – органы управления вертолётом MIT. Любителям таких авиасимуляторов, как «Ил-2 Штурмовик», «Пирл-Харбор» и т. п. эта картинка напомнит управление играми, а знатокам авиации встретятся знакомые слова: такие, как “pitch” — угловое движение летательного аппарата относительно горизонтальной оси.

 Рис. 4. Панель интерфейса

И всё же, это управление не виртуальным истребителем, а реальным авиароботом. А в робототехнике своя терминология, и с точки зрения лингвистики, она полна парадоксов (так же, как в своё время компьютерная терминология).

Слово “робот” изначально придумано для обозначения андроида, который работает. Но как раз андроиды не работают: они склонны либо позировать на выставках (в реальной жизни), либо устраивать бунты (в художественных произведениях). И напротив: выполняющие сегодня ответственнейшую работу беспилотные летательные аппараты обозначаются словом «drone». Еще в англо-русском словаре, выпущенном в 1971 г. издательством «Советская энциклопедия», это слово переводилось двояко: как «телеуправляемый самолёт» и как «трутень» либо «тунеядец».

Терминология, употреблявшаяся в материалах Массачусетского технологического института, отражена на панели управления – например, «roll». Внести ясность в трактовку помогла «Concise Encyclopedia of Robotics» (рис. 5), составленная Стэном Гибилиско, автором ряда книг по электронике.

Рис. 5. «Краткая энциклопедия робототехники» содержит 400 терминов и свыше 150 иллюстраций

«Roll” в энциклопедии Гибилиско – одна из трёх разновидностей движения, которые robotic end effector может производить. Это форма движения вращения, отличающаяся от pitch и yaw, которые, соответственно, есть две другие разновидности движений роботов. End effector – тоже специфический robotic термин, означающий устройство или инструмент (применение зависит от намеченной задачи), присоединённые к окончанию robot arm. Понятно, что когда речь идёт о роботе-вертолёте, слово «arm» тоже имеет свой смысл. То есть, в описании полёта вертолёта-робота имеет значение не столько сам вертолёт, сколько то, что делает главный по отношению к решаемой задаче исполнительный элемент, и его действия в данном случае как раз и описывает термин «roll».

Термин «waypoint”, по Гибилиско, является составляющим понятия «метрическое планирование траектории». Речь идёт о схеме робонавигации, по которой машина пытается найти оптимальный путь между двумя точками. В общем смысле, данный процесс требует «компьютерной карты» окружающего пространства, содержащей все возможные (или вероятные) маршруты, которые робот может предпочесть в своём движении от точки старта к конечной точке. В идеале, робот выберет один и только один оптимальный путь между «точкой старта» и «точкой цели» — исходя из соображений минимизации затрат времени или затрат энергии. Карта для этого должна содержать максимум подробностей об окружающей обстановке на пути следования объекта: эта информация и помогает определиться с waypoints – промежуточными узловыми точками. Теперь перейдём к рис. 6: там приведена структура управления вертолётом, в которой заметно преобладает слово «servo».

 Рис. 6. Блок-схема управления вертолётом MIT

Обратимся снова к книге Гибилиско: термин «servomechanism».

Это специализированное устройство для управления по обратной связи. Сервомеханизмы используются для управления механическими агрегатами, такими как моторы, рулевое управление и роботы. В роботах сервомеханизмы используются широко. Управляющая система робота может приказать сервомеханизму совершать движение по определённым траекториям, в зависимости от сигналов, подаваемых сенсорами. Составные сервомеханизмы, будучи взаимосвязанными и управляемыми компьютерами последних поколений, могут выполнять сложные задачи – такие, как приготовление пищи. Группа сервомеханизмов, включающая совокупность электронных цепей и аппаратного обеспечения и предназначенная для выполнения специальных задач, составляет сервосистему.

Компьютер может управлять сервосистемой, составленной из многих сервомеханизмов. Например, беспилотный автоматический боевой самолёт может быть запрограммирован взлететь, достичь цели, вернуться и приземлиться. Сервосистема может быть запрограммирована выполнять работу сборочного конвейера и другие задачи, которые предполагают повторяющиеся движения, точность и продолжительность.

Серворобот – это робот, чьё движение запрограммировано в компьютере. Робот следует инструкциям, выдаваемым программой и на этом основании точно выполняет свои движения. Сервороботы могут быть категоризированы в соответствии с траекторией их движения. При continuoous-path motion механизм робота может быть остановлен где-то вдоль его пути. При point-to-point motion робот может быть остановлен только в определённой точке пути.

Таким образом, в принципе, заранее распланировав мизансцену и раскадровку, заложив в программу ориентиры, с авиаробота можно снять даже панораму сражений в кинофильме «Война и мир». Авиаробот будет сам  осуществлять трансфокацию, отслеживать движение всадника и т. п. Видеооператор будет лишь корректировать съёмочный процесс, а режиссёру останется в процессе съёмок только обдумывать спич для церемонии вручения «Оскара». Такие технологии во многом разработаны, но «в железе» их пытаются воплотить пока только для боевой беспилотной авиации, поэтому мы рассмотрим несколько примеров и из военной области.

Термины «pitch» (тангаж) и «yaw» (рысканье) применяются к авиароботам уже не менее полувека – встретились они и в материале по QH-50D (рис. 7): это робот-вертолёт, оснащаемый самонаводящимися торпедами. Созданы разные варианты QH-50D, на которых камеры дневного и ночного диапазонов играли ключевую роль. Например, стояла задача дать возможность оператору обнаружить и идентифицировать цель, а затем авиаробот даёт лазерное целеуказание истребителям-бомбардировщикам, чьи боевые системы управляются по лазерной наводке от авиаробота (впоследствии он был вооружен ракетами LARS, чтобы самому поражать цель по команде своего оператора). Телекамера высокого разрешения на QH-50D (вариант «Ночная газель») сопряжена с автоматическим 40-мм гранатомётом ХМ129 для уничтожения живой силы; благодаря камере оператор может прицеливаться.

Рис. 7. Авиаробот морского базирования QH-50D фирмы Gyrodyne

По БЛА QH-50D есть статистика, приведённая военным лётчиком Л. Вяткиным — данные по катастрофам: из 750 аппаратов, принятых на вооружение ВМФ США, 362 разбились из-за конструктивных дефектов, в том числе – из-за самопроизвольного отключения аппаратуры управления. Конечно, многовато, но, во-первых, это было очень давно, на аппаратуре 60-70 гг. прошлого века, когда еще шла война во Вьетнаме (проект QH-50D планировался к участию там в боевых действиях). Во-вторых, ни один экипаж не погиб. Эти цифры помогают оценить риск катастрофы при воздушных съёмках и понять, что страшнее: упадёт ли радиоуправляемый вертолётик и помнёт газон или, если будет снимать видеооператор с настоящего вертолёта, тот может рухнуть на густонаселённые кварталы с полными горючего баками.

Рис. 8: эволюция дистанционно управляемых авиароботов фирмы Westland – видно, что последняя по хронологии модель имеет корпус с эффективной отражающей поверхностью – «антирадарной».  На этой серии вертолётов была опробована электронная система стабилизации полёта с целью повышения качества видеосъёмки (по радиоканалу передавались кадры как дневной, так и ночной съёмки). Вторая слева модель – “Wisp” продемонстрировала это качество, передав на землю панораму одного из международных авиасалонов

А в связи с антирадарным мотивом рис. 8 коснёмся еще одной темы. В январе наш журнал был участником проводившейся в Государственной Думе РФ пресс-конференции, посвященной форуму «Технологии безопасности». Казалось бы: больше всего должны были говорить об угрозе терроризма. Оказалось – совсем немного. Наибольшее количество вопросов было задано журналистами на тему захвата предприятий: весьма распространённого в нашей стране явление, требующего предварительного сбора информации – в том числе, о территории предприятия. Так вот, тех, кто захочет применить для этого воздушную видеосъёмку с БЛА, сразу предостережем: если кто планирует использовать беспилотный вертолёт в преступных целях или просто летать, где не положено, существует противоядие (рис. 9).

 Рис. 9 – мобильная твердотельная радиолокационная станция “Каста-2Е1” (ФГУП “Муромский завод радиоизмерительных приборов”). РЛС предназначена для контроля воздушного пространства, определения дальности и азимута малоразмерных воздушных объектов – самолётов, вертолётов, дистанционно-пилотируемых летательных аппаратов и крылатых ракет, летящих на малых и предельно малых высотах, на фоне интенсивных отражений от подстилающей поверхности, местных предметов и гидрометеообразований. Передающее устройство – транзисторное. Диапазон волн – дециметровый. Пределы работы: по дальности – 5-150 км, по азимуту – 360 град., по высоте – до 6 км. Период обзора пространства – 5 и 10 с. Дальность обнаружения воздушных объектов, летящих на высотах: 100 м – до 58 км, 1000 м – до 105 км. Коэффициент подавления отражений от местных предметов – 52 дБ.

Если всё же видеосъёмочному БЛА удалось подлететь достаточно близко, его можно засечь с помощью систем обнаружения оптики (рис. 10).

 Рис. 10. Разработки НПЦ “Транскрипт”. Справа – ручной прибор обнаружения оптики прицелов, видеокамер, биноклей, фотоаппаратов и т. д. “Мираж-Р” с дальностью обнаружения до 1000 м. Справа – стационарная телевизионная система обнаружения оптики “Мираж” с дальностью обнаружения до 2000 м; поле зрения прибора – 4 или 8 град, допустимый уровень внешней освещенности – 100000 лк.

И уже тогда в отношении БЛА могут начаться действия, описанные в книге Александра Бушкова “Охота на пиранью”:

“Слева, на большой высоте, их догонял какой-то странный аппарат – без хвоста, без колёс, без лыж, больше всего смахивающий на толстый синий ананас, над которым подрагивает туманный круг винта…

Мазур припал на одно колено, ведя стволом вслед за проворной машинкой. Выстрел. Второй. Третий…

Синяя машинка дёрнулась в воздухе, рывком провалилась вниз, метров на десять, попыталась выровняться. Четвёртый выстрел. Длиннющие, тонкие лопасти замерли, вертолётик рухнул метрах в тридцати от Мазура…

…Размером с приличный ананас, оттого-то звук мотора и казался непонятным, странным, игрушечным чуточку. И всё равно опасным, как гремучая змея. Радиоуправляемая штучка – в последние годы такими, самой разной величины, усиленно вооружаются и армия, и полиция и даже журналисты…”

По поводу этой цитаты скажем что электролёты, подобные FR-II, сбить из стрелкового оружия будет не так просто: не зря к ним применим еще один термин – «микромехатроника». У нас тоже стараются не отстать в области микромехатроники: например, в Лаборатории робототехники и мехатроники ИПМ РАН разработаны микромоторы со скоростью вращения 30000 rpm, имеющие диаметр статора 0,2-2,0 мм и длину статора 2-4 мм. Да и в те годы, когда Westland и Gyrodyne разрабатывали и создавали вышеописанных авиароботов, в нашей стране не отставали даже на любительском уровне. На рис. 11 – радиоуправляемая модель вертолёта, чертежи которого давным-давно были опубликованы в журнале «Моделист-конструктор» (автор материала – В. Слепков, мастер спорта СССР). Как и его массачусетский собрат, он обладал скороподъёмностью до 1,5 м/с. Вес аппаратуры – 515 г. О той современной электронике управления, которую можно «уложить» в этот вес, мы будем говорить в дальнейшем.

Рис. 11. Модель вертолёта с двигателем 2,5 куб. см. (полётная мощность двигателя – 0,25 лс.) и диаметром окружности винта 1940 мм летала еще в 1977 г., а впервые подобная модель была продемонстрирована в 1959 г. на Всесоюзных соревнованиях

Продолжение следует

© РАДИОЛЮБИТЕЛЬ