КАК ВЫБРАТЬ БЕСПИЛОТНИК ДЛЯ КАРТОГРАФИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Смирнов А. (МИИГАиК): как выбрать беспилотник для картографических задач

Представляем вниманию читателей статью А.Смирнова, менеджера Отдела Технической Поддержки фирмы «РАКУРС» и аспиранта кафедры фотограмметрии МИИГАиК. В статье описаны все важные технические характеристики моделей беспилотных летательных аппаратов, их влияние на получаемый результат, приведены расчеты производительности и нормативные документы, описаны критерии выбора БПЛА для решения определенных картографических задач.

Классификация БПЛА

При выборе беспилотных систем для решения задач картографирования важным является понимание различий в     конструкторских и технических решениях разных типов и моделей БПЛА.

В обзоре рассмотрены характеристики БПЛА самолетного типа (модели с возможностью свободного старта и приземления, без необходимости аэродромного базирования); мультироторов и вертолетов. Вне зависимости от типов и моделей, основными характеристиками аппаратов являются размер, вес и форма. Именно они определяют способ старта, посадки, грузоподъемность и, самое главное, ‒ поведение борта в процессе полета и съемки.

Таблица 1

Классификация БПЛА

Вес аппаратов

Масса пустого борта и максимальная взлетная масса показывают, какую аппаратную часть можно использовать для выполнения аэрофотосъемки. Чем больше взлетная масса, тем более точное оборудование можно применить для получения качественного результата. От веса аппарата зависит сила колебаний БПЛА потоками воздуха, поэтому чем тяжелее борт, тем стабильнее траектория движения и геометрия изображения. 

Размеры и форма аппаратов

От длины и размаха крыла зависят аэродинамические свойства БПЛА. По форме беспилотники самолетного типа делятся на летающее крыло и фюзеляжные. Преимущества фюзеляжного типа ‒ возможность нести больше полезной нагрузки и более стабильно выполнять съемку, т.к. вес именно таких бортов, как правило, больше. Минусом этого типа является сложность конструкции, что повышает требования к правилам эксплуатации и стоимость ремонта. Плюс летающего крыла в простоте конструкции и эксплуатации. Минусы ‒ небольшие размеры и вес, не позволяющие нести дополнительную полезную нагрузку.

Рисунок 1. БПЛА самолетного типа

Для мультиротов важной характеристикой является количество винтов. Ранее считалось, что оно влияет на стабильность полета, так как коптеры с 8-ю винтами летали гораздо стабильнее 4-х и 6-ти винтовых; но на сегодняшний день, благодаря развитию алгоритмов полета, все коптеры летают одинаково стабильно даже при отказе одного винта.

Рисунок 2. Мультироторные БПЛА

Двигатели

Большинство моделей БПЛА используют электродвигатели. Характеристики двигателя отвечают за максимальную дальность и время полета. Электродвигатели питаются от аккумуляторных батарей различного типа и зависят от размеров аппарата. Компактные модели могут провести в воздухе 40 минут, большие ‒ до 4 часов, преодолевая расстояние до 300 км. Некоторые модели используют двигатель внутреннего сгорания. Это, как правило, тяжелые модели (от 20 килограмм), длительность полета которых достигает 10 часов, что позволяет им преодолевать до 1000 км. Для бензиновых двигателей используется смесь бензина Аи-92,95 с синтетическим маслом для двухтактных двигателей. Расход топлива составляет примерно 0,5 л/ч в режиме горизонтального полета. Объем штатного топливного бака - 5 л. Для съемки крупных площадных объектов рентабель-
но использовать именно модели с двигателями внутреннего сгорания.

Рисунок 3. Пример результата: ортофотоплан, ЦФС PHOTOMOD, Заокский геополигон МИИГАиК, 36,5 кв.км., БПЛА Птеро-Е4 2011г., камера Canon EOS 5D Mark 2, 653 снимка,13 см/пиксель

Высота полёта

Высота съемки влияет на размер пикселя и количество изображений. Российское законодательство не ограничивает варианты полётных заданий; в отличие от большинства европейских стран, где есть жесткое регулирование использования воздушного пространства ‒ до 100-150 м. 

Такой параметр, как максимальный практический потолок полета аппаратов актуален для российских пространств, поскольку, корректируя высоту съемки, можно изменять значения размера пикселя и количество изображений. 

Скорость

Максимальная и крейсерская скорости влияют на возможность применения БПЛА в ветреную погоду, а также на производительность съемки. Средняя крейсерская скорость небольших моделей (летающих крыльев) составляет около 50-60 км/ч, крупных ‒ около 100 км/ч. Ограничения использования БПЛА по скорости ветра при старте и посадке в среднем составляют 10 м/с. Предугадать скорость при порывах ветра на высоте полета, как правило, сложно. Они влияют на геометрию съемки и выдерживание перекрытий, на качество изображений и появление проблем, например, смаза. 

Взлёт и посадка

БПЛА классифицируются по способу старта и посадки. Основные способы старта: с рук и с катапульты. Основные способы посадки: с парашютом и на корпус.

В отличие от пилотируемых самолетов и вертолетов, беспилотные системы не требуют аэродромного базирования, выполнение летного задания осуществляется в автоматическом режиме, они безопасны для экипажа.

В последнее время практически все модели БПЛА имеют автоматический режим работы, начиная от старта до полного завершения задания и посадки. Для некоторых моделей существует возможность ручного управления через наземную станцию и полуавтоматического (возможность корректировать маршрут, высоту и точку посадки во время выполнения
задания).

Автопилот

Автопилот является «мозгом» БПЛА. До недавнего времени в большинстве случаев использовались простейшие автопилоты, предназначенные для любительских авиамоделей, не удовлетворяющие требованиям аэрофотосъемки. На данный момент большинство разработчиков БПЛА занимается собственными автопилотами, отвечающими запросам аэрофотосъемки.

Рисунок 6. Пример результатов: тепловизионная съемка, ЦФС PHOTOMOD, БПЛА Птеро-Е5 2013г.,
тепловизор, 88 снимков, 20 см/пиксель

Съёмочное оборудование

Большинство БПЛА ‒ это небольшие по размерам и грузоподъемности аппараты. Поэтому для аэрофотосъемки часто использу- ются камеры класса «мыльница». На модели с большой грузоподъемностью устанавливают зеркальные полноформатные фотокамеры, такие как Canon (EOS) или Nikon (D800). Важным в процессе съемки выступает работа затворов камер: для выполнения картографо-геодезических работ рекомендовано использовать камеры с центральным или электронным затвором.

Рисунок 7. Типы камер

Некоторые модели аппаратов оборудуют профессиональными аэрокамерами, созданными специально для БПЛА, например, Phase One. Данная камера обеспечивает нужное качество изображений, но стоит дорого (35-45 тыс. Евро) и весит 2,9 кг.

Размер матрицы и производительность камеры влияют на количество снимков и, следовательно, на время, необходимое на постобработку. Пример производительности некоторых камер представлен в таблице 2.

Таблица 2

Производительность бытовых камер при аэросъемке с помощью БПЛА

Навигационное оборудование

Для навигации в БПЛА устанавливают дешевые одночастотные приборы GPS/IMU (Global Positioning System/Inertial Measurement Unit), их же используют для определения элементов внешнего ориентирования снимков. В последнее время некоторые разработчики выбирают двухчастотные GPS приемники и уравнивают их измерения с данными базовых ГНСС-станций. Из-за недостаточной грузоподъемности на большинство моделей БПЛА нельзя устанавливать стабилизирующие платформы для камер, поэтому рекомендовано использовать точные инерциальные системы INS; они позволят определять элементы ориентирования съемки с удовлетворительной точностью. 

Для связи с БПЛА во время полета используются радиоканалы. Частоты каналов варьируют от 433 МГц до 2,4 ГГц. Связь необходима для контроля оператором выполнения задания и его корректировки в режиме реального времени. Иногда с  помощью радиоканала передают видео- и фотоматериалы, полученные во время съемки.

Эксплуатационные ограничения

Использование БПЛА имеет широкую географию. Температурный диапазон эксплуатации (от -30°C до +50°C), позволяет работать в различных климатических зонах. Единственным ограничением, заданным производителями, является скорость ветра на старте и посадке. Она призвана обеспечить бережную эксплуатацию. В среднем, скорость варьирует от 4 до 15 м/с, в зависимости от типа и веса аппарата.

Рисунок 8. Пример результатов: цифровая модель рельефа, ЦФС PHOTOMOD, Казань, карьер, БПЛА ZALA 421F 2013г., камера Canon EOS 550D, 71 снимок, 5 см/пиксель

Высота полёта

Высота съемки влияет на размер пикселя и количество изображений. Российское законодательство не ограничивает варианты полётных заданий; в отличие от большинства европейских стран, где есть жесткое регулирование использования воздушного пространства ‒ до 100-150 м. 
Такой параметр, как максимальный практический потолок полета аппаратов актуален для российских пространств, поскольку, корректируя высоту съемки, можно изменять значения размера пикселя и количество изображений. 

Дополнительная нагрузка

Помимо фотокамер, на борт БПЛА могут быть установлены различные иные приборы, такие как, например, тепловизор, лазерный сканер, видеокамера. Используя эти приборы можно решать производственные задачи, связанные с мониторингом и технической диагностикой объектов.

Гарантия и страхование

Как правило, гарантия на все модели БПЛА составляет 12 месяцев. При этом в последнее время появилась возможность страховать БПЛА как полноценный геодезический инструмент.

Лицензирование и сертификация

В наши дни вопрос государственной сертификации БПЛА как инструмента для проведения инженерно-геодезических и картографических работ не решен. Помимо сертификации самого аппарата необходима сертификация эксплуатирующих организаций. Для габаритных БПЛА бригада обслуживания должна состоять как минимум из оператора и техника. Для
маленьких моделей достаточно одного человека. Сейчас сертификацию проводят непосредственно фирмы-разработчики.
Производители не рекомендуют применять БПЛА, не прошедшие сертификацию, для выполнения инженерно-геодезических и картографических работ.

Рисунок 9. Пример результатов: цифровая модель местности, ЦФС PHOTOMOD, Кемерово, карьер, БПЛА Птеро-Е5 2013г., камера Nikon D 800, 413 снимков, 8 см/пиксель

Основные критерии выбора можно определить, исходя из вида работ. Поскольку в данном обзоре рассматриваются модели для высокоточных измерений, материал должен соответствовать действующей нормативной документации для фотограмметрических, геодезических и землеустроительных работ. 

Для получения необходимого качества и геометрии съемки населенных пунктов и промышленных объектов необходимы модели БПЛА с размером и весом, позволяющим устанавливать высокоточные приборы (GPS/INS), камеры с большой матрицей и центральным затвором. Очень важно, чтобы алгоритмы автопилота моделей были адаптированы под съемку со строго заданными параметрами.

Для решения таксационных или мониторинговых задач сельскохозяйственных земель или земель лесного, водного фонда можно использовать модели меньшего веса и размера, пренебречь более точными приборами, но возникает вопрос производительности, ведь подобные земли занимают большие территории. Здесь важно, чтобы аппараты были очень  устойчивыми к погодным условиям.

Таблица 3

Приказ Министерства экономического развития Российской Федерации от 17 августа 2012 г. N 518 г. Москва

Список литературы

1. ГКИНП (ГНТА)-02-036-02 инструкции по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт  
   и планов;
2. Приказ Министерства экономического развития Российской Федерации от 17 августа 2012 г. N 518; Раздел 3. Системы дистанционного зондирования и опыт их применения; Подраздел 3.2. Воздушные (цифровая аэросъемка в различных диапазонах спектра и воздушное лазерное сканирование с пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов).