Удаленный мониторинг объектов с использованием дрона DJI M300

Автор: Рыльский Илья Аркадьевич

В апреле 2020 г. DJI анонсировала новый дрон – воплощение развития идей, заложенных в дроны серии М200.  Поскольку это принципиально иное решение, он получил название М300 RTK.

Новый дрон воплотил в себя все виды инноваций, анонсированных DJIза последние 2 года. Коротко перечислим их:

— увеличенная (по сравнению с Ðœ200 – почти в 2 раза) масса полезной нагрузки (до 2.7 кг) и максимальная взлетная масса – до 9.0 кг;

— увеличенное время полета (до 55 минут без нагрузки, до 48 минут  — с одним сенсором (XT-S);

— возможность монтажа сразу трех единиц оборудования в независимых гироподвесах (2 снизу, 1 сверху);

— измененное положение несущих винтов – для уменьшения  помех и снижения вероятности отрыва пропеллеров;

—  развитые средства предотвращения столкновений (оптические и радиолокационные);

— обработка всех данных сенсоров (новая линейка сенсоров) с помощью процессоров, расположенных не в корпусах сенсоров, а в теле дрона;

— возможность одновременной работы с 3-мя каналами видеоданных (со всех сенсоров) во время полета;

— возможность дистанционного определения координат наблюдаемого объекта (в реальном времени);

— улучшенные летные характеристики (полет при скоростях ветра до 15 м/с);

— увеличенная надежность за счет дублирования критически важных элементов пилотирования;

— увеличенная мощность (предельная) моторов;

Рассмотрим эти нововведения поподробнее.

1. Масса, габариты, время полета

Дрондостаточно компактен. Его габариты в транспортировочной конфигурации – 44х43х44 см, в полетной – 81х67х44 см. Вес пустого дрона (без батарей) – 3.6 кг, с двумя батареями по 1.345 кг – 6.3 кг. При этом максимальная полезная нагрузка достигает 2.7 кг, а максимальная полетная масса – до 9.0 кг. Как видим, полезная нагрузка и аккумуляторы составляют (каждый) по 30% от максимальной полетной массы дрона.

Система комплектуется новыми батареями – TB60. Они имеют увеличенную емкость – 274 Ватт-часа, что является их и преимуществом (мощь и длительность полета), и недостатком – в ряде стран транспортировка таких батарей пассажирскими самолетами может представлять сложности. Дрон несовместим с батареями-предшественниками. 

Для ускоренной зарядки  пользователям предлагается зарядная станция – BS60. Она способна одновременно заряжать до 8 батарей типа ТВ60  и до 4-х WB37

Наличие подобных источников питания позволяет выполнять миссии увеличенной длительности: в зависимости от нагрузки, время полета может колебаться от 31 до 48 минут.

Общая идеология ведения миссий по обследованию объектов состоит в том, что работа оператора ведется в режиме непрерывной записи каждого из возможных (до трех) каналов изображения. Оператор – в зависимости от обстановки – выбирает канал, который он хочет наблюдать в данный момент, и работает с его использованием. При необходимости, производится переключение – с видимого канала на тепловой и проч.

Передача видеосигналов ведется с использованием технологии OcuSyncEnterprizeдальность передачи до 8 км (CE) или до 15 км (FCC). Используется два набора частот ( 2.4 и 5.8 Ггц), шифрование AEC-256, и три видеоканала с разрешением FullHD(1080р) с частотой 30 кадров в секунду.

2. Сенсоры и их возможности

При любом варианте оснащения дрон комплектуется камерой переднего обзора (для FPV-полета) и RTKприемником ГНСС для обеспечения максимально точного позиционирования в нреальном времени – точность до 1.5 см.  Помимо этого, На сегодняшний день на дрон может быть установлено до 5 сенсоров DJI, совместимых с М300:

Также могут быть использованы сенсоры сторонних производителей (приведены несколько примеров наиболее популярных изделий):

Рассмотрим сенсоры более подробно.

2.1. ZenmuseH20

Камера представляет собой комбинированное устройство, оснащенное несколькими камерами и лазерным дальномером.

Камера с 20-мегапиксельной матрицей и 23Ñ…-кратным оптическим зумом позволяет делать кадры, к которым также применим и 10-Ñ… кратный оптический зум. Таким образом, общая кратность приближения составляет теперь невероятные 200Ñ…. Ее назначение —  сбор фото с максимальной детальностью об объекте наблюдения.

Помимо длиннофокусной камеры, сенсор оснащен 12-мегапиксельной камерой с фиксированным фокусным расстоянием и широким углом охвата. Ее назначение —  сбор фото об общей ситуации вокруг объекта.

Помимо этого Н20 оснащена лазерным дальномером с дальностью действия до 1200 м. В сочетании со сведениями о положении и ориентации дрона, ориентации камеры в гироподвесе, измерения дальномера позволяют определить координаты объекта с точностью от 1 до 20 м, не приближаясь к нему.

2.2. ZenmuseH20T– устройство, идентичное Н20, но в него еще и добавлен тепловизор

Характеристики тепловизионной камеры идентичны ZenmuseXT: разрешение 640х512, доступны 2х, 4х, 8х цифровые зумы, 30 кадров в секунду. 
Возможности зума Н20 (оптического и цифрового) хорошо видны на данном примере:

2.3. ZenmuseXT-S

ТепловизорZenmuseXT-S. Измерительный прибор с точностью определения температуры в 0.04 К, 4-кратный цифровой зум, кадр с детальностью 640х512 пикселов. Идеальное решение для пожарных, обследований ЛЭП (поиск точек перегрева) и солнечных батарей, а также поисково-спасательные операции.

2.4. ZenmuseXT2

ТепловизорXT2 – спаренная камера, объединяющая видеопотоки с тепловизора FLIRTau2 и 4К камеры видимого диапазона. Оба сенсора обеспечивают 8-кратный цифровой зум и стабилизацию изображения, что позволяет идентифицировать объекты в двух диапазонах (тепловом и видимом) на значительном расстоянии, устраняя взаимные недостатки каждого из устройств.

2.5. ZenmuseZ30

Камера Z30 – камера с 30-кратным оптическим зумом, позволяющая различить мельчайшие детали конструкций с безопасного расстояния. Незаменима при инспекции опор вышек сотовой связи, ЛЭП, ветряков, промышленных производств, скрытного наблюдения за территориями и прочих мониторинговых задач.

 

Виды полезной нагрузки ZenMuse, слева направо: XT-S(тепловизор), XT2 (тепловизор+4К камера), Z30 (теленаблюдение)

Все эти камеры отличает ряд специфических функциональных возможностей, доступных с использованием М300:

«Super-resolutionimage» — получение сверхдетального мозаичного изображения» — автоматическая съемка и сшивка выделенной области пространства кадрами на большом зуме

«Low-light mode – IR cur» («Ночная съемка» )

«Координаты объекта на экране»— обратите внимание на задействование 200Ñ… приближения, дальность в 334 метра, и координаты опознаваемого автомобиля

«Pin-point режим»— позволяет идентифицировать объект и его координаты, поставив виртуальную метку в навигаторе. После установки метки, она автоматически отображается в кадре или на плане вне зависимости от маневров дрона и гироподвеса. Режим идеален при поисково-спасательных работах или наблюдении за различными нарушителями – он позволяет не потерять цель при смене позиции дрона, особенно в условиях ограниченной видимости.

«Smart Track»— ведение цели. После захвата цели оператором она автоматически ведетсякамерой посредством поворота гироподвеса и смены зума (для сохранения идентичного углового размера. При этом в каждый момент времени все равно показываются координаты объекта, что позволяет после полета восстановить траекторию движения объекта наблюдения.

3. Особенности ведения наблюдения

Экран управления полетом имеет очень развитую систему индикации параметров полета и среды вокруг БПЛА(система PFD). Она не только дает информацию о скорости и высоте, но также сообщает/предупреждает о наличии вблизи дрона препятствия, превышении над точкой старта, направлении наведения гироподвеса с камерой и др.

При планировании и выполненииполетов теперь можно указать по сути неограниченное количество путевых точек (Waypoints).  Максимальное их число – 65535 штук.

Каждый раз, когда оператор делает фотоснимок, создается Waypoint.

Cуть новой идеологии проведеения инспекций в следующем:

— при первом облете оператор делает съемку отдельных кадров, создавая Waypoint, а также выполняет полную видеозапись всего полета.

— на отобранных кадрах указываются интересующие оператора объекты. При этом каждый снимок содержит метаданные о координатах наблюдения и параметрах разворота гироподвеса камеры;

— при следующих облетах гироподвес и дрон будут автоматически выполнять поиск указанных объектов и их съемку для получения однородных по масштабу и ракурсу серий разновременных кадров.

4. Безопасность полетов и надежность

Система управления включает в себя SmartControllerEnterprizeи DJIPilot,  а также наземную станцию GSProcподключенным Ipad). Данный набор решений уже зарекомендовал себя как удобный и надежный, поэтому он не подвергался серьезной переработке.

Ключевые компоненты для обеспечения навигации и ориентации в пространстве дублированы. Так, дублированы компас, барометр, батарея, инерциальная система. Однократный выход из строя любого из этих компонентов не приведет к аварии.

Увеличенная мощность двигателей позволила также реализовать режим «Three-propulsionalgorithm». Он используется, когда происходит отказ одной из четырех винтомоторных групп (по любой причине – повреждение двигателя, винта, регулятора, проч.). В этом случае – из-за некомпенсированного момента инерции дрон начинает вращаться, что приводит к резкому падению подъемной силы и дезориентации оператора в пространстве. Использование данного алгоритма позволяет задействовать всю мощь оставшихся моторов для наращивания подъемной силы до приемлемых значений  и автоматически посадить дрон. 

Выполнение полетов возможно в условиях ветра со скоростью до 15 м/с. Максимальная скорость снижения доведена до 7 м/с. Возможно использование в высокогорье. Шум пропеллеров снижен.

Все компоненты дрона сертифицированы по стандарту IP45 (защищенности от воздействия среды). Все регуляторы тока (преобразователи  постоянного тока батарей в переменный для двигателей) перенесены внутрь корпуса. Дрон оснащен самоподогревающимися батареями и способен работать в диапазоне температур от -20 до +50 градусов Цельсия.

Из новшеств: радар миллиметрового диапазона, идентичный AgrasMG-1P. Обеспечивает сканирование в поле зрения 360 градусов, монтируется на верхнем гироподвесе. Вес – 300 граммов, дальность действия – до 30 м. Будет доступен для поставок начиная с 3го квартала.

Дополнительные средства безопасности полета:

— 6 направленных сенсоров  для предупреждения о столкновении: в 2Ñ… направлениях – оптические сенсоры с качеством видео 960Ñ€, в 2Ñ… направлениях – инфракрасные. Возможность настройки дальности детектирования препятствия (от 1 до 45 м) и удержания на безопасной дистанции (от 1 до 10 м).

— маяки для предотвращения столкновения (вверх и вниз);

— осевая LED-подсветка (вверх и вниз);

— ADS-Bприемник (позволяет наблюдать движение и положение других воздушных судов в районе полетов);

Дополнительные сенсоры на корпусе дрона

Настройка чувствительности сенсоров предотвращения столкновений

Сообщения от дрона о результатах самодиагностики пользователю

Дрон оснащен развитой системой предполетного тестирования и сообщений о неполадках отдельных его компонентов.

Пульт управления теперь поддерживает дублированное двухканальное управление. Это позволяет реализовать ряд ранее не использовавшихся режимов:

— «Обучение» — учитель всегда может перехватить управление и исправить ошибку ученика, равно как и создать искусственно внештатную ситуацию и посмотреть на реакцию ученика и степень адекватности его действий;

— «Пилот + оператор» — один человек ведет только пилотирование (и имеет соответвующую квалификацию), второй не является пилотом (может быть техническим специалистом или сотрудником службы безопасности) и ведет только наблюдение, переключаясь между различными каналами наблюдения и объектами не отвлекаясь на пилотирование;

— «Передача управления в конце миссии» — чрезвычайно привлекателен для съемки линейно-протяженных объектов. Ð’ этом случае пилот А начинает полет  (допустим, на дистанцию в 8 км), в конце которого дрон совершает посадку и переходит под управление пилота Ð’, который снимает свой участок длиной 8 км. К моменту окончания данного полета пилотА оказывается в конечной точке второго полета, и вновь принимает на себя управление.

5. Области возможного применения дрона с его целевой нагрузкой                Обеспечение безопасности

1. Охрана периметров крупных предприятий, рудников, складских помещений
2. Поиск и отлов лиц, осуществляющих незаконные врезки в существующие трубопроводы;
3. Рыбоохранные мероприятия, особенно в условиях тростниковых зарослей и развитой сети проток, озер, шхер.
4. Поиск нарушителей ПДД в удаленном режиме

Удаленное наблюдение за объектами строительства

1. Контроль подвоза материалов и сличение с документацией, выявление несоответствий;
2. Контроль соблюдения правил техники безопасности и охраны труда
3. Оценка количества людей и техники, реально занятой на объекте
4. Контроль графика выполнения проекта

Поисково-спасательные операции

1. Поиск людей, потерявшихся в лесных массивах (грибники, гуляющие и прочие) на относительно незначительном удалении от городов;
2. Поиск в горах (фрирайдеры,  туристы, альпинисты);
3. Поиск людей в прибрежной акватории на удалении до 5-7 км от берега.

 Инспектирование вышек сотовой связи, опор ЛЭП и мостовых переходов

1. Контроль состояния основных агрегатов: коррозия, загрязнения, повреждения от ветровой нагрузки, корректность монтажа при сборке
2. Оценка зарастания полос отвода