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.

Снимок экрана 2020-06-02 в 10.52.46

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

Снимок экрана 2020-06-02 в 10.52.56

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

Снимок экрана 2020-06-02 в 10.53.05

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.

Снимок экрана 2020-06-02 в 10.53.13

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.

  1. 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:

Снимок экрана 2020-06-02 в 10.53.23

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

Снимок экрана 2020-06-02 в 10.53.29

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

Снимок экрана 2020-06-02 в 10.57.32

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:

Снимок экрана 2020-06-02 в 10.57.44
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.

Снимок экрана 2020-06-02 в 10.57.56

 

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

Снимок экрана 2020-06-02 в 10.58.05

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

Снимок экрана 2020-06-02 в 11.04.32

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

Снимок экрана 2020-06-02 в 11.04.40

«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.

Снимок экрана 2020-06-02 в 11.04.51

«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.

Снимок экрана 2020-06-02 в 11.05.09

  1. 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.

Снимок экрана 2020-06-02 в 11.05.19

Снимок экрана 2020-06-02 в 11.05.28

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

Снимок экрана 2020-06-02 в 11.08.10

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.

  1. 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.

Снимок экрана 2020-06-02 в 11.08.18

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);

Снимок экрана 2020-06-02 в 11.08.26

Дополнительные сенсоры на корпусе дрона

Снимок экрана 2020-06-02 в 11.08.35

Настройка чувствительности сенсоров предотвращения столкновений

Снимок экрана 2020-06-02 в 11.11.43

Сообщения от дрона о результатах самодиагностики пользователю

Снимок экрана 2020-06-02 в 11.11.55

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.

Снимок экрана 2020-06-02 в 11.12.42

  1. 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