Как посадить дрон массой 600 кг и не облажаться — авторская технология отечественных разработчиков

Разработать дрон, способный поднять двух взрослый людей на высоту 16-этажного дома, — задача не из простых.

Создатели коптера BRAERON (проект Национальной технологической инициативы «Аэронет») из ОКБ «Авиарешения» рассказали о сложностях, с которыми столкнулись во время проектирования и производства первого индустриального дрона грузоподъемностью свыше 200 кг.

Летать — просто, а вот приземляться

Казалось бы, что сложного в посадке? Если кратко, то все. В авиационной физике описан «эффект воздушной подушки». Он заключается в следующем: вблизи земли летательный аппарат находится в сложной аэродинамической среде и может быть снесен в сторону. Этот эффект начинает проявляться с высоты двух диаметров винта и усиливается с приближением к земле.

С такой проблемой сталкиваются все без исключения производители дронов, однако существуют способы преодолеть эту сложность. Аппарату нужно зависнуть над воздушной подушкой и затем просто быстро сесть, чтобы как можно меньше находиться в такой сложной области. Но есть и другие методы.

Например, создатели DJI Phantom решают вопрос с воздушной подушкой так: коптер использует ускоренное приземление и к тому же посажен на высокое шасси. За счет такой конструкции винты дрона расположены относительно высоко, однако производители не готовы брать на себя ответственность даже за вероятность неудачи. Поэтому на высоте 10-15 см от земли дрон «просит» пилота свайпнуть по дисплею то есть принять решение о посадке и произвести ее в специальном режиме.

Способ интересный, вот только нам он не подошел. Масса нашего дрона составляет 600 кг, поэтому резко посадить его нельзя. Соответственно, вырисовывались две проблемы:

• «свайпать» приходилось бы где-то на высоте трех-четырех метров, а ускоренная посадка с этой высоты привела бы к катастрофе;
• Особенность геометрии нашего дрона — это винты, близко расположенные к земле.

Подробнее. Дело в том, что зона воздушной подушки постоянно отражает создаваемые коптером воздушные потоки, а это влияет на воздушные массы — они становятся неоднородными и «неустойчивыми». Представьте себе шарик для пинг-понга, который лежит в стакане, а в него льется вода. Мячик швыряет из стороны в сторону, удержаться на одном месте он не способен. Малые аппараты могут просто «проскочить» эту зону, но машине грузоподъемностью 200 кг нужно было другое решение.

Мы пойдем другим путем

Существовало два решения этой задачи: высокое шасси и создание отдельного режима полета. Решив, что шасси высотой в несколько метров — не лучшая идея (с транспортировкой тоже возникли бы проблемы), мы остановились на втором варианте. Проблема заключалась в том, что наша разработка сильно отличалась от уже существовавших на тот момент и не было готовых простых способов научить наш аппарат летать. Пришлось все делать самим, включая программно-аппаратную часть.

Для этого мы обратились к нашему математическому отделу, где сидели талантливые специалисты, умеющие считать и моделировать законы управления. Эти несколько человек в течение двух лет создавали и выверяли модель управления, тестировали ее на цифровом двойнике дрона и вносили правки.

В итоге мы достигли полного соответствия электронного двойника и реальной жизни, получив два режима управления. Первый — для работы в зоне воздушной подушки (взлета-посадки), второй — для обычного полета.

Первый режим полета заключается в следующем: после того как наш коптер оказывается на высоте четырех метров над подстилающей поверхностью, включается особый режим автопилота. Он позволяет плавно переключаться с одних законов управления на другие (настроенные с учетом специфики нашей воздушной подушки и плавно изменяющиеся с высотой) и таким образом преодолевать неоднородные воздушные массы и безопасно и точно приземлять аппарат. С учетом размера дрона, погрешность посадки приятно удивила — 30 см.

Для беспилотного летательного аппарата посадка на ограниченном клочке земли — особое преимущество. Разработанный нами режим позволяет свободно перемещаться на ограниченных территориях, расширяя диапазон действия. Дрон становится более устойчивым и безопасным. На практике это выглядит так: оператор указывает место посадки и наш летательный аппарат приземлится точно в заданную точку.