Навигационная система, разработанная специалистами Лаборатории интеллектуальных беспилотных систем (ЛИБС) МИЭМ ВШЭ, предназначена для поиска людей и позволяет беспилотному аппарату автономно выполнять маршрутные задания без спутниковой навигации. Уникальность конкурса «Автономный поиск» — в комплексной проверке реально работающих технологий. Из 50 поданных заявок до квалификации допустили 15, в финал вышли четыре команды.
Беспилотное воздушное судно (БВС) при помощи навигационной системы ориентируется по тем видеоданным, которые видит под собой. Перед полетом на борт загружают базу геопривязанных спутниковых снимков местности и набор характерных признаков, извлеченных из этих снимков. В полете камера или тепловизор снимают текущий кадр, система извлекает из него такие же признаки и выполняет быстрый поиск похожих фрагментов в базе — так определяются приблизительные координаты. Затем положение уточняется: текущий кадр детально сопоставляется с найденным фрагментом спутникового снимка, и система получает более точную оценку географических координат.
Дополнительно работают визуальная одометрия и данные бортовых датчиков: они непрерывно ведут аппарат в промежутках между определениями координат. Принципиальная особенность решения — регулярная привязка к карте. В системах, построенных только на одометрии, небольшие ошибки каждого измерения постепенно суммируются: чем дольше летит аппарат, тем больше накапливается дрейф. У команды ЛИБС беспилотное судно в процессе полета заново определяет свои абсолютные координаты, сопоставляя оперативную информацию с камеры с картой. Поэтому ошибка не растет по мере прохождения маршрута, а накопленный дрейф корректируется каждой новой привязкой.
Для ночных полетов используется инфракрасная (ИК) камера. У нее меньше угол обзора, чем у обычной ТВ-камеры, поэтому для получения достаточной площади кадра приходится поднимать аппарат выше. Это, в свою очередь, предъявляет дополнительные требования к алгоритмам сопоставления и точности навигации. Отдельно для ИК-режима готовится база данных покрытий — характеристика, которая позволяет сопоставлять тепловые изображения с картой.
Поисково-спасательный отряд «ЛизаАлерт» — крупнейшее в России добровольческое объединение, которое круглосуточно помогает находить пропавших людей, в том числе заблудившихся в лесу или потерявшихся в городе. В отряде работают тысячи волонтеров по всей стране — координаторы, кинологи, следопыты, специалисты по беспилотникам и дистанционному поиску. Они действуют в связке с МЧС, полицией и местными властями, применяя отработанные методики и современные технологии.
«Я лично знаком с теми, кому однажды очень помогла работа отряда “ЛизаАлерт”. К счастью, их история закончилась хорошо, люди были найдены. Трудно переоценить важность того великого дела, которым занимается отряд, — говорит Дмитрий Коваленко, директор МИЭМ ВШЭ. — Для всех наших специалистов, участвующих в конкурсе, сам факт осознания причастности к деятельности отряда стал мощным дополнительным стимулом выложиться по максимуму. Уверен, наши разработчики будут счастливы, если их результаты станут полезными в дальнейшем. Большое спасибо отряду “ЛизаАлерт” за возможность принять участие в таком интересном и нужном конкурсе».
Целевой показатель конкурса — точность позиционирования до 100 метров. Система команды ЛИБС уже при обычном движении по маршруту на высоте около 300 метров обеспечивает 20–30 метров. По итогам всех дневных и ночных полетов средняя ошибка составила 17,65 метра.
Точность можно еще повысить. Если аппарату нужно не просто выйти в район, а точно зависнуть над конкретной точкой, включается режим точного наведения, когда определяется смещение цели относительно центра кадра и корректируется положение беспилотного воздушного суда. При снижении система точного наведения удерживает целевую точку в центре изображения. Это особенно важно для реальных поисково-спасательных задач: аппарат точно выходит к обнаруженному человеку, фиксируется над ним и не теряет его при маневрировании.
Конкурсная команда
Технологию делали совместно МИЭМ ВШЭ и ООО «Когнитива». Специалисты МИЭМ в рамках гранта Фонда НТИ разработали геопространственную базу данных интегрированной системы геоинформационных ресурсов, а инженеры ООО «Когнитива» создали алгоритмы управления БПЛА на основе данных этой базы. Интеграцию в единое решение, внедрение на борт, настройку и подготовку к испытаниям команды проводили вместе. ООО «Когнитива» также предоставило часть оборудования и компонентов БПЛА.
ООО «Когнитива» — российская технологическая компания, с 2020 года разрабатывающая программные и программно-аппаратные решения для беспилотных авиационных систем и бортового ИИ. Ее решения применяются в серийных БПЛА, комплексах ситуационной осведомленности и средствах обнаружения беспилотников «АнтиБПЛА».
«Для нашей лаборатории конкурс был не только поводом показать технологию, но и возможностью проверить ее в реальных условиях, — отметил Антон Лощилов, заведующий Лабораторией интеллектуальных беспилотных систем МИЭМ. — Геопространственная база данных, разработанная нами в рамках гранта Фонда НТИ, до этого существовала преимущественно в исследовательском поле. Конкурс “Автономный поиск” стал первой практической апробацией и подтвердил, что технология работает не только в лаборатории, но и в поле, ночью, в дождь и в облаках. Специалисты компании “Когнитива” активно включились в процесс работы над конкурсным заданием на всех стадиях, в том числе во время испытаний».
Испытания
В конкурсе «Автономный поиск» проверку на результативность проходят реально работающие технологии. Разработка прошла техническую экспертизу, стендовые и натурные летные испытания и показала качественные измеримые показатели в условиях, близких к реальным.
Испытания прошли во Владимирской области. Каждая команда выполняла автономный полетный комплекс: взлет, прохождение заданных географических точек, посадка. Полеты осуществлялись в дневное и ночное время.
Что дальше
Команда планирует продолжить сотрудничество с отрядом «ЛизаАлерт». Главная задача, по словам разработчиков, повысить удобство использования, максимально упростив развертывание и эксплуатацию решения. Необходимо превратить уже работающую технологию автономной навигации в готовый пользовательский инструмент, который не требует присутствия разработчика и может применяться обычным пилотом непосредственно в полевых условиях.
По словам Антона Лощилова, во время работы команде значительно помог высокий уровень экспертизы специалистов отряда «ЛизаАлерт» в части практического применения БВС. «В ходе конкурса коллеги предложили нам несколько интересных направлений, которые могут существенно улучшить систему. Одно из них — использование радиодальномера как дополнительного независимого источника данных. Еще одно важное направление — отказ от магнитного компаса. На практике это ненадежный источник данных, его показания могут заметно искажаться, что особенно критично для автономной навигации. Сейчас магнитометр используется в нашем алгоритме в том числе для первоначальной оценки ориентации БВС, и в дальнейшем мы хотим исключить эту зависимость», — рассказал Антон Лощилов.
В перспективе разработка может использоваться как самостоятельный продукт — для сельского хозяйства, геодезии, экологического мониторинга, доставки грузов, в том числе с возможностью группового применения.
«Для нас особенно интересны партнеры, которые готовы приходить со своими практическими задачами. Опыт работы с “ЛизаАлерт” как раз показывает, насколько полезна такая совместная работа: специалисты, ежедневно сталкивающиеся с реальными условиями эксплуатации БВС, помогают увидеть и отладить сценарии применения, которые сложно сформулировать, оставаясь только разработчиком в лаборатории», — резюмировал Антон Лощилов.