Малая авиация, летающие дроны, IT и моя мечта…

Здравствуйте.

Я не являюсь активным пользователем Хабра. Я почти ничего не комментирую. Читаю его каждый день, но не считаю себя достаточно опытным в IT-сфере, чтобы высказывать свое мнение. Поэтому я не имею кармы и не стремлюсь её заработать.

Но у меня есть мечта и хобби.

Я – бывший пилот. Бывший – из-за неудачного парашютного прыжка. Так сложилось.

Всё обошлось, я переучился и стал неплохим экономистом, но мечта осталась, точно так же как понимание того, что небо может строго наказывать даже за мелкие проступки. Со временем у меня появилась идея сделать приложение для пилотов, основная цель и идея которого – уменьшение риска возникновения аварийных ситуаций и помощь пилоту в ситуации крайнего дефицита времени. Многие наработки могут быть полезны тем, кто занимается ПО для летающих дронов.

Преамбула

Безопасный полет складывается из нескольких составляющих.

1. Знание теории полета и безопасности полета. Безопасность полёта во многом зависит от наземной подготовки и понимания «физики процесса», т. е. минимального базового уровня теории. Для осуществления простого полета нет необходимости получать специализированное образование. Но изучить основные принципы, руководящие документы, опыт других пилотов нужно в обязательном порядке.

В своей мечте я хотел бы реализовать:

1. Сборник РЛЭ (руководство по летной эксплуатации) по различным типам воздушных средств (ВС);
2. Теоретические основы полета по разделам — аэродинамика, теория конструкции ВС, метеорология, законодательство в авиации и т. п.;
3. Систему онлайн-тестов для самостоятельной оценки теоретической подготовки.

Это нужно для того, чтобы любой пилот или оператор БПЛА мог самостоятельно изучать необходимый минимум теории и самостоятельно себя контролировать.

Я пробовал различные варианты дистанционного обучения и всего, что могло бы дать новые знания — курсы, онлайн семинары, вебинары, форумы, статьи и т.п. В авиационной среде дистанционное и самостоятельное обучение — одна из составляющих безопасного полета. Если пилот не обновляет постоянно свои знания, то многие вещи забываются, подменяются «опытом» как своим, так и коллег. Это опасное явление. Поэтому в крупных АК, проводят различные тесты, экзамены и занятия для поддержания надлежащего уровня знаний и навыков.

В малой авиации данный вопрос поддерживается относительно слабо, т.к. нет централизованной системы контроля навыков и распространения информации. Этот пробел можно возместить использовав предлагаемую мной реализацию.

Есть вполне удачные готовые решения, которые можно оптимизировать для решения задачи обучения пилотов малой авиации.
Для операторов дронов:1. Всё, что летает, обязано выполнять требования законодательства РФ. У нас закон не слишком точно разделяет ответственность по использованию воздушного пространства. Поэтому запуск даже радиоуправляемой игрушки без соответствующей юридической подготовки может обернуться очень серьезными неприятностями. Изучите Постановление Правительства РФ от 11 марта 2010 г. N 138 «Об утверждении Федеральных правил использования воздушного пространства Российской Федерации» (с изменениями и дополнениями).

2. Воздушное пространство разделено на «полетные зоны» с разным уровнем разрешений, ответственности и подчиненности. Вы можете не знать, что запускаете дрона в запретной зоне. Но это не снимает с Вас ответственности, и задержание участковым по жалобе недовольных соседей может вылиться в конфискацию летательного аппарата и внушительному штрафу. На моей памяти максимальный штраф за короткий полет, вынесенный по суду, был около 200 тысяч рублей.

Границы зон вы можете посмотреть здесь.

3. Очень часто дроны используют для полёта несущий винт или винты. И так же часто эти дроны разбивают в самом начале полетов неопытные операторы. Чтобы избежать этого, почитайте о принципах полета больших вертолетов.

Здесь Вы можете найти различные документы по различным вертолетам и руководства к ним.

Обратите особое внимание на различные «режимы полета» вертолетов в части вертикальной и горизонтальной скорости вертолета в зависимости от высоты. Соотнесите ограничения реальных вертолетов с размерами Вашего дрона, и получите примерное представление об ограничениях для Вашего дрона. При разработке алгоритмов учтите эти ограничения и вероятность разбить дрона о планету существенно снизится.

На Хабре так же была статья о создании симулятора для коптера, где описан интересный (хотя, ИМХО, не совсем верный) подход к тренировкам перед реальными вылетами. Такой подход вместе с теорией позволит достаточно качественно подойти к навыкам успешного пилотирования.

Планирование полета

Второй значительный этап в безопасном полете — подготовка к вылету. Основная ошибка — короткий полет требует меньшего времени на подготовку. Это неверно! Одиночный вылет по коробочке (вокруг аэродрома продолжительностью около 10 минут) требует по времени почти такой же подготовки, как и часовой полет. Однако, чисто психологически, очень хочется бросить и просто слетать, ведь это «на пять минут»… Во время ночного парашютного прыжка можно полениться подзарядить фонарик, ведь он горит, пусть и тускло… И лучше не знать на себе, чем это потом заканчивается и сколько месяцев нужно потратить на восстановление. Поверьте — сэкономленное время на этапе подготовки к полету в сотни, тысячи раз меньше времени на исправление ошибки. И это в том случае, если ошибку можно исправить.

Что бы я хотел в своей мечте:

1. Автоматизированную систему сбора и анализа первичной информации, необходимой на этапе полета.
2. Возможность обмена данными между участниками полета в рамках времени, условий, маршрута полета.
3. Возможность оповещения заинтересованных лиц (коллег, руководителей и т.п.) о наступивших отклонениях в планируемых данных и реальных на текущий момент.

Пилоту или оператору дрона это даст возможность сократить время и усилия для подготовки к полету. Использование программных алгоритмов для оценки полетной информации позволит заранее предупредить пилота о возможных неблагоприятных условиях во время полета, а также дать рекомендации о возможных путях решения. Это позволит повысить безопасность полетов.

Для операторов дронов:1. Планирование полета в случае пилотирования дрона – это очень важный элемент. Так как, в большинстве случаев, у дрона нет возможности принимать решения самостоятельно, на основе самостоятельной оценки данных, то в алгоритмы бортового контроллёра вкладывают наиболее типичные шаблоны поведения для того или иного случая.

Ярким примером служит алгоритм возврата в точку вылета при потере связи с оператором. Здесь также не очень большое разнообразие в используемых методах — возврат по прямой, повторение пройденного маршрута, и, пожалуй, все. Однако это очень малая доля всех возможных вариантов. Многие из них уже апробированы в «большой» авиации и могут использоваться при разработке ПО для летающих дронов.

Вот посмотрите статью, о том как быстро можно угробить отличный коптер, а так же Вы можете увидеть, что в современных и дорогих коптерах разработчики не очень активно используют опыт «настоящей авиации». Это видно даже на примере интерфейса — в авиации уже давно используется практически единообразный вариант вывода текущей информации.

1.1. [Штатный полет. Пропала связь. Возврат «по прямой»] Возврат по прямой возможен лишь в том случае, если на маршруте будут соблюдены следующие условия — безопасная высота на всем протяжении маршрута, отсутствуют опасные метеоявления на всем протяжении маршрута, отсутствуют зоны полета с ограничениями или запретами, отсутствует авиационный трафик (не забываем, что при потере связи дрон возвращается самостоятельно и оператор не имеет возможности оповестить других участников полетов о возможном опасном сближении, а сам дрон не обладает возможностью избежать столкновения или оповестить о своем маршруте).
1.2. [Штатный полет. Пропала связь. Возврат по пройденному маршруту] В данном случае должны быть соблюдены в том числе и скоростные рамки движения по обратному маршруту, чтобы оператор мог иметь представление о примерном положении дрона, чтобы иметь возможность оповестить других участников полетов.
1.3. [Штатный или нештатный полет.] В «большой авиации» маршрут рассчитывается достаточно сложным образом — для много двигательных ВС маршрут подбирается таким образом, чтобы в каждой точке маршрута ВС находилось на определенном расстоянии до запасного аэродрома на случай необходимости совершения аварийной посадки. Все это рассчитывается на этапе подготовки полета, и в случае возникновения ЧП — экипаж не тратит время на поиски информации, а использует уже готовые заготовки с данными о наиболее удобном способе посадки, способам захода, связи, условиям и т. д.
В случае с однодвигательными ВС ситуация сложнее, но также прорабатывается заранее — используется предварительный подбор возможных площадок для посадки и заранее рассчитанные параметры для планирования (оптимальные скорости, пройденное расстояние).
Понятно, что все это соблюсти (особенно в РФ) нереально, особенно в северных и Сибирских районах, но такая подготовка нужна! В год погибает более чем достаточное количество пилотов, которые пренебрегают подготовкой действий по подбору аварийных площадок и неверными действиями из-за этого, чтобы иметь 100% уверенность в исключительной важности этапа планирования полета. Когда на взлете разбивается ВС, в большинстве случаев это результат неверных действий из-за плохой подготовки к вылету (неверно подобранная площадка или попытка развернуться и сеть на однодвигательном ВС, пренебрежение расчетом потребных скоростей, несоблюдение процедуры подготовки к вылету и т. п.).
1.4. Планирование маршрута. Ваш дрон – это Ваше имущество, следовательно, если он завалится в населенном пункте и причинит ущерб — возмещать его будете Вы. С другой стороны — если дрон завалится вдалеке от населенных пунктов или в непроходимых лесах — Вы его не найдете, даже если дрон совершит вполне благополучную посадку.


Поэтому планирование маршрута — очень важная часть подготовки к полету. И ее можно оптимизировать и автоматизировать.

На данный момент есть возможности сделать планирование полета автоматическим или полуавтоматическим, с минимальным участием пилота или штурмана. Алгоритм очень подробно проработан в «большой авиации» и в данный момент вполне можно выстроить оптимальный маршрут, с учетом даже личных предпочтений пилота или оператора.

Метеоподготовка

Все знают, что метеоподготовка нужна для самолетов или вертолетов. Недавняя катастрофа Ми-8 на авиашоу, по предварительным данным, вполне могла быть спровоцирована погодными условиями — небольшими порывами ветра в данной части аэродрома. В прошлом году у знакомого завалилась машина на взлете из-за попутного порыва ветра (сдвиг). Я сам попадал в ситуации, когда на вылете была погода в пределах нормы, а на посадке очень хотелось вылезти из самолета и сделать вид, что это происходит не со мной.

Сейчас есть возможность прогнозировать погоду не только вблизи от метеостанций, но и на всем протяжении маршрута. Использование таких сервисов позволит накладывать на план полета (маршрут) данные по погоде в автоматизированном варианте, тем самым повышая надежность подготовки к вылету. В своей мечте именно так и хочется сделать.

Для операторов дронов:Если дрон летает не в помещении, то на него действует атмосфера. Банально? Однако очень многие даже не подозревают, что на высоте 50 метров над землёй погода совсем не такова, как у поверхности. Или то, что она может измениться в течении нескольких минут после взлета. При этом почти со 100% точностью погоду можно предсказать на ближайшие 3 часа, и для этого нужно пользоваться специальными сервисами с погодной информацией (TAF/METAR). Тот аргумент, что Вы летаете далеко от аэродрома, неактуален, т. к. уже сейчас есть возможность достаточно точно получать прогноз практически для любой точки планеты.

Безопасные высоты и расстояния

Это тоже очень важный элемент подготовки. В «большой» авиации давно посчитаны безопасные расстояния по высоте и по горизонту. К примеру, ограничения 100 метров по высоте и 1000 метров по горизонту означают, что в случае отсутствия видимости, а так же при полете по приборам, расстояние до земли или объекта не должно быть менее 100 метров по высоте и 1000 метров по расстоянию. Эти ограничения дают большую вероятность безопасно лететь, без риска столкновения. Вот статья на эту тему.

В малой авиации очень часто отсутствуют средства или разрешения на полеты по приборам, без видимости земли (даже если ВС снабжено надлежащими системами и приборами, допуск пилота может не позволять летать в СМУ). Однако, погода меняется иногда очень быстро, и пилотам требуется информация о безопасных высотах в точке полета. Из своего опыта — я не встречал в аэроклубах или в строевых частях пилотов, которые бы прорабатывали безопасные высоты для каждого вылета. Хотя мы на учебе рисовали шпаргалки с безопасными высотами и иной навигационной информацией. Но большая часть пилотов считает это излишним, т.к. в 99% случаев запланированная высота полета с огромным запасом превышает минимальную безопасную высоту для местности.

Районы, в которых самолет будет находиться в непосредственной близости от земли — аэродромы вылета и посадки. Для них распечатываются карты Джеппесен, со всей нужной информацией. Ну а в случае с внеплановой посадкой на незнакомом аэродроме принято считать, что «не повезло»…

В своей мечте я хотел бы сделать карту рельефа для маршрута и вероятных запасных аэродромов и площадок. Чтобы пилот в сложной ситуации имел на один шанс больше, для благоприятной посадки. В моем аэроклубе Ан-2 пробивал облачность, у них шанс не выпал — с той сопки привезли двигатель и почему то только два крыла. Благо пилоты остались живы.

Для операторов дронов:Для дрона такие безопасные расстояния, конечно, излишни, но ограничения должны быть и для него — в этом случае при самостоятельном полете дрон не врежется в дом или линию ЛЭП и всегда сможет облететь препятствие.

Если хотите убедиться — возьмите листок и начертите полигон, в котором Вы собираетесь использовать своего дрона. А рядом посчитайте расстояния, которые Вашему дрону требуются для полной остановки по горизонту для рабочей скорости. Прибавьте к «стенам полигона» это расстояние, умноженное на 1,5. Сделайте тоже самое по высоте. Думаю, у Вас получилось совсем небольшое пространство для безопасного полета. Вложите эти ограничения в «полетный план» Вашего дрона, и я убежден, что Вы избежите столкновений.

Уверен, что будут оппоненты, которые будут говорить об «неизвестном полигоне», где неизвестно расстояние или местоположение препятствий. Есть два ответа:

3.1. Это искусственная ситуация, на реальной местности в 10 из 10 случаев известно, где ты будешь летать и какой там рельеф. А запас по безопасной высоте подбирается таким образом, чтобы избежать столкновения с отдельно стоящими препятствиями. В зонах и местах посадок «большой авиации» высоты и безопасные траектории давно и заранее посчитаны и внесены на специальные карты. Во всех других случаях — есть заранее подготовленные трассы, с системой эшелонирования, которая исключает столкновение с препятствиями.
3.2. Такое возможно в специфических условиях, тогда в план полета вносятся не безопасные расстояния, а безопасные скорости, при которых столкновения с объектом не вызовет разрушения дрона.

Строгое следование инструкции или руководству

Этот пункт очевидно важен. Чтобы не быть голословным — посоветую посетить и почитать русскоязычный сайт пилота-инструктора одной из авиакомпаний РФ. Статьи на нем читаются очень легко, там много красивых фотографий и огромное количество реального опыта действующего пилота и инструктора, который рассказывает на основе практических случаев о важности обдуманного использования инструкций и руководств.

Как это я хотел бы реализовать в своей мечте — возможность объективного и субъективного контроля и оценки полета. Т. е. ведение записи параметров полета на всем его протяжении, с возможностью послеполетной оценки этих данных по «эталонным параметрам», а так же возможностью оценки их другими участниками на специализированном сервисе. Это даст возможность проводить «работу над ошибками», даже если ты не имеешь возможности лично продемонстрировать пилотирование пилоту-инструктору (оператору-инструктору).

Для операторов дронов такой сервис так же будет полезен, т. к. позволит получить комментарии от уже опытных операторов и поможет более качественно проводить управление дроном.

Умение «лететь впереди самолета». Это также важное умение, как для пилота, так и для оператора дрона. Умение предположить, как будет развиваться ситуация через некоторое время, для того, чтобы принимать обдуманное и наиболее оптимальное решение.

Как бы я это хотел реализовать в своей мечте — оценка текущих параметров полета и прошлых, чтобы получить расчетные параметры и на их основе оповещать пилота (оператора) заранее. Здесь можно использовать различные методики. Мне кажется, что наиболее простым и удобным будет использование теории Байеса и фильтра Калмана для получения прогнозных значений, плюс грамотная система индикации.

Вам нужно принять во внимание, что огромное количество ошибок при полетах возникают из-за ошибочного исправления текущих параметров полета, без прогнозирования ситуации наперед.

Используя вычислительные мощности современных ПК, можно достаточно точно рассчитать возможные параметры полета для на ближайшее время от 3 до 30 секунд. Имея рассчитанные параметры для 30-секундного рубежа, Вы сможете оценить стратегические параметры полета и принимать общие решения. А трехсекундный рубеж позволит изменять текущие параметры, имея временную фору.

При реализации такого подхода, на первый план выходит правильная система индикации текущих параметров и прогнозных. Можно обратиться к существующим системы индикации в «большой авиации», там есть много грамотных и проработанных решений. Учитывайте тот момент, что в аварийной ситуации события развиваются очень быстро, а у человеческого мозга есть существенные ограничения на время восприятия информации. Может наблюдаться «ступор»: пилот или оператор видит неблагоприятное развитие ситуации, но при этом чисто психологически не может предпринять никаких действий для её исправлении, даже при наличии теоретического и практического опыта.

Ответственность

Не стоит забывать о том, что Вы несете ответственность за свои действия. В авиации, если пилот ошибается, он прихватывает с собой так же и других людей. Не только тех, кто находится в кабине, но и тех, кто остается на земле — коллег, руководителей, диспетчеров…

Оператор дрона может врезаться в ЛЭП и оставить город без света; или пролететь в зоне аэродрома и подставить себя или других на лишение работы или на существенный штраф. Не забывайте, что мы живем в РФ и здесь даже небольшой штраф или малая ответственность не спасают от многократного посещения различных надзорных организаций. И даже понимание того, что тебе особо ничего не будет, кроме штрафа, который ты вполне способен выплатить, не убережёт потраченных нервов, и не только Ваших, но и тех людей, кто Вас учил или разрешал полет, или совсем посторонних людей, в работу которых Вы ворвались.

Самостоятельная ответственность — это признак зрелости и мудрости, не будьте эгоистами, думайте и о других людях.

Вот такая мечта у меня есть.

Что было сделано за последнее время? Много и мало одновременно. С единомышленниками удалось обсудить и проработать многие вопросы, включая технические вопросы по подключению датчиков или подключение к существующей гарнитуре ВС. Источники данных, способы актуализации данных. Вопросы по привлечению пользователей и клиентов. Не смотря на то, что проект является больше хобби, уже есть заказы на готовое ПО.

Структура проекта состоит из веб-сервера с актуальной информацией и средствами общения между пользователями + сторонние серверы получения оперативных данных, в том числе погодных + мобильное приложение (пробуем сделать ПО для ОС Андроид).

Вычислительных мощностей современных планшетов хватает для обработки данных. Основная сложность — яркость экрана и способность показывать устойчивое изображение в результате освещения экрана ярким солнцем.

На Visual Prolog 7.4. сделали тестовое приложение и опробовали идею динамического меню в реализации «один клик до нужной информации». Т.е. меню приложения подстраивается под текущее состояние и режим полета и оптимизирует меню таким образом, чтобы меню позволяло получить нужную информацию на данный момент. Не нужная или неактуальная информация, при такой реализации отодвигается. Как Вы понимаете, это делалось для сокращения времени доступа пилота к актуальной информации за минимальное количество времени и необходимых действий. Так же прорабатывалась идея доработки существующих органов управления без вмешательства в контур управления или техническую часть систем управления, с целью упрощения работы пилота (оператора) с динамическим меню и созданием обратной связи между комплексом (ПО) и пилотом (оператором). Пробы на созданном симуляторе показали, что создать такую связку не только возможно, но и себестоимость будет невысока. При этом, дополнительное оборудование не вмешивается в существующий контур управления и ни коем образом на него не влияет.

Так же проработали панель, которая производит первичное информирование пилота (оператора) и уменьшает его потребное внимание на оценку текущих данных. Систему индикации уменьшили до трех каналов подачи информации, таким образом, что пилот (оператор) мог воспринимать их как единое целое. Данное направление работы было отдельно проработано после анализа информации об испытании приборов контроля взлета самолета (прерванный/продолженный взлет) и замечаний и рекомендаций летчиков испытателей, проводивший оценку этих приборов. Как Вы понимаете, основная претензия испытателей к прибору — избыток информации. Мы уменьшили выдаваемую информацию до минимума (три канала информации в одном месте, фактически воспринимаемых как один канал).

Если Вы делаете собственное приложение или систему индикации для дронов, настоятельно рекомендую обратить внимание на разработки таких компаний как rockwell collins и airbus. Колинз — у них очень проработана эргономика кабины и потрясающие решения в информировании пилотов. У Айрбас — просто потрясающая FMS (грубо говоря — автопилот или бортовой компьютер), в которой вводимая, рассчитываемая и выводимая информация разделена на различные цветовые группы, что позволяет снизить нагрузку пилота при вводе информации. Эти системы не являются эталонными, т.к. обладают и рядом недостатков, но в указанных направлениях, сугубо на мой взгляд, решения простые и очень качественные.

Ну и кроме этого прорабатывали систему повышения надежности ПО. За основу взяли признаки верной работы датчиков и источников информации, проработали алгоритмы, которые позволяют не только определить надежность данных, но и замещение скомпрометированных данных вторичными данными, с относительно незначительным ухудшением достоверности. В тестах, отказ половины датчиков оставлял актуальность работы ПО в заданных уровнях безопасного полета.

Для собственного удобства сделали небольшой прототип, который обсудили с различными пилотами и на этой стадии как раз и получили несколько заказов на готовое ПО.

Вот как то так…

Исходя из этого, хочу сказать, что с учетом развития летающих дронов, актуальность ПО и вхождения IT на рынок авиационного оборудования и систем предоставления информации вполне возможно и востребовано. Возможно кто-то найдет тут свою нишу.

Если Вы дочитали до этого момента, то хочу сказать еще пару слов.

1. Цель статьи — рассказать о своей мечте. И, возможно, найти единомышленников.
2. Я не преследую цели заработать карму или другие преференции. Мне интереснее читать Хабр, чем высказывать свои, возможно наивные суждения.
3. Если мои советы позволят кому то сделать своего дрона умнее — я буду рад.
4. Очень жаль, что в нашей стране тяжело реализовать свои мечты.

Всем удачи и спасибо!

П.С.: Если у кого-то вызовет интерес моя статейка — могу разобрать статью про летающих дронов с точки зрения пилота и сугубо летных ошибок, которые, могли бы помочь сделать полет более безопасным и предсказуемым.

Источник: habrahabr.ru/post/237055/