Наиболее острыми глобальными экологическими проблемами сегодня считаются утрата биоразнообразия, изменение климата, доступ к качественной воде и другим ресурсам, и было высказано предположение, что достижения и других технологий, а не только «классически зелёных», будут привлечены к их решению. «Будут привлечены» – слишком осторожно сказано: многие плоды инновационных систем в формате результатов новых технических решений уже привлечены и к изучению экологических проблем, и к их решению. Одним из примеров такого рода конвергенции технологий на ниве экологии являются беспилотные летательные аппараты (БПЛА) или, в просторечии, – беспилотники.
Здесь надлежит сделать небольшое отступление, чтобы определиться с терминологией. Беспилотник – значит «без пилота», пилот управляет воздушным транспортным средством, то есть беспилотник по своей первоначальной сути – воздушное транспортное средство без пилота на борту. До поры до времени так оно и было, и беспилотниками называли преимущественно летательные аппараты без лётчика. Всё остальное, что само ездило и плавало, было на уровне игрушек или немногочисленных опытных образцов и называлось просто «радиоуправляемые модели». Но с развитием средств связи, автоматики, управления и компьютерной техники стали появляться традиционные транспортные средства в нетрадиционном исполнении: автомобили без водителя, корабли без экипажа, поезда без машиниста. И управление ими могло осуществляться не только посредством радиосвязи, но и через бортовой компьютер. Поскольку в технике уже существовал аналог таких транспортных средств в виде самолётов без лётчика под название «беспилотник», то этот термин получил более широкую трактовку, нежели беспилотный летательный аппарат, и распространился на все прочие транспортные средства без человека на борту в качестве средства управления, так сказать. Именно в этом смысле – управляемое транспортное средство без человека на борту – и будут рассматриваться беспилотники в контексте данной статьи с привязкой к той стихии, к какой они принадлежат: земле, воде или воздуху. Причём наряду с термином «беспилотник» будет использоваться и название «дрон», что по сути то же самое, только с англоязычным звучанием.
Возвращаемся с чего начали. Беспилотники, используемые в экологических целях, принято называть «экодронами». От обычных они ничем не отличаются, приставка призвана подчеркнуть их сугубо мирное научное назначение. Экологов в дронах, помимо всего прочего, привлекает то, что в отличие от самолётов или спутников, БПЛА могут находиться ближе к исследуемому объекту вплоть до взаимодействия с ним, выполняя при этом:
- мониторинг состояния атмосферы, как для выявления глобальных изменений в земной атмосфере по примеру проекта NASA ATTREX, где американский стратегический разведывательный дрон Global Hawk задействован для измерения влажности, концентрации озона и других параметров стратосферы, так и для локального контроля состояния воздуха по примеру китайских экологических проектов, где дроны используются для мониторинга загрязнения воздуха над электростанциями, заводами, теплоходами и другими источниками загрязнения воздуха;
- мониторинг загрязнения мирового океана и морских побережий по примеру научной экспедиции Race for Water Odyssey (Одиссея в поисках воды), которая собирает данные об уровне загрязнения мирового океана пластиком в ходе обследования береговых линий, используя дроны eBee швейцарской компании senseFly;
- мониторинг лесов: обнаружение незаконных вырубок, выявление поражений лесных массивов в результате размножения насекомых-вредителей, распознавание очагов пожаров на стадии их зарождения, картографирование лесных угодий;
- борьба с браконьерами на суше и на воде, так в Кении в тех районах национальных парков и заповедников, которые патрулируются дронами, число преступлений сократилось на 96 %, в Мексике с помощью дронов борются за спасении морских черепах, выслеживая сборщиков их яиц, в Латвии дроны используются для выявления рыбаков, незаконно устанавливающих сети;
- наблюдение за редкими видами животных и птиц, их подсчёт и идентификация в местах обитания с применением видео и аудиоаппаратуры, устанавливаемой на дроны, так в Индонезии с помощью дронов удалось найти в тропических лесах места обитания орангутанов и узнать количество оставшихся представителей вида.
Это лишь несколько примеров использования беспилотников в экологических целях. Интерес к ним в наше время проявляется во всех сферах человеческой деятельности во всех цивилизованных странах. Общую картину коммерческого применения БПЛА можно представить на основе данных, собранных аналитическим подразделением сайта Business Insider – BI Intelligence (рис. 1).
Рис. 1. Структура пользования коммерческими БПЛА в США на март 2016 года
Хотя эти данные относятся только к США, в иных странах распределение по секторам может отличаться, и значительно, с учётом уровня их развития, предложений продавцов БПЛА и потребностей покупателей аппаратов, но по этой информации можно ориентироваться на перспективы применения беспилотников в других странах. Ведь направление и темп движения по пути прогресса задаёт идущий впереди.
А началом отсчёта применения беспилотников можно считать 1849 год, когда австрийская армия использовала для бомбардировки Венеции беспилотные воздушные шары с часовым механизмом на борту для сброса шрапнельных зарядов. Хотя практический эффект от такой боевой операции был мизерный, но шума эта затея наделала много, и вошла в анналы истории как начало эры БПЛА. Техническая реализация идеи дистанционного управления аппаратами была продемонстрирована компанией «Электрические торпеды Симса-Эдисона», которая в 1892 году представила управляемую по проводам торпеду, а существенным толчком к созданию дистанционно управляемых аппаратов стало открытие электричества и изобретение радио. На основе этих достижений науки и техники британец Эрнест Уилсон в 1897 году запатентовал систему для беспроводного управления дирижаблем, а в 1899 году на выставке в Мэдисон-Сквер-Гарден инженер и изобретатель Никола Тесла показал публике миниатюрное радиоуправляемое судно.
С разной степенью успеха работы по созданию дистанционно управляемых аппаратов велись и во время Первой мировой войны, и во время Второй мировой войны, и в период затишья между ними, когда с лёгкой руки капитана третьего ранга Делмара Фарни, возглавлявшего проект радиоуправляемой авиации ВМФ США, за БПЛА укрепилось альтернативное название «дрон» (drone – трутень), которое капитан Фарни употребил в своём отчёте в 1936 году. На время между мировыми войнами приходится и начало серийного производства беспилотника, способного осуществлять не только взлёт с полётом, но и посадку. Им стал созданный в 1933 году британскими инженерами биплан DH.82B Queen Bee. Только вот основное его применение было незавидное – этот БПЛА использовался в качестве мишени для зенитчиков и истребителей.
В начале XXI века основным вектором развития БПЛА стало повышение их автономности вплоть до самостоятельного принятия на поле боя тактических решений на основе поставленных боевых задач при взаимодействии с другими средствами ведения боевых действий. В рамках решения этой задачи в США был создан и прошёл лётные испытания многоцелевой боевой беспилотный самолёт X-47B, умеющий самостоятельно взлетать и приземляться, в том числе на палубу авианосца, а в апреле 2015 года БПЛА X-47B полностью в автоматическом режиме произвёл первую в истории дозаправку в воздухе.
От достижений в области создания БПЛА, ставших уже историей, обратимся к дню сегодняшнему. Нестандартное техническое решение и необычную технологию применения беспилотников предложили американские учёные, занимающиеся разработкой различной военной техники. Они разработали и изготовили опытную партию миниатюрных беспилотных летательных аппаратов, каждый из которых помещается на ладони руки. Беспилотник, который получил название Цикада (Cicada), по словам его разработчиков, представляет собой нечто вроде мобильного телефона с крыльями. Многочисленный рой таких беспилотников, будучи выпущенным на большей высоте с самолёта, опустится на поверхность точно в заданном месте, выполняя по пути и после посадки поставленные задачи при помощи встроенных в их электронный блок датчиков разного типа.
Сверхмалые размеры и дешевизна минидронов привносят в военное дело новые технологии. В целях отработки одной из них DARPA провело испытательный запуск с истребителя стаи одноразовых беспилотников Perdix. Такие аппараты предназначены для запуска с самолёта и быстрого сбора важных данных, которые позволят лётчикам точнее идентифицировать цели и наносить удары.
Ориентации миниатюрных дронов в пространстве, улучшению их манёвренности и выполнению задач в составе «роя» поспособствует разработка исследователей из Швейцарского федерального политехнического университета Лозанны (Swiss Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, EPFL), которые создали искусственный глаз, основанный на строении глаз насекомых. Изделие швейцарцев легло в основу навигационной системы, которая позволит миниатюрным беспилотникам воспринимать окружающий мир и ориентироваться в нем, выполняя поставленные перед ними задачи. Это далеко не первая разработка по созданию предназначенных для беспилотных летательных аппаратов датчиков, прототипами которых являются элементы тела насекомых. Однако это впервые было применено по отношению к миниатюрным аппаратам. Все предыдущие попытки оснастить системой видения минибеспилотники сводились к максимальной миниатюризации камер обычного типа, которые заканчивались с разной степенью удачи. Между тем, система видения в стиле «глаз насекомых» подходит для использования в беспилотных летательных аппаратах как нельзя лучше. Во-первых, такие системы не обладают большой разрешающей способностью, поэтому для обработки потока данных от них требуются весьма скромные вычислительные мощности. Во-вторых, такие системы имеют достаточно высокую чувствительность по отношению к регистрации движущихся объектов и света, отражённого от различных предметов. Все эти параметры системы видения позволят вести крошечный летательный аппарат даже в условиях ограниченного пространства с большим количеством препятствий.
Искусственный глаз, созданный швейцарскими исследователями, весит всего 2 миллиграмма. Он состоит из трёх фотодатчиков, каждый из которых оснащён своей линзой. Обработка данных от этих фотодатчиков, которые расположены треугольником, позволяет системе видения определить скорость и направление движения, как в условиях плохой освещённости внутри закрытых помещений, так и на открытом пространстве при ярком солнечном свете. А быстродействие системы в целом превышает в три раза скорость реакции реальных насекомых. Разработав конструкцию фотодатчика и сопутствующие программные алгоритмы, исследователи планируют установить несколько таких «глаз» на один экспериментальный летательный аппарат, создав достаточно сложную визуальную систему. Возможностей такой системы, по мнению исследователей, будет достаточно для осуществления самостоятельного взлёта и посадки минидрона и для его стабилизации во время полёта. В планах исследователей стоит создание полосы искусственных глаз, размещённых на поверхности липкой ленты, которая может быть помещена на любые типы поверхностей, принося возможности компьютерного видения роботам, элементам систем «умный дом», бытовой технике, мебели и даже одежде.
Длительность непрерывного полёта – крайне важный показатель для беспилотных летательных аппаратов. Поэтому все чаще в конструкции БПЛА используются солнечные батареи, которые позволяют получать энергию без посадки на землю. Испытания одной из таких моделей провели специалисты Китайской академии космической аэродинамики. Разработанный ими беспилотник способен развивать скорость до 200 километров в час и при этом находиться в воздухе до нескольких месяцев. Китайский летательный аппарат получил название Caihong-T4 (CH-T4), он имеет размах крыльев в 40 метров, максимальная высота полёта составляет 20 километров. Для полёта используется 4 пары электродвигателей с пропеллерами, получающие энергию от солнечных батарей, установленных на верхней части крыльев аппарата. Также CH-T4 имеет двойное хвостовое оперение, а каждое крыло способно слегка изменять форму в зависимости от условий полёта. Вес беспилотника составляет 500 кг. Подзарядка аккумуляторов происходит в светлое время суток, и их запаса достаточно для того, чтобы CH-T4 продолжал выполнять свою функцию и ночью. Как сообщают конструкторы, при полете на максимальной высоте область охвата «взора» беспилотника составляет около миллиона квадратных километров.
Аналогичный проект разрабатывают в Европе, его цель – создание гибрида спутника и беспилотника, который создатели назвали «стратобусом» (StratoBus). Размах задач, которые должен решать стратобус весьма широк – это и наблюдение за пограничными районами, и морская разведка, и телекоммуникации, и телерадиовещание, и навигация. Кроме того, эта автономная стационарная платформа сможет усилить GSM-покрытие во время массовых мероприятий, а GPS – над участками с интенсивным движением транспорта. Обшивка стратобуса изготовлена из закрученного углепластик, он может брать на борт грузы весом до 200 кг. Длина воздушного судна 70-100 метров, диаметр – 20-30. Стратобус будет парить на высоте 20 километров. Он сможет собирать солнечные лучи в любое время года: солнечные панели дополняет система усиления мощности, а также обратимый тепловой элемент для хранения энергии. Чтобы противостоять порывам ветра, воздушному судну понадобится постоянный источник энергии – два электромотора будут постоянно менять свою выходную мощность, в зависимости от скорости ветра. Руководит проектом фирма Thales Alenia Space, специализирующаяся на космических телекоммуникациях и навигации. В разработке стратобуса участвуют также Airbus Defence & Space, Zodiac Marine and CEA-Liten. Этот проект объединил целый кластер аэрокосмической промышленности южной Франции (предприятия, выпускающие беспилотные летательные аппараты, воздушные шары и стратопланы).
С появлением новых материалов, совершенствованием технических средств и развитием инженерной мысли человечество все ближе подходит к созданию летающего автомобиля. С этой стороны интересен опыт китайского авиационного концерна AVIC, который в 2015 году на Третьей китайской вертолётной выставке в Тяньцзине представил прототип летающего автомобиля – робота под названием Swift Gazelle. Этот беспилотник весит 100 кг и приводится в действие шестью роторами с пропеллерами, установленными по разные стороны кузова автомобиля. Хоть это все походит на большую детскую радиоуправляемую игрушку, но в основе Swift Gazelle лежат все технологии, которые будут использованы при создании полномасштабного летающего транспортного средства. К данной разработке проявили интерес представители китайской Народно-освободительной армии, которые станут покупателями первых летающих автомобилей компании AVIC. Каждый из роторов имеет свою собственную цифровую систему управления, работа которой координируется компьютером основной системы. Благодаря этому, летающий автомобиль Swift Gazelle может совершать вертикальный взлёт и посадку, летать и зависать на месте, подобно вертолёту. А на земле, сложив роторы в соответствующее положение, автомобиль может убежать от любого преследователя.
Естественно, что прототип Swift Gazelle, который имеет небольшие размеры и вес, является беспилотным аппаратом, способным самостоятельно или при помощи дистанционного управления перемещаться как по воздуху, так и по земле. При этом, возможностей системы управления достаточно для того, чтобы Swift Gazelle полностью в автономном режиме мог выполнить несложные задания, связанные с проведением операций по разведке и наблюдению. Однако, в полномасштабном варианте транспортного средства, которое уже окажется способным перевозить людей, будет находиться оборудованное всем необходимым водительское место и водитель сможет брать на себя управления при выполнении особо сложных заданий или при полётах в плохих погодных условиях. Хуань Шуилин, ведущий инженер компании AVIC, надеется, что автомобили типа Swift Gazelle получат широкое распространение в недалёком будущем и станут одним из основных видов средств передвижения. Эти же самые автомобили, с немного изменённой конструкцией, вероятно, станут частью арсенала китайской армии, позволяя солдатам быстро добираться в труднодоступные районы.
Как было сказано в начале статьи, под «беспилотниками» сейчас имеют в виду не только БПЛА, но и все прочие управляемые транспортные средства без человека на борту, и помимо беспилотных летательных аппаратов, в войсках все больше находят применение сухопутные и водные беспилотники.
Кроме того, появились комплексы радиоэлектронной борьбы, позволяющие перехватить контроль над дистанционно управляемыми машинами противника. Именно благодаря одному из них иранцы в 2012 году захватили новейший американский БПЛА RQ-170. Инцидент такого рода далеко не единичен: иракские повстанцы с помощью российской программы SkyGrabber загружали себе на ноутбуки видео с американских разведывательных беспилотников. Используемая на них ОС делает их лёгкими жертвами простейших вирусов, типа кейлоггера, поразивших системы БПЛА Reaper и Predator в 2011 году. Персонал, обслуживавший машины, оказался настолько слабо готов к борьбе с вирусами, что для получения первичных знаний им пришлось обратиться к веб-странице Касперского.
Решением такой проблемы может стать лишь по-настоящему автономный комплекс, к которому не будут подключаться операторы из Аризоны, подгружающие карты с переносных жёстких дисков, куда они до того скачивали порно (одна из версий инфицирования БПЛА Reaper). У таких систем противник не сможет перехватить управляющий радиоканал и заставить их работать, скажем, на Иран или ИГИЛ будет весьма затруднительно.
Помимо воздушных и сухопутных аппаратов военные специалисты занимаются и морскими вариантами боевых роботов. Одна из концепций их применения, озвученная американским агентством DARPA, предполагает создание роботизированных морских платформ в виде глубоководных узлов, рассеянных по океаническому дну. Будучи дистанционно управляемыми, они могли бы осуществлять пуски торпед или ракет по намеченным целям при необходимости. Так сказать, система базирования военного снаряжения до востребованности получается.
Ещё Никола Тесла при демонстрации своего радиоуправляемого кораблика в 1899 году указывал на потенциально гораздо более широкое применение дистанционного управления, названного изобретателем «телеавтоматикой», нежели в удовлетворении потребности человеческой особи доминировать над себе подобными, то бишь в военном деле. И прав был великий и таинственный изобретатель прошлого века, что наглядно демонстрируют беспилотники XXI века, в особенности БПЛА цивильного назначения.
Гражданские БПЛА начали лавинообразно набирать популярность в начале 2010-х годов. Своей массовой популярностью дроны обязаны развитию беспроводных сетей. Другими определяющими факторами стали мощные компьютеры, способные контролировать сложные устройства и появление новых, более совершенных языков программирования. Вхождение беспилотников в нашу жизнь было столь стремительным, что эксперты не поспевали за ними со своими прогнозами. Так, в 2010 г. Федеральное управление гражданской авиации США (ФАА) ошибочно предполагало, что к 2020 году в мирных целях будут использоваться порядка 15000 дронов. В аналогичном прогнозе ФАА в 2016 году эта оценка была повышена до 550000. В прогнозе компании «Business Insider», выпущенном в 2014 году, рынок гражданских БПЛА в 2020 году оценивался в 1 миллиард долларов США, но уже два года спустя эта оценка была повышена до 12 миллиардов долларов. По данным NY Times, в 2016 году в США было продано 2,8 миллиона гражданских БПЛА на общую сумму 953 миллиона долларов. Мировой объём продаж составил 9,4 миллиона аппаратов суммарной стоимостью порядка 3 миллиардов долларов. Аудиторская компания PricewaterhouseCoopers (PwC) оценивает рынок БПЛА в 2020 году в 127 миллиардов долларов. По оценке PwC, большая часть (61 %) БПЛА будет использоваться в обслуживании инфраструктурных проектов и в сельском хозяйстве
Среди примеров использования дронов в мирных целях можно вспомнить, что квадрокоптер помог археологам обнаружить древнее поселение в Мексике после того, как его оборудовали тепловизором, с помощью которого было определено местонахождение холодных участков под песком, где скрывались древние захоронения. Вообще, дрон с тепловизором – идеальное средство для выявления процессов сопровождающихся возникновением градиента температур, к примеру прорыв теплотрасс, нарушение теплоизоляции зданий, возникновение очагов лесных пожаров.
Стартап Flytrex, базирующийся в Израиле, решил открыть сервис доставки дронами в столице Исландии Рейкьявике. Услугу может заказать любой магазин, благодаря чему его товары будут развозить самые настоящие дроны-курьеры. В городе имеется довольно большая бухта, объезжать которую на грузовых автомобилях долго и накладно, зато дроны смогут довольно быстро перелететь её, а затем оставить груз на специальной площадке, откуда его заберут курьеры на автомобиле. Интернет-магазин Аhа уже пользуется услугами израильской компании и к концу года надеется наладить доставку товаров прямо к порогу заказчиков, ведь использование дронов-курьеров позволит существенно сэкономить на доставке. Выгода может составить до 60 процентов. Сейчас беспилотные летательные аппараты совершают до десяти рейсов каждый день, но со временем планируется удвоить количество полётов, ведь район, обслуживаемый дронами, насчитывает более восьми тысяч клиентов магазина. В общем, использование дронов для доставки грузов – перспективное направление, которое осваивают и крупные торговые онлайн-площадки. Тестировать доставку с помощью квадрокоптеров начал Amazon, активно изучающий возможности модернизации своей курьерской службы.
В Китае компанией PowerVision создан подводный дрон «PowerRay» в помощь рыбакам при поиске рыбных мест. Беспилотник способен погружаться на глубину до 30 м, он оснащён сонаром и камерой, которая может делать фотографии и снимать видео. Благодаря ей, а также встроенному модулю Wi-Fi, владелец сможет не только обнаружить удачное для рыбалки место, но и узнать об особенностях подводного ландшафта. Автономный модуль измерит температуру воды, всё отснимет, а затем просто передаст полученную информацию на смартфон владельца – приложение разработано для iOS и Android. Помимо всего прочего подводный дрон оснащён световой приманкой, которая приятным и мягким светом привлекает к себе рыб. Ещё одна полезная функция – отсек с приманкой. Оператор может дистанционно раскладывать прикормку в нужных местах. А ещё к PowerRay можно будет купить специальную гарнитуру виртуальной реальности. Она пригодится для того, чтобы пользователь мог оценить обстановку под водой своими глазами. Дополнительный бонус владельцу таких очков — управление дроном с помощью поворотов головы.
В США группа инженеров из Радгерского университета предложила конструкцию дрона, названного Naviator, который не только парит в воздухе, но и плавает под водой. С его помощью можно вести подводную съёмку при передаче оперативной видеосводки при инспектировании подводной основы моста, при исследовании подводных загрязнений, выполнении поисково-спасательных работ, в подводной разведке и во многих других случаях. Возможность погружения под воду заложена в конструкции изначально, но ряд проблем при подводной миссии инженерам ещё предстоит решить. В частности, под водой Naviator пока не может обходиться без проводов, поскольку технически не доработан до конца обмен радиосигналами между дроном и оператором. К тому же необходимо решить вопросы улучшения манёвренности под водой, увеличения полезной нагрузки и глубины погружения.
А вот инженеры из Университета Северной Каролины при разработке дрона-амфибии под названием EagleRay взяли за основу самолётную схему. EagleRay представляет собой дрон с жёстким крылом. Благодаря особой конструкции, он способен летать, нырять в воду, плавать по поверхности воды и проводить подводную разведку. EagleRay, помимо всего прочего, имеет на крыльях солнечные панели, которые позволяют ему подзаряжаться, пока он плавает по поверхности воды или летает в воздухе. Размах крыльев беспилотника составляет 150 сантиметров, его длина равняется 140 сантиметрам. Пропеллер в носовой части летательного аппарата позволяет дрону без проблем перемещаться как в воде, так и в воздухе. «EagleRay способен увеличить срок жизни батареи, используя солнечную энергию. Он может изучать подводную фауну как с воздуха, так и в естественной среде обитания. Во время полета EagleRay может свободно передвигаться, как и любые другие подобные аппараты. В воде же дрон использует сенсоры и сонары для ориентации при перемещении. Если вы ищете что-то с помощью сонара, EagleRay может прилететь на место, опуститься под воду, получить данные и улететь на новую миссию», – рассказал о возможностях беспилотника один из разработчиков Уильям Стюарт.
Прямо в противоположном направлении пошла инженерная мысль исследователей из Нью-Йоркского университета – они перенесли механизм перемещения в подводном мире в воздушную среду: создали летающего робота, движения которого отчасти копируют движения медузы под водой. Созданный американскими инженерами прототип выполнен в виде пластиковой сферы, по краям которой установлены овальные гибкие «крылья», подвижные с нижней стороны. Аппарат способен зависать над определённой точкой, снижаться или набирать высоту, а также лететь в заранее заданном направлении. Масса робота составляет всего два грамма. Строго говоря, аппарат сложно назвать роботом, поскольку какой-либо сложной электронной начинкой он не обладает: в корпусе установлен электромотор, получающий энергию по проводу. Из-за отсутствия какой-либо внутренней электронной начинки устройство не способно менять направление полёта. «Крылья» аппарата выполняют до 20 движений в секунду. Особенностью конструкции аппарата является то, что она не требует установки дополнительных стабилизирующих приспособлений или микросхем, отвечающих за стабилизацию дрона в воздухе.
Большие надежды инженеры возлагают на БПЛА в качестве носителя средств коммуникации. Так в рамках проекта Internet.org лаборатория Connectivity Lab компании Facebook занимается разработкой технологий, позволяющих обеспечить доступ к интернету там, куда невозможно проложить коммуникационный канал.
Результатом трудов инженеров лаборатория Connectivity Lab стал беспилотник «Aquila». Дрон от Facebook коренным образом отличается от традиционных беспилотников. Один размах этого огромного летающего крыла немного недотягивает до размаха крыльев авиалайнера Boeing 737, в то время как весь летательный аппарат весит меньше среднего легкового автомобиля. Беспилотник «Aquila» разработан для условий полностью автономного полёта на протяжении минимум трёх месяцев, в течение которых он будет кружить над областью покрытия на высоте от 20 до 30 километров, выше всех авиатрасс, питаясь исключительно солнечной энергией. Для создания сети интернет-покрытия нужна целая группа идентичных летательных аппаратов. Один из аппаратов группы держит связь с землёй при помощи высокоскоростного радиоканала, а связь с другими аппаратами поддерживается при помощи лазерной коммуникационной системы. Такая же лазерная система связывает каждый беспилотник с одной или несколькими наземными станциями, которые установлены в труднодоступных местах и которые обеспечивают широкополосный доступ в Интернет при помощи нескольких технологий, в частности, через Wi-Fi.
Лазерная коммуникационная технология является второй важной частью будущей системы Internet.org. Эта технология также разрабатывается специалистами лаборатории Connectivity Lab, которые сотрудничают с множеством других организаций, работающих в направлении лазерной передачи данных на высоких скоростях и с высоким уровнем надёжности. В настоящее время лазерные технологии компании Facebook способны обеспечивать скорость передачи информации на уровне десятков гигабайт в секунду. И с учётом того, что для реализации этого требуется держать в прицеле лазера беспилотника цель, размером с монету, с расстояния в десятки километров, это является крайне сложной задачей.
Что касается наземных беспилотников гражданского назначения, то среди них пока не наблюдается такого функционального разнообразия, как среди БПЛА. Их основное применение – перевозка пассажиров и доставка грузов. Но им и этого хватает, чтобы эксперты прогнозировали объем рынка беспилотного автомобильного транспорта во всем мире в ближайшие 20 лет в 560 млрд. долларов. При этом автомобили-беспилотники не только сэкономят потребителям миллиарды долларов на страховых и топливных издержках, но и стимулируют развитие других отраслей — программного обеспечения, телекоммуникаций, инфраструктурных проектов. Кроме того, беспилотный транспорт позволит потребителям тратить меньше и на техническое обслуживание беспилотных машин. Специалисты консалтинговой компания AT Kearney считают, что при массовом развитии беспилотных автомобилей только в США потребители смогут сэкономить по всем этим статьям до 1,3 трлн. долларов, из них сокращение числа ДТП приведёт к экономии 488 млрд. долларов, а экономия на топливе составит почти 170 млрд. долларов. Беспилотники будут тратить меньше топлива в том числе и потому, что такие автомобили смогут связываться друг с другом и выбирать наиболее оптимальную и безопасную скорость для движения по трассе. Также прогнозируется, что на техобслуживании беспилотников, в которых будет меньше изнашиваемых механических частей, а также за счёт более высокой производительности «умных» машин, потребители смогут сэкономить до 500 млрд. долларов. Оптимальный скоростной режим, выбираемый беспилотником, позволит существенно сократить дорожные заторы, что также позволит сократить расходы на топливо и износ в объёме 140 млрд. долларов.
Основные тенденции на рынке беспилотных автомобильных технологий по мнению главного аналитика компании «Altimeter Брайана Солиса следующие:
- Полуавтономные транспортные средства становятся последним шагом на пути к полной автономности.
- Автомобиль становится местом для отдыха, а обустройство салона – отдельным направлением для вложения средств.
- «Очеловечивание» поведения беспилотных автомобилей для удобства остальных участников движения.
- Высокая конкуренция в использовании технологических новинок и стартапов. Предпочтение отдаётся инновациям в программной и аппаратной сферах, обеспечивающим основную долю монетизации проекта.
- Крупные производители скупают стартапы, чтобы владеть не только новыми идеями, но и талантами, порождающими их, поэтому в автомобильном бизнесе ожидается рост IT-вакансий. Все это позволяет выходить на передний план принципу «подключи и работай», когда новые технологии могут быть легко модифицированы в реальные модели автомобилей.
По прогнозу американского аналитического центра RethinkX к 2030 году 95 % маршрутов будет обслуживаться автономными автомобилями, принадлежащими корпорациям. Это можно считать одной из крупнейших технологических революций транспорта в истории. При этом стоимость поездки для конечного потребителя сократится в десять раз, что вынудит владельцев личных автомобилей отказаться от единоличного владения. Вместо этого они будут иметь к ним доступ по мере необходимости. В целях экономии двигатели внутреннего сгорания постепенно заменятся электрическими. Затраты на техническое обслуживание, энергетику, финансирование и страхование уменьшатся, и в результате компании предложат варианты, которые будут до десяти раз дешевле в эксплуатации, чем существующие автомобили. При этом эффективная эксплуатация транспортных средств (каждый автомобиль будет использоваться по меньшей мере в десять раз больше, чем автомобили, принадлежащие индивидуальным владельцам) приведёт к тому, что их число сократится.
Аналитики сходятся во мнении, что к 2030 году 40% всех транспортных средств будет по-прежнему иметь индивидуальных владельцев, но доля их использования сократится до 5%. Поведенческие проблемы, такие как любовь к вождению, страх перед новыми технологиями или привычка, создадут первоначальные барьеры для перехода на автомобили без водителя, однако компании уже готовы инвестировать миллиарды долларов в развитие технологий и услуг для решения этих проблем. Беспилотные автомобили ждёт большое будущее, только для того, чтобы беспилотные автомобили массово вошли в жизнь рядового обывателя, кроме чисто психологических проблем, необходимо решить и технические вопросы:
- создание дорожно-транспортной инфраструктуры под беспилотные автомобили;
- обеспечение безопасности движения дорожных дронов;
- снижение цены автомобилей-беспилотников.
Пока что большинство моделей беспилотных автомобилей (а над ними работают почти все мировые производители) мало чем отличается по внешнему виду от обычных машин. Характерный пример – беспилотник на электрической тяге от Илона Маска на базе электромобиля Tesla Model S.
Облик классического легкового транспортного средства скорее дань стереотипам, нежели актуальная конфигурация кузова, поскольку создание автомобиля с полностью автономной системой вождения сейчас сопряжено не с технологическими трудностями, а с казуистическими. В настоящее время ни в одной стране мира не существуют законодательной базы, позволяющей беспилотным транспортным средствам передвигаться по дорогам общего пользования.
В соответствии с первоначальной идеей Маска внешне беспилотник должен был представлять собой футуристического дизайна капсулу с оригинальной компоновкой внутреннего пространства. Однако пока что беспилотник Tesla выглядит как обычный легковой автомобиль.
Рис.3 Беспилотный автомобиль на базе Tesla Model S
Оснащение салона беспилотника Tesla мало отличается от донорской модели, так как законодатели пока запрещают эксплуатацию электромобиля без традиционных органов управления. Поэтому у беспилотного автомобиля осталось и мультифункциональное рулевое колесо, и цифровая приборная панель диагональю 10 дюймов. Сохранен и педальный узел. Все пространство центральной консоли занимает 17-ти дюймовый монитор – фактически планшет с операционной системой Ubuntu. Программное обеспечение можно обновлять через wi-fi. Для водителя поездка на беспилотнике Тесла будет выглядеть как и на обычном автомобиле, вот только к рулю и педалям притрагиваться не понадобиться. На центральном мониторе надо будет лишь указать пункт назначения.
Беспилотник Tesla оснащён асинхронным трёхфазным электромотором собственной разработки компании Илона Маска. Мощность мотора 415 л. с., максимальная скорость электромобиля 210 км/ч, разгон до ста километров за 4,5 с. Двигатель запитывается от литий-ионной батареи ёмкостью 85 кВт/ч. Этого достаточно для преодоления 425 километров пути со скоростью 120 км/ч. Ресурс батареи 7 лет или 160 тысяч километров. Одного часа зарядки от бытовой электросети достаточно для преодоления 30 км пути. На полный цикл требуется около 15 часов. На специализированных станциях Tesla Supercharger время зарядки занимает всего 30 мин. Альтернативный способ пополнения энергии – замена батареи. Манипуляция продолжается всего полторы минуты. Стоимость процедуры приравнивается к заправке полного бака бензином.
Беспилотные электромобили Илона Маска (а его компания создаёт и грузовые электрические беспилотники) – это дерзкий вызов империи традиционных транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания. Но тут предприимчивый инженер-изобретатель не одинок. Интересную модель с заделом на беспилотный вариант представили немецкие инженеры из Центра робототехники DFKI (Бремен). Они придумали элегантное инновационное решение – маленький электрический автомобиль, способный разворачиваться на месте, ужиматься в размерах и перемещаться боком, словно краб, втискиваясь в такие места, куда не сможет вписаться ни один традиционный автомобиль.
Рис.4 Электромобиль EOssc2
В основу конструкции электромобиля EOssc2 легли элементы строения тела краба, который может расставлять свои конечности в стороны или подбирать их ближе к себе, существенно уменьшая занимаемую площадь. Подвеска EOssc2 также обладает несколькими степенями свободы – автомобиль может расширить свою базу при движении по дороге и сузить её перед парковкой, а независимый поворотный привод каждого колеса придаёт машине необычайную манёвренность. Кузов EOssc2 имеет размеры 1,5 на 2,5 метра, пассажирский салон, в котором есть два сиденья, может наклоняться вперёд для уменьшения габаритных размеров автомобиля перед парковкой. Двери открываются, смещаясь вверх, что позволяет водителю и пассажиру беспрепятственно садиться и покидать салон. Большая часть из 750 килограмм веса автомобиля приходится на его 54-вольтовую литий-полимерную аккумуляторную батарею. В движение электромобиль EOssc2 приводится четырьмя, по одному на каждое колесо, 4-киловаттными электродвигателями, мощности которых достаточно для того, чтобы разогнать автомобиль до скорости в 65 километров в час.
В настоящее время электромобиль EOssc2 управляется как любое другое транспортное средство, но в его конструкцию уже заложены все элементы, благодаря которым он сможет в будущем обрести полную автономию и перемещаться самостоятельно без любого участия человека в этом процессе, объединяясь с другими такими автомобилями в целые автопоезда по мере необходимости. А пока автоматических способностей автомобиля хватает лишь на выполнение функции автоматической парковки, для чего используются данные, собираемые со скоростью 10 раз в секунду лазерным сканером LIDAR, камерами и датчиками других типов.
В заключение нашего небольшого обзора беспилотников немного про не совсем стандартную стезю их гражданского применения: в комплексе под названием «умный магазин» в формате дистанционно управляемых покупательских тележек с видеокамерой и манипулятором на борту.
Сейчас под «умным магазином» подразумевают торговые площади, оборудованные системой идентификации товаров, позволяющие при выходе из магазина автоматически списывать со счета покупателя стоимость приобретённого им товара. То есть, магазин не только без продавцов, но и без кассиров, благодаря системе электронной идентификации товара.
Но такой магазин, пожалуй, нельзя назвать совсем «умным». Это, скорее, «полу-умный магазин». В том плане, что идее не хватает логического завершения – полностью роботизированных процессов выбора покупателем товара, упаковки индивидуального заказа, расчётов с владельцем товара и передачи товара покупателю. Благо, что современный уровень развития техники и обмена информацией уже сейчас позволяет открывать полностью автоматизированные магазины.
Полностью автоматизированный магазин – это торговля без прямого использования самой ненадежной функциональной единицы – человека. Зал с витринами для товаров, по которому перемещаются автоматические тележки, управляемые удалёнными покупателями. Тележки с памятью, в которой заложено, где на какой витрине какой товар находится. Кроме того, тележки снабжены видеокамерами для обзора товара и манипуляторами для захвата товара, его перемещения перед видеокамерой, чтобы лучше рассмотреть и, если товар понравится, перенести в тележку для дальнейшего перемещения по залу. После завершения автоматизированного шопинга, происходит оплата товара, упаковка товара и передача в зал получения товара. Все в автоматическом режиме.
Полностью автоматизированный магазин – это автоматическое решение проблемы воровства товаров. Не нужна многочисленная охрана и прочий оперативный персонал, включая кассиров и уборщиц. Если через те же тележки автоматизировать и выкладку товаров на витрины, то и персонал лишится возможности воровать. Все будут операторами, которым доступ в зал ни к чему.
При этом при полной автоматизации достигается экономия:
- торговые площади в разы сокращаются, если автоматические тележки подвесными сделать и пустить по верхнему ярусу над сплошным витринным полем;
- тотальное электроосвещение ни к чему становится, достаточно хорошо поставленного локального света с тележек;
- температуру в торговом зале можно будет держать не комфортную для покупателей, а необходимую и достаточную для сохранности товаров.
Вот про такие магазины можно уже без всяких оговорок заявлять, как об «умных магазинах», где рабочим персоналом станет «магазинный беспилотник».
Беспилотники, особенно беспилотные летательные аппараты – пожалуй, самое яркое и впечатляющее техническое достижение современных инновационных систем, без развития которых не состоялся бы бурный рост самодвижущихся автоматов. В беспилотниках воплощены многие передовые идеи и инженерные находки и из электроники, и из авиа-, корабле- и автомобилестроения, и из материаловедения, и из прочих направлений науки, разделов техники, отраслей промышленности. Есть, конечно, и другие достижения инновационных систем, которые вошли и на наших глазах входят в повседневную жизнь цивилизованного человека, но они не столь заметны, хотя и значимы. А тут продуктами инновационных систем, каковыми являются беспилотники, и ребёнок позабавиться может, и взрослые по взрослому к вопросу подойти – применение самое разнообразное: от развлечений до войны.
Дальнейшее расширение функционала беспилотников лежит в направлении повышения их автономности – необходимы полностью автономные устройства, передвигающиеся в соответствии с заданной программой и обладающие большим вариативом действий при контакте с человеком, который выступает потребителем услуг, предоставляемых беспилотниками. А это уже площадка разработчиков искусственного интеллекта. Помимо работ в области искусственного интеллекта, беспилотные аппараты стимулируют появление новых достижений на рынке специального оборудования, активируют развитие мобильного интернет-рынка и других видов беспроводной передачи данных, способствуют созданию инфраструктурных проектов.
В общем, подытоживая все сказанное, можно сказать, что наступает эра беспилотных аппаратов, и мы присутствуем при её прогрессирующем становлении на волне достижений инновационных систем цивилизованных стран.
______________________________
© Фиговский Олег Львович, Гумеров Валерий
