Overview of unmanned aircraft cargo delivery systems

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Беспилотные авиационные системы (БАС), или беспилотные воздушные судна (БВС), по ГОСТ Р 59517–2021 [1], используются в качестве воздушного транспорта для доставки почтовых отправлений и других грузов относительно недавно, благодаря бурному развитию этого направления в 20-х гг. XXI в. БАС-системы (или в бытовом языке «дроны», «беспилотники») изначально использовались в основном в военном деле и в полиции для мониторинга и отслеживания объектов наблюдения. С 2016 г. беспилотные аппараты фирмы Зиплайн (Zipline) были приспособлены для доставки крови и плазмы в Руанде (Африка) [2], затем с 2019 г. в Гане, преодолев в общей сложности более 1,8 млн км. 18 декабря 2018 г. БАС впервые оперативно доставил вакцину-прививку для ребенка в отдаленном островном государстве Вануату в южной части Тихого океана [3]. В Танзании с 2019 г. также начали применять дроны для доставки медикаментов в труднодоступные места в период пандемии КОВИД-19 [4].

С 2019 г. во время пандемии КОВИД-19 БАС-системы начали использовать для ускоренной доставки тестов, вакцин и медицинских препаратов с минимизацией контактов между людьми. Одними из первых дронов для доставки медикаментов и средств индивидуальной защиты были также аппараты фирмы Зиплайн (Zipline), используемые в Медицинском центре «Novant Health» города Шарлотта, Северная Каролина, США. В 2019–2020 гг. эти БАС доставляли 1–2-килограммовые отправления на расстояние 30–40 км со скоростью 60 км/ч.

Дальнейшее развитие почтовой службы привело к использованию с 2020 г. американскими почтовыми фирмами UPS и CVS дронов типа Matternet М2 для доставки отправлений и медикаментов до специальных распределителей. В этом же году фирма Alphabet’s Wing в Вирджинии начала доставлять небольшие грузы, как правило, пищевые продукты, до двери получателя. После публикаций почтового использования дронов их применение значительно расширилось, проникнув в различные сферы – военно-разведывательную, транспортно-логистичес-кую, коммунально-бытовую и т. д. С 2020 г. лидерство в области эксплуатации дронов начало постепенно переходить к Китаю. Активизировались особенно почтовые компании [5; 6].

В настоящее время в каждой стране мира выработаны особые правила для использования дронов, поскольку они могут представлять опасность для воздушных судов, городской инфраструктуры, а также людей и животных. Причем достаточно быстро система эксплуатации беспилотных аппаратов сложилась в крупную, в том числе бюрократическую сеть. Сегодня в службу доставки отправлений дронами в каждой стране вовлечены следующие структуры (рис. 1):

• разработчики и производители дронов;
• создатели программного обеспечения и полетных заданий;
• национальное агентство воздушного транспорта (или другая ответственная государственная регулирующая организация);
• Федеральное агентство воздушного транспорта;
• регистрирующая и/или лицензирующая организация (идентификация аппаратов, управление воздушно-транспортными потоками, метрология, информирование о появлении новых препятствий, разрешения и запрещения на полеты в особых зонах и т. д.);
• инвестор(ы);
• владельцы дронов или провайдеры услуги доставки;
• пилоты дронов;
• наземная группа обслуживания, загрузки и разгрузки отправлений.

 

Рис. 1. Инфраструктура доставки отправлений дронами
Fig. 1. Drone delivery infrastructure

 

К дронам применяется множество законодательных актов в части запрещения вторжения в воздушное пространство выше 100–300 м и близко к частным владениям в зависимости от страны эксплуатации, а также сроков эксплуатации (как времени суток, так и величины дрона), массы беспилотного аппарата, разрешенных навигационных маршрутов и т. д. На полет дрона необходимо получить соответствующую лицензию. Пилот FPV-дрона должен пройти продолжительную подготовку и иметь соответствующий сертификат или удостоверение на управление беспилотной техникой (FPV – First Person View, вид от лица оператора дрона).

Для функционирования беспилотных, особенно автоматических, аппаратов-роботов требуются площадки для их тестирования, заряда батарей (или заправки топливом), системы навигации и маневрирования между зданиями и сооружениями, особенно в условиях городской застройки, где существует множество зон с запрещением полетов по ряду причин (рис. 2).

 

Рис. 2. Особенности воздушного пространства городской застройки
Fig. 2. Features of urban airspace

 

Погодные условия могут серьезно влиять на поведение дрона, поскольку снег, дождь, ветер могут внести значительные изменения в маршрут следования аппарата, вызвав такие нежелательные последствия, как нанесение вреда инфраструктуре или коммуникациям, вторжение в воздушное пространство запрещенных для полетов зон, причинение травм людям и животным и т. д.

При доставке почтовых отправлений дронами возможны исчезновение и хищение отправлений, случайное или намеренное повреждение элементов аппаратов и возникновение других обстоятельств, приводящих к дополнительным расходам.

Человеческое сообщество, как показывают многочисленные исследования, пока не готово к появлению дронов в окружающем пространстве в связи с наличием шума, появления опасности, а главное – вторжения в личное пространство человека. Этой теме посвящено множество публикаций [7], описывающих риски и угрозы использования беспилотных летательных аппаратов, с приведением соответствующих целевых функций [8].

РАЗВИТИЕ БАС-ТЕХНОЛОГИЙ

Очевидно, что описанные проблемы способствуют значительному удорожанию стоимости почтовых отправлений дронами. В связи с этим заинтересованные транспортно-логистические компании стремятся всячески снизить затраты, одновременно повышая качество беспилотных технологий в сотрудничестве с производителями дронов, программистами, картографическими и регулирующими организациями. Благодаря этим инициативам в данное время активизировались следующие пути развития данного направления (рис. 3) [9]:

–                                                                                                                            развитие технологий беспилотных летательных аппаратов (управление навигационными приборами и механизацией БАС, обнаружение и обход препятствий, интерактивные коммуникации с базовыми системами и воздушными судами на пути следования). Немаловажным фактором развития денных технологий является внедрение цифровых двойников, локальных и глобальных нейросетей, искусственного интеллекта;

• расширение автоматического мониторинга как воздушного пространства, так и логистики движения дронов и доставки почтовых отправлений;
• развитие интерактивной интеркоммуникационной картографии с автоматическим нанесением вновь обнаруженных препятствий и исключением исчезнувших преград на картах, в том числе популярных браузеров. Переход к геопространственным 3D и 4D картам;
• привлечение пилотов дронов (дроноводов) различных типов и их комплексное обучение. Обучение операторов наземной поддержки;
• обучение студентов по специальности «Разработчик дронов и сопутствующего оборудования»;
• проведение маркетинговых и опросных компаний с целью проведения анализа развития направления и накопления системной статистики и аналитики всех составляющих компонентов развития и преобразования в отрасль.

 

Рис. 3. Развитие направления и преобразование в отрасль
Fig. 3. Development of the direction and transformation into an industry

 

Преимуществами использования дронов при доставке почтовых отправлений являются:

• скорость доставки за счет спрямления маршрутов;
• отсутствие труднопроходимых мест, таких как бездорожье, заросли или джунгли, непроходимые реки и болота и т. д.;
• низкая эксплуатационная стоимость в сравнении с другими видами транспорта;
• низкий углеродный след в сравнении со всеми другими видами транспортной доставки;
• низкая аварийность в сравнении со всеми известными видами транспорта;
• высокая точность доставки груза, особенно у дронов с вертикальным взлетом и посадкой;
• широкие возможности машинного обучения, использования геопространственных карт, нейросетей, искусственного интеллекта;
• возможность бесконтактной передачи груза (во время пандемии).

Как показывает практика, использование дронов в будущем предрешено и будет развиваться бурными темпами. Беспилотные технологии продолжают совершенствоваться, вбирая в себя многочисленные достижения IT-индустрии, телефонной промышленности, технологий развития искусственного интеллекта, авиации и т. д. Суммы инвестиций и патентная активность растут в геометрической прогрессии с каждым годом.

ПРИМЕНЕНИЕ ДРОНОВ

Применение беспилотных летательных аппаратов или дронов все больше охватывает как гражданские, так и оборонные отрасли, привнося широкие возможности эксплуатации, порой являющиеся уникальными [10].

Как правило, дроны оснащены различными по назначению датчиками, камерами и другими сенсорными устройствами, позволяющими осуществлять такие задачи, как сбор информации, определение опасности (столкновения, невозвращения, чрезмерного удаления), ориентацию на местности и в пространстве и т. д. в условиях дня и ночи, тумана, снегопада, сильного ветра и других неблагоприятных погодных условий. При этом дроны уже себя зарекомендовали как весьма ценные инструменты в самых различных отраслях, включая доставку почтовых отправлений, сельское хозяйство, лесную промышленность, охрану окружающей среды, поисково-спасательные работы, военное дело, а также широкий спектр научных исследований. Более того, дроны в комбинации с живыми существами (например, птицами) могут представлять необычные применения, такие как управление роями пчел [11], стаями птиц [12] и т. д. 

В соответствии с особенностями применения дроны оснащают различными датчиками [13], позволяющими проводить оценку опасности, исходящей от различных объектов и субстанций (биологических, ядерных, химических и др.).

Сельское хозяйство. Современное сельское хозяйство представляет собой сложный механизм распределения ресурсов, точечных и гибридных оптимизаций, временных и пространственных стратегий. Многочисленные сельскохозяйственные методологии и методики основаны на систематизированном сборе данных, оформлении пространственно-временных карт, анализе результатов, прогнозировании, выработке и принятии решений, информировании общественности и т. д. Удаленные технологии сбора и обработки данных широко используют авиационные системы, спутники и другие беспилотные технологии, примерами которых являются сенсорные системы OLI (тепловизор для обзора Земли (Operational Land Imager) на спутнике Landsat 8), MODIS (спектрорадиометр для получения изображений с умеренным разрешением (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) на спутнике Terra и усовершенствованный радиометр с очень высоким разрешением  (Advanced very-high-resolution radiometer) на спутнике NOAA-15) для удаленного мониторинга геолокаций земной поверхности с помощью спутников [14–18].

Спутниковая сенсорика широко зарекомендовала себя с положительной стороны, однако в точном земледелии, представляющем собой комплексную высокотехнологичную систему менеджмента на основе технологий глобального позиционирования с использованием географических информационных систем, технологии оценки урожайности, переменного нормирования и т. д. использование спутниковых сенсоров часто затруднено в связи с наличием облаков. Решением этой проблемы явились авиационные беспилотные системы с аналогичными сенсорами [19].

Применение такого рода сенсоров расширяет возможности дистанционного зондирования с разрешением 30 м в 11 спектральных диапазонах 435–12510 нм.

Технологии удаленного мониторинга произвели революцию в точном земледелии за счет изучения понимания влияния климатических флуктуаций на рост урожая [20], на приход периодических наводнений [21].

На основе анализа данных мониторинга осуществляется прогнозирование объема урожая [22–24], управление водным балансом сельскохозяйственных культур и периодичностью полива полей [25; 26], мониторингом роста лесов [27].

Сегодня в основном дроны используются для получения высококачественных фотографий высокого разрешения. Примером может служить использование микродрона Microdrone MD4-200, имеющего CMOS камеру (Complementary Metal Oxide Semiconductor), изготовленную по специальной технологии, требующей очень малой мощности, с разрешением 1200×1024 пикселей. С помощью анализа таких фотографий удалось в ускоренном режиме и достаточно точно оценить содержание азотных остатков в почве и объем биомассы посевов кукурузы, люцерны и сои [28; 29]. При этом дроны в ряде случаев устанавливают на вертолеты для ускоренного облета сельскохозяйственных угодий. Сами дроны оборудованы мультиспектральными и термальными камерами, позволяющими получать фотографии в термальном спектре с разрешением 40 нм и спектральным диапазоном 400–800 нм. Такой подход позволил за счет наличия мультиспектральных и термальных сенсоров демаркировать флуктуации водного распределения в пределах виноградных полей и снизить зависимость от дождевых осадков [30].

Лесное хозяйство, рыболовство, защита дикой природы. Дроны сегодня серьезно конкурируют со спутниками благодаря низкой стоимости, отсутствию необходимости запуска на околоземные орбиты, возможностью съемок при облачной погоде, управляемости и т. д. Используя высококачественные фотографии с большим разрешением, можно измерять высоту лесных насаждений, обновлять географические карты, мониторить поведение диких животных, вести и корректировать лесные мероприятия, детектировать и мониторить лесные пожары с автоматическим распознаванием и уведомлением пожарной службы и производить множество другой полезной работы [31]. Для этого используются дроны с дистанционным управлением, оборудованные термальными и гиперспектральными датчиками. В сочетании с данными спутников такой подход позволяет оперативно выявить случаи браконьерства, оценить критические условия для существования тех или иных животных (например, наводнение, засуха или крепкий снежный наст, опасный для копытных животных), а также проводить подсчет поголовья тех или иных популляций [32]. Данные технологии позволили значительно снизить убыль поголовья диких животных и повысить сохраняемость природы в первозданном виде.

Мониторинг качества воздуха. Это применение охватывает все большее число коммунальных служб в связи с ухудшением воздуха особенно в мегаполисах с достижением критических отметок из-за выбросов автомобилей, смога и других газов.

Горные разработки. В ходе разведки и предварительных геологических работ дроны используются как для исследований над землей, так и под землей, в пещерах и других искусственных и естественных резервуарах, в том числе с отсутствием кислорода и/или наличием пыли или взвеси, где человек не может присутствовать физически. Аэрофотосъемка может вестись при этом как в видимом спектре, так и в инфракрасном диапазоне.

Оборона и военное использование. Дроны изначально разрабатывались для военно-оборонительных целей, включая сбор данных, наблюдение, разведку, идентификацию целей (целенаведение) и т. д. Однако в короткие сроки эти аппараты получили востребованность в гражданском и логистическом сегменте [33]. Сегодня лидирующими странами в области разработки и внедрения беспилотных авиационных систем являются Россия, США, Великобритания, Израиль, Индия. Особенно быстрое развитие военные дроны получили с 2017 г. при выполнении точечных боевых действий малыми летательными аппаратами, включая роевые дроны, дроны с реактивным двигателем, микродроны в таких горячих точках, как Сомали, Йемен и Афганистан. С началом специальной военной операцией России на Украине развитие дронов не только увеличилось кратно, но и вышло на принципиально новый уровень с созданием специальных родов войск в России, США и ряде других стран. Индия также вносит значительный вклад в развитие военных дронов, создавая продвинутые роботы-манипуляторы типа DRDO в категории средне-высотных (до 800 м) длительно-полетных аппаратов, позволяющих обозначать цели, выпускать и мониторить ракеты, бросать бомбы, осуществлять ударные миссии [34; 35].

Гражданское применение. Значительный интерес к беспилотным летательным аппаратам проявил бизнес в области транспорта и коммунальных услуг. Сегодня наблюдается растущий тренд среди электросетевых компаний к БАС или дронам в части инспекции высоковольтных линий электропередач. Эти аппараты в ряде стран уже более 10 лет полностью заменяют человеческие действия по ручному обследованию электрических опор, сбиванию льда, устранению перебоев электроэнергии и т. д. [36; 37]. Дроны успешно используются в железнодорожном транспорте для мониторинга и регистрации дефектов рельс, особенно в регионах с повышенной сейсмической активностью. Подобная эксплуатация дронов неоценима особенно в труднодоступных местах и районах с периодическими климатическими дизастерами. Впервые для составления оперативных 3D (трехмерных) карт для мониторинга железнодорожных коридоров и автодорог национального уровня дроны были использованы государственными органами Индии. После этого дроны начал использовать интернет-оператор Амазон (Amazon) для доставки мелких отправлений. Очевидно, однако, что пока нельзя сказать, что, во-первых, дроны «прижились» в службе доставки, а во-вторых, что отправления могут быть доставлены дронами в автоматическом режиме. Тем не менее, в службе спасения дроны используются сегодня практически во всех странах для поиска заблудившихся или попавших в катастрофу людей, доставки им воды, медикаментов, а также пищевых и спасательных продуктов и материалов. Кроме этого, высокоскоростные и высоко летающие дроны используются для открытия новых, неоткрытых пространств, оценки туристических маршрутов, выявления дефектов зданий, сооружений, лопастей ветроэнергетических установок и т. д.

Поисковые и спасательные операции. Дроны порой играют решающую роль в спасательных операциях (SAR – Search and Rescue), особенно когда присутствует временной фактор [38].

Они не требуют долгих приготовлений и согласований с авиационными инстанциями и в связи с этим используются как оперативные формы связи для доставки различных предметов – мобильных телефонов, медикаментов, воды, пищи и других продуктов первой необходимости [39].

Целый ряд разработчиков, исследователей и ученых заявил о готовности всемерно развивать данное направление с совершенствованием беспилотных летательных аппаратов, особенно в части спасательных операций [40–42].

Сегодня дроны успешно используются для защиты природных ресурсов, способствуют выживанию редких животных в различных географических широтах, помогая преодолевать последствия глобального потепления как в плане борьбы с наводнениями, так и засухами. Неоценимая помощь оказывается дронами практически каждый день при мониторинге пожаров в тайге, дождевых лесах, месторождениях полезных ископаемых, городах и мелких поселениях [43; 44].

Почта и доставка. Возможность осуществления доставки почтовых и других отправлений является привлекательным предметом бизнеса множества компаний по всему миру. Достаточно известными примерами в этой области являются системы доставки, используемые компаниями Амазон (Amazon) и Гугл (Google) в США [45; 46] и ДиЭйчЭл (DHL) в Германии [47; 48], осуществляющими доставку срочных отправлений – тестов, медикаментов и других срочно требуемых предметов клиентам. При этом вертикальный взлет БАС в виде коптеров является особым преимуществом этих машин в связи с возможностью точечной доставки отправлений.

Космические дроны. Космические дроны не предназначены для транспортировки отправлений на Земле, однако они являются перспективными, во-первых, для отправки различных предметов на космические станции, на другие планеты и спутники, а также для исследования космических тел и пространства. При этом космические дроны занимают среди другой робототехники достаточно выгодное положение в связи с их широкими возможностями, что делает эти аппараты незаменимыми в части обследования различных космических объектов – астероидов, комет и других небесных тел [49].

Более того, уже создано несколько образцов дронов для космических миссий и исследования других планет, в частности, Марса [50–52].

Важно отметить, что космические и инопланетные дроны должны проходить серьезную кастомизацию, т. е. настройку параметров, иметь адаптационные характеристики и быть защищенным от различного вида угроз – радиации, вредных и ядовитых агрессивных веществ, экстремальных перегрузок, различной степени гравитации и ускорения и т. д. Например, на Марсе снижение гравитации на 38,5 % увеличит подъемную силу и маневренность, что окажет в свою очередь воздействие на работу системы управления в части быстродействия [53].

Морские дроны. Морские дроны также пока не рассматривались как транспортные, однако логично предположить, что впоследствии этот вид транспорта может оказаться весьма эффективным в плане оперативной доставки отправлений к местам аварий и катастроф. Морские аппараты могут служить прекрасными и удобными устройствами для изучения морских организмов, обнаружения нефтяных и других выбросов, а также других целей [54–56].

В будущем, по мнению ряда экспертов, будет организовано взаимодействие морских и авиационных дронов, в том числе комбинированных, для доставки различных отправлений морем и по суше. Очевидно, что морская доставка может быть значительно более эффективной, чем воздушная, а наличие летательного дрона с вертикальным взлетом на морском дроне расширяет возможности по доставке грузов. На сегодняшний день морские дроны в основном используются для подводных операций и доставки воздушных отправлений авиационными дронами, базирующимися на подводных дронах [57–63]. К таким образцам относятся дроны ScanEagle, Volans, Cormorant.

Наземные (дорожные) дроны. Дорожные дроны в виде автомобилей-роботов прошли быстрый этап развития с 2019 г, когда это направление только начало зарождаться [64], и сегодня уже действуют в ряде стран на основе алгоритмов типа «роя пчел» или «колонии муравьев» [65].

Дроны широкого применения. Кроме традиционного использования, БАС или дроны используются достаточно необычно, однако с большой пользой для различных служб. Например, в Полицейском департаменте Токио разработано около тысячи вариантов защиты воздушного пространства города и полетных коридоров от несанкционированных дронов, которые продаются в целом бесконтрольно, особенно с малой массой. Для этого существуют противодействующие дроны, которые в случае неподчинения любых летательных аппаратов могут осуществить атаку для уничтожения подозрительного дрона-нарушителя [66].

Дроны также могут осуществлять нетрадиционные задачи – например, служить авиационными площадками для других дронов [67].

Дроны также используются для отпугивания или управления поведением птиц на взлетно-посадочных полосах аэропортов [68].

Они могут использоваться для мытья окон, водосточных труб, лопастей ветроэнергетических установок, солнечных модулей и многих других предметов [69].

И, конечно же, дроны могут использоваться как видео-, фотокамеры на досуговых мероприятиях, особенно в экстремальных местах [70].

Освоение арктики. Освоением Арктики занимается целый ряд стран в связи с наличием под арктическими льдами крупных месторождений полезных ископаемых. Берега арктических морей могут быть с успехом использованы для проживания и осуществления различных задач – рыболовства, охраны и оборонительных мероприятий, наблюдений за развитием природных процессов, археологических раскопок и т. д. Дроны рассматриваются исследователями как системы мониторинга и фиксирования различных событий.

Использование БАС в России. Отечественные российские технологии БАС за последние несколько лет шагнули вперед как качественно, так и количественно. Концепцией Технологического Развития на период до 2030 г. [91] был дан старт национальному проекту «Беспилотные авиационные системы» [92], определившему ключевые приоритеты развития беспилотных систем в РФ. Согласно данному проекту, явившемуся одним из наиболее критических для достижения технологического суверенитета и лидерства, доля отечественных БАС в общем объема рынка (в том числе самолеты, вертолеты, мультироторы) должна составить к 2030 г. не менее 70,3 %. В количественном выражении (без образовательных БАС) это количество исчисляется как 46230 ед. Уровень технологической независимости отрасли при этом должен достичь 81,1 %. Российские компании в области беспилотного авиастроения серьезно занимаются вопросами логистики [1–3], доставки различных отправлений [4] и продуктов [5], а также изучения экономики систем БАС [6]. Развитие БАС в соответствии с концепцией Национальной Технологической Инициативы [93] осуществляется по четырехуровневой модели архитектуры неба:космический (управление); стратосферный (устойчивость); логистический и хозяйственный. Петербургский международный экономический форум 2024 г. выделил общие тренды и вызовы в отношении развития рынка БАС, становящегося отраслью экономики:

• упрощение процессов эксплуатации БАС;
• достижение минимально необходимого уровня безопасности эксплуатации БАС (не ниже уровня регулярных коммерческих перевозок);
• разработка цифровых правил полета;
• инфраструктурная унификация и внедрение принципов интероперабельности (в будущем крайне важно соблюсти принципы интероперабельности при интеграции в единую экосистему беспилотников различных сред);
• расширение функциональных сценариев применения БАС;
• функционирование в насыщенной различными объектами среде (в том числе, применение принципов X2X);
• кардинальное снижение стоимости услуг для конечного пользователя.

Особое отношение Форума было обозначено к интероперабельности в части реализации на аппаратном и программном уровнях, при исключении параллельного финансирования аналогичных проектов при различной стандартизации, с получением высокого синергетического эффекта.

В части достижения технологического лидерства в России с 2024 г. в Минобрнауки запущен федеральный проект «Перспективные технологии для БАС» по выполнению НИОКР, в рамках которого выделяется девять приоритетных направлений развития БАС [95]:

• технологии навигации, радионавигации;
• вычислители, фотонные интегральные информационные системы;
• новые технологии производства и новые материалы для БАС;
• технологии группового взаимодействия беспилотных воздушных судов (БВС), принятия решений и комплексных систем управления БВС;
• технологии и средства интеграции беспилотных воздушных судов в единое воздушное пространство;
• технологии технического зрения для БАС;
• технологии, компоновки и принципы движения БВС;
• технологии, методы и средства связи;
• энергетические и силовые установки.

Согласно задачам Проекта, за несколько лет необходимо заложить прочный фундамент для разработки и производства полностью автономных БАС с применением искусственного интеллекта, с формированием единой, бесшовной цифровой среды для взаимодействия беспилотных аппаратов различного типа и различных сред. Например, чтобы один аппарат, выполняющий мониторинг, при возникновении некой сигнальной ситуации на железнодорожных путях передал бы соответствующее уведомление наземному колесному аппарату для автономного устранения неполадок. Таким образом, Проект охватывает широкие междисциплинарные задачи.

 

Рис. 4. Агродрон «Рубин А50»
Fig. 4. Agro-drone “Rubin А50”

 

Рынок БАС коммерческого сектора экономики B2B (бизнес-продажи) растет в среднем на 60 % в год [96]. В 2023 г. он составил 8 млрд руб., а к 2028 г. должен превысить 82 млрд руб. Согласно данным Ростелекома, увеличение инвестиций в зарождающуюся отрасль ожидается от сегментов логистики, сельского хозяйства, строительства, энергетики, как наиболее заинтересованных в развитии БАС-технологий. Основные преимущества БАС для бизнес-сегмента – это возможность оптимизации и упрощения процессов, сокращение трудозатрат, ускорение сбора данных, минимизация человеческого фактора. Тем не менее, на данный момент развитие БАС сдерживается сложностями юридического и логистического регулирования, неразвитость инфраструктуры, ограничением информирования об уже реализованных кейсах применения дронов для задач бизнеса. По данным ассоциации «Аэронекст» рынок беспилотных дронов за 2023 г. недоиспользовал 34 % аппаратов в связи с сохранившимися запретами на полеты БАС во многих регионах России с осени 2022 г.

Согласно различным прогнозам (Ростелеком, Аэронекст и др.) в России, как самой крупной по территории стране, в первую очередь будут востребованы почтовые дроны для доставки заказов Интернет-магазинов типа Yandex, Ozon, WB и многих других. ИТ-Холдингом Т1 уже осуществляется тестовая доставка медикаментов малыми дронами до 30 кг на территории Ямало-Ненецкого АО по маршруту Нарьян-Мар – Андег – Нарьян-Мар. После получения акта летной годности по упрощенной процедуре Холдинг планирует разрабатывать, производить и эксплуатировать дроны массой более 30 кг [97]. Сейчас производство гражданских БАС в основном сориентировано Холдингом на сельское хозяйство в части отдельного аппарата типа Рубин А50 (рис. 4) с сенсорными системами для обхода препятствий при следовании по маршруту. Аппарат способствует автоматизации сельскохозяйственных процессов и эффективному внесению химических средств. Холдинг изготавливает 500–1500 единиц аппаратов со сложными системами навигации в месяц.

Примеры применения БАС в России:

• аэромониторинг 50+ объектов капитального строительства (ПАО «Газпром», с 2021 г.);
• аэромониторинг при реконструкции и модернизации Байкало-Амурской магистрали (ПАО РЖД, с 2022 г.);
• мониторинг городских строек, контроль сдачи объектов (Департамент строительства г. Москвы, с 2021 г.);
• мониторинг строительства Международного медицинского кластера с помощью онлайн-трансляций (Сколково, с 2023 г.);
• проведение аварийно-восстановительных работ на воздушных линиях электропередачи, обследование линий после штормовых погодных условий, исследование ЛЭП до 200 км/день (ПАО Россети, с 2021 г. Программа «Цифровая трансформация – 2030»;
• геологоразведка, проверки трубопроводов, поиск утечек газа (нефти), наблюдение за строительством объектов, проверка состояния морских и наземных платформ, проверка башни-факела, контроль пожарной безопасности (Нефтегаз (Татнефть, Сибур, Газпром), с 2019 г. С 2025 г. – развитие технологий осуществляется с применением искусственного интеллекта;
• тестовая доставка посылок (Почта России, Pony Express и др. Пилотный проект начался в 2023 г., заключительные испытания планируются в 2025–2026 гг.);
• временные сети связи во время массовых мероприятий, природных катастроф или других чрезвычайных ситуаций (ПАО «Ростелеком», с 2020 г.);
• военно-разведывательные задачи (концерн «Калашников». Аппараты типа СКАТ 350М, Куб (рис. 5)).

 

Рис. 5. БАС СКАТ 350М концерна «Калашников» и Куб-Э (управляемый барражирующий боеприпас)
Fig. 5. Kalashnikov Concern SKAT 350M UAS and Kub-E (guided barrage ammunition)

 

Перспективные технологии предлагаются целым рядом образовательных учреждений. СибГУ им. М. Ф. Решетнева (г. Красноярск) планирует разработать гибридную систему связи на основе стратосферных (25–30 км) беспилотных аппаратов. Такие технологии позволят значительно улучшить качество и снизить стоимость мобильной (спутниковой) связи [98].

Бурное развитие получили ударные БАС в ходе Спецоперации в Донбассе. Начиная с 2015 г. в условиях военной операции в Сирии беспилотные аппараты доказали свои преимущества, пройдя эволюцию от носителей оптики до средств доставки легких средств поражения. Причем распространение получили как малые разведывательные БВС, так и крупные ударные беспилотные аппараты. Легкие БАС типа «Иноходец» могут нести небольшие гранаты и мины сначала с использованием кустарной подвески, затем с промышленной системой крепления. FPV-дроны, как правило, используются как легкие и маневренные барражирующие боеприпасы для поражения разных, в том числе скрытых, целей. Дроны-камикадзе типа «Ланцет-3» с противолазерной защитой фактически тоже относятся к барражирующим боеприпасам и используются для поражения мобильных и стационарных целей в радиусе до 40 км и более с точным поражением цели (рис. 6). Ударные тяжелые (до 200 кг) БАС большой дальности «Герань-2» могут наносить поражение объектам в радиусе до 2500 км.

 

Рис. 6. БАС «Ланцет-3» и «Герань-2»
Fig. 6. UAV “Lancet-3” and “Geranium-2”

 

В последние годы в России проявлен особый интерес к БАС вертикального взлета (VTOL) грузоподъемностью 15–300 кг. К ним относятся дроны типа «Фаэтон» (нагрузка до 15 кг, полет 5 ч, 500 км), «Буря-20» с отсеками для FPV-дронов (нагрузка 15 кг, полет 5 ч, 500 км), конвертоплан «R-75» от «Эколибри» (нагрузка 25 кг, полет 7 ч, 750 км), С-76 (МБС) (нагрузка до 50 кг, полет 4 ч, 400 км), С-76 от ОКБ «Сухой» (нагрузка до 300 кг, полет 5–7 ч, 1500 км).

При анализе военных дронов становится очевидно, что технологии БАС получили мощное развитие в ходе Специальной военной операции в связи с возможностью разработки технологий без учета множества действующих полетных ограничений. Более того, становится также очевидным, что действующие ГОСТы серьезно устарели, регулирование воздушного пространства нуждается в серьезной доработке, а сами технологии беспилотных аппаратов могут быть адаптированы в гражданском секторе с колоссальной экономической выгодой.

Методы проектирования дронов

Процесс разработки дрона, вне зависимости от его массы, функционала, топологии, размеров и т. д., может быть формально разделен на три основных этапа – разработка концепции, предварительная конструкция и деталировка [77–80].

На каждом этапе требуется всесторонняя оценка размеров, аэродинамики, аэроупругости, прочности, стабильности, управления, надежности и производительности [81–82].

Процесс определения размера дрона, как правило, включает следующие этапы [83–87]:

• определение параметров миссии (удаленность, сложность, скрытность, скорость в различных точках маршрута, необходимость маневрирования);
• определение режима полета в зависимости от требований миссии;
• определение конфигурации и аэродинамического качества крыла с помощью моделирования нагрузки, предельных грузов, решения кинематических и динамических систем уравнений;
• преодоление конструктивных проблем и противоречий. Оптимизация аэродинамики компонентов и всего аппарата в целом;
• прогнозирование массы дрона на основе полученных при моделировании данных;
• определение мощности двигателей и емкости батарей;
• достижение точности выполнения миссии (точные места взлетов – посадок – сброса);
• оценка себестоимости НИОКР в сравнении с выполняемой миссией и в соответствии с культурой производства, технологическими возможностями производителя комплектующих, доступности оснастки, материалов и компонентов.

Классификация дронов

В России дроны (БАС) классифицируются и категоризируются ГОСТ 59517–2021. Беспилотные авиационные системы. Классификация и категоризация [1].

Согласно настоящему стандарту, БАС классифицируются следующим образом:

• по максимальной взлетной массе БВС в составе БАС: от 0,25 до 30 кг включительно, от 30 кг и выше;
• достигаемой БВС в полете кинетической энергии: 100 Дж и менее, более 100 Дж и выше;
• эксплуатационному назначению: в личных целях, для выполнения авиационных работ;
• условиям видимости: прямая радиовидимость, отсутствие прямой радиовидимости.

Категории БАС

Открытая категория (А).  БАС может быть отнесена к категории А при условии соответствия следующим критериям: максимальная взлетная масса БВС в составе БАС не меньше 0,25 кг и не превышает 30 кг; максимальная кинетическая энергия, достигаемая БВС при выполнении полета, не превышает 100 Дж (а также БВС в составе БАС не имеет в своей конструкции вращающихся частей, которые могут нанести тяжкие телесные повреждения); использование БАС только в личных целях, при этом выполнение авиационных работ не допускается; полет БВС в составе БАС выполняется при следующих условиях: (ограничение высоты до 150 м; полеты в условиях BVLOS (Beyond Visual Line of Sight или ППП – Правила Приборного Полета); полеты выполняются в светлое время суток; полеты выполняются на удаленном расстоянии от строений и людей не менее 150 м или воздушном пространстве, специально выделенном для полетов беспилотных воздушных судов.

Специальная категория (В). БАС может быть отнесена к категории В при условии соответствия следующим критериям:

• характеристики и конструкция БАС превышают ограничения, указанные в предыдущем пункте;
• система автоматического управления, в случае потери связи, обеспечивает возвращение БВС в точку начала полета до восстановления работоспособности линии управления и контроля или немедленное завершение полета;
• БАС предполагается использовать для выполнения авиационных работ в одобренном для этого эксплуатационном объеме выделенного воздушного пространства в соответствии с [1], устанавливающими порядок использования воздушного пространства.

Исходя из Федеральных авиационных правил «Сертификация авиационной техники, организаций разработчиков и изготовителей», ч. 21, 2019, БАС категории В допускается к полетам при условии подтверждения соответствия требованиям к единичному экземпляру воздушного судна в составе БАС или утвержденному федеральным органом исполнительной власти в области гражданской авиации объему требований норм летной годности БАС с БВС соответствующего типа в форме сертификата типа или сертификата типа ограниченной категории.

Для доказательства соответствия БАС категории В ожидаемым условиям эксплуатации заявитель может использовать результаты оценки рисков особых ситуаций, возникновение которых возможно во время или в результате полета БВС в составе БАС категории В в соответствии с методами, утвержденными федеральным органом исполнительной власти в области гражданской авиации.

Сертифицируемая категория (С). БАС может быть отнесена к категории С в случае необходимости выполнения полетов БВС в составе БАС в заявленном классе несегрегированного воздушного пространства по правилам визуального полета и полетов по приборам.

БАС категории С допускается к полетам при условии подтверждения соответствия утвержденному объему федеральным органом исполнительной власти в области гражданской авиации требований норм летной годности БАС с БВС соответствующего типа в форме сертификата типа или сертификата типа ограниченной категории.

Эксплуатация БАС категории С должна выполняться в соответствии с Федеральными авиационными правилами, устанавливающими порядок использования воздушного пространства.

КЛАССИФИКАЦИЯ ДРОНОВ ЗА РУБЕЖОМ

Классификация дронов за рубежом (на Западе) приняла различные, достаточно расплывчатые нестрогие формы [88; 89]. В частности, для классифицируемых объектов используются, как правило, следующие параметры или характеристики:

• способы управления: дистанционно-пилотируемый с управлением в двух режимах – ручном и автоматизированном и автоматический с управлением автопилотом по заранее заданной траектории на заданной высоте с заданной скоростью и со стабилизацией углов ориентации;
• тип конструкции: беспилотные летательные аппараты фиксированного крыла с прямым толчком по фиксированному крылу для получения подъёмной силы и беспилотные летательные аппараты вращающегося крыла, которые разделены на два типа – одновинтовые и многовинтовые (мультикоптер);
• по размеру и массе: сверхтяжёлые (взлётная масса более 2 т – X-45, Darkstar, Predator B и Global Hawk), тяжёлые (масса от 200 до 2000 кг), средней массы (от 50 до 200 кг), лёгкие (от 5 до 50 кг) и микро (до 5 кг);
• по высоте полёта: низкая высота (до 1000 м – FPASS, Pointer, Dragon Eye), средняя высота (от 1000 до 10000 м – большинство БАС или UAV) и высокая высота (более 10000 м – X-45, Predator B, Darkstar, Global Hawk).

Согласно другим классификациям [90], дроны подразделяются на такие категории, как микро или нано (Миниатюрные, MAV, NAV Air Vehicles с низкой высотой полета до 330 м и кратким временем полета), вертикального взлета и низкой высоты полета (VTOL Vertical Take-Off & Landing не требуют взлетной полосы. Пример приведен на рис. 7 – Convair XFY-1 Pogo), малые БАС (LASE Low Altitude, Short-Endurance или sUAS – Small Unmanned Aircraft Systems с массой до 2–5 кг), средней высоты до 9000 м длительного полета (LALE Low Altitude, Long Endurance несколько сот километров полета), высокой высоты до 20000 м и выше длительного полета (HALE High Altitude, Long Endurance свыше 30 ч полета).

Последние разработки направлены на миниатюризацию компонентов, оснащение максимальным набором датчиков, улучшением навигационных характеристик, создание наземных баз для остановки и дозаправки БАС.

 

Рис. 7. БАС с вертикальным взлетоми горизонтальным полетом Convair XFY-1 Pogo

Fig. 7. Convair XFY-1 Pogo vertical takeoff and horizontal flight UAS

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Как показывает анализ обзора, несмотря на существование разрозненных попыток создать интеллектуальные комплексы доставки небольших и крупных грузов, полностью автоматических систем (согласно ГОСТ 34.003–90), сочетающих автоматическое взаимодействие подготавливающей к забору груза площадки, БАС с манипуляторами (ГОСТ Р 57258–2016) и распределителя отправлений пока не существует.

Таким образом, несмотря на мнимую известность идеи доставки почтовых отправлений, а также широкий опыт использования БАС для транспортировки различных предметов, целостность и автоматизация процесса доставки грузов до сих пор отсутствует. Ни в одной стране мира нет автоматической сортировки перед забором груза, нет четкого автономного полетного задания, отсутствуют даже концепции приемников-распределителей грузов в многоэтажных (многоофисных) зданиях. Тем не менее, с ростом потребления легких мелкомасштабных грузов сроки поставки в постаматы и точки выдачи доставляющими компанииями неизменно растут. Данная проблема особенно характерна для мегаполисов, где наблюдается неудержимый рост числа постаматов и, соответственно, количества городского транспорта для доставки отправлений. Кроме этого, до сих пор не решены проблемы автоматического облета существующих и вновь возводимых препятствий, не указанных в актуальных картографических документах – деревьев, строительных лесов, мачт, растяжек и т. п. Таким образом, логистика (в том числе с использованием больших данных) ни на одном из этапов доставки груза потребителю (заказчику) до сих пор не решена.

Тем не менее, становятся заметными тенденции перехода к полуавтоматическим и автоматическим системам сортировки, доставки и распределения грузов, расширения применения автономных БАС. Следовательно, возможности для проведения НИОКР в части почтовой доставки достаточно широкие.

Благодарности

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 25-19-20060 от 20.04.2023, https://rscf.ru/project/25-19-20060.

Acknowledgment

The study was supported by the Russian Science Foundation grant No. 25-19-20060, https://rscf.ru/en/project/25-19-20060/.

About the authors

Evgeny V. Solomin

South Ural State University (national research university)

Author for correspondence.
Email: nii-uralmet@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4694-0490

Dr. Sc., Professor, Professor of Department of Electric Power Generation Stations, Network and Supply Systems

Russian Federation, 76, Lenin Av., Chelyabinsk, 454080

Andrey S. Martyanov

South Ural State University (national research university)

Email: martyanov_andrey@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9997-9989

Cand. Sc., Associated Professor, Associated Professor of Department of Electric Power Generation Stations, Network and Supply Systems

Russian Federation, 76, Lenin Av., Chelyabinsk, 454080

Hanna Shahin

South Ural State University (national research university)

Email: hannashahin9902@gmail.com
ORCID iD: 0009-0004-5670-8144

Graduate student of Department of Electric Power Generation Stations, Network and Supply Systems

Russian Federation, 76, Lenin Av., Chelyabinsk, 454080

Nikita A. Pshenisnov

South Ural State University (national research university)

Email: pshenisnovna@icloud.com
ORCID iD: 0009-0003-3734-9177

Cand. Sc., Associated Prof. of Department of Industrial Heat Power Engineering

Russian Federation, 76, Lenin Av., Chelyabinsk, 454080

Saken K. Sheryazov

South Ural State Agrarian University, Institute of Agricultural Engineering

Email: sakenu@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-8795-5114

Dr. Sc., Professor, Professor of Department of Electric drive, mechatronics and electromechanics

Russian Federation, 75, Lenin Av., Chelyabinsk, 454080

References

Supplementary files