Как дроны обходят препятствия: что видит БПЛА и как он сам перестраивает маршрут

Маршрут инспекции ЛЭП, облет промышленной площадки с кранами, регулярная съемка стройки, где обстановка меняется каждую неделю, — в этих задачах беспилотник работает в метрах от конструкций. Поэтому вопрос о том, как дроны обходят препятствия без помощи оператора, здесь сугубо практический. От ответа зависит, можно ли поставить облет в регулярный процесс или у пульта все равно придется держать человека.

Одного датчика для этого мало. Дальномер остановит аппарат перед деревом, но обойти его и вернуться на линию маршрута дрон сможет только с помощью целой цепочки из сенсоров, карты окружения, планировщика траектории и бортового ПО, которое связывает ее с миссией и фиксирует каждое отклонение для разбора.

Почему маршрут по точкам не защищает от столкновения

Обычная миссия БПЛА — это набор точек с координатами и высотами. Полетный контроллер ведет аппарат от точки к точке и держит стабильность, но ничего не знает о том, что находится между ними. Если план построен по спутниковому снимку годичной давности, дрон не узнает, что на участке появился новый кран, выросло дерево или протянули временную линию связи.

Опаснее всего препятствия, которые плохо видны и плохо прогнозируются. Провода и тросы имеют толщину в сантиметры и почти не отличимы от фона. Стрела крана на стройке меняет положение в течение дня. Ветер смещает аппарат с плановой линии на метры, и запас, заложенный при планировании, исчезает. Ремонтная бригада на ЛЭП ставит подъемник ровно там, где по плану должен пройти дрон.

Оператор с пультом компенсирует это глазами и опытом, но тогда автономность сводится к автоматическому полету под присмотром человека. Для разовой съемки это приемлемо, для еженедельного облета десятков объектов уже нет. Чтобы полет был автономным, аппарат должен сам видеть, что вокруг, и сам поправлять маршрут.

Одного датчика расстояния для этого тоже недостаточно. Дальномер, направленный вперед, остановит аппарат перед стеной, но не подскажет, куда ее обойти, не заметит провод сбоку и не поймет, что препятствие движется. Если дрон остановился посреди миссии на удаленном объекте, где нет связи с оператором, он так и висит в воздухе, пока садится батарея.

Четыре задачи, которые дрон решает перед каждым маневром

Как бы ни был устроен обход, аппарату нужно решить четыре задачи подряд: увидеть объект, понять, где он находится, выбрать маневр и выполнить его. Эти задачи разнесены по разным уровням — от физических сенсоров до полетного контроллера — и работают с разной частотой: сенсоры выдают данные десятки раз в секунду, планировщик пересчитывает траекторию чуть реже, контроллер стабилизирует аппарат сотни раз в секунду.

Качество обхода зависит от самого слабого звена. Если стереокамера не различает провод, планировщику не с чем работать. Точный лидар в паре с медленным планировщиком построит обход уже после опасного сближения. Поэтому о том, как дрон справляется с препятствиями, лучше судить по его поведению на реальном объекте. Паспортная дальность одного датчика говорит об этом мало.

Что такое автоматический облет препятствий и как он работает?

Если коротко, автоматический облет препятствий — это когда дрон сам замечает препятствие, сам прокладывает путь в обход и возвращается на маршрут, не дожидаясь команды оператора. На инспекции ЛЭП это выглядит просто: аппарат идет вдоль линии на заданном удалении от проводов, видит дерево в охранной зоне, огибает его и продолжает осматривать изоляторы.

Первый шаг — восприятие. Стереокамера дает карту глубины по смещению одних и тех же точек в двух кадрах, лидар измеряет расстояние по времени пролета лазерного импульса и строит облако точек, ToF-камеры и ультразвук закрывают ближнюю зону в несколько метров, радар подтверждает крупные объекты в пыли и осадках. Каждое измерение привязано к положению аппарата в момент съемки, поэтому сначала все данные переводят в общую систему координат.

Второй шаг — карта. Чаще всего это карта занятости, или occupancy grid: сетка ячеек, каждая из которых помечена как занятая, свободная или неизвестная, в трехмерном варианте — воксельная карта. Каждое измерение повышает или понижает вероятность того, что ячейка занята, поэтому единичный блик на стекле не уводит аппарат с маршрута. Для облета хватает локальной карты в радиусе десятков метров вокруг дрона, которая обновляется каждый кадр. Чтобы измерения из разных моментов времени совпали, положение аппарата уточняют методами SLAM — одновременной локализации и построения карты.

Третий шаг — локальный планировщик. Он ищет свободный коридор на карте, сглаживает траекторию с учетом динамики аппарата и ведет дрон обратно на линию маршрута. Если препятствие появилось ближе тормозного пути, работает реактивный уровень: торможение, зависание, смещение в свободную сторону. Если обойти на месте не получается — уступ в карьере перекрыл весь коридор или заряда не хватает на поиск прохода, — меняется сама миссия: порядок точек, высота участка, либо аппарат возвращается на точку старта, а пропущенный участок помечается для повторного облета.

У подхода есть физические ограничения. При скорости 10 м/с и торможении 3–5 м/с² тормозной путь составляет, как правило, 10–17 м, плюс путь за время задержки восприятия. Если сенсор уверенно видит объект на 15 м, лететь с крейсерской скоростью уже нельзя — безопасная окажется заметно ниже. Тонкие провода, прозрачные и зеркальные поверхности, пыль и осадки снижают дальность еще сильнее, и это нужно закладывать в режим миссии заранее.

Сенсоры подбирают под задачу: что нужно заметить, на какой дальности и в какой среде. Универсального датчика нет, поэтому в промышленных конфигурациях их комбинируют, а данные сводят вместе на уровне карты.

Без GPS, в пыли и ночью: где обходить сложнее всего

Карта бесполезна, если дрон не знает собственное положение. На открытой местности его дают ГНСС и RTK, но под мостом, в тоннеле, в карьере с высокими бортами и рядом с металлоконструкциями сигнал пропадает или отражается. Тогда положение восстанавливают по визуальной одометрии — смещению характерных точек в кадре — и по инерциальному блоку, который дает ускорения и угловые скорости. Камера медленнее накапливает ошибку, инерциальный блок работает в темноте и при резких движениях, а вместе они держат локальную систему координат, в которой строится карта и обходная траектория. Подробнее о том, как дрон летает без спутникового сигнала, — в статье о визуальной навигации в дронах.

Ночь, пыль и осадки меняют состав работающих сенсоров. Без подсветки стереокамера и монокамера выключаются из цепочки, остаются лидар и радар. В карьере, где пыль от самосвалов висит часами, оптика и лидар теряют дальность, и радар становится страховкой: он не различит тонкую трубу, но уверенно заметит экскаватор или стену уступа. Планировщик при этом подстраивает скорость под ту дальность обнаружения, которая есть в данный момент. Ячейки за пределами видимости карта занятости помечает как неизвестные, и по ним видно, насколько сократился обзор.

Движущиеся объекты — техника на площадке, птицы, другие аппараты — требуют оценивать положение вместе со скоростью. Радар дает скорость напрямую, камеры и лидар вычисляют ее по разности между кадрами. На стройке с работающим автокраном безопасный коридор пересчитывается каждый кадр, пока кран в зоне видимости. Если скорость объекта оценить не удается, планировщик выбирает осторожный вариант: увеличивает дистанцию и ждет, пока обстановка стабилизируется.

Отдельный случай — лес и протяженные объекты с однородной текстурой. Кроны дают тысячи мелких препятствий, освещение под пологом меняется каждую секунду, а визуальной одометрии не хватает устойчивых точек. Карта здесь должна обновляться за десятки миллисекунд, иначе растет путь, который аппарат проходит за время задержки. Если сэкономить на бортовом компьютере, дрон рискует задеть ветку.

Препятствие нужно отличать от предмета осмотра. Провисший провод или поврежденный изолятор дрон должен зафиксировать и снять, обходить их как помеху не нужно. Этим занимается другой контур — распознавание объектов нейросетевыми моделями, которое мы разбираем в статье о детекции объектов с дрона. Контур облета отвечает только за безопасную геометрию полета.

В платформе Wheelies обходом препятствий занимается бортовая операционная система AI Captain. Карту строит и решение принимает бортовой компьютер — Orange Pi 5 для стереокамеры и легких моделей, NVIDIA Jetson для лидара и нескольких видеопотоков, — а полетный контроллер на ArduPilot, PX4 или INAV получает по MAVLink опорные точки траектории и исполняет их. При потере ГНСС миссия продолжается по визуальным данным и инерциальной одометрии, а каждое отклонение от плана уходит в Командный центр как событие с координатами и снимками.

Зачем все это предприятию

Первая причина — регулярные миссии без оператора. Экономика автономных дронов строится на том, что один специалист ведет десятки полетов в неделю и не сидит за пультом в каждом из них. Пока аппарат не умеет сам обходить кран, дерево и подъемник, оператор обязан смотреть на экран непрерывно, и выигрыш от автоматизации сводится к удобству планирования маршрута. Когда дрон справляется с препятствиями сам, человек выходит из контура решений в полете и занимается разбором результатов.

Вторая причина — управление рисками. Если дрон столкнулся с опорой ЛЭП или с краном на стройке, предприятие теряет аппарат стоимостью в сотни тысяч рублей. Кроме того, работы останавливаются, начинается разбирательство, и полеты на объекте, как правило, запрещают. С автоматическим обходом риск столкновения можно оценить и учесть заранее. Зная дальность сенсоров и задержки, инженер задает безопасную скорость и удаление для каждого типа объекта и записывает это в регламент.

Третья причина — качество данных. Если дрон обошел препятствие, но платформа об этом не знает, участок пропущен, а на следующей неделе дефект в этом месте останется незамеченным. Поэтому каждый обход записывается. Командный центр показывает отклонения на карте в реальном времени, сохраняет их в истории миссий и позволяет назначить повторный облет пропущенного участка. Как бортовая ОС и платформа делят между собой автономные функции, мы подробно описывали в статье о системе управления БПЛА.

— Какие датчики нужны дрону, чтобы видеть препятствия?

Обычно это стереокамеры, лидар, радар и ультразвук, реже — ToF-камеры и обычная камера с нейросетью, которая оценивает глубину. Стереокамера, как правило, работает на расстоянии до первых десятков метров, лидар — на десятках и сотнях, радар не боится пыли и дождя. На промышленных дронах датчики ставят в комбинации, а их данные сводят в одну карту.

— Может ли дрон обходить препятствия без GPS?

Да. Для обхода дрону нужна карта окружения, а свое положение он определяет по камере и инерциальному блоку, без спутникового сигнала. Поэтому миссия продолжается под мостом, в тоннеле, в карьере и рядом с металлоконструкциями, где сигнал ГНСС пропадает или отражается. В AI Captain это часть бортовой ОС.

— Можно ли научить обходу препятствий дрон, который у нас уже есть?

Как правило, да, если он работает на ArduPilot, PX4 или INAV и на нем есть место для бортового компьютера и сенсоров. Обход обеспечивает бортовое ПО, полетный контроллер остается прежним, поэтому доработка сводится к установке вычислителя класса Orange Pi 5 или NVIDIA Jetson, датчиков и настройке обмена по MAVLink. Потом конфигурацию проверяют на реальном объекте в рамках пилотного проекта внедрения.

— Видит ли дрон провода ЛЭП?

Это самый сложный случай: тонкий провод стереокамера на расстоянии почти не различает. Поэтому в маршруты рядом с линиями закладывают безопасную высоту и запретные зоны, а у опор карту дополняют данными лидара или камер высокого разрешения. Планировщик держит заданную дистанцию и отходит, если аппарат подошел слишком близко.

— Что будет, если дрону некуда свернуть?

AI Captain останавливает аппарат в режиме зависания, пробует другой вариант обхода, а если его нет — возвращает дрон на предыдущую безопасную точку маршрута или в точку старта. Событие записывается в историю миссии и передается оператору в Командный центр.

— Дрон из-за этого летает медленнее?

Почти нет. В открытом пространстве он идет по маршруту с заданной скоростью и замедляется только рядом с препятствиями, пока строит обход. Зато миссии проходят без оператора и без остановок на ручное вмешательство, а аппарат и оборудование не рискуют столкновением.