Ученые ИТМО создали систему локальной навигации для беспилотного транспорта, заменяющую GPS

При навигации и построении маршрута беспилотники ориентируются на данные спутниковой системы навигации (GPS). Однако она ошибается рядом со стенами в плотной городской застройке и недоступна в закрытых помещениях вроде комнат и тоннелей. Даже два метра разницы между реальным и расчетным местоположением помешает небольшому дрону точно приземлиться на базу подзарядки или положить посылку в нужное место.

Создавая системы локальной навигации, конструкторы и разработчики используют разные методы — например, расклеивают по площади посадки QR-коды. Камера дрона считывает их и по ним ориентируется в пространстве. Недостаток такого подхода в том, что он требует хорошее равномерное освещение и большое количество QR-кодов разного масштаба, чтобы беспилотник увидел их с разных расстояний. Еще один метод — использование радиомаяков и ультразвука. С помощью приемников дрон улавливает источники радиоволн или звука и определяет свое местоположение. Но радиоволны отражаются от стен, а ультразвук заглушается шумом лопастей, что мешает рассчитывать координаты.

Ученые факультета безопасности информационных технологий ИТМО разработали отечественную систему локальной навигации «ВОСТОК», которая помогает беспилотникам определять свое местоположение, заходить на посадку и взлетать там, где не работает GPS. В отличие от похожих разработок «ВОСТОК» не нуждается в видеокамере, радаре или лидаре для ориентирования, а саму систему можно собрать из недорогих доступных на отечественном рынке компонентов. Также разработка ученых ИТМО точнее и быстрее определяет местоположение дрона. «ВОСТОК» рассчитывает координаты с точностью до четырех миллиметров несколько тысяч раз в секунду, превосходя кинематическое позиционирование в реальном времени (GPS RTK), и десять раз в секунду отслеживает скорость с точностью до двух сантиметров в секунду, не уступая GPS. Эти параметры позволяют беспилотнику садиться и взлетать с движущегося транспорта даже в густом тумане.

«Наш метод основан на классических принципах радионавигации и радиопеленгации и схож с разговором с двумя людьми, которые стоят в одном месте и разговаривают через мегафоны. Хотите услышать одного, встаньте напротив его мегафона, другого — встаньте напротив второго, а если нужно услышать обоих — встаньте посередине. В "ВОСТОКе" роль мегафонов выполняют два светодиода, развернутые друг относительно друга под некоторым углом. В каждом модуле по две пары светодиодов. Они светят на фотоприемники беспилотника промодулированным на разной частоте сигналом. Фотоприемники принимают сигнал, а специальный модуль усиливает и обрабатывает сигналы, рассчитывает координаты дрона и прямо на борту передает данные в бортовой  компьютер. В реальном времени мы видим точное местоположение дрона, а также изменения в высоте и углах наклона бортов», — объяснил руководитель проекта, аспирант первого курса факультета безопасности информационных технологий ИТМО Тимофей Мельников.

Система локальной навигации подойдет для разных задач. На Северном морском пути «ВОСТОК» поможет обеспечить автоматическую посадку беспилотного вертолета на палубу движущегося ледокола. Также система автоматизирует маршрут беспилотных карьерных самосвалов, работающих в пыли, и доставку дроном покупок из онлайн-магазинов в окна загородных домов.

Сейчас сигнал от комплекта из двух пар модулей покрывает комнату 8х8 метров высотой до трех метров. «ВОСТОК» легко масштабируется — достаточно увеличить количество модулей, их мощность и конфигурацию.

В дальнейшем разработчики «ВОСТОКа» планируют испытать систему в большом спортивном зале, а также сконфигурировать систему для позиционирования дронов относительно друг друга, а не только внутри помещения. В перспективе созданное решение станет частью арены рободронов — песочницы, где разработчики будут собирать данные и отрабатывать алгоритмы управления беспилотниками.

«С помощью "ВОСТОКа" мы планируем создать трехмерный автопилот, который управлял бы дроном так же профессионально, как и человек. Обычно для создания автопилота записывают несколько часов полета, затем обрабатывают данные с камер и на их основе данных тренируют ИИ-модель. Наша система позволяет собрать тот же датасет, но на основе координат, полученных самим беспилотником в полете. Так ИИ-модель станет точнее, так как мы собираем больше данных за секунду полета, чем другие системы, и заметно дешевле — не нужно покупать систему захвата движения. Трехмерный автопилот позволит сократить время выполнения рутинных задач, например осмотр полей в сельском хозяйстве или мостов, тоннелей и аналогичных сооружений, так как дрон будет тратить меньше времени на развороты и уклонение от препятствий на большей скорости», — рассказал научный консультант проекта, старший научный сотрудник факультета безопасности информационных технологий ИТМО Андрей Бойко.

Демонстрация работы системы измерения. В руках Андрея Бойко мобильный модуль с тремя фотоприемниками. Данные с мобильного модуля передаются на компьютер. На экране слева изображены амплитуды принимаемых сигналов в сыром виде, а справа ? три «восьмерки», которые соответствуют положению трех приемников на мобильном модуле. Видео: Дмитрий Григорьев / ITMO NEWS

К началу