Сколько еще будет найдено применений дронов? Все привыкли, что квадрокоптер должен быть обязательно с камерой и что-нибудь снимать, но разработчики из Intel показали нам новые области применения. Речь идет о световых шоу, построенных с помощью большого количества дронов, когда каждый дрон — это светящаяся точка и вместе эти точки образуют трехмерные фигуры в ночном небе. Компании, предоставляющие такие услуги, появляются с удивительной скоростью. Спроса на рынке больше, чем предложения. Так что же нужно, чтобы запустить в воздух сотни дронов? Задача нетривиальная и очень интересная, поэтому, как участник зарождающегося направления, хочу поделиться впечатлениями от того, что есть на текущий момент и раскрыть тонкости этой индустрии.
Технические особенности дронов
Всё начинается с летающей платформы. Нет дронов — нет шоу. Очевидно, требуется квадрокоптер c двумя необходимыми компонентами: светодиодным RGB фонарем и системой навигации. Если с фонарем всё довольно ясно — нужен помощнее с установленным на него рассеивателем, чтобы лучше было видно со всех сторон (особенно при съемках с воздуха, когда обзор не снизу, а в профиль или даже сверху) — то с навигацией всё гораздо сложнее и интереснее.
Одни из первых дронов для шоу от Intel, на дворе 2016 год
Для начала нужно определиться, где будет проводиться шоу — в помещении или под открытым небом. Кажется, что под крышей летать проще и безопаснее, но та самая крыша блокирует сигналы глобальных навигационных спутниковых систем (GNSS), и вынуждает создавать собственную, локальную. А здесь масса вариантов для разработчиков. Существует множество принципов, на которые можно опираться — радио, ультразвук, лазер, оптическая одометрия или инфракрасные маячки с внешними камерами. Готовых решений нет, и каждое новое нельзя назвать универсальным, нужны соответственные аппаратные и программные решения.
Чудо-коробочка indoor навигации от компании Verity
На открытом воздухе же всеми применяются GNSS системы, такие как GPS, GLONASS, Beidou. Это довольно просто, но при разработке шоу ключевой параметр — точность позиционирования, а следовательно красивые картинки. Здесь все обстоит не так просто как на первый взгляд: хотя в горизонтальной плоскости даже обычный GPS приемник вполне справляется, ошибка по высоте легко может достигать и 10 метров. Можно использовать барометрические данные, но это решение не универсально — барометр часто врёт и высоту выдает относительную, а не абсолютную, что опять-таки ведёт к неточности формации коптеров.
Полет с GPS/GLONASS обычной точности, высота рассчитывается по барометру
Чтобы снизить величину ошибки, приходится использовать технологию RTK (real time kinematic). Её основной принцип — использование стационарного приемника (базовой станции), которая отправляет на дроны по радио каналу сообщения-поправки, при этом точность по трем осям достигается порядка 2-20 сантиметров. Но ничто не идеально и из недостатков RTK можно выделить относительную дороговизну приемников и высокую чувствительность к помехам.
Технология RTK отлично подходит для задач дрон-шоу
Есть еще один вопрос — как же обеспечить групповой полет без столкновений? Самым простым и достаточным способом может быть синхронизация по времени. Иными словами, если каждый коптер точно знает, где ему нужно быть в заданное время (и еще какой цвет включить в нашем случае), то можно обеспечить построение фигур из большого числа беспилотников. Конечно, это несет определенные требования к групповому «полетному заданию», но подробнее об этом немного ниже. Стоить отметить, что с помощью GNSS системы можно получать общее, глобальное время, которое позволит синхронизовать всех по времени.
Возможны и другие принципы построения, такие как рой, когда все могут общаться напрямую друг с другом, динамически меняя траекторию, при этом решая сложную задачу поведения. Выглядит это сложно и избыточно для задачи светового шоу, и всё равно не поможет при отказе системы навигации.
CollMot работает над настоящим роем
Среди других параметров для шоу-коптера можно выделить следующие:
- Стоимость и возможность производства — чем проще и дешевле будет дрон, тем больше штук можно произвести, что соответственно отразится на стоимости шоу и на масштабе мероприятия;
- Вес — кроме выигрыша во времени полета, вес ниже 250 грамм дает теоретическое упрощение в согласовании воздуха, так как во многих странах для БПЛА ниже 250 г действуют более лояльные правила;
Коптер EHang напоминает DJI Phantom по размерам
- Конструкция рамы — важно обеспечить сохранность дорогой электроники при падениях и подумать о защите винтов — это повышает шанс продолжить полет после столкновений в воздухе;
- Размер — чем меньше размер, тем удобнее и дешевле транспортировать большое количество дронов, тем меньше они занимают места в воздухе и тем плотнее их можно расставлять на земле;
К Intel приехала фура с дронами, можно выгружать
- Время полета — как показывает практика, не стоит гнаться за продолжительным шоу, так как внимание зрителей не вечно, лучше больше динамики и художественной составляющей, поэтому 10-15 минут вполне достаточно;
- Скорость — чем выше скорость перемещения, тем больше фигур можно показать, ведь значительная часть полета приходится на перестроения, а также взлет и посадку.
На рынке сейчас довольно много компаний, запустивших свои решения несколько лет назад — это вышеупомянутые Intel и EHang (США и Китай соответственно), также есть Sky Magic (Япония). Есть также множество новых западных компаний, которые делают свои первые шаги. В России же есть Geoscan и DroneSwarm. Интересно решение на базе UgCS, так как оно единственное open source в сфере световых шоу. Это для полетов на улице.
Для помещения можно отметить Verity с их системой навигации на радио. Intel тоже разрабатывает радио систему навигации в помещении, но информации по ней мало. High Great кажется уже продает решение для шоу в помещении. Есть еще множество примеров полетов с использованием Vicon или OptiTrack, но они не имеют массового коммерческого применения. Geoscan применяет свою систему основанную на ультразвуке, но показанных шоу с её использованием пока мало.
Немногие могут позволить себе шоу от Verity
При этом технической информации по дронам не так много. Интересное решение, на мой взгляд, у Intel. У них небольшой, довольно простой в изготовлении дрон, который при этом обладает круговой защитой пропеллеров. Компания успела выпустить 2 версии коптера под названием Shooting Star. У EHang и Sky Magic коптеры побольше, внешне похожие на какой-нибудь DJI Phantom. Все они оснащены мощными светодиодами RGB или WRGB и рассеивателем для увеличения светящегося объема.
На фоне остальных также интересно решение от Geoscan — Salute. Коптер для тех же целей — самый маленький в классе, весит немного меньше 250 г и выделяется простым и функциональным дизайном. Литая пластиковая рама, как экзоскелет, защищает всю начинку и одновременно служит рассеивателем.
Складирование Geoscan Salute
Дроны от Verge Aero, UVify IFO и Firefly выглядят схожими — всё таки когда делаешь девайс для определенных целей, приходишь примерно к одному результату.
Verge Aero
UVify IFO
Firefly
Также есть недавно появившаяся, но бьющая рекорды High Great с безымянным коптером, который радует небольшими размерами и ярким фонарем. Не совсем практично торчит недешевая GNSS антенна, но зато позиционирование наверняка достаточно стабильное.
2100 дронов — рекорд по количеству на данный момент (конец 2019 года)
Наземная часть
Важной составляющей на земле является базовая станция, на которую возложено сразу несколько важных функций, а именно:
- RTK — прием сигнала GNSS и формирование RTCM сообщений с помощью приемника и антенны. Например, подойдет какой-нибудь U-Blox NEO-M8P или ZED-F9P, у которого всё реализовано внутри;
- Радиоканал — отправка вышеупомянутых RTCM сообщений и команд управления, таких как синхронный старт или экстренная посадка. Может использоваться от одностороннего broadcast режима до mesh-сетей;
У High Great через множество напраленных антенн возможно загружается полетное задание
- Удаленный интерфейс — подключение компьютера или смартфона для мониторинга состояния дронов и базы. Подключение может быть, например, через Wi-Fi или Ethernet к базе, которая может служить своего рода gateway'ем между дронами и оператором, а также обеспечивать работу графического приложения для оператора.
Интерфейс с сенсорным дисплеем Intel
Здесь еще меньше информации, чем по дронам. Известно, что Intel использует софт, с помощью которого оператор может мониторить параметры отдельного коптера и отдавать ему команду в случае чего. Какой используется радиоканал и с какой архитектурой — остаётся только догадываться.
Теперь перейдем к тому, ради чего все начиналось — трехмерным анимированным картинам, или просто — анимации, которая начинает создаваться задолго до самого шоу. Главная идея — создать движение неких объектов в пространстве, которые изменяют цвет и удовлетворяют художественным и техническим требованиям, таких как расстояния между дронами, скорость движения и этапы взлета и посадки. Задача достаточно творческая, так как нужно создать завораживающее хореографическое зрелище в рамках возможности проверки технических условий. Не стоит забывать о необходимости создания методов, с помощью которых можно автоматически строить переходы между фигурами. В условиях большого количества дронов на ручную работу будет уходить неприлично много времени. Придется решить задачу построения оптимальных путей, чтобы показать наибольшее количество фигур, а не просто роевой полет в отведенное время.
Даже с помощью 100 дронов можно сделать интересное представление
Первое, что приходит на ум в такой ситуации — использовать известные 3D редакторы, такие как 3DS Max, Blender, Cinema4D и другие. Без хорошего специалиста в этой области не обойтись, но можно попробовать автоматизировать некоторые этапы с помощью плагинов и API. Можно пойти другим путем и сделать собственный редактор для шоу, но для этого потребуется серьезная разработка и затем поиск специалистов, которые согласятся в нем работать, получается нецелесообразно.
Создание зайца в Cinema4D
Анимация есть, все летают красиво и не сталкиваются, теперь необходимо сгенерировать полетные задания для каждого коптера и загрузить их в автопилот. Для этого наверняка придется использовать специальный софт и это уже зависит от полетного контроллера и способа загрузки. Загрузка может быть сделана заранее или же непосредственно перед запуском, например по радио.
А можно как AO Drones построить тоннель из дронов
Запуск
Теперь необходимо найти подходящее место без высоких зданий и деревьев, различных столбов с проводами и ЛЭП, недопустимых рядом из-за опасности столкновения и помех на GNSS сигнал. Само собой посторонних людей не должно быть поблизости из-за целей безопасности и привлечения излишнего внимания на испытаниях. Площадка под коптеры не может быть с высокой травой, иначе придется косить ее или выкладывать специальные подставки. И как правило, уходит много время на поиск подходящего места для запуска.
Не всегда все идет по плану
Далее, нужно привезти и разложить в правильном порядке на определенном расстоянии друг от друга, например 100 коптеров. Чтобы компактней и удобней сложить и перевезти все дроны, применяются специальные стойки. В них стеком собираются некоторое количество дронов. Таким образом удобно вытаскивать и расставлять все единицы. Немаловажно иметь доступ к аккумуляторному отсеку и необходимым разъемам — обслуживать коптеры гораздо быстрее в стойке (вставить аккумулятор или загрузить что-нибудь через USB).
Тайские коллеги проводят электричество под площадки для дронов
Расстановка коптеров на места, без какой-либо разметки и вдобавок в траве превращается в хаос. Поэтому разметить заранее места установки коптеров, а затем разложить по уже имеющемся меткам просто необходимо. Тут опять стоит вспомнить о стойках с коптерами, с которыми можно удобно идти и расставлять дроны один за другим. Еще сказывается расстояние между взлетными местами. Например, для расстановки на расстоянии 3х метров друг от друга 100 коптеров, нужна довольно большая площадка (порядка 30 на 30 метров), которую нужно еще поискать. Также на большом расстоянии осложняется коммуникация между людьми — приходится много кричать и бегать или использовать рации.
Теперь осталось дождаться темноты, включить наземное оборудование и все коптеры. Когда все готово, отправляется команда на синхронный старт. Толпа дронов взмывает в воздух и повторяет движения и краски анимации, созданной для впечатления зрителя хореографией в ночном небе.
Заключение
В заключении хочется отметить российских разработчиков, которые спустя короткое время не отстают от технологических гигантов и представляют миру свое оригинальное решение, запуская уже достаточно серьезное количество дронов.
500 дронов на ВДНХ от Geoscan
Сложно было представить, что роевые и групповые полеты дронов начнут свой путь с такого коммерческого направления, как шоу. Но учитывая, что людям всегда нужно хлеба и зрелищ — не удивительно. Множество примеров, когда индустрия развлечений дает толчок для развития утилитарного применения технологий, заставляют мыслить позитивно. А пока понаблюдаем (или поучаствуем), во что эволюционирует данное направление через несколько лет.
Ссылки на компании, которые делают шоу дронов:
- intel.com/content/www/us/en/technology-innovation/aerial-technology-light-show.html
- ehang.com/formation
- droneshow.hg-fly.com/en/index.php
- geoscan.aero/en/show-drones
- skymagic.show
- veritystudios.com
- uvify.com/uvify-ifo-2
- droneshowsoftware.com
- vergeaero.com/drones
- ao-technology.com/ao-drones
- fireflydroneshows.com
- collmot.com
- dronisos.com
