Виды беспилотных аппаратов для аэрофотосъемки

Выбирая беспилотник для картографии, геодезии или нужд землепользования, необходимо учитывать его параметры и конструктивные особенности. Сегодня на рынке представлено очень большое количество различных моделей БПЛА, как отечественных, так и зарубежных производителей.

В данной материале рассмотрим:

• беспилотники самолетного типа;
• модели со свободным стартом, а также приземлением;
• мультикоптеры и вертолеты.

Главными характеристиками для всех без исключения БПЛА являются их масса, размеры, а также форма. Данные  характеристики определяют способы старта аппаратов, их грузоподъемности, а также поведение беспилотника в небе.

От критической взлетной массы БПЛА зависит, какой тип аппаратуры можно будет использовать для производства фотосъемки земной поверхности или лазерного сканирования. Если взлетная масса большая, целесообразно применять более точное оборудование (с большим разрешением матрицы) для производства съемки или оборудовать лазерным сканером. Также стоит отметить, что тяжелый БПЛА более стабилен в воздухе, от чего соблюдается правильная геометрия снимков. Стоит учитывать, что обычно аппарат выбирается исходя из бюджета и наличия специалистов, которые могут управлять тем или иным воздушным судном.

Самолетный тип беспилотников представлен двумя видами: фюзеляжный и летающее крыло. От размеров крыла напрямую зависят аэродинамические показатели.

• Благодаря тому, что фюзеляжные аппараты зачастую имеют больший вес, они могут нести дополнительную полезную нагрузку и, как правило, более стабильны в воздухе (соответственно улучшаются условия для производства аэрофотосъемки и не дают «смазов» на снимаках даже при низком ISO). В тоже время, конструкция таких беспилотных аппаратов сложна, что сказывается на стоимости ремонта и ужесточении инструкций по обслуживанию и эксплуатации. Фюзеляжные БПЛА запускаются с катапульты.
• БПЛА типа летающее крыло отличаются простой конструкцией. К недостаткам можно отнести малую полезную нагрузку и размеры. Это не позволяет аппарату поднимать тот вес, который доступен для БПЛА фюзеляжного типа. Однако, их можно запустить в небо без системы катапультирования, а цена «болванки» позволит всегда иметь в запасе еще один самолет.

Мультироторы (мультикоптеры), в свою очередь, различаются по многим характеристикам. Среди них немаловажный показатель – это число винтов. Существует мнение, что аппараты с 8-ю винтами более стабильны в воздухе, чем 4- и 6-винтовые. Алгоритмы полетов позволили добиться того, что практически все коптеры ведут себя стабильно даже в случае нарушения работы одного из винтов. Опыт показывает, что базовый DJI Phantom применим в сфере геодезии при использовании опознаков.

Львиная доля беспилотников оснащены электрическими двигателями. От параметров двигателя главным образом зависит максимальное время и расстояние полёта. Небольшие беспилотные аппараты могут находиться в полёте до 20-40 минут. Более крупные модели летают меньше, но могут поднять больше полезной нагрузки.

Также существуют модели беспилотников с бензиновыми двигателями. Такие аппараты тяжелее, но мощнее электрических. Время полёта может составлять десять часов. Причем беспилотник может преодолеть расстояние до 1 тыс. км. В качестве топлива используют бензиновую смесь (марки 92 и 95) с добавлением синтетического масла для двухтактных моторов. Бензиновые БПЛА расходуют около 500 мл бензина в час (режим горизонтального полёта). В среднем объем бака такого аппарата равен пяти литрам. Такие БПЛА целесообразно использовать для производства аэрофотосъемки больших по площади территорий.

От высоты полета беспилотника зависит размер пикселя изображений, а также количество снимков. В странах ЕС существуют жесткие ограничения по поводу полетов в воздушном пространстве на высотах до 0,1 – 0,15 км. В тоже время отечественное законодательство не предусматривает ограничений на число полетных заданий. Имея снимок с разрешением 3-4 см/пиксель, можно путем дешифрирования получить топоплан М 1:2000, а в некоторых случаях, если местность открытая и не слишком контурная, и 1:500.

Скорость беспилотных аппаратов

От скорости БПЛА зависит возможность их применения в ветреные дни и производительность работ по съемке земной поверхности.

• Компактные беспилотные самолеты (летающее крыло) имеют крейсерскую скорость 50 – 70 км/ч.
• Более крупные модели БПЛА – 100 км/ч.
• При скорости ветра 10 м/c и более использование беспилотников ограничено. Ветер в влияет на качество полученных изображений и перекрытия снимков, увеличивая смазы. Также стоит отметить, что спрогнозировать порывы ветра на высоте довольно сложно.

Одним из немаловажных параметров БПЛА является способ их взлета и приземления.

• Главными способами старта являются взлет с помощью специальной катапульты, а также запуск аппарата с рук.
• Для посадки применяется парашютный способ, либо посадку на корпус
• Конвертопланы имеют вертикальный взлет и посадку.

Современные летательные аппараты работают в автоматическом режиме. Осуществление ручного управления используется опытными пилотами при взлете и посадке в сложных условиях.

В БПЛА есть автопилот – мозговой цент беспилотного летательного аппарата. Ранее использовались простые автопилоты, которые главным образом применялись для любительских целей, не удовлетворяя задачам аэрофотосъемки – количество точек было крайне мало. Сегодня проблемы в ограничении количества контрольных точек нет – самолеты полностью удовлетворяют требованиям фотограмметрии при выстраивании сложных маршрутных заданий.

Большинство самолетов или коптеров –  небольшие аппараты с низкой грузоподъемностью. Исходя из этого фактора, в роли приборов для аэрофотосъемки, чаще всего, применяют небольшие фотокамеры, но с большими возможностями.

• Современные компактные камеры могут иметь разрешение матрицы от 24 мпикс, а также физический размер матрицы в 35 мм, что удовлетворяет потребностям аэрофотосъемки.
• На крупные БПЛА монтируется более серьезное оборудование (АФС-камеры с центральным затвором).
• То, как работают затворы, камеры тоже очень важно. Центральный или электронный затвор на камерах позволяет успешно применять их для целей аэрофотосъемки.

Существуют также фотокамеры, которые созданы специально для использования на беспилотниках. Такое профессиональное оборудование стоит не дешево (30–50 тыс.евро). Несомненно, такая камера обеспечивает снимки очень высокого качества. От производительности фотокамеры и её матрицы также зависит число снимков и затраты времени на обработку полученных результатов аэрофотосъемки.

Основными приборами для навигации в беспилотниках, чаще всего, выступают недорогие одночастотные приборы GPS/IMU. Это же оборудование применяется для внешней ориентации фотоснимков. В настоящее время, все больше производителей традиционных геодезических приборов, таких как Javad, Trimble, Novotel, добавляют в линейку GPS/ГЛОНАСС плат компактные и максимально облегченные вариации для воздушного применения. Произведенные измерения с борта уравниваются с данными основных GNSS базовых станций. На большинстве беспилотников устанавливают инерциальные системы INS, которые делают возможным ориентирование аэрофотосъемки с нужной точностью.

Связь с беспилотниками осуществляется через радиоволны. Частоты находятся в диапазоне от 0,443 до 2,4 ГГц. Связь с БПЛА нужна для контроля точности выполнения плана работ, и возможной корректировки аппарата во время полёта. Также возможна передача полученных изображений и картинки с навигационной камеры через радиоканалы на дальних расстояниях.

Большинство беспилотников могут работать в широком температурном диапазоне (от -30 до +50 градусов по Цельсию), что позволяет использовать аппараты в различных широтах земного шара. Кроме температуры важна скорость ветра. Большинство беспилотных летательных аппаратов могут нормально работать, при скорости ветра от 0 до 15 м/с.

К оборудованию, которое может устанавливаться на беспилотник, относятся не только фотокамеры. Также могут устанавливаться такие приборы, как лазерный сканер (LIDAR), видеокамера, тепловизор, инфракрасная камера. Такое оборудование позволяет успешно решать многие задачи, при исследовании и технической диагностики различных наземных объектов, сельском хозяйстве, мониторинге за трубопроводами.

Сертификация беспилотников в РФ

Учетом воздушных судов в России занимается Росавиация. Регистрация занимает несколько дней. Необходимо подать комплект документов тремя способам: через портал Госуслуг, через портал учета БВС, бумажным отправлением в Федеральное агенство Воздушного транспорта. После рассмотрения заявления судну будет присвоен индивидуальный номер.

Для решения задач землеустройства, геодезии и картографии необходимы беспилотные аппараты с параметрами, которые позволяют устанавливать на них специализированные приборы GPS/INS, а также камеры (имеющие крупную матрицу и центральный затвор). Важно что бы алгоритмы автопилота соответствовали съемке с четко установленными параметрами задания.

При мониторинге земель сельскохозяйственного назначения, а также водных и лесных массивов, можно использовать БПЛА меньших размеров, а также устанавливать непрофессиональные камеры. В этом случае возникает вопрос производительности, так как такие территории, как правило, довольно велики по площади. В данном случае  важно, что бы БПЛА были максимально устойчивы к различным погодным условиям и подходили в балансе время полета/скорость/дальность.

Маркшейдеры на горных предприятиях все чаще задействуют в каждодневной работе воздушнею съемку. БПЛА идеально подходят для этих условий, так как не встречается практически никаких помех в виде дереьвев или зданий, которые ограничивают применение летающих аппаратов. Еще одним преимуществом является и то, что воздушное пространство над карьерами обычно регулируется в том числе и самим пользователем недр, поэтому проблем с согласванием полетов возникнуть не должно.