Лесные пожары — актуальная проблема для нашей страны. Каждый год они приводят к гибели более 3 млн га лесов и тысяч животных и громадным выбросам углекислого газа в атмосферу, нередко угрожая и безопасности людей. Именно поэтому ученые из разных регионов активно разрабатывают технологии, способные помочь быстро обнаружить и потушить пламя до того, как оно распространится на большую площадь. Одно из таких решений — беспилотные летательные аппараты, чья маневренность позволяет быстро реагировать на проблему.
Легкий и маневренный
Разработками в области беспилотных технологий для экологических задач занимаются специалисты компании «АВАКС-ГеоСервис» («Автономные аэрокосмические системы — ГеоСервис»), основанной молодыми исследователями на базе Сибирского федерального университета и специализирующейся на разработке БПЛА и их компонентов.
Подробнее о технологиях корреспонденту «Научной России» рассказал директор по развитию компании «АВАКС-ГеоСервис» Николай Николаевич Гулютин. В настоящее время компания серийно производит беспилотный летательный аппарат самолетного типа с размахом крыльев 4 м в двух версиях: массой 30 кг и 17 кг. Эти беспилотники могут использоваться не только в мониторинге пожаров: на них можно установить любую полезную нагрузку массой до 2 кг — фотоаппарат, камеру с тепловизором, лазерный сканер.
«Аппарат серийно производится третий год, претерпел два раунда обновлений. В его конструкции используются композитные материалы (карбон) и алюминий. Созданы версии БПЛА как с электродвигателем, так и с двигателем внутреннего сгорания, — пояснил Н.Н. Гулютин. — На место работы аппарат транспортируется в кейсе в разобранном виде. Максимальное расстояние, на котором можно управлять беспилотником, составляет 70 км. Информация о пожаре передается оператору либо в виде трансляции видео, либо при постобработке в формате снимков с фотокамеры».
Сборка и подготовка беспилотника к полету занимает менее получаса. БПЛА может находиться в воздухе до 6 ч в зависимости от погодных условий и покрывать расстояние до 500 км.
Беспилотные летательные аппараты — новое слово в борьбе с лесными (и не только) пожарами.
Фото: kjpargeter / фотобанк Freepik
В настоящее время финальную стадию разработки в компании также проходит компактный беспилотный квадрокоптер OMEGA для обнаружения начинающихся пожаров. Этот БПЛА ведет поиск огня с помощью камеры и тепловизора. Он отличается небольшой массой (около 2 кг) и может держаться в воздухе до 45 мин, перемещаясь со скоростью до 60 км/ч. Эти качества позволят легко использовать аппарат в отдаленных лесных районах. Отмечается, что выгода от применения новинки может составить до 119 млн рублей в год!
Создавая беспилотники для экологических задач, конструкторы сотрудничают с Министерством природных ресурсов Красноярского края. Одна из целей разработчиков — полное импортозамещение: в настоящее время доля российских комплектующих в создаваемых компанией беспилотниках достигает 70%.
Компактные и маневренные беспилотные летательные аппараты — один из коньков СФУ. Собственные БПЛА разрабатываются резидентами студенческого конструкторского бюро университета.
«Студенты с первых курсов могут оттачивать свои навыки на краевых и всероссийских соревнованиях по дрон-рейсингу. Благодаря наработкам студенческого конструкторского бюро наш институт вошел в федеральный проект “Кадры для беспилотных авиационных систем”», — сообщил «РИА Новости» директор Политехнического института СФУ Михаил Викторович Первухин.
Для отдаленных регионов
БПЛА с искусственным интеллектом для поиска пожаров — как лесных, так и степных и техногенных — представил в конце 2024 г. Центр беспилотных авиационных систем Университета Иннополис вместе с компаниями «Формоза-софт» и «Делидрон».
Для работы беспилотному самолету InnoVtol-3s достаточно низкочастотного канала связи. Это позволяет без затруднений использовать систему в отдаленных регионах страны.
Фото: wirestock / фотобанк Freepik (представлено в иллюстративных целях)
В систему мониторинга входят созданный в вузе беспилотный самолет InnoVtol-3s с вертикальными взлетом и посадкой. Он оснащен высокотехнологичной интеллектуальной камерой от компании «Делидрон» и разработанной компанией «Формоза-Софт» нейросетью для фиксирования задымлений с алгоритмом определения координат потенциально опасного объекта. Беспилотник способен передавать результаты детекции с координатами в систему дистанционного мониторинга лесных пожаров «Лесохранитель» и оперативно оповещать о выявленном пожаре МЧС и Федеральное агентство лесного хозяйства.
О возможностях технологии корреспонденту «Научной России» рассказал руководитель Центра беспилотных авиационных систем Университета Иннополис Дмитрий Владимирович Девитт.
«Самолет вертикального взлета и посадки InnoVtol-3s разработан специалистами Центра беспилотных авиационных систем Университета Иннополис для инспекции промышленных объектов, мониторинга территорий и аэродоставки. Беспилотник взлетает за счет электрических подъемных моторов, затем переходит в режим самолета с помощью бензинового маршевого двигателя, — объяснил Д.В. Девитт. — Крейсерская скорость InnoVtol-3s — 80 км/ч, на ней он способен преодолеть расстояние до 300 км. Полет беспилотника без подзарядки рассчитан на 4 ч, полезная нагрузка может достигать 5 кг. Наш самолет вертикального взлета и посадки входит в реестр российской промышленной продукции “Государственная информационная система промышленности”».
Беспилотный самолет InnoVtol-3s.
Фото предоставлено пресс-службой Университета Иннополис
Преимущества инновации заключаются в том, что обработка данных и привязка координат к месту возгорания происходят прямо на борту беспилотника. При этом системе не нужен постоянный широкополосной доступ в интернет — для работы хватает низкочастотного канала связи. Это снижает стоимость технологии и позволяет без затруднений использовать ее в отдаленных регионах страны.
В результате испытаний беспилотный самолет InnoVtol-3s показал способность находить задымления как летом, так и при снежном покрове.
Изображение сгенерировано ИИ / фотобанк 123RF
«Это первое в России максимально автономное решение в области мониторинга лесных пожаров. В управлении беспилотным летательным аппаратом предусмотрены оба режима: дистанционный и полностью автономный. Наш опыт испытаний системы показал, что необходимо работать в двух режимах в зависимости от сценария, погодных условий и особенностей лесных ландшафтов исследуемых территорий», — поделился Д.В. Девитт.
Аппарат автоматически фиксирует координаты пожара на скорости 80 км/ч, после чего отправляет данные в систему «Лесохранитель» для дальнейшей обработки. Один полет БПЛА на высоте 500 м позволяет наблюдать территорию площадью до 200 тыс. га. При этом нейросеть реагирует как на белый, так и на черный дым. Испытания беспилотника проводились в различные сезоны года в разных точках страны.
«Технологии полностью разработаны и находятся на этапе комплексного тестирования с последующим внедрением. Испытания системы инженеры проводили с июня по декабрь 2024 г. при разных погодных условиях в Республике Татарстан и на Сахалине. Решение находило задымления как летом, так и при снежном покрове — это расширяет сценарии применения технологии. Сейчас мы открыты к партнерству во всех регионах страны. Пока часть функционала, который хотим усовершенствовать, держим в секрете. Но если коротко, то будем расширять перечень задач, которые можно решать автономно», — пояснил Д.В. Девитт.
Во время испытаний система беспилотного самолета InnoVtol-3s успешно обнаружила пожар на расстоянии 35 км.
Фото предоставлено пресс-службой Университета Иннополис
На пути к многофункциональности
Над проектом беспилотника, способного выявлять пожар с помощью искусственного интеллекта, работает команда молодых ученых из стартап-студии Уральского федерального университета, созданной в рамках федерального проекта Минобрнауки «Платформа университетского технологического предпринимательства». Исследование возглавляет студентка Департамента математики, механики и компьютерных наук вуза Карина Пахолкова.
Цель молодых исследователей — создать летающий роботизированный беспилотник, способный обнаруживать пожары на самой ранней стадии и моментально передавать сигнал в спасательные службы. Планируется, что находить пламя БПЛА сможет автоматически.
Над проектом беспилотника, выявляющего лесные пожары с помощью ИИ, работают молодые ученые из стартап-студии Уральского федерального университета.
Фото: pressfoto / фотобанк Freepik (представлено в иллюстративных целях)
Проект стал финалистом конкурса стартапов на X Международном форуме технологического развития «Технопром-2023». Первый этап работы над беспилотником уже завершен.
Перспективную технологию планируется оснастить отечественным программным обеспечением. Новинка будет выгодно отличаться от аналогов бóльшим радиусом облета. Без подзарядки аппарат сможет покрывать расстояния до 600–700 км, время нахождения БПЛА в воздухе составит до 8 ч. При этом один летный час такого беспилотника будет стоить вдвое-втрое меньше, чем у пилотируемой авиации. Секрет впечатляющих характеристик — в особенностях аппарата, выбранного в качестве базы для БПЛА: летающей лаборатории типа «Юпитер-2Лб».
Помимо мониторинга лесных пожаров, беспилотник можно будет дополнить и другими функциями, включая наблюдение за лесными территориями, создание цифровых фотопланов местности, контроль над техногенными воздействиями и чрезвычайными ситуациями, такими как выбросы углекислого газа, нефтеразливы, обрывы линий электропередач, утечки метана на газопроводах.
Беспилотный летательный аппарат, созданный студентами ИрНИТУ, успешно отличает реальные природные пожары от туристических костров и нагретого солнцем блестящего металла благодаря встроенному ИИ.
Фото: freepik / фотобанк Freepik
Пожар или костер?
Еще одну беспилотную технологию в области тушения пожаров летом 2023 г. представили студенты Иркутского национального исследовательского технического университета в рамках федерального проекта «Платформа университетского технологического предпринимательства». Разработанный молодыми людьми БПЛА самолетного гибридного типа с искусственным интеллектом предназначен для тушения пожаров.
Дрон может летать по заранее запрограммированному маршруту. Цифровой разум нужен машине для того, чтобы успешно отличать реальную угрозу от блестящего нагретого солнечными лучами металла или разведенного туристами костра. Собранную информацию беспилотник передает в удаленный центр мониторинга.
Преимущество разработки — в уникальных технических характеристиках. В одном беспилотнике соединились аэродинамическая эффективность, возможность укороченных взлета и посадки на пересеченной местности, а также простота конструкции, изготовления и управления. В дальнейшем БПЛА планируется усовершенствовать.
Оптимизировать тушение
Можно ли использовать беспилотники не только для поиска, но и для тушения пламени? Отечественные исследователи работают и над этим. Один из таких проектов представили летом 2024 г. ученые и студенты Национального исследовательского Томского государственного университета. Исследователи представили дрон, который может не только тушить пожары, но и предварительно рассчитывать курс полета, а также оптимальные высоту и объем сбрасываемого хладагента в зависимости от конкретного очага. В данном случае в качестве хладагента могут использоваться вода или водный раствор специальных поверхностно-активных веществ, забирающих тепло от охлаждаемого объекта во время кипения или расширения и испускающих его в окружающую среду при последующем сжатии.
В случае, когда высота, направление и объем сброса хладагента на очаг возгорания определяются интуитивно пилотами авиатехники, количество жидкости может оказаться не оптимальным, и пламя будет побеждено не сразу.
Фото: freepik / фотобанк Freepik
Обычно при тушении пожаров при помощи авиатехники пилоты выбирают высоту, направление и объем сброса хладагента интуитивно. Из-за этого борьба с огнем порой оказывается недостаточно эффективной: например, жидкости оказывается слишком мало или, наоборот, тушение продолжается уже после того, как пламя задохнулось.
«И это крайне невыгодно: один полет специального летательного судна три года назад оценивался почти в 400 тыс. рублей, а сегодня — почти в 500 тыс. И нашей задачей было рассчитать данные о формировании, динамике и тепломассообмене облака капель вследствие оседания хладагента, чтобы определить необходимый его объем и алгоритм для его успешной доставки», — пояснил инженер-исследователь Научно-исследовательского института прикладной математики и механики ТГУ Сергей Александрович Басалаев. В результате изысканий ученые создали специальный программный комплекс, способный помочь ускорить тушение пожаров.
Сам разработанный исследователями БПЛА получил название «Шмель». Отмечается, что он может доставлять хладагент напрямую к пламени в скорейшие сроки. Дрон разрабатывался вместе с МЧС России. Сейчас спасатели испытывают программу для оптимизации тушения пожаров и предоставляют ученым специальную площадку для тестирования «Шмеля».
Исследование проводилось по гранту Российского научного фонда. Беспилотник получил сертификат от «Ростелекома», подтверждающий технические характеристики, и был признан одним из лучших на выставке «Дрон-гараж» в рамках проектного интенсива «Архипелаг 2024».
Термостойкий полимер для защиты БПЛА от пламени представили ученые из МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Фото: rawpixel.com / фотобанк Freepik (представлено в иллюстративных целях)
В огне не горит
Чтобы спасательные дроны могли подбираться к самому очагу пожара без вреда для себя, они должны изготавливаться из специальных жаропрочных материалов. Одну из таких новинок осенью 2024 г. представили специалисты из Центра компетенций Национальной технологической инициативы «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» на базе Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана.
Применив новый метод получения полиэфиримидов, исследователи создали термостойкий полимер, способный защитить БПЛА от пламени при работе в экстремальных условиях, включая пожар. Добиться такого результата помогло включение в структуру материала теплостойких элементов в процессе синтеза.
«Температура <…> плавления [полимера] возросла с максимально возможного сегодня порога в 217°C до 245 °C, что защитит беспилотники, созданные на его основе, от воспламенения при перегреве или работе в условиях высоких температур», — сообщили ТАСС представители центра. Новый материал пригодится не только в создании термостойких дронов, но и в машиностроении, биомедицине и производстве мембранных технологий.
Источники
Комментарий директора по развитию компании «АВАКС-ГеоСервис» Н.Н. Гулютина
Комментарий руководителя Центра беспилотных авиационных систем Университета Иннополис Д.В. Девитта
«РИА Новости». В России создали дрон-спасатель для защиты леса от пожара
ТАСС. Разработана система поиска лесных пожаров с помощью беспилотников и ИИ
«РИА Новости». В России разработали беспилотник для тушения пожаров с использованием ИИ
Сайт федерального проекта «Платформа университетского технологического предпринимательства». В уральской стартап-студии разрабатывают проект по предупреждению лесных пожаров с помощью искусственного интеллекта и БПЛА
«Новости Томского государственного университета». Физики ТГУ создали дрон для сокращения времени тушения пожаров
«ТАСС Наука». В России создали материал, защищающий БПЛА от перегрева
Источник изображения на превью: user6702303 / фотобанк Freepik
Источник изображения на главной странице: сгенерировано ИИ / фотобанк 123RF
Фото в тексте: kjpargeter / фотобанк Freepik, wirestock / фотобанк Freepik, предоставлены пресс-службой Университета Иннополис, сгенерировано ИИ / фотобанк 123RF, pressfoto / фотобанк Freepik, freepik / фотобанк Freepik, freepik / фотобанк Freepik, rawpixel.com / фотобанк Freepik.
