Nejnovější pokroky ve světě dronů na ČVUT FEL + video

Droní soustředění ČVUT v Temešváru

Naše poslední setkání se odehrálo v obci Temešvár, ale nikoliv v Rumunsku, ale poblíž Písku, blízko břehů řeky Vltavy. V tomto místě se nachází zázemí ČVUT, zahrnující jak vlastní dům, tak i louku, ale třeba i kus řeky, což se hodí pro trénink různých úloh vykonávaných nad vodou. Po delší pauze si právě na toto místo udělala parta z ČVUT velkolepý výjezd. Zabalila se celá laboratoř, dohromady kolem 30 lidí a 40 dronů, ale třeba i nový karavan ČVUT. V Temešváru se v rámci zmíněné akce testovalo mnoho systémů a nových nebo vylepšených řešení.

Řešila se třeba automatizovaná inspekce na modelu vedení vysokého napětí. Dále se zkoušely lokalizační systémy využívající radiové majáky od různých firem, aby se dron mohl navigovat ve vymezené oblasti i bez GPS signálu – především v interiéru (v hale). Testovala se i vizuální navigace, kde hraje klíčovou roli LiDAR. Nejedno praktické cvičení probíhalo také v lese, což je pro drony extrémně náročné prostředí. A zajímavé bylo i létání nad vodou a mapování plovoucích odpadků.

Revize vedení vysokého napětí s minimální obsluhou

Nejen na obecný program tohoto inženýrského sekání a praktického cvičení, ale i na jeho jednotlivé body jsme se vyptávali Ing. Tomáše Báči, Ph.D. Tento náš dobrý známý je totiž vedoucím výzkumu dronů na ČVUT (Katedra elektrotechnologie na FEL). Povídání to bylo obsáhlé a zajímavé, níže proto vybereme různá diskutovaná témata.

Například revize stožárů vysokého napětí a jeho vedení se dnes už celkem běžně provádí pomocí dronů s termovizí, čehož jsme se osobně nejednou účastnili – mrkněte na video.

Zatím se ale tyto inspekce řeší obvykle manuálně, maximálně v podobě předem definované letové trasy. To je ale „pouze“ současný stav –  jak by to mohlo vypadat zítra?

„Myšlenka je taková, že dnes již máme vysoce kvalitní 3D LiDARy, s nimiž můžeme ze země snadno a přesně zmapovat celé vedení, které je potřeba zkontrolovat. Takto snadno určíme, kde jsou klíčové prvky, které je potřeba nafotit a zhodnotit a kde se můžeme pohybovat, aby drony do něčeho nenarazily. Následně vyletí skupina dronů a ty si mezi sebou rozdělí předem definované úkoly, vyhodnotí jednotlivé body a vrátí se s požadovanými daty,“ popisuje Ing. Tomáš Báča, Ph.D.

„Každý dron musí vědět, kam má letět a co má zkontrolovat, stejně tak by si měl hlídat, kde jsou ostatní drony z jeho roje, aby se navzájem nesrazily. Případně, když jeden dron vysadí, třeba z důvodu závady baterie, měly by ostatní drony z roje převzít jeho původní zadání a celou misi úspěšně dokončit i bez cíleného zásahu operátora… jedná se o komplexní úlohu, u které je podstatné centrální plánování z jednoho uzlového bodu. Na konci by mělo být řešení, kdy není na danou inspekci potřeba větší množství pilotů, ale stačí jen jeden operátor, který řídí celou akci. Vše by tak mělo být pro obsluhu poměrně snadné a jednoduché. V principu zadat úkol, připravit drony a pak jen sledovat, zda vše probíhá podle plánu.“

Zajímavé nové drony na „sletu“ inženýrů z ČVUT

Druhou zpovídanou osobou byl Ing. Dan Heřt, vedoucí skupiny pro droní hardware, který nám ochotně popsal nejzajímavější fešáky, které si parta z ČVUT na tuto akci přivezla a které na tomto místě intenzivně testovala. A že tady bylo zajímavých kousků víc než dost!

Některé z platforem a nápadů už známe z předchozích akcí, jiné jsou zcela nové, neokoukané. Pojďme se podívat na pár technických špeků a ukázek toho, kam kluci z ČVUT posunuli a stále posouvají svou vlastní techniku a nepřímo vlastně i celý droní obor.

Monitorování odpadků na voní hladině

První kousek, který nám byl představen, má na svém těle již známý a dříve používaný LiDAR, který je ale tentokrát usazen jinak, než bychom možná čekali. U tohoto dronu je LiDAR otočený směrem dolů, jelikož jeho úkolem je monitorovat hladinu vody a lokalizovat, v budoucnu případně sbírat, plovoucí odpadky z rybníků, jezer a snad i moří.

Na tomto řešení je zajímavé, že LiDAR namířený k hladině vody vlastně vodu samotnou nevidí, jelikož laserové paprsky k ní vyslané se ve vodě ztrácí. Když ale narazí na objekt pohybující se na hladině (třeba PET lahev), mají se najednou paprsky od čeho odrazit a na výstupu nalezený objekt skoro až září!

Pro zajímavost, aktuální efektivní výška pro měření či monitorování vodních ploch je zhruba 50 metrů, za slunečních dní je ale síla odraženého laserového paprsku obecně slabší, proto je potřeba klesnout až na 30 metrů k vodě.

Létání do boku bez naklápění aneb 6 stupňů volnosti!

Druhý představený model je specifický v tom, že jeho motory, kterých je celkem 6 (hexakoptéra), nemají svou osu (osu vrtulí) posazenou kolmo k zemi, jak je běžně zvykem, ale jsou natočeny pod určitým úhlem. Smysl a vtip tohoto řešení spočívá v tom, že takto postavený dron se může pohybovat do stran, aniž by se přitom sám nakláněl, jak to dobře známe z praxe u běžných kousků se 4 i více vrtulemi.

Cílem je vytvořit systém (dron), který bude schopný snadno manipulovat třeba s nákladem, který je k němu zavěšený. Díky tomu, že se při pohybech do stran nebude tento dron naklápět, může být manipulace s nákladem jistější, bezpečnější a přesnější.

Vlastní gimbal z 3D tiskárny

Třetí kousek představuje dron určený ke sledování či pronásledování jiných dronů. Podobný systém už na ČVUT existoval, zatím byl ale omezený fixně uchycenou kamerou. Nová verze proto přidává vlastní, na 3D tiskárně vytvořený gimbal, díky němuž je sledování vybraných objektů (dronů) výrazně snazší a také přesnější.

UVdar – brácha LiDARu

Jiným, opět o nějaký stupeň kupředu posunutým, modelem, je dron, který je vybaven celou řadou senzorů, až zrak přechází. Jeho klíčovou součástí jsou kontrolní UV diody a zároveň i UV kamery, které pomáhají zejména dronům v roji „vidět“ jeden druhého a vyhodnocovat vzájemně svou polohu. Tento UV systém se pracovně označuje UVdar, jelikož se jedná o určitou obdobu laserového LiDARu.

Každopádně na palubě tohoto kousku je i pokročilý 3D liDAR, díky němuž se stejný kousek dokázal proplést trasou dlouhou zhruba 500 m s poměrně hustým lesem. Vše navrch jistí ještě klasické GPS senzory a systém RTK pro zpřesnění polohy až do řádu centimetrů. Díky těmto senzorům se vyhodnocují a validují data nasbíraná z ostatních vstupů.

DIT 1 – Velkolepý hybridní dron

Na závěr praktické obhlídky jsme si nechali něco skutečně mimořádného! Jedná se o dron určený pro monitorování stavu porostu navržený s důrazem na co nejdelší letový čas a zároveň i vysokou nosnost. Jeho motory totiž mají tah až 60 kg. Samotná droní platforma váží 23 kg, proto zbývá rezerva 37 kg pro náklad. Vše je navíc jištěno padákovým systémem pro případ výpadku pohonu.

Unikátním řešením na tomto kousku je skutečnost, že dron nese na palubě malý spalovací motor, přesněji generátor, který vyrábí elektřinu pro samotné elektrické motory roztáčející vrtule. Navíc jsou zde i baterie, skrz které teče elektřina do motorů, případně pomáhají nastartovat generátor.

Díky tomuto komplexnímu řešení může zmíněný dron vydržet ve vzduchu klidně i celou hodinu. Pokud by se k němu doplnila ještě druhá rezervní nádrž, pak by zvládl i hodiny dvě!

Jedna ze starších návštěv u kluků z ČVUT

Technologie ČVUT ve vývoji – další nápady a budoucí aplikace

Vraťme se ještě zpět na začátek a pojďme si povědět o dalších zkoušených technologiích a cestách budoucího využití dronů. Kupříkladu, jak používat drony uvnitř objektů, kde není běžně dostupná GPS navigace? K tomu slouží různé rádiové majáky, které se rozmístí v prostorách, kde se bude létat, a podle nich se dron orientuje. Čte tedy svou polohu podobně, jako čte signál z družic systému GPS, pouze využívá pozemní stanice, a nikoliv ty orbitální.

Zkoumání kluků z ČVUT se v tomto směru zaměřilo na 2 odlišné systémy pozemních majáčků s cílem zjistit, jak dobře je lze využít v reálném nasazení. Výstupem tohoto „bádání“ by měl být návrh řešení, jak řídit drony uvnitř uzavřených objektů, kupříkladu výrobních nebo skladovacích hal. Tedy zajistit, aby se drony v takovém prostředí byly schopné bezpečně pohybovat, provádět revize, přesouvat třeba jednotlivé balíčky, provádět inventuru díky čtení QR kódů a tak podobně.

Použitelná řešení pro navigaci v „indooru“ jsou v principu 2. Jednak zmíněné rádiové majáčky, jednak samostatné palubní senzory, fakticky opět výkonné LiDARy. Samotné laserové mapování terénu je sice úžasnou technologií, je ale zároveň dost náročné na výpočetní výkon palubního hardwaru. Z LiDARu totiž tečou data v intenzitě třeba i 20 MB/s, což je jen surový datový tok, který je následně nutné dále zpracovat a vyhodnotit, ideálně v reálném čase.

Zajímavé na celé této problematice je třeba i to, že průmysl zabývající se výrobou nebo třeba skladováním sice postupně zařazuje různé automatické procesy, zatím je ale poměrně spokojený s roboty, kteří se pohybují po zemi. Podobně automatizovaní létající (droní) skladníci nejsou zatím aktuálně žádaným řešením – to ale neznamená, že se na této technologii nemůže pracovat, spíše naopak. Vše se právě řeší a chystá dopředu, aby byla potřebná řešení dostupná a ověřená, až o ně průmysl projeví zájem.

Létání v lese jako stálé aktuální výzva

Trochu jinou oblastí, i když lehce příbuznou, je autonomní létání v lese, které by se dalo využít pro monitorování stavu lesního porostu, třeba po vichřici, vyhodnocování zasažení škůdci, jako je kůrovec, a pro podobné aplikace. Stále se ale jedná o velkou technologickou výzvu.

Létat nad lesem není problém, uvnitř lesa, mnohdy bez GPS signálu, to je ale výrazně tvrdší oříšek. Avšak i na tomto poli se inženýři z ČVUT snaží postupovat po drobných krůčcích vpřed. Opět ale naráží třeba na fakt, že se pro takový úkol nejlépe hodí výkonný 3D LiDAR, ze kterého ale leze tak velké množství dat, že není vůbec snadné je zpracovat přímo na palubě dronu. Cesta je ale zřejmá a pokrok nezadržitelný.

Přistát na lodi je těžší, než přistát na autě!

Ještě jednou se vraťme k tématu létání nad vodou, kdy je hlavním objektem našeho zájmu vyhledávání a monitorování nechtěných objektů na hladině (typicky odpadky). „Létání nad vodou je obecně dost ošemetné, zejména pokud je břeh daleko. Proto je jednou z výzev i řešení, jak zajistit možnost startovat a přistávat z lodí pohybujících se dále od břehu,“ říká k tomuto tématu Ing. Tomáš Báča.

Tento projekt nepřímo navazuje na už dříve použité řešení, kdy se v rámci jedné soutěže předháněli týmy vývojářů z celého světa v tom, kdo zvládne s dronem přistát na pohybujícím se autě. Nad vodou je ale situace o to horší, že se loď může na vlnách houpat a různě naklánět. Pracovat je tedy rozhodně na čem…

Vývoj kráčí nebo kluše vpřed?

Když se ohlédneme za vícero našimi návštěvami u droních bratrů z ČVUT, tak se nestačíme divit, s jakými nápady přichází a kam různá řešení postupně posouvají. Všechna čest! Zároveň je vidět, že určité problémy jsou jako evergreeny, které se stále vrací a řeší se stále dokola. Typicky létání v lese. Jiná řešení se ale postupně rodí a staví před vývojáře nové a nové výzvy. Jsme tedy nanejvýš zvědaví, s jakými nápady, konstrukcemi a technologiemi se tato parta vytasí, až je přijedeme navštívit příště.

👋✈ #LetuZdar

Štěpán