Як ІТ-спеціалісту розпочати свій шлях у розробці безпілотників: поради розробника з NIX

Безпілотники довели свою ефективність на фронті. Поряд із закупівлею дронів із-за кордону, українські волонтери й вдома шукають варіанти, як ефективніше закривати запити військових. Подекуди ІТ-фахівці глибше цікавляться цим напрямом, аби самим створювати дрони або розробляти ПЗ. Якщо ви серед них — ця стаття для вас. Я розкажу, з чого почати вивчення сфери БпЛА, та поділюсь власним досвідом конструювання безпілотника.

Усе починається з теорії

ІТ — це завжди про поєднання різних дисциплін. І тут помічною стане звичка айтівців безперервно навчатись. Перехід у виробництво дронів вимагатиме поглиблення знань у певних напрямах та вивчення нових. Розповім, які теми я вивчав, щоб зрозуміти принцип роботи та етапи розробки БпЛА.

1. Основи електроніки та схемотехніки

Ці знання потрібні для розуміння того, як працюватиме безпілотник. Відповідні розділи ви знайдете в підручниках з фізики. Дізнатись більше про роботу з платами, сенсорами, GPS можна на каналі Painless360. Читайте офіційну документацію для програмного забезпечення, на якому працюють дрони. Наприклад, ArduPilot, iNav.

Не обов’язково створювати все з нуля. Існують готові польотні контролери. Найпопулярніші з них — CubePilot, Matek Systems. Полегшує роботу виробникам програмне забезпечення з відкритим кодом, на кшталт Betaflight, iNav та Ardupilot.

2. Основи літакобудівництва

Щоб розуміти, завдяки чому безпілотник можна зробити легшим, міцнішим та більш маневреним. Поглибити знання з авіації мені допомагають такі канали:

• flight-club
• The Efficient Engineer.

3. Мови програмування для спеціального софту

Здебільшого безпілотники працюють на софті, написаному на C/C++, C#, JavaScript, Java, Python, Swift. На них пишуть прошивки для автопілотів, конфігуратори, мобільні застосунки.

4. Навички 3D-моделювання

Розробка безпілотника починається з проєктування. За допомогою 3D-програм можна створювати детальні моделі безпілотників та їх компонентів. Так ви зможете визначати форму й розташування всіх елементів. Основні концепції 3D-моделювання гарно описані на безкоштовному курсі від EdEra.

Здолавши теорію, не поспішайте майструвати дрон 

Матеріали до виробу дорогі, бо часто ввозяться з-за кордону. Ціни на компоненти залежать від типу, розміру та функціональності майбутнього БпЛА. Наприклад, вартість матеріалу для каркаса й обшивки може бути від кількох десятків до сотень доларів. Такий же діапазон цін для моторів та пропелерів. І це без урахування комплекту електроніки та інструментів для збірки. Ба більше, коли йдеться про розробку для фронту, помилка може обійтися надто дорого. Ймовірно, за першої спроби щось може піти не так. На своєму досвіді я в цьому пересвідчився та дечому навчився. А тепер хочу дати вам кілька порад, які полегшать старт вашої розробки.

Як практикуватись у створенні безпілотника — поради початківцям

1. Переробити іграшку-літак у радіолітак

Придбайте метальний літак із пінопласту, який запускається з рук. Також вам знадобляться: двигун, пропелер, ESC (електронний контроль обертів), акумулятор, приймач, антена для приймача, 3 сервоприводи, зарядний пристрій, пульт для пілота. Необов’язково шукати комплекти електроніки для радіолітака. Це все можна купити окремо в спеціалізованих магазинах чи замовити онлайн. Якщо плануєте зробити FPV-літак (із можливістю передачі зображень у реальному часі), докупіть відеокамеру, VTX (відеопередавач), антену, а також FPV-окуляри для пілота.

Перевага такої моделі для початківця — з ним ви зможете попрактикуватись збирати літаки та краще навчитись керувати ним. Цей апарат не має автоматичних систем. Без польотного контролера літак буде дуже різкий та неоднаково себе вести на різних швидкостях. Також буде чутливим до поривів вітру. Під час керування ви прийматимете рішення щодо кожної наступної дії. Це допоможе навчитись швидко реагувати на непередбачувані ситуації в повітрі та краще зрозуміти, як реальний дрон поводить себе на ходу. З переходом до тренувань на «‎дорослому» БпЛА з повною автоматикою, ви вже будете набагато впевненішим. По відчуттях нагадує, ніби ви навчились керувати машиною на «механіці» і згодом пересіли на «автомат».

Щоб навчитись «літати», я провів багато часу на симуляторі польотів. Це програмне забезпечення, щоб управляти віртуальною моделлю безпілотника. Вам знадобиться комп’ютер чи ноутбук та інтерфейсний кабель. Завдяки такому онлайн-симулятору я зрозумів, як реагувати на сильний вітер, втрату відеозв’язку, відмову двигуна та інші критичні ситуації. 

На саморобному літаку відпрацьовував навички керування. Посадка та зліт часто перетворювались у падіння. Тренувальний безпілотник доводилось ремонтувати. У залежності від поломки — клеїти, паяти деталі або навіть заново збирати літак. Не варто забувати, що поки не відточили навички керування, достатньо просто можна втратити зв’язок із БпЛА та загубити його. Добре, що це можна робити на бюджетному аналогу. Маєш чергову нагоду потренуватись збирати й лагодити винахід.

Коли навчитесь «літати» на такому безпілотнику, додавайте нові елементи, як-от:

• GPS — дозволить орієнтуватись на місцевості та бачити горизонтальну швидкість літака.
• Трубка Піто — вимірювати швидкість повітряного потоку.
• Засоби телеметрії — бачити на планшеті/ноутбуці показники літака, задавати йому маршрут.

2. Зібрати прототип із готових елементів

Для цього замовте набір деталей та вузлів електроніки для збору готової моделі. Має вийти конструктор, який є точною копією реального БпЛА. Так ви зрозумієте, з яких елементів складається літальний апарат, як їх поєднувати між собою, які функції виконує кожен елемент. Важливо потренуватись на простих моделях перед збиранням справжнього безпілотника. Інакше ризикуєте розбити літак. Адже навіть дрібні помилки можуть спричинити падіння БпЛА. Наприклад, неправильне збирання компонентів всередині корпусу може спричинити недостатню вентиляцію та перегрівання. Як результат, пошкодиться електроніка та інші елементи дрона. Якщо встановили антену не на те місце, ризикуєте втратити зв’язок між пультом дистанційного керування та дроном. Як було в мене. Я розбивав безпілотники, коли неправильно компонував елементи між собою або електроніку, робив помилки в налаштуванні автопілота. Через прорахунки в одному вузлі кріплення розбив дорогий літак, над яким працював кілька місяців.

Візьміть за правило вивчати нові моделі БпЛА. Коли я бачу літаки на виставках, конференціях, у знайомих виробників, то намагаюсь дізнатись якомога більше про їхні рішення. Поцікавтесь, які етапи розробки пройшов певний безпілотник до моменту виходу на ринок, які матеріали використано, який функціонал у нього вбудовано. З цього випливає ще одна порада — спілкуйтесь із військовими. Вони підкажуть, що потрібно тут і зараз.

Я з командою півтора року працював над розробкою безпілотника. Оскільки це був новий для нас досвід, ми багато вчились та експериментували. Попереду нас чекало багато роботи, щоб виріб дійсно зміг допомогти військовим у виконанні бойових задач. Тому ми вирішили опитати хлопців із різних бригад, які вже мають досвід управління безпілотниками, щоб краще зрозуміти їхні реальні потреби. Раджу всім додати цей етап на початку роботи.

Від іграшок до реального дрона — що врахувати під час розробки

1. Кожен безпілотник має конкретні задачі

Різні типи БпЛА мають свої унікальні характеристики, обладнання та програмне забезпечення. Переробити дрон під інші задачі — можливо, але не отримаєте потрібний результат. Наприклад, ударний безпілотник (для ударів або атак) можна переробити в розвідувальний (для збору інформації). Але його ефективність буде менша, ніж того, який одразу створювався під ці задачі. Для ударного важливо підіймати вагу та швидко летіти, а розвідувальному треба довше зависати в повітрі. Через першочергові характеристики (розмір, вага, обладнання) не вийде досягти бажаних показників.

2. Під тактико-технічні характеристики безпілотника розраховуються його ВМГ (винтово-моторна група)

Від ВМГ залежить дальність польоту, швидкість, вантажність. Розрахувати ці характеристики можна за допомогою онлайн-інструмента eCalc.

3. Геометричне моделювання БпЛА вимагає розуміння основ аеродинаміки та математичних моделей

Щоб підібрати правильний аеродинамічний профіль крила, поверхності, визначити розміри керма, важливо володіти відповідною теорією або співпрацювати з фахівцями в цій сфері. Наприклад, початківцям не буде зайвим звернутись за консультацією до інженерів чи авіаконструкторів. Тому одразу порада: працюйте не лише над розробкою безпілотників, але й над власним нетворкінгом. Відвідуйте профільні виставки, приєднуйтесь до спільнот, які об’єднують спеціалістів та ентузіастів галузі.

4. Моделювання БпЛА потребує знань у галузі 3D

Зазвичай для створення прототипу використовують Fusion 360. На каналі Fusion 360 School класно пояснюють, що і як там працює.

5. Методи виготовлення деталей 

Тут є три варіанти: фрезерування (CNC-фрезерування), нарізання струною, 3D-друк. Вибір методу залежить від обсягу виробництва та матеріалів, які плануєте використовувати в розробці. Фрезерування більш точне та ефективніше для створення складних форм та обробки поверхонь. Нарізання струною зазвичай менш затратне та підійде для серійного виробництва.

3D-друк зручний тим, що принтер можна встановити вдома та виготовляти на ньому деталі. Такий спосіб дозволяє зробити навіть складні елементи, які струною неможливо вирізати. Але разом із перевагами є певні незручності. Такий друк вимагає багато часу, тож масштабувати виробництво буде складно. Ремонтувати літаки, виготовлені на 3D-принтері, теж непросто. Здебільшого в разі поломки доведеться робити нові деталі.

Початківцям раджу обрати нарізання струною (тільки уникайте складних форм деталей). Це дешевше та простіше в опануванні. 

6. Таск-менеджери для відслідковування етапів розробки 

Навіть якщо в команді одна людина. Я спочатку спробував вести процеси без таск-менеджерів. Як результат, хлопці, які мені допомагали (не айтішники), забували щось зробити, витрачали час на те саме завдання, не усвідомлювали загальний прогрес. Поступово ми запровадили в роботі дошки Trello. Стали швидше орієнтуватись у поточних задачах. Потім перейшли до Jira. Підсилив цей підхід деякими обов’язковими елементами Agile-методології. Наприклад, ми регулярно проводимо ретроспективи, естімейшн (оцінка робіт) та пленінги (планування робіт на визначений період). Такі обговорення дозволяють команді розуміти, що ми робимо зараз, що ще потрібно та які є перешкоди.Якщо у вас у команді є проєктний менеджер або Scrum майстер, дайте йому можливість організувати ці процеси. За відсутності такого фахівця раджу самому взяти на себе цю роль.

Розвиток технологій, зростаюча конкуренція на ринку безпілотників та регулярні потреби фронту — це все розвиває сферу безпілотників в Україні. Було б дивно айтішнику не звернути увагу на це. Адже кожен із нас здатен зробити свій внесок у цю добру справу — чи то своїми технічними знаннями, чи власне створенням дронів. Вітчизняним виробникам та військовим точно потрібні такі фахівці. Тож заохочую вас приєднатися в наші ряди!