Главная » Блог

Программирование дронов: что это такое, обучение на курсах, зарплата, плюсы и минусы

Анастасия Богуцкая

13.12.2021

0

Широкой общественности дроны известны только как устройства для фото- или видеосъемки с воздуха, на деле же они имеют гораздо больше функциональных возможностей, могут использоваться для решения важных практических задач. Так, дроны применяются в исследованиях местности и составления карт, могут разведывать залежи полезных ископаемых, мониторить состояние сельскохозяйственных посевов и распылять удобрения, доставлять грузы. И даже это далеко не все возможности беспилотников.

Уже сегодня мировой рынок дронов оценивают в более чем 30 млрд долларов, а по прогнозам экспертов – уже к 2025-му он вырастет до 54,5 млрд долларов. А это значит, что такая узкая специализация как «программирование дронов» вероятно станет очень востребованной в ближайшем будущем, и сейчас самое время заняться ее изучением.

Разработчики, которые занимаются программированием, учат эти устройства летать по заданным траекториям, самостоятельно решать практические задачи и работать в автономном режиме. В этой статье мы расскажем о главных аспектах работы такого программиста, посмотрим, какие карьерные возможности есть в этой сфере, покажем, где можно получить такое узкоспециализированное образование, рассмотрим плюсы и минусы профессии.

Актуальность и востребованность направления

Дронами сегодня называют целое семейство компактных беспилотных летательных аппаратов, которое включает в том числе и квадрокоптеры. Как мы уже упоминали, дроны имеют очень разноплановые сферы применения, могут использоваться не только в развлекательной индустрии и для создания красивого визуального контента, селфи с воздуха, но и в целях бизнеса, науки, промышленности, дроны также активно используются в военных операциях.

Эти компактные летательные аппараты и их программное обеспечение уже сегодня дают человечеству уникальные возможности, а учитывая инвестиции в эту отрасль, в ближайшие годы мы узнаем еще много нового и удивительного о том, как можно применять данную технологию.

Сегодня беспилотники чаще всего используются в таких целях:

1. Аэрофотосъёмка кино, блогинга, журналистики, геодезии. Современные дроны топовых производителей имеют хорошее качество съемки, умеют отлично стабилизировать изображение и в целом создавать картинку высокого качества.
2. Беспилотный грузовой транспорт, экстренная доставка. Режим автоматизации перемещения и возможности искусственного интеллекта позволяют использовать дроны даже для доставки грузов и перемещения в сложных условиях городской среды. Скрипт обходит здания, а особенности конструирования дрона подходят для перемещения небольших грузов в точку нахождения клиента.
3. Поисково-спасательные операции при помощи дронов с термодатчиками. На этапе проектирования дрон могут оборудовать термодатчиками и другими устройствами, помогающими в поисковых и спасательных операциях. БПЛА эффективно используются в обследовании местности после лесных пожаров, определяя места возгорания, а также для поиска людей во время снежных завалов и лавин. Обрабатывая данные с дрона можно существенно оптимизировать действия спасателей.
4. Создание карт локаций и труднодоступной местности. В рамках программируемых настроек, можно составить и отобразить труднодоступную местность и составить карты.
5. Мониторинг сельскохозяйственных посевов, состояния трубопроводов. Дроны все активнее используются в агросекторе как для мониторинга посевов, так и для точечного орошения, закладки удобрений, подробного анализа растений на разных стадиях развития. Функциональные возможности дрона будут зависеть от его комплектации.
6. Помощь в борьбе со стихийными бедствиями: сбор информации из труднодоступных мест, доставка предметов первой необходимости.
7. Мониторинг погоды, отслеживание и прогнозирование ураганов, штормов, наблюдение за потенциально опасными природными объектами, например, вулканами.
8. Проведении инспекции по безопасности строительства. Инспекция инженерных сетей, труднодоступных или опасных для человека мест стройки и реконструкции объектов. Через подключение к камере можно увидеть все необходимое в реальном времени.

Что делают программисты дронов?

Разработчики, которые специализируются на дронах, решают несколько важных задач. Во-первых, они создают программное обеспечение, отвечающее за выполнение необходимых команд – сбор информации, отслеживание, анализ данных, доставка и т.д. Во-вторых, они должна обеспечить безопасность беспилотников во время пребывания в небе.

Сама индустрия существует не более 10 лет и берет свое начало от проекта Robot Operating System (ROS), в его рамках были созданы программные библиотеки, инструменты, позволяющие разрабатывать приложения. В то время о коммерческом использовании никто даже не задумывался. Но сейчас эта платформа считается ведущей для создания робототехнических приложений. Она дает программистам массу возможностей и инструментов, работающие алгоритмы, а также доступ к глобальной экосистеме инженеров, научных специалистов.

По мнению самих разработчиков ROS, для программирования устройств разработчику не нужны какие-то исключительные навыки, основные знания такого специалиста касаются встроенного программного обеспечения и систем управления. Поэтому тем, у кого уже есть опыт программирования, особенно в этих направлениях, будет гораздо проще разобраться с темой.

Процесс программирования дрона включает 3 основных этапа:

1. Разработка алгоритмов, прототипирование.
2. Моделирование ПО.
3. Реализация и тестирование.

Курс: Программирование дронов от SkillBox

Программирование дронов – это новое направление карьере, которое сейчас находится на стадии формирования. Оно пока практически представлено в традиционных образовательных учреждениях и онлайн-университетах.

Двигателем профильного дистанционного образования в России стал онлайн-университет SkillBox, который уже запустил 2-месячный курс для тех, кто хочет освоить программирования дронов. Он был разработан при поддержке МАИ, а лектором программы выступает тимлид RegisLab МАИ – Михаил Колодочка.

Кому подойдет курс

Курс обучения подойдет тем, кто имеет определенный опыт программирования:

Программа обучения

1. Вводный модуль. Студенты изучат основы летающей робототехники и историю беспилотных авиационных систем, узнают об основных направлениях разработки, видах навигации, специализированного ПО. Скачиваем, устанавливаем, подключаем программы, которые пригодятся нам в работе.
2. Основы навигационных и аппаратных комплексов БАС. Детальный разбор устройства аппаратов и принципов их работы. Слушатели получат базовое понимание имитационного моделирования, а также изучат типичные ошибки при разработке беспилотников.
3. Теория разработки дронов. Механика движения, теория автоматического управления, типовые системы.
4. Симулятор беспилотника. Знакомство с нелинейными математическими моделями, их прикладным применением, изучение оптимальных траекторий полета, систем управления беспилотниками, инструкция создания симулятора проекта.
5. Разработка специализированного ПО, знакомство с ROS (самый распространенный фреймворк для программирования дронов), системами имитационного моделирования, статистической обработкой информации, автопилотом PX4.
6. Техническое зрение для автономных беспилотников. Реперные маркеры и оптический поток.
7. Системы предотвращения столкновений. Узнаете, как строить карту и работать с системами обнаружения препятствий.
8. Планирование пути и облёт препятствий.
9. Настраиваемое ПО для группового полета. Разработаете систему для управления 5-10 БЛА.
10. Карьерные возможности.
11. Работа над итоговым проектом – полноценной системой полета дрона.

Чему научитесь

1. Сможете запрограммировать автономные полеты БРЛА, а также группы взаимодействующих устройств.
2. Обрабатывать данные бортовых систем, проводить вычисления на их основе.
3. Создавать и настраивать оптимальную (виртуальную и реальную) траекторию движения.
4. Узнаете, как моделируются полеты.
5. Будете разбираться в составлении карты пространства.
6. Сможете создать систему обнаружения, распознавания и облёта препятствий.
7. Программировать систему управления, навигации.

Преимущества

Оставляй заявку на обучение, скачивай необходимый софт и делай первый шаг в профессию уже сегодня!

Более детальная информация на странице курса ?

Востребованность и зарплата специалистов

Будучи узкоспециализированной профессией, нешироко представлено на сайтах с вакансиями, но в ближайшие 5 лет такие специалисты будут становиться все более востребованными и точно смогут найти работу в строительной, экологической, аграрной, логистической, нефтедобывающей отраслях.

Изучив доступные вакансии на сайте HH.ru можно сделать вывод, зарплаты таких специалистов стартуют от 100 тыс. рублей в месяц.

Плюсы и минусы профессии

Особенности профессии

Для программирования БЛА используется свой стек технологий и инструментов. Достаточно часто разработчики используют языки программирования Python, Swift, Scratch, аппаратную платформу Arduino, среду разработки приложений Robot Operating System, которую мы уже упоминали ранее, а также программный симулятор под названием Gazebo.

Эти инструменты позволяют в режиме симулятора протестировать алгоритмы дрона, минимизировав при этом деформацию и уничтожение дорогостоящей техники. Также необходимо уметь работать с Linux (Ubuntu), поскольку ROS, Gazebo функционируют именно в этой ОС.

Основные виды аппаратов

По особенностям конструкции можно выделить 3 основных разновидности:

1. Коптеры – мультироторные устройства.
2. Самолетные дроны fixed wing
3. Гибридные модели, которые взлетают вертикально, а во время полета используют крылья.

Кроме того, все существующие дроны разделяются на 2 большие категории по типу их использования – коммерческие и потребительские.

Устройство обычно имеет такие детали:

Потребительские дроны (consumer)

Это радиоуправляемые устройства, доступные широкому кругу покупателей, которые можно приобрести в магазине. Чаще всего это модели, которые можно использовать в качестве летающей камеры. Среди наиболее качественных и популярных моделей можно выделить DJI Phantom, RoboMaster S1, Mavic. Чаще всего эти беспилотники используются для сьемки мероприятий, исторических объектов зданий. Для пилотирования используется специальный пульт управления. Функционал устройства позволяет использовать метод фотограмметрии и создавать 3D модели на основе серии фотографий из дрона.

Чаще всего этот тип управляется в ручном режиме, лишь изредка используется автономная работа по заданным GP-координатам. Технология FPV позволяет транслировать изображение с дрона в режиме реального времени. Ведущая компания на рынке потребительских дронов – DJI, хотя в последнее время ее догоняет по качеству и функциональности бренд Skydio и его дрон R2, который, как раз может работать в автономном режиме. Например, лететь по лесу за автомобилем или мотоциклистом, чтобы главный объект всегда оставался в кадре. При этом дрон способен самостоятельно облетать препятствия.

Лучшие дроны DJI для начала изучения:

1. DJI Ryze Tello. Один из флагманов этого бренда, который присутствует в программе DJI STEAM. Это очень компактная, но функциональная модель, которая весит всего 80 г, на ней удобно можно тренировать навыки пилотирования и управления, изучить основы программирования на Python, Scratch. БПЛА имеет 5-мегапиксельную камеру и может снимать с разрешением 720р, дает возможность легко подбирать оптимальные настройки и параметры для съемки. При этом управлять им можно при помощи специального мобильного приложения прямо со своего смартфона (iOS, Android), с легкостью делиться своими видео и фото в социальных сетях.
2. DJI Mini SE. Этот дрон был разработан специально для обучения продвинутых пользователей пилотированию. На борту этого устройства уже установлена профессиональная камера, которая снимает в 2,7К. Этот дрон не оснащен системами обнаружения и обхода препятствий, эти действия необходимо выполнять в ручном режиме, но он имеет много дополнительных возможностей для тренировки навыков пилотирования, хорошо управляем. Его максимальная высота – 3 тыс. метров, а максимальная скорость – 46,8 км/час.
3. DJI Mini 2. Считается наиболее продвинутой и современной моделью для обучения и аэрофотосъемки. Модель имеет мощный аккумулятор, передает видео на расстоянии до 10 км, обеспечивает качество съемки в разрешении 4К, оборудован встроенным стабилизатором.

Эти устройства помогут познакомиться с дронами на практике, понять принципы их работы, получить базовый опыт пилотирования и работы оператора дронов. Чтобы сделать следующий шаг в своей развитии и получить доступ к программированию продуктов DJI, необходимо зарегистрировать девелоперский аккаунт, скачать нужные установки, SDK (комплект для разработки ПО) с официального сайта производителя. У бренда есть разные сборки SDK, в зависимости от того, что именно вы хотите программировать – наземную станцию, управление полетом или полезной нагрузкой.

Обычно в состав SDK входит:

При помощи своего приложения разработчик сможет настроить оптимальные параметры, отслеживать и контролировать полет БПЛА, считывать данные с датчиков или камеры на борту, следить за состоянием систем. Для запуска скомпилированного приложения, его нужно перенести на мобильное устройство, а также подключить к дрону через Wi-Fi или USB-кабель.

Коммерческие дроны (commercial)

Используются в разных сферах – бизнес, наука, сельское хозяйство, строительство и т.д., решая конкретные корпоративные задачи. Например, доставку товаров при помощи беспилотников уже активно практикуют в компании Matternet, аналогичный сервис развивает Amazon Prime Air, а также дроны используются в Африке для доставки медикаментов компанией Zipline. Volocopter и Ehang имеют прототипы летающих такси. А в Дании Microsoft совместно с компанией Sund & Bælt используют ИИ с дронами для мониторинга состояния подвесных мостов.

Параллельно ведутся R&D-исследования, чтобы дроны могли выполнять работы не только на свежем воздухе, но и в помещениях: инспектировать стройку внутри здания и промышленное оборудование, заниматься инвентаризацией складов, контролировать безопасность шахт.

Важная техническая особенность коммерческих дронов в том, что они должны работать в автономном режиме и без ручного управления, ведь их задача как раз в освобождении освободить человека от выполнения рутинных задач, сократить количество задействованных сотрудников.

Чтобы программируемый квадрокоптер управлялся в автономном режиме, необходимо соблюдать определенные условия. В первую очередь, ему необходимо точно понимать свое местоположение, знать координаты. На открытых пространствах для этого используются GPS технологии с точностью в несколько метров. Этого вполне достаточно, чтобы проектировать маршруты полета над стройками или полями, а также любом открытом пространстве, где нет препятствий. Иногда также применяют технологию GPS RTK, а также наземные станции, но это дорого и не всегда возможно.

В случае более сложного ландшафта или работ внутри здания (если GPS недоступен), дрон должен быть оснащен дополнительными сенсорами, которые смогут определять расстояние до окружающих объектов и препятствовать столкновениям. Для этого применяют и программируют одномерные сонары, различные лидары, камеры глубины. Кроме того, дрон должен быть оснащен дополнительным вычислителем, который сможет считать данные сенсоров, и в режиме реального времени построить 3D-модель пространства, спланировать безопасный путь через него.

Также работа в замкнутом пространстве или окружении большого количества объектов не позволяет эффективно использовать GPS сигнал, поэтому необходимо применять другие инструменты и источники координат дрона. Это могут быть данные с бортовых камеры, камеры глубины, стереокамеры, которые работает по алгоритму SLAM (Simultaneous Localization and Mapping). Этот алгоритм ищет в потоке кадров специальные точки под названием features – это небольшие уголки или неоднородности. Этим точкам присваиваются дескрипторы, при помощи которых и осуществляется поиск координат в пространстве. Алгоритм достаточно сложен и требователен к вычислительным ресурсам техники, поэтому часто для этой цели используют камеру Intel RealSense T265 со встроенной микросхемой, которая реализует вычисления на аппаратном уровне.

Что получаем в итоге: для реализации автономного управления дроном необходимо разобраться с 3 основными вопросами:

1. Определение координат БПЛА в пространстве и выбор оптимального способа для этого: GPS приемника, либо системы, способной вычислить их прямо на борту через обработку видеопотока, при помощи алгоритма SLAM. Возможно, есть потребность использовать оба способа, чтобы беспилотник мог использовать и глобальные и локальные координаты.
2. Построение 3D карты окружения при помощи специальных сенсоров, лидаров, стереокамер.
3. Разработка софта для планирования маршрута и цели полета.

Как все реализуется на практике

С общими понятиями и заданиями разобрались. Теперь давайте выясним, как именно достигают своих целей разработчики и какие инструменты выбирают в этой работе, и для этого воспользуемся эмулятором. Итак, главная задача разраба – не просто запрограммировать дрон, но и тестировать алгоритмы в симуляционной среде, убедиться в том, что они и автономная программа работают корректно, но при этом не разбить сам аппарат. Чтобы не рисковать дорогой техникой на этапе тестирования используется компьютерная симуляция.

1. Полетный контроллер. За полет дрона и вращение его моторов отвечает полетный контроллер – это плата Pixhawk, оснащенная процессором ARM, а также прошивкой PX4. Программный код прошивки компилируется в специальном режиме «software in the loop», что позволяет проводить тесты на персональном компьютере Intel x84 CPU, при этом устройство будет думать, что оно работает на настоящем железе полетного котроллера, и не понимать, что получает не реальные, а подменные данные с сенсоров.
2. Robot Operating System. Чтобы дрон работал корректно, в нем должны взаимодействовать разные программные модули: связанные с сенсорами, построением 3D-карт, планированием безопасного маршрута, SLAM. Чтобы программировать эти модули специалист использует ROS. Приложение для этой системы – это набор отдельных пакетов, которые взаимодействуют между собой. Их называют узлами или node. Есть узел под названием «master node» — его главная функция – регистрация других узлов приложения. Каждый из таких узлов – это процесс Linux. Система ROS дает механизм синхронизации и передачи сообщений между отдельными узлами. Этими сообщениями могут быть сенсорные данные, облака точек, видеокадры, параметры и команды управления. Узлы могут запускаться на разных машинах, взаимодействовать через сетевой интерфейс.
3. Gazebo – программный симулятор реальности. Программные средства берут данные с сенсоров и на их основании управляют дроном. При этом самой программе не важно – работает она с реальным датчиком, или с симуляционным, актуатором. Это позволяет эффективно протестировать дрон на компьютере при помощи Gazebo. Он способен симулировать взаимодействие беспилотника с пространством вокруг. В нем используется достаточно качественная 3D-графика, симуляция выглядит, словно вы играете в компьютерную игру. Здесь реализована встроенная физика мира, можно применять видеокамеры, дальномеры, разные физические датчики. Разработчик тестирует, используя существующие сенсоры, но также может разрабатывать дополнительные плагины.
4. Образ Docker. Чтобы на вашем компьютере можно было развернуть целую среду симуляции, необходимо установить целый набор программных пакетов, что иногда вызывает проблемы зависимости. Поэтому более логичным решением будет создание образа Docker с настроенными пакетами и необходимым ПО. Все необходимое можно найти на GitHub, а подробные инструкции – на Хабре.

Резюмируя

Чтобы преуспеть в этой сфере, лучше начинать изучать ту отрасль заранее и с системным подходом. О том, что drone programming – это профессия будущего свидетельствует и тот факт, что робототехника и БПЛА сегодня активно изучаются в рамках кружков и учебных классов для детей в самых престижных образовательных учреждениях, ориентированных современные форматы обучения. Их руководители понимают, нужно с детства внедрять систему, которая подготовит ребенка к будущему.

Очевидно, рынок не будет ориентирован исключительно на развлекательную индустрию, уже сегодня можно говорить о его активном внедрении в различные сферы бизнеса, производства, медицины. Так что не упустите свой шанс стать редким специалистом в очень интересной профессии.