Механики ТГУ придумали, как в разы ускорить создание новых беспилотников с помощью математики: всю рутинную работу по расчету оптимальной формы летательного аппарата они «отдали» суперкомпьютеру. Сейчас на основе этих алгоритмов разрабатывается БПЛА для засева лесов на отдаленных территориях. Подробности – в специальном проекте Tomsk.ru и Томского госуниверситета «Технотренды».
Как проектируется беспилотник?
Современные БПЛА – сравнительно новая отрасль, ей от силы 10-15 лет, и в нее почти в неизменном виде перекочевали технологические процессы, традиционно используемые в «большой» авиации. Проектирование по старинке обычно происходит так: сначала делается эскизный проект и опытный образец, который выполняет основные функции. После испытаний начинается технический проект, в котором детально прорабатывается все до болтика, по результатам которого изготавливается второй опытный образец — предфинальный, выполняющий все функции, возлагаемые на аппарат. На самом деле на каждом этапе изготавливается не один опытный образец, просто в ходе испытаний выбирается наиболее успешная модель.
Куат Исмаилов, ассистент кафедры прикладной аэромеханики физико-технического факультета ТГУ:
«Для объективного выбора нужно провести много испытаний как можно большего числа разных образцов. Но это будет стоить много времени (и денег) для разработчиков, что отразится на конечной стоимости продукта. После окончания университета я работал инженером-конструктором на предприятии в Алматы, которое занимается проектированием планеров. Собирая и тестируя опытные образцы, мы могли проверить максимум девять моделей. На поиск их необходимой конфигурации четыре человека каждый тратили 700-800 часов работы, это примерно четыре месяца. Я поставил цель — ускорить процесс проектирования, и, поступив в аспирантуру ТГУ, я выбрал тему «генетические алгоритмы оптимизации» — появилась идея отдать машине рутинные процессы, чтобы она сама заложенными в нее методами отрисовывала самолет, проверяла его и выдавала несколько оптимальных вариантов».
Что могут генетические алгоритмы?
На самом деле, было бы идеально проверить абсолютно все варианты, однако, хоть мы (человечество) и располагаем суперкомпьютерами, мы ограничены в вычислительной мощности. Поэтому к вопросу правильного выбора лучшего варианта беспилотника нужно подходить с умом. И провернуть такой трюк нам поможет математика, вернее ее инструменты, которые помогут моделировать генетические алгоритмы так, как это работает в эволюции в природе, природа отбирает лучшие особи, получившиеся в результате скрещивания, так и программа комбинирует лучшие варианты фюзеляжа, крыла и т.д., решая уравнение оптимизации. Чистая математика, безграничные возможности для творчества!
Куат Исмаилов:
«Машина в основном обрабатывает только те варианты, которые мы ей «скармливаем» и плюс их промежуточные варианты – она сама не может сразу придумать принципиально новую форму крыла. Для этого ей нужно время, и дать шанс «выжить» потенциально плохим вариантам беспилотников. От цикла к циклу за счет механизмов скрещивания и мутации машина все-таки найдет новую лучшую форму крыла, если она оказалась лучшей. Но это будет очень долго. Например, если дать машине на расчет биплан, она вряд ли быстро догадается убрать одно из крыльев и сделать моноплан – ведь он быстрее и энергоэффективнее в полете. И очередной трюк заключается в том, чтобы «скормить» машине разнообразные варианты, так, чем больше различий будет в начале у популяции, тем больше шансов, что мы за меньшее число расчетов дойдем до максимума – варианта с наибольшей эффективностью. Но тем не менее, аэродинамику предложенного биплана машина рассчитает на порядки быстрее человека. В 2020-2021 году мы тестировали сырую альфа-версию нашей программы, и добились того, что оптимальный вариант самолета был найден за две недели (вместо, напомню, четырех месяцев), и обсчитывала она не 9 вариантов, а 230».
Генетические алгоритмы применяли еще в 1980-х годах, но мощности ЭВМ тогда были другие. А сегодня появились инструменты, помогающие достаточно быстро проводить сложные расчеты и получать точные результаты. В частности, математики ТГУ используют университетский суперкомпьютер СКИФ Cyberia.
Уникальная особенность программы от ученых ТГУ в том, что в ходе расчета она генерирует 3D-модель самолета (то, что раньше рисовали условно в Автокаде) и сразу же «проверяет» ее в виртуальной аэродинамической трубе. Лучший вариант можно тут же загрузить в 3D-принтер, распечатать, прикрутить двигатель, электронику – и проверить «в поле». Экспериментальные запуски показали: реальный беспилотник на 95% соответствует тому, что было «предсказано» машиной.
Куат Исмаилов:
«Сейчас программа не может просчитать случайные и аварийные процессы: как аппарат будет сваливаться, как разрушаться при ударе при падении… Но главное — машина за нас сделала всю рутинную работу, а мы можем прорабатывать детально технический процесс. Сейчас мы работаем над бета-версией программы, а также создаем возможность для облачных вычислений на наших мощностях: не у каждого производителя беспилотников есть под рукой суперкомпьютер, а ноутбук такие сложные расчеты будет проводить годами».
Параллельно ведется работа над собственным проектом транспортного самолета для засева лесов. Опытный образец имеет размах крыльев 4,32 метра и взлетную массу 29 кг (БПЛА свыше 30 кг нужно уже регистрировать и сертифицировать). Это самолет вертикального взлета и посадки, подобных решений известно мало.
Фюзеляж транспортника должен быть вместительным – он несет груз хоть и не тяжелый (10 кг), но объемный, причем в процессе полета (по мере выброса груза) изменяется масса и центр тяжести, и аппарат должен быть устойчивым на всех режимах полета.
Куат Исмаилов:
«На идею нас натолкнул опыт 2019-2020 годов, когда в Сибири бушевали лесные пожары. Часто лес горит в труднодоступных местах, где нет дорог, но его надо как-то восстанавливать… Наш БПЛА будет выбрасывать капсулы с семенами, за раз он берет более 1000 семян, за час работы высадит несколько гектар. Капсулы содержат как сами семена, так и полезные субстраты, которые на первых этапах помогают будущему дереву прорастать. Их разработкой занимаются наши коллеги-биологи. Важно, что капсулы должны заглубиться в грунт, а для этого – упасть с нужной скоростью и точностью, учитывая скорость и направление ветра, а также скорость самолета. Эти расчеты производятся на борту. В рамках гранта ТГУ мы проверяли капсулы на симуляторе, они падают как надо, в пределах заданной погрешности. Сейчас идет детальная проработка беспилотника инженерами, летом этого года мы должны провести испытания на открытом воздухе».
