Дрон меж крон. Как изобретатели пытаются приспособить беспилотники и маяки для поиска пропавших людей

Поиск ногами

С утра автобус привозит нас в живописную загородную местность: дорога, река, непременная церковь на том берегу, деревянные домики базы отдыха «Иволга» с одной стороны, с другой — лес и поле с одиноким, никак не поддающимся весне сугробом. Около базы разбиты палатки, между ними ходят люди в куртках с названиями поисковых отрядов и надписями «Спасатель», а внутри участники команд изобретателей готовят к демонстрации свои воплощенные в «железе» ноу-хау. Им предстоит показать, что с помощью таких технологий действительно можно эффективно искать пропавших. И спасатели, и инженеры с программистами приехали сюда в рамках технологического конкурса «Одиссея».

Поисковое движение существует в России потому, что для нашей страны проблема пропавших вне городской и сельской застройки людей стоит особенно остро. По словам сопредседателя петербургского объединения добровольных спасателей «Экстремум» Бориса Лейтеса, в международной статистике люди, которые пошли в лес и там остались, составляют менее 1% от общего количества пропавших. В России этот процент гораздо больше из-за огромной площади лесов, их доступности для посещения и крепких традиций сезонного сбора грибов и ягод.

• «В Ленинградской области в прошлом году было около 1000 случаев потерявшихся, и количество случаев растет, — говорит Лейтес. — Население Питера и Ленинградской области — 7,2 миллиона человек. То есть пропавших — два человека менее чем на каждые 10 тысяч населения. Смертность от ДТП — 1,8  человека на 10 тысяч. Конечно, не совсем корректно такое сравнивать, но проблема реально есть».

Большинство заблудившихся — дети и люди старше 50 лет. Чаще всего люди теряются в короткий период лета и осени, так что нельзя значительно увеличивать состав поисковых бригад, ведь большую часть года им будет особо нечем заниматься. Важен и фактор времени: искать заблудившихся нужно в первые несколько суток — дальше человек неизбежно обессилит и погибнет от истощения.

При этом наиболее эффективной технологией поиска людей в условиях дикой природы остается простое пешее прочесывание местности группой людей. На это каждый раз требуется много времени и усилий. К примеру, в Ленинградской области, по словам Лейтеса, на поиск одного человека тратится в среднем 53 человеко-часа, то есть примерно семь спасателей должны прочесывать лес в течение семи-восьми часов. Поэтому спасатели ожидают от изобретателей технологию, которая позволит находить человека быстро и снизит трудозатраты.

• «Проблема очень простая: нас меньше, чем нужно, и так будет всегда, — говорит Григорий Сергеев, руководитель поисково-спасательного отряда «Лиза Алерт». — В прошлом году у нас было больше 1500 заявок только на лес, без смешанных поисков с городской средой. И все эти заявки нужно отработать. Чем больше будет вовлечение технических средств, тем меньше нам надо будет ходить ногами и тем больше мы людей в итоге спасем. Буквально вчера я закончил поисковое мероприятие — мы нашли дементную бабушку с дрона, а ногами мы, скорее всего, не успели бы дойти, так как было ноль градусов. А недавно в Костромской области был трагический случай с двумя детьми. Финальную точку поставил опять дрон, с которого нашли артефакт, свидетельствующий о трагедии. Так что современные технологии нам очень нужны».

Эти обстоятельства вдохновили благотворительный фонд «Система», принадлежащий одноименной корпорации, на проведение масштабного технологического конкурса «Одиссея» продолжительностью полтора года и с призовым фондом 75 миллиона рублей. Его итогом должно стать готовое технологическое решение для поиска пропавших. По словам президента фонда Анны Янчевской, целью было привлечь технологии в благотворительный сектор, сам по себе очень консервативный.

• «В МЧС есть подразделение, занимающееся беспилотниками, иногда множество людей используют [через интернет] как нейросеть для определения людей на фотографиях, но, в общем, технологичного решения для поиска пропавших людей у нас пока нет», — констатирует Янчевская.

Конкурс начался в сентябре прошлого года. За это время было получено 130 заявок из 40 городов России — как от вузов, так и просто от объединений энтузиастов. Все это время команды общались с поисково-спасательным отрядами и доводили свои задумки до состояния работающих прототипов. Теперь, в конце апреля, настало время проверить их работу на полигоне и презентовать жюри. Лучшие проекты получат гранты на дальнейшую работу и пройдут на следующий этап — квалификационные соревнования в июне. Там будет распределена вторая часть грантового фонда – 24 миллиона рублей. Наконец,  прошедшие квалификацию попадут на финальные испытания осенью 2019 года — там нужно будет отыскать «заблудившегося» человека на участке леса 10 на 10 километров. Победитель, как надеются организаторы, доведет технологию до готового продукта, который будет востребован поисковиками и, может быть, начнет внедряться по всей России.

Конечно, команды предлагают решения на основе уже существующих технологий, но все же спасатели ждут от них чего-то отличающегося от «китайских коптеров», которыми они и так пользуются. Разработчики должны укладываться в заданные рамки: низкая цена (не много миллионов рублей), компактность (не размер и вес, как у грузовика) и способность искать человека без возможности связаться с ним или как-то отследить по носимому устройству (это обязательное условие конкурса).

Дроны и маяки

Технологий поиска людей не так много. Собственно, они сводятся к двум типам: беспилотные летательные аппараты — один или несколько сообщающихся между собой (рой) — и сигнальные маяки. Первые летают над местностью и пытаются обнаружить и снять заблудившегося человека на камеру, а затем передать его координаты спасателям. Вторые сбрасываются на местность и активно привлекают к себе внимание светом и звуком из расчета, что заблудившийся найдет их сам и сможет дать о себе знать с их помощью. Чтобы лучше узнать о возможных воплощениях этих технологий, я иду к палаткам, где участники готовятся к демонстрации своих изобретений «в поле».

Одна из команд готовит к запуску «Орлан-10». Это разработанный российским предприятием «Специальный технологический центр» многофункциональный беспилотник. Он предназначен для наблюдения за объектами в труднодоступной местности, в том числе при проведении поисковых и ремонтных работ. «Орлан» оснащен гиростабилизированной камерой, вращающейся на 360 градусов. Задача такого самолета —  обнаружить цель с помощью камеры и доложить ее координаты спасателям. Работает беспилотник на 95-м бензине и может летать 10 часов. Как бензопила, только самолет.

Основное нововведение, как объясняет участник команды Константин Мудрак, в использовании системы из двух таких самолетов. Только на втором вместо гиростабилизированной камеры установлен фотоаппарат, обычная видеокамера и тепловизор — с их помощью этот самолет будет делать первоначальный отбор данных.

• «Чтобы решить задачу наблюдения вне зависимости от влажности, тумана, осадков и тому подобного, необходимы высокочувствительные тепловизоры, — объясняет Константин. — Как раз сейчас пошло новое поколение: шаг пикселя 12 микрометров, разрешение 1024 на 668, реализован алгоритм локального контрастирования, при котором внутри одного поля зрения могут размещаться как очень горячие, так и очень холодные объекты. Иначе говоря, все теплые объекты будут фиксироваться в качестве цели».

Затем, по задумке команды, координаты целей, найденных тепловизором, будут передаваться на первый самолет для направления поля зрения его камеры. Он будет делать доразведку. Таким образом, многое зависит от источников тепла. Если человек сможет развести костер, его увидят быстрее. Но и одним тепловизором не обойтись.

• «Человека не всегда можно увидеть в тепловую камеру, — поясняет Константин. — Например, одежда поглощает тепло, и зимой будет видно только лицо и руки. Но и это нетривиальная  задача из-за недостаточного разрешения тепловых камер, которые не могут различить людей с расстояния более 200 метров. Поэтому такие задачи должна решать гиростабилизирующая камера, установленная на соответствующий беспилотный аппарат».

Технология выглядит неплохо, правда, один «Орлан-10» с камерой стоит порядка 7 миллионов, так что вряд ли его смогут позволить себе некоммерческие организации. Однако, пожалуй, МЧС могло бы и заинтересоваться такой технологией.

Другой вариант решения проблемы предлагает команда «Геодрон». В основе ее проекта «ГеоДрон» — коптер с гибридным двигателем. В качестве полезной нагрузки используется НАФА — ночной аэрофотоаппарат. По сути, это тоже инфракрасная камера, только с подсветкой, с помощью которой можно искать людей по ночам.

• «На расстоянии до 150 метров хорошо подсвечивает поверхность. И если кто-то находится в светоотражающей куртке, эти элементы  хорошо высвечиваются, — объясняет капитан команды Вячеслав Барбасов. — Можно применять ночью, а зимой темнота — это ⅔ всего времени».

Также, по задумке авторов «ГеоДрона», коптер должен быть оснащен импульсным светом интенсивностью в 10 000 люмен, иначе говоря мощным прожектором. Но пока есть только фотоаппарат с ИК-подсветкой. Планируется, что дрон будет фотографировать окрестности, летая над ними, затем прилетать к оператору, который достанет карту памяти и загрузит с нее фото в интернет, например, на «Яндекс.Диск». А затем люди со всего мира смогут просматривать эти снимки со своих компьютеров и искать на них людей.

В следующей палатке меня ожидает целый ящик со стильными черными коптерами от компании DJI  и какими-то запчастями, но здесь команда представляет не «партию дронов», как можно было бы подумать, а как раз «партию маяков». Дроны нужны, чтобы сбрасывать радиомаяки на местность.

• «Если мы получаем информацию, что в лесу заблудился человек, мы с помощью квадрокоптеров перевозим сигнальные маяки и можем любое необходимое количество разбросать по лесу. Такой маяк будет издавать звуковые и световые сигналы и тем самым привлекать к себе внимание. Заблудившийся человек наверняка, заметив такой маяк, захочет к нему подойти», — объясняет мне Стас Юрченко, инженер команды.

Кроме мигающих лампочек и сирены маяк оборудован кнопкой. Если человек найдет такой маяк и нажмет на кнопку, у оператора на планшете высветится сообщение о том, что маяк был активирован. Зная его координаты, найти человека не составит труда, объясняет мне другой участник команды, Вадим Мищенко. При этом каждый маяк стоит не очень дорого, потеря одного нежелательна, но не критична. После поиска их можно собрать, зная координаты каждого.

Поиски в лесу

И маяки, и беспилотные летательные аппараты имеют очевидные недостатки. Маяк человек может и не найти, если ушел от предполагаемой зоны поисков достаточно далеко. Главный же недостаток беспилотников и дронов — их способность летать только над деревьями. Если лес достаточно густой, с высоты ни одна камера не разглядит человека, бредущего под кронами. Самое очевидное решение, оно же самое сложное, — научить дрона летать между деревьями, причем без помощи оператора. Это решение одновременно может быть и самым эффективным, ведь оно имитирует технологию прочесывания местности людьми — основной способ для спасателей на сегодняшний день. И среди участников «Одиссеи» нашлась команда, которая попыталась выполнить такой трюк.

Эта команда под названием GoFPV уже тестирует свою систему на границе поля и леса, рядом с базой отдыха. Подойдя ближе, я слышу отдаленное жужжание коптера, невидимого за стволами елок. Рядом стоит спасатель и делает пометки об эффективности технологии в специальной анкете. Параллельно он перекидывается с участниками команды не всегда понятными репликами:

• — Понятно, это такой, тестовый полет.
• — Мы просто хотели нормально полетать, но вчера форс-мажор случился.
• — У нас зона поиска первая?
• — Да, зона 1.
• — Проверим оставшийся уровень заряда и продолжим прочесывать левую сторону.
• — Здесь расстояние должно быть не больше 100 метров, и они в принципе летят синхронно.
• — Да, синхронно, и задача нашей навигационной программы в том, чтобы их синхронизировать. Их может быть несколько. Допустим, человека распознали, кинули видеокадр. Он вот здесь вклеивается в видеопоток, передается постоянно. Есть второй дрон, он видит то же самое, тут же один канал, это многоканальная система. Соответственно, мы должны нагрузить этот канал информацией о найденном человеке. Эту картинку... на рабочей станции можно написать несложную программу, которая ее вырезает.
• — Это вообще некритично. Вопрос возник по синхронизации. Полет в лесу же.
• — Да, они летят медленнее, по GPS. Как это выглядит: у вас квадрат, соответственно, мы задаем миссию. У нас три аппарата. Они летят параллельным курсом, вот промежуточные точки, дальше они оперативно облетают... а над ними летит дрон, который с ними синхронизируется, они передают ему свои координаты. С них получает их координаты — он должен знать, где они, и не отлетать далеко. Мы его как бы подвешиваем над ними.
• — У него, грубо говоря, есть ограничение расстояния между ним и этими дронами?
• — Да, эта зона 100 метров.
• — Но нет такой синхронизации с ними? Он просто должен быть в зоне приема?
• — Да, в зоне доступности. И они должны координироваться, удерживать примерно 25 метров между собой, так как это зона эффективного распознавания.

Смысл этого таинственного диалога мне объясняет капитан команды Антон Чехов. Задумка состояла в том, чтобы научить дрона летать между деревьев, но сделать это можно только при помощи установленного в нем компьютера с нейросетью, которую нужно предварительно натренировать. Тренировка проходит на другом дроне, который используется только для этой цели. Это специальный, очень дорогой дрон, единственный такой в России, с камерами, расположенными по всему периметру устройства, способный снимать на 360 градусов, а также самостоятельно следовать за объектом съемки. Собственно, FPV означает first person view — вид от первого лица, то есть от камеры, которая установлена на коптере. Сам дрон-поисковик  намного проще.

• «Вот компьютер, там много ядер, которые выполняют параллельную обработку. Такого типа компьютеры используются для нейросетей, — поясняет Антон, показывая мне прототип «лесного дрона». — Там стоят алгоритмы, которые обеспечивают навигацию. А это камера, он использует ее для распознавания объектов».

«Вот компьютер, там много ядер, которые выполняют параллельную обработку. Такого типа компьютеры используются для нейросетей, — поясняет Антон, показывая мне прототип «лесного дрона». — Там стоят алгоритмы, которые обеспечивают навигацию. А это камера, он использует ее для распознавания объектов».

Распознав с помощью камеры и нейросети человека в лесу, коптер, по мысли авторов, отправит эти изображения и их координаты по радиоканалу на дрон-ретранслятор — это он будет лететь над другими дронами на расстоянии не больше 100 метров. Ретранслятор по аналоговому каналу передаст картинку оператору. Летать лесные дроны будут по заданной траектории с помощью технологии GPS, но оперативные задачи ориентирования и облета препятствий, как и задачу распознавания человека, будут решать самостоятельно, с помощью бортового компьютера.

• «Наше решение — единственное на данном мероприятии, — говорит участник GoFPV Кирилл Щукин. — Правда, дрон еще не до конца доработан. Главная задача — оптимизировать траекторию полета и уклонение от препятствий и снизить его энергопотребление, чтобы он летел дольше и дальше. Мы находимся на второй итерации, то есть дрон уже летает внутри леса, но мы пока дописываем программы навигации».

«Наше решение — единственное на данном мероприятии, — говорит участник GoFPV Кирилл Щукин. — Правда, дрон еще не до конца доработан. Главная задача — оптимизировать траекторию полета и уклонение от препятствий и снизить его энергопотребление, чтобы он летел дольше и дальше. Мы находимся на второй итерации, то есть дрон уже летает внутри леса, но мы пока дописываем программы навигации».

Вообще, команда занимается коммерческими гонками на дронах, в ее составе есть и инженер, и специалист по нейросетям. Они, по их собственным словам, могут собрать «любую летательную хрень» — хоть летающее такси, хоть метлу с бабой ягой — все на основании мультироторных систем. Дрона-поисковика создают в исследовательских целях.

По звуку шагов

Параллельно с демонстрацией полетов весь день идет питчинговая сессия: команды презентуют свои проекты жюри, в числе которых представители фонда «Система», «Сбербанка», «Кронштадт Аэро» и поискового отряда «Лиза Алерт» в надежде убедить их, что эти технологии точно стоят гранта. Тут и дроны — поодиночке и роями, и беспилотники, и поисковые радиомаяки в разных модификацях, и аэростаты — для ведения все той же съемки местности с воздуха. Пожалуй, оригинальностью отличается только проект команды «Динамика» — «Индикатор заблудившегося»: это не летательные аппараты и не маяки, а сейсмодатчики, которые детектируют человека по вибрациям, вызванным его шагами.

• «Прибор ставится у точки входа в лес. Оператор ждет, пока он поймает сигнал. Сейсмодатчики детектируют человека, который ходит по лесу и топает. После этого на экране прибора светодиодами отображается направление, которому и должен следовать оператор, — поясняет капитан команды Илья Балакаев. — Дальше человек просто следует в направлении, которое указывает прибор. Снова устанавливает его на землю, ждет две-три минуты, пока прибор снова обнаружит шаги человека. И так постепенно продвигается».

«Прибор ставится у точки входа в лес. Оператор ждет, пока он поймает сигнал. Сейсмодатчики детектируют человека, который ходит по лесу и топает. После этого на экране прибора светодиодами отображается направление, которому и должен следовать оператор, — поясняет капитан команды Илья Балакаев. — Дальше человек просто следует в направлении, которое указывает прибор. Снова устанавливает его на землю, ждет две-три минуты, пока прибор снова обнаружит шаги человека. И так постепенно продвигается».

Прототип весит всего два килограмма и не требует специальных знаний для работы. При этом он уже успел продемонстрировать свою эффективность: на предварительных испытаниях нашел человека за 15 минут. Финальная стоимость сейсмодетектора — всего 7—10 тысяч рублей, что вполне по силам некоммерческим организациям. Конечно, встает вопрос, как отличить шаги старушки от поступи кабана, но, как уверяет Балакаев, прибор способен отличать по частоте шагов человека от животного. Если рядом проедет автомобиль, то и его можно будет отличить. Правда, пока человек не ходит, прибор его и не услышат, разумеется.

Некоторые опрошенные мной участники конкурса настроены к конкурентам скептично. Например, по мнению Виталия Хмелева из Томска, беспилотные летательные аппараты в поиске людей бесполезны и могут применяться лишь как часть комплексного решения.

— Беспилотники, находящиеся над кроной, не видят, что находится под ней, это во-первых — говорит Хмелев. — А вторая проблема состоит в очень большом количестве снимаемого материала. В нашей команде есть люди, которые работают с беспилотниками. Так вот, любая из камер, которая на них установлена, имеет свои ограничения. С тепловизионной камеры вы не можете снимать в туман и днем, потому что нет достаточного контраста, а с оптической камеры вы не можете снимать ночью, так как ничего не видно. Но такие технологии могут находить людей на большой открытой местности. То есть поисковики могут перемещаться внутри леса, а с беспилотниками — закрывать поля. В поле, кстати, людей в камуфляже тоже не видно. Но все равно в этом применении беспилотники хороши. Если же это спасательное средство поиска, то все как раз плохо.

Сам Хмелев представлял решение с маяками, у которого, по его словам, есть гигантский минус: людям, которые не могут двигаться, такой маяк не поможет. Если человек обессилен, он может слышать маяк или даже видеть, но не сможет его достать. В ходе питчинговой сессии другой команды с аналогичным проектом обнаружилась и еще одна проблема: зимой маяк может утонуть в снегу и его будет не видно. Если же к нему прицепить, например, яркую ленту, он может зацепиться и повиснуть на ветке дерева и его будет не достать.

По мнению Хмелева, на весь конкурс нужно смотреть как на подбор комплексного решения:  в каждой из разновидностей технологий найти сильный проект и как-то их соединить.

В то же время сейсмический поиск, по его мнению, очень перспективен. Низкочастотный шум шагов можно услышать на большом расстоянии, а спутать с шагами зверей шаги людей нельзя.

— Если вы посмотрите патентный поиск, то удивитесь, что большинство радиослужб мира идентифицирует людей на большом расстоянии не по снимкам, а по частоте шагов. Они у вас практически как отпечатки пальцев. Так что отличить сигнал животного с четырьмя ногами от человека с двумя ногами и разной длиной ног не составит труда — нужен лишь хороший сигнал. Это как раз новое решение, все остальные — доработка уже имеющихся,  хотя это не хорошо и не плохо, — считает Хмелев.

В целом участники согласны, что дрон, способный летать между деревьями, и сейсмопоиск, пожалуй, самые эффективные из представленных сегодня технологий. Хотя и то и другое в основе своей, конечно, не ново, и новшество касается лишь доработки алгоритмической части — чтобы аппарат лучше принимал сигнал или ориентировался на местности.

Но, к сожалению, команда «Динамика» со своим сейсмодатчиком в следующий тур не проходит. Жюри отдает предпочтение беспилотникам и в итоге присуждает грант команде GoFPV и еще шести командам, представившим разные модификации самолетов, дронов и конвертопланов, оснащенных камерами для высматривания заблудившихся людей. Эти команды займутся доработкой изобретений и продемонстрируют их новые возможности уже в июне.

 Евгения Щербина