Система автоматизованого моніторингу викидів тепла і виявлення потенційно небезпечних пожеж
Застосування системи моніторингу наявності пожеж з використанням БПЛА та тепловізійних камер є важливим кроком у розв’язанні проблеми лісових пожеж. Шляхи досягнення успішних результатів у візуалізації тепловізійних зображень, сегментації і розпізнавання.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | статья |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 24.07.2024 |
| Размер файла | 1,0 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Система автоматизованого моніторингу викидів тепла і виявлення потенційно небезпечних пожеж
Ткачук Д.Ю., Державний університет «Житомирська політехніка»
Ткачук А.Г., Державний університет «Житомирська політехніка»
Кравчук А.Р., Державний університет «Житомирська політехніка»
Вступ
Ліси - це неоціненний природний ресурс, а лісові пожежі є серйозною загрозою для природних екосистем та безпеки людей. Пожежі можуть виникати від природних причин, а також в результаті ненавмисного або навмисного підпалювання. Швидке виявлення та прибуття на місце призначення рятувальних бригад може зберегти тисячі гектарів лісів, життя людей та диких тварин.
В Українському гідрометеорологічному інституті ДСНС України та НАН України розроблено інформаційно-аналітичну систему автоматизованого моніторингу викидів тепла і виявлення потенційно небезпечних пожеж на території України. Система працює на основі даних, зібраних штучними супутниками Землі, які знаходяться на геостаціонарній орбіті. Орієнтовно щогодини система формує оперативні повідомлення про виявлені нові теплові аномалії (ділянки поверхні з температурою, суттєво вищою за номінальну) [1].
Проте сьогодні однією із перспективних інновацій у вирішенні даної проблеми є система моніторингу викидів тепла і виявлення потенційно небезпечних пожеж за допомогою безпілотних літальних апаратів (БПЛА) з використанням тепловізійних камер. Ця передова технологія дозволяє реєструвати теплові сигнатури об'єктів та навколишнього середовища, а також забезпечує постійний контроль над територіями, які є проблемними для класичних методів спостереження, адже БПЛА можуть проникати в труднодоступні місця та літати на великій висоті, а також працювати в умовах обмеженої видимості або небезпечних зон, що робить їх ефективним інструментом для моніторингу великих областей.
Окрім того, така система спостереження є ефективним інструментом для збирання даних та аналізу стану лісових угідь. Зібрана інформація може використовуватись для прогнозування ризиків пожежі, управління ресурсами та вдосконалення стратегій запобігання лісовим пожежам.
Виклад основного матеріалу
Для забезпечення ефективного функціонування системи моніторингу пожеж на базі БПЛА впливають різноманітні фактори, один з яких тип його конструкції. БПЛА для системи моніторингу пожеж повинен мати достатній радіус дії зв'язку з пультом керування та час польоту, а сама конструкція вплине на тип польоту та маневреність пристрою у лісових масивах, що є важливим критерієм моніторингу. За принципом польоту всі БПЛА можна розділити на 5 груп: з твердим крилом (БПЛА літакового типу), з гнучким крилом, з обертовим крилом (БПЛА вертолітного типу), з махаючим крилом та аеростатичного типу. Крім БПЛА перелічених п'яти груп існують також різні гібридні підкласи апаратів, які за їх принципом польоту важко однозначно віднести до будь-якої з перерахованих груп [2].
Виконавши аналіз особливостей польоту всіх груп БПЛА, було обрано апарати з обертовим крилом. Очевидними перевагами даного типу конструкції є здатність зависання в точці та висока маневреність. Даний тип конструкції називають мультикоптери.
Мультикоптерний БПЛА складається [3] з: рами, безщіткових двигунів, модулів регуляторів швидкості (ESC), контролю польоту, системи навігації та модуля прийому/передачі сигналу (рис.1).
Рис. 1. Мультикоптерний БПЛА
Обрано наступні базові елементи для розроблюваного БПЛА, а саме: рама, двигуни, регулятори швидкості та акумулятор. Рама виготовлена на основі корпусу моделі DJI F450 Flamewheel. Використовувані двигуни 980 кВ з максимальним струмом 17,2А при напрузі 11,1В під статичним навантаженням. Двигуни здатні забезпечити 960 г тяги при максимальній швидкості обертанні двигуна. Джерелом живлення компонентів БПЛА є літій-полімерний (LiPo) акумулятор , що видає напругу 11,1 В.
В БПЛА також існує ряд принципових особливостей для функціонування навігації та автопілоту, наприклад, автопілот повинен бути з відкритим кодом доступу та сумісним з ROS. Телеметричний зв'язок використовується для передачі даних між наземною станцією і БПЛА [4]. Наземна станція перетворює отримані дані на інформацію про положення та орієнтацію в просторі БПЛА, яка надсилається на ПІД-регулятор для стабілізації положення. Команди управління передаються до автопілоту, який управляє швидкістю обертання моторів БПЛА.
Бортове обладнання БПЛА включає глобальну навігаційну супутникову систему (ГНСС), яка дозволяє здійснювати навігацію і забезпечувати роботу вимірювальної систему. БПЛА для зовнішньої навігації оснащена GPS.
Сучасні БПЛА використовують різноманітні датчики [5], які дозволяють БПЛА сприймати навколишнє середовище. Кількість та типи датчиків, вбудованих в безпілотники, тісно пов'язана з можливостями корисного навантаження та тривалістю роботи акумулятора. За допомогою вбудованих датчиків на БРЛА його можна перетворити у віддалену мобільну вимірювальну систему.
Зважаючи на те, що розроблювальна система БПЛА буде використовуватися для моніторингу лісних пожеж, пропонується використання системи газоаналізу [6]. Газоаналізатор здатний виявляти небезпечні гази, що утворюються під час пожежі, такі як оксиди вуглецю, оксиди азоту та інші.
Науковцями Державного університету «Житомирська політехніка» спільно із закордонними партнерами розроблено систему автоматизованого моніторингу викидів тепла і виявлення потенційно небезпечних пожеж (рис. 2) [10-11].
Розроблено модель класичного чотирипроменевого БПЛА на основі рами DJI F450 (рис.2.). Ключовою перевагою даної рами є можливість встановлення на неї різного додаткового обладнання.
Рис. 2. Рама DJI F450
Апаратна частини розроблювального БПЛА також включає в себе регулятор ходу - HobbyWing Platinum Pro 30A 2S-6S Opto (рис.3.), що використовується для контролю швидкості електродвигуна.
Рис. 3.
HobbyWing Platinum Pro 30A
2S-6S Opto (Регулятор ходу)
Рис.4. Акумулятор Turnigy Heavy Duty 5000 мАг 3S1P 60C
Рис. 5. SunnySky X2212 KV980 II
Акумулятори, які використовуються в безпілотниках, наразі майже всі LiPo (літій-полімерні). Отже, було обрано акумулятор Turnigy Heavy Duty 5000 мАг 3S1P 60C (рис.4.), адже він має досить високу ємність, розрядку та потужність.
Двигун SunnySky на пряму впливає на максимальну вантажопідйомність, що може забезпечити БПЛА та тривалість самого польоту. Обрано двигун SunnySky X2212 KV980 II, що зображено на рис.5.
Контролер польоту Pixhawk (рис.6.) - є новною та вдосконаленою системою автопілоту на основі проекту з відкритим кодом PX4, що було розроблено компанією 3D Robotics. Основними плюсами даної системи є швидкий, ефективний 32-розрядний процесор і датчики компанії ST Microelectronics. Система NuttX (система реального часу) дає високу продуктивність, надійність та гнучкість у керуванні.
Рис. 6. Контролер польоту Рис. 7. Пульт управління
Управління здійснюється за допомогою пульта радіокерування 10kRadiolink AT9S (рис.7.) з приймачем R9DS. Він має змогу підтримувати передачу до 10 каналів. Також має велику дистанцію для керування БПЛА - це приблизно 2 км.
Тепловізійна камера FLIR Vue Pro [7] підтримує об'єктиви з різною фокусною відстанню. Також даний прилад підтримує функцію MAVLink, яка дозволяє камері додавати інформацію про положення і орієнтацію до кожного зображення, що зберігається на внутрішній SD-карті.
Рис. 8. Камера FLIR
Напівпровідникові каталітичні датчики серії MQ [11], а саме: MQ-5, MQ-7 і MQ-9; було обрано через можливість підключення до різних пристроїв, (рис.9.).
Рис. 9. Датчики MQ-5, MQ-7 таMQ-9
Для розробки конструкції було використано програмний продукт SolidWorks (рис.10.). Дане середовище дозволяє створювати високоякісні та деталізовані моделі з урахуванням всіх необхідних параметрів. Завдяки інтеграції з різноманітними інженерними розрахунками та аналізом, можна оцінити міцність, надійність та динамічні характеристики розроблювального БПЛА перед його фізичною реалізацією.
Рис. 10. 3D модель БПЛА: а - ізометрія, б - вигляд знизу
Принцип роботи розроблювальної автоматизованої системи зображено у вигляді функціональної схеми на рис.11.
Центр моніторингу та управління відіграє ключову роль у роботі системи. Перш за все, з цього центру задається маршрут польоту БПЛА, який дозволяє оптимально покрити велику територію лісового масиву. Використовуючи тепловізійну камеру БПЛА здійснює моніторинг території з метою виявлення вогню або ділянок з критично високою температурою. Система обладнана трьома газоаналізаторами (датчиками газу), що дозволяють вимірювати наявність газів оксид вуглецю та оксид азоту і оцінювати їх концентрацію. Якщо під час польоту БПЛА система моніторингу пожеж виявляє дим, підвищену температуру на поверхі або високу концентрацію газів, тоді система за алгоритмом активує сигналізацію та дозволяє проінформувати персонал про небезпеку та негайно вжити заходів для ліквідації пожежі.
На рис.12. представлена структурна схема системи автоматизованого моніторингу викидів тепла і виявлення потенційно небезпечних пожеж на базі БПЛА. У блоці вимірювань, що розміщується на БПЛА, проводиться аналіз зображення, отриманого з тепловізора та датчиків газу, дані обробляються бортовим комп'ютером та передаються за допомогою бездротового з'єднання на стаціонарний комп'ютер оператора, де проводиться подальший аналіз отриманої інформації.
Рис. 11. Функціональна схема системи автоматизованого моніторингу викидів тепла і виявлення потенційно небезпечних пожеж
Рис. 12. Структурна схема системи автоматизованого моніторингу викидів тепла і виявлення потенційно небезпечних пожеж
Особливістю експлуатації системи моніторингу пожеж на базі БПЛА є виконання чинних нормативно-правових актів з авіаційної безпеки, що обмежують їх використання в комерційних, дослідницьких та приватних застосуваннях [8, 9]. Наприклад, в більшості країн вимагається, щоб БПЛА керувався сертифікованим оператором. Система моніторингу виявлення пожеж на базі БПЛА передбачає автоматизовану роботу під спостереженням кваліфікованого персоналу.
Під час візуалізації даних, отриманих за допомогою тепловізійних зображень, необхідно виконувати попередню обробку, а саме: реєстрація; покращення зображення; порогова обробка (бінарізація та покращення гістограми); морфологічна обробка; сегментація; розпізнавання. Ці етапи допомагають використовувати тепловізійні зображення для здійснення аналізу та виявлення пожеж, розпізнавання об'єктів або діагностики інших процесів з високою точністю та ефективністю.
Розглянемо питання побудови систем цифрового зв'язку (БПЛА) передачі високошвидкісної інформації на великі відстані. Основні проблемами на шляху створення систем зв'язку дальньої дії є: забезпечення радіовидимості між БПЛА та наземним комплексом управління (НКУ) та компенсація великого загасання сигналу на трасі.
Пряма видимість між БПЛА та наземним комплексом управління може бути досягнута за рахунок збільшення висоти польоту БПЛА та збільшенням висоти підйому наземної антени. Передача інформації з високою швидкістю на відстані понад 300 км можлива з використанням ретрансляційного обладнання, супутникових систем зв'язку, стаціонарних систем передачі інформації. Для компенсації великого згасання сигналу на трасі можуть бути вжиті такі заходи як: збільшення вихідної потужності передавача та збільшення коефіцієнтів посилення антенного устаткування.
Як правило, на борту БПЛА розміщуються не менше двох систем зв'язку: дуплексна/напівдуплексна апаратура передачі командно-телеметричної інформації та симплексна система передачі інформації корисного навантаження. Апаратура передачі командно-телеметричної інформації призначена для низькошвидкісної передачі командної інформації з НКУ на борт БПЛА та низькошвидкісної передачі телеметричної інформації з борту БПЛА на НКУ.
Апаратура передачі корисного навантаження призначена для односторонньої високошвидкісної передачі корисного навантаження з борту БПЛА на НКУ. автоматизований моніторинг лісова пожежа
Найчастіше використовуваний вид зв'язку для передачі команд і телеметрії між БПЛА та НКУ - це прямий зв'язок безпосередньо між ними. Цей зв'язок дозволяє передавати дані з великою швидкістю, недосяжною для супутникових систем, і не залежить від стаціонарних цивільних систем зв'язку. Однак обмеженням є відстань радіовидимості між БПЛА та НКУ. Для підвищення дальності роботи системи зв'язку необхідно збільшувати висоту польоту БПЛА та використовувати щоглові споруди для антени НКУ.
Велика відстань між БПЛА та НКУ призводить до загасання сигналу. Це компенсується підвищенням вихідної потужності сигналу передавачів та використанням потужних антенних систем.
Для передачі інформації з високою швидкістю (десятки та сотні Мбіт/сек) потрібні діапазони частот вище 1 ГГц. Щоб компенсувати велике згасання сигналу в цих діапазонах, використовують параболічні антени великого діаметра. Пересувні комплекси управління БПЛА мають опорно-поворотні пристрої з параболічними антенами діаметром від 1 до 3 м, а стаціонарні станції управління можуть мати антени більшого діаметра.
Для забезпечення стабільності каналу зв'язку при великому згасанні сигналу на трасі необхідно використовувати спрямовані антени на борту БПЛА. Це може бути досягнуто декількома способами: Використання багатоелементної антенної решітки з керованою діаграмою спрямованості; використання декількох антен, що перемикаються; встановлення антени на опорно-поворотному пристрої.
Оцінивши кожен із варіантів було з'ясовано, що оптимальним є використання опорно-поворотної платформи, на якій розміщується все приймальне обладнання.
Орієнтація поворотної платформи у просторі має здійснюватися за сигналами від автопілота, який безперервно обчислює вектор спрямування на НКУ. Для підвищення ефективності антенного обладнання на поворотній платформі необхідно використовувати антени з круговою поляризацією та збільшувати їхню апертуру за рахунок створення антенних решіток у горизонтальній площині. Звуження діаграми спрямованості у горизонтальній площині дозволить підвищити коефіцієнт посилення антени при постійній ширині діаграми спрямованості у вертикальній площині, що гарантує можливість наведення антени за будь- яких допустимих кутів польоту БПЛА.
Висновок
Застосування системи моніторингу наявності пожеж з використанням БПЛА та тепловізійних камер є важливим кроком у розв'язанні проблеми лісових пожеж. Для досягнення успішних результатів у візуалізації тепловізійних зображень необхідно виконувати попередню обробку даних, включаючи реєстрацію, покращення зображення, бінарізацію, морфологічну обробку, сегментацію та розпізнавання. Ці кроки допомагають ефективно виділити об'єкти та простежити їх рух для вчасного виявлення пожеж.
Така система моніторингу та управління має потенціал значно знизити ризики лісових пожеж, забезпечити оперативну реакцію рятувальних бригад та зберегти природні ресурси. Інноваційний підхід, який поєднує сучасні технології БПЛА, тепловізійними камерами та газоаналізаторами, відкриває нові можливості для ефективного контролю та управління природними катастрофами. Отже, розробка та впровадження таких систем мають великий потенціал для збереження лісових екосистем та покращення безпеки людей.
Список використаних джерел:
1. В Українському гідрометеорологічному інституті ДСНС України та НАН України створено систему моніторингу пожеж на території України [Електронний ресурс] - Режим доступу: https://uhmi.org.ua/msg/systema_monitoryngy/
2. Класифікація дронів [Електронний ресурс] - Режим доступу: https://avtovsamare.ru/uk/klassifikaciya-i-vidy-bespilotnyh- letatelnyh-apparatov-bespilotnye/
3. Daponte, P., De Vito, L., Mazzilli, G., Picariello, F., Rapuano, S., & Riccio, M. (2015, June). Metrology for drone and drone for metrology: Measurement systems on small civilian drones. In Metrology for Aerospace (MetroAeroSpace), 2015 IEEE (pp. 306-311). IEEE.
4. Kersnovski, T., Gonzalez, F., & Morton, K. (2017, March). A UAV system for autonomous target detection and gas sensing. In Aerospace Conference, 2017 IEEE (pp. 1-12). IEEE.
5. K. P.Valavanis, G. J.Vachtsevanos, “Sensors and sensing strategies: introduction”, Handbook of Unmanned Aerial Vehicles, Valavanis, P.Kimon, J.George, Vachtsevanos, Springer, pp. 383-384, 2014
6. Toxic Gas Sensor (Model : MQ-7) Manual [Електронний ресурс] - Режим доступу: https://cdn.sparkfun.com/datasheets/ Sensors/Biometric/MQ7%20Ver1.3%20-%20Manual.pdf
7. FLIR Vue Pro [Електронний ресурс] - Режим доступу: https://www.flir.com/products/vue-pro?vertical=suas&segment=oem
8. Melnyk, R.; Schrage, D.; Volovoi, V.; Jimenez, H. Sense and avoid requirements for unmanned aircraft systems using a target level of safety approach. Risk Anal. 2014, 34, 1894-1906.
9. Smith, K.W. Drone technology: Benefits, risks, and legal considerations. Seattle J. Environ. Law 2015, 5, 12.
10. Коваль А.В., Ткачук А.Г., Гриневич М.С., Коваль Т.Л. Мобільна бездротова система для аналізу якості повітря.
Вісник Хмельницького національного університету. Технічні науки. 2019. 6(279). С. 50-62.
11. Ткачук А.Г., Коваль А.В., Гуменюк А.А., Крижанівська І.В., Левчук В.О. Експериментальні дослідження автоматизованої системи моніторингу наявності шкідливих та вибухонебезпечних газів на базі БпЛА. Науковий журнал «Технічна інженерія». 2021. № 2(88). С. 55-62.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Розробка схем розпізнавання бінарних та напівтонових зображень, електро-функціонального блоку керування, аналізатора симетричності та алгоритму блока первинного центрування з метою оптимізації пристрою керування для системи ідентифікації зображень.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 19.01.2010Характеристика моніторингу, як системи спостереження і контролю навколишнього середовища. Аналіз автоматизованої системи контролю радіаційної обстановки та спектрометричного посту контролю. Особливості вимірювальних перетворювачів температури і вологості.
курсовая работа [210,9 K], добавлен 06.03.2010Вимога однорідності вибірки, тобто приналежність усіх членів до однієї генеральної сукупності. Попередній перегляд результатів спостережень. Використовування статистичних критеріїв для виявлення грубих результатів вимірювань. Варіаційний ряд результатів.
учебное пособие [150,6 K], добавлен 14.01.2009Ручне та автоматизоване використання електронно-обчислювальних машин у процесі проектування на сучасному етапі. Система крізного автоматизованого проектування, її сутність, оцінка переваг та особливості застосування, комплекс засобів даної системи.
реферат [13,5 K], добавлен 05.01.2011Характеристика системи відеоспостереження замкнутого типу для банку з віддаленими від центрального офісу відділеннями. Основні вимоги до відеоспостереження в банку. Проектування кабельної системи. Розрахунок декоративних коробів і їх аксесуарів.
дипломная работа [576,7 K], добавлен 24.01.2014Сутність і шляхи оптимізації мережевого аналізу. Загальна характеристика основних шляхів підвищення ефективності роботи будь-якої транспортної інфокомунікаційної мережі. Аналіз критеріїв ефективності роботи та інструментів моніторингу комп'ютерної мережі.
реферат [41,8 K], добавлен 20.11.2010Особливості мережі зв’язку; проектування автоматизованої системи: вибір глобального показника якості, ефективності; визначення структури мережі і числових значень параметрів. Етапи проектування технічних систем, застосування математичних методів.
реферат [58,6 K], добавлен 13.02.2011Визначення залежності від часу закону руху у випадку неавтономної системи. Дослідження поведінки функції Понтрягіна в режимі оптимального керування та оптимальної швидкодії. Застосування умов трансверсальності для розв'язку задач із рухомими кінцями.
реферат [73,2 K], добавлен 04.12.2010Методи і засоби вводу інформації в автоматизовану систему обробки зображень. Огляд механізмів сканування та цифрових камер. Розробка і опис структурної схеми пристрою фотовводу інформації в АСОЗ. Розробка і опис алгоритму роботи пристрою фотовводу.
дипломная работа [55,6 K], добавлен 30.01.2011Мета і методи аналізу й автоматичної обробки зображень. Сигнали, простори сигналів і системи. Гармонійне коливання, як приклад найпростішого періодичного сигналу. Імпульсний відгук і постановка задачі про згортку. Поняття одновимірного перетворення Фур'є.
реферат [1,4 M], добавлен 08.02.2011
