UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO Luka Hrastnik ODDALJEN NADZOR Z BREZPILOTNIM ZRAČNIM PLOVILOM Diplomsko delo Maribor, september 2014
ODDALJEN NADZOR Z BREZPILOTNIM ZRAČNIM PLOVILOM Diplomsko delo Študent: Študijski program: Smer: Mentor: Lektorica: Luka Hrastnik VS Informatika in tehnologije komuniciranja Sistemska podpora informatiki in tehnologijam komuniciranja Doc. dr. Domen Verber, univ. dipl. inž. rač. in inf. Darinka Bizjak, univ. dipl. bibliotekarka in prof. slovenskega jezika
II
ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju, doc. Dr. Domnu Verberju, za usmerjanje ter strokovno pomoč pri pisanju diplomskga dela. Hvala prijateljem za spodbujanje in pomoč pri pisanju diplomskega dela. Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili študij. III
Ključne besede: Oddaljen nadzor, leteče plovilo, brezpilotno leteče plovilo, radijsko vodenje UDK: 623.465.5:629.735.35(043.2) Povzetek V diplomskem delu sem teoretično in praktično preučil, kakšne so možnosti uporabe brezpilotnih letečih naprav za zbiranje informacij ter oddaljen nadzor. V prvem delu diplomskega dela sem opredelil brezpilotne naprave ter njihov pomen in uporabo. V drugem delu sem opisal izdelavo brezpilotne naprave ter na koncu njeno testiranje in ugotovitve. Za testiranje in izdelavo sem si izbral napravo quadcopter, saj mi je le-ta omogočala vse potrebne funkcije za dostopno ceno. Po koncu testiranj sem prišel do ugotovitve, da so brezpilotne leteče naprave izredno praktične in bodo zato hitro postale nepogrešljiv del v veliko različnih organizacijah. IV
Remote surveillance with unmanned aerial vehicle Key words: Remote surveillance, flying vehicle, drone, radio control UDK: 623.465.5:629.735.35(043.2) Abstract In this diploma paper I examined theoretically and practically what are the possibilities of using unmanned flying devices to collect information and remote monitoring. In the first part of the diploma paper I have identified unmanned devices and their importance and use. In the second part, I describe the making of unmanned devices, and at the end of its testing and findings. For testing and making I chose the device quadcopter, because it allows all the necessary features for an affordable price. At the end of testing I came to the conclusion that the unmanned flying devices are extremely practical and will quickly become an indispensable part of many different organizations. V
Kazalo 1 Uvod... 12 2 Brezpilotne leteče naprave... 14 2.1 Zgodovina... 14 2.2 Delitev... 16 2.2.1 Teža... 16 2.2.2 Vzdržljivost ter domet... 17 2.2.3 Tip motorja... 17 2.2.4 Način vzleta... 18 3 Uporaba BLN ter preučitev potencialnih uporabnikov... 19 3.1 Zaznavanje na daljavo... 19 3.2 Komercialni zračni nadzor... 20 3.3 Reklamna video in filmska produkcija... 20 3.4 Športi... 20 3.5 Gasilci... 21 3.6 Reševalci... 22 3.7 Reševanje v naravnih nesrečah... 25 3.8 Vojska... 25 3.9 Policija... 26 3.10 Nadzor plinovodov naftovodov ter električnih vodnikov... 27 3.11 Raziskovanje in arheologija... 28 3.12 Potencialne možnosti v prihodnosti... 29 4 Zemeljska postaja... 31 4.1 Programska oprema... 32 4.2 APM Mission planer... 32 4.3 OpenPilot GCS... 34 4.4 Andropilot... 35 4.5 Primer uporabe akcije ''točka interesa''... 36 5 Izbira brezpilotne leteče naprave... 38 VI
5.1 Že obstoječe rešitve... 39 5.2 Izbira... 44 6 Izdelava brezpilotne naprave ter zemeljske postaje... 46 6.1 Izbira komponent... 47 6.1.1 Motorji... 48 6.1.2 Regulatorji vrtljajev... 48 6.1.3 Propelerji... 49 6.1.4 Krmilnik letenja... 49 6.1.5 Baterija... 50 6.1.6 Okvir... 51 6.1.7 Kamera... 52 6.1.8 Video oddajnik ter sprejemnik in frekvence... 52 6.1.9 Antene... 54 6.1.10 Zemeljska postaja... 58 6.2 Izgradnja BLN... 59 6.2.1 Prototip... 59 6.2.2 Končna verzija... 61 6.3 Vzpostavitev video povezave... 62 6.4 Podrobna analiza oddaljenega nadzora... 64 7 Testiranje delovanja naprave... 66 8 SKLEP... 69 Viri in literatura... 71 VII
Kazalo slik Slika 2.1: Brezpilotna leteča naprava iz prve svetovne vojne, ki jo je ustvaril Archibald Low v letu 1916... 15 Slika 3.1: Brezpilotna naprava quadcopter, opremljena s termalno kamero... 22 Slika 3.2: Primer pogleda skozi termalno kamero na dve osebi v popolni temi... 24 Slika 3.3: Brezpilotna naprava, izdelana v policijske namene... 26 Slika 3.4: Izdelan 3D model reliefa najdišča, posnetega s pomočjo brezpilotne naprave.. 29 Slika 4.1: Diagram delovanja zemeljske postaje... 31 Slika 4.2: Prikaz pokaži in izberi načina določanja točk letenja... 33 Slika 4.3: Pogled na namizje med letom v OpenPilot GCS... 34 Slika 4.4: Nadzor BLN s pomočjo aplikacije Andropiot... 35 Slika 4.5: APM Mission planer ROI funkcija... 36 Slika 4.6: OpenPilot GCS POI funkcija... 37 Slika 4.7: Andropilo ''circle around'' funkcija... 37 Slika 5.1: DJI Phantom 2... 39 Slika 5.2: MD4-1000 quadcopter... 40 Slika 5.3: Hexacopter T810... 41 Slika 5.4: Skywalker letalo... 42 Slika 5.5: Zephyr leteče krilo... 43 Slika 6.1: ReadyMadeRC video sprejemnik... 52 Slika 6.2: Standardna dipol antena... 55 Slika 6.3: Skew planar sprejemniška antena... 55 Slika 6.4: Cloverleaf oddajniška antena... 56 Slika 6.5: Smer gibanja linearno polariziranih radijskih valov... 57 Slika 6.6: Smer gibanja krožno polariziranjih radijskih valov... 57 Slika 6.7: Rezultat odbitega signala na sprejemniku... 58 Slika 6.8: Zemeljska postaja z vso opremo... 59 Slika 6.9: Izdelan okvir prvega prototipa... 60 Slika 6.10: Izdelan okvir drugega prototipa... 60 Slika 6.11: Izdelan prototip, pripravljen za testiranje... 61 VIII
Slika 6.12: Nameščanje komponent na končno verzijo BLN... 62 Slika 6.13: 1.3 Ghz video oddajnik... 63 Slika 6.14: Dokončana BLN, pripravljena na testiranje... 64 Slika 7.1: Testiranje časa letenja... 68 IX
Kazalo Tabel Tabela 5.1: Primerjava že obstoječih rešitev... 44 Tabela 6.1: Komponente za izgradnjo BLN... 47 X
Kazalo kratic GPS Globalni sistem pozicioniranja BLN Brezpilotna leteča naprava ZDA Združene države Amerike LIDAR Zaznavanje in določevanje svetlobe (angl. Light Detection and Ranging) RTH Vrnitev domov (angl. Return to home) UHF Ultra visoka frekvenca RC Radijsko vodenje CNC Računalniško voden stroj HD Visoka ločljivost CCD Naprava z svetlobno občutljivim detektorjem (angl. Charge Coupled Device) LCD Zaslon s tekočimi kristali GSC Zemeljska kontrolna postaja (angl. Ground control station) POI Točka interesa (angl. Point of interes) ROI Regija interesa (angl. Region of interes) XI
1 UVOD V današnjem času se različne organizacije vsakodnevno spopadajo z življenjsko nevarnimi situacijami, ki lahko brez hitrih in natančnih informacij s terena pomenijo veliko nevarnost za človeka. Z ogromnim napredkom brezpilotne tehnologije v zadnjih letih je postalo takšno pridobivanje informacij vse bolj dostopno tudi organizacijam izven vojaškega okolja. Z uporabo takšne tehnologije pa se odpira možnost vse manjšega izpostavljanja nevarnostim, ki bi jih lahko srečali na veliko različnih področjih. Brezpilotna leteča plovila so postala oziroma bi lahko postala, vsakodnevno uporabljana tehnologija med policisti, reševalci, gasilci ter različnimi raziskovalci. Ker je tehnologija brezpilotnih letečih plovil napredovala izredno hitro, je postala tudi cenovno dostopnejša, kar je bilo pred tem ena izmed glavnih ovir pri izbiri takšne tehnologije v civilnih organizacijah z omejenim proračunom. Brezpilotne leteče naprave so se razvile v ogromno različnih oblikah, od letal do helikopterjev, ter prav tako do helikopterjev z večjimi fiksnimi rotorji, ki jim pravimo ''multirotor'' naprave. Takšne naprave se pojavljajo s štirimi rotorji, ki jim pravimo ''quadcopterji'', s šestimi rotorji, ki jim pravimo ''hexacopterji'' ter z osmimi rotorji, ki jim pravimo ''octocopterji''. Prednosti teh naprav so velika okretnost, natančnost ter stabilnost v zraku. Možnost lebdenja na določeni GPS koordinati ter avtonomne misije so prav tako velika prednost. Prav te so najbolj razširjene brezpilotne naprave v civilnem okolju, kajti s svojo majhnostjo ter cenovno dostopnostjo prevladujejo v svojem razredu. Zaradi kompleksnosti delovanja naprav ter možnostjo spremljanja dogajanj s tal so se začela razvijati tudi programska okolja, namenjena izključno nadzorovanju teh naprav. Tema diplomskega dela bo oddaljen nadzor z brezpilotnim zračnim plovilom, kar pomeni pridobivanje različnih informacij s terena s pomočjo brezpilotne naprave ter pošiljanje informacij na zemeljsko postajo. Osredotočil se bom na video informacije ter prenos živega video posnetka na zemljo, kjer se lahko pridobljene informacije uporabijo. 12
Namen diplomskega dela je preučiti možnosti uporabe brezpilotnega letečega plovila ''quadcopter'' za pridobivanje video informacij s terena na več različnih civilnih področjih ter predstaviti to napravo. Predstavil bom tudi več programskih rešitev, ki so namenjene nadzorovanju takšnih naprav ter primerjal nekaj njihovih funkcij. V prvem delu diplomskega dela sem teoretično predstavil zgodovino, delitev, področja uporabe brezpilotnih letečih naprav ter programsko opremo zemeljskih postaj. V drugem delu pa sem predstavil izdelavo in testiranje brezpilotne naprave, rezultate testiranja ter svoje ugotovitve. 13
2 BREZPILOTNE LETEČE NAPRAVE Brezpilotna leteča naprava (BLN), bolj znano pod angleškim imenom dron, je leteča naprava brez človeškega pilota v samem vozilu. Let naprave je kontroliran z računalnikom v napravi sami oziroma z oddaljenim nadzorom pilota na tleh ali v drugem vozilu. Tipičen vzlet brezpilotne naprave je avtomatski z ukazom oziroma z dodatnim operaterju na tleh. V preteklosti so bile BLN enostavna letala, ki so bila kontrolirana z daljave, v današnjem času pa se v naprave vključuje vse več avtonomnosti [13]. BLN so bili večinoma uporabljani ter razviti z strani vojske ter posebnih operacij, vendar je viden vse večji porast uporabe BLN v civilnih organizacijah, kot so policija, gasilci, reševalci, varnostne agencije BLN so večinoma uporabljane v misijah, kjer je preveč tveganja, oziroma, kjer so prenevarna za vozilo s posadko, kjer vozila s posadko nimajo dostopa, ali pa je uporaba vozila s posadko enostavno cenovno nedostopna. 2.1 Zgodovina Ideja o brezpilotnih napravah ni nov koncept. Koncept BLN sega nazaj v sredino 1800 let, ko so Avstrijci začeli uporabljati brezpilotne balone, napolnjene z bombami za napad na Benetke. BLN, ki jih vidimo sedaj, so se začele razvijati v zgodnjih 1900 letih in so bile sprva uporabljane za trening vojaškega osebja. BLN so bile vse pogostejše ter vedno naprednejše tekom vseh vojn. Pojavljala so se v vseh večjih vojnah, tako v I. svetovni vojni (Slika 2.1) ter II. svetovni vojni, vse tja do Vietnamske vojne, kjer so ZDA prvič začele razvijati naprednejše BLN. BLN so začeli uporabljati praktično povsod na vsakem vojnem območju. Vse več je bilo potreb po informacijah o sovražniku njihovem gibanju ter izvidniških misijah. Vse do leta 2008 so v ZDA izdelali in poslali v uporabo 5331 BLN, kar je dvakrat toliko kot letal s posadko. 14
BLN so postale tako napredne, da je bilo mogoče vzleteti in pristati le s stiskom gumba. Vodena so bila preko GPS signala, na zemeljsko postajo pa so pošiljala živ video posnetek. Imele so zmožnost preleteti 9000 km stran, preden bi se morale vrniti nazaj v postajo. Vse večja potreba po njih je povzročila razvoj in cenovno vse dostopnejše BLN. Tako so se začela pojavljati BLN velikosti 1-2 m, ki so lahko vzletela z roke, ter so vodena po ulicah z minimalno zemeljsko opremo za večjo prenosljivost. Kmalu so se začela pojavljati tudi v civilnem okolju, saj so postala tako cenovno dostopna, da si lahko za nekaj 100 skoraj vsak sam zgradi BLN, zmožno manjših misij kratkega dometa. Slika 2.1: Brezpilotna leteča naprava iz prve svetovne vojne, ki jo je ustvaril Archibald Low v letu 1916 15
2.2 Delitev 2.2.1 Teža Brezpilotne leteče naprave obstajajo v zelo širokem obsegu teže od mikro BLN, ki tehtajo manj kot kilogram, do tistih ogromnih težkih, ki tehtajo preko 11 ton. Vse bolj se strmi k čim manjši teži in manjši velikosti, kajti tako se poveča učinkovitost in zmanjša cena izdelave. Po teži jih delimo v 5 razredov: Prva skupina ''super težki'' so tiste BLN, ki imajo vzletno težo večjo kot 2 toni. V to skupino spadajo brezpilotne naprave, kot sta Predator in Global Hawk. Naslednja skupina so ''težki'', ki tehtajo med 200 in 2000 kg, prav tako so to večinoma vojaški BLN. Tretja skupina so ''srednje težki'' od 50 do 200 kg. Četrta skupina so ''lahki'' od 5 do 50 kg. V to skupino že spadajo manjša letala, ki se uporabljajo tudi v civilnem okolju, ter nekatere večrotorske naprave, namenjene fotografiji ter video produkciji. Zadnja skupina pa so ''mikro'' BLN, ki so opredeljene pod 5 kg. Večina teh naprav se uporablja v civilnem okolju. V to skupino spadajo manjša letala ter večrotorske naprave. Večinoma jih poganjajo elektromotorji, za razliko od težjih skupin, ki jih poganjajo turbopropelerski motorji ali reaktivni motorji. 16
2.2.2 Vzdržljivost ter domet Naslednja delitev na vzdržljivost in domet je prav tako zelo pomembna. Ta dva parametra ponavadi povesta, kako dolgo lahko BLN ostane v zraku in kakšen bo njen radij delovanja. Naprave dolgega dometa so tiste, ki lahko ostanejo v zraku več kot 24 ur. Domet teh naprav je običajno velik, od 1500 km ter vse tja do 22000 km. Naprave srednjega dometa so tiste, ki imajo čas letenja med 5 in 24 ur. Te naprave so najpogostejše v vojaškem okolju, a za civilno še vseeno predraga. Zadnja skupina so naprave, ki so lahko v zraku manj kot 5 ur. Te naprave so uporabljane za misije kratkega dometa in so najpogostejše pri civilni uporabi. Omogočajo še vseeno dovolj dometa, da so uporabne. Domet takšnih naprav je zelo odvisen od zgradbe in konstrukcije, ki lahko sega tudi do 100 km. 2.2.3 Tip motorja Ker uporabljamo BLN za zelo različne misije, se uporabljajo tudi različni motorji. Uporabljajo se od turbopropelerskih do reaktivnih motorjev, kar velja predvsem za vojaške BLN. V civilnem okolju so skoraj vse naprave gnane s pomočjo električnih brez krtačnih motorjev s potisnimi oziroma vlečnimi propelerji. Tipično teža in velikost BLN močno vplivata na velikost motorja; večja, kot je naprava, večji je motor ter obratno. Pravilno izbrana teža ter motor lahko močno povečata vzdržljivost ter domet BLN. 17
2.2.4 Način vzleta Način vzleta lahko močno vpliva na njeno praktičnost ter uporabnost v določenem okolju. Večje naprave potrebujejo za vzlet letališke steze in so uporabljane samo s strani vojske. Manjše naprave lahko vzletijo s pomočjo katapultov oziroma kar iz roke. Poznamo tudi naprave, ki so sposobne vertikalnega vzletanja in so še posebej primerna za delovanja v naseljenih območjih ter območjih, kjer ni veliko manevrskega prostora. Takšno napravo sem izdelal tudi sam. 18
3 UPORABA BLN TER PREUČITEV POTENCIALNIH UPORABNIKOV Najbolj pogosto BLN povezujemo z vojsko, vendar se je njihova uporaba močno razširila tudi v civilne namene. Razvite so bile številne BLN za nadziranje kmetijskih pridelkov, plinovodov in električnih vodov. Prav tako so jih razvili za uporabo v filmski industriji za misije iskanja in reševanja, štetje divjih živali, dostavljanje medicine v odročne kraje in nadzore obmejnih območij ter v mnogo drugih misijah. BLN so danes dnevno uporabljane večinoma v namenih, kjer je težavnost ali dostopnost prevelika za človeško posredovanje. Te misije segajo od vojaških do civilnih aplikacij, kot so: izvidniške misije, nadzori meja, odkrivanje gozdnih požarov in v reševalnih misijah. Potencialnih uporabnikov za uporabo BLN je iz dneva v dan več, kajti tehnologija naprav tako napreduje, da je vse več uporabnikom uporabna. Glavni ciljni uporabniki pa so seveda skupine, ki delujejo na področjih, kjer že zdaj uporabljajo helikopterje oziroma letala za posredovanje ter zbiranje informacij. 3.1 Zaznavanje na daljavo BLN so opremljene z mnogo senzorji, zato so zmožne več vrst zaznavanja na daljavo. Uporabljajo senzorje elektromagnetnega spektra, senzorje gama žarkov, biološke senzorje in kemične senzorje. Senzorji elektromagnetnega spektra so tipično kamere vizualnega spektra, infrardečega spektra, kamere blizu infrardečega spektra kot tudi radarski sistemi. Drugi detektorji, kot so mikrovalovi ter ultravijolični spekter, so prav tako uporabljani, vendar redkeje. 19
Biološki senzorji so zmožni zaznavanja prisotnosti različnih mikroorganizmov v zraku in ostalih bioloških spremenljivk. Kemični senzorji uporabljajo lasersko spektroskopijo za zaznavanje vsakega elementa v zraku. 3.2 Komercialni zračni nadzor Zračni nadzor večjih območij je postal mogoč z nizkocenovnimi sistemi BLN. Nadzor zajema pregled na živino, nadzor divjih živali, varnost različnih cevovodov, domače varnostne aplikacije ter cestne patrulje. Tehnologija v komercialnih aplikacijah napreduje izredno hitro in je čedalje bolj usmerjena v razvoj avtonomnosti ter avtomatičnost zaznavanja različnih objektov. 3.3 Reklamna video in filmska produkcija Filmska in reklamna industrija ima zelo veliko potrebo po posnetkih iz zraka, ki so jih do sedaj večinoma snemali s pomočjo tradicionalnih helikopterjev ali kamer, nameščenih na jeklenicah. Dnevna uporaba helikopterjev je izjemno draga, uporaba jeklenic oziroma drugih vrst vodenja kamere pa je nefleksibilna ter zahteva veliko priprav. S pomočjo naprav, kot so quadcopter, hexacopter ter octocopter, je snemanje postalo izredno poceni, glede na ceno tradicionalnih helikopterjev. Prav tako je vse postalo zelo fleksibilno, kajti s temi napravami lahko premikamo kamere z velikimi hitrostmi ali pa enostavno lebdimo na določenemu mestu. 3.4 Športi BLN so se začele pojavljati pri različnih športih za namene fotografiranja ter zajemanja videoposnetkov. Na primer, uporabljani so bili na zimskih olimpijskih igrah 2014 v Sochiju za snemanje smučanja in deskanja. Prednosti pri uporabi BLN so večja fleksibilnost, naprave lahko pridejo bližje atletom, nižja pa je tudi cena v primerjavi uporabe helikopterjev s posadko. 20
3.5 Gasilci Gozdni požari so lahko izredno nepredvidljivi in nevarni tako za ljudi ter objekte, ki so na poti ognja ter prav tako za gasilce, ki se borijo z ognjem. Informacije o gozdnem požaru so se do sedaj pridobivale s helikopterji, ki pa so za delovanje dragi ter v določenih vremenskih pogojih neuporabni. Uporaba BLN za odkrivanje gozdnih požarov je tako cenovno dostopna, prav tako pa je tudi manjši vpliv vremena na delovanje naprav.. BLN omogočajo s kamerami, ki lahko snemajo podnevi in ponoči, konstanten nadzor nad žarišči, prav tako so lahko uporabljane termalne kamere, kajti še dolgo potem, ko se požar pogasi, lahko ostanejo posamezna žarišča, ki jih je potrebno pogasiti (Slika 3.1). BLN lahko prav tako merijo veliko parametrov, kot so hitrost vetra, smer vetra, temperatura ter vlažnost, s tem pa pomagajo gasilcem na tleh pri pomembnih odločitvah. Gozdni požari so hitro premikajoče se tarče. Torej, med najpomembnejšimi orožji gasilskih enot so pravočasnost in natančne informacije, kje je požar, kam se bo širil ter kakšna je njegova pot. Gašenje požarov je zahtevno opravilo, pri katerem je potrebno imeti odlično ekipo gasilcev in odlične informacije o nalogi za tem lažje sprejemanje pomembnih odločitev. Ker večina gasilcev čuti pomanjkanje po helikopterjih oziroma letalih, ne le za gašenje, temveč tudi za zbiranje informacij, je to odlična ciljna skupina za uporabo BLN. Informacije na požariščih so ključnega pomena za vodstvo in odločanje, kako posredovati, brez teh informacij praktično ne morejo delovati. Potrebno je oceniti velikost požara, kar je najlažje izvedljivo iz zraka. Potrebno je tudi ugotoviti smer gibanja požara in zasilne izhode za ekipe na tleh, da lahko te varno posredujejo kljub morebitni spremembi vremenskih pogojev. Uporaba takšnih naprav se že izvaja v nekaterih državah za zatiranje gozdnih požarov. BLN, opremljene s toplotnimi senzorji, z nočnimi kamerami ter s prenosom video povezave, pomagajo zbirati pomembne podatke ter informacije. Ker je gašenje večjih gozdnih požarov najbolj učinkovito ponoči, ko ni vetrov, so te naprave idealne za to nalogo [2]. 21
Slika 3.1: Brezpilotna naprava quadcopter, opremljena s termalno kamero Žal pa je trenutno za uporabo BLN še precej preprek. Ena izmed večjih je cena takšnih naprav. Naprave, ki so sposobne takšnega posredovanja, so večinoma vojaškega razreda, ki so že testirana na bojiščih in imajo cene preko 100 000 in so nedostopne civilnim skupinam, ki bi za uspešno posredovanje rabile kar nekaj takšnih naprav. Druga težava pa nastopi pri pooblastilih za letenje, kajti ko pride do večjih gozdnih požarov, se zračni prostor za letala zapre in dostop imajo le še letala, namenjena gašenju. Ker trenutno BLN še nimajo pooblastil in potrebnih funkcij za sodelovanje z drugimi letali, je takšna uporaba nelegalna in včasih lahko tudi nevarna. 3.6 Reševalci Reševanje s pomočjo BLN se ponekod že izvaja, zato je to odlična ciljna skupina za še večjo razširitev uporabe ter razvoj opreme. V naravnih nesrečah uporabljajo BLN za dostavo medicine in medicinskih pripomočkov na nedostopna mesta ter zbiranje medicinskih vzorcev, na mestih, kjer je človeku nedostopno oziroma prenevarno. BLN lahko pomagajo pri reševanju v naravnih nesrečah z zbiranjem informacij skozi prizadeto območje. BLN lahko pomagajo zgraditi sliko 22
prizadetega območja in tako pomagajo pri odločitvah, kako lahko ljudje najbolje izkoristijo teren in rešijo čim več poškodovanih. Pri reševanju ter iskanju velikokrat, predvsem v gorah, sodeluje ekipa s helikopterjem, kar pa je drago ter mnogokrat sploh ni na voljo. S pomočjo BLN bi reševalcem omogočili lažje ter predvsem hitrejše iskanje ponesrečencev, kar je v takšnih primerih ključnega pomena. Z BLN quadcopter lahko brez problema nadziramo območje velikosti v dosegu nekaj km ter ostanemo v zraku z eno baterijo do 30 minut. Uporabljajo se lahko na človeku nedostopnih mestih in s svojo majhnostjo ter natančnostjo na helikopterju nedostopnih mestih. Ponesrečencu lahko dostavimo osnovno prvo pomoč ter vodo. Uporaba takšnih naprav ponoči je lahko s primernimi kamerami prav tako zelo uspešna, saj lahko s termalnimi kamerami (Slika 3.2) hitro najdemo ter lociramo ponesrečenca, kljub temu da je vidljivost nična. BLN bi prav tako lahko bile uporabljane v iskanju ponesrečencev v snežnih plazovih. Opremljene s termalnimi kamerami ter z lavinskimi žolnami bi lahko veliko hitreje odkrili ponesrečenca, kar je v primeru snežnega plazu ključnega pomena. Najboljši način odkrivanja bi bil kar s tremi manjšimi napravami, od katerih bi bila vsaka opremljena z lavinsko žolno ter s pomočjo triangulacije odkrivanja ponesrečencev. Tako bi lahko hitro odkrili ponesrečenca, če bi seveda le-ta imel pri sebi lavinsko žolno. V primeru da le-te nima, bi poskusili z iskanjem ponesrečenčeve opreme ter s termalno kamero samega ponesrečenca. Iskanje iz zraka izgubljenih in pogrešanih oseb z uporabo tradicionalnih letal ter helikopterjev je izjemno drago. S pomočjo malih BLN pa je takšno delo le delček cene ter napora, ki je potreben s tradicionalnimi letečimi napravami. Vsaka BLN je opremljena in ima možnost pogleda navzdol z visoko resolucijskimi kamerami, ki služijo iskanju. Z realno časovno video povezavo lahko v realnem času preiščemo ogromno območje. Ko s pomočjo BLN najdemo objekt interesa, lahko točno lokacijo nemudoma sporočimo nazaj iskalnim enotam. Video v realnem času je lahko tudi kasneje prenesen za analizo po iskanju. Povprečen čas letenja takšnih BLN je okoli 30 minut, kar daje pilotu dovolj časa z nekaj baterijami, da preišče več kilometrov površin z cik-cak iskalnim vzorcem. Ena BLN lahko v nekaj minutah nadomesti celotno skupino iskalcev, ki bi za isto območje potrebovali nekaj ur. 23
Poleg lociranja pogrešancev so lahko quadcopter naprave uporabljane tudi za dostavljanje osnovnih potrebščin na drugače nedostopnih lokacijah, kot so prva pomoč, voda, woki-toki ali GPS lokator, preden ekipa doseže ponesrečenca. Ker lahko s pomočjo termalnih kamer vidimo tudi ponoči ter skozi krošnje dreves, nas tako gosti gozd ne ovira ter lahko v najkrajšem času najdemo osebo, ki jo iščemo. Slika 3.2: Primer pogleda skozi termalno kamero na dve osebi v popolni temi BLN bodo po vsej verjetnosti povečevale svojo vlogo pri iskanju ter reševanju. To je bilo že predstavljeno s strani ZDA po hurikanu leta 2008, ki je zadel Lousiano ter Texas. Uporabili so mikro BLN za pomoč iskanja ter reševanja preživelih. Uporabljene so bile dnevno-nočne kamere, infrardeče ter termalne kamere. BLN so bile uporabljane tudi pri testiranju na obalah za iskanje in reševanje plavalcev v vodi. Iskanje je bilo izvedeno s pomočjo termalnih kamer, s pomočjo BLN pa so plavalcem dostavljali reševalne jopiče. 24
3.7 Reševanje v naravnih nesrečah V naravnih nesrečah uporabljajo BLN za dostavo medicine in medicinskih pripomočkov na nedostopna mesta in zbiranje medicinskih vzorcev na mestih, kjer je človeku nedostopno oziroma prenevarno. BLN lahko pomagajo pri reševanju v naravnih nesrečah z zbiranjem informacij skozi prizadeto območje. BLN lahko pomagajo zgraditi sliko prizadetega območja in tako pomagajo pri odločitvah, kako lahko ljudje najbolje izkoristijo teren ter rešijo čim več poškodovanih. 3.8 Vojska Vojska je bila ena izmed prvih in je še vedno ena izmed vodilnih v razvoju ter uporabi BLN. Ker ima vojska področje delovanja na kriznih žariščih, se je pojavila potreba po BLN, ki z manjšim tveganjem opravljajo delo, ki bi ga drugače morali opraviti ljudje. Vojska brez pravih ter zanesljivih informacij ne more delovati oziroma deluje neučinkovito. S pomočjo BLN pa lahko vojaki dobijo veliko pomembnih informacij iz zraka, brez da se sami izpostavljajo tveganju. BLN so lahko uporabljane tudi za izvidniške misije, kjer je previsoka nevarnost za ljudi. Prav tako so lahko uprabljane za dostavljanje potrebne opreme, medicinskih potrebščin za lociranje pomembnih tarč ter koordiniranje vojaških posredovanj. Ker obstajajo BLN različnih oblik in različnih sposobnosti, se za vsako področje najde primerna naprava. Od največjih, ki so na višinah in so nedostopne radarjem ter do tistih, ki jih lahko uporabljajo za nabiranje informacij po ulicah in težko dostopnih terenih. Vojska aktivno uporablja BLN tudi za vzpostavitve telekomunikacijskih omrežij. S pomočjo naprav lahko na odročnih krajih, kjer ni nobenih povezav, vzpostavijo dobro telekomunikacijsko mrežo, ki služi prenašanju informacij. V namene treniranja pilotov vojaških letal se že od leta 1997 uporabljajo brezpilotna letala, namenjena kot tarče pravim pilotom. S pomočjo brezpilotnih letal oziroma robotov simulirajo zračne bitke ter tako simulirajo bolj realistične tarče za pilote. 25
3.9 Policija Policija sodeluje na veliko različnih področjih, kjer bi bilo mogoče uporabiti tehnologijo BLN. Od rekonstrukcije prometnih nesreč, krajev zločina, do iskanja pogrešanih oseb, iskanje nasadov prepovedanih substanc, nadzora privatnih ozemelj ter javnih površin. Informacije, ki jih je mogoče pridobiti iz zraka, velikokrat pomenijo veliko več kot informacije, ki jih vidimo na tleh. Zato bi uporaba BLN v policijske namene prišla še kako prav. Obenem se znižajo stroški uporabe klasičnih helikopterjev in se skrajšajo časi preiskav. BLN se vse pogosteje uporabljajo tudi pri nadzoru meja, saj z njihovo pomočjo pokrijejo veliko večje območje. Policija bi lahko z uporabo BLN brez večjih naporov odkrivala nasade ilegalnih substanc, ki se velikokrat skrivajo v nasadih koruze ter gozdovih. Uporaba tradicionalnih helikopterjev pa je za vsako novo sled predraga ter nedosegljiva. Ker pa so tovrstne naprave majhne ter prenosljive, so idealne za takšne operacije (Slika 3.3). Slika 3.3: Brezpilotna naprava, izdelana v policijske namene V ZDA policijske enote aktivno uporabljajo BLN že od marca 2013. Uporabljajo se pri nadzorih meja, iskanjih prepovedanih nasadov konoplje, nočnih patruljah ter so v pomoč tudi pri rekonstrukciji krajev zločina. 26
Njihov glavni namen je povečati nadzor nad rizičnimi območji, kot so ulice, kjer se pojavlja večina ropov ter vlomov. Sposobnost pridobivanja informacij ene BLN je, kot bi imel 20 policistov na tistem območju. Prednost je ravno v tem, da lahko fotografiraš oziroma snemaš videoposnetke z višine 5 m, ali pa z višine 300 m, ker se pokaže velika fleksibilnost takšnih naprav [1]. 3.10 Nadzor plinovodov naftovodov ter električnih vodnikov Proizvajalci naftovodov ter plinovodov uporabljajo BLN za nadziranje vseh inštalacij, še posebej za nadzemeljske cevi, katere nadzirajo z eno ali večjimi BLN, opremljenimi z kamerami. Naftna in Elektro podjetja namenijo vsako leto ogromne količine denarja za nadzore plinovodov ter električnih vodov. Vse to je lahko nadzorovano s pomočjo BLN. Vse te vrste vodov so temeljne za skoraj vsako ekonomijo. Infrastruktura postaja čedalje starejša in zato potrebuje nadzorovanje. Napake je veliko bolje odkriti vnaprej, kajti tako se izognemo večjim nesrečam. Napake lahko povzročijo več različnih dejavnikov, od korozije do nepredvidenih situacij. Nesreče pa lahko poškodujejo in celo ubijejo človeka ter lahko povzročijo ogromen negativen učinek na okolje. Trenutne rešitve so zelo neavtomatizirane ter vsebujejo veliko tveganj. S pomočjo letal, ki jih upravljajo piloti, letijo nizko nad tlemi in poskušajo videti napake. Takšna vrsta pregleda pa ne omogoča odkrivanja nevizualnih napak, kot je na primer puščanje plina. Prav tako je za tovrstne preglede potrebno zelo drago letalo, ki je omejeno s količino ter pogostostjo letov. Ker so za plinovode, naftovode ter električne vodnike potrebne ogromne razdalje nadzora, bi z večjim številom BLN brez večjega problema pokrili celotno območje. S pomočjo GPS navigacije lahko BLN enostavno sledijo določenemu vodu ter s pomočjo namenskih kamer odkrivajo napake na ceveh oziroma vodnikih. S takšnim nadzorom bi se drastično zmanjšala potrebna sredstva za nadzor, pa tudi odzivni čas v primeru napak bi bil veliko manjši. S pomočjo infrardečih kamer so morebitne napake na ceveh lepo vidne, saj se temperatura tekočin razlikuje od temperature zemlje ter se takoj opazijo madeži. 27
Neodkrite napake na ceveh ali vodih lahko privedejo do ogromnih okoljevarstvenih katastrof in tudi do požarov ali nesreč. Z več vidikov je uporaba BLN najbolj ekonomičen in najboljši način za nadzor dolgih razdalj plinovodov, naftovodov ter električnih vodnikov [12]. 3.11 Raziskovanje in arheologija Pri arheoloških izkopavanjih sodeluje ogromno ljudi, saj je delo počasno ter ne vedno uspešno. Za odkrivanje pozabljenih spomenikov, mest oziroma drugih arheoloških izkopanin se lahko uporabljajo tudi BLN. Slike, ki jih zajame BLN, omogočajo arheologom razkrivanje nikoli videne strukture pod zemljo. Takšne slike lahko ustvarijo s pomočjo BLN, ki je opremljena z visoko resolucijsko termalno kamero. Da bi dosegli enak efekt s navadnim letalom, bi morali najeti majhno letalo z visokozmogljivimi kamerami, ki bi moralo leteti na zelo nizki višini, kar pa je izjemno drago in si tega večina arheologov ne more privoščiti [5]. Arheologija že nekaj časa ogromno informacij pridobiva z zračnih fotografij. Strokovnjaki s pomočjo zračnih fotografij najdejo ter locirajo najdišča, ki jih zaradi odmaknjenosti enostavno ni mogoče videti iz tal. Raziskovalne skupine lahko odkrivajo nova odkritja s pomočjo visoko resolucijskih kamera ter 3D modelov. S pomočjo rekonstrukcije lažje odkrivajo nova najdišča ter javno predstavljajo odkritja. Z zračnim nadzorom najdišč lahko arheologi opazujejo točke interesa, ki so nedostopne. Z zbiranjem video in foto materiala ustvarjajo 3D modele, ki simulirajo okolje (Slika 3.4). Te informacije lahko zbirajo s pomočjo malih nizko letečih BLN. Število ter povpraševanje po teh napravah se je med arheologi ter raziskovalci močno povečalo. BLN so bile testno uporabljane in so pokazale velik potencial ter učinkovitost, saj omogočajo hkraten zajem video, foto ter geoloških podatkov, kot so višina, GPS lokacija ter vsi ostali parametri. 28
Slika 3.4: Izdelan 3D model reliefa najdišča, posnetega s pomočjo brezpilotne naprave BLN so v kombinaciji s tehnologijo LIDAR, ki omogoča skeniranje s pomočjo laserjev, nepogrešljiv sestavni del rekonstrukcije tridimenzionalnih vizualnih modelov najdišč. Možnost uporabe radarske tehnologije v kombinaciji s BLN prav tako prinaša veliko prednosti, kajti s pomočjo zemlje-prebojnih elektromagnetnih radarskih valov lahko arheologi, še preden izkopljejo, odkrivajo nove najdbe. S pomočjo te tehnologije so izkopi bolj natančni in pri izkopavanju prihaja do manjših poškodb najdb [8]. BLN so prav tako lahko uporabljani za izvajanje geoloških raziskav, še posebej geomagnetičnih, kjer se izvajajo meritve Zemljinih različnih magnetnih moči, in so uporabljani za izračun kamnite površine pod površjem. Informacije o kamninah pod površjem pomaga izkušenim geologom napovedati lokacijo mineralnih kamenin. 3.12 Potencialne možnosti v prihodnosti Napovedi za prihodnost BLN so zelo velike, pojavljali naj bi se skoraj na vseh področjih. V vojaškem okolju so napovedi zelo zastrašujoče, v razvoju so namreč BLN v velikosti insektov in v oblikah manjših ptic, s tem pa naj bi zagotovili, da ostanejo naprave neopažene, kljub temu da jih vidimo. Dostavljanje takšnih BLN bi bilo kar z letalom, ki bi 29
jih odvrgel nad določenim mestom, ta trop BLN pa bi vzpostavil informacijsko mrežo nad mestom. V privatnem sektorju so bili začetni poskusi uporabe BLN za dostavljanje hrane, vendar so zaradi neustreznih standardov program začasno ustavili. Amazon je decembra 2013 predstavil načrt dostave paketov s pomočjo BLN, a je bila ideja sprejeta z dvomi zaradi varnostnih razlogov. V decembru 2013 je raziskovalni projekt prijavila nemška pošta DHL. Uspešno je dostavila pol kilograma težak medicinski paket na območje po naravni nesreči. V februarju 2014 je premier Združenih arabskih emiratov oznanil razvoj skupine večjih BLN za civilne namene. Načrt je uporabiti BLN, s pomočjo branja prstnih odtisov in prepoznavanja očesne mrene za dostavljanje uradnih dokumentov, kot so osebno dovoljenje, vozniško dovoljenje in prav tako dostavljati opremo ob nesrečah. Prototip naprave quadcopterja je bil predstavljen v Dubaju. 30
4 ZEMELJSKA POSTAJA Brezpilotne leteče naprave lahko uporabljamo brez zemeljske postaje, tako da jo vodimo ročno ter jo imamo ves čas v vidnem polju oziroma imamo ves čas vzpostavljeno video povezavo ter spremljamo, kje se nahajamo, preko zaslona. Vendar, če želimo koristiti vse sposobnosti BLN, moramo imeti zemeljsko postajo, ki nam omogoča številne dodatne funkcionalnosti, ki jih drugače nimamo. Zemeljska postaja je center, ki sprejema vse podatke ter skrbi za konstantno komunikacijo s modelom. To je običajno prenosni računalnik ki je opremljen s posebno namensko programsko opremo. S pomočjo zemeljskih postaj lahko spremljamo, kje se model nahaja, na kakšni višini je ter vse podatke, ki jih model pošilja. Z zemeljskimi postajami pa lahko izvajamo tudi avtonomne misije, ki nam z ročno vodene BLN ustvarijo pravo avtomatsko vodeno brezpilotno napravo (Slika 4.1). Funkcije, ki nam jih omogočajo zemeljske postaje, so odvisne od programske opreme, ki jo postaja uporablja. Večina ima možnosti, kot so: navigacija po vnaprej določenih točkah, letenje po vzorcih, mrežno fotografiranje, avtomatski vzleti in avtomatski pristanki. Ves čas lahko model spremljamo ter po potrebi pot prilagodimo ali prekinemo, lahko pa tudi naložimo popolnoma novo misijo. Slika 4.1: Diagram delovanja zemeljske postaje 31
4.1 Programska oprema Programska oprema je samo jedro zemeljske postaje. S pomočjo programske opreme pridobimo vse funkcije, ki jih BLN lahko izpolnjuje. Trenutno je na trgu veliko različnih prosto dostopnih programskih rešitev za oddaljen nadzor BLN, a je večina teh namensko izdelana za točno določene krmilnike letenja. Programska oprema se izredno hitro razvija, še posebej odprtokodne različice, ki potiskajo sam razvoj funkcionalnosti BLN v zelo obetavno smer. Dandanes lahko že praktično vsak z brezplačno odprtokodno programsko opremo ter regulatorjem letenja za nekaj sto evrov izdela popolnoma avtonomno plovilo z avtopilotom. Na spletni strani skupnosti DiyDrones [4] je mogoče dobiti vse načrte ter navodila za izdelavo amaterske brezpilotne leteče naprave, prav tako tudi vse nasvete pri načrtovanju ter samem delovanju BLN. V nadaljevanju bom opisal tri različne vrste programskih rešitev za zemeljske postaje, ki se najpogostejše uporabljajo ter so prosto dostopne. 4.2 APM Mission planer APM Mission planer je odprtokodna programska oprema, ki jo je razvil Michael Oborne v podjetju 3DRobotics. Je namenjena nadzoru krmilnikov APM ter novejših krmilnikov PIXHAWK. Ker je programska oprema odprtokodna, je razvoj izredno hiter ter je trenutno eden izmed najzmogljivejših programskih paketov za zemeljske postaje. Edina slaba lastnost te programske opreme je, da je na voljo le za uporabnike Windows operacijskega sistema. Razvoj te programske opreme poteka v orodju Microsoft Visual Studio s pomočjo programskega jezika C++. Celotna odprta koda je na voljo na Ardupilot spletnem mestu za razvijalce. Programska oprema je na voljo za zemeljska kot tudi za vsa leteča plovila. V mojem primeru sem izbral programsko opremo za večrotorske leteče naprave [11]. APM mission planner omogoča funkcije, kot so: Pokaži in klikni nadzor točk letenja s pomočjo Google zemljevidov Izbor misij ter akcij s pomočjo spustnih menijev Prenos misijinih log datotek ter analiziranje teh 32
Nastavitev APM parametrov za neserijske modele Upravljanje z modelom na daljavo Nadzor modela med letom ter prvoosebni nadzor Sama programska oprema ima pregleden ter dobro zasnovam uporabniški vmesnik, ki je razdeljen po poglavjih s pomočjo zavihkov (Slika 4.1). V zavihkih lahko tako najdemo podatke o letenju, načrt letenja, začetne nastavitve, simulacije ter konfiguracijo samega modela. Slika 4.2: Prikaz pokaži in izberi načina določanja točk letenja Programska oprema ima ogromno akcij, ki jih je mogoče prožiti med samim letom. Tukaj je naštetih le nekaj: Samodejen pristanek Samodejen vzlet ''Follow me'' način, ki omogoča slednje zemeljski napravi ''Geotagging'' način, ki omogoča slikanje območja ter ustvarjanje natančnega zemljevida Način kroženja, kjer naprava kroži okrog točke interesa ter je vedno usmerjena v njo 33
4.3 OpenPilot GCS OpenPilot GCS je programska oprema za zemeljske postaje, ki omogoča konfiguracije ter nadzor vseh OpenPilot kontrolnikov. Je v celoti odprtokodna ter deluje na Windows, Linux ter Mac OSX platformah. Programska oprema je v celoti izgrajen iz komponent, torej si lahko uporabnik po svojih željah sestavi namizni pogled, kot je na primer na sliki spodaj (Slika 4.2). To pa je tudi ena izmed boljših posebnosti te programske opreme, saj nam omogoča popolno optimizacijo našim potrebam. Slika 4.3: Pogled na namizje med letom v OpenPilot GCS OpenPilot GCS je uporabljan za posodabljanje, konfiguracijo, nadzor in spremljanje podatkov pridobljenih s pomočjo telemetrije na BLN. Prav tako, kot APM mission planer, ima tudi ta programska oprema veliko različnih funkcij, vključno s samodejnim vzletom, pristankom, pokaži in izberi točko ter mnoge druge. Nadzor ter določanje točk tudi pri tem deluje s pomočjo Google Zemljevidov. 34
4.4 Andropilot Andropilot je programska oprema, razvita namensko za Android platforme. Kot prejšnja dva je tudi ta popolnoma odprtokodna ter se tedensko posodablja. Razvita je bila na podlagi APM mission planer programske opreme. Glavni ustvarjalec aplikacije je bil Kevin Heaster s podporo odprtokodne skupnosti DIYdrones.com. Jedro za uporabo Andropilota je telemetrijski modul, ki se priključi v android napravo. Ta modul poskrbi, da android naprava sprejema vse potrebne informacije ter lahko pošilja ukaze BLN. Za delovanje je potreben tudi APM krmilnik letenja. Andropilot omogoča, da je zemeljska postaja veliko bolj prenosna in zaradi tega je uporaba na terenu lažja. Prav tako baterija današnjih android naprav zdrži veliko dlje kot baterija prenosnikov. Andropilot lahko v celoti nadzoruje BLN od vzleta do pristanka. V aplikaciji pa lahko s pomočjo Google zemljevidov vidimo tudi, kje se naprava nahaja ter kakšna je njena misija (Slika 4.3). Slika 4.4: Nadzor BLN s pomočjo aplikacije Andropiot 35
4.5 Primer uporabe akcije ''točka interesa'' Akcija, imenovana POI ali ROI oziroma točka interesa, je način, ki omogoča letenje brezpilotne naprave po prej določenih koordinatah ter pri tem ves čas spremlja določeno točko, tako imenovano točko interesa. Ta funkcija je zelo uporabna pri oddaljenem nadzoru, saj omogoča kroženje okoli točke interesa, na ta način pa lahko tudi ves čas spremljamo, kaj se na točki dogaja. Ker imajo vse tri programske rešitve to možnost, le da se različno imenuje, sem se odločil da jo primerjam ter prikažem njeno delovanje. APM mission planer ima to funkcijo pod imenom ROI. Akcijo nastavimo tako, da na zemljevid, kjer želimo, postavimo točko in ji določimo funkcijo DO_SET_ROI, ki je vidna kot rdeča točka na zemljevidu (Slika 4.4). To akcijo moramo ponoviti za vsako točko leta, saj le tako ohranimo pogled na točko celoten čas misije. Slika 4.5: APM Mission planer ROI funkcija 36
Open pilot GCS ima to funkcijo pod imenom POI. Nastavimo jo na zelo podoben način kot pri APM mission planerju. Kot lahko vidimo na spodnji sliki, je v našem primeru to točka 1. Smer modrih puščic prikazuje smer, kamor je obrnjena BLN. Slika 4.6: OpenPilot GCS POI funkcija V aplikaciji Andropilot je funkcija, ki je namenjena spremljanju točke interesa, poimenovana circle around. Vendar je ta funkcija še vedno v testni fazi, zato še ni dodana stabilni verziji. Funkcija bo omogočala, da bo BLN krožila okrog določene točke ter se samodejno prilagajala, tako da bo vedno usmerjena v točko, kot je prikazano z rumenim krogom okrog točke vzleta v aplikaciji Andropilota. Slika 4.7: Andropilo ''circle around'' funkcija 37
5 IZBIRA BREZPILOTNE LETEČE NAPRAVE Z izredno hitrim razvojem se je razvilo veliko različnih vrst BLN, ki jih lahko uporabljamo na različnih področjih. Da bi čim bolje izkoristili potencial BLN, moramo izbrati vrsto, ki je za nas najbolj primerna ter nam bo najbolje služila. Za potrebe svoje raziskave sem preučil več vrst že obstoječih prosto dostopnih rešitev in se odločil za meni najprimernejšo BLN, ki bo najbolje služila ter bo cenovno dostopna. Pred samo izdelavo sem si zadal nekaj ciljev, ki jih želim upoštevati pri izbiri brezpilotne leteče naprave in jih želim z njeno izdelavo tudi izpolniti: Domet do 2 km z možnostjo nadgraditve do 10 km Možnost natančnega lebdenja na določeni točki s pomočjo GPS-a RTH funkcija oziroma v primeru napak vrnitev na vzletno mesto Do 500 g dodatne obtežitve, razni senzorji kamere Čas letenja vsaj 15 minut Možnost letenja po nedostopnih terenih Prenos video informacij na zemeljsko postajo Cena pod 800 38
5.1 Že obstoječe rešitve Na trgu se danes pojavlja že ogromno različnih naprav, ki so pripravljene za letenje naravnost iz škatle. Opisal bom nekaj različic BLN in se na podlagi ugotovitev ter zadanih ciljev odločil, katero vrsto naprave bom izdelal sam. DJI PHANTOM 2 Vision quadcopter DJI phantom 2 je majhen quadcopter, ki ga je mogoče kupiti že pripravljenega za letenje naravnost iz škatle. Je namenjen snemanju iz zraka in zračnim posnetkom. Ima možnost navigacije ter držanje pozicije s pomočjo GPS-a. Je stabilna in enostavna rešitev za snemanje različnih dogodkov ter športov. Zaradi svoje majhnosti, 330 mm premera, je zelo enostaven za transport. Vsi parametri so že tovarniško nastavljeni, zato uporabniku ni potrebno skoraj nobeno predznanje za uporabo. Ima možnost nadgradnje s sistemom za prenos videoposnetka na zemeljsko postajo. Cena osnovnega modela se prične pri 900. Ker je v obliki quadcopterja, mu štirje rotorji omogočajo visoko stabilnost, vertikalno vzletanje ter lebdenje na mestu na določeni GPS poziciji.. Slika 5.1: DJI Phantom 2 39
MD-1000 Microdrones quadcopter MD-1000 nemškega podjetja Microdrones je profesionalna naprava, namenjena visoko zahtevnim strankam oziroma podjetjem. Je naprava izrednih zmogljivosti, ki je pripravljena na letenje ob nakupu. Ima kombinacijo zemeljske postaje, s katero je mogoče preko GPS točk avtonomno vodenje le-te. Torej za nadzor praktično ne potrebujemo pilota. Njene lastnosti so resnično osupljive, kot so čas letenja do 88 minut, odpornost na dež, prah, domet z GPS točkami do 40 km ter dodaten tovor teže 1200 g. Za vse to pa je potrebno odšteti osupljivih 40.000 za osnovni model. S svojo velikostjo 1000 mm premera omogoča visoko stabilnost tudi v večjem vetru in pri večjih obremenitvah. Zaradi velikih propelerjev je tovrstna naprava izredno učinkovita in porabi malo energije za svoje delovanje. Slika 5.2: MD4-1000 quadcopter 40
Tarot T810 hexacopter Tarot hexacopter je BLN podobna napravam, opisanimi zgoraj, le da ima ta šest rotorjev, kar ji omogoča večje obremenitve ter večjo stabilnost. Omogoča tudi redundanco v primeru okvare enega od motorjev. Slabost večjih rotorjev pa je večja poraba energije ter potreba po manjših propelerjih, kar zmanjša učinkovitost. Je naprava velikosti 810 mm premera, ki omogoča natančno letenje ter visoko stabilnost. Omogoča vertikalno vzletanje in vertikalno pristajanje. Napravo je mogoče opremiti z modulom za video prenos in z večjimi senzorji ter kamerami, kajti ima veliko nosilnost 2500 g. Domet naprave je odvisen od sprejemnika, ki ni vključen v osnovni komplet, z lahkoto pa z dobrim sprejemnikom doseže domet nekaj km. Čas letenja je nekje do 20 minut, odvisno od kombinacije napajalnih baterij. Cena osnovnega modela se prične pri 1800. Slika 5.3: Hexacopter T810 41
Skywalker letalo Letalo Skywalker je enostavno klasično letalo, namenjeno oddaljenemu nadzoru ter poletom na večji razdalji. S premerom 1800 mm je izredno stabilno letalo in ima zelo dobre letalne lastnosti. Dosega lahko ogromne razdalje, tudi do 80 km, s pravimi radijskimi sprejemniki ter dobrimi pogoji. Čas letenja je lahko tudi po več ur. Nanj lahko namestimo do 500 g dodatne opreme, pri čemer še vedno ohrani svoje letalne sposobnosti. Ker je letalo počasno, je primerno za oddaljen nadzor ter nadzorovanje s pomočjo video prenosa. Žal pa je letalo prikrajšano za možnosti vertikalnega vzletanja in pristajanja ter možnosti lebdenja na določeni GPS poziciji. Cena osnovnega modela se prične pri 500. Slika 5.4: Skywalker letalo 42
Ritewing Zephyr Zephyr je letalo v obliki letečega krila podjetja Ritewing RC. Namenjeno je snemanju iz zraka in oddaljenemu nadzoru. Leteče krilo ima ogromno moči ter odlične letalne zmogljivosti. Je zelo učinkovita platforma, s katero je mogoče leteti tudi do 1 h. Domet naprave je z UHF sprejemnikom ogromen, do 60 km, na žalost pa sprejemnik ni vključen v komplet. Ker ima leteče krilo visoko nosilnost, lahko dodamo do 1000 g dodatne opreme. Ker pa je letalo v obliki letečega krila, je zmanjšana sama stabilnost letala v zameno za hitrost ter vzdržljivost v primeru nesreč. Cena osnovnega modela se prične pri 600. Ker je Zephyr v obliki letala, žal nimamo možnosti vertikalnega vzletanja ter pristajanja, zato potrebujemo veliko več prostora za obratovanje. Prav tako nam oblika letala onemogoča lebdenje na določeni točki. Slika 5.5: Zephyr leteče krilo 43
Tabela 5.1: Primerjava že obstoječih rešitev PHANTOM 2 MD4-1000 Tarot T810 Skywalker Ritewing ZEPHYR Domet do 2 km z možnostjo NE DA DA DA DA nadgraditve do 10 km Možnost natančnega DA DA DA NE NE lebdenja na določeni točki s pomočjo GPS-a RTH funkcija oziroma v DA DA DA NE NE primeru napak vrnitev na vzletno mesto Do 500 g dodatne obtežitve, NE DA DA DA DA razni senzorji kamere Prenos video informacij na DA DA DA DA DA zemeljsko postajo Z nadgradnjo Visoka stabilnost med letom DA DA DA DA NE Cena pod 800 NE NE NE DA 5.2 Izbira Ker sem želel napravo, ki ima možnost vertikalnega vzleta ter vertikalnega pristanka, sem naprave v obliki letal izključil iz izbora že na samem začetku. Čeprav imajo naprave v obliki letal glede na domet in učinkovitost ogromno prednost pred večrotorskimi napravami, mi atributi, kot so možnost vertikalnega vzleta ter pristanka ter tudi lebdenje na mestu, pomenijo več. Naprava v obliki hexacopterja (Tarot t810) mi nudi vse zahtevane pogoje. Žal pa s tem, ker je potrebnih šest motorjev, močno presega moj cenovni cilj. Prav tako z večjim številom motorjev raste celotna teža BLN, s tem pa se zmanjšuje čas letenja, ki je velikega pomena pri oddaljenem nadzoru. Naprava MD4-1000 v obliki quadcopterja nam omogoča popolnoma vse, kar si želimo za ogromno ceno, ki pa je fizičnim uporabnikom praktično nedosegljiva, za razliko od cenovno dostopnejše naprave DJI Phantoma. Žal pa z močnim znižanjem cene znižujemo tudi zmogljivosti same naprave, zato nam naprava Phantom v 44
nekaterih pogojih ne zadošča. Torej sam potrebujem neko srednjo pot med zadnjima dvema variantama, za seveda ugodnejšo ceno. Zato sem se, glede na moje potrebe, odločil za napravo v obliki quadcoptera na podlagi raziskav, ki sem jih opravil na že obstoječih rešitvah. Zdi se mi najprimernejša ter cenovno dostopna, da jo lahko izdelam sam. Izbral bom komponente, ki so po mojih in ocenah drugih uporabnikov najboljše za najmanjši možen denar. Quadcopter bo primeren, ker ima možnost lebdenja v zraku na določeni GPS poziciji, kar mi daje odlično možnost nadzorovanja iz zraka na želeni lokaciji. Ima tudi možnost vertikalnega vzleta in pristajanja. Čas letenja je od 15-25 minut, odvisno od teže, ki jo nosi, ter odvisno od baterije, ki jo uporabljamo. Uporaben domet naprave je 3 km z možnostjo nadgraditve dometa do 10 km, kjer pa nastopi omejitev s časom letenja. Naprava quadcopter nudi odlično možnost priklopa različnih kamer in naprav za nadzorovanje iz zraka. Poskusil bom izdelati napravo v velikosti 600 mm z večjimi propelerji, kar mi bo povečalo učinkovitost ter dovoljeno vzletno težo. Na trgu je že ogromno različnih naprav v obliki quadcopterja, zato bom tudi preveril vse njihove dobre in slabe lastnosti ter izdelal svojo napravo na podlagi teh ugotovitev. 45
6 IZDELAVA BREZPILOTNE NAPRAVE TER ZEMELJSKE POSTAJE Izdelave brezpilotne naprave sem se lotil postopoma z dobro analizo različnih komponent ter komponent, ki sem jih že imel doma. Poskušal sem izdelati čim bolj cenovno dostopno napravo, ki bo imela sposobnosti, katere potrebujem. Moj cilj je izdelati napravo, sposobno manjšega dometa z dobro stabilnostjo in okretnostjo. Izbral sem napravo quadcopter. Pred samo izbiro komponent sem dodobra preiskal že obstoječe naprave, kakšne so njihove lastnosti in komponente. Ker je na trgu že ogromno podobnih naprav sem iz večjih pobral njihove dobre lastnosti in jih uporabil pri izdelavi ene naprave. Najprej sem izdelal prototip naprave, ki je bil uporabljan za testiranja, kasneje pa sem glede na dobljene rezultate sestavil novo končne verzijo naprave. 46
6.1 Izbira komponent Komponente sem izbiral glede na zahtevane specifikacije ter glede naocene drugih uporabnikov oziroma njihovih že izdelanih BLN s predpostavko, da skupna cenovna vrednosti ustreza mojim pogojem, oziroma da je v okviru zadanih ciljev. Večino komponent sem naročil iz tujine, kot glavno pri izbiro komponent pa sem uporabil spletno trgovino HobbyKing. Tabela 6.1: Komponente za izgradnjo BLN Motorji Hextronik dt700 (prototip) 42 SunnySky v3508 580 109 Regulatorji vrtljajev HK Blue series 20A 32 Propelerji APC 12 x 4.5 (prototip) 25 RCtimer 14 x 5.5 36 Krmilnik letenja HK KK2.0 1.6 fw (prototip) 25 NAZA lite + GPS 140 Baterija Zippy Flight max 5000 3s (prototip) 18 Zippy Compact 5000 3s 26 Kamera 600TVL Sony Super Had CCD D- wdr 28 Video oddajnik ter sprejemnik RMRC 1.3 Ghz 130 Antene IBCrazy Cloverleaf + helicat 40 SKUPAJ 651 47
6.1.1 Motorji S samo izbiro brezkrtačnih motorjev sem imel kar nekaj težav. Ker je bil moj cilj izdelati napravo, ki ima čim večjo učinkovitost, sem izbiral motorje z nižjimi obrati. Ti so sposobni vrteti večje propelerje, za čim boljši izkoristek. Najprej sem se odločil za motorje Hextronik dt700, ki so cenovno zelo dostopni ter imajo odličen izkoristek ob uporabi 12.5-inčnih propelerjev. Omogočajo potisk do 900 g na motor, kar omogoča letenje s polno težo naprave 1.8 kg. Za izdelavo prototipa naprave sem uporabil omenjene motorje, ki so glede učinkovitosti delovali odlično, a so se kasneje pokazali za mehansko nezanesljive, kar je vodilo v uničenje prototipa. Kasneje sem jih zamenjal za motorje Sunnysky v3508 580. Ti motorji s še počasnejšim delovanjem omogočajo vrtenje še večjih propelerjev, kar še dodatno poveča učinkovitost. Ker so motorji tudi močnejši ter omogočajo priklop baterije z več celicami, omogočajo tudi več vzgona do 1.6 kg na motor, kar pa omogoča, da je sama teža modela z vsemi komponentami do 3.2 kg. 6.1.2 Regulatorji vrtljajev Pri izbiri regulatorjev vrtljajev sem sledil drugim uporabnikom ter uporabil že preverjene HobbyKing 20A BlueSeries Regulatorje vrtljajev. Ker uporabljam motorje z nižjimi obrati ter večje propelerje, ne pričakujem velikih obremenitev. Torej bodo ti mali 20A regulatorji ravno pravšnji. Programsko sem jih nadgradil z novo različico sistema za boljše delovanje in tako omogočil veliko hitrejše osveževanje. Nadgradil sem jih s programsko opremo SimonK. S hitrejšim osveževanjem občutno povečamo odzivnost motorjev in tako izboljšamo samo stabilnost modela. Regulatorje vrtljajev sem uporabil na prototipu in prav tako na končnem modelu, saj so se pokazali za zanesljive ter primerne za kasnejšo uporabo. 48
6.1.3 Propelerji Pri izbiri propelerjev sem ciljal na čim večje propelerje. Le takšni bodo omogočali veliko učinkovitost in dolg čas letenja. Izbral sem več različnih propelerjev, ki sem jih uporabil na prototipu na motorju dt700 GemFan 12 x 4.5 GemFan 11 x 4.5 APC 12 x 4.5 Kot najučinkovitejši so se pokazali APC 12 x 4.5, a sem jih kasneje moral zamenjati za večje Karbonske propelerje RCTimer 14 x 5.5. Vse propelerje sem balansiral za čim boljše delovanje in čim manj tresljajev, ki bi lahko motili delovanje regulatorja letenja ter kakovosti video posnetkov. 6.1.4 Krmilnik letenja Krmilnik letenja so možgani vsake BLN; skrbi za pravilno delovanje motorjev ter samo stabilizacijo modela. Vse komande, ki jih pošiljamo, pretvori v signale, ki jih regulatorji vrtljajev razumejo in nato regulirajo motorje. Za izdelavo prototipa sem uporabil krmilnik KK2.0 izključno zaradi nizke cene ter osnovnih lastnosti, ki so mi omogočali testiranje naprave. Za kasnejšo uporabo sem v ožji izbor dodal krmilnike: Naza M lite + GPS (130 ) Pixhawk + GPS (250 ) OpenPilot CC3D (150 ) Naza M lite + GPS je krmilnik z izredno nizko ceno glede na svoje sposobnosti. Ima možnost stabilizacije modela, samodejno držanje določene višine, natančno stabilizacijo na določeni GPS lokaciji, samodejno vrnitev na mesto vzleta ob izgubi signala oziroma kakšni napaki. Že ob nakupu je skoraj pripravljen za letenje, brez spreminjanja parametrov, kar je seveda za optimalno letenje neizogibno potrebno. 49
Pixhawk + GPS je odprtokoden krmilnik, ki je izredno napreden, če ne trenutno eden izmed najnaprednejših na trgu. S svojo nizko ceno ter z lastnostmi konkurira več tisoč evrov vrednim krmilnikom. Omogoča praktično vse, kar si lahko zamisliš: stabilizacijo na mestu, na točno določeni lokaciji, samodejen vzlet, samodejen pristanek, avtonomno delovanje po GPS koordinatah. Možnost vodenja s tabličnimi računalniki, s telefoni oziroma z računalniki. Je eden izmed krmilnikov, ki ima največ funkcij, a je za delovanje potrebno kar precej nastavljanja parametrov ter testiranja. OpenPilot CC3D je prav tako odprtokoden krmilnik, ki konkurira dražjim s svojo odlično stabilnostjo ter precej funkcijami. Omogoča GPS stabilizacijo na določeni točki ter prav tako vrnitev na točko vzleta ob izgubi signala. Ta krmilnik je tako kot NAZA skoraj pripravljen za letenje. Odločil sem se za NAZA M lite + GPS izključno zaradi cene, saj se trudim čim bolj znižati stroške, omogoča pa tudi vse potrebne funkcije, ki jih potrebujem. V primeru, da bo projekt uspešen in bom nadaljeval z razvijanjem modelov, pa bom seveda posegel po krmilniku Pixhawk, ki omogoča ogromno več možnosti za avtonomnost BLN. 6.1.5 Baterija Baterija na BLN je vir energije, ki poganja model in njegove komponente. Zatorej je potreben dober premislek, kakšno vrsto in kapaciteto baterije bom uporabil. Uporabil sem Li-poly vrsto baterije. To so baterije, ki omogočajo velike količine porabe energije v zelo kratkem času. Obstaja več vrst teh baterij, delijo pa se glede na število celic, ki jih vsebujejo. S številom celic pa se prav tako povečuje napetost v bateriji. Za izdelavo prototipa sem uporabil baterijo Zippy flightmax 5000mah 3s 12.6 V. Med testiranjem se je pokazala za učinkovito, saj je nudila preko 15 minut letenja, odvisno od obremenitve modela. Za končno verzijo bom za razliko od prototipa uporabil linijo baterij Compact, ki za razliko od Flightmax linije omogočajo enake čase letenja, a manjšo velikost baterij ter manjšo težo in dostopno ceno. 50
Ker imam za končni model močnejše motorje, ki so zmožni delovati na višji napetosti, imam več možnosti izbire baterij. Ob manjši obremenitvi oziroma nižji teži dodatnega tovora bom uporabil baterijo Zippy Compact 5000mah 3s 12.6 V, ki omogoča dolg čas letenja, a manjšo težo vzleta. V primeru težjega tovora pa bom uporabil baterijo Zippy Compact 5000mah 4s 14,6 V, ki omogoča krajši čas letenja, a občutno večjo odzivnost in večjo vzletno težo. Na modelu sem uporabil tudi še eno manjšo baterijo, ki napaja video oddajnik ter komponente za prenos videa. Uporabil sem ločeno baterijo za napajanje video sistema. S tem sem odpravil možne motnje zaradi napetostnih konic ter redundanco v primeru izpada glavne baterije, tako da model še vedno oddaja video povezavo za lažjo lociranje BLN. 6.1.6 Okvir Za izdelavo okvirja prototipa sem uporabil material, ki sem ga imel doma. Osnovno verzijo sem izdelal iz lesenega centralnega dela, ki sem ga izrezal na CNC stroju. Za roke pa sem uporabil aluminijaste palice. Kasneje sem prototip nadgradil s celotnim aluminijastim okvirjem v H obliki, ki mi je omogočal boljšo razporeditev komponent in večje razmike med njimi. To omogoča boljše delovanje ter bolj čiste signale za kontrolo in video prenos. Ker se je med testiranjem prototipa celoten aluminijasti okvir, izdelan iz 1.5 mm aluminija, pokazal za prešibkega, sem v končnem modelu aluminij zamenjal s ploščo iz steklenih vlaken G10. Roke pa sem zamenjal s preverjenimi ter testiranimi kopijami rok modela f450 podjetja DJI. Te roke so krajše in nanje ni možno namestiti več kot 11-inčne propelerje zato sem izdelal nosilce, ki podaljšajo roke, kar omogoča namestitev propelerjev do velikosti 16 inč. Naslednji cilj je izdelava celotnega okvirja iz karbonskih vlaken, saj bi na takšen način prihranil veliko na teži modela in tako podaljšal čas letenja. 51
6.1.7 Kamera Na BLN sta lahko nameščeni dve kameri. Ena za letenje, druga pa za zajemanje videa v HD obliki oziroma v drugi obliki, glede na to, kakšna kamera je nameščena. Kamera, ki je vedno na modelu, je CCD kamera za prenos video informacij oziroma kamera, namenjena za letenje. Nameščena kamera je 600TVL SONY SUPER HAD CCD D-WDR z IR filtrom. Kamera ima lečo 2.8 mm, ki je širokokotna ter nam omogoča večji vidni kot. Druga kamera, ki jo imam opcijsko nameščeno na modelu, pa je za zajemanje video vsebin v HD kvaliteti. Ta kamera je GoPro 3+. Med večjimi kamerami lahko z video stikalom preklapljamo in tako dobimo več informacij, če imamo nameščenih na modelu več kamer. 6.1.8 Video oddajnik ter sprejemnik in frekvence Zaradi ključnega pomena pri letenju z BLN sem za video sprejemnik ter oddajnik izbral podjetje ReadyMadeRC (Slika 6.1), ki je že vrsto let na področju izdelave oddajnikov in sprejemnikov. So eni izmed najkvalitetnejših na trgu. Oddajnik ter sprejemnik lahko pošilja zvok in video, a v mojem primeru sem uporabil le video prenos. Slika 6.1: ReadyMadeRC video sprejemnik Ko se poglobiš v vzpostavitev video povezave, ugotoviš, da imaš na voljo več različnih video frekvenc, ki jih je mogoče uporabiti. Omejil sem se na 3 najpogostejše uporabljane v modelarstvu po vsem svetu. 52
Frekvence, ki so na voljo, so: 1.3 Ghz 2.4 Ghz 5.8 Ghz Torej, pri različnih frekvencah, signal potuje različno. Nižja, kot je frekvenca, daljše in večje valovne dolžine so valovi. Zato lahko potujejo dlje ter potujejo veliko bolje okrog objektov in skozi ovire. Višja, kot je frekvenca, manjši so valovi, s tem pa se tudi zmanjša domet ter prodiranje skozi objekte in ovire. Izboljša se kvaliteta prenosa videoposnetka [7]. 1.3 Ghz Frekvenca 1.3 Ghz je množično uporabljana s strani radioamaterjev za prenos analogne video povezave. Zatorej je ta frekvenca prav tako primerna za uporabo na BLN. Je še dovolj nizka, da lahko dosega velike razdalje in precej dobro premaguje ovire. Slabost frekvence je bližina frekvenc, ki jih uporablja letalstvo za komunikacijo. To frekvenco sem postavil tudi sam v ožji krog izbire. 2.4 Ghz Frekvenca 2.4 Ghz je zelo popularna. Je najpogosteje uporabljana frekvenca. Večina opreme je tako tudi najcenejša ter najdostopnejša. Ima tudi precej dober domet. Pojavlja pa se drug problem. Ker ne moremo uporabljati več različnih naprav z enako frekvenco, nam tako onemogoči uporabo 2.4 Ghz oddajnika za nadzor BLN. Napravi se med seboj motita, zmanjšata domet napravi za vodenje in pokvarita oddajano sliko. Druga slabost je tudi slaba penetracija objektov ter dreves. Vse ovire lahko prekinejo video povezavo, kar pa pomeni izgubo BLN. Torej, ko uporabljaš 2.4 Ghz za video prenos, moraš vedno ostati v vidnem zornem kotu. 53
5.8 Ghz Frekvenca 5.8 Ghz hitro povečuje svojo popularnost. Ta frekvenca je uporabna, kajti večina pilotov uporablja 2.4 Ghz, s tem pa se izniči možnost motenja signalov. Ima dokaj dober domet, vendar možnost letenja le v vidnem območju modela zaradi slabe penetracije objektov ter ovir. Prednost je v velikosti anten, ki se z višanjem frekvence zmanjšujejo. V kvaliteti slike, ki jo je mogoče prenašati na frekvenci 5.8 Ghz ter v motnjah, ki jih praktično ni na tej frekvenci, saj ni praktično nobene druge opreme na tej visoki frekvenci. Največkrat je uporabljana frekvenca na večmotornih helikopterjih, kjer ni prostora za velike razmike med opremo. Video oddajnik sem izbral glede na izkušnje drugih uporabnikov in njihovih mnenj. Za svoje potrebe sem se odločil za frekvenco 1.3 Ghz, ki ima odličen domet ter dobro prodornost skozi objekte in je ključnega pomena pri misijah na nedostopnem terenu. Video oddajnik, ki ga uporabljam, je 300 mw oddajnik podjetja ReadyMadeRC v kombinaciji z video sprejemnikom istega podjetja. Na oddajniški strani uporabljam filter za nizke frekvence, ki odstrani oddajniške motnje na frekvencah višjih od 1.3 Ghz, to pa mi omogoča uporabo 2.4 Ghz oddajnika za kontrolo BLN. 6.1.9 Antene Pri uporabi različnih video frekvenc so na voljo različne antene, ki so bistvenega pomena za delovanje video povezave. Antene služijo za sprejemanje ter pošiljanje radijskih valov, ki prenašajo naše video podatke. S pravilno izbiro anten lahko bistveno izboljšamo domet in kvaliteto video povezave. S spreminjanjem višine frekvence se prav tako spreminjajo velikosti anten. Nižja, kot je frekvenca delovanja, večja je antena, ter ravno obratno pri višji frekvenci. 54
Dipol To je antena, s katero primerjamo vse ostale; to je tipična palična antena, ki jo dobimo vključno z večino oddajnikov. Slika 6.2: Standardna dipol antena Skew-Planar Wheel Ta antena je krožno polarizirana in ima odlične sposobnosti odbijanja slabih odbitih signalov. Ta antena je uporabljana v splošnem letenju, kjer aerodinamika (zračni upor) ni ključnega pomena. Po navadi je uporabljana kot sprejemna antena, vendar deluje dobro tudi kot oddajna. Slika 6.3: Skew planar sprejemniška antena 55
Cloverleaf Ta antena je nadgrajena verzija ''Skew-Planar'' antene za uporabo na oddajniku. Ker je antena precej velika, je zračni upor večji. Uporablja se za dolge razdalje ter odlično prebojnost objektov. Slika 6.4: Cloverleaf oddajniška antena Tipi Polarizacije anten Pri anteni je pomembna tudi njena polarizacija, kar določa orientacijo električnega polja v elektromagnetnem sevanju, glede na Zemljino površino. Poznamo linearno ter krožno polarizacijo anten [10]. Linearna polarizacija Običajne antene uporabljajo linearno polarizacijo, to so večinoma originalne oddajniške palične antene. Pri linearno polarizirani anteni signal oscilira horizontalno oziroma vertikalno v eni smeri (Slika 6.5). Ta tip je zelo občutljiv na smer postavitve antene. 56
Ker se naš model vedno premika ter se nagiba levo in desno, ustvarjamo velike polarizacijske kote, ki nam zmanjšujejo moč signala. Da bi rešili ta problem, moramo uporabiti krožno polarizacijske antene. Slika 6.5: Smer gibanja linearno polariziranih radijskih valov Krožna polarizacija Pri tem tipu polarizacije oddajamo signal v obeh smereh vertikalno in prav tako horizontalno z 90-stopinjskim faznim zamikom. Tako imamo namesto sinusnega valovanja signal v obliki vijaka, kot lahko vidimo na spodnji sliki. Slika 6.6: Smer gibanja krožno polariziranjih radijskih valov Dobre in slabe strani obeh polarizacij Eden izmed glavnih razlogov za uporabo krožne polarizacije je zmožnost zavračanja slabih odbitih signalov. Odbiti signali so eden izmed glavnih razlogov za slabo video kvaliteto. Motnja je lahko prikazana kot sprememba barve, velike črte, ali pa popolno uničenje slike 57
(Slika 6.7). Vzrok za povzročitev odbojev je lahko postavitev antene ali večji objekti v smeri letenja. Slika 6.7: Rezultat odbitega signala na sprejemniku Linearna polarizacija je bolj pogosta zaradi njene enostavnosti. Antene so manjše, cenejše ter enostavnejše za gradnjo. Zmožne so večjih dometov kot krožno polarizirane, vendar so bolj občutljive na odboje. Osebno sem pri izgradnji BLN uporabil na oddajniški strani anteno Cloverleaf, ki odlično deluje na modelu, ki se neprestano premika, ne glede na njegovo pozicijo. Na sprejemni strani pa sem uporabil anteno Cloverleaf ter anteno Helicat, odvisno od situacije. Helicat antena je rahlo usmerjena ter ima odlične lastnosti preboja skozi objekte, kar zagotavlja dobre rezultate na neravnem ter nedostopnem terenu. Obe anteni sta se izkazali za odlično kombinacijo, zato sem jih uporabil tudi na končnem modelu. 6.1.10 Zemeljska postaja Zemeljska postaja je eden izmed glavnih delov oddaljenega nadzora, saj brez nje ne moremo voditi BLN, če je nimamo v videnem polju oziroma ne moremo videti, kaj BLN snema. Za svojo zemeljsko postajo sem uporabil komponente, ki sem jih imel že doma ter sem z malo dela vse skupaj zložil v kovček. Uporabil sem 21-inčen LCD televizor PHILIPS, ki sem ga vgradil v kovček, ki je lahko napajan z baterije oziroma je lahko priklopljen na elektriko, če je le-ta na voljo. V kovček sem namestil tudi merilnike 58
napetosti, tako da vedno vem, koliko baterije je še na voljo. V kovček lahko zložim vse potrebne komponente, ki jih potrebujem na terenu, ter mi omogoča enostaven prenos komponent. Slika 6.8: Zemeljska postaja z vso opremo 6.2 Izgradnja BLN Izgradnje BLN sem se lotil v dveh delih. Najprej sem izdelal prototip naprave, ki sem ga izrisal v programu za 3D modeliranje ter ga izdelal ter testiral. Po testiranju sem iz ugotovitev z odpravo slabosti in raznimi popravki izdelal še končno verzijo BLN. 6.2.1 Prototip Najprej sem se lotil izdelave okvirja, ki sem ga narisal s programom za 3D modeliranje ter kasneje okvir izrezal na CNC stroju. Prvoten okvir je bil izdelan iz kombinacije lesa ter steklenih vlaken in aluminijaste roke (Slika 6.9). Kmalu po izdelavi pa sem prišel do ugotovitve, da bom imel premalo prostora za vse komponente, zato sem spremenil obliko celotnega prototipa ter kompletno BLN izdelal po novem načrtu. 59
Slika 6.9: Izdelan okvir prvega prototipa Nov prototip sem v celoti izdelal iz 1.5 mm debelega aluminija v bolj podolgovati obliki. Ima ločen zgornji in spodnji del za zmanjšanje vibracij ter večji prostor za vse potrebne komponente za prenašanje videa (Slika 6.10). Slika 6.10: Izdelan okvir drugega prototipa Okvir sem sestavil ter v notranjost že vgradil regulatorje hitrosti, kontrolnik letenja, sprejemnik za radijsko postajo ter na zadnji del napajalno baterijo. Na roke okvirja sem namestil aluminijaste nosilce za motorje ter na njih namestil motorje, ki sem jih povezal z regulatorji vrtljajev. Povezal sem še vse, kar je bilo potrebno povezati in izdelal nogice za napravo (Slika 6.11). Napravo sem testiral brez video povezave, a sem 60
po nekaj hitrih testih ugotovil, da 1.5 mm debel centralni del iz aluminija ni dovolj trden in se preveč upogiba ob letenju. Slika 6.11: Izdelan prototip, pripravljen za testiranje 6.2.2 Končna verzija Po ugotovitvah iz testiranja prvega prototipa, da 1.5 mm aluminij ni primeren za izdelavo centralnega dela, sem za izdelavo končnega izdelka uporabil ploščo iz steklenih vlaken G10. Zamenjal sem tudi motorje za močnejše ter zmožne vrtenja večjih propelerjev. Zamenjal sem propelerje in kontrolor letenja kk2.0 za NAZA lite, ki je novejši ter ima GPS oddajnik. Zamenjal sem tudi roke okvirja za plastične roke, ki jih je poceni mogoče dobiti na spletni trgovini ebay v primeru okvare. Izdelal sem tudi podaljške za roke, kateri bodo omogočali namestitev večjih propelerjev, kar je vidno na spodnji sliki. 61
Slika 6.12: Nameščanje komponent na končno verzijo BLN V notranjost sem namestil še vse manjkajoče komponente za nadzor letenja ter povezal vse konektorje. Vse skupaj sem sestavil in pripravil za prvi polet ter testiranje. Po prvem uspešno opravljenem letu sem nastavil še potrebne nastavitve s pomočjo računalniške programske opreme DJI NAZA assistant. BLN je bila tako pripravljena za letenje, manjkale so le še komponente za vzpostavitev video povezave. 6.3 Vzpostavitev video povezave Za uporabo BLN v namen oddaljenega nadzora je potrebno vzpostaviti video povezavo med BLN ter zemeljsko postajo. Naš glavni vir informacij bo živ video posnetek, ki bo prenesen z oddajnikom na modelu (Slika 6.13) ter sprejet s sprejemnikom na zemeljski postaji. Da pa bo vse delovalo brez motenj in težav, je potrebno pravilno izbrati vse komponente. Ker so oddajniki in sprejemniki zelo občutljivi, sem se lotil načrtovanja, kako vgraditi video sprejemnik v model, da ne bo motil GPS sprejemnika ter sprejemnika za RC postajo. 62
Poskušal sem čim bolj razmakniti te komponente, tako sem GPS ter sprejemnik za RC kontrolo pomaknil popolnoma v zadnji del BLN. Video oddajnik ter anteno pa čisto v prednji del BLN. Anteno video oddajnika sem obrnil navzdol, saj tako ni v napoto propelerjem in ni motenj s prekrivanjem baterije. Da sem še bolj izločil možnosti motenj, sem na video oddajnik namestil tudi filter nizkih frekvenc, ki izloči višje frekvence, ki bi utegnile motiti druge komponente. Slika 6.13: 1.3 Ghz video oddajnik Po vgradnji vseh komponent je bilo na vrsti testiranje video povezave. Že v prvem poskusu je vse delovalo, kot mora. Video povezava je stabilna ter prenaša video brez motenj in ne moti drugih komponent. Opravil sem še nekaj testov video povezave na večji razdalji, da sem se prepričal, če vse pravilno deluje. BLN je tako končana in sledi testiranje oddaljenega nadzora ter testiranje uporabnosti naprave (Slika 6.14). 63
Slika 6.14: Dokončana BLN, pripravljena na testiranje 6.4 Podrobna analiza oddaljenega nadzora Oddaljen nadzor sem podrobno analiziral po nekaj mesecih letenja in nekaj uspešno opravljenih misijah. Tako sem lahko dobro preučil, kakšne so zmožnosti oddaljenega nadzora z BLN. Najbolj me je zanimalo, ali so BLN praktično uporabne ter zmožne učinkovitega pridobivanja raznoraznih informacij in jih nato posredovati na zemeljsko postajo, kjer so informacije na voljo za uporabo. Oddaljen nadzor je mogoče izvajati praktično povsod, kjer vremenski oziroma tehnični pogoji ustrezajo BLN. Oddaljen nadzor je sestavljen iz več različnih delov. Glavni sestavni del oddaljenega nadzora je brezpilotna leteča naprava, ki pa seveda potrebuje zemeljsko postajo, na katero oddaja vse informacije. Pomemben člen oddaljenega nadzora je tudi upravljalec z BLN oziroma pilot same naprave, v kolikor ne gre za popolnoma avtonomno letečo napravo. Izvajanje oddaljenega nadzora se prične, ko prispemo na kraj dogajanja oziroma na točko interesa. Najprej postavimo zemeljsko postajo ter pripravimo BLN na vzlet, to traja 64
maksimalno 10 minut. Ko z brezpilotno napravo vzletimo, pa se prične oddaljeni nadzor, ki traja v povprečju okoli 20 minut, odvisno od konfiguracije. Med samim letom pridobivamo vidne informacije skozi zaslon, le-te pa lahko uporabljamo nam v korist. Informacije se razlikujejo glede na nameščene senzorje ter različne kamere, ki so nameščene. 65
7 TESTIRANJE DELOVANJA NAPRAVE Testiranje delovanja naprave sem izvedel v več delih. Najprej sem si začrtal različne teste, ki sem jih moral opraviti, nato pa sem rezultate primerjal z želenimi cilji. Prva testiranja so bila tehnične oblike, da sem ugotovil zmožnosti same naprave ter njene omejitve. Druga vrsta testiranj pa so bile simulacije posredovanja na terenu. Zadal sem si več tehničnih testov, ki sem jih preizkusil z eno 3s 5000mah baterijo. Pričakovani rezultat z dvema baterijama bi bil za 1.6 x daljši čas letenja. Čas letenja brez opreme Čas lebdenja na mestu Čas letenja z HD kamero GoPro Domet RC kontrole 2.4 Ghz Domet Video povezave 1.3 Ghz Maksimalna vzletna teža ter teža tovora Čas letenja Čas letenja brez opreme sem testiral v mirnem dnevu brez vetra. Quadcopter je bil opremljen z osnovno opremo brez HD kamere. Med testiranjem sem ves čas letel ter poskušal čim manj lebdeti na mestu. Rezultati so pokazali, da je čas letenja 17:45 min. Čas lebdenja na mestu Lebdenje na mestu sem opravil v mirnem dnevu brez vetra. Quadcopter je bil opremljen z osnovno opremo brez HD kamere. S pomočjo funkcije GPS position hold sem quadcopter držal na mestu, dokler se baterija ni izpraznila (Slika 7.1). Dosežen čas letenja je bil 19:25 min. 66
Čas letenja z HD kamero GoPro Polno opremljen quadcopter z HD kamero GoPro s skupno vzletno težo 2.1 kg. Dosežen čas letenja je bil 15:20 minute. Domet RC kontrole 2.4 Ghz Domet oddajnika za radijsko kontrolo modela sem testiral v dveh delih. Najprej na tleh, nato še v zraku. Na tleh sem testiral tako, da sem se z oddajnikom oddaljeval od sprejemnika v čim bolj čisti liniji (brez dreves, hiš). Dosegel sem razdaljo 1.6 km, kar v zraku pomeni krepko čez 2 km. Ko sem testiral v zraku, sem dosegel razdaljo 2.5 km brez kakršnih koli težav, dlje pa zaradi prostorske omejitve ter vidne linije nisem testiral. Domet Video povezave 1.3 Ghz Video povezavo sem testiral skupaj z RC kontrolami. Video povezava deluje na nizki 1.3 Ghz frekvenci, zato tudi nisem pričakoval kakršnih koli motenj na teh razdaljah. Med testiranju ni prišlo do skoraj nobenih motenj do razdalje 2.5 km, katero sem testiral. Video povezava v tem sistemu ni najšibkejši člen, kajti z lahkoto bi presegla razdaljo, ki jo je RC kontrola sposobna doseči. Testiral sem tudi v gozdu ter z nekaj ovirami, kar tudi ni predstavljalo večjega izziva za 1.3 Ghz video povezavo. Maksimalna vzletna teža ter teža tovora Maksimalno vzletno težo sem testiral tako, da sem quadcopter obteževal do točke, ko v zraku ni bil več normalno obvladljiv. Teža vzleta bi lahko bila še večja, vendar kontrola ni več zanesljiva ter brezhibna. Testirana maksimalna teža vzleta na 11,1v 3s bateriji je 2,5 kg, kar pomeni pri 1.8 kg težkem quadcopterju možnost tovora 700 g. Test sem izvedel tudi na 14.8 v 4s bateriji, rezultat pa je vzletna teža 3.3 kg pri 2 kg težkem quadcopterju, torej možnost tovora 1.3 kg. 67
Slika 7.1: Testiranje časa letenja Simulacija lociranja ponesrečenca v gorah Kot testno simulacijo sem izvedel primer iskanja ponesrečenca na nedostopnem terenu. Testiral sem, kako hitro lahko posredujemo z brezpilotno napravo in koliko časa potrebujemo, da najdemo ponesrečeno osebo. Ugotovil sem, da je lahko quadcopter pripravljen za let v približno treh minutah. Ponesrečenca pa sem brez težav, takoj ko sem priletel na območje, zaznal ter lociral. Rezultati so pokazali, da je mogoče s pomočjo brezpilotne naprave v zelo kratkem času izvesti iskanje ter tudi uspešno najti ponesrečenca. 68