Приложение на бeзпилотните летателни апарати за фотограметрични цели

С. Билидеров, Н. Пачалийски, В. Стефанов, А. Янакиев

Резюме: В статията е представена една възможност за използване на нискобюджетните безпилотни системи за фотограметрични цели. Разгледани са приложенията на автономните безпилотни системи, използвани за решаването на различни задачи. Направена е съпоставка на разликите между приложението на самолетната и вертолетната схеми. Представена е накратко блоковата схема на такъв тип комплекс. Направени са изследвания за възможността за повишаване на точността на позициониране на изображенията, получавани с такъв тип системи.

Въведение: При разработване на картографски и топографски материали се използват редица скъпи и специализирани инструменти, заедно с голям на брой квалифициран персонал. Освен това при извършването на аерофотографски дейности, при получен некачествен резултат е необходимо тяхното преповтаряне. Това оскъпява неимоверно много получения продукт. Също така при изпълнението на редица геодезични измервания мобилността на екипа е от съществено значение.

Въпросът е, как да се повиши ефективността на работата при намаляване на цената на продукта, увеличавайки неговата достоверност и ограничавайки времето за получаването му?

Цел на статията

Целта на настоящия материал е да се покажат възможностите за приложението на нискобюджетни безпилотни системи при изпълнение на различните геодезични дейности.

Общи сведения за безпилотните системи

Безпилотните летателни апарати (БЛА) са системи, които се управляват дистанционно или работят автономно, имат сравнително малки размери и маса, и изпълняват строго специфични дейности. На борда на такива системи не се окачва нищо излишно освен необходимото за решаване на конкретната задача.

Тези системи се характеризират с относително ниска себестойност и сравнително лесна експлоатация. Много често за такъв тип системи се използва определението – нискобюджетни.

БЛА притежават голяма гъвкавост, защото чрез използването на разнообразна апаратура възможностите им се променят в зависимост от решаваната в момента конкретна задача. Самите те са приложими за опериране в зони с малка площ.

Основният параметър, който определя диапазона на тяхната експлоатация, това е полезният товар. За нискобюджетните безпилотни системи този полезен товар е в границите на 0,5 кг. ÷ 60 кг, при отношение на максималното излетно тегло към полезен товар в диапазона 1,8÷6.

Друг параметър, който определя приложението на БЛА, това е продължителността на полета от 15 мин. ÷6 часа, при далечина на полета от 2÷250 км. и практически таван на полета до 5200 м.

Експлоатационният скоростен диапазон на тези системи е в границите от 20 км/ч ÷ 150 км/ч.

Съвремието доказа, че БЛА са приложими за решаването на широк кръг задачи от различно естество, като например:

–   различни видове охрана, контрол и наблюдения;

–   търсене и оценка в райони на бедствия, аварии и екологични катастрофи;

–   наблюдение над горски масиви, селскостопански посеви и култури, земемерски дейности;

–   картографиране и геодезични измервания;

–   бързо опресняване на топографската информация в населените места;

Системите изградени с безпилотни ЛА са особено гъвкави и приложими за широк кръг дейности. Една и съща платформа с минимални разходи се преоборудва за изпълнението на коренно различни задачи.

Анализът на пазара показва, че към момента се предлагат широка гама продукти от типа – „Fully autonomous ready to fly UAV system“ (продукти готови за директна експлоатация). Базовото оборудване на такъв комплекс се състои от:

·        Въздушен сегмент;

·        Наземен сегмент;

·        Сегмент за обработка на данните.

Цената на базова конфигурация на „Fully autonomous ready to fly UAV system“ варира в диапазона – 15000 ÷ 1100000$ и зависи от параметри, като: далечина и продължителност на полета; брой на летателните апарати в комплекта; възможен максимален полезен товар за пренасяне; възможности и екипировка на наземната станция за управление и др.

Към цената на базовата система трябва да се има в предвид и цената на допълнителното оборудване, което се монтира на борда. То зависи от спецификата на задачите, които ще се изпълняват с конкретната система и варира от 30000 ÷ 90000$.

Избор между самолетната и вертолетната схеми

Избора между самолетната и вертолетна схеми зависи от приложението на безпилотната система. За да се осъществи този избор е необходимо да се направи сравнителен анализ на предимствата и недостатъците на системи БЛА използващи самолет или вертолет.

1.      БЛА самолетна схема:

1.1.Предимства:

·         по-голяма относителна товароносимост спрямо вертолета;

·         по-голяма продължителност на полета спрямо вертолет с аналогично излетно тегло;

·         по -голям радиус на действие спрямо вертолет с аналогично излетно тегло.

1.2. Недостатъци:

·         необходимост от обособена полоса за излитане и кацане (ПИК);

·         необходимост от допълнителни устрйства за скъсяване на разбега при излитане, когато дължината на ПИК е недостатъчна- катапулти, стартови ускорите, трамплини и др.;

·         необходимост от допълнителни устройства за скъсяване на пробега при кацане, когато е недостатъчна дължината на ПИК – уловки, въздушни възглавници, парашути и др.;

·         ограничение по минимална възможна скорост на полета;

·         значително по-ниска маневреност в хоризонтална равнина спрямо тази на вертолетa.

2.      БЛА с вертолет:

2.1.Предимства:

·         излитане и кацане от ограничени по размер и(или) труднодостъпни площадки, опериране от урбанизирани зони;

·         диапазон на скоростите на полет от Vmax до 0, зависване над определени точки от маршрута;

·         по-висока маневреност в хоризонтална равнина, с радиус на завоя клонящ към нула;

·         възможност за безопасно приземяване в режим на авторотация.

2.2. Недостатъци:

·         по-малка продължителност на полета спрямо самолет с аналогично излетно тегло;

·         по-малък радиус на действие спрямо самолет с аналогично излетно тегло;

·         по-малка относителна товароносимост спрямо самолета.

На фиг.1 са показани външните конструктивни белези на безпилотните самолети (фиг.1, а) и вертолети (фиг.1,б).

Фигура 1 Външни конструктивни белези на безпилотните самолети и вертолети

На пазара все по-голямо предпочитание се отдава на автономните безпилотни хеликоптери (АБХ), пред безпилотните самолети (БС). Това е разбираемо поради редица физически предимства на хеликоптерите пред самолетите, като например: не е нужно да се осигурява полоса за излитане и кацане; възможност за зависване над конкретна точка от терена; възможност за бързи маневри и др.

Блокова схема на комплекса

Блоковата схема на „Fully autonomous ready to fly UAV system“ състояща се от три сегмента е показана на фиг.2.

Въздушния сегмент е съставен от БЛА, пилотажно и навигационно оборудване за него, платформа с камери и оборудване. Съответно за връзка с базовата станция се използват телеметрични системи.

Оборудването на БЛА включва системи за управление и навигация, които му помагат да пренесе полезен товар или да изпълни конкретна задача от точка до точка за зададено време.

Самият БЛА има опции да се управлява дистанционно от земята или да лети в автономен полет, като предава натрупаната информация в реално време, чрез телеметричната система изграждаща комуникационен канал между наземната станция и БЛА. По него към наземната станция от борда на ЛА се предава телеметрична информация. В обратна посока оператора на станцията има възможност за препрограмиране на полета.

Точен полет по маршрут се изпълнява с възможност за използване на диференциална GPS корекция в автоматичен режим, което повишава точността на позициониране на БЛА над конкретните зададени точки от маршрута.

На борда на БЛА съществува опция за монтаж на стабилизирана платформа за подкачване на апаратура за: аерофотографиране или лазерен скенер за картографиране на релефа. На тази платформа се монтират с цел изпълняване на различни задачи и широка гама от камери, лазерни скенери или друг тип апаратура за дистанционни измервания. Чрез оборудването, което се подбира бързо и точно се осигурява нужната информация, като скоростта за нейното набавяне е по-голяма в сравнение с използваните досега наземни методи.

Изградената телеметрична система осигурява канал за комуникация в реално време. По него се предава необходимата в конкретния случай информация в зависимост от изпълняваната задача.

Наземния сегмент се състои от наземна станция за контрол и управление полета на БЛА и станция за управление на полетната задача.

Събраните данни от борда на БЛА или от наземният сегмент се предоставят на сегмента за обработка на данните, който представлява специализиран софтуер за програмиране и препрограмиране на полетната задача и следене на текущите параметри на полета заедно с различнен снимков материал привързан към тези параметри.

Фигура 2 Блокова схема на „Fully autonomous ready to fly UAV system„

Приложение на БЛА във фотограметрията

С развитието на технологиите, използването на БЛА за решаване на различни фотограметрични задачи става все по-възможно и има много предимства пред класическите фотограметрични методи. В какво биха се изразили те? Ето няколко от тях с възможните приложения:

• за заснемане в кратък срок на не големи по площ обекти, като например: населено място (градски квартал, село или малък град); земеделски и горски площи; кариери и открити рудници; водни площи; линейни обекти (транспортни обекти, открити канали, газо- и електропроводи и др.), където наемането на пилотируем апарат е неприложимо поради малкия обем от работа и висока себестойност на единица изпълнена дейност;
• използването и поддържането на БЛА е много по-евтино от това на пилотируем летателен апарат;
• по-голямата гъвкавост приложението им като например: отсъствието на разрешителен режим за летене; използване в зони с висок риск, където иначе живота на пилота и оператора би бил застрашен; заснемане при неподходящо за летене на пилотируем апарат време чрез летене под облачната покривка и други;
• бързо реагиране на възникнала потребност и възможност за повторение (пълно или частично) на заснемането при неудовлетворителни резултати;
• краткосрочна полева работа и намаляване на съпътстващите я задължителни разходи особено при неблагоприятни метеорологични условия;

С използването на безпилотните летателни апарати се появят и някои трудности и недостатъци. Такива например са:

·         ниската височина на полета и заснемането на сравнително малка площ на един кадър, което изисква по-голям брой снимки. Това води до относително по-бавно обработване на блока;

·         по-малката подемна сила и нискобюджетни решения, което донякъде стесняват избора на фотограметрично бордово оборудване, камери и скенери;

·         наличие и обучение на оператори по управлението, обслужването и поддържката на БЛА;

Провеждани са експерименти в тази насока с различни фото камери. Основните изисквания, на които трябва да отговарят те за постигане на достатъчно добри резултати са:

·         надеждна синхронизация с останалото оборудване на БЛА;

·         да разполагат с възможно по-голям сензор (за добър се счита така наречения размер full frame 24/36 мм);

·         голям брой пиксели и възможно по-голям размер на пиксела за по-качествено изображение;

·         възможност за включване на GPS приемник към апарата;

·         камерата да е метрично калибрирана;

Цифровите камери оказват съществена роля във въздушната фотограметрия. Поставяйки ги на борда на въздухоплавателни съдове (ВС), те успяват да задоволят бързо нарастващите потребности от данни получени чрез въздушни снимки.

Използването на БЛА, като платформа за фотограметричната апаратура дава възможност за намиране на сравнително евтини професионални решения при интегрирането на фотограметричните процедури и анализирането на точността от експерименталните резултати. Също така, с безпилотна система е възможно постигането и на стереометрични изображения.

Примерна стереометрична картина получена от безпилотна летателна система е показана на фиг.3.

Фигура 3 Стереометрични изображение получени от безпилотен летателен апарат

В последните години цифровите въздушнопреносими сензори се разработват с идеята, да задоволят нарастващите изисквания на фотограметрията и приложенията за отдалечени измервания. Развитието им се свежда в две направления: използването им в сателитни платформи и технологии изискуеми от потребителите на фотограметрична техника.

Външните параметри за ориентиране на въздушно преносимите сензорите, са приложими във различни картографски задачи, като: ортофотографиране; генериране на цифров модел на местността; снемане на 3D параметри на обектите и тяхната рекострукция. Връзката между въздушната снимка и свойствата на обекта се дава именно с тези параметри, те установяват физическата геометрия на сензора относно земята и ориентацията му в пространството по време на снимката.

Нарастващата урбанизация налага решаването на редица проблеми при картографирането на сградния фонд. Приложението на БЛА с фотограметрична апаратура на борда успешно решава така възникналите проблеми. На фиг.4,а) е показана снимка на урбанизиран район, а на фиг. 4,б), възможността за приложение на данните от БЛА при съставяне на градоустройствен план.

Фигура 4 Приложение на БЛА във фотограметрията

Въздушната фотограметрия е бърз и високоефективен метод за сбор и обновяване на масиви от данни, тя оказва директно въздействие върху качеството на събраната информация, финалната точност при картографирането, а също така и на цената и цикъла на проекта.

Използвайки БЛА за такива цели, дава възможност да се заменят методите за ръчно набиране на данни и да нарастне прецизноста при работа, съответно с намаляване на трудностите и времето при обработката на резултатите.

Пътища за постигане на поставената цел

Възможностите за приложението на нискобюджетни безпилотни системи при изпълнение на различните геодезични дейности, се свежда до избор или разработване на: платформата на БЛА; пилотажно-навигационно и фотограметрично оборудване; подходящ софтуер за решаване на поставената задача.

Избора или разработването на летящата платформа се свежда до преценка на приложението и задачите, които се решават с нея. При използването на нискобюджетни решения, оценката на БЛА се извършва на база: полезен товар, който може да се подкачи на борда; максимална височина и продължителност на полета; радиус на действие на комплекса и др. В полеви условия, за обхождане на малки райони и бързо снемане на събраната информация и в съгласие с предимствата и недостатъците на самолетната и вертолетна платформи е по-подходящо избора на вертолетна схема.

Пилотажно-навигационното оборудване, което се монтира на борда на безпилотния хеликоптер осигурява високо точно преминаване между зададените точки от маршрута на полета. Технологията на интегриране на GPS, инерциална навигационна система и камера за фотограметрия позволява да се получат изображения, които са високо точно позиционирани и привързани към геодезичната мрежа използвана в страната.

От особенно значение е да се използват цифрови камери калибрирани от самия производител. Разработчиците все повече залагат на специализираните камери за въздушна фотограметрия, които се интегрират със ситемата за управление на полета на БЛА, като по този начин се решават проблемите възникващи при автоматичен полет.

Резултати и препоръки

Използваните БЛА за целите на фотограметрията могат да оперират автономно, полу-автономно или могат да се контролират дистанционно от наземната станция. На стабилизирана платформа се монтира фотограметричното оборудване, като цифрови, термични или инфрачервени камери и др., както и комбинация от различните типове.

Данните получени при работата на системата могат да се привържат към местна локална координатна система, както и към избрана глобална такава.

На фотограметрията осъществявана от БЛА може да се гледа, като на нов клон в тази наука. Тя отваря варианти за много нови полета на работа, при измерванията в затворен контур, във въздушната и земната фотограметрия, както и при приложенията за реално време. Фотограметрията с БЛА се явява една евтина алтернатива на класическата фотограметрия осъществявана с пилотируеми ВС. На табл.1 са показани сравнителните характеристики на различните видове методи с които се използва фотограметрията.

Таблица 1: Характеристики на методите с които се използва фотограметрията

Една категоризационна схема на техниките за измерване във фотограметрията е показана на фиг.5. Тази схема отразява зависимоста на точността на измерване от размера на фотографирания обект. От нея се вижда, че при БЛА използвани за целите на фотограметрията, най-високата точност е от порядъка на 10 сm.

В момента на пазара са достъпни системи за позициониране с точност до няколко сантиметра, като точността на измерване на лазерните скенери е от същия порядък, което ги прави подходящи за картографиране и различни геодезични измервания.

Използвайки такива високоточни системи за позициониране, наред с качествени алгоритми за навигация и управление на полета на БЛА се постига точност при определяне на координатите на местоположение от порядъка на 1 сm.

В заключение може да се направи обобщение относно очакваната целесъобразност от бъдещото използване на БЛА в условията на ограничени бюджети и срокове, като много по-достъпна система. Тя ще се яви подходяща алтернатива на използваните до момента класически такива методи, базирани на пилотируеми апарати. Разработване на пилотен проект на такава единица и провеждане на изпитания за изпълнение на множество задачи в различни режими и при специфични условия ще дадат отговор на повечето въпроси. Бъдещият пазар на този вид услуга ще определи нейното приложение и целесъобразност.

Използвани материали:

1.      Henri Eisenbeiß. UAV Photogrametry. Zurich 2009, DISS. ETH NO. 18515

2.      LIN Zongjian. LOW ALTITUDE PHOTOGRAMMETRIC SURVEY. Commission I. UAV FOR MAPPING. Beijing-China. 2008г.

3.      Безпилотни летателни апарати:<https://uav.start.bg/> 22.08.2010г.

4.      Chair of Photogrammetry and Remote Sensing: 22.08.2010г.

5.      International Society for Photogrammetry and Remote Sensing: 22.08.2010г.

6.      Rotomotion, LLC: 22.08.2010г.