Măsurători UAV în condiții de vânt de până la 45 km / h

Pe măsură ce topografia UAV devine mai populară, topografii vor să profite din ce în ce mai mult de dronele lor în situațiile de zi cu zi. În anumite locații, în special în cele din mediul alpin sau de coastă, aceasta înseamnă supravegherea în condiții de vânt puternic. Este o practică comună pentru producătorii de UAV să pretindă toleranțe ridicate la vânt, dar cum se desfășoară acest lucru în teren?

Limita de vânt pentru Marlyn este de 45 km / h pentru decolare și aterizare în modul elicopter (vertical) și de 55 km / h pentru misiunea de cartografiere efectivă în modul avion. Pentru a demonstra acest lucru într-un cadru real, acest document va descrie un sondaj care a fost efectuat în condiții de vânt în apropierea limitelor recomandate utilizatorilor Marlyn. Acest lucru servește atât pentru a oferi dovezi că Marlyn poate zbura la aceste viteze mari ale vântului, cât și pentru a arăta efectul minim pe care acesta îl are asupra datelor sondajului, arătând astfel aplicabilitatea sa ca instrument de inspecție zilnic.

Introducere în zona sondajului

Acest zbor a fost efectuat pe 27 octombrie 2020 la sediul central al Atmos pe câmpul de testare din Valkenburg, Olanda, a cărui locație este prezentată mai jos.



Până în 2006, acestă locație a fost folosită de Marina Regală Olandeză ca bază aeriană pentru flota lor de 13 aeronave Lockheed P-3 Orion. Locația de coastă a lui Valkenburg l-a făcut locul ideal în timpul Războiului Rece pentru ca P-3 să vâneze submarinele sovietice care operau în Marea Nordului și Canalul Mânecii și astăzi este folosit ca spațiu aerian deschis pentru companiile de drone pentru a-și testa și dezvolta produsele.



Locația Valkenburg, la doar 3 km de coastă, o face, de asemenea, ideală pentru testarea unei drone în condiții de vânt puternic. Pentru aproximativ două treimi (227 de zile) din an, vântul rece al Mării Nordului bate cu rafale peste 30 km / h (conform datelor despre vânt de la Visual Crossing).

Din 2013, fiecare dronă care a părăsit fabrica Atmos a fost supusă testării prealabile în această locație. Deci, pentru a putea testa, produce și utiliza drone în mod eficient, Marlyn trebuie să fie capabil să reziste vânturilor puternice în fiecare misiune de cartografiere, fără o degradare semnificativă a performanței sondajului.

Sarcina sondajului

Datele colectate în acest proiect au fost un sondaj standard redat ca parte a unui test de zbor de inspecție înainte de livrare, în care se efectuează o misiune de cartografiere pentru a se asigura că drona este garantată pentru efectuarea unor sondaje exacte imediat după livrare. Numai dacă rezultatul acestui sondaj se încadrează în standardul de calitate cerut, sistemul poate fi livrat, în acest caz specific pentru un client din Thailanda.



Pentru această misiune specifică, sarcina de sondaj a fost determinată ca luând un model de teren digital al fostei linii de taxi și a liniei de zbor prezentate în imaginea de mai sus. În zona de anchetă au fost incluse mai multe puncte cunoscute care urmau să acționeze ca puncte de control și puncte de verificare pentru a verifica acuratețea absolută a modelului. Zborul urma să fie efectuat la 110 m altitudine, rezultând o distanță de eșantionare la sol (GSD) de 1,45 cm / px. Suprafața totală a sondajului a fost de 21Ha.
Prin urmare, sarcina sondajului a fost o zonă simplă, mică, despre care se poate presupune că reproduce un sondaj zilnic realizat de un utilizator în teren.

Drona

Drona folosită pentru acest test a fost Marlyn de la Atmos. Marlyn-ul utilizat pentru acest test a fost echipat cu camera Sony RX1RII 42MP RGB, cu modulul PPK Septentrio AsteRx-m2 instalat.



Previziuni de vânt

Așa cum se arată în imaginea de mai jos, prognoza vântului la locul zborului în ziua respectivă a fost afișată ca o culoare albastru deschis, pe care legenda o indică ca 25 de noduri (45 km / h sau 12,5 m / s). Această prognoză arată, de asemenea, doar media susținută, deci se poate presupune și din experiență că rafalele de vânt localizate vor depăși 55km / h (15m / s) pentru porțiuni scurte de zbor.



Prin urmare, în această zi anume, prognoza vântului la 100 m deasupra nivelului solului a arătat rafale de vânt de până la și depășind limita de 45 km / h a dronei. Așa cum Marlyn a demonstrat de mai multe ori în trecut că este capabil să funcționeze în condiții de siguranță în aceste condiții, a fost luată decizia de a efectua zborul, în ciuda faptului că vânturile erau peste limita a ceea ce Marlyn a fost conceput să facă față.

Atunci când planificați un zbor UAV, este înțelept să lucrați cu prognoze aeriene la 100m mai degrabă decât prognozele normale la nivelul solului, datorită diferențelor de forță și, uneori, chiar și direcției vântului între aceste două altitudini. La nivelul solului, vântul se află în interiorul a ceea ce este cunoscut sub numele de „strat de graniță”, ceea ce înseamnă că fricțiunea cu obiecte precum terenul, clădirile și copacii face ca viteza vântului să fie mai mică decât experiența dronelor în zbor. Prin urmare, cu cât este mai îndepărtat de sol, cu atât va avea un efect mai mic această frecare și cu atât viteza vântului este mai mare. Un exemplu vizual în acest sens este prezentat mai sus.

Ce înseamnă acest lucru pentru o dronă? În funcție de condițiile locale, viteza vântului la altitudinea modului elicopter Marlyn poate fi la fel de mult ca dublul vitezei vântului la nivelul solului.

Pentru a raporta acest lucru înapoi la prognoza noastră, deși viteza de bază a vântului la altitudine a fost de 45 km / h, citirea pe sol a fost oarecum mai mică, în jur de 35 km / h. Acest lucru evidențiază importanța verificării întotdeauna a prognozei corecte și importanța de a avea o dronă care să reziste la limite mai mari de vânt dacă circumstanțele se schimbă.

Zborul de cartografiere a dronelor



Zborul în cauză a fost o hartă simplă a coridorului pentru a-i permite lui Marlyn să acopere zona de inspecție. Poate fi de interes pentru cititor să rețineți că Marlyn folosește cartografierea coridorului îmbunătățită, ceea ce înseamnă că, în timpul unui viraj de 90 de grade, ca cel prezentat aici, drona este programată să facă fotografii și să păstreze suprapunerea frontală și laterală specificată, prevenind astfel timpul de a fi risipit încercuind și reintrând în a doua parte a coridorului.

Parametrii anchetei au utilizat o altitudine de cartografiere de 110m, altitudini de tranziție VTOL de 70m și o suprapunere laterală de 60%. Suprapunerea frontală din acest sondaj a fost prestabilită utilizând un interval de timp de 1Hz pentru captarea imaginii, viteza dronei fiind reglată pentru a menține o suprapunere frontală de minimum 70%. În software-ul Marlyn, utilizatorului i se oferă opțiunea acestei capturi de imagine bazate pe timp sau o captură de imagine bazată pe poziție, unde procentul de suprapunere frontală poate fi ajustat de către utilizator înainte de zbor.

Afișat mai sus este, de asemenea, o indicație a direcției vântului, de obicei cele mai bune rezultate la vânturi puternice se obțin atunci când vântul este la aproximativ 45 de grade față de liniile de zbor, ceea ce este aproape de situația pentru cea mai mare parte a zborului în acest caz.

Zborul a fost, de asemenea, planificat cu o setare de siguranță a bateriei de 20% întoarcerea la domiciliu, dar datorită lungimii relativ scurte (10 minute) a zborului, s-a încadrat în timpul de zbor al lui Marlyn, deci nu ar fi fost necesară setarea.

În zbor

Mai jos este prezentat un extras al datelor pilotului automat în timpul zborului de cartografiere. Liniile în albastru închis arată diferența dintre viteza aerului (viteza pe care drona o „vede” prin măsurătorile tubului pitot) și viteza la sol (distanța reală pe care o parcurge Marlyn la sol, determinată de GPS). Pentru un exemplu pentru a înțelege această diferență, o dronă așezată într-un tunel de vânt funcțional cu un debit de 20 km / h va avea o viteză de aer de 20 km / h, dar o viteză la sol de 0 km / h. Prin urmare, scăzând viteza aerului și viteza solului, se poate genera o imagine foarte precisă în timp real a vitezei vântului, în special pentru acele porțiuni ale zborului în care drona zboară în vânt. Prin media acestor valori, Marlyn generează, de asemenea, o estimare a vitezei medii a vântului, prezentată mai jos ca o linie groasă de culoare verde deschis, deși rafalele maxime experimentate în zbor au fost mult mai puternice.


Terenul albastru închis cu viteză aeriană-viteză de teren arată o mare variație a vârfurilor și a jgheaburilor în timpul zborului, care provine din diferitele părți ale sondajului în care drona este îndreptată în direcția vântului sau a vântului. Cele mai semnificative sunt vârfurile acestui raport, care arată viteza maximă a rafalelor de vânt întâlnite în timpul părților zborului în care Marlyn zboară împotriva vântului, deoarece acestea sunt punctele în care obțineți o indicație a vântului adevărat. viteză.

Acest raport arată că în timpul zborului Marlyn a experimentat rafale de vânt de până la 57 km / h, multiple situații de până la 50 km / h și o viteză medie a vântului susținută de 35-45 km / h. Prin urmare, se poate presupune că informațiile de zbor și datele prezentate reprezintă valorile ridicate ale vântului care sunt incluse în specificațiile lui Marlyn.

Aterizare

Aterizarea este principala preocupare atunci când se operează o aripă fixă în vânt puternic, deoarece aceasta este partea zborului în care controlul complet este cel mai necesar și, de asemenea, cel mai dificil de atins. Ca atare, după ce Marlyn coboară la 20m altitudine deasupra solului, partea rămasă a aterizării este efectuată manual de către utilizator cu RC-ul lui Marlyn (în mod similar cu o dronă multirotor). Videoclipul aterizării de la acest zbor exact poate fi găsit aici, care servește, de asemenea, ca un exemplu excelent despre cum să aterizați în vânt puternic.



Pentru a permite un control complet în vânt puternic, Marlyn are un sistem cu patru rotori în modul elicopter, care asigură un control complet în toate cele 6 grade de libertate, cu vârfuri de aripă rotative pentru a oferi mici ajustări la pitch, roll și yaw în timp real. Când aterizați o dronă VTOL, este extrem de important să aterizați doar cu viteză verticală (adică fără mișcare orizontală), prin urmare acest nivel de control este foarte important pentru operațiunile cu vânt puternic. Marlyn este, de asemenea, proiectat să se aplece în vânt la un unghi de 40 de grade sau mai mult, astfel încât atunci când primul picior de aterizare lovește solul, motoarele reduc puterea și forța greutății dronei îl obligă să aterizeze pe crucea sa stabilă. -baza în formă. Acest lucru face ca comportamentul de ricoșare și basculare experimentat cu alte VTOL să apară foarte puțin probabil, chiar și la vânturi cu mult peste 30 km / h, care sunt restricționate de aceste produse.

Post-procesare (date sondaj drone)

După zbor, rezultatele au fost procesate cu PPK folosind software-ul Atmos Geotagger (un video îl puteți găsi aici). Pentru a explica în continuare eventualele abateri datorate vântului, unghiurile de orientare ale dronei la fiecare marcaj de timp au fost, de asemenea, extrase pentru a fi utilizate în etapa de fotogrametrie. Acest lucru a dus la un set de imagini și etichete geografice care au fost apoi procesate folosind Agisoft Metashape, sistemul de coordonate utilizat a fost Amersfoort / RD New (EPSG :: 28992). Pentru datele RINEX, o VRS (stație de referință virtuală) a fost obținută de la 06-GPS, un furnizor olandez de date GNSS.

Raportul de calitate pentru această lucrare de procesare poate fi descărcat de aici, dar va fi rezumat și mai jos. Pentru a descărca setul de imagini geoetichetate pentru propria dvs. procesare, puteți face click aici.

Rezultatele sondajului

Pentru a menține gradul de utilizare, nu este suficient să poți zbura pur și simplu în vânt, rezultatele sondajului trebuie să nu se distingă de cele obținute într-o zi fără vânt, menținând totodată o precizie la nivelul sondajului.


În primul rând, luând în considerare nivelul de suprapunere a imaginilor. Din rezultatul de mai sus se poate observa că, în întreaga zonă a sondajului, suprapunerea imaginii necesare a fost încă în limitele necesare (9 imagini sau mai mult) pentru un sondaj precis. Acest lucru a dus la un model de 526.208 puncte de egalitate peste zona 23.6Ha.

Acest lucru prezintă un interes deosebit datorită vânturilor puternice. Dacă o dronă cu aripă fixă are doar o singură elice în modul avion, drona trebuie să se „aplece” lateral în vânt pentru a contracara forța vântului transversal și a rămâne pe linia de zbor, ceea ce are un efect negativ asupra suprapunerii care poate fi realizată . „Crabi” Marlyn de-a lungul unei linii de zbor și având două motoare de zbor înseamnă că își poate corecta cursul pentru a rămâne pe linia de zbor, păstrând în același timp imagini nadir cu solul, rezultând suprapunerea ridicată dintre imaginile de mai sus. De asemenea, acest lucru are ca rezultat o cale de zbor extrem de stabilă pe tot parcursul misiunii, așa cum este arătat de calea locațiilor imaginii.

De asemenea, este de remarcat cartografierea coridorului îmbunătățită în acțiune. Puteți vedea că traseul de zbor al lui Marlyn tăia ușor colțul din coridor, ceea ce înseamnă că în timpul virajului nivelurile de suprapunere necesare sunt încă menținute și că imaginile acoperă în continuare zona de inspecție necesară.
Deci, analizând cu strictețe liniile de zbor și nivelul de suprapunere, se poate observa că ar fi dificil să distingem acest set de date cu vânt puternic de unul care a fost efectuat într-o zi mai calmă.


Pentru acest proiect, au fost utilizate un total de 11 puncte cunoscute atât pentru a consolida calitatea modelului, cât și pentru a verifica acuratețea absolută. Acestea au fost împărțite între 6 puncte de control la sol și 5 puncte de control. Erorile rezultate din fiecare punct de control sunt prezentate mai jos;


După cum se arată din punctele de verificare, nivelurile absolute de precizie sunt satisfăcătoare pentru o misiune de sondaj UAV. Ca regulă generală, precizia absolută dintr-un sondaj UAV este de obicei de 2-3 ori GSD în orizontală (X, Y) și de până la 5 ori GSD în verticală (Z). Erorile X și Y în acest caz se încadrează în 2x GSD de 1,45cm, iar erorile Z sunt chiar apropiate de 1x nivelul GSD, ceea ce este impresionant, având în vedere că suprafața de sondaj în sine era în cea mai mare parte o zonă asfaltată plată, fără multe caracteristici majore din care să se stabilească puncte de egalitate precise.

Din aceste rezultate, prin urmare, se poate concluziona, de asemenea, că nivelurile de precizie pe care le puteți obține dintr-un sondaj de vânt puternic sunt aproape indistincte de cele obținute într-o zi mai calmă și sunt, de asemenea, în ceea ce este considerat o precizie de înaltă calitate pentru un sondaj UAV.

Concluzie

Limita de vânt specificată pentru Marlyn este de 45 km / h în modul elicopter și de 55 km / h în modul avion. Ceea ce arată acest exemplu este că este într-adevăr posibil ca un topograf să zboare confortabil cu Marlyn la aceste viteze mari ale vântului și, de asemenea, să obțină date cu un grad foarte mare de precizie.

Trebuie remarcat faptul că întotdeauna sunt necesare considerații suplimentare atunci când zboară cu vânt puternic și chiar și cu Marlyn, utilizatorii trebuie să fie prudenți și vigilenți pentru a se asigura că nivelurile vântului rămân în conformitate cu specificațiile dronei. Cu toate acestea, datele arată totuși utilitatea și aplicabilitatea lui Marlyn ca instrument de anchetă de zi cu zi în medii cu vânt (și fără vânt).
Din aceste rezultate, prin urmare, se poate concluziona, de asemenea, că nivelurile de precizie pe care le puteți obține dintr-un sondaj de vânt puternic sunt aproape indistincte de cele obținute într-o zi mai calmă și sunt, de asemenea, în ceea ce este considerat o precizie de înaltă calitate pentru un sondaj UAV.

Download Images & Geotags
Download the Quality Report