Оценка потенциала мультисенсорных БПЛА при чрезвычайных ситуациях

Ursula Riegl, Thomas Hinterhofer, Michael Hofstätter

Мужество и опыт спасателей подвергаются настоящей проверке, когда происходит чрезвычайная ситуация. Они сталкиваются с неизвестностью попадая на местность во время спасательной операции. Усилия по внедрению новейших технологических инструментов, таких как беспилотники (БПЛА), для поддержки работы спасательных служб направлены на обеспечение более безопасных условий работы спасателей и ускорение поисковых мероприятий, что в целом работает на повешыние эффективности всей спасательной операции. Разведка с использованием БПЛА считается отличным способом преодоления потенциально опасного недостатка информации в районах попавших в зону стихийных бедйствий.

Специально оборудованные беспилотные летательные аппараты (БПЛА или «беспилотные летательные системы») используются для пожаротушения, для поисковых задач, для доставки спасательных комплектов и многих других областей применения. Использование беспилотных летательных аппаратов для такого рода работ является перспективным по понятным причинам: они могут работать в условиях, слишком опасных для пилотируемых самолетов. Это один из основных аргументов в пользу использования БПЛА.

Моделирование загрязненного рельефа местности

Описываемый эксперимент был проведен в рамках австрийского исследовательского проекта под названием «SecuRescue». Для тестирования предполагался следующий сценарий: катастрофа, вызванная природными или техногенными факторами, происходит в урбанизированной и частично индустриальной зоне. Непосредственным осложняющим фактором является полное преображение ландшафта, вызванное разрушенными зданиями и конструкциями, что делает существующие карты бесполезными. В ходе теста основное внимание уделялось максимально оперативному предоставлению информации передовым группам - в идеале в режиме реального времени. Кроме того, должны быть идентифицированы источники опасности, которые могут включать такие объекты, как места утечки токсичных газов, места возгорания или взрыва. Также в этом сценарии симулировалось радиоактивное заражение местности.

Сценарий включал максимально возможное количество факторов для адекватного моделирования сложности ситуации. Спасательные службы сталкиваются с подобными сценариями, когда можно ожидать всего и нельзя исключать любые варианты развития ситуации. Работа по такому сценарию позволила экспериментально обосновать  предлагаемые технические решения для противостояния ему: определялось, какая информация имеет решающее значение, как она должна быть получена и передана спасательным службам, и как БПЛА может быть безопасно использован в этих условиях. Критерии эффективности и методологические соображения учитывались при выборе конфигурации сенсорной системы и несущей платформы (БПЛА).

Лазерное сканирование: надежность и точность

Для получения точной и обновленной топографической информации использовалась лазерная сканирующая система RIEGL VUX-1UAV. VUX-1UAV - это лазерный сканер геодезического класса точности с вращающимся зеркалом (поле зрения 330 °) и скоростью до 500 000 измерений в секунду. Это очень легкий и компактный лазерный сканер, отвечающий условиям использования на БПЛА с точки зрения как производительности съемки, так и системной интеграции. В нормальных условиях данные измерений VUX-1UAV сохраняются на внутреннем накопителе SSD и обрабатываются в автономном режиме после сбора данных. В ходе последующей наземной обработки достигается точность измерения до 10 мм.

Рисунок 2: траектория БПЛА, окрашенная в соответствии с интенсивностью радиации

По словам д-ра Мартина Пфеннигбауэра, технического директора и директора по исследованиям в RIEGL, особенность задачи в том, что обычно данные лазерного сканирования анализируется в режиме пост-обработки. Однако время имеет решающее значение в спасательных операциях; передовым группам информация необходима немедленно – в первую очередь, для безопасного доступа на местности. Таким образом, хотя технологии обработки лазерного сканирования могут дать очень точный и полный результат в ходе пост-обработки, выбрать из огромного объема данных только ту часть информации, которая будет ценной для использования при ориентации на местности довольно сложно. Кроме того, эти данные еще и нужно передать в режиме реального времени.

Спутниковые измерения для обработки в реальном времени

Таким образом, подход к обработке данных в режиме реального времени основывался на нестандартном способе расчетов. Сырые данные лазерного сканирования сразу же обрабатывались и рассчитывались на базе ГНСС-ИНС расчета траектории в реальном времени. Спутниковая система позиционирования не использовала сигнал коррекции, что приводило к ошибке измерений абсолютной высоты до 2 м. Работая подобным образом, удалось обеспечить скорость в 50 000 измерений координат в секунду, что требует от линии радиосвязи с наземной станцией пропускной способности около 10 Мбит / с.

Датчик гамма-излучения

Датчик гамма-излучения использовался для анализа потенциального радиационного заражения. Вес коммерчески доступного датчика гамма-излучения был значительно снижен за счет использования индивидуального легкого корпуса объемом 420 мл. Измерение радиации основано на использовании пластиковых сцинтилляторов с прикрепленным фотоумножителем. Гамма и бета-излучение, попадая на кристалл, отображаются как детектируемые импульсы; количество таких событий в секунду (CPS) рассчитывается встроенным процессором. Высокое напряжение, необходимое для этого метода измерений, создается внутри датчика гамма-излучения в специально экранированном корпусе. Текущее значение CPS записывается каждые 250 миллисекунд через последовательный порт связи. Эта скорость измерения позволяет получать локальную диаграмму направленности излучения с высоким разрешением. В тестовом сценарии одна и та же схема полета выполнялась на разных высотах для точного определения местоположения источника гамма-излучения (в данном случае - источники излучения на основе цезия и кобальта).

Рисунок 3. Ricopter-M с позывным «OE-VUX» виден на панели бортового оборудования и на веб-странице радара

Полная полезная нагрузка съемочной системы, состоящая из системы лазерного сканирования и датчика радиоактивности, была интегрирована в RIEGL RiCOPTER-M - электрический октокоптер с полетной массой в 35 кг и с максимальной полезной нагрузкой в 10 кг. Высокопроизводительный БПЛА, время полета до 30 минут с полной нагрузкой, специально предназначен для работы в особо опасных зонах. Он может быть дополнительно оснащен светодиодными прожекторами для ночных поисковых задач, а также инфракрасной камерой или другими датчиками. В данном проекте полеты выполнялись при дневном свете и в благоприятных метеоусловиях.

Беспрепятственная помощь

Поскольку RiCOPTER-M должен безопасно работать даже над населенными пунктами, он устойчив ко всем основным вариантам отказов сигналов. Для этого он оборудован двумя полностью независимыми контроллерами полета с раздельными источниками питания и специальным блоком сенсоров (GPS-ГЛОНАСС модуль, гироскопы, акселерометры, компас). Это сложное оборудование, но оно позволяет работать с максимальной надежностью. Тем не менее, несмотря на то, что на использование БПЛА при ликвидации последствий ЧС возлагаются большие надежды, по-прежнему существует мнение, что они могут представлять помеху (если даже не угрозу) для спасательных команд. Особенно это касается координирования действий операторов БПЛА и самих БПЛА с пилотируемыми поисково-спасательными вертолетами.

Рисунок 4. Летная проверка установки транспондера на БПЛА на местном аэродроме в ходе эксперимента.

По этой причине RiCOPTER-M выполнял полеты с транспондером ADS-B / Mode S от Sagetech в координации с управлением воздушным движением. Интеграция этого транспондера на БПЛА привела к определенным сложностям; потребовалось тщательное тестирование для исключения любых помех между транспондером и средствами дистанционного управления БПЛА, бортовой электроникой и полезной нагрузкой (лазерная съемочная система и ее датчики). В результате антенна транспондера была установлена на достаточном расстоянии от электроники и антенн БПЛА. Помимо этих мер предосторожности, конструкция и материал БПЛА также могут повлиять на необходимость адаптации установки к конкретному типу БПЛА. В случае RiCOPTER-M углеродное волокно для фюзеляжа самолета и алюминий в корпусах электроники оказались удачным сочетанием материалов для беспроблемной интеграции. Итоговая дальность передачи, достигаемая данным транспондером, составляет 30 км.
Правила использования воздушного пространства четко определяют, что пилотируемые летательные аппараты имеют приоритет в любое время, поэтому необходимо выбирать траекторию полета БПЛА. Помимо получения приоритета в воздухе, дополнительной страховкой для пилотов может быть отображение на их экранах любого БПЛА, а также уверенность в том, что они будут предупреждены диспетчерами или разведены по разным траекториям с БПЛА в случае опасного сближения.

Дальнейшие шаги

Данный проект был ориентирован не только на результаты, но и на отработку общего рабочего процесса. Потенциал информации, содержащейся в полученных данных, является бесспорным, но всегда есть возможность для улучшения. Из числа идей для последующих тестов можно отметить: добавление дополнительных датчиков на мультисенсорную платформу для получения еще большего объема разнородной информации за один раз и повышения качества траектории путем учета при расчетах данных ГНСС-коррекции в реальном времени по беспроводным каналам передачи данных. Что касается БПЛА, то расширение эксплуатационных возможностей в отношении условий полетов, которые можно легко ожидать для района развития ЧС (пожара, дыма или пыли), потребуют дополнительных испытаний. Разумеется, для тестирования в подобных условиях необходимо использовать подходящий и авторизованный для этих целей полигон. Эти и будущие испытания позволят раскрыть потенциал и полезность БПЛА для спасательных служб.