Розроблення та дослідження системи автоматичного спостереження за місцевістю з використанням БПЛА
Автор: Федунишин Роман Васильович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Комп'ютеризовані системи управління та автоматика
Інститут: Інститут комп'ютерних технологій, автоматики та метрології
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2022-2023 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: Завдяки революції у сфері літій-іонних акумуляторів, та здешевлення мікроелектроніки, перед багатьма бізнесами та організаціями постали перспективи використання безпілотних літальних апаратів для покращення продуктивності та ефективності ведення господарської діяльності. Одними з найпопулярніших систем збору інформації наразі стають БпЛА (UAV), які можуть збирати різноманітну інформацію про навколишнє середовище, таку як фото, відео, використовуючи камери, чутливі до різної довжини хвиль, інформацію про тиск, вологість, концентрацію певних газів. Системи БпЛА можна використовувати як у цивільний, так і у воєнних цілях. Об’єктом дослідження – є алгоритми планування маршруту руху БпЛА для збору фото та відео даних, а також алгоритми автоматичного управління БпЛА. Предметом дослідження – є система автоматичного фото та відео спостереження за місцевістю з використанням БПЛА. Мета дослідження – аналіз наявних на ринку БпЛА та базових станцій, аналіз принципів управління БпЛА з фіксованим крилом і квадрокоптерів, розробка нової дешевої системи автоматичного спостереження за місцевістю здатної самостійно вести фото та відео зйомку. В даній магістерській роботі досліджені, проаналізовані та структуровані основні типи БпЛА, присутні на загальнодоступному споживчому ринку. Також розглянуті типи базових станцій, які забезпечують контроль над БпЛА, способи обміну інформацією між БпЛА та оператором, а також збір даних телеметрії. 4 Була розроблена загальна архітектура системи автоматичного спостереження за місцевістю з використанням безпілотних літальних апаратів. Базуючись на отриманих даних аналізу розроблене програмне забезпечення базової станції для планування та виконання автоматизованих місій для спостереження за місцевістю. Основою для розробки базової станції був використаний одноплатний комп’ютер Raspberry Pi 3 B+. Для демонстрації роботи програмного забезпечення на практиці використано квадрокоптер Tello від компанії Ryze Technology. Був досліджений інтерфейс зв’язку з квадрокоптером Tello (Tello SDK). Завдяки поєднанню базової станції та дрона створено систему автоматичного спостереження за місцевістю. Після успішної розробки, система спостереження була випробувана на практиці, і продемонструвала свою практичність і надійність. Були проаналізовані основні проблеми, які виникли при імплементації даної системи і були запропоновані шляхи їх вирішення. Крім цього, досліджено та застосовано технологію Wi-Fi, протоколи IP та UDP, як засоби обміну інформацією між базовою станцією й безпілотним літальним апаратом. Розроблена система автоматичного спостереження за місцевістю дозволить потенційним користувачам легко налаштувати періодичну зйомку певної ділянки місцевості, що може значно допомогти певним підприємствам у сфері виготовлення агропродукції, оскільки вони потребують регулярних і стабільних даних для визначення проблемних ділянок полів, прогнозування урожайності, проведення дослідної діяльності на великих площах посівів. Також дана система може бути корисною природоохоронним організаціям, оскільки допомагає організувати постійний моніторинг за ділянками лісів, які перебувають під загрозою знищення. Крім цього, система може бути застосована охоронними компаніями для охорони об’єктів з великою площею, оскільки зображення з безпілотного літального апарату 5 можна аналізувати додатково за допомогою штучного інтелекту. Розділення системи як на апаратному, так і на програмному рівні, дозволяє поступово розширювати потенціал платформи, зокрема базова станція може бути легко модифікована для поглибленого аналізу фото та відео матеріалів за допомогою систем штучного інтелекту, як на самій Raspberry Pi з використанням акселераторів штучного інтелекту (такий як Google Coral), так і з використанням технологій хмарного обчислення. Для вирішення потреби кінцевих користувачів у плануванні автоматичних запланованих запусків, які відбуваються циклічно, наприклад щодоби в однаковий час, було спочатку випробувано, а потім використано утиліту для операційних систем Linux - cron. Дана утиліта продемонструвала свою надійність навість для таких складних задач. Ключові слова: спостереження за місцевістю, БпЛА автопілот, планування маршруту БпЛА, автоматизація БпЛА, дрон, квадрокоптер. Перелік використаних літературних джерел: 1. M. A. Lukmana and H. Nurhadi, "Preliminary study on Unmanned Aerial Vehicle (UAV) Quadcopter using PID controller," 2015 International Conference on Advanced Mechatronics, Intelligent Manufacture, and Industrial Automation (ICAMIMIA), 2015, pp. 34-37, doi: 10.1109/ICAMIMIA.2015.7507997. 2. T. Huynh-The, Q. -V. Pham, T. -V. Nguyen, D. B. D. Costa and D. -S. Kim, "RF-UAVNet: High-Performance Convolutional Network for RF-Based Drone Surveillance Systems," in IEEE Access, vol. 10, pp. 49696-49707, 2022, doi: 10.1109/ACCESS.2022.3172787. 6