Erfarenheter med Mini-UAV för Jord och skogstillämpningar

Storlek: px

Starta visningen från sidan:

Download "Erfarenheter med Mini-UAV för Jord och skogstillämpningar"

Emil Eriksson
för 8 år sedan
Visningar:

1 Erfarenheter med Mini-UAV för Jord och skogstillämpningar Olle Hagner, Steve Joyce, Jonas Bohlin, Lars Björk, Patrik Olsson, Mattias Mårtensson, Mats Söderström, Thomas Börjesson och Anna Rydberg

2 Vision: det personliga flygfotograferingssystemet

3 Backgrund och motivation Militära Mini-UAVer Skogsinventering En personlig UAV! Modellflyg + hobby electronik Fjärranalys, GIS, GPS

4 IFLYG projektet Utveckla och demonstrera ett mini-uav system för tillämpningar inom jord- och skogsbruk Fokus på praktisk tillämpning av tillgänglig teknologi Nära samarbete med utvalda användare Finansiering från Kempestiftelserna, SLF och Hildur och Sven Winqvists fond Sensorer Avionik Fotogrammetri GIS-stöd Flygsäkerhet Jordbrukstillämpningar Skogstillämpningar Västerbotten

5 Flygning med obemannade farkoster är tillståndspliktigt Krav på: Undantag för modellflygplan för hobbybruk Luftvärdighet (typcertifikat, säkerhetsanalys..) Organisation (flygansvarig, tekniskt ansvarig, utbildning..) Behörigheter (förare, tekniker) Registrering (system farkost, delar)

6 UAV riskkategorier Mass Farlig p g a hög vikt Farlig p g a hög vikt och energi Ofarlig Farlig p g a hög energi Kinetic energy

7 UAV-plattform Flygande vinge 1.2m spännvidd 240watt elmotor 650g startvikt (tom) 350g+ nyttolast 12m/s flyghastighet 40min-1hr+ driftstid Kaststart, buklandning Digital stillbildskamera och GPS-navigator Radiolänk för video Elektronisk stabilisering eller autopilot

8 Bildbearbetning Proof-of-concept: Kamerakalibrering mot referenstavla Grov extern orientering från GPS log Block triangulering Manuellt identifiering av kontrollpunkter Absolutorientering mot GPS-mätta punkter Extern höjdmodell (GSD) Blocktriangulering i ORTHOBASE

9 Orientaton from GPS track Block adjustment solution

10 23 foton Ortomosaik ~10 ha Parame ter s.dev Höjd 4.3m X-Y 11.5m roll 5.8 tipp 5.4 gir 12.3

11 Jordbrukstillämpningar

19 Ogräs Från marken Från luften

20 Skogsbrukstillämpningar

21 Stormskador

22 Enstaka fällda träd kan upptäckas även I tät skog tack vare: Låg höjd, hög upplösning Stor övertäckning Bra dynamik

23 Insektsskador Maj September

24 Uppföljning av avverkningstrakter Ajourhållning av kartor Underlag för planering av skogsvård Uppföljning och dokumentation av naturvårdshänsyn, körskador m m

25 Exempel på körskador

26 Skogsbruksplanläggning

27 Hyggesbränning

28 Dokumentation av brandfält

29 Naturvård och miljöövervakning

30 Brandfält i Muddus Nationalpark

31 Övervakning av alpin trädgräns Snö och diffus belysning (låga moln) ger perfekt kontrast Hög upplösning gör det möjligt att klassificera levande och döda stammar Med autopilot kan återinventering utföras med hög noggrannhet

32 Simulerad stormfällning (Radarförsök) Dokumentation av vetenskapliga försök Effekt av beståndskanter Gödslingsförsök

33 IR-färgkamera

34 Miniatyr IR-färgkamera Utbyte av intern filteroptik i kameran Beräkning av IRF-band RED => RED + IR GREEN => GREEN+ IR BLUE => IR

36 Avionik Motiv Systematisk täckning av fotoområdet Mätdata för bearbetning av bilddata Förenkla flygningen (Inte för flygning utom synhåll i första hand) Komplexitetsnivå (+kostnad) 1. Manuell Radiostyrning (R/C) 3000 kr 2. R/C + elektronisk stabilisering (FMA CoPilot) kr 3. Enkel GPS Navigering (UNav PicoPilot) kr 4. Full Autopilot med tröghetsnavigering (MicroPilot 2028g) kr

37 FMA CoPilot 4 termiska IR sensorer med differentiering Utnyttjar skillnader i temperatur mellan himmel och mark Stabiliserar i planflykt (tipp och roll)

38 UNav PicoPilot Enkel brytpunktsnavigering med GPS Lufttrycksmätare för höjdhållning genom reglering av motorvarv Utvecklad för flygplan med stor inbyggd stabilitet Måttlig funktion med tillsammans med CoPilot horisontsensor

39 MicroPilot 2028g En miniatyriserad autopilot med tröghetssenorer, tryckmätare och GPS integrerade på ett 28 grams kretskort Mycket flexibel scriptbaserad programmering av flygrutt, flygmönster, servorörelser, felhantering etc. Stöd för autonom start och landning

40 Säkerhetsaspekter vid utprovning Avskild provplats + med god sikt Checklistor (RC + Autopilot) Korta avstånd + måttlig höjd Beredskap för att gå över till manuell kontroll Fail-safe för länkbortfall Simulering Virtuellt staket Långsamt och metodiskt arbetssätt

41 1st autonoma flygningen! // default metric takeoff climb 100 waitclimb 50 flyto (120, 120) flyto (120, -120) flyto (-120,-120) flyto (-120, 120) repeat -4 definepattern rcfailed flyto (0,0) repeat

42 Mp2028g control system overview Varje box representerar en PID kontroll (Proportional, Integral, Damping) 3 st. hastighetsberoende parametrar per kontroll Inner loops 30Hz Outer loops 5Hz

43 PID anpassning? Ziegler-Nichols Closed Loop PID beräkningsmetod 1. Variera proportionalterm P utan dämpning och integrering 2. Öka P tills stabil oscillation uppträder (=G U ) 3. Mät oscillationens periodicitet (=P U ) Gain(P) = 0.6G U Reset(I) = 2/P U Derivative(D) = P U /8

44 Aileron from Roll Autopilot programmerad för att flyga med konstant bäring och rollvinkel = aileron from roll P u =0.56s / PIC CIC roll (deg) time (s)

45 Elevator from Pitch Autopilot programmerad för att flyga med konstant bäring och tippvinkel = elevator from pitch P u =0.4s PIC CIC elevator (deg) / time (s)

46 Resultat efter anpassning: Aktivera autopiloten med planet i godtycklig vinkel - Återgång till stabil planflykt inom 0.5s step response pitch/roll step response pitch/roll degrees pitch roll degrees time (s) time (s)

47 Resultat efter anpassning av PIDloopar

48 Sammanfattning Mini-UAVer kan användas för en lång rad tillämpningar inom jord- och skogbruk Tekniken passar bäst när kraven på tillgänglighet och bildupplösning är höga Tekniken har fungerat fältmässigt under alla årstider

49 Sammanfattning Mini-UAVer är generellt användbara för en mängd olika tillämpningar inom jord- och skogsbruk Flygsäkerhetsaspekterna för mini-uav kan lösas under förutsättning att totalvikt och anslagsenergi hålls tillräckligt låga Flygplanen klarar trots det lilla formatet både kraftig vind, köld och lättare regn. Detta i kombination med måttliga krav på ljus gör tillgängligheten mycket god. Digitala stillbildskameror ger god bildkvalitet och kan konverteras för IRFfotografering vid behov Den låga flyghöjden ger en hög detaljupplösning vilket i sin tur förenklar tolkningen av bilderna Optiken i enkla digitala stillbildskameror kan kalibreras för framställning av ortofotomosaiker. För många tillämpningar är det fullt tillräckligt att styra planet manuellt inom synhåll. Elektronisk stabilisering underlättar flygningen avsevärt men effektivitet och kvalitet kan förbättras ytterligare om flygplanet har förmåga att automatiskt följa en förprogrammerad rutt.

50 Frågor?

51 Lars Sundelin Luftfartsstyrelsen

52 Lars Sundelin Luftfartsstyrelsen

53 Risk assessments Critical impulse: Rapidly increasing risk for severe head injury over 3 kg and 20 m/s (Lindqvist M., Björnstig U Dept.of Surgical Sciences,UmUniversity) Calculated risks for a future scenario with 2500 mini-uavs operated 1 hr / week with an accident rate of 1/25, flying over: 40% urban 40% farmland and 15%. Lethality: 5% (in case of direct hit on temple) Collective risk = Accident rate * Lethal Area/Op.Area * Population.Density * Op.Time_50 years = 1/400 (1/50) Individual risk = Accident rate * Lethal Area/Op.Area * Op.Time_80 years = 8.0E-10 (4.0E-5)

54 Can also transmit compact camera video- Live Video Color CCD video camera 2.4Ghz wireless transmitter Gives 400m range or up to 800m with modified antennae

55 Utkast till markkontroll

Relevanta dokument

Din kompletta leverantör!» Försäljning» Service» Support» Utbildning» Uthyrning

Din kompletta leverantör!» Försäljning» Service» Support» Utbildning» Uthyrning SUPPORT IMAGING TOTALSTATION GNSS SERVICE GRUVA JÄRNVÄG MJUKVARA AFFÄRS- PARTNER LASER HYRESPARK TILLBEHÖR TJÄNSTER UTBILDNING