Oficjalny partner SPH Engineering
Polski dystrybutor oprogramowania UgCS

Wykorzystanie UgCS do planowania misji UAV z magnetometrem i innych na małej wysokości

UgCS+ UAV z magnetometrem

Zdjęcie 1.  © dzięki uprzejmości: Pioneer Aerial Surveys Ltd.

“UAV z magnetometrem” to skrótowe pojęcie odnoszące się np. do misji pomiarowych z wykorzystaniem BSP i magnetometru. Misje pomiarowe czy obserwacyjne UAV na małej wysokości wymagają zaawansowanych umiejętności operacyjnych UAV, niezawodnego sprzętu i profesjonalnego oprogramowania do planowania misji w celu bezpiecznego gromadzenia danych wysokiej jakości podczas lotu blisko ziemi.
Lot UAV z magnetometrem zamocowanym za pomocą długiego kabla holującego sprawia, że przeprowadzanie badań jest jeszcze trudniejsze.

Ten artykuł jest tłumaczeniem oryginalnego artykułu SPH Engenieering napisanego we współpracy z Pioneer Aerial Surveys Ltd . Pioneer stosuje czujnik magnetometryczny UAV firmy GEM na wielu platformach UAV,  takich jak NOVAerial Procyon i DJI Matrice 600. Większość badań Pioneera odbywa się na odległym kanadyjskim terenie, który charakteryzuje się dużą trudnością terenu i  środowiska. Pomimo tych wyzwań, Pioneer z powodzeniem przebadał ponad tysiąc kilometrów w 2017 roku, wykorzystując UgCS jako narzędzie planowania misji.

UAV z magnetometrem, czy innym detektorem magnetycznym stanowi skok technologiczny w dziedzinie zdalnych badań geofizycznych w poszukiwaniu złóż mineralnych. Są one dobrze przystosowane do mapowania złóż mineralnych i rurociągów, przeprowadzania badań UXO i innych powiązanych zadań. Wiele z tych misji odbywa się na odległych obszarach w trudnym terenie, gdzie ograniczona dostępność i niebezpieczne środowisko może zagrozić konwencjonalnym technikom pomiarów lotniczych lub naziemnych. UAV z magnetometrem zapewniają zwiększone bezpieczeństwo operacji, mniejsze koszty. Jest to zatem uproszczone wsparcie i logistyka np. dla geodetów, jak i ich klientów.

UAV z magnetometrem - Pioneer_Aerial_UAVMAG_2017

Zdjęcie 2  © dzięki uprzejmości: Pioneer Aerial Surveys Ltd.

Podczas przeprowadzania badania magnetycznego platformy UAV przenoszą czujniki magnetometryczne na bardzo małych wysokościach – zazwyczaj od 5 do 50 m AGL (powyżej poziomu podłoża). Niektórzy producenci produkują czujniki zaprojektowane specjalnie do tego rodzaju operacji, takie jak magnetometr GEM GSMP-35U firmy GEM Systems (http://www.gemsys.ca/uav-magnetometers/).

Aby przeprowadzić udaną i bezpieczną misję pomiarów magnetycznych na małej wysokości, należy wziąć pod uwagę następujące czynniki:

  • Dokładna wysokość nad poziomem gruntu i przeszkody terenowe;
  • Ruch wahadłowy czujników zawieszonych na kablu holowniczym;
  • Sterowanie kursorem czujników.

Poniżej znajdziesz szczegółowy przewodnik dotyczący planowania magnetycznych misji pomiarowych na małej wysokości z użyciem UgCS , z uwzględnieniem powyższych czynników.

Tworzenie nowej misji i ustawianie granic obszaru nalotu (no-fly zone)

Prostą, ale wygodną cechą UgCS jest możliwość tworzenia i przechowywania wielu misji i tras. Możesz stworzyć nieograniczoną liczbę misji; każda misja może zawierać dowolną liczbę tras.

Najpierw musisz utworzyć nową misję:

UAV+Magnetometr - Tworzenie misji

Rysunek 1. Utwórz nową misję

Dobrą praktyką jest nadawanie jednoznacznych, łatwych do rozpoznania nazw Twoim misjom – pozwoli ci to łatwo je znaleźć później:

UAV+magnetometr - nadawanie nazw

Rysunek 2. Ustaw tytuł misji

Następnie naciśnij ikonę ” Dodaj nową trasę” (Add new route):

Rysunek 3. Dodaj przycisk nowej trasy.

Dostępne są dwie opcje:

  • “Utwórz od zera” (create from scratch)- naciśnij tę ikonę, aby narysować trasę ręcznie;
  • “Importuj z pliku” (import from file) – naciśnij tę ikonę, aby zaimportować plik KML lub plik XML w formacie UgCS .

Klienci zlecający naloty zazwyczaj udostępniają pliki KML z granicami obszaru nalotu.

Aby zaimportować plik, kliknij przycisk opcji ” Importuj z pliku” , wybierz plik KML i kliknij przycisk opcji ” Obszar skanowania” :

UgCS + magnetometr - import trasy z pliku

Rysunek 4. Importuj trasę z pliku

Należy pamiętać, że plik KML musi zawierać segmenty “LinearRing ” w celu importowania granic obszaru nalotu. Aby utworzyć segment “LinearRing ” w Google Earth, który jest najczęściej używanym narzędziem do tego zadania, musisz kliknąć ikonę “Dodaj wielokąt” :

Dodawanie wieloboku

Rysunek 5. Utwórz “LinearRing” w Google Earth 

Następnie plik KML można zaimportować do UgCS celu określenia granic misji pomiarowej.

Po zdefiniowaniu granic wybierz UAV, którego użyjesz do badania magnetometrycznego i naciśnij “Dalej” :

Rysunek 6. Wybierz UAV dla trasy

Na koniec, bardzo istotnym, jest ustawienie parametrów w oknie parametrów trasy:

UgCS - Ustawienia UAV

Rysunek 7. Ustawienia UAV

Większość parametrów w tym oknie jest bardzo ważna dla bezpieczeństwa misji. Dlatego będziemy omawiać każdy parametr w szczegółach:

UgCS - granice obszaru nalotu

Rysunek 8. Granice obszaru badania

Lokalizacja domowa (home location). Zgodnie z ogólną zasadą zalecamy pozostawienie tego parametru przy ustawieniu domyślnym, tj. „1punkt trasy (poziom terenu)” (1st waypoint). W razie sytuacji awaryjnej twój UAV podejmie próbę powrotu do tego punktu. Ponadto, wysokość terenu w tym punkcie będzie używana jako odniesienie do obliczenia względnej wysokości dla wszystkich innych punktów na trasie.

Maksymalna wysokość nad ziemią (Maximum altitude above ground). W większości krajów obowiązuje lograniczenie wysokości lotu UAV do 120m (AGL), chyba że operator ma specjalne zezwolenie. 120 metrów (lub 400 stóp) to najczęściej spotykany limit. Nie ustawiaj tego parametru na wyższe wartości bez pozwolenia władz Twojego kraju.

Awaryjna wysokość powrotna RTH (Emergency return altitude). Jeśli coś pójdzie nie tak z urządzeniem (słaba bateria, utrata sygnału RC itp.), lub jeśli operator naciśnie przycisk ” Home ” na pilocie zdalnego sterowania, dron wzniesie się na tę wysokość, zanim wróci do miejsca startu . Należy pamiętać, że wysokość bezwzględna w przypadku powrotu awaryjnego jest obliczana w odniesieniu do pozycji wyjściowej, a nie do aktualnej pozycji, w której miała miejsce sytuacja awaryjna. Zgodnie z ogólną zasadą wartość tego parametru powinna być równa wysokości najwyższej przeszkody (w tym przeszkód naturalnych, takich jak drzewa, pagórki i skały) w obszarze badań, plus 50 metrów od jej obwodu.

Tryb wysokości. (Altitude mode) Ustaw ten parametr na ” Nad ziemią” (above ground) dla wszystkich misji związanych z niską wysokością terenu.

Typ trajektorii (Trajectory type). W przypadku misji związanych z ukształtowaniem terenu parametr ten powinien być ustawiony na ” Prosto” (staraight) . Zwróć uwagę, że w tym trybie twój dron będzie latał pomiędzy punktami na drodze w linii prostej, więc wysokość nad ziemią powinna przekraczać wysokość wszystkich drzew i innych przeszkód w obszarze pomiarowym.

Działanie w przypadku utraty sygnału RC (Action on loss of RC). Ten parametr określa, co powinno się stać, jeśli zostanie utracone połączenie radiowe między pilotem RC a dronem. Domyślnie (opcja Home “) dron przerwie misję, wzniesie się na wysokość powrotu awaryjnego i powróci do lokalizacji domowej . Inną opcją dla tego parametru jest Kontynuuj misję” . Radzimy zawsze korzystać z opcji domyślnej (” Home”). Po pierwsze, w większości krajów prawo nakazuje utrzymywanie stałego łącza komunikacyjnego między dronem a operatorem podczas lotu. Po drugie, jeśli coś pójdzie nie tak (bardzoźle) po utracie połączenia komunikacyjnego, możesz nigdy nie znaleźć swojego drona, ponieważ stacja naziemna wyświetli tylko ostatnią znaną pozycję. Oczywiście istnieją przypadki, w których utrzymanie stałego łącza radiowego jest prawie niemożliwe, ale ogólnie powinieneś pomyśleć dwa razy przed wybraniem opcji Kontynuuj misję “.

Dodatkowo, proszę zauważyć, że jeśli wybrana jest opcja ” Kontynuuj misję”, dron będzie leciał aż osiągnie ostatni punkt misji i tam zawiśnie. Jeśli połączenie radiowe zostanie utracone, dron będzie się unosił, dopóki jego baterie nie zostaną rozładowane, w którym to momencie najprawdopodobniej (w zależności od ustawień drona) wyląduje w ostatnim punkcie misji. Aby temu zapobiec, ostatni punkt w misji powinien zawsze znajdować się w pobliżu pożądanego miejsca lądowania.

Dokładnie sprawdź wszystkie ustawienia w oknie parametrów trasy i naciśnij ” OK “. Granice obszaru badania zostaną wyświetlone na mapie.

Ta trasa może być już używana do lotów rzeczywistych, ale nie jest ani optymalna, ani bezpieczna. W dalszej części wyjaśnimy, jak uczynić ją lepszą pod obu względami.

Należy pamiętać, że trasa nie jest jeszcze ukończona i nie można jej używać do lotów – jest to oznaczone czerwonym wykrzyknikiem na panelu trasy. Wynika to z tego, że niektóre parametry AreaScan niezbędne do obliczenia trasy – “Wysokość lotu ” i ” Odległość boczna ” w powyższym przykładzie – nie są jeszcze ustawione.

UgCS - Narzędzie "Skanowanie obszaru"

Rysunek 9. Narzędzie “Skanowanie obszaru”

Jeśli nie masz pliku KML z granicami obszaru badania, możesz utworzyć trasę od podstaw. Wybierz odpowiednią opcję podczas pierwszego kroku tworzenia trasy. Po zakończeniu wszystkich 3 etapów tworzenia trasy, zobaczysz menu edytora misji z pustą trasą. Kliknij ikonę ” AreaScan “:

Teraz możliwe jest ustawienie narożników obszaru nalotu poprzez dwukrotne kliknięcie mapy lewym przyciskiem myszy (lub naciśnięcie Shift i kliknięcie mapy lewym przyciskiem myszy).

UgCS - Ustawianie narożników obszaru nalotu na mapie

Rysunek 10. Ustawianie narożników obszaru nalotu na mapie

Obszar nalotu powinien być zamkniętym wielokątem – proszę ustawić ostatni punkt nad pierwszym. Jeśli klient podał dokładne współrzędne, możesz użyć inspektora “AreaScan “, aby wprowadzić (lub poprawić) współrzędne każdego punktu.
Następnie, aby utworzyć prawidłową trasę, należy określić dwa parametry – wysokość lotu i odległość boczną między liniami pomiarowymi.

UgCS - Obliczona trasa

Rysunek 11. Obliczona trasa

Wysokość jest definiowana przede wszystkim przez rodzaj badania i możliwości detektora, takie jak wymagania nakładania się zdjęć lub specyficzne wymagania klienta dla celów badania geofizycznego.
Odległość między liniami badania zależy od wymagań klienta i rodzaju badania. W przypadku badań magnetycznych odległość może wynosić od 5 do 200 metrów, w zależności od celów geologicznych lub środowiskowych badania.
Po ustawieniu tych parametrów, UgCS obliczy trasę, a na ekranie pojawi się obraz podobny do widocznego obok.

Ta trasa może być już używana do lotów rzeczywistych, ale nie jest ani optymalna, ani bezpieczna. W dalszej części wyjaśnimy, jak uczynić ją lepszą pod obu względami.

Ustawianie optymalnego kąta kierunku linii pomiarowych

Domyślnie linie badania będą wyrównane do kierunku N-S. Linie badania mogą być wyrównane równolegle do granic obszaru nalotu w celu skrócenia czasu lotu i zminimalizowania liczby punktów trasy i zakrętów. Zminimalizuj liczbę wylotów poza granice nalotu, zmieniając kąt kierunkowy, o ile pole pomiarowe nie jest wypukłym wielokątem.

UgCS - Ustawienie optymalnego kąta kierunku linii pomiarowych

Rysunek 12. Ustawienie optymalnego kąta kierunku linii pomiarowych

W  przykładzie z Rysunku 12 możemy uzyskać znacznie bardziej optymalną trasę, ustawiając kąt kierunku na 296 stopni w inspektorze ” AreaScan “:

Wysokość
Upewnij się, że używasz precyzyjnych danych wysokości DEM

Większość UAV będzie latać na wysokości określonej w planie lotu, nie biorąc pod uwagę rzeczywistej wysokości nad elementami terenu i przeszkodami.  Zadaniem oprogramowania do planowania misji jest obliczenie odpowiedniej wysokości na każdym etapie lotu na podstawie danych wysokościowych w postaci DEM (cyfrowego modelu wysokości).

Dane wysokości DEM o różnych lokalizacjach geograficznych dostępne w źródłach otwartych mogą być nieaktualne lub nieprecyzyjne. Dotyczy to w szczególności obszarów odległych i wiejskich, gdzie prowadzi się większość badań magnetycznych. 

Jak istotna potrafi być różnica w dokładności danych wysokościowych można zobaczyć na poniższym przykładzie, w którym wykorzystano dane z otwartego źródła (SRTM, rysunek 13a) i bardziej wiarygodne dane DEM (rysunek 13b) Oba te odwzorowania zostały zaimportowane do UgCS w celu mapowania amfiteatru w pobliżu Red Rocks (Kolorado , USA).

Rysunek 13a i 13b

Dane o wysokości importowane do UgCS z 2 różnych źródeł:    a) Dane dotyczące wysokości z otwartego źródła    b) Dane DEM

Istnieje wiele źródeł dokładnych danych DEM, z których niektóre są ogólnodostępne, jak ArcticDEM, a niektóre z nich są drogimi produktami komercyjnymi, takimi jak Airbus WorldDEM.

Definiowanie wysokości lotu

Rysunek 14 pokazuje typowy  przykład  lotu pomiarowego UAV z magnetometrem (DJI M600 + GSMP-35U, Gem Systems). Lot zarządzany i kontrolowany przez UgCS .

Z tego obrazu wynika, że podczas przeprowadzania badania magnetycznego z UAV należy wziąć pod uwagę następujące czynniki:

  • Wymagana wysokość detektora nad podłożem;
  • Długość liny / liny holowniczej, do której przymocowany jest detektor;
  • Maksymalna wysokość przeszkód (np. drzew) w obszarze lotu.
UAV z magnetometrem

Rysunek 14. Magnetyczny lot pomiarowy 

Zdjęcie © dzięki uprzejmości: Pioneer Aerial Surveys Ltd.

Parametrem często pomijanym, ale mającym zasadnicze znaczenie dla bezpiecznego planowania misji, jest maksymalny dryft barometru w czasie lotu. Większość UAV używa wysokościomierzy barometrycznych do obliczania własnej wysokości w stosunku do pozycji startowej. Niestety, wysokościomierze barometryczne niezmiennie mają pewne dryfowanie w zależności od jakości czujnika, zmiany temperatury powietrza i niektórych innych zmiennych. Z naszego doświadczenia wynika, że maksymalny dryf w czasie 30-minutowego lotu może dochodzić nawet do 5 metrów powyżej lub poniżej rzeczywistej wysokości.

Kluczem do wyboru bezpiecznej wysokości do przeglądu jest zatem wzięcie pod uwagę maksymalnej wysokości przeszkód i dodanie 5 m, aby uwzględnić dryft barometru. Dodatkowy margines bezpieczeństwa może zostać dodany w zależności od terenu, wiatru i niektórych lokalnych problemów, takich jak linia wzroku (perymetr) i dostęp do obszaru badań.

Istnieje specjalny parametr zwany „ bezpieczną wysokością nad terenem” Safe height over terrain’  w UgCS profilu UAV, który umożliwia automatyczną ocenę wysokość podczas planowania misji. 

Domyślna wartość to 5 m, aby zrekompensować dryft barometru, ale nie jest ona wystarczająca dla UAV z magnetometrem, lub innym specjalistycznym ładunkiem. Dlatego w przypadku magnetycznych misji badawczych konieczne jest zwiększenie parametru “Bezpieczna wysokość nad terenem ” o długość kabla holowniczego.

Precyzja wysokosci podążania

Parametr Altitude toleranceTolerancja wysokości ” w narzędziu AreaScan pozwala użytkownikom określić, jak dokładnie UAV powinien trzymać się ustalonej wysokości nad ziemią.

Istnieje kompromis pomiędzy podążaniem z załążoną dokładnością wysokości  a liczbą wygenerowanych punktów na drodze.

Podążąnie z utrzymaniem bardziej dokładnej wysokości pozwala na bezpieczniejsze loty i lepszą jakość danych. Z drugiej jednak strony, każdy autopilot ma zdefiniowane ograniczenie liczby punktów, można zaprogramować. Na przykład, UAV D600 M600 może zarejestrować tylko 99 punktów nawigacyjnych (waypointów) podczas jednego lotu.

Wartość tolerancji wysokości AGL wynosząca 1 m wymaga 872 waypointów

Rysunek 15a. Wartość tolerancji wysokości AGL wynosząca 1 m wymaga 872 waypointów

Wartość tolerancji wysokości 10 cm AGL wymaga 364 waypointów.

Rysunek 15b. Wartość tolerancji wysokości 10 cm AGL wymaga 364 waypointów.

Jeśli trasa składa się z więcej niż 99 punktów (waypointów), wymagane są lądowania pośrednie, aby załadować następną tablicę punktów. (Teoretycznie autopiloty DJI są w stanie przesłać nową trasę, gdy UAV jest nadal w powietrzu, jednak ta operacja nie jest bezpieczna i dlatego należy jej używać z rozwagą.)

Na przykład, jeśli wysokość AGL zostanie ustawiona na 40m z tolerancją wysokości 1m, UgCS wygeneruje setki waypointów, aby utrzymać wysokość UAV w korytarzu tolerancji wysokości w pionie od 39 do 41 metrów. Im mniejsza wartość tolerancji wysokości, tym więcej waypointów zostanie wygenerowanych. Dlatego też tolerancja wysokości musi być ustawiona na wartość, która nie doprowadzi do przekroczenia maksymalnej liczby możliwych punktów na misję. W poniższym przykładzie tolerancja wysokości wzrosła z 1 m do 10 m, zmniejszając liczbę punktów na drodze z 872 do 364 (rysunek 15a i 15b).

W rezultacie misja z użyciem DJI M600 z tolerancją wysokości ustawioną na 1m (rysunek 15a) wymagałaby 9 lotów w porównaniu do tylko 4 lotów wymaganych w misji z tolerancją wysokości ustawioną na 10m (rysunek 15b).

UgCS zapewnia opcję przesyłania dodatkowych tablic punktów trasy do autopilota drona, nawet gdy jest on w powietrzu. Dzięki temu dron może wykonywać misje z bardzo dużą precyzją, ale zaleca się jednak, aby liczba przesłanych punktów nawigacyjnych była rozsądna.

Pozycja detektora

Dla niektórych badań ważne jest, aby utrzymać stały kąt pomiędzy UAV a detektorem podczas lotu – można to osiągnąć za pomocą  Change” Yaw

Funkcja UgCS do zmiany kąta odchylenia

Rysunek 16: Funkcja UgCS do zmiany kąta odchylenia

Zapobieganie ruchowi wahadłowemu detektora

Standardowa prędkość UAV dla badań magnetycznych wynosi od 5-8 m/s. Dron wchodzący w zakręt na końcu linii badania przy tej prędkości spowoduje ruch wahadłowy magnetometru na kablu holowniczym. Dlatego też należy monitorować UAV z magnetometrem, jaką porusza się prędkością. 

UgCS - Overshoot

Dodanie  15-20m  segmentu overshoot do trasy UgCS i zredukowanie prędkości prędkość do około 2 m/s w tym segmencie w połączeniu z Adaptive Bank Turn type pozwala skutecznie uniknąć ruchu wahadłowego detektora. UgCS doda krótkie dodatkowe segmenty na końcu każdej linii badania.

Optymalizacja pod kątem bezpieczniejszej trasy

Po wstępnym planowaniu lotu trasa może zostać zoptymalizowana w celu zpawenienia bezpieczniejszego lotu. Jest to szczególnie ważne w przypadku badań magnetycznych, ponieważ obszar badań może być dość duży i może wymagać wykonania wielu lotów.

Po pierwsze, upewnij się, że wysokość powrotu awaryjnego (RTH) w oknie parametrów trasy jest ustawiona na wystarczająco wysokim poziomie. Ta wysokość powinna być wodpowiednio wysoka, aby umożliwić bezpieczną drogę powrotną z dowolnego punktu trasy, biorąc pod uwagę wszystkie przeszkody i cechy terenu.

Po drugie, pierwszy punkt trasy powinien zawsze być ustawiony bardzo blisko rzeczywistego punktu startowego. Ten waypoint powinien mieć odpowiednio dużą wysokość, aby umożliwić bezpieczny lot do dowolnego innego punktu misji badawczej. Umożliwi to ustawienie nowego punktu początkowego (na przykład po wymianie baterii w trakcie misji). Dron wzniesie się do odpowiedniej wysokości ustawionej dla pierwszego punktu trasy, a następnie poleci prosto do wybranego “punktu wznowienia”.

Ostatecznie zaleca się ustawienie dodatkowego ostatniego punktu na trasie, w pobliżu pożądanego miejsca lądowania (w większości przypadków będzie to taki sam punkt startowy). Zapewni to bezpieczny powrót drona do pozycji wyjściowej, nawet w sytuacjach, gdy występują problemy z ręcznym pilotem zdalnego sterowania (RC) lub komputerem stacji naziemnej, a dron jest skonfigurowany do kontynuowania swojej misji, jeśli łącze radiowe z Stacja naziemna jest stracona.  Bardziej szczegółowe informacje na temat punktów startu i lądowania są publikowane w artykule Fotogrametria  UAV i techniki fotogrametryczne dla geodezji z wykorzystaniem programu UgCS

Realizacja misji

Magnetyczna misja pomiarowa z wykorzystaniem UAV, który przenosi detektor umieszczony na kablu holowniczym 5 m nad ziemią, zdecydowanie różni się od klasycznej misji fotogrametrycznej (kiedy UAV leci na wysokości 100 m). Dlatego też operator UAV w misjach z magnetometrem  musi kontrolować prześwit pomiędzy detektorem magnetometru a ziemią i/lub przeszkodami i być gotowy do przejęcia kontroli nad swoim UAV za pomocą pilota zdalnego sterowania.

Wniosek

Połączenie, nowoczesnych komercyjnych detektorów i oprogramowanie UAV umożliwia nowy, skuteczny i ekonomiczny sposób pozyskiwania wysokiej jakości magnetycznych danych pomiarowych. Skuteczne wykorzystanie tych technologii wymaga szkolenia, dobrej znajomości wszystkich komponentów i bardzo dokładnego planowania. Dobrze przygotowani, geodeci operatorzy UAV mogą w znacznymn stopnie skorzystać na tej nowoczesnej i szybko rozwijającej się technologii.