3.1 Комплексная система мультиспектрального мониторинга на базе DJI Mavic 3M
DJI Mavic 3M – это мультиспектральный дрон с современной системой навигации и датчиками всенаправленного обзора, расположенными сверху, снизу и по бокам с двух сторон. Они обеспечивают стабильный полёт, автоматическое удержание позиции, безопасный возврат домой и точечный обход препятствий, при их возникновении на пути. Максимальная скорость полёта дрона составляет 75,6 км/ч, при этом время полёта максимально достигает около 43 минут.
Дрон оснащён специализированной системой AirSense, которая предупреждает пилота о наличии других воздушных судов через приложение DJI Pilot 2. Для повышения точности съёмки и безопасности работы при слабом освещении предусмотрены датчики освещённости и нижняя подсветка. Для высокоточного позиционирования используется RTK-модуль, который поддерживает работу с внешними базовыми станциями и сетевыми сервисами [10].
Качественная мультиспектральная съёмка начинается с оценки окружающих условий. Первоначально, важно знать, что мультиспектральные сенсоры чувствительны к уровню солнечного освещения, в связи с чем съёмку необходимо проводить в подходящее время суток, а также наряду с этим следует избегать мест с сильными электромагнитными помехами, которые могут нарушить работу компаса и навигационной системы.
Подготовка к полёту начинается со сборки аппарата, где важно соблюдать правильную последовательность раскладывания лучей, то есть сначала раскладываются передние лучи, затем за ними следуют задние (рисунок 10). Частой ошибкой является включение дрона с установленной защитой камеры, что может привести к повреждению моторов стабилизатора во время самодиагностики, в связи с чем перед включением необходимо снять защиту стабилизатора (рисунок 11).
Рисунок 10 – Раскладывание лучей дрона [10]
Рисунок 11 – Снятие защиты камеры [10]
После этого производится установка пропеллеров, где таковые с метками и без меток имеют разные направления вращения. Для установки необходимо удерживать мотор, нажать на пропеллер и повернуть его в указанном направлении, после фиксации которых происходит раскладывание их лопастей (рисунок 12) [10].
Рисунок 12 – Установка пропеллеров [10]
Основные элементы конструкции DJI Mavic 3M обеспечивают выполнение ключевых задач мультиспектрального мониторинга в сельском хозяйстве. Так, основным элементом рассматриваемого дрона является оптическая система, расположенная в передней части корпуса. Она включает стабилизатор и мультиспектральную камеру с блоком датчиков (1). Данная камера собирает данные в нескольких спектральных диапазонах, а стабилизатор удерживает камеру в устойчивом положении во время полёта, благодаря чему получается извлечь качественные изображения. Для безопасной навигации используется комплекс сенсоров обзора, состоящий из: горизонтальной системы обзора (2), верхней системы (12) и нижней система (5), обнаруживающих препятствия и помогающих безопасно выполнять полёт. Дополнительно применяется система инфракрасных датчиков (6), которая помогает удерживать высоту и повышает точность позиционирования рядом с поверхностью (рисунок 13) [10].
Высокая точность геопривязки достигается благодаря съёмному RTK-модулю (3), который подключается через интерфейс PSDK, а технология RTK при этом обеспечивает определение координат с сантиметровой точностью, что особенно важно для задач точного земледелия. В верхней задней части корпуса расположен датчик солнечного света (19), используемый для регистрации условий освещения во время съёмки, где последние считаются необходимыми при обработке мультиспектральных данных (рисунок 13) [10].
Рисунок 13 – Основные элементы конструкции DJI Mavic 3M [10]
Для повышения безопасности предусмотрена система освещения, включающая передние огни ориентации (7), индикатор состояния (10) и нижнюю подсветку (4). Специально предусмотренная подсветка облегчает взлёт и посадку в условиях недостаточного освещения. Движение дрона обеспечивается за счет четырех электродвигателей (8) и складных быстросъёмных пропеллеров (9) – такая конструкция делает аппарат максимально компактным при транспортировке и надёжным во время эксплуатации (рисунок 13) [10].
Питание всех систем обеспечивается за счет заряда интеллектуальной аккумуляторной батареи Intelligent Flight Battery (16). На аккумуляторе расположены специальная кнопка включения (17), индикаторы уровня заряда (15) и фиксирующие защёлки (18), а для передачи данных предусмотрены порт USB Type-C (13), а также слот для карты памяти microSD (14). Посадочные опоры (11) со встроенными антеннами системы передачи сигнала, завершают конструкцию аппарата и обеспечивают устойчивую связь между дроном и пультом управления во время полёта (рисунок 13).
Дрон DJI Mavic 3M оснащён дополнительными функциями для агромониторинга, такими как: датчик солнечного света, система всенаправленного обзора, функции возврата домой. Датчик солнечного света автоматически учитывает изменения освещённости, что повышает точность мультиспектральных данных. Система всенаправленного обзора обнаруживает препятствия и повышает безопасность полёта, при этом нижние камеры и инфракрасные датчики поддерживают стабильное позиционирование даже при условии слабого сигнала спутниковой навигации (рисунок 14). Наряду с этим реализованы функции автоматического возврата домой и контроля эксплуатационных ограничений [10].
Рисунок 14 – Система всенаправленного обзора [10]
Одним из ключевых компонентов системы управления БПЛА является пульт управления. В качестве центрального элемента выступает встроенный сенсорный экран диагональю 5,5 дюйма (9), на котором отображаются детализированные параметры полёта, выводится изображение с основной камеры и представлен интерфейс управления миссией, а также есть возможность подключения к вспомогательным боковым камерам, используемым дроном для ориентация в пространстве и избегания возможных препятствий. Для работы пульта используется операционная система Android, которая поддерживает функции подключения к Wi-Fi и Bluetooth, а также данное устройство оснащено специализированным модулем, предназначенным для спутниковой навигации. Приблизительное время автономной работы, в течение которого пульт может функционировать после зарядки, достигает около трёх часов.
В пульте для управления дроном используются специально устанавливаемые съёмные джойстики (1), необходимые для взлета дрона, контроля полета при ручном управлении и посадке; при этом есть возможность выбора режимов полета с помощью специального переключателя (5), среди которых доступны: обычный, спортивный и функциональный режимы. Рядом расположены основные кнопки, используемые для управления БПЛА: кнопка (2) используется для возврата домой и вызова дополнительных функций при возникновении необходимости, кнопка RTH (3) применяется для запуска автоматического возврата домой, а кнопка (4) предназначена для случаев, касающихся экстренной остановки или приостановки полёта при возникновении острой необходимости (рисунок 15) [10].
Рисунок 15 – Пульт управления БПЛА: слева – лицевая (передняя) и нижняя панели, справа – верхняя панель [10]
Реализация непосредственно самой мультиспектральной съемки не ограничивается только данным процессом, а включает также хранение и передачу полученных в ходе проведения съемки данных, для чего предусмотрены слот microSD (11), порт USB Type-C (12) и разъём mini HDMI (13). Последний разъём (mini HDMI) специально предназначен для того, чтобы выводить изображение на внешний монитор при возникновении такой необходимости. Наряду со слотами также имеется и встроенный микрофон (14), который позволяет осуществлять аудиофиксацию необходимой информации и записывать голосовые комментарии (рисунок 15).
На верхней части корпуса пульта управления расположены специальные органы, предназначенные для работы с камерой и её управления. Для изменения угла наклона стабилизатора и непосредственной работы с ним используется специальное колесо (15). Также имеется встроенная функция записи видео, которая позволяет запускать и останавливать запись за счет взаимодействия с кнопкой видеозаписи (16). Аналогичная функция применяется и для фотографирования, где кнопка спуска затвора (20) позволяет делать фотографии. При этом масштаб получаемых изображений можно менять за счет фиксации или изменения положения колеса управления зумом (21). Каждое из действий или несколько из них в совокупности обеспечиваются за счет непосредственной связи с дроном, поддержание которой происходит посредством складных внешних антенн (17), которые передают команды управления и видеосигнал на беспилотник в режиме реального времени (рисунок 15) [10].
Пульт управления для оптимизации пространства и удобства управления полетом включает также дополнительно использование задней панели (рисунок 16), на которой располагаются элементы системы охлаждения, кнопки для пользовательского программирования. Система охлаждения используется для предотвращения перегрева и включает такие элементы, как: вентиляционное отверстие (22) и воздухозаборник (27), позволяющие обеспечивать и поддерживать корректный процесс работы пульта управления за счет циркуляции воздуха внутри него. Через воздухозаборник осуществляется поступление воздуха из окружающей среды, который используется для охлаждения внутренних компонентов пульта, а затем после нагревания отводится через вентиляционное отверстие для поддержания необходимого температурного режима. Для удобства оператора дрона на задней панели расположены специальные кнопки C1 (24) и C2 (26), которые являются программируемыми и которым пользователь может назначить необходимые функции (рисунок 16). Данные кнопки позволяют быстро активировать назначенные функции без необходимости использования сенсорного экрана или других элементов системы управления пульта, что обеспечивает и повышает оперативность и удобство управления дроном во время полета. Назначение функций для каждой кнопки определяется на усмотрение пользователя, а также в зависимости от реализуемых задач и предпочтений, что дает возможность выполнять назначенные команды, обеспечивая быстрый доступ именно к тем командам, которые используются особенно часто или требуют оперативности во время полета. Наряду с этим также имеется дополнительная кнопка 5D (6) для обеспечения дополнительных настроек, расположенная на лицевой панели пульта управления (рисунок 15). Функции данной кнопки также могут быть настроены в соответствии с необходимыми задачами для обеспечения быстрого доступа к отдельным функциям в процессе управления дроном. На задней панели, для того чтобы сделать процесс транспортировки пульта управления и обеспечения сохранности его элементов, предусмотрен специальный отсек для хранения джойстиков (23), которые могут помещаться в него на время неиспользования или транспортировки. Также предусмотрен встроенный динамик (25), предназначенный для воспроизводства системных уведомлений и звуковых сигналов, информирующих оператора о состоянии пульта управления, а также о возникающих предупреждениях системы или возможных ошибках (рисунок 16) [10].
Рисунок 16 – Пульт управления БПЛА: задняя панель [10]
Одним из важнейших компонентов дрона является система камер, которая предназначена прежде всего для осуществления съемки и получения изображений в определенном спектральном диапазоне. Система камер состоит из основной центральной RGB-камеры, имеющей разрешение около 20 мегапикселей и механический затвор; а также включает четыре мультиспектральные камеры по 5 Мп каждая, расположенные выше основной центральной камеры. Мультиспектральные камеры работают в зелёном (560±16 нм), красном (650±16 нм), красном крае (730±16 нм) и ближнем инфракрасном (860±16 нм) диапазонах (рисунок 17) [10]. Фактическая работа всех камер вне зависимости от охватываемого спектрального диапазона, осуществляется синхронно. При этом, время экспозиции корректируется с учетом показаний, получаемых с датчика солнечного света, что в совокупности позволяет поддерживать необходимый уровень освещенности для обеспечения высокого качества изображения при различных условиях съемки.
Таким образом, благодаря совокупности перечисленных характеристик, исследуемый беспилотный летательный аппарат эффективно применяется для реализации задач агромониторинга, картографирования и оценки состояния посевов в целом или отдельных растений.
Рисунок 17 – Система камер дрона [10]
Получаемые дроном данные и их передача на пульт управления, а также непосредственное взаимодействие и связь двух данных элементов дистанционной системы зондирования осуществляется посредством системы DJI O3 Enterprise, которая используется для обеспечения соответствующих условий получения и обмена ключевыми управляющими сигналами и передачи видео в режиме реального времени. Максимальное расстояние, на котором поддерживается связь и осуществляется передача сигнала составляет 15 км в условиях отсутствия радиопомех и различных препятствий. Система обеспечивает условия поддержки передачи видео в качестве Full HD при частоте до 30 кадров в секунду, что позволяет оператору практически в режиме реального времени наблюдать процесс съемки с камер, а также осуществлять контроль за выполнением полетного задания.
У дрона также имеется встроенная система безопасности. Технология интеллектуального автопилота обеспечивает автоматическое своевременное обнаружение и обход препятствий за счет их визуального восприятия и определения их расположения в пространстве по отношению к БПЛА, передавая соответствующую информацию о препятствиях, что позволяет вовремя на них реагировать и снижать вероятность столкновения во время выполнения полетных заданий. Данная технология позволяет также дрону автоматически изменять высоту полёта, ориентируясь на рельеф местности, при этом не используя внешние карты высот. Соответственно, при многократном варьировании высоты рельефа, дрон автоматически изменяет высоту полета таким образом, чтобы поддерживать приблизительно одинаковое расстояние по отношению к поверхности на протяжении всего маршрута. Такая функция повышает точность съёмки и качество получаемых изображений с более стабильным масштабом, позволяя получать более точные снимки для дальнейшего картографирования.
Пульт управления позволяет оператору дрона не только контролировать положение и параметры полета, но также и сам непосредственно процесс получения данных с камер, то есть имеется функция вывода на экран не только обычного видео, но также дополнительно к этому пользователь может наблюдать изображение с мультиспектральных камер в реальном времени. Это дает возможность реализации визуального осмотра территории во время выполнения самого задания. Наряду с этим, на экране отображается панель состояния RTK, передающая дополнительную информацию оператору о позиционировании дрона. Она также показывает тип решения, количество спутников и состояние связи с базовой станцией, что в совокупности обеспечивает получение полноценной информации о состоянии полетного задания и маршрута, а также отдельного его этапа и регистрируемых данных.
Важным является интеграция пульта с системой контроля технического состояния системы, которая отличается тем, что она мгновенно сообщает о различного рода неисправностях и предупреждениях, которые могут повлиять на качество съемки и получаемых изображений, выполнение задания, а также безопасность полета. Например, при загрязнении датчиков обзора, необходимости калибровки компаса или превышении допустимой скорости ветра, система уведомляет оператора об этом, что позволяет своевременно предпринимать необходимые меры и поддерживать тем самым высокое качество получаемых данных и процедуру выполнения задания.
Для выполнения сельскохозяйственных задач поддерживается платформа DJI SmartFarm, которая предназначена для планирования и выполнения автоматизированных полетов, сбора и последующей обработки получаемых данных. Данная платформа позволяет автоматически загружать регистрируемые или необходимые данные в облако для дальнейшего использования в рабочих целях. С её помощью можно планировать миссии и проводить мониторинг сельскохозяйственных территорий, а также анализ непосредственно в режиме реального времени.
Таким образом, успешное выполнение мультиспектральной съёмки с использованием DJI Mavic 3M требует не только правильной подготовки оборудования и соблюдения всех процедур безопасности, но также и детального понимания принципов работы мультиспектральных сенсоров, навигационных систем и программных средств обработки данных. Соответственно, грамотное применение возможностей данного комплекса в совокупности позволяет получать высокоточные данные о состоянии сельскохозяйственных культур, что в свою очередь повышает эффективность проводимого мониторинга и уровень качества принятия решений в задачах точного земледелия.