資料介紹
描述
問題
森林火災在全世界都是一個嚴重且致命的問題,尤其是在我們的家鄉加利福尼亞州。2021 年,僅加利福尼亞州就有 7,480 場野火燒毀了 2,281,050 英畝的土地,隨著氣候變化,這個問題只會變得更糟。野火威脅著我們的家園和野生動物,一旦它們蔓延,在不嚴重危及我們的消防員的情況下幾乎不可能停止。防止野火變得如此嚴重的一種方法是早期檢測系統。
具體來說,我們決定制造一架高效的遙控飛機,它能夠在使用機載攝像頭、TinyML 和衛星調制解調器檢測和報告野火的同時自主飛行。
TinyML 空中探測
早期森林火災探測只有兩種可能的方法:放置在固定位置周圍的傳感器或測量土地的航空設備。后者是更好的方法,因為它更可靠、更實惠、覆蓋范圍更廣,并且可以部署在任何地方。此外,將傳感器放置在野生動物身上可能會對生態系統造成破壞。
空中設備受到重量和功率的限制,因此使用紅外熱像儀來探測火災并不理想——像樣的熱像儀重量很重,耗電量太大。TinyML 解決了這些限制,因為可以在機上處理常規圖像,從而允許小型、輕便、高效的硬件。
使用的數據集是火焰數據集,它由有火和無火的景觀航拍照片組成。還包括其他數據集,例如火災數據集和森林火災。在訓練 CNN 100 個時期后,我們實現了大約 96% 的驗證準確率,并且通過量化,該模型能夠適合 Arduino Nano 33 BLE 的內存。要了解更多關于我們如何訓練模型的信息,請查看 Jupyter Notebook。
衛星
能量消耗
為節省電量,Arducam OV2640、Arduino Nano 33 BLE 和衛星模塊在拍攝每張照片后休眠 500 毫秒。完整的設備(包括 GPS,耗電 150 毫安)對飛機的電池壽命影響很?。ā?總耗電量的 0.3%)。這架飛機可以以 30 英里/小時的速度(飛行約 45 英里)在空中持續至少 90 分鐘,并且如果電池更多(有空間),飛機可以飛行更長的時間。此外,當在高空飛行時,飛機一次飛行可以覆蓋相當大的陸地。
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建造飛機
我們決定使用飛機,因為飛機會產生自己的升力,使它們比多旋翼飛行器更節能。它們還可以覆蓋更遠的距離,這在尋找廣闊森林中的火災時非常有用。
1. 使用隨附的說明獲取并組裝飛機。
我們使用了 ASW28 V2 電動滑翔機,這是一種以高效著稱的流行滑翔機。
2. 獲得以下物品(如下圖所示)。
答:Pixhawk 4
B:這里 GNSS GPS/羅盤
C:輔助 GPS/指南針
D: Pixhawk 電源管理板
E:RFD900x 遙測調制解調器
F:空速傳感器
G:TBS Crossfire Diversity Nano RX
H:電調
一:電機
J:空速管
K:皮托管
L:面包板
男:相機
*注意:大多數現成的飛機套件中都包含電機和 ESC。
3. 為空速管和空速管在泡沫上切槽,將空速管穿入機身。
4. 獲得一塊輕質輕木板來固定所需的航空電子設備。此板如圖1所示,配套B和E。
5. 在飛機底部開一個洞,讓相機可以看到地面。
6. 使用雙面膠帶,將圖 1 和圖 2 中所示的所有航空電子設備連接到各自的位置。
7. 根據隨附的示意圖(見頁面底部)連接航空電子設備。
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飛行
對于我們的地面站軟件,我們選擇了 QGroundControl,因為它可以與 PX4(在 Pixhawk 飛行控制器上運行的固件)配合使用。這是我們的一項任務的示例。這是一張交互式地圖,顯示了我們的飛機所走的路線,以及來自飛行的大量傳感器數據。除了安全至上的發射之外,這架飛機在所有時間都保持完全自主。這種自主飛行包括飛機前往多個預定航路點,標志著未來不僅在自主飛行,而且在公共安全,特別是森林火災安全方面邁出了重要一步。
未來的改進
一種模塊化且高效的森林火災檢測方法對于現代世界的安全和安保至關重要。我們當前設計的一項改進是將太陽能電池板連接到飛機的機翼上,使飛機不僅可以自主飛行,還可以在夜間飛行,因此可以無限期飛行。
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