پهپاد چیست؟
پهپاد (پرنده هدایت پذیر از دور) (UAV: Unmanned Aerial Vehicle) یا هواپیمای بدون سرنشین به اشیاء پرنده هدایت‌پذیر از راه دور (RPV: Remotely Piloted Vehicle) گفته می‌شود.
هواپیماهای بدون سرنشین در ایران به «پهپاد» شهرت دارند که از حروف اول »پرنده هدایت پذیر از راه دور» گرفته شده است. اجزای اصلی یک پهپاد عبارت اند از: بدنه، موتور و محموله. بدنه یک پهپاد باید علاوه بر دارا بودن شرایط مناسب آیرودینامیکی، طوری طراحی شود که بتواند سامانه‌های ارتباطی، جنگ‌افزارها، اشخاص و محموله ها و کلیه لوازم مرتبط با مأموریت محوله‌اش را در خود جای دهد و نیز با شرایط جوی منطقه مأموریت سازگار باشد. پهپادها نیاز به نوع خاصی از موتورها دارند. منظور از محموله‌های پهپاد درواقع تجهیزات و متعلقات اضافی است که همراه پرنده برای انجام مأموریت خاصی فرستاده می‌شود که در پهپادهای شناسایی، دوربین فیلم برداری و عکس برداری، در پهپادهای هدف، فلز و رفلکتور و در پهپادهای تهاجمی و انتحاری، مهمات است.
تاریخچه پهپادها
در سال ۱۹۱۷، چارلز کترینگ، از شرکت جنرال موتورز، هواپیمای بدون سرنشین دوباله ای برای ارتش آمریکا طراحی کرد که قادر به حمل مهمات و اصابت به هدف بود. اولین پرواز موفق پرنده های بدون سرنشین در ششم مارس سال ۱۹۱۸ در نیویورک به وسیله هواپیمایی به نام اژدر کورتیس صورت گرفت. این هواپیمای ۹۵۰ پوندی، پس از پرتاب به وسیله منجنیق توانست مسافتی ۱۰۰۰ یاردی را طی کند. در سال ۱۹۳۳، انگلیسی ها از هواپیماهای دوباله Fairey Queen که از راه دور کنترل می‌شد استفاده کردند. در بحبوحه جنگ جهانی دوم، آلمانها از بمب های پرنده V-1 علیه متفقین استفاده کردند که پدربزرگ موشک های کروز کنونی محسوب می شود.
پهپاد آتراتوس با کاربری غیرنظامی و نقشه برداری توسط گروه مکانیک هوافضای دانشگاه فردوسی مشهد طراحی و ساخته شد.
فناوری نقشه برداری هوایی توسط پهپاد فوق سبک
زمان زیادی نیست که برخی از سازمان ها و ادارات و شرکت های دولتی و خصوصی داخل کشور در جریان توسعه و فناوری پهپاد های کوچک و غیرنظامی قرارگرفته و به اهمیت استفاده از این پهپاد ها در جهت کاهش هزینه عملیات نقشه برداری هوایی (تهیه نقشه های توپوگرافی، مدیریت بحران، مدیریت کشاورزی، بازرسی و نظارت و…) پی برده اند. با توسعه دوربین های سبک ولی باکیفیت، موتورهای کم مصرف و باتری های پرقدرت سبک، پهپادهای تجاری در حال تصرف و اجرای مأموریت های غیرنظامی ولی مهم شهری و روستایی می باشند. که ازجمله این مأموریت ها نقشه برداری هوایی است.
صنایع هوایی قدس و شرکت هواپیماسازی ایران (هسا) ازجمله مهمترین مراکزی هستند که در زمینه طراحی و ساخت انواع هواپیماهای بدون سرنشین فعالیت می نمایند.
کاربردهای متفاوت هواپیماهای بدون سرنشین
- تحقیق و اکتشاف فضائی
- عملیات جاسوسی
- مطالعات جنگل ها و مراتع و اراضی کشاورزی
- کنترل بهتر ترافیک با پهپادهای شهری
- امداد و نجات
- خبرنگاری و عکاسی
- حمل و نقل
- کنترل پروژه و مدیریت بحران
- نقشه برداری
- ناوبری پهپادها
قابلیت های پهپاد
- انجام عملیات مراقبت نامرئی در فواصل نزدیک و محصور همچون مناطق شهری
- قابلیت مقیاس شدن در اندازه و برد
- قابلیت ترازسازی خودکار
- قابلیت جمع شدن و بسته بندی آسان
- پایداری در شرایط آب وهوایی نامطلوب
- نیازمند به آموزش های محدود
- قابلیت کار با نیروی محرکه الکتریکی
- رادیو کنترل GPS سازگار با استفاده از دوربین پرسرعت و قابلیت دسترسی به میدان دید کروی ۳۶۰ درجه
- رادیو کنترل GPS
- حمل تجهیزاتی مانند دوربین تصویربرداری، فیلم برداری، مادون قرمز، حرارتی، چند طیفی، فرا طیفی، لیدار و سنجنده های تعیین موقعیت
روش های ناوبری پهپاد
- هدایت Stabilizer
- هدایت تمام خودکار از طریق WP اتوپایلوت
- هدایت نیمه خودکار با RC
فناوری نقشه برداری هوایی توسط پهپاد
به طور معمول روش هایی که امروزه برای تهیه نقشه های توپوگرافی استفاده می‌شوند فتوگرامتری هوایی با استفاده از دوربین های متریک، استفاده از تصاویر ماهواره ای، نقشه برداری زمینی و یا استفاده از لیدار می‌باشند. اما در بعضی از موارد اجرایی به دلیل مسائل هزینه، دسترسی، مجوزهای موردنیاز، زمان انجام پروژه و غیره استفاده از این فن ها دور از انتظار است. در این موارد نیازمند به یک روش میسر و مقرون به صرفه می‌باشیم که نه تنها متناسب با ابعاد منطقه (عارضه) و سرعت تغییرات باشد بلکه قدرت تفکیک مکانی موردنظر را نیز برآورده نماید. به منظور رفع مشکلات فوق الذکر روشی که به تازگی برای تهیه نقشه های بزرگ مقیاس استفاده گردیده است، روش اخذ تصویر توسط وسایل پرواز بدون سرنشین یا همان فتوگرامتری هوایی برد کوتاه است. یک سیستم فتوگرامتری هوایی برد کوتاه شامل یک دوربین غیر متریک است که بر روی یک وسیله پرواز بدون سرنشین به گونه ای سوار می‌گردد که تا حد ممکن نیروهای وارد بر دوربین صفر گردد و دوربین در حالت اینرسی قرار گیرد. سپس این گونه سیستم‌ها توسط هدایت کننده های اتوماتیک شروع به اخذ داده از منطقه موردنظر در ارتفاع کم می‌نمایند و داده موردنیاز برای تهیه اطلاعات هندسی به ویژه نقشه های توپوگرافی بزرگ مقیاس را برآورده می‌نمایند.
مزایای طرح استفاده از پهپاد
- تهیه عکس و فیلم از مناطق به منظور شناسایی
- تهیه اطلاعات با قدرت وضوح بالا (در حد ۳ سانتی متر) به دلیل ارتفاع پایین این گونه سیستم ها
- امکان تهیه اطلاعات مکانی از مناطق صعب العبور و مناطقی که دسترسی انسانی مقدور نباشد
- صرفه جویی در وقت و انرژی
- مدیریت بحران در هنگام وقوع حوادث طبیعی و غیر طبیعی
- کاهش هزینه های مربوط به وسایل پروازی، سوخت، مجوز، خلبان
- تنوع ارائه محصولات متناسب با کاربرد و نیازهای موجود در پروژه
- سرعت و دقت بالا در انجام کار
- امکان تهیه اطلاعات موردنیاز حدالمقدور در کمترین زمان و به روزرسانی
موارد بسیار مهم برای به دست آوردن نتایج دقیق در نقشه برداری هوایی
- هدف از نقشه برداری هوایی باید کاملاً مشخص باشد از قبیل نقشه مسطحاتی، مدل رقومی ارتفاعی زمین، ارتوموزائیک یا مدل سه بعدی دقیق از یک محل خاص و نوع و شرایط محلی که قرار است نقشه برداری هوایی در آن صورت بگیرد.
- بسته به شرایط محل نوع دوربین مشخص می شود.
- بسته به نوع دوربین و شرایط محل: ارتفاع پرواز، سرعت پرواز، فاصله زمانی بین هر عکس و تنظیمات دوربین (سرعت شاتر، نحوه زوم، زاویه دوربین و…) فواصل نقاط کنترل زمینی، میزان پوشش طولی و عرضی تصاویر، میزان دقت طولی عوارض زمینی در هر پیکسل برای تصویرهای مجاور طولی و عرضی و… محاسبه می گردد.
- بخش های مختلف یک سامانه فتوگرامتری عمود پرواز را می توان مشاهده نمود که شامل بخش های مکانیک پرواز و بدنه، موتور و نیروی پیشران، ناوبری، مخابرات، تعیین موقعیت، برداشت داده، بخش کنترل زمینی و نرم افزار است.
مراحل انجام کار عملیات نقشه برداری به کمک پهپاد
- تحویل محدوده کار از کارفرما به فرمت KML و مقیاس موردنظر جهت تهیه نقشه
- شناسایی منطقه از چندین جهت باید صورت پذیرد: ابتدا عدم وجود مانع در پرواز باید بررسی گردد به نحوی که شرایط دید نقطه به نقطه مخابراتی بهینه باشد. همچنین فضای کافی و بدون مانع برای فرود پرنده و چرخش آن هنگام فرود وجود داشته باشد. همچنین سرعت باد و شرایط جوی لحاظ شود.
- پس از شناسایی منطقه طراحی پرواز صورت می گیرد که باید در اینجا به بررسی شرایط توپوگرافی، شرایط آب و هوایی (جهت باد)، شرایط نوری و همچنین محدودیت های مخابراتی، بررسی از لحاظ مقررات بین المللی و داخلی و تعیین ارتفاع پرواز با توجه به دقت مسطحاتی و ارتفاعی موردنظر پرداخت. در حالتی که پوشش طولی حداقل ۷۰ در صد و پوشش عرضی ۴۰ در صد است، استحکام هندسی شبکه بالا رفته و از پدیده لولا شدن بین مدل ها جلوگیری می شود.
- مرحله بعد شامل طراحی نقاط کنترل زمینی است که این مرحله از کار می تواند قبل از پرواز و یا بعد از پرواز صورت گیرد. نقاط کنترل سه بعدی باید دارای آرایش هندسی مناسبی باشند به طوری که دورتادور منطقه را بپوشانند. تراکم نقاط کنترل معمولاً بین ۲۰۰ تا ۵۰۰ متر است.
- پس از راه اندازی پهپاد و کنترل های قبل از پرواز (علی الخصوص پرنده های عمودپرواز کالیبراسیون شتاب سنج و کنترل ایستائی باتری، ملخ ها و آنتن) عملیات پرواز با رعایت هماهنگی های نظامی و انتظامی شروع می شود. عملیات پرواز شامل سه مرحله برخاست، پرواز و ناوبری و فرود است. پس از فرود پهپاد کنترل های بعد از پرواز و تخلیه داده ها صورت می گیرد.
- بررسی کیفیت تصاویر با توجه به تنظیمات دوربین و شرایط عکس برداری از جمله مراحل پیش پردازش است که شامل حذف مشاهدات اضافی و بررسی نواقص و مشکلات است.
- پس از پیش پردازش های اولیه نوبت به پردازش تصاویر و قرائت نشانه های زمینی در تصاویر(به کمک نرم افزارهای فتوگرامتری با پردازش خودکار(APS)) می رسد. موزاییک تصاویر، مثلث بندی هوائی، تولید ابر نقطه، ارتوفتو، تهیه DSM ،DTM و در پایان مدل سه بعدی زمین و خروجی های موردنیاز در محیط های نرم افزاری دیگر از محصولات این روش است.
- ویرایش ابر نقطه به دلیل نویزهای موجود می تواند در نرم افزار دیگری انجام شود.
مقایسه فتوگرامتری UAV و هواپیما با سرنشین
در فتوگرامتری UAV تعداد بالای تصاویر را به علت ابعاد کوچک سنجنده و ارتفاع پرواز پایین خواهیم داشت و در نتیجه تصاویر می توانند پوشش طولی و عرضی بیشتری داشته باشند. در مقایسه با دوربین های پیشرفته فتوگرامتری هوایی دوربین های UAV دارای کیفیت پایین تصاویر می باشند. همچنین در فتوگرامتری UAV نیاز به رایانه ای با توان پردازشی بسیار بالا است. در پهپادهای فوق سبک امکان payload در حد چند کیلو است که باید توجه داشت بخش اعظم بار به باتری بر می گردد، بنابراین با محدودیت وزن مواجه هستیم. ازجمله مزایای مهم این روش امکان در اختیار داشتن تصاویر هوائی برای کاربران بدون نیاز به سازمان خاصی است. عدم نیاز به فرودگاه و آشیانه هواپیما دسترسی و نگهداری این وسیله را برای شرکت های نقشه برداری آسان تر می کند.
Aeromapper X5 جدیدترین پهپاد
اخیراً کمپانی Aeromao کانادا از محصول جدید خود به نام Aeromapper X5 رونمایی کرده است که این هواپیمای بدون سرنشین، به صورت دستی راه اندازی می شود، به طور “خودگردان و مستقل” پرواز کرده و تصویربرداری می کند و سپس با چتر نجات فرود می آید.
پس از برنامه ریزی مختصات منطقه جغرافیایی موردنظر برای نقشه برداری در سیستم این پهپاد، کاربران تنها Aeromappe را راه اندازی نموده و به هوا پرتاپ می کنند. سپس این پهپاد خودکار، در یک الگوی شبکه ای بر فراز منطقه مذکور اقدام به پرواز می کند و در فواصل منظم پرواز خود، تصاویر را همراه با تگ های جغرافیایی ثبت می کند. زمانی کار به سرانجام رسید، هواپیما به نقطه شروع پرواز خود بر می گردد و در آنجا موتور خود را غیرفعال کرده و عملیات سقوط را اجرا می کند. در طول برخاست و فرود، دوربین توسط یک درب در قسمت شکم هواپیما محافظت می شود و در موقع نقشه برداری، این درب باز می گردد.
این پهپاد می تواند با حداکثر سرعت ۵۰ کیلومتر بر ساعت (۳۱ مایل بر ساعت) حرکت کند. این پهپاد می تواند در شرایط وزش باد تا سرعت ۳۵ کیلومتر بر ساعت (۲۲ مایل در ساعت) پرواز نماید و دارای برد حالت خودگردان ۲۰ کیلومتری (۱۲ مایل) است و همچنین می تواند به صورت دستی توسط کنترل رادیویی هدایت شود، اما در برد کوتاهتر.
بر عهده گیری نقش مهندس ناظر در پروژه های ساختمانی توسط پهپادها
استفاده از دوربین در کارگاه های ساختمان سازی امر جدیدی نیست، اما دوربین های مورداستفاده توسط سازندگان یک استادیوم ورزشی در شهر کالیفرنیا اندکی پیشرفته تر از آن چیزی هستند که به دیدنشان در چنین محیطی عادت دارید.
دوربین های هایی که در ساخت این استادیوم به کار گرفته شده اند در محوطه ساختمان سازی به تصویربرداری پرداخته و این تصاویر را درنهایت برای تهیه عکس های ۳ بعدی در اختیار سازندگان پروژه قرار می دهند.
در ادامه تصاویر ۳ بعدی به نرم افزاری داده می شود که توسط دانشگاه ایلینویز توسعه یافته تا پس از مقایسه آن ها با نقشه های ساختمان و تصاویر پیشین، میزان پیشرفت پروژه مشخص گردد.
با وجود چنین ابزاری سازندگان می توانند پیشرفت پروژه را از تمام زوایا به دقت تحت نظر گرفته و در صورت عقب افتادن یک قسمت از پروژه یا کم بودن سرعت کارگران، اقدامات جبرانی لازم را به عمل آورند.
تیم دانشگاه ایلینویز همچنین در تلاش است این امکان را فراهم کند که کار نصب دوربین های مداربسته کارگاه های ساختمانی نیز توسط پهپاد ها انجام شود و علاوه بر آن، این قابلیت هم وجود داشته باشد که عملکرد هر کارگر در طی زمان فعالیت وی ثبت شده و امکان دسته بندی و مدیریت آن ها با استفاده از این اطلاعات وجود داشته باشد.
گردآورنده: فرزانه صادقیان دانشجوی کارشناسی موسسه آموزش عالی حکمت قم
مطالب مرتبط:
۱. مروری بر تولیدات دوربین های هوایی رقومی مایل
۲. راهبران پهپادهای تجاری: برون سپاری و یا استخدام درون سازمان؟
۳. پر کردن فضاهای خالی بین تصاویر هوایی و داده های زمینی اخذ شده
