Разработка метеозонда для контроля изменения экологических и метеопараметров атмосферы на основе применения БПЛА

Опубликован

Идея проекта

Полное название проекта
Разработка метеозонда для контроля изменения экологических и метеопараметров атмосферы на основе применения БПЛА
Руководитель
Екатерина Молодецкая
Заявлен
2 сентября 2018, 18:04
Категории проекта
  • СОЗДАВАЙ!
  • II ступень
  • На конкурс «Реактор» Реактивное лето
Ключевые слова проекта
  • метеозонд
  • контроль метеопараметров
  • экологический контроль атмосферы
  • электронное оборудование на ардуино
Площадка конкурса
Интеркот Центральный район

Замысел продукта

В настоящее время для исследования и измерения метеорологических параметров атмосферы применяются радиозонды, имеющие ряд недостатков: большая погрешность измерений, одноразовость применения, использование дополнительных средств контроля траектории метеозонда. В их функции не входит измерение экологического состояния атмосферы.
В данной работе предлагается вариант реализации метеозонда, лишённого перечисленных недостатков и позволяющего вести наблюдение за экологическим состоянием атмосферы.
Достичь это возможно за счет более частых измерений параметров атмосферы с различных мест и удаленных территорий при помощи полетов коптера. На территории города БЛА будет облетать территории для мониторинга экологического состояния атмосферы. Идеей проекта является создание метеозонда многоразового использования за счет применения коптера, как транспорта для возврата на землю оборудования, а также расширение функций за счет измерения экологических параметров.
Актуальность данной темы обусловлена необходимостью модернизации устаревшего метеооборудования для оптимизации затрат на метеорологические и экологические исследования атмосферы. Применяемые радиозондами являются затратными, вследствии необходимости содержании газовых станций и невозможности возврата метеодатчиков. Экологические замеры осуществляются в определенных участках города и не дают полной информации со всей территории города.
Снизить стоимость исследования можно за счет отказа от радиопередатчика при использования коптера, как транспорта для возврата метеооборудования. Мобильность коптера позволит получать полную оперативную информацию о метео и экологических изменениях в атмосфере.
Целью поставлено разработать метеозонд для определения метепараметров и уровня экологического состояния атмосферы. В соответствии с поставленной целью решены следующие задачи: проведен анализ современных устройств контроля параметров атмосферы; изучены основные типы электронных устройств для создания метеозонда и определены их особенности; рассмотрены основные принципы получения информации об изменении атмосферных явлений с помощью метеооборудования. Задачи:
- исследовать проблемы при надлюдении метео и экологических параметров атмосферы,
- изучить оборудование для мониторинга метео и экологических парамнтров,
- разработать метеозонд для измерения метепараметров и уровня экологического состояния атмосферы
При выполнении работы были использованы методы исследования, такие как анализ и синтез, наблюдение, сравнение, моделирование, научный эксперимент.

Технология реализации замысла

Метеозонд фиксирует параметры температуры, давления, влажности, высоты и местоположения. Контролирует концентрацию углеводородных газов и угарного газа в атмосфере. Ведет базу данных измерений.
Основной идеей проекта является обеспечение возврата дорогостоящего оборудования на метеостанцию.Решение в использовании коптера как транспорта, в оснастке коптера электронным оборудованием для измерения экологических и метепараметров.
Разрабатываемый метеозонд является мобильным и многофункциональным. Кроме основных функций контроля и замера атмосферных явлений сможет дополнительно вести фото и видеосъемку в полете. Необходим метеослужбам для информирования МЧС, населения, «зелёной» энергетике в расчетах оптимального места для ветрогенераторных ферм. Инженерная метеорология может уменьшить влияние климата при проектировании объектов с учётом данных о силе ветров, количестве осадков.
Для воплощения идеи требуется сотрудничество с метеостанциями для формирования технических требований к разрабатываемому метеозонду. Так же необходимо провести некоторое количество тестов для калибровки и отладки взаимодействия элементов между собой контроллера коптера и метеозонда.
Итогом изобретательского проекта является создание:
- действующего устройства для измерения скорости ветра, демонстрирующего работу метеостанции на установке ветрогенератора. Измеритель скорости ветра на ветротурбине, оснащенный сигнальными датчиками оповещения может сигнализировать о превышении порога безопасности при превышении скорости ветра и при встраиваемой системе Умного дома влиять на процессы управления.
- действующего метеозонда для применения на беспилотных летательных аппаратах облегченной конструкции. Разработанная плата имеет малые габариты – до 9 кв. см. и вес – до 20 гр., измеряет метеопараметры, записывает на карту памяти, информация может быть считана на компьютере. Экологические измерения производятся за уровнем угарного газа в атмосфере и наличием природных газов.

Галерея проекта

План проекта

Лидер проекта
Екатерина Молодецкая
1

1. Постановка проблемы, возможные пути её решения. Создание макета действующей метеостанции.

Исполнитель:
Екатерина Молодецкая
Срок:
задача уже завершена
Статус:
выполнена

Описание и инструкции

Анализ современных устройств контроля параметров атмосферы
Приборы, предназначенные для проведения контроля окружающей среды, позволяют наблюдать и фиксировать множество параметров: давление, освещенность, шум, температуру, влажность, скорость потоков воздуха, уровень содержания газов в воздухе и многое другое. Все измерители условно классифицируются на:
- устройства, позволяющие осуществлять контроль параметров окружающей среды;
- устройства, позволяющие фиксировать параметры микроклимата.
Газоанализаторы используются для проведения анализа составов газов и их смесей. Интересно, что работая с прибором контроля окружающей среды данного вида, у пользователя есть возможность выявления не только качественной характеристики газовой смеси, но и количественной.
Все газоанализаторы условно разделяют на ручные и автоматические устройства. Наиболее яркие и востребованные представители первого вида газоанализаторов – абсорбционные. Принцип их работы основан на поглощении имеющимися реагентами отдельных компонент газовой смеси. Автоматические модели проводят непрерывные измерения конкретной физической или химической характеристики газовой смеси.
Современные метеорологи используют моделирование сценариев атмосферы с помощью одних из мощнейших компьютеров в стране. Они собирают колоссальные массивы информации со спутников, наземных наблюдательных станций, самолетов, морских судов, метеорологических ракет и аэрологических зондов, измеряющих параметры атмосферы.
Все это заносится в огромный центр данных, перерабатывается и раскладывается с помощью очень сложных семиуровневых систем уравнений: будущее состояние атмосферы вычисляется по более чем 220 параметрам. Их можно накладывать на электронные карты, которые генерируются по заданным шаблонам в автоматическом режиме – на их основании синоптик анализирует ситуацию и составляет прогноз.
Погода формируется в тропосфере – слое атмосферы до высоты 30–40 км. Поэтому по всей толщине этого слоя с помощью радиозондов измеряются температура, влажность, давление, скорость и направление ветра. Для получения этих данных с 1901г. в России стали применяться шарызонды, впервые предложенные Д.И. Менделеевым – небольшие аэростаты, оснащенные самопишущим прибором метеографом.
Шар-зонд – это беспилотный аэростат, предназначенный для изучения атмосферы. Состоит из резиновой или пластиковой оболочки, наполненной водородом или гелием, и подвешенного к ней контейнера с аппаратурой. Приборы позволяют измерять давление воздуха, влажность, температуру и другие параметры. Во время подъема зонда, данные измерений с помощью радиопередатчика передаются на наземную приемную станцию, поэтому их еще называют радиозондами. Местоположение зонда постоянно определяет специальный радар. Траектория полета зонда определяет направление ветра на разных высотах.
Высотные метеозонды могут достигать высоты 30–40 км и улетают на расстояние 50–100 км. На большой высоте из-за разницы давления снаружи и внутри шара, оболочка лопается, и зонд падает на землю. Для надежности шар наполняют гелием, так как он не взрывается как водород, но поднимается такой шар медленнее. После разрыва оболочки метеозонд приземляется без парашюта. Поиск зондов после приземления не производится.
Зарубежные метеозонды имеют как аналоговую, так и цифровую электронную аппаратуру, также приемник GPS для определения координат зонда.
В отличие от зарубежных, российские радиозонды снабжены аналоговыми датчиками и устаревшей электронной частью. Используемые в России шары-зонды имеют недостатки: погрешность измерений; требуется специализированный радар для определения траектории полета зонда; приземление зондов с большой высоты представляет опасность для сооружений и населения; зонды являются приборами одноразового действия. В работе предлагается вариант реализации метеозонда, лишённого вышеперечисленных недостатков.

Первый этап работы над проектом удачно реализован и продемонстрирован в видеозаписи. Макет метеостанции состоит из модели ветротурбины, электронного оборудования и компьютера.
За первый месяц была создана модель ветротурбины, послужившая источником питания для электронного оборудования модели измерителя ветра. Кинетическая энергия ветрового потока преобразуется в механическую энергию вращения ротора, а затем - в электрическую энергию. Генератором послужил двигатель от лентопротяжного механизма магнитофона, который позволил преобразовать энергию при данном потоке ветра и зажечь лампочку на маяке. Бытовой вентилятор вырабатывал поток ветра.

Ключевые слова задачи

    Компетенции

    1. осознанный выбор будущей профессии и возможностей реализации собственных жизненных планов; отношение к профессиональной деятельности как возможности участия в решении личных, общественных, государственных, общенациональных проблем
    2. сформированность экологического мышления, понимания влияния социально-экономических процессов на состояние природной и социальной среды; приобретение опыта эколого-направленной деятельности
    3. готовность и способность к самостоятельной информационно-познавательной деятельности, включая умение ориентироваться в различных источниках информации, критически оценивать и интерпретировать информацию, получаемую из различных источников
    4. в решении когнитивных, коммуникативных и организационных задач с соблюдением требований эргономики, техники безопасности, гигиены, ресурсосбережения, правовых и этических норм, норм информационной безопасности
    5. умение самостоятельно оценивать и принимать решения, определяющие стратегию поведения, с учётом гражданских и нравственных ценностей
    6. владение компьютерными средствами представления и анализа данных
    7. сформированность базовых навыков и умений по соблюдению требований техники безопасности, гигиены и ресурсосбережения при работе со средствами информатизации; понимания основ правовых аспектов использования компьютерных программ и работы в Интернете.
    8. сформированность умения применять полученные знания для объяснения условий протекания физических явлений в природе и для принятия практических решений в повседневной жизни
    9. сформированность собственной позиции по отношению к физической информации, получаемой из разных источников.
    10. Сформированность навыков коммуникативной, учебно-исследовательской деятельности, критического мышления
    11. Способность постановки цели и формулирования гипотезы исследования, планирования работы, отбора и интерпретации необходимой информации, структурирования аргументации результатов исследования на основе собранных данных, презентации результатов

    Приложенные файлы

      2

      2. Проведение расчетов, подбор оборудования, консультации с метеоцентром. Тестирование оборудование. 3. Этап отладки оборудования для применения. Работа на метеоцентре с аппаратурой и оборудованием

      Исполнитель:
      Иван Беккер
      Срок:
      задача уже завершена
      Статус:
      выполнена

      Описание и инструкции

      Основные виды электронных устройств
      для создания метеозонда и их особенности
      Приборы обеспечивают измерения скорости и направления ветра, температуры, влажности давления окружающей атмосферы. Все приборы являются средствами измерений и внесены в Государственный реестр средств измерений. Характеристики приборов соответствуют приказам Миниприроды в части требований к средствам измерений используемым для метеорологии. Выпускаемые приборы могут использоваться как самостоятельно, так и объединяться в метеорологические комплексы состоящий из: анемометров (измеряет направление и скорость ветра), измерителя параметров среды ИПСЭС (температура, влажность, давление), блока питания БПЭС с выдачей и архиивации информации на видеоконтрольном устройстве ВКУ. Выпускаемые ЗАО "НПП "Электронстандарт" в России.
      Современная электронная промышленность производит широкую номенклатуру микроминиатюрных калиброванных электронных датчиков, позволяющих производить измерения атмосферных параметров с большой точностью при малых габаритах, массе и энергопотреблении. Использование таких датчиков и переход на цифровую элементную базу позволяют создать компактный, лёгкий, высоконадёжный, с малым энергопотреблением радиозонд. Наличие на борту зонда модуля GPS и передача координат по телеметрии обеспечит определение местоположения зонда и вычисление траектории полёта без использования специального радара.
      Из всего вышесказанного следует, что многоразовый метеорологический метеозонд для исследования параметров атмосферы должен выполнять следующие функции:
      - измерение атмосферных параметров: атмосферное давление, температура, влажность воздуха;
      - определение географического положения зонда во время полета, и координат точки приземления;
      - передача координат аппарата по радиоканалу во время всего полёта (возможно и по каналам сотовой связи GSM);
      - формирование сборной телеметрической информации, передача её по радиоканалу на наземный приёмный пункт;
      - автоматический управляемый спуск в заданную географическую точку со скоростью снижения 7–10 м/с;
      - дополнительно зонд может быть оборудован другими датчиками и устройствами, например магнитометром – для измерения магнитного поля земли, акселерометром – для измерения линейных ускорений, камерой – для видеосъемки атмосферных явлений во время полёта.
      Полеты могут быть на Коптерах с дальность полета более 1 км – Hubsan H109S или XK Detect X380 . Для данного проекта использованы следующие электронные приборы:
      - Датчик атмосферного давления BMP180
      - Датчик влажности и температуры DHT11
      - Магнитометр – акселерометр LSM303DLHC
      - Модуль навигации GPS Gmm-u2p
      - Аккумуляторная батарея Ni-Mh
      - Микроконтроллер Arduino с процессором ATmega328P
      Для измерения экологических параметров Датчик MQ-2 (углеводородные газы) и Датчик MQ-9 (угарный газ). Состав метеозонда представлен в приложении № 5.
      Решение состоит в оснастке коптера электронным оборудованием для измерения скорости ветра. Схема применения приведена в приложении № 5. Связь с коптером в полете реализована несколькими способами. На низких высотах будет использоваться GSM/GPRS. Используется направленная антенна типа “волновой канал” под стандарт GSM1800 (1800 МГц). Возможно управление посредством SMS-сообщений, а также командами с сервера. Поддерживаются HTTP и FTP. На больших высотах (когда сигнал GSM ослабнет настолько, что передавать что-либо посредством его станет невозможно) будет использоваться связь по радиоканалу. Для этого будет задействован модуль RFM12BP мощностью 500 мВт, модуляция — FSK. В качестве антенны – полуволновой диполь.
      Принимаемая информация отправляется на основной сервер через специальную клиентскую программу, которую предполагается распространить среди потенциальных участников проекта и просто заинтересованных людей по всему миру, что даст возможность связаться с устройством, даже если оно улетит на очень большое расстояние.
      Для навигации будет использован GPS-модуль Lassen IQ от Trimble с активной антенной. Существует ограничении CoCom максимальной высоты для гражданских GPS-модулей (обычно 18 км). У модуля Lassen IQ нет такого ограничения при соблюдении условия по максимальной скорости.
      Для устойчивости к низким температурам выбраны LiFePO4 аккумуляторы. Возможна батарея из них. Также в процессе полета аккумулятор будет дозаряжаться от солнечных батарей; процесс управляется микросхемой-контроллером заряда.
      Информация (данные метеооборудования, фото, видео; логи координат, температуры и давления; логи полученных команд и результата их исполнения) хранится на SDHC карте памяти, а также на SDXC картах памяти, установленных в оборудование. Возможно, будет реализовано копирование файлов с них на основную.
      Для предотвращения столкновений на сервере координаты устройства сверяются с координатами самолетов на Flightradar24, при приближении самолета дается автоматическая команда на смену высоты.

      Анализ области применения современных БЛА
      Сегодняшние высокие технологии проникают практически во все сферы жизнедеятельности человека, тем самым совершенствуя и развивая рабочий процесс или сокращая время выполнения операций. Изначально они применялись в военных целях, а также для изучения местности. Затем разработчики решили выпустить дроны на потребительский рынок.
      1) Дроны для скотоводства. Отслеживание перемещения скота, моделей питания, набора и потери массы, признаков опасности. Работа на ферме очень трудоемка. Фермерам приходится работать в любую погоду, обеспечивая выращивание и уборку урожая на больших территориях. Но их задачу можно облегчить благодаря специальным дронам, которые, используя современные технологии, будут следить за ситуацией на полях. Особенно они будут полезны в крупных хозяйствах.
      2) Полицейские дроны. Полиция может использовать дронов для выслеживания преступников. Любое общество страдает от такого явления как преступность, и по мере возможностей борется с ним. Беспилотные летательные аппараты могут облегчить расследование преступлений, повысить эффективность профилактических мероприятий по их предотвращению, обеспечить “управляемый” мониторинг в зонах с высоким криминогенным риском.
      3) Дроны для умного дома. Дрон-охранная система дома; Дрон для уборки пыли - очищает стены, полки и практически любые поверхности.
      4) Недвижимость. Агентства недвижимости активно используют новую технологию, которая позволяет им делать обзорную съемку объектов недвижимости. Благодаря этому потенциальные клиенты могут осуществить виртуальное путешествие по дому или офису и вокруг него.
      5) Наука и исследования. Археология – термальные снимки с дронов позволяют исследователям видеть то, что находится под землёй, чтобы понять, где расположены строения; Состояние леса – создание карты обитания животных, болезней и т. д.; Миграция птиц – отслеживание птиц в реальном времени, пока они следуют по своему маршруту миграции; Океанические течения – использование датчиков температуры для отслеживания тёплых течений в реальном времени.
      6) Дроны с манипуляторами. Для ремонта механических частей, для точечной сварки в труднодоступных местах; Дроны для работы с опасными веществами.
      7) Доставка посылок и почты
      Дроны обладают более быстрой скоростью доставки. Но есть ограничение, квадрокоптер не сможет взять больше собственного веса, а также доставка осуществляется только в черте города. Данный способ доставки очень нужный, но нуждается в доработке.
      8) Транспортировка медикаментов и предметов первой необходимости. Стихийные бедствия и войны требуют обеспечения медикаментами и предметами чрезвычайной помощи пострадавших и нуждающихся. К счастью, существуют беспилотники, которые могут решить эту задачу более эффективно. Авиационная компания Matternet развивает сеть для транспортировки лекарств в зоны бедствий.
      9) Военные дроны. Прерыватели коммуникации - создают зоны с невозможностью коммуникации; Дроны-шпионы. Дрон в основе роботы-вездехода ДУСя. Эту удачную конструкцию можно назвать конкурентной, т.к. в основе изобретения лежат те же цели.
      Для возможности подъема на коптере разработана собственная облегченная плата с функцмей записи на карту памяти «Методом кислотного травления» поэтапно:
      1 Разработка рисунка, разводка дорожек печатной платы
      2. Подготовка текстолита
      3. Перенос рисунка на фальгированный текстолит
      4. Вытравление платы
      5. Установка и припаивание элементов на плате
      6 Настройка и отладка платы
      Применялось программное обеспечение для программирования микроконтроллера:
      * arduino-1.8.3-windows.exe - дистрибутив для установки среды разработки Ардуино на компьютер,
      * драйвер для программатора,
      sketch_bmp180 - скетч программы
      * libraries - библиотеки, которые используются в скетче

      Ключевые слова задачи

        Компетенции

        1. осознанный выбор будущей профессии и возможностей реализации собственных жизненных планов; отношение к профессиональной деятельности как возможности участия в решении личных, общественных, государственных, общенациональных проблем
        2. сформированность экологического мышления, понимания влияния социально-экономических процессов на состояние природной и социальной среды; приобретение опыта эколого-направленной деятельности
        3. овладение понятием сложности алгоритма, знание основных алгоритмов обработки числовой и текстовой информации, алгоритмов поиска и сортировки
        4. владение универсальным языком программирования высокого уровня (по выбору), представлениями о базовых типах данных и структурах данных; умением использовать основные управляющие конструкции
        5. владение навыками и опытом разработки программ в выбранной среде программирования, включая тестирование и отладку программ; владение элементарными навыками формализации прикладной задачи и документирования программ

        Приложенные файлы