Основы тепловизионных дронов
Список вариантов использования беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) постоянно расширяется. Во многом этот рост обусловлен разработкой и совершенствованием новых ценных возможностей и комплектации беспилотников. Например, все большее распространение получает тепловизионная съемка.
Дроны, использующие тепловизионное оборудование для обнаружения тепла в дополнение к обычным видеокамерам, находят применение в самых разных сценариях. От обнаружения пожаров до поисково-спасательных операций и проверок инженерных сетей – использование тепловизионных дронов может стать ответом на постоянно растущий список важных задач в различных отраслях.
Тепловизионные дроны в действии
Несмотря на относительную новизну технологии, уже существует множество примеров использования тепловизионных дронов DJI, каждый из которых может вдохновить больше пользователей на применение этой технологии:
- 20 марта 2022 года пожарные, реагирующие на пастбищный пожар в Клеберне, штат Техас, использовали тепловизионные дроны для обеспечения полной ситуационной осведомленности о растущем пожаре. Тепловизионные дроны могли видеть сквозь густой дым и направлять наземные команды для безопасного реагирования на горячие точки. Им удалось сдержать вспышки и не допустить распространения огня на жилые районы, и в течение 4 часов пожар был взят под контроль.
- В 2020 году в Чернобыльской зоне отчуждения на Украине произошли масштабные лесные пожары. Тепловизионные беспилотники позволили пожарным ориентироваться в горячих зонах, несмотря на густые шлейфы дыма, которые сильно ограничивали видимость.
- Дроны сыграли решающую роль в поиске пропавших людей во время наводнений и оползней во Вьетнаме, вызванных муссонами. БПЛА выполняли тройную функцию: снимали высококачественные кадры с воздуха, использовали тепловые датчики для поиска тепловых признаков и собирали телеметрические данные для создания 3D-моделей местности.
- На нефтеперерабатывающих заводах в Аргентине используются беспилотники с тепловизионными датчиками для определения относительной энергии, вырабатываемой в различных частях инфраструктуры завода. Это позволяет инспекторам получать четкое представление о состоянии оборудования, не заставляя сотрудников приближаться к потенциально опасным зонам.
- Тепловизионные беспилотники обеспечили воздушную разведку во время утечки химикатов в Сарасоте, штат Флорида. БПЛА позволили бригадам точно определить источник проблемы на фоне распространяющегося облака аммиака.
- Тепловизионные БПЛА позволили пожарным в Бентонвилле, штат Арканзас, тщательно отслеживать температуру резервуара с легковоспламеняющимся дифторэтаном, в то время как рядом горел промышленный завод. Это позволило бригаде стратегически грамотно охладить резервуар и предотвратить его взрыв.
- Тепловизионные дроны помогают фермерам сканировать поля в поисках детенышей оленей, которые в противном случае были бы скрыты среди высокой травы. Детенышей оленей доставляют в безопасное место, и фермеры могут косить свои поля, не подвергая опасности жизнь детенышей.
Это лишь несколько примеров применения технологии тепловизионных беспилотников, и они показывают, насколько важно правильно подобрать полезную нагрузку для беспилотника. БПЛА, оснащенные тепловизионными системами, уже приносят пользу, и это оборудование продолжает развиваться.
Тепловидение: как оно работает?
Рассматривая настоящее и будущее технологии тепловизионных беспилотников, стоит углубиться в технические принципы работы тепловизионных камер. Понимание того, как работает тепловизионное оборудование, может вдохновить на более эффективное использование технологии и новые подходы к развертыванию тепловизионных беспилотников.
Тепло 101
Тепло, также известное как инфракрасное излучение (ИК-излучение), – это всего лишь вибрация атомов. Объекты излучают тепло в зависимости от того, насколько сильно движутся их атомы – чем больше движение, тем горячее объект. Термография – это процесс изучения этих тепловых сигнатур и практического применения знаний о тепловом излучении.
Люди чувствуют тепло, но не видят ИК-излучения. Почему? Потому что это излучение происходит на электромагнитной длине волны, которую глаз не может обнаружить. Тепловизоры предназначены для того, чтобы превратить инфракрасные сигнатуры в нечто видимое для человека.
Как работают тепловизоры
В тепловизионных камерах используются специализированные объективы, улавливающие инфракрасные частоты, а также тепловые датчики и процессоры обработки изображений для вывода результатов на визуальный дисплей. Когда инфракрасная камера устанавливается на беспилотник, устройство обычно размещается на кардане, который стабилизирует изображение и позволяет объективу вращаться на все 360 градусов.
Тепловизионное изображение коммунального столба, полученное с помощью H20T
Тепловые датчики в этих передовых камерах, технически известные как микроболометры, получили заметные обновления в последние годы. Сегодняшние варианты не требуют экзотических охлаждающих материалов, использовавшихся в прошлом, что делает их гораздо более доступными.
Схема работы тепловой камеры
Схема теплового датчика (микроболометра)
Тепловизионные камеры дронов могут определять температуру поверхности многих объектов, но есть и исключения. Например, полированные, блестящие и отражающие предметы не поглощают много тепла – они обладают так называемой низкой излучательной способностью. Их трудно обнаружить с помощью тепловизионных камер. Объекты с высокой излучательной способностью, такие как дерево, бетон и даже люди, легко сканируются.
Дерево обладает высокой излучательной способностью
Считывание и обработка тепловых изображений
После того как беспилотники снимают тепловую информацию с помощью своих ИК-камер, эти тепловые данные выводятся на экран в виде обычного изображения, которое оператор может просмотреть.
Программное обеспечение для тепловидения в полете от DJI
С помощью программного обеспечения для тепловидения пользователи могут менять палитру цветов, используемых для отображения теплового режима сцены. Каждое представление полезно для выделения различных деталей на изображении, и эти варианты включают в себя:
- Белый горячий: более горячие объекты выглядят светлее, а более холодные – темнее.
- Черный горячий: противоположность белому горячему, горячие объекты кажутся темнее.
- Радуга: Температура соответствует оттенкам, а теплые цвета символизируют тепло.
Конечно, эти три варианта – только начало. Более продвинутые тепловизионные камеры предлагают более широкое разнообразие видов – Zenmuse H20T предлагает 12 отдельных цветовых палитр.
Общие настройки цветовой палитры тепловизионных камер
Тип используемой тепловизионной камеры также определяет, в каком формате будут сниматься и храниться изображения. В то время как недорогие модели записывают изображения в виде простых графических файлов, продвинутые решения содержат термографические данные и показания температуры, а также GPS-метки. Термографические данные можно дополнительно изучить с помощью программы DJI Thermal Analysis Tool.
Уход за тепловизором и как уберечь его от повреждений
Прежде чем начать использовать свой тепловизионный дрон, важно знать некоторые распространенные способы повреждения термодатчиков и способы их предотвращения. Несмотря на то, что продукция DJI отличается превосходным качеством сборки и долговечностью, тепловизионные датчики по своей природе являются чрезвычайно точными, тонко настроенными приборами, которые требуют осторожности и внимательности при использовании. Неправильное использование может привести к необратимому повреждению термодатчиков, оставляя артефакты на собранных данных.
Вот несколько примеров тепловых изображений, полученных с помощью M30T, у которых термодатчики были повреждены прямым воздействием солнечного света:
Чтобы этого не произошло с датчиком вашего тепловизионного дрона, НЕ подвергайте линзы тепловизионной камеры воздействию сильных источников энергии, таких как солнце, лава или лазерный луч. В противном случае сенсор камеры может быть сожжен, что приведет к его необратимому повреждению.
Точные тепловые измерения
Даже высокоэффективным тепловизорам приходится бороться с различными факторами окружающей среды, которые могут затруднить получение точных данных о температуре поверхности. К ним относятся атмосферные условия – слишком тепло, влажность, облака, дождь или снегопад могут помешать точности тепловизионных камер. Тепловизионным камерам также сложно работать со стеклом, поскольку отражающее стекло может улавливать тепло от солнца, земли или другого объекта.
Покрытие поверхности объекта также может повлиять на способность тепловизионного дрона снимать показания температуры. Коррозия или новый слой краски могут изменить показания относительной температуры объекта. Относительное положение солнца также может привести к тому, что предметы из одного и того же материала будут выглядеть по-разному в тепловизионной камере.
Эффективное использование тепловизионной камеры предполагает учет следующих факторов:
- Атмосферные условия
- Наличие дыма, пыли и мусора
- Излучательная способность
- Прозрачность
- Отражательная способность
- Время суток
- Угол обзора
- Краска на объекте
- Расстояние до объекта
- Количество тепловой энергии
- Шероховатость или гладкость поверхности
Учитывая эти характеристики, можно составить точное представление о тепловых свойствах объекта или ландшафта.
На показания тепловизионных камер на поверхности может влиять ряд факторов
Усовершенствованные камеры
Высокое разрешение и возможность отображения большего количества цветов – вот несколько преимуществ, которыми обладают высокотехнологичные системы тепловизионных камер. В современном быстро меняющемся ландшафте развития технологий наиболее перспективные возможности выходят за рамки этих дополнительных усовершенствований.
К новым мощным возможностям следует отнести:
- Варианты полезной нагрузки для дронов с двумя камерами: Дроны, оснащенные современными тепловизионными системами, могут получать несколько видов изображений одновременно. Гибридные тепловизионные полезные нагрузки – это две камеры в одной: обычная система визуализации и ИК-камера.
- Настраиваемые пользователем изотермические параметры: Используя панель управления тепловизионным дроном, пользователи могут задавать изотермы – пользовательские температурные настройки. Например, пользователи, ищущие потенциальные пожары, могут попросить камеру автоматически отображать изображения, содержащие зоны с высокой температурой.
- Программное обеспечение для тепловидения нового поколения: Программное обеспечение, используемое для интерпретации ИК-изображений, развивается с течением времени, предоставляя новые возможности, такие как отслеживание температуры конкретных объектов, обновление данных о температуре в режиме реального времени, наложение изображений в видимом и ИК-диапазонах и многое другое. Одним из вариантов является инструмент DJI Thermal Analysis Tool.
Благодаря постоянно развивающейся технологии тепловизионных дронов компании могут расширить возможности использования этих БПЛА. Задачи, которые еще несколько лет назад казались невыполнимыми, стоит пересмотреть, поскольку тепловидение становится все более точным, универсальным и доступным.
Полезные нагрузки, которые следует учитывать
Выбор полезной нагрузки для тепловизионного беспилотника – это вопрос соответствия возможностей оборудования целям организации. Существует несколько различных факторов, которые определяют, как система камер будет работать в полевых условиях, а также то, на какую сумму вы можете рассчитывать. К ним относятся:
- Поле зрения (FOV): Это показатель того, насколько большое изображение может получить камера.
- Устойчивость к погодным условиям: Измеряется в степени защиты от проникновения (IP) и определяет устойчивость электрического корпуса к воздействию элементов, включая влагу от дождя и тумана.
- Спектральный диапазон: Спектральная полоса – это электромагнитный диапазон, обнаруживаемый ИК-датчиком камеры.
- Тепловая чувствительность: Эта метрика обозначает степень, в которой датчик может измерять разницу в относительной температуре, и также называется шумовым эквивалентом дифференциальной температуры (NEDT).
- Разрешение изображения: Этот показатель отражает не то, насколько большую площадь захватывает камера, а то, сколько пикселей входит в создаваемое цифровое изображение, которое, в свою очередь, определяет уровень детализации.
Mavic 2 Enterprise Advanced: матрица 640×512 (слева) против Mavic 2 Enterprise Dual: матрица 160×120 (справа)
В зависимости от типа работ, для которых вы ищете беспилотник, и условий, в которых вы планируете использовать тепловизионный БПЛА, вы можете выбрать полезную нагрузку для тепловизионной камеры, которая будет соответствовать вашим потребностям. Среди высокопроизводительных полезных нагрузок, представленных на рынке в настоящее время, можно назвать модели серии Zenmuse H20, такие как:
- Zenmuse H20T: стандартная модель Zenmuse H20 представляет собой трехсенсорную камеру для беспилотников, состоящую из 20-Мп зум-камеры, 12-Мп широкоугольной камеры и лазерного дальномера на 1200 м. В Zenmuse H20T также добавлена радиометрическая тепловизионная камера с разрешением 640×512px. Камера генерирует файлы R-JPEG со встроенной информацией о температуре, что позволяет проводить дальнейший анализ. Тепловизионная камера ведет запись со скоростью 30 кадров в секунду, что обеспечивает высокую степень тепловой чувствительности. Благодаря широкому выбору цветовых палитр, настраиваемым изотермам и температурным сигналам, камера позволяет пользователям выбирать между режимами с высоким и низким коэффициентом усиления, в зависимости от того, нужен ли им более широкий температурный диапазон или более высокая чувствительность.
Раздельный режим с Zenmuse H20T
- Zenmuse H20N: полезная нагрузка Zenmuse H20N похожа на H20T, но обладает еще более продвинутыми функциями, многие из которых связаны с ее предназначением в качестве камеры ночного видения. Камера ночного видения, работающая при свете звезд, может увеличивать изображение синхронно с тепловизионной камерой, показывая результаты в режиме раздельного экрана “бок о бок”. Благодаря двум тепловизионным камерам с 2× и 8× зумом система способна увеличивать изображение до 32×. Приближение теплового изображения позволяет тщательно изучить все обнаруженные горячие точки или другие температурные аномалии.
Использование современных камер позволяет дронам принимать участие в самых разных ситуациях, будь то поиск пропавших людей в ночное время, сканирование потенциальных пожаров, проверка электрооборудования или любое другое возможное применение.
Сферы применения: сейчас и в будущем
Сегодня тепловизионные дроны могут выполнять больше функций, чем в прошлом: более точные датчики и более низкая цена открывают новые возможности. Этот процесс расширения и открытия продолжается, постоянно открываются новые варианты использования.
Использование тепловых дронов сегодня
Если ваша организация занимается одним из следующих видов деятельности, тепловизионный дрон может стать идеальной технологией для ваших нужд:
- Пожаротушение: Одно из самых распространенных применений тепловизионных дронов – в качестве средств пожаротушения. Тепловое картирование с воздуха позволяет пожарным опережать факторы риска. При работе внутри строений можно наметить возможные точки разрушения, а в сценариях лесных пожаров дроны могут помочь бригадам перехватить продвижение огня на открытой местности.
- Поиск и спасение: Пожары – не единственные виды бедствий, в которых беспилотники с тепловизором могут помочь спасателям. При ликвидации последствий таких катастроф, как наводнения, оползни, землетрясения, торнадо и ураганы, тепловизионные беспилотники могут помочь командам найти пропавших жертв даже в ночное время. Эти тепловые БПЛА также способны разыскивать людей, заблудившихся в дикой природе.
- Воздушные инспекции коммунальных служб и шахт с помощью беспилотников: Инспекция коммунальной инфраструктуры, от заводов и установок солнечных батарей до далеко расположенных линий электропередач, стала проще с помощью беспилотников. Использование тепловизионных камер наряду с обычной съемкой позволяет бригадам по-новому наблюдать за потенциальными рисками отказа или даже проверять состояние тепловых панелей. Неважно, насколько велик завод или шахта, беспилотники могут пролететь над площадкой и снять показания.
- Передовое сельское хозяйство: Наблюдение за посевами и пасущимися стадами с воздуха – это потенциально неоправданное применение дронов. Тепловидение позволяет фермерам измерять тепловое воздействие на поля и отслеживать животных даже в ночное время. Постоянная работа по повышению эффективности сельского хозяйства за счет внедрения технологий идеально подходит для использования дронов.
Расширение сферы применения: Продолжается
Использование тепловизионных беспилотников не только в сфере общественной безопасности, но и для повышения эффективности коммунального и сельского хозяйства началось сравнительно недавно. Это говорит о том, что пользователи, как профессионалы, так и энтузиасты, постоянно придумывают новые варианты использования тепловизионных дронов.
Если вашему предприятию необходимо проводить тщательную воздушную инспекцию труднодоступных объектов инфраструктуры или следить за персоналом или имуществом в ночное время или при неблагоприятных погодных условиях, тепловизионный дрон может подойти для вашего случая. По мере того как полезная нагрузка тепловизионных камер становится все более сложной и одновременно более доступной, возможности беспилотников расширяются.
Выберите лучший тепловизионный дрон для ваших целей
Выбор полезной нагрузки камеры важен для производительности тепловизионного дрона, но не менее важно и выбранное вами шасси коммерческого дрона. Правильный корпус дрона обеспечит скорость, маневренность, дальность работы, время автономной работы и другие характеристики, которые определят, какие задачи сможет решать ваш новый тепловизионный дрон.
Ниже перечислены ведущие коммерческие дроны, которые вы можете выбрать для использования в тепловизионных системах.
DJI Mavic 2 Enterprise Advanced
M2EA – это чрезвычайно компактный и легкий беспилотник, который, тем не менее, обладает широким спектром мощных функций. В него встроен тепловизионный датчик 640×512 с 16-кратным увеличением и частотой кадров 30 Гц. Модуль RTK позволяет позиционировать дроны на сантиметровом уровне, а возможность работы с 240 путевыми точками делает его идеальным для автоматизированных инспекционных миссий даже в сложных условиях.
DJI Matrice 30T
M30T – это прочное шасси для беспилотника, созданное, чтобы противостоять стихии и быть очень портативным, несмотря на внушительную полезную нагрузку датчиков. Технические характеристики камеры совпадают с M2EA – разрешение 640×152, 30 кадров в секунду. Система управления для M30T особенно совершенна: 7-дюймовый широкоформатный дисплей на двухпозиционной системе управления, предназначенной для пилотов корпоративных дронов.
DJI Matrice 300 RTK
M300 RTK – это новейшая технология коммерческих дронов, способная нести до трех полезных грузов одновременно. В максимальном варианте дрон может быть оснащен одним восходящим и двумя нисходящими гимбальными устройствами. В M300 RTK используется новая система отображения, включающая больше информации на основном экране, чтобы помочь оператору дрона ориентироваться в потенциальных препятствиях. Оснащение M300 RTK одной из полезных нагрузок – Zenmuse H20T или H20N – позволяет пользователям снимать беспрецедентные объемы тепловой информации высокого разрешения.
Расширение возможностей профессиональных пользователей беспилотников
Какую бы конфигурацию тепловизионного дрона вы ни выбрали, вы можете расширить возможности своих пользователей, выбрав дополнительные опции. Например, программа DJI Care Enterprise, которая включает в себя все виды ухода и обслуживания вашего оборудования, независимо от количества дронов DJI в вашем парке. Инвестиции в поддержку помогут вам защитить свои инвестиции и сохранить полеты ваших беспилотников, с чем бы они ни столкнулись.
Благодаря постоянно расширяющемуся списку областей применения и высокой степени технологической сложности, доступной сегодня, еще никогда не было лучшего времени для использования тепловизионных дронов. Независимо от того, предоставляете ли вы новые возможности сотрудникам служб общественной безопасности или создаете новый эффективный метод инспекции в коммунальном хозяйстве, сельском хозяйстве или любой другой промышленной сфере, тепловизионный дрон может добавить новое измерение в вашу деятельность.
