وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین (پهپادها)

تصویر: پرواز محققی با پهپاد بر فراز یخچال طبیعی در اتریش. اعتبار عکس: بتان دیویس
 
ما می‌توانیم هزاران تصویر گرفته ‌شده از یک پهپاد را از نقطه‌ نظر بالای آسمان به هم بچسبانیم تا تصویری با وضوح بالا و دارای مدل سه ‌بعدی از سطح زمین ایجاد کنیم. به علاوه، کار کردن با پهپادها بسیار جالب است!
 

یک UAV چیست؟

وسایل نقلیه هوایی بدون خدمه (UAV) که معمولاً به عنوان هواپیماهای بدون سرنشین شناخته می شوند، هواپیماهایی هستند که از راه دور کنترل می شوند و بدون حضور خلبان در هواپیما پرواز می کنند. یک سیستم هوایی بدون خدمه شامل پهپاد و همچنین یک کنترل کننده الکترونیکی از راه دور (مانند رایانه یا تبلت) که حرکت آن را کنترل می کند، تجهیزاتی که به عنوان محموله (دوربین، رادار و غیره) حمل می کند و یک سیستم داده که اجزا را به یکدیگر متصل می کند (به عنوان مثال، اتصال بی سیم یاGPS ) می باشد.
 
UAV ها بسته به هدفشان در طیفی از اشکال و اندازه‌های مختلف هستند، از سیستم‌های پرتاب دستی کوچک با وزن کمتر از 250 گرم گرفته تا هواپیماهای بزرگ‌تر که می‌توانند تا 150 کیلوگرم وزن داشته باشند و محموله‌های سنگین‌تری را حمل کنند. آنها همچنین می توانند در سطوح مختلف استقلال پرواز داشته باشند، از پرواز دستی از طریق اپراتور روی زمین (انسانی که حرکات آن را کنترل می کند) تا پرواز نیمه یا تمام خودکار از طریق دستورات خلبان خودکار یا دستور العمل های از پیش برنامه ریزی شده که قبل از سوار شدن به هواپیما بارگذاری شده است.
 
UAV ها سابقه استفاده در کاربردهای نظامی دارند که به دوران جنگ سرد باز می گردد. با این حال، در دو دهه اخیر با پیشرفت های تکنولوژیکی، در دسترس بودن فزاینده گزینه های مقرون به صرفه، و وضوح بالای داده های جمع آوری شده (زیر متر)، پهپادها به طور فزاینده ای برای طیف وسیعی از اهداف مختلف از جمله تحقیقات علمی مورد استفاده قرار گرفته اند.
   
تصویر: برای پرواز پهپادها / UAV ها در میدان. دو نفر نیاز است؛ یکی برای خلبانی و دیگری برای کمک و تماشای پهپاد. اعتبار عکس: بتان دیویس و لورن رالینز
 

انواع UAV ها

UAV ها در شکل ها و اندازه های مختلف تولید می شوند. به طور معمول، پهپادها را می توان به چهار دسته اصلی طبقه بندی کرد: (1) تک روتور. (2) چند روتور؛ (3) بال ثابت و (4) سیستم های هیبریدی
 

UAV تک روتور

همان طور که از نام آن پیداست، یک پهپاد تک روتور به این معنی است که فقط یک پیشران اصلی دارد که مانند هلیکوپتر، بالابر عمودی ایجاد می کند. ملخ‌های بزرگ‌تر آهسته‌تر می‌چرخند، به این معنی که کارایی پهپاد افزایش می‌یابد و به حفظ عمر باتری کمک می‌کند و به پهپاد اجازه می‌دهد برای مدت طولانی‌تری پرواز کند.
 
مزیت کلیدی این سیستم ها قابلیت پرواز و شناور شدن سریع به جلو و همچنین توانایی حمل محموله های سنگین مانند یک اسکنر LIDAR  (light detection and ranging) (تشخیص نور و برد) است. با این حال، پهپادهای تک روتور مانند دیگر پهپادها پایدار نیستند و به طور کلی گران‌تر هستند، به ویژه در تعمیر و نگهداری آنها به دلیل پیچیدگی مکانیکی روتور.
 
تصویر: بالا: نمونه ای از یک پهپاد تک روتور با بدنه مرکزی و بازوی چرخشی بزرگ. پایین تصویری از یک پهپاد تک روتور در حین پرواز که آلودگی هوا در آلاسکا را کنترل می کند. اعتبار www.insideunmannedsystems.com.
 

UAV مولتی روتور

پهپادهای چند روتوری، سیستم‌هایی هوایی هستند که از دو یا چند روتور استفاده می‌کنند و یکی از رایج‌ترین و پرکاربردترین سامانه‌ها هستند. یکی از مزیت های اصلی هواپیماهای مولتی روتور مانورپذیری آنهاست که به آنها اجازه می دهد شناور شوند، جهت را تغییر دهند و سرعت و ارتفاع را به سرعت تنظیم کنند. همچنین به طور کلی هنگام پرواز از ثبات بیشتری برخوردارند. آنها همچنین از نظر اندازه کوچکتر هستند، به این معنی که می توان آنها را راحت تر (مثلاً در یک کوله پشتی) حمل کرد و به سرعت نصب کرد و در زمین پرواز کرد. این سیستم های چند روتوری را همچنین می توان بر اساس تعداد روتورهای موجود دسته بندی کرد. به عنوان مثال، تری کوپتر (3 روتور)، کوادکوپتر (4 روتور)، هگزاکوپتر (6 روتور) و اکتوکوپتر (8 روتور).
 
متأسفانه زمان پرواز پهپادهای چند روتوری یک مسئله است، به این معنی که برای پروازهای طولانی تر یا بررسی مناطق بزرگتر، وقفه برای فرود و تعویض باتری ها لازم است.
   
تصویر:  بالا: عکس یک کوادکوپتر با چهار بازوی چرخشی و یک دوربین داخلی. پایین: نمونه ای از یک اکتوکوپتر با 8 بازوی چرخشی با یک دوربین  DSLR
 

UAV بال ثابت

پهپادهای بال ثابت بسیار شبیه به هواپیماهای معمولی با بدنه مرکزی و دو بال هستند. برای برخاستن، این سیستم ها ممکن است به یک باند یا تجهیزات پرتابی مانند تیرکمان بچه گانه نیاز داشته باشند و نیز ممکن است در هنگام فرود، اگر زمین سخت و ناهموار باشد، به توری برای گرفتن ایمن نیاز داشته باشند. پهپادهای بال ثابت می‌توانند مسافت‌های بسیار بیشتری را نسبت به سایر سیستم‌ها پوشش دهند و از باتری کمتری استفاده می‌کنند، زیرا انرژی فقط برای راندن آن به جلو مورد نیاز است. این بدان معنی است که آنها می توانند مناطق بزرگ را با وضوح بالا بررسی کنند. برخلاف پهپادهای روتور، بال‌های ثابت قادر به شناور شدن و تغییر جهت به سرعت نیستند و نگهداری آنها پرهزینه است.
   
تصویر: شکل یک پهپاد بال ثابت در حال پرواز بر روی صفحه یخی گرینلند (اعتبار تصویر: تام چادلی)
 

UAV هیبریدی

پهپاد هیبریدی ترکیبی از یک سیستم بال ثابت و چند روتوری است که مزایای هر دو نوع پهپاد را یکپارچه می کند. این شامل توانایی برخاستن و فرود عمودی (بدون نیاز به پرتابگر یا باند)، شناور شدن، پوشش مسافت های زیاد و پرواز سریع تر برای مدت زمان های طولانی تر است. آنها می توانند برای طیف وسیع تری از کاربردها مورد استفاده قرار گیرند و یک پلت فرم نسبتاً جدید در زمینه یخبندان شناسی هستند.
   
تصویر: نمونه ای از پهپاد هیبریدی که ادغام یک سیستم پهپاد بال ثابت و روتور است (اعتبار تصویر: فناوری سیستم های بدون سرنشین)
 

استفاده از UAVها در یخبندان

در زمینه یخبندان شناسی، استفاده از پهپادها در سال های اخیر فرصت های جدید و هیجان انگیز زیادی را برای مطالعه یخچال ها و فرآیندهای یخبندان با جزئیات مکانی و زمانی بالا فراهم کرده است.
 
از آن جایی که پهپادها نسبتاً ارزان هستند و حمل و نقل و استقرار آنها در میدان آسان است، این امکان برای آنها فراهم است که با انعطاف‌پذیری پنجره‌های پرواز، بررسی مکرر مناطق مورد علاقه و انتخاب وضوح داده‌های به‌دست‌آمده (هرچه ارتفاع پرواز کمتر باشد بهتر) بر حسب تقاضا پرواز کنند.
 
پهپادها همچنین با طیف وسیعی از حسگرهای سبک وزن، از جمله دوربین‌های RGB، سنسورهای چند طیفی، فراطیفی، حرارتی، LiDAR، جوی و گرانشی بسیار سازگار هستند. این بدان معناست که پهپادها ابزار قدرتمندی در بررسی فرآیندهای یخبندان از نزدیک هستند، با داده‌هایی که تفکیک‌پذیری متر تا سانتی‌متری دارند و در صورت تمایل، بررسی‌های مکرر زمانی (ساعتی) بالا دارند.
 
آنها همچنین نقطه برتری منحصر به فردی را برای یخچال شناسان فراهم می کنند تا مکان های صعب العبور یا بالقوه خطرناک، مانند نواحی شکاف، مولین ها و رودخانه ها/دریاچه های فوق یخبندان را مشاهده و بررسی کنند.
 
این قابلیت ها همچنین فرصتی عالی برای هدایت "واقعیت یابی زمینی" و اعتبار سنجی فراهم می کند و به پر کردن شکاف مکانی و زمانی بین بررسی های زمینی و داده های سنجش از دور مبتنی بر ماهواره کمک می کند.
 

از پهپادها برای چه استفاده‌ای می کنیم؟

چند نمونه از کاربردهای پهپاد در یخبندان عبارتند از:
 
* نقشه برداری ژئومورفولوژیکی و بازسازی های یخچالی
* نظارت بر تعادل جرم یخبندان و ذوب سطحی
* بررسی پویایی یخزایی و رویدادها
* پایش دینامیک تنوره
* نقشه برداری و تجزیه و تحلیل ویژگی های فوق یخبندان، مانند کانال ها، دریاچه ها، کرایوکونیت و زبری سطح
* نقشه برداری و نظارت بر خطرات یخبندان
   
تصویر:  نقشه، توزیع جهانی مکان‌های مطالعه پهپاد از انتشارات یخچال‌شناسی بین سال‌های 2014 و 2019 را نشان می‌دهد. شکل گرفته شده ازGaffey and Bhardwaj (2020).
 

مشکلات UAVها در محیط های یخبندان

البته، استفاده از پهپادها در آب و هوای اغلب سخت که در محیط های یخبندان تجربه می شود می تواند مشکل باشد! شرایط آب و هوایی مانند برف، باران، بادهای شدید (مانند بادهای کاتاباتیک) و دماهای سرد مداوم می‌توانند بر پایداری پهپاد پرنده تأثیر بگذارند و عمر باتری آن را به میزان قابل توجهی کاهش دهند و باعث از دست رفتن سریعتر توان در آن‌ها شوند. این بدان معنی است که اغلب باتری های اضافی مورد نیاز است و پروازها در حین تعویض باتری ها قطع می شود.
 
وقتی در مکان‌های نزدیک به قطب شمال و جنوب مورد استفاده قرار می گیرند، مانند گرینلند یا قطب جنوب، انحراف طبیعی میدان مغناطیسی زمین می‌تواند مشکلاتی را برای مغناطیس‌سنج‌های پهپاد که به حفظ ارتفاع و موقعیت پهپاد کمک می‌کنند ایجاد کند. همچنین، در مناطق کوهستانی مرتفع مانند هیمالیا، آلپ و آند، سیستم های فشار هوای پایین و سیگنال های ضعیف GPS می توانند چالش برانگیز باشند.
 
همه اینها در هنگام برنامه ریزی کار میدانی پهپاد در مناطق یخبندان مهم هستند.
 

فتوگرامتری ساختار از حرکت (SfM)( Structure-from-Motion)

متداول ترین برنامه ای که از عکس های هوایی گرفته شده از پهپادها استفاده می کند، تکنیکی به نام فتوگرامتری ساختار از حرکت (SfM) است. SfM ابزار قدرتمندی است که از الگوریتم های کامپیوتری برای شناسایی ویژگی های منطبق در مجموعه ای از تصاویر همپوشانی استفاده می کند. سپس با در نظر گرفتن هندسه داخلی دوربین، موقعیت‌های دوربین و جهت‌گیری، این تصاویر همپوشانی را به هم می‌چسباند تا یک مدل سه‌ بعدی ایجاد کند. هم‌ترازی و جفت شدن تصاویر روی هم از طریق مثلث‌ سازی، یک ابر نقطه‌ای سه‌ بعدی ایجاد می‌کند که مجموعه‌ای از هزاران یا حتی میلیون‌ها نقطه داده است که مختصات X، Y  و Z صحنه عکاسی را نشان می‌دهد.
 
این ابرهای نقطه‌ای ستون فقراتی برای بازسازی دقیق صحنه‌های سه ‌بعدی با وضوح بالا (زیر متر) و همچنین ایجاد خروجی‌های دیگر مانند ارتوموزائیک و مدل‌های ارتفاعی دیجیتال (DEMs) (digital elevation models) تشکیل می‌دهند.
 

اجزای مهم فتوگرامتری  SfM

یکی از مؤلفه‌های مهم SfM، و به طور کلی تمرین فتوگرامتری، اطمینان از همپوشانی کافی در تصاویر به دست آمده است، بنابراین وقتی که آنها پس از پردازش به هم پیوند می‌خورند هیچ حفره یا داده‌ای از دست نمی‌رود. توصیه می شود که 75% عمودی (جلو) و 60% افقی (جانب) روی تصاویر همپوشانی داشته باشند تا از این امر جلوگیری شود. همچنین جمع آوری طیف وسیعی از تصاویر با زوایای مختلف دوربین نیز به پوشش کامل صحنه بررسی شده کمک می کند. این ممکن است به معنای پرواز دو شبکه باشد که مثلاً 90 درجه به سمت یکدیگر چرخیده اند.
 
یکی دیگر از ملاحظات مهم برای تولید ابرهای نقطه ای و مدل های واقعی سطوح یخبندان این است که سطح در واقع چگونه به نظر رسد. به عنوان مثال، عکاسی از یک سطح بسیار اشباع، مانند برف تمیز، یک مشکل رایج است و اغلب نیاز به گرفتن تصاویر هوایی دارد که برای تفسیر بهتر جزئیات یخبندان، کم نور هستند.
   
تصویر: شماتیک ساده یک بررسی پهپاد که خط کلی پرواز (قرمز) و همپوشانی افقی و عمودی مورد نیاز برای جمع آوری تصاویر از صحنه بررسی شده را به طور کامل (بدون شکاف یا از دست دادن اطلاعات) نشان می دهد. گرافیک توسط لورن رالینز.
 

استفاده از نقاط کنترل زمین در فتوگرامتری

استفاده از نقاط کنترل زمینی نیز جزء مهمی در مطالعات فتوگرامتری مبتنی بر پهپاد است. نقاط کنترل زمینی (GCPs) (Ground control points) "نقاط" بزرگ و قابل تشخیص روی زمین با مختصات شناخته شده هستند که می توانند برای نقشه برداری دقیق و اندازه گیری ویژگی ها در مدل های فتوگرامتری تولید شده توسط پهپاد استفاده شوند. این GCPها باید به راحتی در تصاویر هوایی قابل مشاهده باشند. آنها می توانند یک ویژگی طبیعی از قبل در منطقه بررسی شده باشند، مانند یک تخته سنگ، یا یک ویژگی مصنوعی نصب شده، مانند یک تخته شطرنجی.
   
تصویر: (الف) تصویر هوایی گرفته شده از یک پهپاد کوادکوپتر از سطح یخی راسل گلاسیر، گرینلند غربی (ژوئیه 2019). مربع قرمز قرار دادن یک نقطه کنترل زمینی را در صحنه بررسی شده نشان می دهد. (ب) تصویر همان نقطه کنترل زمین (اندازهA4 ) از زمین.
 
وسیله نقلیه هوایی بدون سرنشین (پهپاد)، هواپیمای نظامی که به طور مستقل، با کنترل از راه دور یا هر دو هدایت می شود و حامل حسگرها، تعیین کننده های هدف، مهمات تهاجمی یا فرستنده های الکترونیکی طراحی شده برای تداخل یا نابود کردن اهداف دشمن است. بدون محدودیت خدمه، سیستم های پشتیبانی حیات، و الزامات طراحی-ایمنی هواپیماهای سرنشین دار، پهپادها می توانند به طور قابل ملاحظه ای کارآمد باشند و برد و استقامت بسیار بیشتری نسبت به سیستم های سرنشین دار مشابه ارائه دهند.
 
پهپادها از پهپادهای هدف و وسایل نقلیه کنترل از راه دور (RPV) که توسط نیروهای نظامی بسیاری از کشورها در دهه‌های بلافاصله پس از جنگ جهانی دوم به کار گرفته شده‌اند، نشأت می‌گیرند. پهپادهای مدرن به عنوان یک سیستم تسلیحاتی مهم در اوایل دهه 1980 معرفی شدند، زمانی که نیروهای دفاعی اسرائیل پهپادهای کوچک شبیه هواپیماهای مدل بزرگ را با تلویزیون قابل آموزش و دوربین‌های مادون قرمز و با تعیین‌کننده‌های هدف برای مهمات هدایت‌شونده لیزری نصب کردند که همگی به یک ایستگاه کنترل متصل شدند. این وسایل نقلیه که به دلیل اندازه کوچک و موتورهای بی صدا غیرقابل شناسایی بودند، در نظارت میدان جنگ و تعیین هدف مؤثر بودند. سایر نیروهای مسلح از موفقیت اسرائیل درس گرفتند، به ویژه ایالات متحده که برخی از مدل های اولیه اسرائیل را خریداری کرد یا آنها را تحت مجوز تولید کرد. مهم‌ترین پهپاد تاکتیکی آمریکایی - و نشان‌دهنده روند توسعه این هواپیماها - MQ-1 Predator است که اولین بار در سال 1994 پرواز کرد و سال بعد وارد خدمت شد.
 

وسایل نقلیه بدون سرنشین

وسیله نقلیه بدون سرنشین وسیله نقلیه ای است که خلبان انسان در آن وجود ندارد. محبوب ترین وسایل نقلیه بدون سرنشین امروزه پهپادها هستند. در صنعت بررسی زمین از پهپادها برای فتوگرامتری و تصویربرداری لیدار (به صورت سه بعدی) استفاده می شود. ما همچنین استفاده از وسایل نقلیه بدون سرنشین را در صنعت دریایی مانند ROV و AUV و USV می یابیم.
 
بیشتر و بیشتر بررسی های هیدروگرافی و اقیانوس شناسی بدون خلبان در هواپیما انجام می شود. با استفاده هوشمندانه از حسگرها می توان اطلاعات بیشتری را با وسیله نقلیه بدون سرنشین نسبت به نقشه بردار (و خلبان) و غواص جمع آوری کرد.
 
طیف گسترده ای از اندازه گیری ها را می توان انجام داد و سپس مستقیماً به یک رایانه نظرسنجی یا به فضای ابری ارسال کرد. از جمله اندازه گیری ای مربوط به این موارد:
 
* بستر دریا
* اشیاء (Sidescan)
* سطح آب
* جریان ها
* درجه حرارت
* شوری
 
مزایا عبارتند از:
 
* صرفه جویی در زمان
* صرفه جویی در هزینه ها
* زمان عملیات طولانی تر
* داده های بی طرفانه
 

ROV:

وسیله نقلیه زیرآبی که از راه دور اداره می شود (ROV) (remotely operated underwater vehicle) یک دستگاه سیار زیر آب است. ROV ها خالی از سرنشین هستند، بسیار قابل مانور هستند و توسط خدمه روی یک کشتی کار می کنند. آنها توسط یک بند شناور خنثی به یک کشتی میزبان متصل می شوند.
 

USV/ASV:

یک وسیله نقلیه خودگران زیر آب (AUV) (autonomous underwater vehicle) گاهی اوقات به عنوان پهپاد زیر آب شناخته می شود، این روباتی است که بدون نیاز به ورودی از اپراتور در زیر آب حرکت می کند. AUV ها بخشی از یک گروه بزرگتر از سیستم های زیردریایی را تشکیل می دهند که به عنوان وسایل نقلیه زیر آب بدون سرنشین شناخته می شوند.
 

AUV:

وسیله نقلیه هوایی بدون سرنشین (UAV) (unmanned aerial vehicle) که معمولاً به عنوان پهپاد، سیستم هواپیمای بدون سرنشین (UAS) (unmanned aircraft system) یا چندین نام دیگر شناخته می شود، هواپیمایی بدون خلبان انسان است.
 
منبع: لورن رالینز، دانشگاه یورک