ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΧΩΡΟΤΑΞΙΑΣ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. Μαρία Α.

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΧΩΡΟΤΑΞΙΑΣ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Εναέρια μη επανδρωμένα συστήματα λήψης εικόνων και η χρήση τους σε εφαρμογές μηχανικού Μαρία Α. Σιφναίου Επιβλέπων: Δ. Καϊμάρης, Επίκουρος Καθηγητής ΑΠΘ Θεσσαλονίκη, Σεπτέμβριος 2016

2 Η ερευνητική εργασία με τίτλο Εναέρια μη επανδρωμένα συστήματα λήψης εικόνων και η χρήση τους σε εφαρμογές μηχανικού εκπονήθηκε από τη φοιτήτρια του Τμήματος Μηχανικών Χωροταξίας και Ανάπτυξης του ΑΠΘ, Σιφναίου Μαρία. Η εκπόνηση της εργασίας γίνεται στο πλαίσιο της ολοκλήρωσης των προπτυχιακών σπουδών, ενώ την ευθύνη για το περιεχόμενο, τις πηγές και τις αναφορές που χρησιμοποιούνται, φέρει αποκλειστικά η υπογράφουσα την εργασία. 1

3 Ευχαριστίες Με την ολοκλήρωση της εκπόνησης της ερευνητικής μου εργασίας, νιώθω την ανάγκη να εκφράσω τις ευχαριστίες μου στους ανθρώπους εκείνους, που συνέβαλλαν καθ οποιονδήποτε τρόπο, υλικό και άυλο, στην προσπάθεια αυτή. Πρωτίστως ευχαριστώ θερμά τον επιβλέπων, κ. Καϊμάρη Δημήτριο, τόσο για την ανάθεση του θέματος όσο και για την καθοριστική καθοδήγηση του κατά τη διαδικασία της εκπόνησης. Ευχαριστώ για την ελευθερία που μου έδωσε σε επιλογές για την τελική διαμόρφωση του αντικειμένου, καθώς και για το ιδιαίτερο ενδιαφέρον που έδειξε, προκειμένου να αντιμετωπιστούν οι αντιξοότητες που συναντήθηκαν κατά τη διάρκεια της συνεργασίας μας. Τέλος, ένα μεγάλο ευχαριστώ οφείλω στην οικογένεια μου και τους φίλους μου, για την μοναδική υποστήριξη τους καθ όλη την μέχρι τώρα πορεία μου και την πίστη τους στις δυνάμεις και τα όνειρα μου. 2

4 Στους γονείς μου, 3

5 Περιεχόμενα Περίληψη... 8 Abstract... 9 Ακρωνύμια Εισαγωγή Η αποτύπωση του χώρου ως έμφυτη ανάγκη του ανθρώπου Σκοπός και δομή της εργασίας Μη επανδρωμένα εναέρια αεροσκάφη λήψης εικόνων Ιστορική εξέλιξη των μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων (UAV) Κατηγοριοποίηση μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων (UAV) Η χρήση των UAV- Μελλοντικές προοπτικές Σύνθεση του συστήματος των μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων Σταθμός Εδάφους - Control Station (CS) Πλατφόρμες εξάρτησης των UAV συστημάτων «Ωφέλιμο φορτίο»-αισθητήρες Εικονοληπτικοί αισθητήρες Αισθητήρες Πλοήγησης Παραδείγματα Εφαρμογών με χρήση UAV συστημάτων Μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα σε κτηματολογικές εφαρμογές Χρήση UAV για την παραγωγή τοπογραφικών χαρτών σε περιοχές που πλήττονται από ακραία καιρικά φαινόμενα Χρήση UAVs στον αστικό σχεδιασμό Έρευνα χαμηλού υψομέτρου Η χρήση UAV συστημάτων για την παρακολούθηση περιβαλλοντικών και γεωργικών εφαρμογών Χρήση εναέριων μη επανδρωμένων συστημάτων στον έλεγχο κατολισθήσεων κατά μήκος οδικού άξονα Χρήση εναέριων μη επανδρωμένων συστημάτων στην κατασκευή σιδηροδρόμου Συμπεράσματα Βιβλιογραφία

6 Ευρετήριο εικόνων Εικόνα 1: Χάρτης Βαβυλώνας 2300 π.χ Εικόνα 2: Το αεροσκάφος Queen Bee Εικόνα 3:Κάμερα χειρός Granflex Εικόνα 4:To αεροσκάφος Falconer ή Shelduck Εικόνα 5:To αεροσκάφος Lockheed Aquila Εικόνα 6: Το αεροσκάφος MBLE Epervier Εικόνα 7: Το αεροσκάφος Westland Wisp Εικόνα 8: Το αεροσκάφος General Atomics Gnat A Εικόνα 9: Η εξέλιξη του αεροσκάφους Predator Εικόνα 10: Τεχνική δομή ενός UAVs (Austin,2010) Εικόνα 11: Αυτόματος Πιλότος Wookong-m DJI Εικόνα 12: Παράδειγμα συστήματος IMU sensor Εικόνα 13: Σχέδιο πτήσης του UAV συστήματος στην πανεπιστημιούπολη Science City (Hoenggerberg) της Ζυρίχης Εικόνα 14:Χρησιμοποιούμενο UAV Σύστημα στην έρευνα Εικόνα 15:Χάρτες των περιοχών μελέτης με την χρήση UAV Εικόνα 16:Τρισδιάστατη απεικόνιση κτιρίων των εγκαταστάσεων της πανεπιστημιούπολης Εικόνα 17: Το χρησιμοποιούμενο UAV σύστημα στην έρευνα Εικόνα 18: Ορθο-μωσαικό της περιοχής μελέτης Εικόνα 19: Αspect Map Εικόνα 20: Slop Map Εικόνα 21: Contour Map Εικόνα 22: Digital Surface Model

7 Εικόνα 23: Η εμφάνιση και το εσωτερικό της "υπερ-ευρυγώνιας" κάμερας Εικόνα 24: Δομή των εικόνων από τις τέσσερις κάμερες Εικόνα 25: Ορφοφωτοχάρτης της περιοχής μελέτης της πόλης Guangzhou Εικόνα 26: Τρισιδιάστατη απεικίόνιση της πόλης Weihai Εικόνα 27: :Quanta-H Εικόνα 28: Quanta-G Εικόνα 29: Εκτίμηση της επιφάνειάς των φύλλων των δέντρων της ελιάς Εικόνα 30: Εκτίμηση της περιεκτικότητας σε χλωροφύλλη Εικόνα 31: Χάρτης αναγκών άρδευσης Εικόνα 32:Το σημείο μελέτης στον άξονα Α Εικόνα 33:Το Microdrone UAV που χρησιμοποιήθηκε στην έρευνα Εικόνα 34:Το μωσαϊκό των φωτογραφιών που χρησιμοποιήθηκαν στο project και τα σημεία όπου ελήφθησαν Εικόνα 35:Το τρισδιάστατο μοντέλο και η ορθοανηγμένη εικόνα με τις ισοϋψείς καμπύλες Εικόνα 36:Εκκίνηση του ebee για την προγραμματισμένη πτήση Εικόνα 37:Απεικόνιση των σημείων ελέγχου και των παράλληλων γραμμών πτήσης Ευρετήριο Πινάκων Πίνακας 1: Χαρακτηριστικά Queen bee (Austin,2010) Πίνακας 2: Χαρακτηριστικά αεροσκαφους Predator A, B, C (Austin,2010) Πίνακας 3:Κατηγορίες των μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων (UAV) Πίνακας 4:Ταξινόμηση των UAVs με βάση την τροφοδοσία τους και την σχέση τους με τον αέρα (Eisenbeiß, 2009) Πίνακας 5:Αισθητήρες μικρού φορματ (SF) και μεσαίου (MF) ορατού φάσματος κάμερες (Colomina & Molina, 2014)

8 Πίνακας 6: Πολυφασματικοί αισθητήρες UAVs (Colomina & Molina, 2014) Πίνακας 7: Υπερφασματικοί αισθητήρες UAVs (Colomina & Molina, 2014) Πίνακας 8: Κοινές θερμικές κάμερες για UAVs (Colomina & Molina, 2014) Πίνακας 9: Laser σαρωτες για UAS (Colomina & Molina, 2014) Πίνακας 10: Σαρωτές SAR για UAS (Colomina & Molina, 2014) Πίνακας 11:Χαρακτηριστικά remotely-piloted αεροσκάφους (Zongjian, 2008) Πίνακας 12: Χαρακτηριστικά μη επανδρωμένου αερόστατου ηλίου(zongjian, 2008) Πίνακας 13: Χαρακτηριστικά Πολυφασματικής κάμερας MCA-6 (Berni et. al.,2008) Πίνακας 14:Χαρακτηριστικά Θερμική φωτογραφικής κάμερας Thermovision A40M (Berni et al., 2008)

9 Περίληψη Η παρούσα ερευνητική εργασία με τίτλο Εναέρια μη επανδρωμένα συστήματα λήψης εικόνων και η χρήση τους σε εφαρμογές μηχανικού, έχεις ως στόχο την κατανόηση της χρήσης και της λειτουργίας των μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων UAV. Συγκεκριμένα, στο πρώτο κεφάλαιο πραγματοποιείται μία ιστορική αναδρομή των UAV, από τις πρώτες χρήσεις τους για στρατιωτικούς σκοπούς, μέχρι την χρησιμότητα του σε αποστολές γενικής χρήσης, όπως περιβαλλοντικές αποτυπώσεις, κτηματολογικές εφαρμογές κλπ, καθώς και τις μελλοντικές προοπτικές τους. Στο δεύτερο κεφάλαιο το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στα συστατικά μέρη ενός μη επανδρωμένου εναέριου οχήματος (UAV), με γνώμονα τα τρία βασικά μέρη αυτού, το σταθμό ελέγχου, την πλατφόρμα εξάρτησης και το ωφέλιμο φορτίο του. Έπειτα, στο επόμενο κεφάλαιο, ερευνώνται τα πεδία εφαρμογών των συστημάτων αυτών ανά τον κόσμο, δίνοντας έμφαση στους τομείς της χωροταξίας, της πολεοδομίας, του περιβάλλοντος και των συγκοινωνιών. Η εργασία ολοκληρώνεται με το πέμπτο κεφάλαιο, των συμπερασμάτων, όπου γίνεται μία επισκόπηση, αφενός των συστημάτων UAV, και αφετέρου της χρήσης τους στην επιστήμη της πολεοδομίας/χωροταξίας. 8

10 Abstract Unmanned aerial vehicles and their use in engineering applications This research paper entitled "unmanned aerial camera systems and their use in engineering applications", aims of the understanding of use and operation of unmanned aerial vehicles UAV. Specifically, in the first chapter a flashback in the history of UAVs is made, their first use for military purposes, until their utility in general missions such as environmental surveying, cadastral applications, etc., as well as their future prospects. The second chapter focuses on components of an unmanned aerial vehicle (UAV), taking into account its three main parts the control station, the dependence platform and its payload. Then, in the next chapter, an investigation on the fields such systems are applied worldwide, emphasizing the areas of planning, town planning, environment and transport. The work is completed with the fifth chapter where the conclusions, where an overview of both the UAV systems, and their use in the science of urban / regional planning is given. 9

11 Ακρωνύμια CCD: Charge-coupled device CS: Control Station (Σταθμός ελέγχου) DEM: Digital Elevation Model DSM: Digital Surface Model (Ψηφιακό μοντέλο επιφάνειας) DTM: Digital Terrain Model (Ψηφιακό μοντέλο εδάφους) ΕΟ: Electro-Optical GCP: Ground Control Point (Σημεία ελέγχου ή φωτοσταθερά) GNSS: Global Navigation Satellite System GPS: Global Positioning System (Παγκόσμιο σύστημα εντοπισμού θέσης) HALE: High Altitude Long Endurance (Υψηλό υψόμετρο μεγάλη Αντοχή) IMU: Internal Measurement Unit (Αδρανειακή μονάδα μέτρησης) INS: Inertial Navigation System (Σύστημα αδρανειακής πλοήγησης) IR: Infrared LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation LLL: low-light level MALE: Medium Altitude Long Endurance (Μέτριο υψόμετρο μεγάλη Αντοχή) MAV: Micro Unmanned Aerial Vehicles (Micro μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα) MUAV: Mini Unmanned Aerial Vehicles (Mini μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα) NAV: Nano Air Vehicles (Νανο-οχήματα αέρα) 10

12 PPS: Precise Positioning Service ROA: Remotely Operated Aircraft (Τηλεχειριζόμενα αεροσκάφη) RPA: Remotely Piloted Aircraft (Τηλεκατευθυνόμενα αεροσκάφη) RPV: Remotely Piloted Vehicle (Τηλεκατευθυνόμενα οχήματα) SAR: Synthetic Aperture Radar SCS: Ship Control Station (Σταθμός ελέγχου σε πλοίο) SPS: Standard Positioning System SIGINT: Signals Intelligence SLAR: Side-Looking Airborne Radar TUAV: Tactical Unmanned Aerial Vehicles ή Medium range (Τακτικά μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα ή Μέσου βεληνεκούς) UAS: Unmanned Aircraft Systems (Μη επανδρωμένα εναέρια συστήματα) UAV: Unmanned Aerial Vehicles (Μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα) UAVs: Unmanned Aerial Vehicles systems (Συστήματα μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων) UVS: Unmanned Vehicle Systems (Συστήματα μη επανδρωμένων οχημάτων) 11

13 1 Εισαγωγή 1.1 Η αποτύπωση του χώρου ως έμφυτη ανάγκη του ανθρώπου Ο άνθρωπος σταδιακά, ως νοήμων όν, κατόρθωσε να διαχειριστεί την σχέση του με το περιβάλλον, διαμέσου των γνώσεων και των πρακτικών που ανέπτυξε. Έτσι κατόρθωσε από τον πρωτόγονο τρόπο ζωής, ευάλωτο στις μεταλλαγές του περιβάλλοντος, να διαχειριστεί τη σχέση του με το χώρο, οδηγώντας στην ανάπτυξη του πολιτισμού. Με την ύπαρξη των πρώτων-αρχαίων πολιτισμών, ξεκίνησε και η πρώτη καταγραφή-απεικόνιση του φυσικού χώρου και των σχέσεων μεταξύ στοιχείων αυτού, με την μορφή χαρτών. Σύμφωνα με τους ιστορικούς, τα πρώτα δείγματα χαρτών, χρονολογούνται το 2300 π.χ. στην Βαβυλώνα (Εικ.1), και ήταν σχεδιασμένα σε πήλινα πλακίδια Σημαντικά ωστόσο ευρήματα χαρτών, αποτελούν αυτά των Αιγυπτίων, που τα χρησιμοποιούσαν προκειμένου να ορίζουν ιδιοκτησίες, μετά τις πλημμύρες του Νείλου (Λιβιεράτος Ε., 1988). Όσο ο κόσμος εξελισσόταν, και οι γνωστές περιοχές του κόσμου αυξάνονταν, η χαρτογραφία και οι δυνατότητες της πλήθαιναν, μέχρι η τελευταία να πάρει την σημερινή της μορφή. Αυτή η αποτύπωση του χώρου, εξυπηρετούσε όχι μόνο στην καταγραφή και την κατανόηση του χώρου, αλλά και στην σωστή διαχείριση του από τον άνθρωπο. Εικόνα 1: Χάρτης Βαβυλώνας 2300 π.χ 12

14 Με την πάροδο του χρόνου, και την συνεχόμενη εξέλιξη του ανθρώπου και των επιτευγμάτων του, οι κλασσικές μέθοδοι αποτύπωσης εξελίχθηκαν εξίσου. Πέρα από την επίγεια αποτύπωση του χώρου, αναπτύχθηκε και η προοπτική, της από αέρος παρατήρησης του χώρου. Έτσι, δημιουργήθηκαν εναέριες πλατφόρμες, με σκοπό τη λήψη εικόνων και την αποτύπωση του χώρου από ένα σχετικό υψόμετρο. Η εξέλιξη της σύγχρονης επιστήμης της Φωτογραμμετρίας και της Τηλεπισκόπησης, αποτέλεσε στροφή στην συλλογή μετρητικών δεδομένων για την αποτύπωση του χώρου. Αρχικά, αντιμετωπίστηκαν προβλήματα, τα οποία συνδέονταν στην εξαγωγή των πληροφορίων από τις εναέριες φωτογραφικές λήψεις, αλλά με τα κατάλληλα μαθηματικά μοντέλα και την τυποποίηση των διαδικασιών ξεπεράστηκαν. Το αποτέλεσμα ήταν η δυνατότητα αποτύπωσης μεγάλων περιοχών, και η ικανότητα επεξεργασίας αυτών των δεδομένων σε μικρό χρονικό διάστημα. Μια καινοτόμα μέθοδος για την λήψη εικόνων αποτελούν τα μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα (UAV), τα οποία παρέχουν στον χρήστη την δυνατότητα, να αποκτήσει μετρητικά δεδομένα, βασισμένα εξολοκλήρου στις ανάγκες της δικής του έρευνας, με μικρό συγκριτικά με άλλες μεθόδους κόστος 1.2 Σκοπός και δομή της εργασίας Έναυσμα αυτής της εργασίας αποτελεί το ενδιαφέρον για εμβάθυνση γύρω από τα μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα λήψης εικόνων. Έρευνα, με σκοπό την συλλογή πληροφορίων για την ολοκλήρωση της εργασίας, πραγματοποιείται σε παγκόσμιο επίπεδο. Αντικείμενο της έρευνας αποτελούν η γένεση των συστημάτων αυτών, η εξέλιξη τους, η γενικότερη σύνθεση αυτών καθώς και η χρήση τους για την διεκπεραίωση χωροταξικών, πολεοδομικών και συγκοινωνιακών ζητημάτων. Στο πρώτο κεφάλαιο της παρούσας εργασίας, αναλύονται γενικές πληροφορίες για την φύση και τον χειρισμό των μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων λήψης εικόνων. Αρχικά, αναλύεται η εξέλιξη τους και τα σημεία καμπής της πορείας τους, προκειμένου να έχουν τη σημερινή μορφή. Έπειτα πραγματοποιείται, η κατηγοριοποίηση τους με γνώμονα βασικά χαρακτηριστικά αυτών, όπως κατανοήθηκαν κατά την διάρκεια της βιβλιογραφικής έρευνας. Τέλος, αναλύεται η χρήση των συστημάτων αυτών, καθώς και οι μελλοντικές προοπτικές 13

15 τους. Με αυτό το κεφάλαιο, επιχειρείται η διαμόρφωση μιας πρώτης προσέγγισης, γύρω από τα UAVs, με σκοπό την κατανόηση της χρησιμότητας τους. Στο δεύτερο κεφάλαιο, γίνεται μια ανάλυση των συστατικών στοιχείων ενός μη επανδρωμένου εναέριου οχήματος. Παρουσιάζεται η λειτουργική σύνθεση ενός UAVs, και αναλυτικότερα τα επιμέρους υποσυστήματα που συλλογικά παρέχουν το επιθυμητό αποτέλεσμα. Για την ευκολότερη παράθεση των στοιχείων, γίνεται διαχωρισμός των πληροφοριών, με βάση τα κύρια μέρη του συστήματος των μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων, δηλαδή το σταθμό ελέγχου, την πλατφόρμα εξάρτησης καθώς και το «ωφέλιμο φορτίου» αυτού. Στόχος, των παραπάνω, είναι η διαμόρφωση μιας συνολικής εικόνας γύρω από γνώσεις γενικού ενδιαφέροντος για τα μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα. Τέλος, στο τρίτο κεφάλαιο της εργασίας, παρουσιάζονται κάποια παραδείγματα εφαρμογών, που έχουν χρησιμοποιήσει διαφόρων ειδών μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα για την διεκπεραίωση μιας έρευνας. Συγκεκριμένα αναλύονται, τα συστήματα τα οποία χρησιμοποιήθηκαν, ο σκοπός της έρευνας, τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα τα οποία προκύπτουν. Σκοπός αυτού του κεφαλαίου είναι η πλήρη κατανόηση της χρήσης καθώς και της χρησιμότητας των συστημάτων αυτών, στο τομέα της αποτύπωσης του χώρου, σε χωροταξικά, πολεοδομικά και συγκοινωνιακά ζητήματα. Η εργασία ολοκληρώνεται, με μια γενική αξιολόγηση και τα συμπεράσματα που εξήχθησαν από την παρούσα έρευνα. 14

16 2 Μη επανδρωμένα εναέρια αεροσκάφη λήψης εικόνων Τα μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα (UAV), σύμφωνα με τον ορισμό που δίνει η ένωση UVS International, μια διεθνής μη κερδοσκοπική ένωση που έχει συσταθεί στο Εμπορικό Επιμελητήριο της Χάγης και αντιπροσωπεύει τους κατασκευαστές των συστημάτων αυτών, αποτελούν αεροσκάφη σχεδιασμένα να λειτουργούν χωρίς την παρουσία πιλότου (URL1). Σύμφωνα με τον Eisenbeiss (2009) ο όρος UAV, χρησιμοποιείται ευρέως στην επιστήμη της Φωτογραμμετρίας και Τηλεπισκόπησης καθώς και σε άλλες επιστήμες, όπως η Ρομποτική. Δόκιμοι όροι, συνώνυμοι των μη επανδρωμένων εναέριων αεροσκαφών (UAV) αποτελούν (Eisenbeiss, 2009): Remotely Piloted Vehicle (RPV), Remotely Operated Aircraft (ROA), Remotely Piloted Aircraft (RPA), Unmanned Vehicle Systems (UVS). Η αρχική εμφάνιση αυτών των πλατφόρμων και η σταδιακή εξέλιξη τους, έγινε διαμέσου της χρήσης τους σε στρατιωτικές εφαρμογές (URL2). Κυρίως χρησιμοποιούνταν για την αποτύπωση και χαρτογράφηση εχθρικών περιοχών και επιτήρηση αυτών, εξαλείφοντας πιθανότητες απωλειών. Με την πάροδο των ετών, τα UAVs άρχισαν να χρησιμοποιούνται ολοένα και περισσότερο στον τομέα της γεωπληροφορικής. Οι πρώτες εφαρμογές έγιναν από τους Przybilla και Wester- Ebbinghaus το 1979 (Eisenbeiss, 2004). 2.1 Ιστορική εξέλιξη των μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων (UAV) Σύμφωνα με τους Fahlstrom και Gleason (2009) θα μπορούσε κανείς να πει ότι το πρώτο UAV, ήταν ίσως ένας κινέζικος πύραυλος, που χρονολογείται το δέκατο τρίτο αιώνα. Τα «οχήματα» αυτά χαρακτηρίζονταν από έλλειψη ελέγχου, αντίθετα με τον χαρταετό, ο οποίος έχει μικρή δυνατότητα ελέγχου, αεροδυναμική ανύψωση και θα μπορούσε εξίσου να θεωρηθεί από τα πρώτα UAVs. Συγκεκριμένα, το 1833 ο Douglas Archibald τοποθέτησε στο σκοινί ενός χαρταετού ένα ανεμόμετρο, με σκοπό να μετρήσει την ταχύτητα του αέρα στα 1200 πόδια. Ο Archibald συνέδεσε 15

17 φωτογραφικές μηχανές με χαρταετούς το 1887, δημιουργώντας ένα από τα πρώτα UAV του κόσμου (Fahlstrom & Gleason, 2009). Τα UAV μέχρι τον Α Παγκόσμιο Πόλεμο αποτελούσαν ευρέως αναγνωρισμένα συστήματα (Fahlstrom & Gleason, 2009). Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί ένα Βigplane UAV, το οποίο και κατασκευάστηκε από τον Charles Kettering για τον Στρατό Signal Corps, το Περίπου 3 χρόνια χρειάστηκαν για να αναπτυχθεί το συγκεκριμένο σύστημα, το οποίο ονομαζόταν το Kettering Aerial Torpedo, αλλά είναι ευρέως γνωστό ως το "Kettering bug". Το Bug μπορούσε να πετάξει σχεδόν 40 μίλια απόσταση με 55 μίλια ανά ώρα ταχύτητα και ήταν ικανό να μεταφέρει φορτίο 180 κιλά (εκρηκτικές ύλες). Το αεροσκάφος χρησιμοποιούνται για την κατάλυση των εχθρικών στρατευμάτων, καθώς κατευθυνόταν προς το στόχο, απελευθερωνόταν η άτρακτος από τα φτερά με σκοπό να βυθίσει στο έδαφος σαν βόμβα (Fahlstrom & Gleason, 2009). Μετά το πέρας του Α Παγκοσμίου Πολέμου με τη συμβολή της χρήσης των συστημάτων αυτών, ιδρύθηκαν εταιρείες αεροφωτογράφισης με την βοήθεια αεροσκαφών για χρήσεις κυρίως αποτύπωσης του χώρου και χαρτογράφησης, επεκτείνοντας έτσι το ρόλο των UAV. Πρόοδο στον τομέα της αεροφωτογράφισης αποτέλεσε το επίτευγμα του Sherman Fairchild, το 1920, ο οποίος κατασκεύασε αεροσκάφος προσαρμοσμένο στις ανάγκες της τότε φωνογραφίας. Το αεροπλάνο αυτό (Fairchild Cabin Monoplane FC1) είχε ειδικό θάλαμο για την φωτογραφική μηχανή. Η ίδια εταιρεία επτά χρόνια μετά, εξέλιξε το συγκεκριμένο μοντέλο αεροσκάφους (Fairchild Cabin Monoplane FC2), το οποίο και προοριζόταν τόσο για πολιτικές όσο και για στρατιωτικές εφαρμογές (Campbell,2008). Σε αυτό το σημείο πρέπει να αναφερθεί ο Archibald Montgomery Low, καθώς αποτέλεσε καθοριστικό παράγοντα στην επινόηση και ανάπτυξη σημαντικών μερών του συστήματος των UAV. Συγκεκριμένα μπορεί να χαρακτηρισθεί και ως πρωτοπόρος στον τομέα του καθώς ανέπτυξε τις συνδέσεις δεδομένων επιλύοντας τα ηλεκτρομαγνητικά προβλήματα που προκαλούνται από τον κινητήρα του UAV. Είναι γνωστός ως ο πατέρας των συστημάτων καθοδήγησης. Στις 3 Σεπτεμβρίου του 1924 πραγματοποίησε την πρώτη πτήση Radio-control του κόσμου (Fahlstrom & Gleason, 2009). Το 1933 στη Μεγάλη Βρετανία, είχαν επικεντρωθεί στην κατασκευή αεροσκαφών με τηλεχειρισμό. Αυτό ξεκίνησε με την εγκατάσταση του κατάλληλου 16

18 εξοπλισμού σε κάποια αεροπλάνα τύπου Fairey, τα οποία χαρακτηρίζονταν ως «Fairey Queen» (Fahlstrom & Gleason, 2009). Η επιτυχία αυτών οδήγησε στην κατασκευή, μεταξύ των ετών 1934 και 1943, περίπου 420 τηλεκατευθυνόμενων αεροσκαφών για το ναυτικό και το στρατό. Τα αεροσκάφη ήταν κατασκευασμένα από ξύλο και ονομάστηκαν «Queen Bee» (Εικ.2) (Austin, 2010). Τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του αναλύονται στον παρακάτω πίνακα (Πιν.1). Εικόνα 2: Το αεροσκάφος Queen Bee Πίνακας 1: Χαρακτηριστικά Queen bee (Austin,2010) Άνοιγμα πτερυγίων AUM Ταχύτητα Κινητήρας Σύστημα καθοδήγησης 8,9 m 830 kg 170 km/h 104 KW Gipsy Major Radio Conrol Κατά την διάρκεια του Β Παγκοσμίου πολέμου, ένα μικρότερου μεγέθους και ελαφρύτερο UAV αεροπλάνο, αναπτύχθηκε από την Radioplane στις ΗΠΑ, το RP4. Χιλιάδες από αυτά παράχθηκαν κατά την διάρκεια του πολέμου με χρήση ως στόχοι πρακτικής βολής από τις αμερικανικές δυνάμεις. Μέσα από αυτά τα αεροσκάφη, αναπτύχθηκε η τεχνολογία και η χρήση μιας πρώιμης μορφής τηλεχειρισμού. Η συγκεκριμένη χρήση των αεροσκαφών, επανεξετάστηκε από τη ναζιστική Γερμανία με το «V1 Vengeance Weapon». Το σύστημα καθοδήγησης ήταν ελάχιστα πιο περίπλοκο από παλαιότερα. Χρησιμοποιήθηκε ένα βαρομετρικό σύστημα για τη ρύθμιση της ταχύτητας και του ύψους και ένα ανεμόμετρο για να καθορίσει την απόσταση που διένυαν. Σημαντικά συστατικά για την τελική πτώση αποτελούσαν το γυροσκόπιο και μια μαγνητική πυξίδα (Austin, 2010). Σύμφωνα με την Austin (2010), 17

19 «αποτέλεσε ένα ανακριβές όπλο λόγω σφαλμάτων των οργάνων του, αλλά συνέβαλε στην πρώιμη ανάπτυξη ενός συστήματος ελέγχου πτήσης». Κατά την διάρκεια του Β Παγκοσμίου Πολέμου ωστόσο, η εναέρια αποτύπωση του εδάφους με την χρήση αεροπλάνου εξελίχθηκε σημαντικά (Εικ.3). Η αναγνώριση της συμβολής, αυτού του είδους παρατήρησης βοήθησε στην εξέλιξη τόσο της ανάλυσης των φωτογραφικών μηχανών όσο και των αεροσκαφών που χρησιμοποιούνταν ως πλατφόρμες εξάρτησης (Campbell,2008). Εικόνα 3:Κάμερα χειρός Granflex Στη μεταπολεμική περίοδο, η αμερικανική εταιρεία Radioplane, αργότερα μετονομάστηκε σε Northrop, ανέπτυξε μια επιτυχημένη σειρά μη επανδρωμένων αεροσκαφών στόχου, με όνομα «Falconer» ή «Shelduck» (Εικ.4). Η παραγωγή τους συνεχίστηκε μέχρι τη δεκαετία του 1980, υιοθετώντας εξελισσόμενο σύστημα ραδιοελέγχου (Austin,2010). Εικόνα 4:To αεροσκάφος Falconer ή Shelduck 18

20 Τη δεκαετία του 1970 αναπτύχθηκαν και σχεδιάστηκαν εκ νέου πολλά UAS, για αναγνώριση και επιτήρηση, τόσο μικρότερου βεληνεκούς, αλλά και συστήματα μεγαλύτερου φάσματος. Με τις πιέσεις όξυνσης του Ψυχρού Πολέμου, αυτά τα συστήματα εξελίχθηκαν όλο και περισσότερο, τόσο από την άποψη των απαιτήσεων της αποστολής τους, όσο και για την ασφάλεια των επικοινωνιών τους (Austin,2010). Ένα τέτοιο σύστημα σχεδιασμένο για μικρού φάσματος αποστολές, ήταν το Lockhead Aquila (Εικ.5) (Austin, 2010). Σύμφωνα με την Austin (2010), «oι δυνατότητες αποστολής του Aquila θα ήταν πολύτιμες αν είχαν επιτευχθεί, σκοπός του ήταν να παρέχει πληροφορίες μάχης σε πραγματικό χρόνο, μέσω βίντεο». Εικόνα 5:To αεροσκάφος Lockheed Aquila Ένα ακόμα σύστημα, σχεδιασμένο πάνω στο πλαίσιο των διαθέσιμων τεχνολογιών, ήταν η MBLE Epervier (Εικ.6). Η δημιουργία του ξεκίνησε τη δεκαετία του 1960, και χρησιμοποιήθηκε από τις βελγικές δυνάμεις από τα μέσα της δεκαετίας του Η άτρακτος του τροφοδοτούταν από ένα μικρό κινητήρα turbojet και ξεκινούσε την πτήση από ειδική ράμπα. Η ανάκτηση του γινόταν με τη χρήση αλεξίπτωτου. Η πτήση προγραμματιζόταν νωρίτερα και είχε σύστημα τηλεχειρισμού. Το ωφέλιμο φορτίο του αποτελούνταν από μια κάμερα ημέρας ή υπέρυθρη σαρώσεως, τα προϊόντα υποβάλλονταν σε επεξεργασία κατά την επιστροφή στο σταθμό ελέγχου (Austin, 2010). 19

21 Εικόνα 6: Το αεροσκάφος MBLE Epervier Με την πάροδο των ετών, μέσω της χρήσης αυτών των συστημάτων είχε δημιουργηθεί μια «ανησυχία», σχετικά με την φθορά τους από ατυχήματα κατά την απογείωση και προσγείωση. Το σύστημα Westland Wisp (Εικ.7) σχεδιάστηκε ως απάντηση στην απαίτηση του UK MOD για ένα ειδικού σκοπού μικρού εύρους συστήματος. Το Westland wisp χρησιμοποιούσε, ένα απλό γυροσκόπιο-αυτόματο πιλότο για τη σταθερότητα και λειτουργούσε χειροκίνητα μέσω ραδιοελέγχου. Έφερε μια κάμερα ημέρας που έστελνε πίσω εικόνες σε πραγματικό χρόνο. Τρία τέτοιου είδους αεροσκάφη πέταξαν, «επισημαίνοντας πέρα από την επίλυση των προβλημάτων απογείωσης και προσγείωσης, το πόσο σημαντική είναι η ικανότητα αιώρησης κατά τη διάρκεια των αποστολών επιτήρησης» (Austin, 2010). Εικόνα 7: Το αεροσκάφος Westland Wisp Κατά τη δεκαετία του 1990, η γενική διαθεσιμότητα του Global Positioning System (GPS) και των δορυφορικών επικοινωνιών απελευθέρωσε το UAV από τον περιορισμό της λειτουργίας εντός εμβέλειας ράδιο-εντοπισμού ή τα ανακριβή συστήματα πλοήγησης με βάση τα ηλεκτρονικά συστήματα προσδιορισμού στίγματος. Το γεγονός αυτό «επέτρεψε» στα UAVs να λειτουργήσουν σε μεγαλύτερο εύρος με καλύτερη ακρίβεια θέσης, με αποτέλεσμα την ανάπτυξη συστημάτων μεγαλύτερου εύρους (medium-, long range) (Austin,2010). 20

22 Στα μέσα της δεκαετία του 1990, η General Atomics Gnat θεωρείται ο δημιουργός μιας νέας γενιάς UAV μεγάλου εύρους και συγκεκριμένα των MALE & HALE long-endurance/long-range συστημάτων (Austin,2010). Τα συστήματα Gnat (Εικ.8) χρησιμοποιήθηκαν πάνω από τη Βοσνία και την Κροατία σε έναν ρόλο αναγνώρισης με χρήση ΕΟ και IR αισθητήρων και αργότερα χρησιμοποιώντας SIGINT εξοπλισμό. Αρκετές αναβαθμίσεις πραγματοποιήθηκαν στο συγκεκριμένο σύστημα UAV μέσω των τριών μοντέλων αυτού (Α, Β, C). Εικόνα 8: Το αεροσκάφος General Atomics Gnat A Η χρήση του συστήματος Gnat και της αρχικής μορφής του Predator, επέτρεψε αποστολές αναγνώρισης, από υψηλά υψόμετρα συγκριτικά με την μέχρι τότε πρόοδο (Austin, 2010). Ωστόσο, τα ωφέλιμα φορτία ΕΟ και IR δεν μπορούσαν να αποτυπώσουν μέσα από τα σύννεφα και αυτό ανάγκασε να περιοριστεί η χρήση τους σε ύψη που τότε τα έκανε πιο ευάλωτα. Η απάντηση σε αυτό, ήταν η ανάπτυξη των συστημάτων ραντάρ συνθετικού διαφράγματος (SAR) για UAV που επέτρεψε τη λήψη εικόνων διαμέσου των σύννεφων. Τα αρχικά όμως ωφέλιμα φορτία SAR ήταν βαριά, γεγονός που οδήγησε στην επιθυμία να επεκτείνουν το εύρος και την αντοχή των UAS ακόμη περισσότερο, με την ανάπτυξη μεγαλύτερων, βαρύτερων και πιο ικανών συστημάτων. Αυτό επιτεύχθηκε τη δεκαετία του 2000, με τη μορφή του μοντέλου Predator Β, και για λήψεις σε ακόμα μεγαλύτερο υψόμετρο το Global Hawk UAV (Austin, 2010). Τη δεκαετία του 2000 η χρήση των UAV συστημάτων σε στρατιωτικούς σκοπούς ήταν αυξημένη. Οι μη στρατιωτικές επιχειρήσεις, αν και δυνητικά είναι πιο εκτεταμένες από τις στρατιωτικές, δεν είχαν αποδώσει ακόμα καρπούς, σύμφωνα με την Austin (2010) «λόγω της αντιληπτής δυσκολίας διαχωρισμού μεταξύ επανδρωμένων και μη επανδρωμένων συστήματων». 21

23 Ένα ακόμη παράδειγμα των δυνατοτήτων των UAS, τα οποία αναπτύσσονται όσο η τεχνολογία αναπτύσσεται, είναι το Predator C, το οποίο αναβαθμίζει το προηγούμενο σύστημα MALE σε σύστημα HALE, ανταγωνιστικό πλέον ως προς το Global Hawk, προσφέροντας επιπλέον μυστικότητα (Austin,2010). Εικόνα 9: Η εξέλιξη του αεροσκάφους Predator Στον παρακάτω πίνακα αναλύονται τα χαρακτηριστικά των τριών τύπων του αεροσκάφους Predator (Πιν.2). Πίνακας 2: Χαρακτηριστικά αεροσκαφους Predator A, B, C (Austin,2010) Predator A B C Άνοιγμα πτερυγίων (m) Μήκος (m) MTOM (kg) ? Τύπος κινητήρα Piston Turbo prop Turbo Fan Ισχύ κινητήρα 78.3 (KW) 500 (KW) 18 (KN) Ταχύτητα Μax (km/hr) Διάρκεια πτήσης (hr) >20 32? Ανώτατο ύψος (m) Μάζα ωφέλιμου 385 int 204 φορτίου (kg) 1360 ext Τύπος οφέλιμου EO,IR, SAR, EO,IR TV, SAR φορτίου SIGINT weapons Internal weapons 22

24 Η επιστροφή του ενδιαφέροντος για VTOL UAS (συστήματα κάθετης προσγείωσης και απογείωσης) είχε αυξηθεί την δεκαετία του Αυτό προέκυψε, από την συνειδητοποίηση, ότι τέτοια UAV προσφέρουν πλεονεκτήματα, ιδιαίτερα για μικρότερης εμβέλειας και χαμηλότερου υψόμετρου έρευνες, σε σύγκριση με τα UAV σταθερών πτερυγίων όπως: α) μειωμένη ανταπόκριση στο στροβιλισμό του αέρα, β) συμβατότητα με σχεδιασμό stealth, γ) την ευκολία στην επιτήρηση και άλλες αποστολές τέτοιου είδους, δ) απλότητα καθέλκυσης και ανέλκυσής, με αποτέλεσμα λιγότερο εξοπλισμό υποστήριξης και χαμηλότερα ποσοστά απώλειας (Austin,2010). Την τελευταία δεκαετία την οποία και διανύουμε, παρατηρείται η συνεχής εξέλιξη της ηλεκτρονικής τεχνολογίας που βελτιώνει την αποτελεσματικότητα των ποικίλλων σημερινών συστημάτων και ενδεχομένως επιτρέπει την ανάπτυξη των πτυχών των UAS που δεν είχαν προβλεφθεί. Ο σχεδιασμός τους, το ωφέλιμο φορτίο καθώς και η αυτονομία τους ολοένα και βελτιώνεται, γεγονός που τα καθιστά περισσότερο προσιτά στην χρήση. Η λογική που επικρατεί πλέον είναι, ότι ένα τέτοιο σύστημα θα πρέπει να είναι μικρό, ελαφρύ και προσιτό, ικανό για χρήσεις πέρα από στρατιωτικές. Ο ρόλος του ανθρώπου στην χρήση τέτοιου είδους συστήματος, είναι περισσότερο πλέον ρόλος ελεγκτή παρά χειριστή (Austin, 2010). Τελευταία εξέλιξη στον τομέα αποτελούν τα DIY UAV συστήματα, τα οποία κατασκευάζονται από τους χειριστές τους με γνώμονα τη χρήση τους. Τα συστήματα αυτά είναι ευρέως διαδομένα καθώς η κατασκευή ενός τέτοιου συστήματος αποτελεί συνήθως οικονομικότερη επιλογή από την αγορά ενός έτοιμου για χρήση συστήματος (URL14). 2.2 Κατηγοριοποίηση μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων (UAV) Τα μη επανδρωμένα εναέρια αεροσκάφη (UAV) συνήθως κατηγοριοποιούνται, με βάση την ικανότητα να φέρουν εις πέρας μια «αποστολή» ή το μέγεθος των εναέριων οχημάτων (Austin, 2010). Ωστόσο, είναι πιθανό να χρειασθεί ο συνδυασμός περισσότερων τύπων εναέριων οχημάτων, προκειμένου να ολοκληρωθεί μια έρευνα. Έτσι, η κατηγοριοποίηση αυτών, αντιμετωπίζει δυσκολίες καθώς τα «όρια» που 23

25 τίθενται μεταξύ αυτών δεν είναι σαφώς πάντα καθορισμένα, και μπορεί να υπάρξουν επικαλύψεις (Austin, 2010). Έτσι η κατηγοριοποίηση που προκύπτει είναι η εξής (Πιν.3) : Πίνακας 3:Κατηγορίες των μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων (UAV) Κατηγορία Εμβέλεια Ύψος Διάρκεια Μάζα (kg) (km) Πτήσης (m) πτήσης (H) MUAV < ή 250 ή < 2 25 ή 30 ή MAV < <5 Close Range UAV TUAV- Medium range HALE >2000 > MALE > > Τα UAVs, κατατάσσονται εκ νέου σε τρεις μεγάλες κατηγορίες, βάσει του μεγέθους, του βάρους καθώς και των δυνατοτήτων διάρκειας πτήσης τους (Remondino et al., 2011). Αρχικά τα τακτικά UAVs (tactical), όπου συνήθως είναι μικρού ή μεσαίου μεγέθους, το υψόμετρο πτήσης ανέρχεται στα 500 χιλιόμετρα, η διάρκεια πτήσης τους από λίγα λεπτά μέχρι και 2 ημέρες, και τέλος η μάζα του συστήματος φτάνει έως 1000 κιλά. Επόμενη κατηγορία αποτελούν τα στρατηγικά UAVs (strategical), στην οποία περιλαμβάνονται συστήματα που το υψόμετρο τους υπερβαίνει τα μέτρα και η διάρκεια πτήσης τους φτάνει τις 4 ημέρες. Τέλος, τρίτη και τελευταία κατηγορία, αποτελούν τα UAVs ειδικών διεργασιών (special tasks), όπου περιλαμβάνει μη επανδρωμένα αυτόνομα μαχητικά αεροσκάφη. Όσον αφορά τις μεθόδους πτήσης, τα μη εναέρια οχήματα διακρίνονται εκ νέου στις εξής κατηγορίες (Eisenbeiss & Sauerbier, 2011): Χειροκίνητης λειτουργίας πτήσης (Manual Flight Mode), όπου ο βαθμός ελευθερίας του συστήματος ελέγχεται εξ αποστάσεως από τον χειριστή. Ημιαυτόνομης ή υποβοηθούμενης λειτουργία πτήσης (Semi-automated or assisted), όπου ο χειριστής του οχήματος μπορεί να το ελέγξει μέσω μακροεντολών. Η υποβοηθούμενη λειτουργία απλοποιεί τον χειρισμό του UAV, δεδομένου ότι το σύστημα έχει σταθεροποιηθεί και ο χειριστής αναλαμβάνει μόνο την ευθύνη για την καθοδήγηση του με βάση το παγκόσμιο δορυφορικό σύστημα πλοήγησης. Αυτόνομης λειτουργίας 24

26 πτήσης (Autonomous Flight Mode), όπου πλέον η δουλειά του χειριστή-πιλότου αντικαθίσταται από ένα αυτόματο σύστημα πλοήγησης το οποίο ακολουθεί ένα προκαθορισμένο ίχνος πτήσης. Επίσης, τα μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα UAV μπορούν να κατανεμηθούν εκ νέου σε κατηγορίες, βάσει των κύριων χαρακτηριστικών των αεροσκαφών. Τέτοιου είδους χαρακτηριστικά, σύμφωνα με τον Eisenbeiss (2009), μπορούν να θεωρηθούν εάν τα αεροσκάφη χρησιμοποιούν σταθερά ή περιστρεφόμενα πτερύγια, αν είναι βαρύτερα ή ελαφρύτερα από τον αέρα, και ακόμα αν τροφοδοτούνται ηλεκτρικά ή όχι. Παρακάτω παρουσιάζεται ένα πίνακας με την ταξινόμηση των υπαρχόντων UAVs, τα οποία χρησιμοποιούνται σε φωτογραμμετρικές εφαρμογές (Πιν.4). Πίνακας 4:Ταξινόμηση των UAVs με βάση την τροφοδοσία τους και την σχέση τους Μη τροφοδοτούμενα με τον αέρα (Eisenbeiß, 2009) Ελαφρύτερα Βαρύτερα του αέρα από τον αέρα Ευέλικτων πτερυγίων Σταθερών πτερυγίων Περιστρεφόμενων πτερυγίων Μπαλόνι Αιωρόπτερο Ανεμόπτερα Χαρταετός με Παραπέντε ρότορα Χαρταετοί Τροφοδοτούμενα Αερόπλοιο Παραπέντε Προπέλα Με ένα ρότορα Με δύο ρότορεςομοαξονικά Μηχανοκίνητα Με τέσσερις ρότορες Με πολλούς ρότορες Πιο αναλυτικά, σύμφωνα με τον παραπάνω πίνακα, τα μη επανδρωμένα εναέρια συστήματα UAV, χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες με γνώμονα την αλληλεπίδραση τους με τον αέρα (Eisenbeiß, 2009). Τα UAV συστήματα, τα οποία είναι ελαφρύτερα από τον άνεμο είναι λιγότερα αριθμητικά, σε σχέση με τα βαρύτερα, και είναι τα εξής δύο: Τα μπαλόνια (μη τροφοδοτούμενα) τα οποία κατά την διάρκεια της πτήσης τους ελέγχονται από σχοινιά, αυτό έχει σαν αποτέλεσμα το ύψος να περιορίζεται από το μέχρι που μπορούν να φθάσουν τα συστήματα και από 25

27 την απόσταση τους από τον χειριστή. Και τα αερόπλοια (τροφοδοτούμενα), όπου χαρακτηριστικό τους πλεονέκτημα αποτελεί η ικανότητα τους για παραμονή στον αέρα μεγάλα χρονικά διαστήματα καθιστώντας τα, κατάλληλα για εφαρμογές που απαιτούν να μελετηθούν σε βάθος χρόνου. Στην συνέχεια, τα συστήματα, τα οποία είναι βαρύτερα από τον αέρα χωρίζονται εκ νέου σε τρείς νέες κατηγορίες με χαρακτηριστικό την «ανατομία» των αεροσκαφών (Eisenbeiß, 2009). Αρχικά, τα UAVs ευέλικτων πτερυγίων κατανέμονται στα αιωρόπτερα, στους χαρταετούς που είναι μη τροφοδοτούμενα καθώς και τα παραπέντε, τα οποία υπάρχουν τόσο ως τροφοδοτούμενα όσο και μη. Έπειτα στη δεύτερη κατηγορία, αυτή των σταθερών πτερυγίων, ανήκουν τα ανεμόπτερα (μη τροφοδοτούμενα), τα οποία χρησιμοποιούν τον άνεμο για να ανυψωθούν και να κινηθούν, οι προπέλες και τα μηχανοκίνητα, τα οποία σε αντίθεση με τα ανεμόπτερα, κινούνται και ανυψώνονται με έλικες ή στροβιλοκινητήρες. Τα συστήματα UAV, με σταθερά πτερύγια δεν είναι τόσο ευέλικτα στην πραγματοποίηση ελιγμών, παρόλ αυτά έχουν ως πλεονέκτημα την δυνατότητα να παραμένουν στον αέρα για μεγάλο χρονικό διάστημα και να καλύπτουν περιοχές μεγάλης έκτασης. Τέλος, στην τρίτη κατηγορία των περιστρεφόμενων πτερυγίων, παρατηρούμε την ύπαρξη χαρταετού με ρότορα ως μη τροφοδοτούμενο σύστημα και την ύπαρξη μονών, διπλών, τετραπλών και πολύ-ροτορικών συστημάτων (Eisenbeiß, 2009). Τα μονό-ροτορικά συστήματα (singlerotor), διαθέτουν ένα κύριο στροφείο που βοηθά στην ανύψωση, δίνοντας ώθηση καθώς και ένα δεύτερο στροφείο στην ουρά του συστήματος, που χρησιμοποιείται για να αντισταθμίζει την περιστροφική κίνηση και την ροή του συστήματος. Τα συστήματα με δύο ρότορες (double-rotor ή coaxial), θεωρούνται αποτελεσματικότερα, καθώς έχουν την δυνατότητα να λειτουργούν σε μεγάλα υψόμετρα με την ίδια ισχύ σε σχέση με τα συστήματα με ένα ρότορα. Ακόμα, τα συστήματα αυτά ελέγχονται πιο εύκολα, με χαμηλό επίπεδο θορύβου. Ένα αξιοσημείωτο μειονέκτημα των διπλό-ροτορικών συστημάτων, είναι ότι οι δύο ρότορες είναι τοποθετημένοι ομοαξονικά, και πρέπει να περιστρέφονται αντίστροφα, καθιστώντας με αυτό τον τρόπο το σύστημα πολύπλοκο. Τα πολύ-ροτορικά συστήματα (multirotors), χαρακτηρίζονται από μικρότερο ωφέλιμο φορτίο και είναι εξοπλισμένα με ελαφρύτερους και χαμηλότερου κόστους αισθητήρες, σε σχέση με τα 26

28 μονό-ροτορικά και διπλό-ροτορικά συστήματα. Το μικρό τους μέγεθος, τα καθιστά ευέλικτα και ικανά να πετούν και σε εσωτερικούς χώρους (Eisenbeiß, 2009). 2.3 Η χρήση των UAV- Μελλοντικές προοπτικές Τα οφέλη της χρήσης των μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων UAV, τόσο στην Φωτογραμμετρία όσο και στην Τηλεπισκόπηση είναι πολύτιμα, όσον αφορά την ευελιξία τους στην απόκτηση δεδομένων. Είναι κατάλληλα σχεδιασμένα, ώστε να συλλέγουν δεδομένα σε απρόσιτα για τον άνθρωπο σημεία, καθώς και κάτω από ακραίες καιρικές συνθήκες, γεγονός που αποτελούσε σημαντικό πρόβλημα κατά την επίγεια αποτύπωση του χώρου. Συνδυάζουν ταχύτητα, ευελιξία και χαμηλό κόστος στη λήψη εικόνων σε σχέση με άλλες μεθόδους (Eisenbeiss, 2009). Η συνεχής τεχνολογική εξέλιξη της εποχής μας, έχει συμβάλει σημαντικά στην ανάπτυξη των UAV. Η διάρκεια πτήσης έχει αυξηθεί αισθητά, όπως και το υψόμετρο αυτής. Σημαντική επίσης είναι και η εξέλιξη των εικονοληπτικών αισθητήρων, καθώς πλέον έχει επιτευχθεί ο συνδυασμός χαμηλού ωφέλιμου φορτίου με υψηλή χωρική ανάλυση. Έτσι με το σωστό προγραμματισμό της πτήσης και τα παραπάνω χαρακτηριστικά η διαδικασία λήψεων των εικόνων είναι πλήρως αυτοματοποιημένη, αποδίδοντας αποτελέσματα με μεγάλες ακρίβειες (Austin,2010). Ένα από τα βασικά πλεονεκτήματα των μη επανδρωμένων αεροσκαφών, μέγιστης σημασίας, αποτελεί το γεγονός ότι δεν επιβαρύνουν το περιβάλλον με τη χρήση τους. Αυτό συμβαίνει, καθώς κατά την πλειονότητας τους τα συστήματα αυτά χρησιμοποιούν κινητήρες, οι οποίοι έχουν σχεδόν μηδενικές τιμές ρύπων-θορύβου προς το περιβάλλον, καθιστώντας τα φιλικά προς αυτό. Όλα τα παραπάνω καθιστούν τα μη επανδρωμένα συστήματα ιδιαίτερα χρήσιμα σε εφαρμογές αποτύπωσης του χώρου. Κινητήριος μοχλός της επιλογής τους αποτελεί τις περισσότερες φορές το χαμηλό κόστος καθώς και η ανάγκη για γρήγορα αποτελέσματα. Σήμερα, οι βασικοί τομείς, όπου μπορούν να χρησιμοποιηθούν τα προϊόντα των μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων (UAV) πέρα από τους στρατιωτικούς σκοπούς, είναι (Remondino et al., 2011): Η δασοκομία και η γεωργία όπου οι παραγωγοί μπορούν να λάβουν κρίσιμες αποφάσεις με ιδιαίτερα μεγάλη αξιοπιστία για θέματα που θα 27

29 τους οδηγήσουν στην εξοικονόμηση χρόνου και πόρων όπως π.χ. ο εντοπισμός προβλημάτων σε μια καλλιέργεια καθώς και ο έλεγχος βλάστησης με τη χρήση πλατφόρμας UAV και πολυφασματικών αισθητήρων (Berni et al., 2008). Η αρχαιολογία και πολιτιστική κληρονομιά, στην οποία η συλλογή εικόνων από χαμηλό ύψος μπορεί να οδηγήσει σε είτε σε απλή χαρτογράφηση είτε σε 3D μοντέλα αρχαιολογικών χώρων και δομών. Π.χ. η τρισδιάστατη ανακατασκευή του θόλου του καθεδρικού ναού στο Μιλάνο-Ιταλία (Scaioni et al.,2010), και της ξύλινης παγόδας Ying County στην κινεζική επαρχία Shanxi (Zhe Li & Yan Li, 2011). Η τοπογραφία, η πολεοδομία και η χωροταξία για την δημιουργία και ενημέρωση χαρτών, κτηματολογικές εφαρμογές, αστική χαρτογράφηση, παράνομες κατασκευές, δημιουργία ψηφιακών μοντέλων επιφάνειας, σχεδιασμό και παρακολούθηση πόλεων κ.α. Π.χ. χρήση UAV σε κτηματολογικές εφαρμογές στην Βέρνη και την Ζυρίχη (Manyoky M. Et al., 2011). Για περιβαλλοντικές αποτυπώσεις οπού γρήγορες και χαμηλού κόστους πτήσεις με UAV, επιτρέπουν την παρακολούθηση του εδάφους και των υδατικών πόρων σε διαδοχικές περιόδους με σκοπό την εξαγωγή κρίσιμων συμπερασμάτων για την προστασία του περιβάλλοντος. Π.χ. χρήση UAV, σε μελέτη για την τηλεπισκόπηση κατολισθήσεων (Niethammer et al., 2010), σε παραγωγή τοπογραφικών χαρτών σε περιοχές που πλήττονται από ακραία καιρικά φαινόμενα (Isola, & Shattri,2013). Η συγκοινωνιολογία για την παρακολούθηση της κυκλοφορίας, την εκτίμηση χρονικών αποστάσεων και φόρτων κυκλοφορίας, καθώς και την επίβλεψη έργων αυτού του τομέα. Π.χ. χρήση εναέριων μη επανδρωμένων συστημάτων στην κατασκευή σιδηροδρόμου (Yilmaz D., 2015), στον έλεγχο καταστροφών οδοστρωμάτων και γεφυρών στην Τσεχία (Karas J.,2015). Παρά το γεγονός ότι η χρήση των UAVs και η αυτοματοποιημένη λήψη και επεξεργασία εικόνας είναι διαδεδομένη εδώ και αρκετά χρόνια προσφέροντας αποτελέσματα υψηλής ακρίβειας, η εξέλιξη της τεχνολογίας προσφέρει συνεχώς νέες 28

30 λύσεις. Όσον αφορά τις πλατφόρμες των UAV, παρατηρείται ότι με την πάροδο των ετών υπάρχει η τάση, δημιουργίας όλο και μικρότερων σκελετών, γεγονός που αποτελεί καταλυτικό παράγοντα στην ευελιξία των συστημάτων σε ορισμένα περιβάλλοντα, όπως για παράδειγμα στον αστικό ιστό (Kαλαμάκης & Τσιτσιπλάνης, 2015). Ταυτόχρονα, με τη μείωση του μεγέθους της πλατφόρμας, η τεχνολογία των αισθητήρων που είναι απαραίτητοι για την ολοκληρωμένη λειτουργία ενός UAV, προσανατολίζεται σε αισθητήρες πλοήγησης, που θα επιτρέπουν την άμεση γεωαναφορά των εικόνων τη στιγμή της λήψης, ενώ προηγμένοι αλγόριθμοι θα μπορούν να αποδίδουν μοντέλα επιφάνειας DSM/DTM σε μικρό χρονικό διάστημα (Remondino et al., 2011). Σε ότι αφορά τώρα, τους εικονοληπτικούς αισθητήρες ενός συστήματος UAV, στόχος είναι ο συνδυασμός υψηλής φασματικής, ραδιομετρικής και χωρικής ανάλυσης εικόνων και χαμηλού βάρους αισθητήρες. 29

31 3 Σύνθεση του συστήματος των μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων Ένα σύστημα UAV από τεχνικής απόψεως, αποτελείται από έναν αριθμό στοιχείων ή αλλιώς υποσυστημάτων, εκ των οποίων το αεροσκάφος δεν είναι παρά μόνο ένα από αυτά (Austin,2010). Η τεχνική δομή ενός τυπικού μη επανδρωμένου εναέριου συστήματος φαίνεται στη παρακάτω εικόνα. Εικόνα 10: Τεχνική δομή ενός UAVs (Austin,2010) Όπως φαίνεται και από το παραπάνω σχήμα (Εικ.10), πολλές πτυχές συμβάλλουν στην ολοκλήρωση ενός τέτοιου είδους συστήματος, προκειμένου να εξασφαλιστεί η ορθή λειτουργία του. Σύμφωνα με την Austin (2010), «σημαντική λεπτομέρεια στην κατανόηση της λειτουργίας ενός τέτοιου «ενοποιητικού» συστήματος, είναι η αντιμετώπιση κάθε υποσυστήματος του UAV ως αναπόσπαστο μέρος του συνόλου και όχι ξεχωριστά. Κανένα υποσύστημα δεν είναι πιο σημαντικό από το άλλο, αν και συνήθως θεωρείται πως το αεροσκάφος έχει το μεγαλύτερο αντίκτυπο από το σχεδιασμό των άλλων υποσυστημάτων». Παρά το γεγονός ότι ορισμένα από αυτά τα υποσυστήματα μπορεί να είναι σε θέση να λειτουργούν ως συστήματα «stand-alone» σε άλλες χρήσεις, κατά τον τύπο του συστήματος των UAV τα υποσυστήματα θα πρέπει να είναι σε θέση να λειτουργούν μαζί, με αποτέλεσμα οι διασυνδέσεις μεταξύ αυτών να θεωρούνται μείζονος σημασίας (Austin,2010). Τα βασικά υποσυστήματα ενός UAV συστήματος είναι τα εξής (Austin,2010): Σταθμός Ελέγχου - Control Station (CS) 30

32 Το ωφέλιμο φορτίο - The Payload Το αεροσκάφος-the Air vehicle Σύστημα πλοήγησης -Navigation system Εξοπλισμός Δρομολόγησης, Αποκατάστασης και Ανάκτησης - Launch, Recovery and Retrieval Equipment Επικοινωνίες - Communications Διασυνδέσεις -Interfaces Εγχειρίδιο Υποστήριξης - Support Equipment Μεταφορά Transportation Πέρα από τα βασικά υποσυστήματα ενός UAV, θέμα μείζονος σημασίας θεωρείται και η αλληλεπίδραση του με το περιβάλλον. Αυτό σχετίζεται τόσο με την σωστή επιλογή του κατάλληλου μέσου για την πραγματοποίηση του στόχου-έρευνας ανάλογα με τις καιρικές και περιβαλλοντικές συνθήκες της περιοχής καθώς και με τις επιπτώσεις του ίδιου του συστήματος στο περιβάλλον της περιοχής δράσης του (Austin, 2010). Στα πλαίσια της συγκεκριμένης εργασίας τα υποσυστήματα αυτά, ταξινομούνται σε τρεις κύριες κατηγορίες, με στόχο την καλύτερη ανάλυση και κατανόηση τους, οι οποίες είναι οι εξής: 1. Ο σταθμός εδάφους: όπου αποτελεί στην ουσία το κέντρο ελέγχου της πτήσης του οχήματος, ο οποίος διευκολύνει το χειρισμό, την παρακολούθηση και την αξιοποίηση των πληροφοριών που παρέχονται από τα UAVs. 2. Η πλατφόρμα εξάρτησης: η εξέλιξη της είναι αισθητή στην πάροδο του χρόνου, και έχει προσαρμοστεί με τις τεχνολογικές εξελίξεις της εποχής. Πλατφόρμες εξάρτησης αισθητήρων αποτελούν τα μπαλόνια, οι χαρταετοί αλλά και τα αεροσκάφη όπως αεροπλάνα ελικόπτερα και πολύπτερα. 3. Το «ωφέλιμο φορτίο»: το οποίο αναφέρεται στους αισθητήρες του συστήματος, όπου και χωρίζονται σε δύο κατηγορίες, τους εικονοληπτικούς, το μέρος με βάση το οποίο συλλέγονται τα δεδομένα και τους αισθητήρες πλοήγησης. 31

33 3.1 Σταθμός Εδάφους - Control Station (CS) O σταθμός ελέγχου (control station) είναι σταθερή ή μεταφερόμενη συσκευή για την παρακολούθηση και το χειρισμό του μη επανδρωμένου αεροσκάφους (Colomina & Molina, 2014). Αποτελεί το επιχειρησιακό κέντρο ελέγχου του συστήματος UAV, όπου τα βίντεο, εντολές, και τηλεμετρικά δεδομένα από το αεροσκάφος, επεξεργάζονται και προβάλλονται. Βρίσκεται συνήθως στο έδαφος (ground control station ή GCS) ή σε πλοίο (ship control station ή SCS). Ο σταθμός ελέγχου είναι το κέντρο ελέγχου της λειτουργίας και της διασύνδεσης ανθρώπου (χειριστή)-μηχανής. Αποτελεί συνήθως, το κέντρο στο οποίο έχει προσχεδιαστεί η αποστολή πτήσης του UAV. Οποιαδήποτε αλλαγή στη διαδρομή του UAS οποιαδήποτε ενδεχόμενο σφάλμα στην εναέρια πλατφόρμα ή/και στα αποτελέσματα των αισθητήρων του ωφέλιμου φορτίου θα πρέπει να σταλούν και να ελεγχθούν στο σταθμό ελέγχου (Austin,2010). Το μέσο μετάδοσης από τον σταθμό ελέγχου στο αεροσκάφος και αντίστροφα συνήθως είναι ραδιοσυχνότητες, αλλά υπάρχει δυνατότητα μετάδοσης μέσω ακτίνας λέιζερ ή μέσω οπτικών ινών. Σύμφωνα με την Austin (2010), διαμέσου του σταθμού ελέγχου του συστήματος πραγματοποιούνται δύο ειδών επικοινωνίες. Η πρώτη είναι η «προς τα πάνω», δηλαδή ο χειριστής δίνει εντολές στο αεροσκάφος προκειμένου να κατευθύνει το προφίλ πτήσης του και τη λειτουργία του ωφέλιμου φορτίου που μεταφέρεται για τις ανάγκες της αποστολής. «Προς τα πάνω σύνδεση» (δηλαδή από το CS στο αεροσκάφος): o Μετάδοση ίχνους πτήσης, το οποίο στη συνέχεια αποθηκεύεται στο σύστημα αυτόματου ελέγχου πτήσης του αεροσκάφους. o Μετάδοση σε πραγματικό χρόνο εντολών ελέγχου πτήσης όταν αυτό απαιτείται. o Μετάδοση εντολών ελέγχου στα ωφέλιμα φορτία και παρελκόμενα αεροσκάφη. o Διαβίβαση επικαιροποιημένων πληροφορίων θέσης. Ομοίως, στην επικοινωνία «προς τα κάτω», το αεροσκάφος επιστρέφει πληροφορίες και εικόνες, όπου μπορεί να περιλαμβάνουν δεδομένα των ωφέλιμων φορτίων, πληροφορίες κατάστασης και πληροφορίες θέσης αυτού. «Προς τα κάτω σύνδεση» (δηλαδή από το αεροσκάφος στο CS): 32

34 o Μετάδοση από τα αεροσκάφη δεδομένων θέσης. o Μετάδοση φορτίου εικόνων, δεδομένων. o Δεδομένα διαχείρισης αεροσκάφους, π.χ. κατάσταση των καυσίμων, θερμοκρασία κινητήρα, κλπ. Ο σταθμός ελέγχου συνήθως ελέγχει τη δρομολόγηση και τη ανάκτηση του αεροσκάφους. Ακόμα, «στεγάζει» τα συστήματα επικοινωνίας με άλλα εξωτερικά συστήματα. Αυτά μπορεί να περιλαμβάνουν μέσα για την απόκτηση στοιχείων καιρού, μεταφορά των πληροφοριών από ένα σε άλλα συστήματα του δικτύου, ανάθεση από κάποια ανώτερη αρχή κ.α (Austin,2010). Ως θεμελιώδη τμήματα των UAS, οι σταθμοί ελέγχου έχουν εξελιχθεί κατά τη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών, γεγονός που ωθείται από τις παράλληλες βελτιώσεις στην επιστήμη των υπολογιστών και των τηλεπικοινωνιών, παρέχοντας μεγάλη ποικιλία. Συνήθως τα UAV εμπορικής χρήσης δεν χρησιμοποιούν διαχωριζόμενο σύνολο UAVs και σταθμού ελέγχου, αλλά χρησιμοποιούν καινοτομίες stand alone, κάνοντας την όλη διαδικασία ευκολότερη, με ένα φορητό επίγειο σταθμό ελέγχου, συνήθως προερχόμενο από τα ίδιο εργοστάσιο με το UAV. Τα συστήματα αυτά, είναι πλήρως αυτοματοποιημένα και παρέχουν την δυνατότητα του εξολοκλήρου προγραμματισμού της πτήσης εκ των προτέρων (Colomina & Molina, 2014). 3.2 Πλατφόρμες εξάρτησης των UAV συστημάτων Σύμφωνα με την Austin (2010), o τύπος και η απόδοση των αεροσκαφών των συστημάτων καθορίζεται κυρίως από τις ανάγκες της προβλεπόμενης αποστολής. Σημαντικοί παράγοντες στο σχεδιασμό της διαμόρφωσης του αεροσκάφους είναι το επιθυμητό εύρος λειτουργίας, η ταχύτητα του αέρα και η αντοχή του, που καθορίζονται πάντοτε από τις ανάγκες διεκπεραίωσης της εκάστοτε έρευναςαποστολής (Austin, 2010). Αναλυτικότερα, οι απαιτήσεις αντοχής και το εύρος θα καθορίσουν το φορτίο καυσίμου που απαιτείται για να πραγματοποιηθεί η αποστολή. Δηλαδή, η χρήση ενός μικρού φορτίου καυσίμου, για την μεγιστοποίηση της απόδοσης απαιτεί ένα αποτελεσματικό σύστημα προώθησης και τη βέλτιστη αεροδυναμική άτρακτο. Η απαίτηση ταχύτητας του αεροσκάφους, αποτελεί παράμετρο μεγαλύτερης σημασίας 33

35 σε σχέση με τις δύο προηγούμενες ως προς τον τύπου αεροσκάφους το οποίο θα χρησιμοποιηθεί στην έρευνα. Συγκεκριμένα, αν το αεροσκάφος είναι ελαφρύτερο από τον αέρα ή βαρύτερο από τον αέρα σταθερών πτερύγων, περιστρεφόμενων πτερύγων, ή μετατρέψιμο αεροσκάφος (οι κατηγορίες αυτές έχουν αναλυθεί σε προηγούμενη ενότητα). Για παράδειγμα, μια έρευνα στρατιωτικού τύπου, όπου για την διεκπεραίωση της απαιτείται μεγάλη διάρκεια πτήσης και εύρος περιοχής, το καταλληλότερο σύστημα, σύμφωνα με την συγγραφέα Austin (2010), θα είναι ένα αεροσκάφος σταθερών πτερυγίων και υψηλών προδιαγραφών με την δυνατότητα πτήσης σε μεγάλο υψόμετρο (Austin, 2010). Συνήθως, ως αναφορά τα UAVs τα οποία χρησιμοποιούνται στις τηλεπισκοπικές και φωτογραμμετρικές έρευνες, αποτελούνται από μια εναέρια πλατφόρμα, πιθανότατα σταθερών ή περιστροφικών πτερυγίων κάτω των 30 kg, η περιοχή μελέτης συνήθως δεν είναι μεγαλύτερη από 10 χιλιόμετρα και το ύψος πτήσης είναι κάτω από 300 m. (Colomina & Molina, 2014). Μεταφέρουν μια κάμερα πιθανότατα ορατού φάσματος, και πετούν είτε εξ αποστάσεως πιλοτικά ή αυτόματα με τον αυτόματο πιλότο. Το αεροσκάφος πετάει με μικρές ταχύτητες για ένα μεγάλο μέρος της αποστολής και ορισμένες έρευνες απαιτούν το αεροσκάφος να έχει την ικανότητα να αιωρείται (Austin,2010). Οι δύο κύριες τεχνολογίες πλοήγησης που χρησιμοποιούν, είναι το GPS και το INS (Colomina & Molina, 2014). Επιπροσθέτως, όπως είναι κατανοητό ένα σύστημα UAV απαιτείται να είναι κινητό. Ως εκ τούτου, πρέπει να προβλέπονται τα μέσα μεταφοράς για όλα τα υποσυστήματα που αναφέρθηκαν στις προηγούμενες υποενότητες. Αυτό μπορεί να ποικίλλει από ένα σύστημα UAV μικρό και ελαφρύ, το οποίο δεν χρειάζεται εξοπλισμό εκτόξευσης ή ανάκτησης, με ένα σύστημα μεγάλο και βαρύτερο συγκριτικά, το οποίο μπορεί να χρειαστεί να αποσυναρμολογηθεί και να μεταφερθεί με ειδικό εξοπλισμό. Ακόμα UAV συστήματα που λειτουργούν από σταθερές βάσεις μπορεί να έχουν συγκεκριμένες απαιτήσεις μεταφοράς (Austin, 2010). Αναλυτικότερα, ο πρόσθετος εξοπλισμός, ο οποίος μπορεί να απαιτείται προκειμένου να τεθεί εις πέρας η έρευνα, κυρίως σε στρατιωτικές εφαρμογές είναι (Austin, 2010): Ο εξοπλισμός «στήριξης» (εγχειρίδιο) του συστήματος UAV είναι ένα τμήμα που μπορεί συχνά να υποτιμηθεί η χρησιμότητα του. Σε αυτό περιλαμβάνονται οδηγίες λειτουργίας και συντήρησης του συστήματος, μέσω των κατάλληλων εργαλείων και ανταλλακτικών, πληροφορίες για ειδικό εξοπλισμό 34

36 δοκιμών και προμήθειες που κρίνονται απαραίτητες. Ο εξοπλισμός εκτόξευσης, απαιτείται για τα αεροσκάφη τα οποία δεν έχουν κατακόρυφη ικανότητα πτήσης, ούτε έχουν πρόσβαση σε διάδρομο, με κατάλληλη επιφάνεια και μήκος. Αυτός ο εξοπλισμός, συνήθως παίρνει τη μορφή ενός διαδρόμου κατά μήκος του οποίου το αεροσκάφος, επιταχύνεται σε μια μπάρα κύλισης, με ειδικά εξαρτήματα, έως ότου το αεροσκάφος φτάσει σε ταχύτητα όπου έχει την δυνατότητα να πετάξει. Ο εξοπλισμός αποκατάστασης, απαιτείται συνήθως για τα αεροσκάφη χωρίς κάθετη ικανότητα πτήσης και πάλι. Συχνά έχει τη μορφή ενός αλεξίπτωτου εγκατεστημένου εντός του αεροσκάφους. Επιπλέον, αποτελεί μέσο για την απορρόφηση της ενέργειας κρούσης, συνήθως περιλαμβάνει αερόσακους ή κάποιο άλλο υλικό για τέτοιου είδους χρήση. Μια εναλλακτική μορφή εξοπλισμού αποκατάστασης όπου χρησιμοποιείται μερικές φορές, είναι ένα μεγάλο δίχτυ. Τέλος, ο εξοπλισμός ανάκτησης, απαιτείται για τη μεταφορά του αεροσκάφους πίσω στο εκτοξευτή του, εκτός αν το αεροσκάφος είναι αρκετά ελαφρύ για να μεταφερθεί από τον άνθρωπο-χειριστή (Austin,2010). 3.3 «Ωφέλιμο φορτίο»-αισθητήρες Παλαιότερα, ο όρος «ωφέλιμο φορτίο» αποδιδόταν στο μέγιστο βάρος φορτίου που μεταφερόταν από ένα αεροσκάφος, η μεταφορά του οποίου αντιστοιχούσε σε κάποια χρηματική αμοιβή (URL4). Στην προκειμένη περίπτωση, το «ωφέλιμο φορτίο», αναφέρεται στο μέρος εκείνο του αεροσκάφους, το οποίο ειδικά μεταφέρεται για να επιτευχθεί μια αποστολή-έρευνα. Ως ωφέλιμο φορτίο τα UAV συχνά περιλαμβάνουν κάμερες, είτε ημέρας είτε νύχτας, φωτογραφικές μηχανές φιλμ, λέιζερ ή αισθητήρες ραντάρ κ.α. (Austin, 2010). Σε ιδανικές καταστάσεις, η απαίτηση της αποστολής, θα καθορίσει το βέλτιστο συνδυασμό αισθητήρα ωφέλιμου φορτίου και πλατφόρμας, προκειμένου να ολοκληρωθεί μια έρευνα-στόχος. Στη συνέχεια, ένα νέο σύστημα, θα σχεδιαστεί εξολοκλήρου, το οποίο θα συμπεριλαμβάνει το νέο σταθμό ελέγχου καθώς και τη νέα πλατφόρμα που έχει σχεδιαστεί για να μεταφέρει και να υποστηρίξει το φορτίο στην απαιτούμενη ταχύτητα, την αντοχή και τις ατμοσφαιρικές συνθήκες, κλπ (Austin,2010). Στην πραγματικότητα, ένα σύστημα UAV συνήθως θα πρέπει να είναι ικανό για βεληνεκές διαφορετικών αποστολών, που απαιτούν διαφορετικά ωφέλιμα φορτία και διαφορετικής εμβέλειας δυνατότητες. Ο τύπος και η απόδοση των 35

37 ωφέλιμων φορτίων καθορίζεται από τις ανάγκες του έργου προς ολοκλήρωση. Αυτά μπορεί να κυμαίνονται από (Austin,2010): σχετικά απλά υποσυστήματα, τα οποία αποτελούνται από μη σταθεροποιημένη βιντεοκάμερα με ένα σταθερό φακό που έχει μικρή μάζα περίπου 200 g. ένα σύστημα βίντεο, με μεγαλύτερη ικανότητα εύρους, χρησιμοποιώντας ένα μεγαλύτερου μήκους εστιακό φακό με δυνατότητα zoom, γυροσκόπιο-σταθεροποιητή με μάζα ίσως 3-4 kg. ραντάρ υψηλής ισχύος, με τροφοδοτικά, όπου η μάζα ενδεχομένως να φθάνει έως και 1000 kg. Κάποια, πιο εξελιγμένα, UAV φέρουν ένα συνδυασμό διαφορετικών τύπων αισθητήρων μέσα σε ένα τμήμα ωφέλιμου φορτίου. Τα δεδομένα από αυτούς τους διάφορους αισθητήρες, μπορούν να υποβληθούν σε επεξεργασία και να ενσωματωθούν, προκειμένου να παραχθούν πληροφορίες, οι οποίες δεν θα μπορούσαν να επιτευχθούν με τη χρήση ενός μόνο τύπου αισθητήρα (Colomina & Molina, 2014). Για εφαρμογές απεικόνισης, τα βασικά συστατικά ενός UAS είναι το ωφέλιμο φορτίο πλοήγησης-προσανατολισμού δηλαδή οι αισθητήρες πλοήγησης καθώς και οι εικονοληπτικοί αισθητήρες όπου αναλύονται στις επόμενες ενότητες Εικονοληπτικοί αισθητήρες Αυτή η ενότητα επικεντρώνεται στην τηλεπισκοπικά μέσα που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως ωφέλιμα φορτία μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων. Πραγματοποιείται μια διάκριση μεταξύ ορατού φάσματος, εγγύς υπέρυθρου, πολυφασματικού και θερμικού. Ακόμα, πραγματοποιείται αναφορά στους σαρωτές λέιζερ και ραντάρ. Ορατού φάσματος Οι οπτικές ή αλλιώς φωτογραφικές μηχανές «ορατού φωτός», λειτουργούν σε κλίμακα μήκους κύματος 0,4-0,7 μm. Το ανθρώπινο μάτι βλέπει το φως που δημιουργείται από τον ήλιο, το οποίο αντικατοπτρίζεται σε διαφορετικές συχνότητες 36

38 (χρώματα) από διαφορετικά αντικείμενα, παρέχοντας έτσι την αναγνώριση των προτύπων. Το φως εστιάζεται μέσα από φακούς σε ειδικούς υποδοχείς (συζευγμένου φορτίου συσκευές, CCD) από τους οποίους η εικόνα μετατρέπεται σε μια μορφή που μπορεί να εμφανιστεί σε μια οθόνη ή κωδικοποιείται σε μια ραδιοφωνική συχνότητα φορέα για τη μετάδοση της στον σταθμό λήψης (Austin, 2010). Οι κάμερες χαμηλού φωτισμού (LLL) λειτουργούν κατά τον ίδιο τρόπο με τις οπτικές κάμερες, αλλά τροφοδοτούνται από ένα ενισχυμένο επίπεδο φωτός, με τη χρήση οπτικών ινών που δέχονται το φως από μια ευρύτερη περιοχή, ώστε να συγκεντρωθεί πάνω στο φακό της κάμερας. Το υπόλοιπο της διαδικασίας είναι το ίδιο με το «συνηθισμένο» οπτικές κάμερες (Austin, 2010). Οι φακοί για τις φωτογραφικές μηχανές ορατού φωτός είναι κατασκευασμένοι από υψηλής ποιότητας οπτικό γυαλί και η πλειοψηφία των φωτογραφικών μηχανών χρησιμοποιούν φακούς zoom (Austin, 2010). Η ωρίμανση των καμερών ορατού φάσματος έχει επηρεάσει αρκετά την πλευρά της τεχνολογίας, χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελούν τα κινητά τηλέφωνα. Τα smartphones είναι εξοπλισμένα με κάμερες υψηλής ποιότητας σε λογικές χαμηλού κόστους, τα οποία μπορούν σε συγκεκριμένες περιπτώσεις να χρησιμοποιηθούν σε μεθόδους αποτύπωσης (Colomina & Molina, 2014). Παρακάτω παρουσιάζεται ένας πίνακας (Πιν.5), ο οποίος περιγράφει τα βασικά χαρακτηριστικά μερικών κοινών αισθητήρων, και έχουν ως στόχο να συμπληρώσει τις γνώσεις ολοκληρωμένων αισθητήρων σχετικά με διαθέσιμα συστήματα. Πίνακας 5:Αισθητήρες μικρού φορματ (SF) και μεσαίου (MF) ορατού φάσματος κάμερες (Colomina & Molina, 2014) Κατασκευα στής και μοντέλο Τύπος Format Ανάλυση (MPx) Μέγεθος (mm2) Μέγεθος Pixel (lm) Βάρος (kg) Ρυθμός καρέ (fps) Ταχύτητα (s-1) Phase One 4000(fp) MF CCD x ixa (ls) Trimble IQ180 MF CCD x (ls) Hasselblad MF CCD x (ls) 37

39 H4D-60 Sony NEX- 7 SF MILC CMOS x (fp) Ricoh GXR A16 SF IUC CMOS x (fp) Πολυφασματικές κάμερες Οι πολυφασματικοί αισθητήρες επιτρέπουν συγκεκριμένες περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος να συλληφθούν, συνήθως την περιοχή των 350 nm έως 1000 nm. Απαιτείται να συλληφθούν στενές ζώνες φωτός, προκειμένου ο χρήστης να μπορεί να εντοπίσει τις υπογραφές μιας ανωμαλίας ή ασθένειας στο έδαφος. Μια πολυφασματική κάμερα με πολλαπλά κανάλια και με τον ορισμό ειδικών φίλτρων από το χρήστη θα επιτρέψει να συμβεί αυτό. Το αποτέλεσμα είναι ότι οι πολυφασματικοί αισθητήρες μπορεί να έχουν ένα συνδυασμό πολλαπλών συστοιχιών των ορατών, NIR και IR δυνατοτήτων ανίχνευσης (URL6). Ο παρακάτω πίνακας (Πιν.6) συγκεντρώνει μερικά από τα υπάρχοντα προϊόντα στην οικογένεια των πολυφασματικών αισθητήρων. Πίνακας 6: Πολυφασματικοί αισθητήρες UAVs (Colomina & Molina, 2014) Κατασκευασ τής και μοντέλο Ανάλυση (MPx) Μέγεθος (mm2) Μέγεθος Pixel (lm) Βάρος (kg) Φασματικκή περιοχή (μm) Tertacam MiniMCA-6 Quest Innovations Condor-5 UAV 285 CMOS x x CCD x x

40 Υπερφασματικές κάμερες H υπερφασματική απεικόνιση, όπως και οι άλλες, συλλέγει και επεξεργάζεται πληροφορίες από όλο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Ο στόχος της υπερφασματικής απεικόνισης είναι να ληφθεί το φάσμα για κάθε pixel στην εικόνα της σκηνής, με σκοπό την εύρεση αντικειμένων, τον εντοπισμό υλικών, ή την ανίχνευση διαδικασίων. Οι υπερφασματικοί αισθητήρες συλλέγουν πληροφορίες ως ένα σύνολο από «εικόνες». Κάθε εικόνα αντιπροσωπεύει ένα στενό εύρος μήκους κύματος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, επίσης γνωστή ως φασματική ζώνη (URL7). Αυτές οι «εικόνες» συνδυάζονται για να σχηματίσουν ένα τρισδιάστατο ( x, y, λ ) υπερφασματικό κύβο δεδομένων για την επεξεργασία και την ανάλυση, όπου x και y αντιπροσωπεύουν δύο χωρικές διαστάσεις της σκηνής, και λ αντιπροσωπεύει την φασματική διάσταση (η οποία περιλαμβάνει μια σειρά από μήκη κύματος). Το γεγονός αυτό, επιτρέπει να συλλαμβάνουν ακόμα περισσότερες ζώνες του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, που επιτρέπει να καλύψει ένα ακόμα ευρύτερο φάσμα μηκών κύματος. Σε μερικές περιπτώσεις, δύναται να συλλάβει εικόνες στην περιοχή των 350 nm έως 2500nm σε πολύ υψηλές αναλύσεις (URL6). H Τηλεπισκόπηση με υπερφασματικές κάμερες, ασχολείται κυρίως με την απεικόνιση στενών φασματικών ζωνών πάνω σε μια συνεχή φασματική περιοχή, παράγοντας τα φάσματα όλων των pixels στη σκηνή. Σε αντίθεση με την πολυφασματική απεικόνιση, όπου παράγονται διακριτές ζώνες και συνήθως έχουν μικρότερη φασματική ανάλυση. Οι υπερφασματικοί αισθητήρες, ως εκ τούτου, εξάγουν πιο λεπτομερείς πληροφορίες λόγω του ότι ένα ολόκληρο φάσμα αντιστοιχίζεται σε κάθε pixel. Σε αντίθεση με τις εξελίξεις της κάμερας ορατού φάσματος, στις πολυφασματικές και υπερφασματικές φωτογραφικές μηχανές είναι δύσκολη η πραγματοποίηση της βαθμονόμησης (Colomina & Molina, 2014). Ο παρακάτω πίνακας (Πιν.7) συγκεντρώνει μερικά υπάρχοντα προϊόντα στην οικογένεια των υπερφασματικών αισθητήρων. 39

41 Πίνακας 7: Υπερφασματικοί αισθητήρες UAVs (Colomina & Molina, 2014) Κατασκευασ τής και μοντέλο Ανάλυση (MPx) Μέγεθος (mm2) Μέγεθος Pixel (lm) Βάρος (kg) Φασματική περιοχή (μm) Θερμική ευαισθησία (mk) TAU Thermotekni x Systems Ltd FLIR Miricle 307K- 25 Uncooled VOx Microbolometer 640x512 Amorphous Silicon 640x x <=50 16x <=50 Θερμικής απεικόνισης κάμερες Το υπέρυθρο ή θερμικής ακτινοβολίας φάσμα καλύπτει μεγαλύτερα μήκη κύματος - της τάξεως των περίπου 0,7 μm (near infrared) έως 1000 μm (far infrared). Για τις κάμερες θερμικής απεικόνισης, μόνο τα δύο τμήματα των περίπου 3-5 μm και περίπου 7-15 μm είναι σημαντικά. Αυτές είναι συνήθως γνωστές ως βραχέων κυμάτων IR και μεγάλου μήκους κύματος IR αντίστοιχα. Αυτό συμβαίνει επειδή η απορρόφηση της υπέρυθρης εκπομπής από τα μόρια του νερού στην ατμόσφαιρα είναι μικρή σε αυτά τα μήκη κύματος, τα οποία παρέχουν δίοδο μέσω της οποίας η θερμότητα μπορεί να μεταδίδεται πλέον αποτελεσματικά (Austin, 2010). Σε αντίθεση με το φως που ανακλάται από τα αντικείμενα, η θερμότητα κυρίως εκπέμπεται από το ίδιο το αντικείμενο, και η οποία δεν εξαρτάται από φωτιζόμενο. Τα αντικείμενα συνεχίζουν να εκπέμπουν θερμότητα στο σκοτάδι. Η ένταση της θερμότητας που ακτινοβολείται από ένα αντικείμενο είναι ανάλογη προς την ικανότητα του αντικειμένου να ακτινοβολεί και της θερμοκρασίας του αντικειμένου. Η θερμοκρασία του αντικειμένου προσδιορίζει αν αυτό έχει θερμανθεί με εξωτερικά μέσα (ακτινοβολία του ήλιου για παράδειγμα) ή από εσωτερική παραγωγή θερμότητας (μηχανών εσωτερικής καύσης ή ανθρώπινα σώματα, για παράδειγμα) (Austin, 2010). Η θερμική ακτινοβολία, εστιάζεται επί ειδικών υποδοχέων στην κάμερα, που την μετατρέπουν σε μορφή η οποία εμφανίζεται στην οθόνη σε μονοχρωμία, αναγνωρίσιμη από το ανθρώπινο μάτι. Τα αντικείμενα που εκπέμπουν τη μεγαλύτερη 40

42 ένταση της θερμότητας συνήθως παρουσιάζονται ως οι πιο σκοτεινές (μαύρο) στην κλίμακα του γκρι περιοχές. Πολλές φωτογραφικές μηχανές έχουν μια λειτουργία με την οποία η παρουσίαση μπορεί να αλλάξει από «blackhot» σε «white-hot» και πάλι πίσω με γνώμονα την επιθυμία του χειριστή σε σχέση με την εκάστοτε έρευνα (Austin, 2010). Οι διαφορετικές συνθήκες μπορεί να προσδιορίσουν την καθαρότητα της εικόνας. Κατά τη διάρκεια της ημέρας υπάρχει η θερμότητα του ήλιου, έτσι τα αντικείμενα με μεγαλύτερη ικανότητα να απορροφούν θερμότητα θα γίνουν σταδιακά θερμότερα από τα γειτονικά αντικείμενα που δεν έχουν αυτή την ιδιότητα. Καθώς οι θερμοκρασίες του ουρανού και του αέρα μειωθούν κατά το σούρουπο, αυτά τα θερμότερα αντικείμενα είναι πιθανό να μεταδώσουν θερμότητα πιο έντονα (Austin, 2010). Σχεδόν όλες οι τρέχουσες εμπορικές φωτογραφικές μηχανές τώρα λειτουργούν στο φάσμα 8-14 μm (μακρά η θερμική περιοχή του φάσματος). Τα τελευταία χρόνια παρατηρήθηκε ιδιαίτερη ανάπτυξη στην θερμική αποτύπωση. Συστήματα απεικόνισης χαμηλού βάρους, μικρού μεγέθους, όπως αυτά που αναπτύχθηκαν από FLIR, χρησιμοποιήθηκαν για πρώτη φορά στο στρατιωτικό πλαίσιο για απομακρυσμένη αναγνώριση. Πλέον χρησιμοποιούνται όλο και πιο συχνά σε εφαρμογές όπως για παράδειγμα στην παρακολούθηση δασικών πυρκαγιών (Colomina & Molina, 2014). Ο παρακάτω πίνακας (Πιν.8) συγκεντρώνει μερικά υπάρχοντα προϊόντα στην οικογένεια των θερμικών αισθητήρων. Πίνακας 8: Κοινές θερμικές κάμερες για UAVs (Colomina & Molina, 2014) Κατασκευ αστής και μοντέλο Ανάλυση (MPx) Μέγεθος (mm2) Μέγεθος Pixel (lm) Βάρος (kg) Φασματικ ή περιοχή (μm) Θερμική ευαισθησί α (mk) TAU Thermotekni x Systems Ltd FLIR Miricle 307K- 25 Uncooled VOx Microbolometer 640x512 Amorphous Silicon 640x x <=50 16x <=50 41

43 Laser σαρωτές Το ακρωνύμιο laser, αντιπροσωπεύει τον όρο Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Αφορά την παραγωγή φωτός το οποίο είναι μονοχρωματικό (έχει συγκεκριμένο μήκος κύματος), παρουσιάζει υψηλή συνοχή (δηλαδή δεν διαχέεται) και μεταδίδεται ευθύγραμμα. Για την παραγωγή του συγκεκριμένου είδους φωτός, απαιτείται ένα ενεργό ή διεγερτικό μέσο (medium), το οποίο όταν διεγείρεται από μια εξωτερική πηγή ενέργειας, υπεισέρχεται σε μια διεγερμένη κβαντική κατάσταση. Αυτό λειτουργεί ως ενισχυτής για το διερχόμενο από το ενεργό μέσο αυτό φως, το οποίο εξέρχεται με τα χαρακτηριστικά της δέσμης laser (Φράγκος, 2013). Η εκπομπή laser ακτινοβολίας, γίνεται σε ένα μήκος κύματος (μονοχρωματική), αλλά όχι σε κάποιο συγκεκριμένο. Ανάλογα με το χρησιμοποιούμενο ενεργό υλικό, δύναται να παραχθούν ακτίνες laser οι οποίες καλύπτουν ένα μεγάλο τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Έτσι laser ακτινοβολίες μπορούν να δημιουργούνται με μήκη κύματος που ανήκουν από το υπεριώδες τμήμα του φάσματος έως και το μακρό υπέρυθρο τμήμα (Weber, 1999). Οι σαρωτές laser χρησιμοποιούν τις ιδιότητες της ακτίνας laser προκειμένου να μετρήσουν την απόσταση από ένα στόχο. Η βασική ιδιότητα την οποία εκμεταλλεύονται, είναι το γεγονός της μη διάχυσής της (υψηλή συνεκτικότητα), λόγω της οποίας η ακτίνα laser δύναται να ταξιδέψει μέχρι το στόχο, να οπισθοσκεδαστεί από αυτόν και τελικώς να επιστρέψει στον σαρωτή. Η μέτρηση αποστάσεων με τη χρήση laser όπως αναπτύχθηκε στην προηγούμενη παράγραφο, είναι το κύριο χαρακτηριστικό στα συστήματα LiDAR. Η μέτρηση αυτή, πραγματοποιείται επαναλαμβανόμενα από το σύστημα με την διαδοχική εκπομπή παλμών laser και την εκτροπή τους υπό ορισμένες γωνίες μέσα σε ένα προκαθορισμένο εύρος, σχηματίζοντας με τον τρόπο αυτό ένα συγκεκριμένο πρότυπο (Weber & Lohr, 1999). Ενώ η χρήση των σαρωτών laser μαζί με μηχανές με μεσαίο-μεγάλο format, είναι πλέον κοινό στην παραδοσιακή φωτογραμμετρίας, την εφαρμογή τους σε UAS ήταν δύσκολο μέχρι πρόσφατα, είτε λόγω της σχέσης μεταξύ της απόδοσης και του μεγέθους ή του κόστους, ή του αποτελέσματος της δυναμικής της πτήσης για τη διαδικασία μέτρησης. Τέτοιου είδους οχήματα χαρακτήρισαν την ανάπτυξη της 42

44 ταχείας χαρτογράφησης σε καταστάσεις έκτακτης ανάγκης (Colomina & Molina, 2014). Ο παρακάτω πίνακας (Πιν.9) παρουσιάζει παραδείγματα αισθητήρων laser που έχουν πρόσφατα ενσωματωθεί σε UAS. Πίνακας 9: Laser σαρωτες για UAS (Colomina & Molina, 2014) Κατασκευαστής και μοντέλο Μοτίβο σάρωησης Εύρος (m) Βάρος (kg) Angular res. (deg) FOV (deg) Τάξη laser και λ (nm) Συχνότητα (kp/s) Εφαρμογές Ibeo Automotive Systems 4 Scanning Parallel lines (H) (V) 0.8 (H) 110 (V) 3.2 Class A automoti ve IBEO LUX Velodyne HDL-32E 32 Laser/detector pairs (H)- (V) 1.33 (H)360 (V) 41 Class A Terrestria l mobile mapping RIEGL VQ- 820-GU 1 scanning Line >= (H) 0.01 (V) N/A (H) 60 (V) N/A Class 3B hydrogra phy Radar Σε αντίθεση με τα «παθητικά» συστήματα κάμερας, αυτά δηλαδή που λάβουν το ηλιακό φως που ανακλάται από τα αντικείμενα-στόχους, ή τις εκπομπές θερμότητας από τα αντικείμενα, το ραντάρ είναι ένα «ενεργό» σύστημα, το οποίο εκπέμπει παλμικά ραδιοκύματα και ερμηνεύει τις επιστρεφόμενες αντανακλάσεις. Δύναται να δει μέσα από τα σύννεφα, γεγονός που αποτελεί πλεονέκτημα. Όντας ένα ενεργό σύστημα ωστόσο, η εκπεμπόμενη ενέργεια είναι ανιχνεύσιμη και σε ορισμένες περιπτώσεις αποτελεί λειτουργικό μειονέκτημα για ορισμένες χρήσεις, κυρίως στρατιωτικές. Η ανάλυση της εικόνας, αν και έχει βελτιωθεί σταθερά με την ανάπτυξη της τεχνολογίας, δεν είναι τόσο καλή όσο αυτή των ηλεκτροοπτικών συστημάτων της κάμερας (Austin, 2010). 43

45 Το σύστημα radar που χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση του εδάφους από UAV είναι γνωστό ως ραντάρ συνθετικού διαφράγματος (SAR). Η ίδια κεραία χρησιμοποιείται για να εκπέμπει το εξερχόμενο σήμα και την παραλαβή του επιστρεφόμενου σήματος. Τοποθετείται πλαγίως (κάθετη προς) την κατεύθυνση της πτήσης, και σαρώνεται προς τα κάτω από γωνία τυπικά 60. Το εύρος του μήκους κύματος των ραντάρ συνήθως 5-15 cm (Austin, 2010). Το SLAR που σημαίνει «side-looking airborne radar», λειτουργεί με μία κεραία διακριτού μήκους που μπορεί να φθάνει και τα 6 m έτσι ώστε να ληφθούν δεδομένα με χωρική ανάλυση, ανάλογη με το μήκος της κεραίας. Η λειτουργία του βασίζεται στην κίνηση των UAV, τα οποία κινούνται προς τα εμπρός με σταθερή ταχύτητα, έτσι ώστε να μπορεί να ενσωματώσει με ακρίβεια και τα επιστρεφόμενα σήματα.οι παλμοί ραντάρ υποβάλλονται σε διάφορους βαθμούς όταν φτάσουν ένα αντικείμενο. Η ποσότητα του σήματος που επιστρέφει προσδιορίζει τη σχετική φωτεινότητα της εικόνας (Austin, 2010). Ωστόσο, η προσαρμογή της στα UAS (σμίκρυνση σε σχέση με την απόδοση) δεν έχει ακόμη λυθεί. Ωστόσο, υπάρχει κάποια βιβλιογραφία σχετικά με τη χρήση και ενσωμάτωσης σε UAS παγκοσμίως. Η καλή απόδοση του SAR, παρά τις αντίξοες καιρικές συνθήκες είναι ένα πολύ ενδιαφέρον χαρακτηριστικό, όχι μόνο για τις στρατιωτικές χρήσης, αλλά και για χρήση σε άλλους τομείς (Colomina & Molina, 2014). Ο παρακάτω πίνακας (Πιν.10) συγκεντρώνει κάποιους αισθητήρες SAR, οι οποίοι έχουν ενσωματωθεί σε UAS. Πίνακας 10: Σαρωτές SAR για UAS (Colomina & Molina, 2014) Κατασκευαστ ής και μοντέλο Φασματικές Ζώνες Βάρος (kg) Εκπεμπόμενη ισχύς (W) Ανάλυση (m) 1.58 IMSAR NanoSAR B X and Ku (without antenna and 1 Between 0.3 and 5 IMU) 44

46 Frauhoher FHR MIRANDA W NASA JPL UAVSAR L SELEX Galileo PicoSAR X Αισθητήρες Πλοήγησης Σε κάθε έρευνα που πραγματοποιείται, είναι απαραίτητο ανά πάσα στιγμή, κατά την διάρκεια της πτήσης του συστήματος να είναι γνωστή η θέση η οποία βρίσκεται αυτό (Austin,2010). Η μέθοδος που εφαρμόζεται σχεδόν καθολικά για τον έλεγχο των UAV είναι μέσω της χρήσης ενός αυτόματου, ηλεκτρονικού συστήματος ελέγχου στην μορφή ενός αυτόματου πιλότου (Fahlstorm & Gleason, 2009). Σε ένα τυπικό μη επανδρωμένο εναέριο σύστημα, ο αυτόματος πιλότος (Εικ.11), αποτελεί τον εγκέφαλο του συστήματος, ελέγχει επανειλημμένα τη θέση του αεροσκάφους, την ταχύτητα και τη συμπεριφορά του και χρησιμοποιεί παραμέτρους ώστε να τροφοδοτήσει το σύστημα ελέγχου πτήσης για την καθοδήγηση του. Σε ένα ιδανικό σύστημα κάποια από τα συστατικά μέρη για την πλοήγησης αποτελούν το IMU, GNSS, βαρόμετρο, πυξίδα, αισθητήρα ταχύτητας κ.α, τα οποία θα αναλυθούν στην συνέχεια (Colomina & Molina, 2014). Ο αυτόματος πιλότος ελέγχεται από τον χειριστή στο έδαφος μέσω του συστήματος ραδιοελέγχου. Επίσης, ελέγχει το αεροσκάφος σε περίπτωση αδυναμίας του χειριστή. Είναι προγραμματισμένος να φέρει εις πέρας την προσχεδιασμένη αποστολή, ακολουθώντας πιστά το σχέδιο πτήσης. Τέλος, καθορίζει την διαδικασία απογείωσης και προσγείωσης του αεροσκάφους, αλλά και την αιώρηση του πάνω από κάποιο προκαθορισμένο σημείο (Mah & Cryderman, 2015). 45

47 Εικόνα 11: Αυτόματος Πιλότος Wookong-m DJI Ο αυτόματος πιλότος του UAV χρησιμοποιεί δεδομένα από το GPS για να παρέχει τις συντεταγμένες της θέσης του UAV σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή. Τα δεδομένα από τον IMU, προσδιορίζουν αν το UAV είναι σταθερό κατά τη διάρκεια της πτήσης. Αναλυτικότερα, ο IMU (μονάδα αδρανειακής μέτρησης) είναι μια ηλεκτρονική συσκευή (Εικ.12), που υπολογίζει και αναφέρει τη συγκεκριμένη δύναμη (specific force: είδος επιτάχυνσης που σχετίζεται με την ελεύθερη πτώση) του εναέριου οχήματος, την γωνιακή ταχύτητα (angular rate: εκφράζει την ταχύτητα ενός σώματος που εκτελεί κυκλική κίνηση. Ισούται με τον ρυθμό μεταβολής του τόξου που διαγράφει το σώμα και μετράται σε ακτίνια ανά δευτερόλεπτα (rad/sec)), και μερικές φορές το μαγνητικό πεδίο που το περιβάλλει, χρησιμοποιώντας ένα συνδυασμό επιταχυνσιόμετρων, γυροσκοπίων και μαγνητομέτρων. Συνήθως χρησιμοποιείται για τους ελιγμούς των αεροσκαφών, συμπεριλαμβανομένων των μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων (UAV). Οι πρόσφατες εξελίξεις επιτρέπουν την παραγωγή του IMU με δυνατότητα GPS. Ένα IMU επιτρέπει σε ένα δέκτη GPS να λειτουργεί όταν το σήμα του δεν είναι διαθέσιμο, όπως μέσα σε σήραγγες, κτίρια ή όταν υπάρχουν ηλεκτρονικές παρεμβολές (URL8). Τα επιταχυνσιόμετρα, είναι ηλεκτρονικές συσκευές που μετρούν τις δυνάμεις τις επιτάχυνσης, τόσο τις στατικές, όσο και τις δυναμικές. Διαμέσου της μέτρησης της στατικής επιτάχυνσης της βαρύτητας, εντοπίζεται η γωνία κλίσης του εναέριου σύστηματος σε σχέση με το έδαφος, ενώ ανιχνεύοντας το ποσό της δυναμική επιτάχυνσης, αναλύεται ο τρόπος που το σύστημα κινείται. (URL9). Έχουν πολλαπλές εφαρμογές στη βιομηχανία και την επιστήμη. Αποτελούν συστατικά των αδρανειακών συστημάτων πλοήγησης για αεροσκάφη και πυραύλους, για την 46

48 ανίχνευση και την παρακολούθηση των κραδασμών (URL10). Τα γυροσκόπια αποτελούν χρήσιμες συσκευές για τη μέτρηση ή τη διατήρηση του προσανατολισμό και της περιστροφής (σταθεροποίηση) ενός UAV. Η ένταξη του γυροσκοπίου στα συστήματα αυτά, επέτρεψε την ακριβή αναγνώριση της κίνησης μέσα σε ένα 3D χώρο. Τα γυροσκόπια συχνά συνδυάζονται με επιταχυνσιόμετρα (αισθητήρες επιτάχυνσης) για την ενίσχυση της ικανότητας ελέγχου κατεύθυνσης-ανίχνευσης κίνησης του εκάστοτε συστήματος (URL11). Εικόνα 12: Παράδειγμα συστήματος IMU sensor Ακόμα τα συστήματα UAV χρησιμοποιούν αισθητήρες προσδιορισμού του υψομέτρου του αεροσκάφους και βαρόμετρα. Οι αισθητήρες προσδιορισμού υψομέτρου υπολογίζουν το ύψος του UAVs σε σχέση με το έδαφος, χρησιμοποιώντας ως μέσα για την μέτρηση της απόστασης παλμούς χρονισμού του ραδιοφώνου, λέιζερ ή τη μετάδοση της ακουστικής ενέργειας μέσω του χρόνου επιστροφής αυτής. Οι αισθητήρες αυτοί διαφέρουν ως προς την ακρίβεια τους, ανάλογα με τη συχνότητα και τη δύναμή τους (Austin, 2010). Τα βαρόμετρα αποτελούν όργανα τα οποία υπολογίζουν την ατμοσφαιρική πίεση. Είναι λιγότερο ακριβή από τους αισθητήρες προσδιορισμού ύψους και πρέπει να προσαρμοστούν ώστε να ληφθούν υπόψη οι ατμοσφαιρικές αλλαγές που λαμβάνουν χώρα ανάλογα την ώρα της ημέρας και την περιοχή. Ωστόσο, κατά την διάρκεια πτήσης σε μεγάλο υψόμετρο αυτό δεν αποτελεί πραγματικό πρόβλημα. Αυτοί οι αισθητήρες δεν είναι κατάλληλοι για ακριβή λειτουργία σε χαμηλό υψόμετρο, ειδικά στην περίπτωση του VTOL(αεροσκάφη σταθερών πτερύγων με ικανότητα κάθετης απογείωσης και προσγείωσης) αεροσκαφών (Austin,2010). 47

49 Όταν ο αυτόματος πιλότος χρησιμοποιεί, για τον εντοπισμό της θέσης, αδρανειακό σύστημα πλοήγησης αλλά και GPS, τα αποτελέσματα τα οποία παράγει το σύστημα, θεωρούνται ασφαλή ως προς τις ακρίβειες με βάση πάντα τις προδιαγραφές του κατασκευαστή (Austin,2010). Στο παρελθόν, το αεροσκάφος για τον εντοπισμό του, έπρεπε να μεταφέρει ένα εκλεπτυσμένο, περίπλοκο, δαπανηρό και βαρύ αδρανειακό σύστημα πλοήγησης (INS), ή ένα λιγότερο εξελιγμένο INS με χαμηλότερο κόστος, για τα οποία απαιτούνταν συχνή ενημέρωση θέσεως από το κέντρο ελέγχου μέσω συνδέσμου επικοινωνίας. Πρόκειται για ένα βοήθημα πλοήγησης, που χρησιμοποιεί αισθητήρες, επιταχυνσιόμετρα, γυροσκόπια, τα οποία και υπολογίζουν κάθε στιγμή τη θέση, τη ταχύτητα και το προσανατολισμό του κινούμενου αντικειμένου, χωρίς να χρησιμοποιούν κανένα εξωτερικό σημείο αναφοράς (URL12). Σήμερα, η διαθεσιμότητα ενός παγκόσμιου συστήματος εντοπισμού θέσης (GPS), το οποίο έχει πρόσβαση σε πληροφορίες θέσης από ένα σύστημα γηςδορυφόρων, έχει χαλαρώσει το πρόβλημα αυτό. Αναπτύχθηκε από το τμήμα άμυνας των ΗΠΑ και η επίσημη ονομασία του είναι NAVSTAR GPS. Η αρχική του χρήση περιοριζόταν στις αμερικανικές στρατιωτικές δυνάμεις, μέχρι το 1982 όπου έγινε διαθέσιμο σε ευρεία χρήση. Στην ουσία, αποτελεί ένα δέκτη, ο οποίος υπολογίζει την θέση, χρησιμοποιώντας σήματα που μεταδίδονται από το ελάχιστο τέσσερις δορυφόρους. Το GPSs κατηγοριοποιείται ανάλογα με την χρήση του σε δύο μορφές, το Precise Positioning Service (PPS) για στρατιωτική χρήση, και το Standard Positioning System (SPS) για άλλες χρήσεις πέρα τις στρατιωτικές. Και οι δύο μορφές του GPS, βελτιώνεται με την χρήση διαφορικού GPS, δηλαδή μέσω επίγειων σταθερών δικτύων-σταθμών, όπου καταγράφουν τη διαφορά της θέσης που υποδεικνύεται από τους δορυφόρους. Ένα μη επανδρωμένο εναέριο σύστημα, μπορεί να χρησιμοποιήσει ως σταθμό αναφοράς, τον δικό επίγειο σταθμό ελέγχου (Austin,2010). Το GPSs, πλέον είναι εξαιρετικά ελαφρύ, συμπαγής και αρκετά φτηνό, και δίνει συνεχή ενημέρωση θέσεως έτσι ώστε μόνο μια πολύ απλή μορφή INS πλέον απαιτείται. 48

50 4 Παραδείγματα Εφαρμογών με χρήση UAV συστημάτων Η εξέλιξη της τεχνολογίας σε ό,τι αφορά τα μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα (UAV) επιτρέπει την απόκτηση υψηλής ανάλυσης γεωγραφικών δεδομένων, επιτρέποντας στους επιστήμονες/ερευνητές να προσεγγίσουν περιοχές απομακρυσμένες και δύσβατες, καθώς και την επίλυση «προβλημάτων» που θα ήταν αδύνατο να ολοκληρωθούν μέσω επίγειων μεθόδων αποτύπωσης. Τα UAV προσφέρουν λύσεις σε πληθώρα εφαρμογών και ποικίλων επιστημονικών πεδίων. Στην συνέχεια παρουσιάζονται κάποια παραδείγματα σχετικών εφαρμογών ανά τον κόσμο. 4.1 Μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα σε κτηματολογικές εφαρμογές (Manyoky et al., 2011) Αυτή η εφαρμογή αποτελεί μια διερεύνηση της χρήσης των μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων σε κτηματολογικές έρευνες. Η εφαρμογή αυτή πραγματοποιήθηκε με στόχο, να εξετάσει και να συγκρίνει την μέθοδο χρήσης UAV συστημάτων με τις συμβατικές μεθόδους συλλογής δεδομένων. Για την σύγκριση αυτή επιλέχθηκαν, από τους ερευνητές. Manyoky, Theiler, Steudler και Eisenbeiss, δύο περιοχές μελέτης, οι οποίες αντιπροσωπεύουν τυπικές εφαρμογές χαρτογράφησης. Η πρώτη περιοχή δοκιμής βρίσκεται στο Krattigen της Βέρνης (τυπικό αγροτεμάχιο σε μια ορεινή περιοχή) και η δεύτερη βρίσκεται στην Πανεπιστημιούπολη Science City (Hoenggerberg) της Ζυρίχης, (τυπική προαστιακή περιοχή) (Εικ.13). Οι περιοχές αυτές ερευνήθηκαν με ένα συνδυασμό της μεθόδου Tachymetry/GNSS, καθώς και ενός συστήματος UAV. 49

51 Εικόνα 13: Σχέδιο πτήσης του UAV συστήματος στην πανεπιστημιούπολη Science City (Hoenggerberg) της Ζυρίχης Το σύστημα που χρησιμοποιήθηκε για την δοκιμή αυτή σε σχέση με τα UAV, είναι το Falcon 8 της Ascending Technologies (AscTec) (Εικ.14). Διαθέτει οκτώ έλικες, οι οποίοι είναι υπεύθυνοι για την σταθερότητα της πτήσης σε ταχύτητα ανέμου μέχρι 10 m/sec, διάρκεια πτήσης μέχρι και 20 λεπτά και με ωφέλιμο φορτίο 500 γραμμάρια. Το μέγιστο βάρος απογείωσης του δεν πρέπει να υπερβαίνει 1,8 κιλά. Για τον προσδιορισμό θέσης είναι εξοπλισμένο με GNSS, ένα βαρομετρικό αισθητήρα ύψους, μια πυξίδα και μια αδρανειακή μονάδα μέτρησης (IMU). Κατά την πραγματοποίηση της πτήσης όπου έχει οριστεί εκ των προτέρων, η συσκευή μπορεί να κρατήσει τη θέση της μέσω GPS. Εάν είναι απαραίτητο η θέση του UAV μεταβάλλεται μέσω τηλεχειριστήριου. Εικόνα 14:Χρησιμοποιούμενο UAV Σύστημα στην έρευνα 50

52 Η κάμερα του συστήματος μπορεί να φωτογραφίζει προς οποιαδήποτε γωνία, κατά μήκος του κάθετου και οριζόντιου άξονα. Το σχήμα του συστήματος είναι της μορφής «V», όπου σύμφωνα με τους μελετητές εξυπηρετεί καλύτερα την αποτύπωση του χώρου. Οι εικόνες αποθηκεύονται στην κάμερα που είναι τοποθετημένη στο UAV. Η φωτογραφική μηχανή, που χρησιμοποιήθηκε για την λήψη των φωτογραφιών, της συγκεκριμένης έρευνας είναι η Panasonic Lumix DMC-LX3. Η κάμερα διαθέτει αισθητήρα multi-format με μορφές (4: 3, 3: 2 και 16: 9) με μέγεθος 10 Megapixels. Η Panasonic LX3 έχει μικρό εύρος zoom στα 24 χιλιοστά. Υποστηρίζει RAW format καθώς και χειροκίνητες ρυθμίσεις. Και οι δύο μέθοδοι σύμφωνα με τους ερευνητές, Τachymetry/GNSS και UAV, παρέχουν συγκρίσιμα αποτελέσματα σε σχέση με την απόκτηση δεδομένων, επεξεργασία και αξιολόγηση και τη χρονική διάρκεια περάτωσης. Πιο συγκεκριμένα όμως, η μέθοδος UAV μπορεί να οδηγήσει στην παραγωγή πιο λεπτομερούς χάρτη (Εικ.15), ανάλογα με το προτιμώμενο επίπεδο λεπτομέρειας και τον χρόνο. Αυτό οφείλεται «στο πλεονέκτημα των συστημάτων UAV, να παρατηρούν και στην συνέχεια να αποτυπώνουν γρήγορα την επιφάνεια των περιοχών». Εικόνα 15:Χάρτες των περιοχών μελέτης με την χρήση UAV Κατά την διάρκεια της έρευνας αυτής διαπιστώθηκε ότι περιοριστικοί παράγοντες για την ακρίβεια και τον προσανατολισμό της εικόνας στην χρήση UAV είναι η βαθμονόμηση της κάμερας, η ποιότητα της εικόνας και ο ορισμός των σημείων ελέγχου του εδάφους. Ακόμα, η εφαρμογή των συστημάτων UAV είναι κατάλληλη πέρα από την απεικόνιση καλύψεων γης και για την απεικόνιση 51

53 μεμονωμένων αντικείμενων. «Οι μέθοδοι UAV αποτελούν βιώσιμες επιλογές για την αποτελεσματική μέτρηση του εδάφους αποτυπώνοντας και μεμονωμένα αντικείμενα, όπως κτίρια, δρόμους, μονοπάτια, πεζοδρόμια, χωράφια, τους κήπους, το νερό ή δασικές άκρες κλπ.» (Εικ.16). Εικόνα 16:Τρισδιάστατη απεικόνιση κτιρίων των εγκαταστάσεων της πανεπιστημιούπολης Τέλος, μετά το πέρας της συγκεκριμένης έρευνας οι μελετητές διαπίστωσαν πως η μέθοδος UAV με τις κατάλληλες φωτογραμμετρικές μεθόδους αξιολόγησης προσφέρει μεγάλες δυνατότητες για την απόκτηση πληροφοριών, χρήσιμες στις κτηματολογικές εφαρμογές. Σε περιοχές όπου η πρόσβαση μπορεί να είναι δύσκολη, π.χ. μετά από φυσικές καταστροφές, τα UAV συστήματα αποτελούν πολύτιμη εναλλακτική λύση, προκειμένου να μειωθεί η πολυπλοκότητα της επεξεργασίας τέτοιου είδους δεδομένων 4.2 Χρήση UAV για την παραγωγή τοπογραφικών χαρτών σε περιοχές που πλήττονται από ακραία καιρικά φαινόμενα (Isola and Shattri, 2013) Η έρευνα αυτή επικεντρώθηκε στη χρήση υψηλής ανάλυσης UAV ως μέθοδο απόκτησης δεδομένων, η οποία λαμβάνει εικόνες σε μια πλημμυρισμένη περιοχή στην Μαλαισία. Σκοπός της έρευνας αυτής, αποτελεί η δημιουργία τοπογραφικών χαρτών για τον έλεγχο των πλημμυρών. Η διαδικασία απόκτησης των απαραίτητων δεδομένων-εικόνων πραγματοποιήθηκε με UAV σταθερών πτερυγίων (Εικ.17). Η κάμερα, η οποία χρησιμοποιήθηκε είναι η Pentax 12.1 megapixels. 52

54 Εικόνα 17: Το χρησιμοποιούμενο UAV σύστημα στην έρευνα To ύψος, στο οποίο πραγματοποιήθηκε η πτήση με σκοπό την λήψη των εικόνων, ήταν τα 320 χιλιόμετρα πάνω από το έδαφος και η ταχύτητα πτήσης του αεροσκάφους τα 61 χλμ/ ώρα. Οι ληφθείσες εικόνες είχαν πλευρική επικάλυψη 60%. Η αποστολή της πτήσης πήρε σχεδόν 60 λεπτά για να καλύψει 1.3 τ.χλμ με ακρίβεια 0,3 εκατοστών. Η επεξεργασία των δεδομένων επιτεύχθηκε με τη χρήση Agisoft καθώς και το ArcMap10, από το οποίο και λήφθηκαν τα τελικά αποτελέσματα. Τα τελικά αποτελέσματα παρουσιάζονται στις παρακάτω εικόνες (Εικ.18, Εικ.19, Εικ.20, Εικ.21, Εικ.22). Εικόνα 18: Ορθομωσαικό της περιοχής μελέτης 53

55 Εικόνα 19: Αspect Map Εικόνα 20: Slop Map Εικόνα 21: Contour Map Εικόνα 22: Digital Surface Model Με βάση την συγκεκριμένη έρευνα, οι ερευνητές καταλήγουν στο ότι το ψηφιακό μοντέλο εδάφους μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως κατευθυντήριες γραμμές για τη μελέτη των κινδύνων πριν από την επέλευση της καταστροφής από τις πλημμύρες. Ο χάρτης των κλίσεων είναι χρήσιμος, για τον έλεγχο και την πρόβλεψη πλημμυρών, όπου και συμπεραίνουν ότι οι περιοχές με ήπιες κλίσεις είναι πιο επιρρεπείς σε πλημμύρες και οποιαδήποτε αύξηση της στάθμης του νερού μπορεί να προκαλέσει σοβαρές καταστροφές. 54

56 4.3 Χρήση UAVs στον αστικό σχεδιασμό Έρευνα χαμηλού υψομέτρου (Zongjian, 2008) Σκοπός αυτής της έρευνας ήταν η μελέτη καταλληλόλητας των συστημάτων UAV στη χαρτογράφηση σε αστική κλίμακα σχεδιασμού. Οι περιοχές όπου εφαρμόσθηκε το συγκεκριμένο «πείραμα» είναι στην Κίνα. Αρχικά, στην επαρχία Guizhou σε μια έκταση 38 τ.χλμ, η οποία αποτελεί μια γεωργική περιοχή. Έπειτα, εφαρμόστηκε στο κέντρο της πόλης Guangzhou σε περιοχή έκτασης 1 τ.χλμ. Και τέλος σε περιοχή έκτασης 61 τ.χλμ στο κέντρο της πόλης Weihai, όπου και αποτελεί την μεγαλύτερη περιοχή μελέτης της συγκεκριμένης έρευνας. Σύμφωνα με τον ερευνητή, δύο είδη πλατφόρμας είναι αποδεκτά για το σύστημα UAV χαρτογράφησης της συγκεκριμένης έρευνας. Το ένα είναι ένα αεροσκάφος σταθερών πτερυγίων και το άλλο ένα μη επανδρωμένο αερόστατο ηλίου. Το ωφέλιμο φορτίο που απαιτείται είναι μέχρι 15 κιλά, το ύψος πτήσης για την φωτογραφική αποτύπωση της περιοχής είναι μέτρα και η ταχύτητα χλμ./ώρα. Και τα δύο συστήματα, χαρακτηρίζονται από χειροκίνητη απομακρυσμένη λειτουργία και αυτόματες λειτουργίες ελέγχου προγραμματισμού. Τα χαρακτηριστικά των UAV συστημάτων αναλύονται στους παρακάτω πίνακες (Πιν.11,Πιν.12): Πίνακας 11:Χαρακτηριστικά remotely-piloted αεροσκάφους (Zongjian, 2008) Μήκος αεροσκάφους 2.8m Διάρκεια πτήσης 3~4h Βάρος απογείωσης 50Kg Ακρίβεια πλοήγησης 80m Μήκος πτερυγίων 3.6m Ακτίνα ελέγχου 50km Ταχύτητα απογείωσης 70km/h Ύψος πτήσης 100m~4000m Μέγεθος κσμπίνας 300mm 500mm 300mm Έλεγχος Program-controlled, remote-controlled, Φορτίο >8kg selfcontrol Ταχύτητα 70~160km/h 55

57 Πίνακας 12: Χαρακτηριστικά μη επανδρωμένου αερόστατου ηλίου(zongjian, 2008) Μήκος 12~20m Φορτίο 5~50kg Ταχύτητα 0~50km/h Ακτίνα ελέγχου 10km Διάμετρος Ύψος πτήσης 2~4m Διάρκεια πτήσης 3~5h 50m~1000m Έλεγχος Program-controlled Ακόμα για τις ανάγκες της συγκεκριμένης έρευνας, κατασκευάστηκε μια «υπερ-ευρυγώνια» κάμερα (Εικ.23), η οποία αποτελείται από τέσσερις ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές, τοποθετημένες σε διαφορετικές κατευθύνεις του οπτικού άξονα. Εικόνα 23: Η εμφάνιση και το εσωτερικό της "υπερ-ευρυγώνιας" κάμερας Οι τέσσερις εικόνες λήψης από τις διαφορετικές κάμερες, είναι έτσι σχεδιασμένο ώστε να έχουν επικαλυπτόμενες περιοχές, με στόχο την αποφυγή σφαλμάτων-παραμορφώσεων (Εικ.24). Εξαιτίας του περιορισμένου φορτίου της πλατφόρμας UAV και προκειμένου το σύστημα να παραμείνει απλό, χρησιμοποιήθηκαν ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές γενικού σκοπού, οι οποίες και χαρακτηρίζονται εργοστασιακά από χαμηλό ποσοστό ακρίβειας. Παρόλ αυτά ο ερευνητής υποστηρίζει ότι λόγω της δυνατότητας των UAV να πετούν σε μικρή απόσταση από το έδαφος, είναι δυνατό να πραγματοποιηθούν λήψεις υψηλής ανάλυσης. 56

58 Εικόνα 24: Δομή των εικόνων από τις τέσσερις κάμερες Μετά την απόκτηση των δεδομένων από το UAVs και με την βοήθεια ενός ειδικού προγράμματος που αναπτύχθηκε, ο αεροτριγωνισμός πραγματοποιήθηκε αυτόματα. Τα αποτελέσματα αυτά μπορούν να αποδώσουν στοιχεία για την χαρτογράφηση κλίμακας 1: 2000, 1: 1000 και 1: 500, όπως και τα απαραίτητα στοιχεία για την παραγωγή DSM, TIN και DEM. Πιο αναλυτικά, στην έκταση που εφαρμόσθηκε το πείραμα στην επαρχία Guizhou, παράχθηκαν ψηφιακοί ορθοφωτοχάρτες σε κλίμακα 1:2000. Στο κέντρο της πόλης Guangzhou, όπου και πραγματοποιήθηκε επίσης η έρευνα παράχθηκαν από τα δεδομένα που αποκτήθηκαν από τα UAVs ορθοφωτοχάρτες σε κλίμακα 1:500 (Εικ.25). Η τελευταία εφαρμογή στο κέντρο της κινεζικής πόλης Weihai πραγματοποιήθηκε με σκοπό την τρισδιάστατη απεικόνιση της μελετώμενης έκτασης (Εικ.26). 57

59 Εικόνα 25: Ορφοφωτοχάρτης της περιοχής μελέτης της πόλης Guangzhou Εικόνα 26: Τρισιδιάστατη απεικίόνιση της πόλης Weihai Με γνώμονα τη παραπάνω έρευνα, ο ερευνητής συμπεραίνει ότι «η χρήση των UAV αποτελεί ευέλικτο και γρήγορο τρόπο χαρτογράφησης και απεικόνισης καθημερινών εναλλαγών του χώρου, καθώς και μπορεί να υποστηρίξει εφαρμογές μεγαλύτερης κλίμακας». 4.4 Η χρήση UAV συστημάτων για την παρακολούθηση περιβαλλοντικών και γεωργικών εφαρμογών (Berni et al., 2008) Στόχος αυτής της έρευνας αποτέλεσε η ανάπτυξη των συστημάτων UAV (large fixed-wing, rotary wing), ώστε να χρησιμοποιηθούν για την παρακολούθηση της βλάστησης σε διαφόρους τύπους καλλιεργειών. Στις περισσότερες από αυτές τις εφαρμογές έγινε χρήση πολυφασματικών και θερμικών αισθητήρων, οι οποίοι είχαν υποβληθεί σε ραδιομετρικές και γεωμετρικές διορθώσεις, ώστε να παρέχουν τα επιθυμητά αποτελέσματα, προκειμένου να καταστεί δυνατή η εφαρμογή των ποσοτικών μεθόδων τηλεπισκόπησης, για μια επιτυχημένη εκτίμηση των βιοφυσικών παραμέτρων. Στην παρούσα εφαρμογή, αναπτύχθηκαν δύο πλατφόρμες UAV, τροποποιώντας το μοντέλο αεροσκάφους Quanta. Η πλατφόρμα UAV Quanta-H (Εικ.27) είχε περιστρεφόμενο πτερύγιο 1,9 m και κινητήρα φυσικού αερίου. Το UAVs αυτό, έχει τη δυνατότητα μεταφοράς ωφέλιμου φορτίου έως 7 kg, με ταχύτητα 30 km/h σε ύψος πτήσης τα 20 m. Το βασικό πλεονέκτημα αυτού του συστήματος αποτελεί, η κάθετη απογείωση αλλά και οι δυνατότητες προσγείωσης του. Παρόλο που η ταχύτητα και ο βαθμός αντοχής του είναι περιορισμένα, το Quanta-H σύμφωνα με τους ερευνητές, είναι ιδανικό για κάλυψη μικρών επιφανειών. 58

60 Εικόνα 27: :Quanta-H Η πλατφόρμα UAV Quanta-G (Εικ.28), με σταθερά πτερύγια και άνοιγμα φτερών της τάξης των 3,2m είναι εξοπλισμένη και αυτή με κινητήρα αερίου. Η αντοχή πτήσης του συστήματος φτάνει τα 30 λεπτά, πετώντας με 90 χλμ/ώρα, έχοντας διαθέσιμο ωφέλιμο φορτίο μεγέθους 5,5 kg. Παρά τη μεγαλύτερη απόδοση, λόγω της υψηλότερης ταχύτητας και αντοχής, μειονεκτεί διότι απαιτεί διάδρομο για την πραγματοποίηση της απογείωσης και της προσγείωσης. Εικόνα 28: Quanta-G Δύο διαφορετικοί τύποι αισθητήρων εφαρμόστηκαν στις παραπάνω πλατφόρμες. Η πολυφασματική κάμερα MCA-6 (Πιν.13), η οποία αποτελείται από έξι επιμέρους αισθητήρες με οπτικά εναλλάξιμα φίλτρα, καθώς και η θερμική φωτογραφική μηχανή Thermovision A40M (Πιν.14), τα στοιχεία των οποίων αναλύονται στους παρακάτω πίνακες. Πίνακας 13: Χαρακτηριστικά Πολυφασματικής κάμερας MCA-6 (Berni et. al.,2008) Array elements 1280 x 1024 S/N Ratio 54 db Μοτίβο σταθερού < 0.03% VPEAK- Μέγεθος Pixel 5.2μm x 5.2μm θορύβου TO-PEAK Μέγεθος εικόνας 6.66mm x 5.32mm Dark current 28mV/s 59

61 Εστιακό μήκος 8.49 mm Δυναμικό εύρος 60 db Προιόν 10-bit raw data Συνολικό βάρος 2.7 kg Πίνακας 14:Χαρακτηριστικά Θερμική φωτογραφικής κάμερας Thermovision A40M (Berni et al., 2008) Array Elements 320 x 240 Μέγεθος pixel Φασματική Απόκριση Ευαισθησία Δυναμικό εύρος Συνολικό Βάρος 38μm x 38μm μm 0.08K at 303K 233K- 393K 1.7 kg Τα δεδομένα INS/GPS καταγράφονταν από τον αυτόματο πιλότο την ακριβή στιγμή της λήψης της εικόνας. Επίσης, για τον συγχρονισμό των δεδομένων του αυτόματου πιλότου με τις εικόνες που λαμβάνονταν κάθε στιγμή, ένα δεύτερο GPS, χρησιμοποιήθηκε ως πηγή χρόνου. Τα αποτελέσματα της συγκεκριμένης έρευνας παρουσιάζονται στις παρακάτω εικόνες (Εικ.29, Εικ.30, Εικ.31). Εικόνα 29: Εκτίμηση της επιφάνειάς των φύλλων των δέντρων της ελιάς 60

62 Εικόνα 30: Εκτίμηση της περιεκτικότητας σε χλωροφύλλη Εικόνα 31: Χάρτης αναγκών άρδευσης Με την πραγματοποίηση της συγκεκριμένης έρευνας, οι μελετητές διαπίστωσαν ότι «...είναι δυνατόν να παραχθούν, ποσοτικά προϊόντα τηλεανίχνευσης μέσω ενός UAV εξοπλισμένο με εμπορικούς off-the-shelf (COTS) θερμικούς και πολυφασματικούς αισθητήρες απεικόνισης». Μέσω των εργαστηριακών μεθόδων βαθμονόμησης αλλά και αυτών του πεδίου, προβλέπεται για τις 6-band 10 nm FWHM πολυφασματικές εικόνες, RMSE 1,17% και λιγότερο από 0,2 χωρική ανάλυση. Για την θερμική κάμερα, ατμοσφαιρικοί μέθοδοι διόρθωσης βιασμένοι στο MODTRAN μοντέλο μεταφοράς έδειξαν την επιτυχή εκτίμηση δίνοντας 40 cm χωρική ανάλυση και RMSE <1. Βάσει των παραπάνω αποτελεσμάτων, οι ερευνητές, συμπεραίνουν ότι «η υψηλή χωρική, φασματική και χρονική ανάλυση που παρέχεται σε υψηλούς χρόνους παράδοσης, κάνει αυτή τη πλατφόρμα κατάλληλη για μια σειρά εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένων της γεωργίας ή τον προγραμματισμό των αρδεύσεων, όπου απαιτείται προγραμματισμός διαχείρισης σε σχέση με το χρόνο». 4.5 Χρήση εναέριων μη επανδρωμένων συστημάτων στον έλεγχο κατολισθήσεων κατά μήκος οδικού άξονα (Carvajal et al., 2011) Σκοπό αυτής της μελέτης, αποτέλεσε η επιθυμία ανάπτυξης μιας μεθόδου ακριβείας και χαμηλού κόστους, η οποία να «χαρακτηρίζει» κατολισθήσεις που βρίσκονται κατά μήκος οδικών αξόνων. Περιοχή μελέτης αυτής της έρευνας ήταν το χιλιομετρικό σημείο 339, όπου ανήκει στον διπλής κατεύθυνσης αυτοκινητόδρομος Α92, στην επαρχία της Αλμερίας στην νοτιο-ανατολική Ισπανία. Το μελετώμενο 61

63 ανάχωμα, που προκλήθηκε από την κατολίσθηση στο συγκεκριμένο σημείο του άξονα, εκτείνεται περίπου 100 μ., και οι διαφορές ύψους μεταξύ της τάφρου και της κορυφής του επιχώματος είναι 20 μ. (Εικ.32). Εικόνα 32:Το σημείο μελέτης στον άξονα Α92 Το UAV που χρησιμοποιήθηκε για την ολοκλήρωση της έρευνας, ήταν το μοντέλο md4-200 της Microdrones (Microdrones GmbH, 2011), με 4πλό ρότορα κάθετης απογείωση και προσγείωσης με αυτόνομες και ημιαυτόνομες δυνατότητες ελέγχου (Εικ.33). Είναι εξοπλισμένο με κεραία GPS, μετρητή υψόμετρου και μαγνητόμετρο για να υπολογίσει τις συντεταγμένες κατά τη διάρκεια της πτήσης. Τα σήματα από τα εργαλεία πλοήγησης (αισθητήρες, επιταχυνσιόμετρα, γυροσκόπια, μετρητές ατμοσφαιρικής πίεσης, υγρασίας και θερμοκρασίας, κλπ) εκπέμπονται στο σταθμό βάσης από τον ασύρματο πομπό και αποθηκεύονται στην ενσωματωμένη συσκευή καταγραφής στοιχείων πτήσης (κάρτα microsd. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκε μια ψηφιακή φωτογραφική μηχανή Pentax Optio A40, μεγέθους 12 megapixel, με σταθεροποίητη φωτογραφιών, σκανδάλη, λειτουργία ζουμ και είναι ελεγχόμενη από τηλεχειριστήριο. 62

64 Εικόνα 33:Το Microdrone UAV που χρησιμοποιήθηκε στην έρευνα Το drone λειτουργούσε πλήρως αυτόνομα, συμπεριλαμβανομένων αυτόματη εκκίνηση και αυτόματη προσγείωση. Η διαδρομή της πτήσης ήταν προγραμματισμένη χρησιμοποιώντας το συμβατό λογισμικό με το drone που χρησιμοποιήθηκε MD-Cockpit V , με βάση τις πληροφορίες του Google Earth. Συγκεκριμένα, «σχεδιάστηκαν» τρεις παράλληλες διαδρομές κατά μήκος της καμπύλης του δρόμου, όπου από την καθεμιά από αυτές τις διαδρομές ελήφθησαν 18 φωτογραφίες. Όλες οι εικόνες, ελήφθησαν με τον κατακόρυφο άξονας και καταχωρήθηκε 85% και 60% πλάγιες και εγκάρσιες επικαλύψεις αντίστοιχα. Η απόσταση λήψης των φωτογραφιών από το έδαφος (επίπεδο του δρόμου) ήταν τα 50 μέτρα. Κατά την διάρκεια της πτήσης, η μέση ταχύτητα του ανέμου ήταν 3,5 m/s. Οι επιπτώσεις του ανέμου παρατηρούνται στην παρακάτω εικόνα (Εικ.34), όπου φαίνονται οι αποκλίσεις από τη γραμμική πορεία. Εικόνα 34:Το μωσαϊκό των φωτογραφιών που χρησιμοποιήθηκαν στο project και τα σημεία όπου ελήφθησαν 63

65 Το συνολικό σφάλμα από τη σύνθεση των εικόνων ήταν pixels και μέγιστο RMSΕ ήταν pixels. Το συνολικό σφάλμα ίσο με 0,12μ., είναι αρκετό για τον γεωμετρικό καθορισμό των κατολισθήσεων στον άξονα. Από την σύνθεση και επεξεργασία των ληφθέντων εικόνων, παράχθηκε το DEM της περιοχής μελέτης, μοντέλο με τρισδιάστατη απεικόνιση των ισοϋψών καμπυλών καθώς και η ορθοανηγμένη εικόνα, με χαρτογραφικές ιδιότητες (Εικ.35). Τα προϊόντα αυτά, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως δεδομένα εισόδου, για τον υπολογισμό της σταθερότητας των κατολισθήσεων, καθώς και σε αριθμητικές μεθόδους ισορροπίας. Εικόνα 35:Το τρισδιάστατο μοντέλο και η ορθοανηγμένη εικόνα με τις ισοϋψείς καμπύλες Έτσι, οι ερευνητές κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι «η UAV φωτογραμμετρία αποτελεί αποτελεσματική μέθοδο, η οποία βρίσκεται ανάμεσα στην κλασική εναέρια φωτογραμμετρία και επίγειες τεχνικές τοπογραφίας. Η μέθοδος αυτή περιορίζεται από τις μετεωρολογικές συνθήκες, ειδικά την ταχύτητα του ανέμου που πρέπει να είναι έως και 5 m /s. Η συγκεκριμένη μέθοδος αποτέλεσε κατάλληλη μέθοδο για την μελέτη επιφανειών κατολίσθησης, καθώς η προσβασιμότητα του αναχώματος στη μέτρηση σημείων ελέγχου εδάφους μπορεί να είναι δύσκολη και επικίνδυνη». 64

66 4.6 Χρήση εναέριων μη επανδρωμένων συστημάτων στην κατασκευή σιδηροδρόμου (Yilmaz, 2015) Αντικείμενο της συγκεκριμένης εφαρμογής αποτέλεσε η επιθυμία της τουρκικής κυβέρνησης, για την κατασκευή ενός μεγάλου, εθνικού επίπεδου σιδηροδρομικού δικτύου υψηλής ταχύτητας. Μια σιδηροδρομική σύνδεση μεταξύ των πόλεων Άγκυρα και Σμύρνη, με προβλεπόμενη ταχύτητα τα 250 χλμ/ώρα, μειώνοντας την διάρκεια του ταξιδιού στις 3,5 ώρες. Το έργο αυτό δημοπρατήθηκε σε τρία τμήματα για να μειώσει το χρόνο παράδοσης και τον κίνδυνο, καθώς και για να είναι σύμφωνο με τους τουρκικούς κανονισμούς του διαγωνισμού. Για το τμήμα μεταξύ των πόλεων Μανίσα και Ουσάκ, ζητήθηκε από τις Turkish State Railways ρητά η χρήση UAV για την έρευνα. Εικόνα 36:Εκκίνηση του ebee για την προγραμματισμένη πτήση Το τμήμα του άξονα, που είχε επιλεγεί για έρευνα UAV, υπολογίζεται στα 140 χιλιόμετρα μήκος και 600 μέτρα πλάτος, το οποίο και χαρακτηρίζεται από ένα πλούσιο ανάγλυφο, με πεδιάδες, λόφους, βουνά καθώς και αστικές περιοχές Με κλασικές τεχνικές, δεν θα ήταν δυνατό να χαρτογραφηθεί ολόκληρη η περιοχή, καθώς τα βουνά στο ανατολικό άκρο της περιοχής για παράδειγμα, δεν μπορούν να προσεγγισθούν με αυτοκίνητο και μερικές φορές ούτε καν με τα πόδια. Ειδικά σε αυτές τις περιοχές, η χρήση των εναέριων συστημάτων είναι πολύ πολύτιμη. Το ιδιαίτερο πλεονέκτημα ενός UAV είναι το χαμηλό ύψος πτήσης που καταργεί την εξάρτηση από σαφή καιρικές συνθήκες που επικρατούν στην περιοχή. Ο άξονας της σιδηροδρομικής γραμμής, ερευνήθηκε χρησιμοποιώντας ένα UAV senseflyebee (Εικ.36) από την τουρκική εταιρεία Artu Harita. Το ebee είναι ένα σύστημα σταθερών πτερυγίων με άνοιγμα φτερών 96 cm και μια φωτογραφική 65

67 μηχανή 16MP. Το SenseFly semotion λογισμικό σχεδιασμού (Εικ.37), χρησιμοποιήθηκε για να προγραμματιστεί η διαδρομή της πτήσης. Δεδομένου ότι το πρόγραμμα αυτό δεν είναι ικανό για αυτόματα σχεδιασμένες αξονικά καταμετρήσεις, όλες οι γραμμές πτήσης έπρεπε να καθορίζονται χειροκίνητα. Το μέσο ύψος πτήσης τέθηκε στα 320 μέτρα πάνω από το έδαφος, το οποίο θα οδηγήσει σε ανάλυση pixel περίπου 10 εκατοστών. Ο άξονας, συνολικού μήκους 140 χιλιομέτρων, υποδιαιρείται σε τμήματα των 16 χιλιόμετρων, με σημείο εκκίνησης και προορισμού στο μέσο του καθενός. Κατά μέσο όρο, τραβήχτηκαν 300 φωτογραφίες κατά τη διάρκεια κάθε πτήσης. Εικόνα 37:Απεικόνιση των σημείων ελέγχου και των παράλληλων γραμμών πτήσης Οι αρμοδιότητες είχαν επιμεριστεί με στόχο το βέλτιστο αποτέλεσμα, έτσι ένα ή δύο μέλη της ομάδας ήταν αρμόδια για τον σχεδιασμό και πέταγμα των μετρήσεων ενώ δύο άλλες ομάδες έρευνας των τεσσάρων μηχανικών η καθεμία, ήταν υπεύθυνες για τον καθορισμό των σημείων επίγειου ελέγχου (GCPs) που απαιτείται για την γεωαναφορά των εικόνων. Περίπου 900 GCPs τέθηκαν συνολικά με μέσο διάστημα 450 μέτρα. Τα GCPs καταμετρήθηκαν βάσει GNSS RTK χρησιμοποιώντας το τουρκικό δίκτυο CORS. Οι ομάδες έρευνας δαπάνησαν 60 ημέρες στο πεδίο, συμπεριλαμβανομένων των 20 ημερών πτήσης. Η δημιουργία των προϊόντων και η επεξεργασία πήρε περίπου 40 ημέρες. Συνολικά, χρειάστηκαν τρεις μήνες, μέχρι την τελική παράδοση στον πελάτη. Σε αντίθεση, με παραδοσιακές τεχνικές έρευνας, που χρησιμοποιήθηκαν από τις εταιρείες για τα άλλα τμήματα του σιδηροδρομικού άξονα, απαιτήθηκε μέχρι ένα έτος για να παράγουν αποτελέσματα. 66