Дроны, сутками висящие в воздухе без посадки? Это может стать реальностью благодаря новой технологии получения энергии. Речь идет об устройстве, с рекордной эффективностью собирающем энергию, “потерянную” солнечной батареей, и превращающему ее в электрическую. Разработка описана в научной статье, опубликованной в журнале PNAS группой во главе с Эли Яблоновичем (Eli Yablonovitch) из Калифорнийского университета в Беркли.

Как известно, солнечные батареи используют по назначению далеко не весь падающий на них свет. Инженеры упорно борются за их эффективность. Если стандартные кремниевые фотоэлементы лишь 15% энергии света преобразуют в электрическую, то в новейших разработках эта цифра достигает уже 40%. Но и такой показатель означает, что 60% энергии теряется.

Что с ней происходит? Она поглощается веществом батареи без выработки электричества и нагревает его. Но, как и всякое нагретое тело, фотоэлемент излучает эту энергию в виде инфракрасных фотонов. Именно их действие испытывает рука, поднесённая к батарее отопления (сбоку, чтобы не мешал поток тёплого воздуха).

Довольно давно специалисты предложили собирать эти фотоны и использовать их для выработки электроэнергии. Для этого нужен аналог фотоэлемента, но работающий не на квантах видимого света, а на инфракрасном излучении. Такие устройства называются термофотовольтаическими (thermophotovoltaic) элементами, или ТВЭ.

Получается двухступенчатая схема. Солнечная батарея собирает столько энергии, сколько может, а оставшуюся излучает в виде инфракрасных фотонов. ТВЭ “подбирает просыпанное”, поглощая эти фотоны и вырабатывая электричество.

Идеально? Нет. Дело в том, что и ТВЭ упускает большую часть падающей на него мощности. Причем устройство в этом “не виновато”.

Поясним. Среди инфракрасных фотонов, испускаемых источником тепла (в данном случае нагревшейся при работе солнечной батареей), есть кванты с самой разной энергией. Фотоны и кванты в данном случае – это одно и то же. Но ток в ТВЭ вырабатывают только достаточно высокоэнергетические фотоны. Все остальные – “отбракованное сырье”.

Лучшие решения из существующих на сегодняшний день преобразуют в электрическую лишь 23% энергии падающего на них инфракрасного излучения. (Правда, демонстрировались и большие цифры, но лишь при температурах нагревателя выше 2000 °C, а это выше температуры плавления стали).

Авторы нового исследования побили этот рекорд, державшийся 15 лет, добившись цифры в 29%. И сделали они это с помощью хода, гениального в своей простоте: просто разместили позади ТВЭ зеркало.

Зеркало отражает “потерянные” ТВЭ фотоны обратно в источник тепла (в данном случае – работающую солнечную батарею). Поглощая их, фотоэлемент снова излучает фотоны, часть которых уже имеет достаточно высокую энергию, чтобы сработал термофотовольтаический элемент.

Таким образом, ТВЭ как бы говорит источнику тепла: “Ты дал мне много плохих (низкоэнергетических) фотонов, я не могу ими воспользоваться. Возвращаю их обратно тебе. Переделай хотя бы часть из них в высокоэнергетические, пожалуйста”. И тот действительно “переделывает”.

В экспериментах использовался ТВЭ из арсенида индия–галлия (InGaAs) и золотое зеркало. В качестве источника тепла применялась графитовая лента, раскалённая электрическим током до 1207 °С. Адаптация такого ТВЭ с зеркалом к улавливанию инфракрасных фотонов, испущенных солнечной батареей (которая, разумеется, гораздо холоднее), возможно, потребует отдельных исследований.

Между тем, по расчетам авторов, эффективность ТВЭ в 29% – отнюдь не предел. Так, они собираются увеличить отражательную способность зеркала, добавив к золоту слой диэлектрика.

“Просто увеличив отражательную способность [зеркала], мы получим 36-процентную эффективность. Но мы знаем, что можем достичь 50-процентной эффективности, внеся другие изменения в [термофотовольтаический] элемент с использованием проверенных в научной литературе методов”, – обещает первый автор статьи Зунаид Омаир (Zunaid Omair), также из Калифорнийского университета в Беркли.

К слову, самые эффективные модели солнечных батарей тоже используют заднее зеркало, чтобы возвращать прошедшие мимо них фотоны видимого света. Таким образом, одно и то же зеркало может приносить двойную пользу, возвращая фотоэлементу упущенный свет, а ТВЭ – инфракрасное излучение.

По мысли авторов, подобные технологии в перспективе помогут создать беспилотники, которые держатся в воздухе несколько дней, космические зонды, которым хватает энергии на столетия, и миниатюрные батареи, обеспечивающие электричеством жилой дом.

“Термофотовольтаики компактны и чрезвычайно эффективны в широком спектре [вариантов] применения: от тех, которые требуют всего 100 ватт, как лёгкий беспилотный летательный аппарат, до тех, что [требуют] 100 мегаватт и [обеспечивают] электричеством 36 тысяч домов”, – утверждает Яблонович.

___
Источник: nauka.vesti.ru

Современные беспилотники от таких компаний, как DJI и Parrot, уже давно имеют собственные инструменты для избежания столкновений с элементами ландшафта, но когда дроны сталкиваются с обилием препятствий и крайне ограниченным пространством, например, в лесу, автономная навигация затруднена и стандартные алгоритмы уже не справляются. Вот почему ученые из Intel Labs и мексиканского Центра перспективных исследований при Национальном политехническом институте попытались решить данную проблему при помощи машинного обучения и набора 3D-датчиков.

Исследователи поделились результатами проделанной работы в статье «Автономная навигация беспилотных летательных аппаратов в неизвестных загроможденных средах», опубликованной на сервере препринтов Arxiv.org, где утверждается, что в проведённом ими тестировании новый алгоритм навигации, проверенный на дронах Intel Ready to Fly, продемонстрировал отличную производительность.

«Автономная навигация в неизвестном окружении с ограниченным пространством является одной из фундаментальных проблем в робототехнике, особенно в задачах по поиску и спасанию, сбору информации и проверки промышленных и гражданских сооружений», — написали соавторы. «Хотя картографирование, планирование и генерацию траекторий можно считать давно изученными задачами, которые можно решить с учётом определенных комбинаций роботизированных платформ и окружений, системы, объединяющие все эти инструменты для навигации дронов, всё еще отсутствуют».

Новая система навигации использует набор 3D-датчиков и модуль одометрии и состоит из трёх компонентов: 1 — алгоритм, который создаёт карту пространства при помощи датчиков глубины,  2 — модель, которая генерирует траектории безопасные для навигации, учитывая ограничения поля обзора, и 3 — модель, которая планирует непосредственное передвижение беспилотника по безопасному маршруту. На этапе картирования алгоритм формирует облако точек, а затем добавляет его к отображению на карте занятого пространства беспилотника. Данные об окружении собираются в режиме реального времени и на их основе непрерывно просчитываются варианты возможных траекторий, чтобы выбрать наиболее короткую и надёжную из них, при этом система пытается обеспечить постоянную ориентацию дрона в пространстве таким образом, чтобы датчики получали максимум информации.

Чтобы проверить работу своего решения, исследователи провели эксперименты как в реальных условиях, так и в виртуальной среде, используя фреймворк Robotic Operating System Kinetic. Они сообщают, что в одном из тестов время, необходимое дрону для начала движения в заданных условиях, составило 3,37 миллисекунды по сравнению со стандартными алгоритмами, где ему потребовалось 103,2 миллисекунды  в одном варианте и 35,5 миллисекунды в другом, а на составление карты пространства и  расчёт траектории движения потребовалось 0,256 миллисекунды против 700,7 и 2,035 миллисекунды.

Конечно, пока ещё новая система не идеальна. Команда отмечает, что их алгоритм имел тенденцию в тестах генерировать несколько более длинные маршруты, чем оптимальные, которые можно было бы использовать при ручном управлении, и что он не смог достичь целевой точки назначения в симуляции лабиринта с очень тесными пространствами. Тем не менее, учёные считают, что их работа в будущем может привести к появлению решений, которые объединят инструменты по расчёту траектории при помощи сканирования пространства и модели для динамического предсказания препятствий, что поможет дронам значительно более эффективно ориентироваться в сложных условиях.

На видео можно наглядно посмотреть на тестирование системы.

___

Источник: 3dnews.ru

Лазерное сканирование применяют в самых разных отраслях — от инвентаризации земельного имущества до использования в изыскательных работах и городском планировании. Процесс осуществляется с помощью беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), а также специального лазерного сканера, работающего по технологии LiDAR (Light Detection and Ranging).

Суть метода – в дискретном сканировании определенных наземных участков и объектов, находящихся на них. Путь лазера, его направление и общее время прохождения регистрируется и фиксируется: лазер отражается от одной или нескольких точек в пространстве, прибор это фиксирует. Приемник, поддерживающий технологии ГЛОНАСС и GPS, определяет текущее расположение сканера. Совместно с ним функционирует инерциальная навигационная система. Таким образом, определение абсолютных координат отмеченных точек отражения однозначно возможно, если известны координаты и углы разворота сканирующего прибора.

Лазерное сканирование применяется для создания карт местности масштабом от 1:500 до 1:5000. Этот метод характеризуется высокой точностью данных (от 5 до 8 см) и детальностью отрисовки – от 20 до 50 см. Ширина охвата – около 1,5 км. За сутки удается исследовать порядка 800-1000 километров поверхности Земли. Особенно эффективно технология лазерного сканирования для обследования малообжитых участков.

Чтобы лазерное сканирование давало больше информации, проводится одновременная аэрофотосъемка территории с помощью камеры высокой детализации. таким образом удается решить следующие задачи:

• Создание новых, а также обновление имеющихся топографических планов.
• Мониторинг имеющихся объектов на участках.
• Изучение территории, а также основных геологических процессов, которые могут представлять потенциальную опасность.

У метода лазерного сканирования с беспилотных летательных аппаратов есть преимущества и недостатки. Рассмотрим их подробнее.

Преимущества лазерного сканирования

• Быстрота. Общая скорость работы и последующей обработки данных, полученных лазерным сканированием, в несколько раз выше, чем при обычной геодезии.
• Гибкость. Сложный рельеф, плохая видимость и прочие неблагоприятные условия не будут помехами в работе.
• Высокая точность. Лазерное сканирование с воздуха сопоставимо с наземными геодезическими работами.
• Расширенная функциональность. Благодаря этой технологии возможно 3D-сканирование проводов и различных висячих конструкций.

Недостатки лазерного сканирования с БПЛА

• Высокая стоимость оборудования. Лёгкие лазерные сканеры, которые можно использовать с беспилотных аппаратов, стоят очень дорого, и в их использование с БПЛА надо закладывать соответствующие риски. По этой же причине основная сфера применения ВЛС – с пилотируемыми летательными аппаратами.
• Бюджетные сенсоры характеризуются низкой детальностью и охватом, поэтому отличаются низкой производительностью и ограниченностью в сферах применения.
• Зависимость от метеорологических и климатических условий. Например, снежный покров препятствует получению данных о рельефе поверхности.
• Низкая точность и отсутствие детальности при съёмке вертикальных поверхностей и плоскостей.

Недостатки воздушного лазерного сканирования удаётся минимизировать с помощью комбинирования метода с наземным и мобильным лазерным сканированием, но такой подход увеличивает как сроки, так и бюджеты на получение и обработку информации.

Использование в различных отраслях

Данная технология широко применяется для создания моделей объектов горнодобывающих предприятий в 3D. Также она эффективна при составлении подробных планов и карт земельных участков, на которых осуществляется производство.

Лазерное сканирование позволяет решить следующие вопросы:

• Способствует освоению и изучению новых месторождений.
• Оценка общего объема перемещенной породы.
• Моделирование карьеров в 3D
• Съемка объектов на территории с целью их дальнейшей реконструкции.
• Оценка ситуации при чрезвычайных происшествиях.
• Создание виртуального моделирования участков для проведения презентаций.

Применение в городском планировании

Воздушное лазерное сканирование используется при создании трехмерных изображений населенных пунктов. В работе применяются инерциальные системы, приборы спутникового позиционирования, фотокамеры высокого разрешения, а также лазерные сканеры для БПЛА.

С помощью этого оборудования осуществляется съемка:

• автомобильных трасс;
• эстакад и мостов для создания из 3D-моделей;
• улиц населенных пунктов различного назначения для составления топографических планов;
• ж/д путей.

ВЛС позволяет получить точную информацию, касающуюся рельефа местности, расположения объектов на изучаемой территории, гидрографии и растительном покрове. Именно поэтому сфера применения технологии распространяется также на изучение линий электропередач, нефтегазовую и другие отрасли.

Источник: drone-port.ru

Тепловизор – прибор, позволяющий получать фото- и видеоизображения тепловой картины объекта. Отображаемые сигналы устройства лежат вне пределов диапазона оптического спектра. Предел обнаружения тепловых различий современными тепловизорами очень мал и составляет всего лишь 0,01 градуса. Информация, считываемая устройством, отображается на дисплее в виде цветовых пятен и записывается в память для последующего анализа.

Для каких целей применяются тепловизоры

Беспилотные летательные аппараты, оснащенные тепловизором, могут использоваться для разных целей. В их число входит:

• проверка утечек тепла через стены и кровлю промышленных зданий;
• проверка работы электроподстанций без предварительного отключения оборудования;
• проверка линий высокого напряжения даже в самых труднодоступных местах;
• удаленное обнаружение утечек на трубопроводах и предприятиях нефтегазовой сферы;
• проверка температуры сельскохозяйственных полей, обнаружение проблем оросительных систем;
• обнаружение лесных пожаров и анализа их распространения (тепловизор способен обнаруживать, в том числе и подземные очаги возгорания);
• поиск пропавших людей даже в самой труднодоступной местности;
• применение для охоты в темное время суток.

Тепловые камеры стали использоваться в качестве полезной нагрузки беспилотных летательных аппаратов не так давно. На сегодняшний день одну из лидирующих позиций в сфере производства тепловизоров занимает компания FLIR Systems. Приборы, совместимые с фирменным программным пакетом FLIR Tools, позволяют настраивать параметры съемки и получать качественные изображения, которые можно использовать для профессиональных отчетов. Впрочем, наряду с данным производителем, существует еще несколько компаний, продукция которых также заслуживает внимания. Далее представлены несколько наиболее распространенных моделей тепловизоров, используемых для беспилотных летательных аппаратов.

FLIR Duo

Один из самых доступных и качественных приборов от компании FLIR Systems. Размеры тепловизора совпадают с размерами экшен-камеры GoPro (41×59×29,6 мм). Прибор имеет два объектива для съемки тепловых и оптических изображений. Оптический объектив ведет съемку в формате Full HD (1920×1080), тепловой – с разрешением 160х120 пикселей. Используя режим «картинка в картинке», можно совмещать оба типа изображений. Передача видео с обоих датчиков осуществляется с помощью HDMI или miniUSB кабеля.

FLIR Duo имеет ряд полезных функций:

• встроенная запись;
• дистанционное управление функциями камеры с помощью приложения на мобильном устройстве iOS или Android;
• управление камерой по ШИМ (PWM);
• эксклюзивная функция MSX, наложения тепловизионного и видео изображений друг на друга в реальном времени.

Yuneec CGO-ET

Yuneec CGO-ET, разработанный довольно известным китайским производителем, представляет сочетание тепловизионного модуля и светочувствительной камеры на трехосевом подвесе, способном вращаться на 360°.

Тепловизор выборочно измеряет разницу температур и показывает данные на экране. С помощью RGB-камеры, которая в 20 раз чувствительнее человеческого глаза, можно выполнять прекрасные снимки даже в условиях ограниченного освещения. На экран пульта управления изображение может транслироваться отдельно или же в наложенном виде.

Угол зрения оптического объектива составляет 90 градусов, термального объектива FOV – 71 градус по диагонали. Оптическая съемка ведется в формате 1920х1080 пикселей, термальная – 160х120 пикселей.

При своих размерах 81x108x138 мм Yuneec CGO-ET весит 275 грамм. Рабочие температуры камеры – от -10° до +180°С.

Workswell WIRIS Mini Heat Vision

Прибор, разработанный чешским производителем Workswell – лидером европейского рынка термографических продуктов, был создан специально для БПЛА. Устройство отличается довольно компактными размерами (85х65х45 мм) и небольшим весом – 160 грамм. Сочетает в себе тепловую и оптическую камеры. Разрешение тепловизора позволяет получать картинку в формате 384х288 пикселей, доступно 12-кратное увеличение изображения. Также тепловизор отличается высокой точностью измерения температуры в широком диапазоне. В комплекте прилагаются две сменные линзы – 71 градус (6,8 мм) и 35 градусов (13 мм).

Оптическая съемка ведется в режиме 1600х1200 пикселей, возможно 16-кратное цифровое масштабирование.

Данные оптической и тепловизионной съемки могут храниться как во внутренней памяти устройства, так и на внешней SD-карте.

Все настройки прибора легко контролировать и изменять в процессе полета. При этом после выключения камеры все установленные режимы съемки сохраняются.

Для анализа полученной информации применяется приложение CorePlayer, позволяющее редактировать данные и экспортировать их в других форматах.

FLIR Vue Pro R 640

Данный прибор выпускается в нескольких версиях, самой лучшей из которых является FLIR Vue Pro R 640 19 мм. Особенность устройства заключается в том, что именно в нем компания FLIR впервые использовала радиометрические технологии. Благодаря этому тепловизор считывает информацию о температурах с предельной точностью, определяя четкое  тепловое значение буквально для каждого пикселя в кадре. При этом тепловизионная съемка ведется в формате 640х512 пикселей, а фокусное расстояние объектива у данной модели составляет 19 мм.

Так же, как и остальные подобные устройства, FLIR Vue Pro R 640 может вести съемку в оптическом формате.

Управлять настройками съемки можно при помощи MAVLink – протокола обмена информацией между наземной станцией и летательным аппаратом. Пилот может выбирать цветовую палитру, изменять масштаб изображения, запускать и останавливать запись.

На сегодняшний день FLIR Vue Pro R 640 является одним из лидеров по качеству тепловизионной съемки и подходит для всех типов работ, требующих точных тепловых показателей.