Konstrukce systému spektrálních kamer, termokamery a DJI A3

Systém pro včasnou predikci napadení lesního porostu kůrovcem je unikátní svou konstrukcí. Disponuje kombinací multispektrální kamery, hyperspektrální kamery a termokamery. Tím lze získat triplet snímků, které postihují šířku spektra od 675nm do 1800nm a infraspektrum. Celý systém je umístěn na stabilizačním systému RONIN MX, který je nesen bezpilotním prostředkem DJI Matrice 600 PRO.

Jaké problémy se řešili

Hmotnost

Celková nosnost dronu je 15kg. Z toho samotný dron váží 9kg. Nosností je také omezen samotný stabilizační závěs, který má maximální hodnotu 5,5 kg. Muselo se vyřešit, jak jednotlivá zařízení společně umístit na gimball tak, aby byl vyvážen a zvládnul korigovat výkyvy dronu. Hmotnosti kamer jsou jasně dány. Jediným zařízením, které značně ovlivňuje celkovou hmotnost je MINI PC, které slouží k ovládání a ukládání dat spektrálních kamer.

Ukládání dat a ovládání spektrálních kamer

Jak bylo uvedeno v předchozí kapitole, důležitým zařízením celého systému je počítač pro ovládání a ukládaní dat ze spektrálních kamer a to nejenom z pohledu hmotnosti. Důležitým parametrem je dispozice dvou 1Gb LAN vstupů, protože komunikace se spektrálními kameramy lze pouze přes LAN GigE. První volbou bylo MINI PC v podobě průmyslového počítače POC-200. Tento počítač je vysoce výkonný, pracuje na OS WIN a lze na něj velmi dobře nainstalovat SDK spektrálních kamer. Tento počítač byl také testován při samotném letu, ale bez přítomnosti termokamery. Na gimbalu byly umístěny pouze spektrální kamery. Pokud se přidala ještě termální kamery, celková hmotnost již byla příliš vysoká a prostorově se všechna zařízení na gimbal optimálně nevešla a gimbal byl příliš namáhán. Proto se hledala alternativa v podobě jednodeskového počítače. Nakonec byl vybrán AAEON - UP Squared typ UPS-APLC2-A10-0232, který je velmi lehký a lze do něj dát SSD disk, rozhraní mSATA. Také na něm lze provozovat OS WIN. Celý počítač je umístěn v lehké, na 3D tiskárně vytištěné krabičky. Díky tomu lze umístit všechna zařízení na gimbal a díky hliníkové spojovací konstrukci jsou jednotlivé komponenty jednoduše odmontovatelné. Vzhledem k tomu, že provozní napětí počítače je 5V, a napětí poskytované gimbalem je 12V, je použit napěťový regulátor, který je součástí napájecího a synchronizačního modulu.

Ovládání spektrálních kamer

Spektrální kamery mají pouze LAN GigE rozhraní, přes které lze s nimi komunikovat. Musel být napsán speciální software, který umožňuje nastavení provozních parametrů a samotné spuštění kamer pro snímání. Kamery umožňují režim snímání kontinuální, tj. snímky za sekundu nebo pomocí vstupního impulsu tzv. triggrem.

Propojení s dronem

Posledním problémem, který musel být vyřešen bylo propojení s dronem, resp. se systémem pro plánování letu. DJI poskytuje pro plánování letu software GS PRO, který umožňuje naplánovat leteckou misi s ohledem na použité kamery. Na základě definování snímané oblasti a vybraného typu kamery (šířky objektivu), software automaticky spočítá optimální trasu letu. V rámci této trasy stanový body, ve kterých budou pořizovány snímky s definovaným přesahem. Pořizování snímků lze realizovat několika způsoby:

1. Na základě času, tzn. snímky se pořizují kontinuálně každou stanovenou časovou jednotkou, např. každé 3 sekundy.
2. Na základě vzdálenosti, tzn. snímky se pořizují vždy v konkrétním bodě s příslušným přesahem z hodnot GPS.

Problémem, ale je, že uvedené způsoby snímání, lze využít pouze z proprietálními kamerami DJI. Pro snímání pomocí kamer třetích stran, se musí využít výstupu PWM autopilota F1-F4, na které lze definovat konkrétní funkcionalitu (v DJI Assistant 2). Touto funkcionalitou může být SHUTTER (spoušť). Nastavení spouště je uvedeno v článku týkajícím se triggrování termokamery WIRIS.

Zatímco pro termokameru postačuje přímé propojení mezi autopilotem a termokamerou, u spektrálních kamer je to složitější. K snímání pomocí triggeru spektrálních kamer je zapotřebí rozsah napětí 5-15V. Autopilot poskytuje při optimálním nastavení pulzu maximálně 3,3V. Z tohoto důvodu musel být navržen a vytvořen zesilovač, na který je přiveden základní impuls a na jeho výstupu je impuls o vyšší hodnotě.

Při plánování letu, lze tedy využít metody záznamu podle vzdálenosti.

Schémata zapojení

Propojení všech komponent

Propojení spektrálních kamer

Spektrální kamery jsou zapojeny jako MASTER a SLAVE. Master kamerou je SWIR a slave kamerou je HS. Do kamery MASTER je přiváděn triggerovácí impuls. Na základě závěrky MASTER kamery je vyslán synchronně impuls do SLAVE kamery a prakticky ve stejný okamžik se zaznamená snímek.

Detailní schéma zapojení kamer se zesilovačem

Konektor kamery - HS

Konektor kamery - MS