Inteligentné zariadenie na diaľkové monitorovanie svetelnotech. parametrov životného prostredia

Inteligentné zariadenie na diaľkové monitorovanie svetelnotechnických parametrov životného prostredia rieši usporiadanie jednotlivých komponentov zariadenia použitím upraveného drona. Technické riešenie je alternatíva merania intenzity denného, umelého či združeného osvetlenia v určitej výške nad terénom v životnom prostredí. Monitorovanie ďalších svetelnotechnických parametrov, napr. ultrafialového (UV) žiarenia, infračerveného (IR) žiarenia slnka, farby svetla atď., súvisí s tvorbou inteligentných systémov monitorovania stavu životného prostredia.

Úvod

Určovať svetelnotechnické parametry životného prostredia meraním hodnoty intenzity denného osvetlenia na horizontálnej rovine v určitej výške je možné rôznymi spôsobmi. Prvotné merania založené na fixovaní snímačov na pomocnej konštrukcii neumožňovali dynamiku merania v rôznych výškach. Aj výstup človeka so senzorom po rebríku do určitej výšky či výlez na strechu sú poznačené možnými rizikami. Preto sa pre merania osvedčili balóny, spočiatku balóny pre vojenské účely, neskôr i pre účely meteorológie. Meteorologické balóny sú dnes pokročilejšie a vynášajú náklad – prístroj (snímač), padák a radarový kútový odrážač [1].

Obr. 1. Montáž stojana z PVC pre dron so závesným
luxmetrom RO a jeho snímačom

Nevýhodou balónov je ich unášanie vzdušnými prúdmi, a hoci existujú nástroje na predikciu letu a miesta pristátia balónu, s úplnou presnosťou sa toto miesto nedá určiť. Preto je balón vybavený GPS modulom pre zisťovanie polohy. Elektronika v sonde počas letu posiela na zem rádiovým prenosom požadované údaje (intenzitu osvetlenia, UV žiarenia, GPS polohu a i.), tie však môžu byť nepresné v dôsledku tienenia svetelných lúčov hmotou balónu.

Vďaka telemetrii je možné sledovať aktuálnu polohu a výšku balónu a pri klesaní nájsť miesto dopadu. Náklad by mal aj po dopade na zem vysielať rádiový signál, vďaka ktorému je možné náklad (snímač) dohľadať aj v náročnejšom teréne. Nevýhodou tohto riešenia je zložitá manévrovacia schopnosť balónu a možnosť poškodenia sondy pri pristávaní padákom. Veľkou výhodou balónov s meracími snímačmi je však výška doletu až do 30 km, ktorú lietadlami nemožno dosiahnúť.

Obr. 2. Kovový stojan pre dron so závesným
luxmetrom RO a jeho snímačom

Pre tento diaľkový prieskum Zeme boli neskôr nasadené vzducholode, lietadlá, vrtuľníky, družice a satelity. Prvé aplikácie boli pre vojenské účely, neskoršie aj pre civilné využitie.

Podľa umiestnenia snímačov sa diaľkový prieskum delí na letecký a kozmický. Pri spomínaných aplikáciách je dôležité, aby snímač svetelnotechnických parametrov nebol tienený hmotou balóna, helikoptéry či lietadla.

Letecký diaľkový prieskum v menších výškových doletoch, približne pár desiatok metrov, môžu zabezpečiť aj drony. Dron je diaľkovo riadené bezpilotné lietadlo – UAV (Unmanned Aerial Vehicle). Inteligentné drony – multikoptéry s GPS, si zapamätajú miesto vzletu a vrátia sa naň, vyhýbajú sa prekážkam vďaka zabudovaným senzorom, vytvárajú prostredníctvom zabudovanej kamery fotografie a videozáznamy, možno im zadať trasu letu, zostávajú visieť na jednom mieste a to je výhoda pri monitoringu merania parametrov príslušnými snímačmi v danej výške. Je to teda nové využitie dronu pri meraní svetelnotechnických parametrov životného prostredia. Prevádzkovanie multikoptéry sa posudzuje ako výkon letových prác, preto táto činnosť podlieha oprávneniu na výkon od Dopravného úradu. Doterajšie využitie multikoptér závisí od ich konštrukčného riešenia, použitých materiálov, nosnosti nákladu, prevádzkovania – funkčnosti akumulátorov.

Obr. 3. Montáž kovového stojanu s PVC nadstavcom pre dron
so závesným luxmetrom RO a jeho snímačom

Popisovaná navrhovaná aplikácia sa týka využitia dronu – multikoptéry – pre potreby monitorovania svetelnotechnických parametrov. Jedným z riešení je dron, teda inteligentná multikoptéra s kamerou a vysielačom s ovládacími prvkami, pričom k stojkám na spodnej časti multikoptéry je upevnená závesná konštrukcia pre uchytenie meracieho zariadenia na požadované meranie v podvese. Dron je potrebné upraviť predĺžením nožičiek stojanu prídavnou konštrukciou. Táto konštrukcia zo štyroch samostatných nožičiek je fixovaná k zvislej časti stojanu dronu lepiacou páskou. Ďalšou alternatívou je zhotovenie samostatného stojana pre dron, kde je možné merací prístroj použiť v závese.

Snímač intenzity osvetlenia, resp. UV žiarenia je umiestnený hore na vrchu dronu a fixovaný napr. obojstrannou lepiacou páskou, pričom káblové spojenie snímača s meracím prístrojom v podvese je fixované páskou na telo dronu. Pri bezdrôtových snímačoch nie je prepojenie s meracím prístrojom potrebné. Dôležitým konštrukčným riešením je umiestnenie senzora centrálne na vrchu dronu polohovo aj výškovo tak, aby senzor nebránil rotačnému pohybu vrtúľ dronu.

Obr. 4. Zariadenie pred vzletom

Podstata technického riešenia zariadenia na monitorovanie svetelnotechnických parametrov v životnom prostredí

Podstatu zariadenia na diaľkové monitorovanie svetelnotechnických parametrov životného prostredia upraveným dronom tvorí samotný dron s kamerou – inteligentná multikoptéra minimálne so štyrmi vrtuľami a s kamerou schopnou vytvárať videozáznam a fotografie. Štvorsmerový systém detekcie prekážok umožňuje vyhýbať sa im za letu. Táto multikoptéra má v nosnej konštrukcii záves s kamerou a systémy detekcie prekážok (spodný a predný), USB port, LED indikátor kamery, slot pre kartu micro SD kamery, predné LED, letový indikátor modulu, motory, vrtule, antény v tvare stojky pre pristávanie, inteligentný pohonný akumulátor s indikátorom stavu a hlavný vypínač.

Dron je riadený vysielačom s ovládacími prvkami pre vytváranie snímok, videozáznamov, nastavovanie expozície, ovládanie závesu kamery a navigovanie dronu. Obraz z kamery je možné v reálnom čase sledovať na výklopnej obrazovke monitoru. Súčasťou vysielača sú okrem rôznych ovládačov a oznamovačov aj antény, držiak, akumulátor a nabíjacia zásuvka. Dron a vysielač sú komerčne dostupné.

Pre monitorovanie svetelnotechnických parametrov je potrebné k spodnej časti dronu k stojkám upevniť závesné zariadenie a na to umiestniť merací prístroj pre požadované zámeranie, pričom snímač príslušného svetelnotechnického parametra (pre intenzitu osvetlenia, UV žiarenia, IR žiarenia a pod.) je fixovaný obojstrannou lepiacou páskou a bude lokalizovaný na vrchu dronu medzi vrtuľami a spojený káblom fixovaným lepiacou páskou k telu dronu. Záves s meracím prístrojom musí byť v takej vzdialenosti od kamery, aby bolo možné kameru natáčať nielen pre sledovanie okolia, ale aj pre odčítanie meraných hodnôt na oznamovači (displeji) meracieho prístroja v danom čase. Preto je merací prístroj spravidla v podvese pod stojkou dronu. Pre upevnenie závesnej konštrukcie s meracím prístrojom je potrebné dron pred uvedenou montážou upraviť predĺžením nožičiek prídavnou konštrukciou. Táto konštrukcia zo štyroch samostatných nožičiek je fixovaná k zvislej časti stojanu dronu lepiacou páskou. Dĺžka nožičiek musí byť väčšia ako dĺžka podvesu s meracím prístrojom. Prídavný stojan umožňuje montáž závesného zariadenia s meracím prístrojom, čím vytvára aj východiskovú polohu pre štart a bezpečné pristátie bez možného mechanického poškodenia meracieho prístroja [2].

Obr. 5. Let dronu s luxmetrom v závese so snímačom
intenzity osvetlenia

Prídavná konštrukcia dronu musí byť pevná, stabilná a relatívne ľahká, napr. z plastu, pretože konštrukcia nemá spolu so závesnou konštrukciou a meracím prístrojom so snímačom znižovať celkovú predpísanú únosnosť dronu. Vhodným riešením prídavnej konštrukcie je plastový pozdĺžny prvok tvaru U alebo C, ktorý sa dá zboku jednoducho nasunúť na pôvodné poplastované kruhové stojky dronu.

Tablet slúži na zaznamenávanie údajov zo snímkovania počas letu dronu (čas, meraný parameter, výška a pod.), resp. po ukončení meraní na ich vyvolávanie príslušným softvérom a na prehrávanie videozáznamu či fotografií a spracovanie protokolov z meraní z USB kľúča. Zariadenie môže obsluhovať minimálne jedna osoba, ak nie je potrebné zaznamenávať priebežne merané údaje na tabletový počítač, čo býva spravidla pri kontinuálnom zaznamenávaní údajov programovateľným meracím prístrojom. V opačnom prípade je k obsluhe potrebných viac osôb.

Interakcie medzi človekom obsluhujúcim dron a vysielačom spočívajú v jeho navigovaní na miesta merania, pričom je spätné odosielanie informácií a obrazu z dronu do vysielača. Na displeji vysielača sa zobrazujú letové údaje a možnosti natáčania kamery pre tvorbu fotografií či videozáznamov. Ďalšou činnosťou je zaznamenávanie a vyhodnocovanie údajov o meraní z meracieho zariadenia cez kameru dronu do tabletu v priebehu meraní alebo po ukončení prehratím videozáznamu.

Obr. 6. Dron s predĺženými nožičkami pred vzletom so závesným luxmetrom Roline RO 1322 a jeho snímačom v podvese

Fotodokumentácia realizovaného zariadenia na meranie svetelnotechnických parametrov životného prostredia

Pri genézi vzniku spomínaného zariadenia boly využité rôzne spôsoby:

a) prvým riešením bola montáž stojana pre vzlet a pristávanie dronu so závesným zariadením, kde bol umiestnený digitálny luxmeter Roline RO 1322 spolu so snímačom. Použité boli dostupné materiály z plastu a papiera, no nevyznačovali sa veľkou stabilitou (obr. 1),

b) následne bol zhotovený stojan z kovu (obr. 2), no pre obmedzenie funkcie GPS bol zvolený prídavný plastový nadstavec (obr. 4 a obr. 5),

c) ďalšou alternatívou riešenia boli prídavné nožičky na dron podľa uvedeného popisu a obr. 6,

d) posledným riešením pre zabezpečenie objektívnosti meraní, teda netienenia snímača svetelnotechnických parametrov hmotou dronu, je umiestnenie snímača v hornej zóne na chrbte dronu. Bolo nutné použiť iný snímač ako pôvodný, ktorý je rozmerovo vhodný a nebráni rotačnému pohybu vrtúľ dronu (obr. 7 a obr. 8).

Obr. 7. Schéma zariadenia pre meranie svetelnotechnických parametrov dronom
s meracím prístrojom v podvese a snímačom na chrbte dronu

Záver

Zariadenie na diaľkové monitorovanie svetelnotechnických parametrov životného prostredia upraveným dronom môže slúžiť na merania intenzity osvetlenia (denného, umelého či kombinovaného osvetlenia), UV žiarenia, IR žiarenia a pod., teda parametrov, keď snímač nie je tienený hmotou dronu. Využiť ho možno pri meraní denného osvetlenia in situ snímačom v určitej výške nad terénom pri nezatienenom horizonte k určovaniu oblohovej horizontálnej osvetlenosti E_v,d (lx) pre výpočet činiteľa dennej osvetlenosti D (%) v mestskej zástavbe. Merania možno aplikovať v exteriéri, napr. verejné osvetlenie, alebo i v interiéri halových objektov a tiež môžu slúžiť na verifikáciu parametrov osvetlenia v podmienkach in situ oprávnenými osobami alebo orgánmi verejného zdravotníctva.

Obr. 8. Dron s namontovaným snímačom Lux – sonde Typ FL A613 – VL Ahlborn
na chrbte dronu medzi vrtuľami

Využitie je možné v oblasti tvorby inteligentných systémov monitorovania stavu životného prostredia s dôrazom na svetelnotechnické parametre pri dodržaní všetkých legislatívnych predpisov a oprávnení na prevádzkovanie dronu. Popisované zariadenie je možné využívať aj pri meraniach svetelnotechnických parametrov pri fotovoltaických zariadeniach na strechách a na iných nedostupných miestach pre výskumné účely, resp. iné potreby praxe. 

Poďakovanie: Tento článok vznikol s podporou Agentúry na podporu výskumu a vývoja MŠ SR projekt č. APVV – 16 – 0192.

doc. Ing. Marián Flimel, CSc., autorizovaný stavebný inžinier
Fakulta výrobných technológií TUKE so sídlom v Prešove

Literatúra:
[1] FLIMEL, M., M. RIMÁR a M. ABRAHAM. Zariadenie na diaľkové monitorovanie parametrov životného prostredia s použitím dronu. Slovenská republika. Zverejnený priemyselný úžitkový vzor PUV 50107-2018.
[2] FLIMEL, M., M. RIMÁR, M. ABRAHAM a J. VÁHOVSKÝ. Zariadenie na diaľkové monitorovanie parametrov životného prostredia upraveným dronom. Slovenská republika. PUV 50008 – 2019 (v konaní).

---

Vyšlo v časopise Elektro č. 2/2020 na straně 39.
Tištěná verze – objednejte si předplatné: pro ČR zde, pro SR zde.
Elektronická verze vyšlých časopisů zde.