Использование полезной нагрузки БПЛА мультироторного типа для мониторинга заторов и аварийных ситуациях на дорогах с помощью лидарного датчика ToF.

Введение

Применение БПЛА довольно быстрыми темпами распространяется среди хозяйственных отраслей человеческой жизнедеятельности, что является подтверждением их универсальности и высокой эффективности для решения задач различного типа. Технологии БПЛА доверяют не только области, связанные с наблюдением и контролем в вопросах мониторинга статичных и строящихся объектов, но и оценку и детализацию чрезвычайных ситуаций различной степени критического состояния.
Одной из таких задач, которые могут решаться с использованием беспилотников, является мониторинг дорожного движения. В данном вопросе происходит очевидная интеграция военных технологий и гражданского обеспечения безопасности. Многочисленные тестовые внедрения и пилотные осмотры, организованные совместно с наземными силами, показали результаты высокого качества. Например, в Израиле в ходе такого эксперимента представитель полиции совместно с группой специалистов компании Aeronautics находился внутри наземной станции управления беспилотным летательным аппаратом Aerostar, в то время как пять патрульных машин, оснащенных видеотерминалами Aeronautics, получали видео с БЛА в режиме реального времени. Необходимо отметить, что этот опыт не первый – год назад израильская полиция совместно с компанией Elbit уже проводила эксперименты по аэропатрулированию при помощи беспилотников. Дорожная полиция Израиля изучает результаты этих испытательных полетов и всерьез рассматривает возможность регулярного использования беспилотных авиационных систем в качестве одного из основных инструментов в продолжающейся кампании по улучшению дорожного движения и повышению безопасности на дорогах.
Мировые тенденции не обошли стороной и в отечественной ГИБДД, которая также апробировала на практике последние технические достижения – упоминавшийся выше БЛА ZALA 421-08 применялся в ходе Московского авиационно-космического салона «МАКС-2007». С его помощью ГИБДД получила возможность оперативного обнаружения «проблемных» мест на дорогах и, соответственно, перераспределения транспортных потоков во избежание заторов. Впрочем, по-видимому, это была только «проба пера». Для полноценного мониторинга дорожного движения эффективнее использовать более крупные аппараты с большей продолжительностью полета и более качественными приборами наблюдения.
Очевидно, что технология БПЛА имеет высокую значимость к применению в сфере автодорожной безопасности, но любую технологию можно усовершенствовать с применением более чувствительной технологии, которая ранее планировалась под абсолютно другие цели. В данной работе к рассмотрению принята технология БПЛА с датчиком ToF, данный тип датчиков имеет свою специфику и в настоящее время находится на стадии апробации, но у него есть ряд особенностей, которые могут значительно повысить качество мониторинга движения и оценки аварий.
Таким образом, актуальность рассматриваемой темы носит высокую степень практической ценности, заключаясь в понимании вопросов эффективности и использование полезной нагрузки БПЛА мультироторного типа для мониторинга заторов и аварийных ситуациях на дорогах с помощью лидарного датчика ToF.
Цель работы заключается в понимании использования полезной нагрузки БПЛА мультироторного типа для мониторинга заторов и аварийных ситуациях на дорогах с помощью лидарного датчика ToF.
Задачи работы:
 рассмотреть особенности лидарного датчика ToF;
 охарактеризовать полезные свойства лидарного датчика ToF для мониторинга заторов и аварийных ситуациях на дорогах;
 рассмотреть варианты применения БПЛА мультироторного типа для мониторинга заторов и аварийных ситуациях на дорогах с помощью лидарного датчика ToF.


1. Особенности лидарного датчика ToF

Сегодня для бесконтактного определения расстояния до объекта доступны датчики, созданные по нескольким технологиям:
• инфракрасные датчики;
• ультразвуковые датчики;
• ToF-датчики;
• лазерные датчики и так далее.
Работа датчиков ToF (Time-of-Flight), или времяпролетных датчиков, может быть основана на светодиодном или лазерном излучении. Лазерные ToF-датчики позволяют измерять расстояния с высокой точностью и высокой частотой, при этом такие датчики имеют малое энергопотребление и привлекательную цену. Такие устройства успешно применяют в областях, где необходимо измерение расстояний в пределах единиц метров, например, в бытовой и компьютерной технике.
Широкое распространение эти датчики получили также в робототехнике для обнаружения ступеней и предупреждения столкновений, например, в роботах-пылесосах, игрушках, в системах БПЛА, в том числе для автоматической посадки, в области IoT, в системах «умный дом» для управления жестами, а также в системах безопасности. Учитывая, что уровень излучения таких датчиков абсолютно безопасен для глаз, их начинают активно использовать в системах определения наличия сотрудников на рабочем месте, добавляя датчик в монитор ноутбука рядом с камерой [3].
В промышленности лазерные датчики могут быть задействованы в производственном процессе для технологического контроля, а также в различных сканерах штрихкодов для уменьшения времени сканирования. ToF-датчики можно использовать в системах управления складских помещений и в автоматизированных логистических центрах, где эти устройства могут, например, контролировать зазоры для точного позиционирования товара на стеллаже. Иногда эти устройства используются для контроля остатка товаров в торговых автоматах или на прилавках.
В отличие от традиционных инфракрасных датчиков, которые измеряют количество отраженного света и зависят от отражающей способности поверхности объекта, датчики ToF напрямую измеряют расстояние до объекта по времени отражения испускаемых фотонов, что позволяет точно определять расстояние, независимо от характеристик поверхности объекта. Датчики ToF исполняются в миниатюрном модуле, который содержит лазерный драйвер и вертикально-излучающий диод (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL) первого класса безопасности для глаз, а также фотодетектор на основе однофотонных лавинных диодов (Single Photon Avalanche Diode, SPAD), что обеспечивает ToF-датчикам ST непревзойденную скорость и надежность определения расстояния до объектов.
Принцип работы ToF-датчиков показан на рисунке 1. Лазерный диод (эмиттер) излучает фотоны, а фотодетектор регистрирует отраженный луч. По времени, за которое фотоны отражаются от объекта, ToF-датчик определяет расстояние. Преимуществом датчика является способность обнаруживать темные предметы с низким коэффициентом отражения, в то время как для обычных инфракрасных датчиков отраженного света может оказаться недостаточно.

Рис. 1. Принцип работы ToF-датчика
ToF-датчики позволяют измерять дальность объекта вне зависимости от размера, материала, цвета и коэффициента отражения его поверхности. Длина волны излучения диодов, использующихся в датчиках, составляет 940 или 850 нм, что находится в невидимом спектре. В зависимости от типа датчика можно измерять дальность объектов до 4 м (в темноте от белых поверхностей) за десятки миллисекунд с углом обзора до 27°, а датчик с оптическими элементами на приемной матрице и излучающем диоде позволяет расширить угол до 61°. Некоторые датчики позволяют обнаруживать одновременно несколько объектов и выделять области обнаружения, настраивая размер приемной матрицы [6].
Обзор номенклатуры, сравнительные таблицы с параметрами.
В настоящий момент на рынке присутствуют несколько типов и назначений. Основные параметры и характеристики датчиков указаны в таблице 1.

Таблица 1. Основные параметры ToF-датчиков