Блог: Дрони з тепловізором: теорія та практика

Тепловізійні технології у поєднанні з тепловізором здатні принести користь у багатьох сценаріях застосувань: від комерційного підприємства до державних структур, які здійснюють моніторинг та відновлення інфраструктури після воєнних прецедентів.

Дрони, що використовують тепловізійне обладнання для виявлення тепла (на додаток до оптичних відеокамер), знаходять застосування в різних ситуаціях. Від виявлення пожеж до пошуково-рятувальних операцій та інспекцій комунальних мереж — використання безпілотників з тепловізором може стати рішенням багатьох проблем у різних сферах людської діяльності.

Коптери з тепловізором у дії

Незважаючи на відносну новизну технології, вже є безліч прикладів застосування теплових дронів DJI у дії, кожен з яких може надихнути на власний варіант застосування дронів з тепловізорами:

• Під час пожежі на пасовищі в Клебурні, штат Техас, 20 березня 2022 року, використовували тепловізійні дрони для забезпечення всебічної ситуаційної поінформованості. Тепловізори на дронах допомогли бачити крізь густий дим і направляти наземні команди для безпечного реагування на вогнища. Пожежникам вдалося стримати та не допустити поширення вогню на житлові райони. За 4 години пожежу було взято під контроль.
• У 2020 році Чорнобильська зона відчуження в Україні страждала від масштабних лісових пожеж. Дрони з тепловізорами дали змогу пожежникам орієнтуватися у гарячих районах із густим димом, що сильно обмежував видимість.
• Дрони відіграли вирішальну роль у пошуку зниклих людей під час повеней та зсувів у В'єтнамі, викликаних мусонами. БПЛА виконували потрійну функцію: знімали кадри з високою роздільною здатністю, використовували термальні камери для пошуку теплових сигнатур та збирали телеметричні дані для створення 3D-моделей місцевості.
• Нафтопереробні заводи в Аргентині використовують термографічні зображення для визначення відносної енергії, виробленої інфраструктурою в різних частинах заводу. Це дає змогу інспекторам отримувати чітке уявлення про стан устаткування, не змушуючи співробітників наближатися до потенційно небезпечних ділянок.
• Безпілотники забезпечили повітряну розвідку під час витоку хімікатів у Сарасоті, штат Флорида. Тепловізори дали змогу бригадам точно визначити джерело проблеми на тлі хмари аміаку.
• Тепловізори на БПЛА забезпечили пожежників у Бентонвіллі, штат Арканзас, можливістю ретельно відстежувати температуру резервуара з легкозаймистим дифторетаном, тоді як поруч горів промисловий завод. Завдяки цьому бригада стратегічно правильно охолодила резервуар та запобігла вибуху.
• Тепловізори на дронах допомагають фермерам сканувати поля на наявність дитинчат оленів, які інакше були б приховані серед високої трави. Дитинчат оленів переправляють у безпечне місце, і фермери можуть обробляти поля, не наражаючи на небезпеку життя оленят.

Тепловізія: як працює?

Заглибимось у технічні принципи роботи тепловізійних камер. Розуміння того, як працює тепловізійне обладнання, може надихнути на ефективніше використання та нові підходи до розгортання безпілотників.

Що таке тепло

Тепло, також відоме як інфрачервоне випромінювання (ІЧ-випромінювання), — це вібрація атомів. Об'єкти випромінюють тепло залежно від того, наскільки активно рухаються їхні атоми. Термографія – це процес вивчення цих теплових сигнатур та практичного застосування знань про теплове зображення.

Люди відчувають тепло, але не бачать ІЧ-випромінювання. Чому? Тому що воно випромінюється на електромагнітній довжині хвилі поза можливостями людського ока. Тепловізори призначені перетворювати інфрачервоне випромінювання на видиме для людини.

Як працюють термальні камери

У тепловізорах використовуються спеціалізовані об'єктиви, що вловлюють ІЧ-частоти, а також теплові датчики та процесори оброблення зображень для виведення результатів на дисплей. Коли інфрачервона камера встановлюється на безпілотник, пристрій зазвичай розміщується на підвісі, який стабілізує зображення і дає змогу об'єктиву обертатися на 360 градусів.

Теплове зображення стовпа електромережі, отримане за допомогою H20T

Термальні датчики цих камер, технічно відомі як мікроболометри, останніми роками отримали помітні оновлення. Сьогоднішні моделі не вимагають екзотичних варіантів та матеріалів для охолодження, до того ж, вони стали набагато доступнішими.

Схема роботи тепловізійної камери

Схема термального датчика (мікроболометра)

Тепловізійні камери для БПЛА можуть визначати температуру поверхні багатьох об'єктів, але є винятки. Наприклад, сильно відполіровані, блискучі і відбиваючі об'єкти не поглинають багато тепла — у них низька випромінювальна здатність. Їх складно виявити за допомогою тепловізійних камер. Об'єкти з високою випромінювальною здатністю, як-от дерево, бетон або люди легко піддаються скануванню.

Деревина має високу випромінювальну здатність

Зчитування та обробка термальних зображень

Щойно безпілотники знімають теплову інформацію за допомогою своїх ІЧ-камер, ці теплові дані виводяться на екран для перегляду операторами.

За допомогою програмного забезпечення для тепловізії користувачі можуть змінювати палітру кольорів для бачення тепла у сцені. Кожен вид корисний для виділення різних деталей зображення. Опції включають:

• Гарячий білий (White Hot): більш гарячі об'єкти виглядають світлішими, а холодніші ділянки — темнішими.
• Гарячий чорний (Black Hot): протилежність гарячому білому, тут більш гарячі об'єкти темніші.
• Райдужний (Rainbow): Температура відповідає відтінкам, де «теплі» кольори позначають жар (тепло).

Звичайно, ці три варіанти — лише початок. Вдосконалені тепловізійні камери пропонують більше розмаїття. Наприклад, Zenmuse H20T пропонує 12 окремих колірних палітр.

Налаштування палітри теплових кольорів

Тип тепловізійної камери також визначає, в якому форматі знімаються й зберігаються зображення. Дешевші моделі записують знімки у вигляді простих зображень, просунуті рішення містять GPS-мітки та відповідні термографічні дані й показники температури. Термографічні дані можуть бути вивчені додатково за допомогою інструмента DJI Thermal Analysis Tool.

Точні термальні вимірювання

Навіть високоефективні тепловізори мають справлятися з різними чинниками довкілля, які можуть ускладнити отримання точних показників температури поверхні. До них відносяться атмосферні умови — спека, вологість, хмари, дощ чи снігопад, що здатні завадити точності тепловізійних камер. Їм складно працювати зі склом, оскільки воно може вловлювати тепло від сонця, землі або іншого об'єкта.

Покриття поверхні об'єкта також може вплинути на здатність тепловізійного дрона знімати показники температури. Корозія або новий шар фарби здатні змінити показники відносної температури об'єкта. Положення сонця теж може призвести до того, що предмети з однакового матеріалу виглядатимуть по-різному в тепловізійній камері.

Ефективне використання тепловізійної камери передбачає врахування таких факторів:

• Атмосферні умови
• Наявність диму, пилу та сміття
• Випромінювальна здатність
• Прозорість
• Відбивна здатність
• Час доби
• Кут огляду
• Фарба на об'єкті
• Відстань від об'єкта
• Кількість теплової енергії
• Шорсткість або гладкість поверхні

З огляду на ці особливості, можна скласти точне уявлення про теплові властивості об'єкта або ландшафту.

На показники теплових камер на поверхні може впливати низка факторів

Розширені можливості камер

Висока роздільна здатність та ширші можливості кольорового відображення — лише деякі з переваг високотехнологічних систем тепловізійних камер. У сучасному темпі розвитку технологій до нових потужних можливостей слід зарахувати:

• Корисне навантаження дронів із двома камерами: оснащені сучасними тепловізійними системами дрони можуть одночасно отримувати кілька видів зображень. Гібридні теплові корисні навантаження ― це дві камери в одній: звичайна оптична система та ІЧ-камера.
• Налаштовувані ізотермічні параметри: використовуючи панель управління такого дрона, користувачі можуть задавати ізотерми — користувацькі температурні налаштування. Наприклад, під час пошуку потенційної пожежі можна налаштувати камеру автоматично відображати зображення, що містять високотемпературні зони.
• Програмне забезпечення для тепловізії нового покоління: ПЗ, яке використовується для інтерпретації ІЧ-зображень розвивається, надаючи нові можливості, як-от відстеження температури для конкретних об'єктів, оновлення даних про температуру в реальному часі, накладання зображень у видимому світлі та ІЧ- зображень тощо. Одним із варіантів є DJI Thermal Analysis Tool.

Технології тепловізійних камер для вибору

Вибір тепловізійного корисного навантаження для безпілотника — питання узгодження можливостей обладнання з умовами застосування в організації. Є кілька факторів, які визначають, як система камер працюватиме в польових умовах, а також на яку суму розраховувати. До них відносяться:

• Поле зору (FOV): вимірює, наскільки велике зображення може отримати камера.
• Стійкість до погодних умов: вимірюється ступінь пило- та вологозахисту (IPхх) й визначається стійкість обладнання щодо впливу стихій, включаючи вологу від дощу та туману.
• Спектральний діапазон: спектральна смуга — електромагнітний діапазон, який виявляє ІЧ-датчик камери.
• Теплова чутливість: цей параметр визначає ступінь, в якому датчик може вимірювати різницю температур, також називається шумовим еквівалентом диференціальної температури (NEDT).
• Роздільна здатність зображення: ця характеристика відображає, скільки пікселів входить у цифрове зображення, визначає рівень деталізації.

Mavic 2 Enterprise Advanced: 640x512 (ліворуч) проти Mavic 2 Enterprise Dual: 160x120 (праворуч)

Залежно від завдань та умов використання БПЛА з тепловізором можна обрати корисне навантаження із серії Zenmuse H20 під потреби:

• Zenmuse H20T:  стандартна Zenmuse H20 — це трисенсорна камера для безпілотників, що складається з 20-Мп зум-камери, 12-Мп ширококутної камери та лазерного далекоміра на 1200 метрів. У Zenmuse H20T є також теплова радіометрична камера 640×512 пікселів. Камера генерує файли R-JPEG із вбудованою інформацією про температуру, що дає змогу проводити подальший аналіз.
• Тепловізійна камера веде запис зі швидкістю 30 кадрів за секунду, чим забезпечує високий рівень теплової чутливості. Завдяки широкій колірній палітрі, ізотермам і налаштовуваним температурним сигналам корисне навантаження забезпечує користувачів можливістю вибирати між режимами високого й низького посилення, залежно від того, потрібен їм ширший температурний діапазон чи більша чутливість.

Режим подвійної візуалізації Zenmuse H20T

• Zenmuse H20N: Корисне навантаження Zenmuse H20N схоже на H20T, але з більш досконалими функціями, пов'язаними з нічним баченням. Технологія Starlight камери нічного бачення може збільшувати зображення синхронно з тепловізійною камерою, показуючи результати на екрані подвійної візуалізації.

Завдяки двом тепловізійним камерам із збільшенням 2× та 8× система здатна збільшити зображення до 32×. Користувачі можуть ретельно вивчити будь-які гарячі точки або інші температурні аномалії.

Використання сучасних камер дає змогу безпілотним літальним апаратам брати участь у різних ситуаціях: пошук зниклих людей вночі, сканування потенційних пожеж, проведення перевірок обладнання тощо.

Застосування коптерів із тепловізором: сьогодення й майбутнє

Тепер теплові дрони виконують більше функцій, ніж у минулому, завдяки точнішим датчикам і нижчій ціні. Цей процес продовжується, постійно віднаходяться нові варіанти використання.

Якщо Ваша організація здійснює один із наступних видів діяльності, дрон із тепловізором може стати ідеальною технологією для ваших потреб:

• Гасіння пожеж: одне з найпоширеніших застосувань. Теплова картографія з повітря дає змогу пожежникам випереджати чинники ризику. Під час роботи всередині споруд можна відзначити можливі точки руйнування, а в сценаріях лісових пожеж дрони можуть допомогти бригадам зупинити просування пожежі на відкритій місцевості.
• Пошук та порятунок: під час ліквідації наслідків таких катастроф, як-от повені, зсуви ґрунту, землетруси, торнадо, урагани, російська агресія теплові безпілотники можуть допомогти командам знайти зниклих безвісти жертв навіть уночі. Ці БПЛА також здатні розшукувати заблукалих у дикій природі людей.
• Безпілотні інспекції інженерних комунікацій та шахт: Інспектування комунальної інфраструктури, від заводів та установок сонячних батарей до віддалених ліній електропередач стало простішим завдяки безпілотникам. Використання тепловізійних камер разом зі зйомкою дає змогу бригадам по-новому стежити за потенційними ризиками виходу з ладу або навіть перевіряти стан теплових панелей. Незалежно від того, наскільки великий завод чи шахта, безпілотники можуть літати над майданчиком та знімати дані.
• Інноваційне сільське господарство: спостереження за посівами і стадами з повітря. Тепловізія дає змогу фермерам вимірювати тепловий вплив на поля та відстежувати тварин навіть уночі. Поточні зусилля для підвищення ефективності сільського господарства завдяки впровадженню технологій ідеально підходять для застосування безпілотників.

Розширення використання дронів за межами функцій громадської безпеки та підвищення ефективності в комунальному та сільському господарстві відбулося відносно недавно. Це говорить про те, що користувачі постійно вигадують нові варіанти використання тепловізорів на дронах.

Якщо необхідно проводити ретельні повітряні інспекції важкодоступних об'єктів інфраструктури, стежити за персоналом чи майном у нічний час або за несприятливих погодних умов, оснащений тепловізором дрон може підійти. Оскільки корисне навантаження тепловізійних камер стає складнішим і одночасно доступнішим, можливості безпілотників майже безмежні.

Нижче ми пропонуємо варіанти комерційних безпілотників, які Ви можете вибрати для свого завдання.

DJI Mavic 2 Enterprise Advanced

M2EA — це надзвичайно компактний і легкий безпілотник, що містить широкий набір потужних функцій. Його оснащено вбудованим тепловізійним датчиком 640×512, який забезпечує 16-кратне збільшення та частоту кадрів 30 Гц. Модуль RTK дає змогу позиціонувати дрон з точністю до сантиметрів, а можливість роботи з 240 шляховими точками робить його ідеальним для автоматизованих інспекцій навіть у складних умовах.

DJI Matrice 30T

M30T — компактний флагман від DJI, створений протистояти стихії та бути дуже портативним, незважаючи на вражаюче корисне навантаження. Технічні характеристики камери відповідають M2EA — роздільна здатність 640×152, 30 кадрів за секунду. Система керування для M30T вдосконалена 7-дюймовим широкоформатним дисплеєм з двома стіками, що розроблено для використання пілотами промислових дронів.

DJI Matrice 300 RTK

M300 RTK — це флагманська технологія комерційних безпілотників, яка дає змогу одночасно нести до трьох корисних вантажів. Оснащення M300 RTK одним із корисних навантажень Zenmuse H20T або H20N дає змогу користувачам знімати безпрецедентні рівні теплової інформації з високою роздільною здатністю.