Навигационно-пилотажная система беспилотного летательного аппарата для мониторинга лесных пожаров

УДК

630*432.1

DOI:

10.37482/0536-1036-2020-6-194-203

Аннотация

Лесные пожары являются распространенным стихийным бедствием во всем мире. Большое количество пожаров ежегодно возникает в лесных экосистемах Европейского Севера России по естественным причинам и по вине человека. Одной из актуальных проблем лесного хозяйства в настоящее время является организация эффективной борьбы с лесными пожарами. При этом важны как быстрое обнаружение очага возгорания, так и мониторинг развития пожара, координация действий персонала наземных служб лесной охраны и сотрудников служб Министерства по чрезвычайным ситуациям. Для этих целей все большее применение находят беспилотные летательные аппараты (БПЛА). Для лесохозяйственной практики, в особенности для целей лесопожарного мониторинга, наиболее практичными являются БПЛА вертолетного типа, не требующие специальной подготовки персонала. Такие аппараты могут действовать в режимах «пожарной вышки» и мониторинга кромки пожара с возможностью сброса информационных радиовымпелов. Применение БПЛА – эффективное средство наблюдения за пожарной ситуацией в дополнение к существующим методам и технологиям, особенно в случаях невозможности использования космических снимков высокого разрешения для решения оперативных задач. Для эффективной работы БПЛА в зоне действующих лесных пожаров и сильного задымления необходимы навигационно-пилотажные системы, позволяющие выполнять безопасные полеты за пределами действия пульта наземного управления от местонахождения пилотаоператора. Целью данной работы является ознакомление с разработкой навигационно-пилотажной системы, которую можно применять на БПЛА в зоне действия наземных пунктов радиоуправления. Использование таких систем позволит вести автоматическое наблюдение за пожарной обстановкой на значительной площади в режиме реального времени, что представляется особенно важным при организации охраны и тушения лесных пожаров на больших пространствах особо охраняемых природных территорий, где приоритетной задачей является сохранение биологического разнообразия природных экосистем и уникальных ландшафтов. Данная статья может представлять интерес для специалистов лесного хозяйства, пожарной охраны и Министерство по чрезвычайным ситуациям, разработчиков БПЛА и оборудования, а также студентов технических специальностей.

Сведения об авторах

О.В. Скуднева¹, ст. преподаватель; ResearcherID: V-5466-2017, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6387-0108
С.В. Коптев², д-р с.-х. наук, доц.; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5402-1953
С.В. Иванцов³, директор
¹Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, научноучебный комплекс «Фундаментальные науки», ул. 2-я Бауманская, д. 5, стр. 1, Москва, Россия, 105005; e-mail: chykchyk@yandex.ru
²Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова, наб. Северной Двины, д. 17, г. Архангельск, Россия, 163002; e-mail: s.koptev@narfu.ru
³ГАУ Архангельской области «Единый лесопожарный центр», просп. Обводный канал, д. 22, корп. 1, г. Архангельск, Россия, 163060; e-mail: iwantsow.s@yandex.ru

Ключевые слова

лесное хозяйство, лесопожарный мониторинг, беспилотный летательный аппарат, навигационно-пилотажная система

Для цитирования

Скуднева О.В., Коптев С.В., Иванцов С.В. Навигационнопилотажная система беспилотного летательного аппарата для мониторинга лесных пожаров // Изв. вузов. Лесн. журн. 2020. № 6. С. 194–203. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-6-194-203

Литература

1. Алексеенко Н.А. Методические вопросы картографического обеспечения деятельности особо охраняемых природных территорий России // Вестн. Моск. гос. унта. Сер. 5: География. 2014. № 1. С. 52–57. [Alexeenko N.A. Specific Methodological Features of Cartographic Support of the Activities of Nature Protection Areas in Russia. Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya 5, Geografiya, 2014, no. 1, pp. 52–57].
2. Бобринский А.Н., Воронов М.А., Коршунов Н.А. и др. Правоприменение и управление в сфере использования, охраны, защиты и воспроизводства лесов / под общ. ред. А.П. Петрова. М.: Всемир. банк, 2017. 274 с. [Bobrinskiy A.N., Voronov M.A., Korshchnov N.A. et al. Law enforcement and Management in Use, Protection and Reproduction of Forests. Ed. by A.P. Petrov. Moscow, Vsemirnyy bank Publ., 2017. 274 p.].
3. Евдокименко М.Д. География и причины пожаров в Байкальских лесах // Изв. вузов. Лесн. журн. 2013. № 4. С. 30–39. [Evdokimenko M.D. Forest Fire Causes and Distribution in the Baikal Region. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2013, no. 4, pp. 30–39]. URL: http://lesnoizhurnal.ru/upload/iblock/eb9/lkh4.pdf
4. Коптев С.В., Скуднева О.В. О возможностях применения беспилотных летательных аппаратов в лесохозяйственной практике // Изв. вузов. Лесн. журн. 2018. № 1. С. 130–135. [Koptev S.V., Skudneva O.V. On the Applicability of UAV in Forestry Practice. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2018, no. 1, pp. 130–135]. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2018.1.130, URL: http://lesnoizhurnal.ru/upload/iblock/0b3/130138.pdf
5. Микова Е.Ю. Построение наглядных изображений лесовозных автомобильных дорог с помощью информационных технологий: по материалам беспилотных летательных аппаратов: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Архангельск, 2018. 16 с. [Mikova E.Yu. Construction of Visual Images of Logging Roads Using Information Technologies (Adapted from Unmanned Aerial Vehicles): Cand. Eng. Sci. Diss. Abs. Arkhangelsk, 2018. 16 p.].
6. Моисеев В.С. Основы теории эффективного применения беспилотных летательных аппаратов: моногр. Казань: Школа, 2015. 444 с. [Moiseev V.S. Fundamentals of the Theory of Unmanned Aerial Vehicles Effective Use: Monograph. Kazan, Shkola Publ., 2015. 444 p.].
7. Окорокова Н.С., Пушкин К.В., Севчук С.Д., Фармаковская А.А. Разработка схем базовых модулей типоразмерных рядов энергоустановок на основе воздушноалюмохимических источников тока // Тр. МАИ. 2014. № 78. [Okorokova N.S., Pushkin K.V., Sevchuk S.D., Farmakovskaya A.A. The Development of the Basic Module Schemes for the Dimension-Type Series of Power Plants Based on the Air-Aluminum Chemical Current Sources. Trudy MAI, 2014, iss. 78].
8. Патент 2685572 Российская Федерация. Пилотажно-навигационная система транспортного летательного аппарата: № 2017102180/19: заявл. 24.01.2017; опубл. 22.04.2019 / В.И. Мелехов, О.В. Скуднева, С.М. Габбасов, В.И. Манохин, В.В. Корнейчук, В.К. Вороницын, Т.В. Тюрикова, Е.В. Сазанова. [Melehov V.I., Skudneva O.V., Gabbasov S.M., Manokhin V.I., Kornejchuk V.V., Voronitsyn V.K. et al. Aircraft Navigation and Pilotage System. Patent RF no. RU 2685572 C2, 2019].
9. Разработка научно-методических подходов и технологии использования беспилотных летательных аппаратов в лесном хозяйстве: отчет о науч.-иссл. работе. Пушкино, 2010. 106 с. [Development of Scientific and Methodological Approaches and Technologies for the Use of Unmanned Aerial Vehicles in Forestry. Pushkino, 2010. 106 p.].
10. Сечин А.Ю., Дракин М.А., Киселева А.С. Беспилотный летательный аппарат: применение в целях аэрофотосъемки для картографирования (ч. 2). 2011. Режим доступа: https://racurs.ru/press-center/articles/bespilotnye-letatelnye-apparaty/UAV-formapping-2/ (дата обращения: 15.04.19). [Sechin A.Yu., Drakin M.A., Kiseleva A.S. Unmanned Aerial Vehicle: Application for Mapping by Aerial Photography (part 2). 2011].
11. Скуднева О.В. Беспилотные летательные аппараты в системе лесного хозяйства России // Изв. вузов. Лесн. журн. 2014. № 6. С.150–154. [Skudneva O.V. Unmanned Airborne Vehicles in the Forestry Sector of Russia. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2014, no. 6, pp. 150–154]. URL: http://lesnoizhurnal.ru/upload/iblock/565/1-_- bespilotnye-letatelnye-apparaty-v-sisteme-lesnogo-khozyaystva-rossii.pdf
12. Getzin S., Nuske R.S., Wiegand K. Using Unmanned Aerial Vehicles (UAV) to Quantify Spatial Gap Patterns in Forests. Remote Sensing, 2014, vol. 6, iss. 8, pp. 6988–7004. DOI: 10.3390/rs6086988
13. Markiewicz A., Nash L. Small Unmanned Aircraft and the U.S. Forest Service: Benefits, Costs, and Recommendations for Using Small Unmanned Aircraft in Forest Service Operations. Final Report. Cambridge, MA, Volpe, 2016. 30 p.
14. Merino L., Caballero F., Martínez-de-Dios J.R., Maza I., Ollero A. An Unmanned Aircraft System for Automatic Forest Fire Monitoring and Measurement. Journal of Intelligent & Robotic Systems, 2012, vol. 65, pp. 533–548. DOI: 10.1007/s10846-011-9560-x
15. Ohmann J.L., Gregory M.J., Roberts H.M. Scale Considerations for Integrating Forest Inventory Plot Data and Satellite Image Data for Regional Forest Mapping. Remote Sensing of Environment, 2014, vol. 151, pp. 3–15. DOI: 10.1016/j.rse.2013.08.048
16. Tewkesbury A.P., Comber A.J., Tate N.J., Lamb A., Fisher P.F. A Critical Synthesis of Remotely Sensed Optical Image Change Detection Techniques. Remote Sensing of Environment, 2015, vol. 160, pp. 1–14. DOI: 10.1016/j.rse.2015.01.006
17. Zhang L., Wang B., Peng W., Li C., Lu Z., Guo Y. Forest Fire Detection Solution Based on UAV Aerial Data. International Journal of Smart Home, 2015, vol. 9, no. 8, pp. 239–250. DOI: 10.14257/ijsh.2015.9.8.25

Ссылка на английскую версию:

Navigation and Piloting System of Unmanned Aerial Vehicle for Forest Fire Monitoring

NAVIGATION AND PILOTING SYSTEM OF UNMANNED AERIAL VEHICLE FOR FOREST FIRE MONITORING

O.V. Skudneva¹, Senior Lecturer; ResearcherID: V-5466-2017, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6387-0108
S.V. Koptev², Doctor of Agriculture, Assoc. Prof.; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5402-1953
S.V. Ivantsov³, Director
¹Bauman Moscow State Technical University, Faculty of Fundamental Science, ul. 2-ya Baumanskaya, 5, str. 1, Moscow, 105005, Russian Federation; e-mail: chykchyk@yandex.ru
²Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, Naberezhnaya Severnoy Dviny, 17, Arkhangelsk, 163002, Russian Federation; e-mail: s.koptev@narfu.ru
³State Autonomous Institution of the Arkhangelsk Region “Unified Forest Fire Center”, prosp. Obvodnyy kanal, 22, korp. 1, Arkhangelsk, 163060, Russian Federation; e-mail: iwantsow.s@yandex.ru

Forest fires are a common natural disaster all over the world. A great number of fires occur annually in the forest ecosystems of the European North of Russia for natural reasons and as a result of anthropogenic impacts. One of the urgent problems of forestry is the organization of effective control of forest fires. Herewith, it is important to quickly detect the source of fire, as well as to monitor the development of the fire, and to coordinate the actions of the staff of the ground forest protection services. Unmanned aerial vehicles (UAV) of different classes are increasingly used for these purposes. For forestry experience and, especially for forest fire monitoring, the most practical are helicopter-type UAV, which do not require special training of staff. Such devices can operate in the mode of “fire tower” and in the mode of monitoring the edge of the fire with an option to reset information pennants at certain points. The use of UAV is an effective means of monitoring the fire situation in addition to existing methods and technologies, and especially in cases of impossibility of using highresolution satellite images for operative tasks. For the effective operation of UAV in the area of active forest fires and, thus, strong smoke, navigation and piloting systems are necessary to perform safe flights outside the action of the ground control panel located at the starting point. The aim of this work is to develop a navigation and piloting system for UAV, which can be used in the area of limitation of ground control point. The use of such systems will allow monitoring of the fire situation in real time, which is especially important in the organization of protection and suppression of forest fires in large areas of nature reserves, where the priority is to preserve the biological diversity of natural ecosystems and unique landscapes. This article may be of interest to forestry specialists, developers of UAV and equipment, fire protection and the Ministry of Emergency Situations staff, as well as to engineering students to gain experience with UAV.
For citation: Skudneva O.V., Koptev S.V., Ivantsov S.V. Navigation and Piloting System of Unmanned Aerial Vehicle for Forest Fire Monitoring. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2020, no. 6, pp. 194–203. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-6-194-203

Keywords: forestry, forest fire monitoring, unmanned aerial vehicle, navigation and piloting system.

Поступила 15.09.19 / Received on September 15, 2019