描述

問題

森林火災在全世界都是一個嚴重且致命的問題，尤其是在我們的家鄉(xiāng)加利福尼亞州。2021 年，僅加利福尼亞州就有 7,480 場野火燒毀了 2,281,050 英畝的土地，隨著氣候變化，這個問題只會變得更糟。野火威脅著我們的家園和野生動物，一旦它們蔓延，在不嚴重危及我們的消防員的情況下幾乎不可能停止。防止野火變得如此嚴重的一種方法是早期檢測系統(tǒng)。

具體來說，我們決定制造一架高效的遙控飛機，它能夠在使用機載攝像頭、TinyML 和衛(wèi)星調制解調器檢測和報告野火的同時自主飛行。

TinyML 空中探測

早期森林火災探測只有兩種可能的方法：放置在固定位置周圍的傳感器或測量土地的航空設備。后者是更好的方法，因為它更可靠、更實惠、覆蓋范圍更廣，并且可以部署在任何地方。此外，將傳感器放置在野生動物身上可能會對生態(tài)系統(tǒng)造成破壞。

空中設備受到重量和功率的限制，因此使用紅外熱像儀來探測火災并不理想——像樣的熱像儀重量很重，耗電量太大。TinyML 解決了這些限制，因為可以在機上處理常規(guī)圖像，從而允許小型、輕便、高效的硬件。

使用的數(shù)據(jù)集是火焰數(shù)據(jù)集，它由有火和無火的景觀航拍照片組成。還包括其他數(shù)據(jù)集，例如火災數(shù)據(jù)集和森林火災。在訓練 CNN 100 個時期后，我們實現(xiàn)了大約 96% 的驗證準確率，并且通過量化，該模型能夠適合 Arduino Nano 33 BLE 的內存。要了解更多關于我們如何訓練模型的信息，請查看 Jupyter Notebook。

衛(wèi)星

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1 / 2 ? RockBlock 衛(wèi)星接口

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能量消耗

為節(jié)省電量，Arducam OV2640、Arduino Nano 33 BLE 和衛(wèi)星模塊在拍攝每張照片后休眠 500 毫秒。完整的設備（包括 GPS，耗電 150 毫安）對飛機的電池壽命影響很?。ā?總耗電量的 0.3%）。這架飛機可以以 30 英里/小時的速度（飛行約 45 英里）在空中持續(xù)至少 90 分鐘，并且如果電池更多（有空間），飛機可以飛行更長的時間。此外，當在高空飛行時，飛機一次飛行可以覆蓋相當大的陸地。

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建造飛機

我們決定使用飛機，因為飛機會產(chǎn)生自己的升力，使它們比多旋翼飛行器更節(jié)能。它們還可以覆蓋更遠的距離，這在尋找廣闊森林中的火災時非常有用。

1. 使用隨附的說明獲取并組裝飛機。

我們使用了 ASW28 V2 電動滑翔機，這是一種以高效著稱的流行滑翔機。

整機CAD渲染圖

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2. 獲得以下物品（如下圖所示）。

圖 1：標記的航空電子設備視圖

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圖 2：航電層

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答：Pixhawk 4

B：這里 GNSS GPS/羅盤

C：輔助 GPS/指南針

D: Pixhawk 電源管理板

E：RFD900x 遙測調制解調器

F：空速傳感器

G：TBS Crossfire Diversity Nano RX

H：電調

一：電機

J：空速管

K：皮托管

L：面包板

男：相機

*注意：大多數(shù)現(xiàn)成的飛機套件中都包含電機和 ESC。

3. 為空速管和空速管在泡沫上切槽，將空速管穿入機身。

連接皮托管和空速管

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4. 獲得一塊輕質輕木板來固定所需的航空電子設備。此板如圖1所示，配套B和E。

5. 在飛機底部開一個洞，讓相機可以看到地面。

確保攝像機有足夠的地面視野。

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6. 使用雙面膠帶，將圖 1 和圖 2 中所示的所有航空電子設備連接到各自的位置。

從飛機前面看航空電子樞紐

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7. 根據(jù)隨附的示意圖（見頁面底部）連接航空電子設備。

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1 / 2 ?有線面包板和衛(wèi)星模塊視圖

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飛行

Q地面控制

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對于我們的地面站軟件，我們選擇了 QGroundControl，因為它可以與 PX4（在 Pixhawk 飛行控制器上運行的固件）配合使用。這是我們的一項任務的示例。這是一張交互式地圖，顯示了我們的飛機所走的路線，以及來自飛行的大量傳感器數(shù)據(jù)。除了安全至上的發(fā)射之外，這架飛機在所有時間都保持完全自主。這種自主飛行包括飛機前往多個預定航路點，標志著未來不僅在自主飛行，而且在公共安全，特別是森林火災安全方面邁出了重要一步。

未來的改進

一種模塊化且高效的森林火災檢測方法對于現(xiàn)代世界的安全和安保至關重要。我們當前設計的一項改進是將太陽能電池板連接到飛機的機翼上，使飛機不僅可以自主飛行，還可以在夜間飛行，因此可以無限期飛行。