TinyML空中森林火災(zāi)探測

描述

問題

森林火災(zāi)在全世界都是一個(gè)嚴(yán)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(gè)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(yán)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(yán)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(jī)，它能夠在使用機(jī)載攝像頭、TinyML 和衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器檢測和報(bào)告野火的同時(shí)自主飛行。

TinyML 空中探測

早期森林火災(zāi)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(shè)備。后者是更好的方法，因?yàn)樗煽?、更?shí)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(shè)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(zāi)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?yàn)榭梢栽跈C(jī)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(zāi)數(shù)據(jù)集和森林火災(zāi)。在訓(xùn)練 CNN 100 個(gè)時(shí)期后，我們實(shí)現(xiàn)了大約 96% 的驗(yàn)證準(zhǔn)確率，并且通過量化，該模型能夠適合 Arduino Nano 33 BLE 的內(nèi)存。要了解更多關(guān)于我們?nèi)绾斡?xùn)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(shè)備（包括 GPS，耗電 150 毫安）對飛機(jī)的電池壽命影響很?。ā?總耗電量的 0.3%）。這架飛機(jī)可以以 30 英里/小時(shí)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(jī)可以飛行更長的時(shí)間。此外，當(dāng)在高空飛行時(shí)，飛機(jī)一次飛行可以覆蓋相當(dāng)大的陸地。

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建造飛機(jī)

我們決定使用飛機(jī)，因?yàn)轱w機(jī)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(yuǎn)的距離，這在尋找廣闊森林中的火災(zāi)時(shí)非常有用。

1. 使用隨附的說明獲取并組裝飛機(jī)。

我們使用了 ASW28 V2 電動滑翔機(jī)，這是一種以高效著稱的流行滑翔機(jī)。

整機(jī)CAD渲染圖

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2. 獲得以下物品（如下圖所示）。

圖 1：標(biāo)記的航空電子設(shè)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(diào)制解調(diào)器

F：空速傳感器

G：TBS Crossfire Diversity Nano RX

H：電調(diào)

一：電機(jī)

J：空速管

K：皮托管

L：面包板

男：相機(jī)

*注意：大多數(shù)現(xiàn)成的飛機(jī)套件中都包含電機(jī)和 ESC。

3. 為空速管和空速管在泡沫上切槽，將空速管穿入機(jī)身。

連接皮托管和空速管

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

5. 在飛機(jī)底部開一個(gè)洞，讓相機(jī)可以看到地面。

確保攝像機(jī)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(shè)備連接到各自的位置。

從飛機(jī)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(shè)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?yàn)樗梢耘c PX4（在 Pixhawk 飛行控制器上運(yùn)行的固件）配合使用。這是我們的一項(xiàng)任務(wù)的示例。這是一張交互式地圖，顯示了我們的飛機(jī)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(jī)在所有時(shí)間都保持完全自主。這種自主飛行包括飛機(jī)前往多個(gè)預(yù)定航路點(diǎn)，標(biāo)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(zāi)安全方面邁出了重要一步。

未來的改進(jìn)

一種模塊化且高效的森林火災(zāi)檢測方法對于現(xiàn)代世界的安全和安保至關(guān)重要。我們當(dāng)前設(shè)計(jì)的一項(xiàng)改進(jìn)是將太陽能電池板連接到飛機(jī)的機(jī)翼上，使飛機(jī)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。