Μη επανδρωμένο αεροσκάφος για την παρακολούθηση της ποιότητας του αέρα σε μια περιοχή ενδιαφέροντος

Τζανάκης, Ιωάννης

Unmanned aerial vehicle for air quality monitoring in an area of interest

Μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία

Author

Τζανάκης, Ιωάννης

Date

2023-11-23

Advisor

Chatzopoulos, Avraam

Μεταπτυχιακή εργασία (9.997Mb)

Keywords

UAV ; Μη επανδρωμένα ιπτάμενα οχήματα ; Πολυκόπτερο ; Τετρακόπτερο ; Αισθητήρες αερίων ; Ποιότητα αέρα ; Unmanned aerial vehicle ; Multicopter ; Quadcopter ; Gas sensors ; Air quality

Abstract

Η τεχνολογία των μη επανδρωμένων αεροσκαφών (ΜΕΑ – Unmanned Aerial Vehicles, UAVs) παρουσιάζει μεγάλη άνθιση και ταχεία ενσωμάτωση σε διάφορους τομείς, όπως της βιομηχανίας και της έρευνας, καθώς είναι εξοπλισμένα με ποικίλους αισθητήρες για την συλλογή δεδομένων και την εκτέλεση διάφορων εργασιών. Τα ΜΕΑ που χρησιμοποιούνται για την μέτρηση των αερίων της ατμόσφαιρας αποτελούν καινοτόμα μέσα για την παρακολούθηση της ποιότητας του αέρα και των κλιματολογικών συνθηκών. Με τους αισθητήρες αερίων που διαθέτουν επιτρέπουν τη συλλογή δεδομένων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την προστασία του περιβάλλοντος και της υγείας, καθώς και για την προώθηση της βιώσιμης ανάπτυξης. Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζεται ο σχεδιασμός και η υλοποίηση ενός ΜΕΑ για την άμεση μέτρηση της ποιότητας του αέρα σε μια περιοχή ενδιαφέροντος. Συγκεκριμένα, παρατίθενται τα βήματα της κατασκευής, των παραμετροποιήσεων και των δοκιμών ενός τετρακόπτερου βασισμένο στον ελεγκτή πτήσης CUAV V5+ και στο firmware ArduPilot. Παράλληλα, παρουσιάζεται η υλοποίηση και οι βαθμονόμηση του συστήματος μέτρησης της ποιότητας του αέρα για επτά διαφορετικούς τύπους αερίων. Η ανάπτυξη του συστήματος μέτρησης της ποιότητας του αέρα βασίζεται στον μικροελεγκτή Arduino Micro όπου και ενσωματώνεται στον εκλεκτή πτήσης του τετρακόπτερου. Η μετάδοση των μετρούμενων τιμών των αερίων πραγματοποιείται σε πραγματικό χρόνο στον σταθμό ελέγχου εδάφους (GCS) μέσω τηλεμετρίας. Στις επιτυχείς τελικές δοκιμές του τετρακόπτερου με το ενσωματωμένο σύστημα μέτρησης της ποιότητας του αέρα, παρουσιάζονται τρείς δοκιμές σε μια περιοχή ενδιαφέροντος όπου πραγματοποιούνται πτήσεις για την μέτρηση της ποιότητας του αέρα σε διάφορα σημεία και ύψη. Στις τρεις τελικές δοκιμές οι πτήσεις του τετρακόπτερου πραγματοποιούνται σε διαφορετικές λειτουργίες ελέγχου του ΜΕΑ, όπως πλήρης έλεγχος από τον χειριστή, καθοδηγούμενος έλεγχος με σημεία που επιλέγονται στον χάρτη και αυτόνομη αποστολή.

Abstract

Unmanned aerial vehicle (UAV) technology is rapidly integrating into various sectors such as industry and research due to the diverse array of sensors equipped within them, enabling data collection and performing various tasks. UAVs equipped with gas sensors provide an innovative solution for monitoring air quality and climatic conditions. They collect data that can be used for the protection of the environment and public health and for the promotion of sustainable development. In this thesis, the design and implementation of an UAV for directly measuring air quality in a specified area of interest is presented. Specifically, it presents the design, implementation, and testing steps of a quadcopter based on the CUAV V5+ flight controller and ArduPilot firmware. In addition, the implementation and calibration of the air quality measurement system for seven different gas types is presented. The air quality measurement system was developed using the Arduino Micro controller, which integrates into the quadcopter's flight selector. This system transmits real-time gas measurements to the ground control station (GCS) via telemetry. In the successful final tests of the quadcopter with the integrated air quality measurement system, three tests are presented in an area of interest where flights are performed to measure air quality at different points and altitudes. In each of the three final tests, the quadcopter was operated in different control modes, including full manual control by the pilot, guided control utilizing map-selected points, and autonomous mission.