SPECJALISTYCZNY DRON DO BADAŃ TROPOSFERYCZNEGO OZONU
Z PRECYZYJNYM POZYCJONOWANIEM
I BEZPRZEWODOWĄ TRANSMISJĄ DANYCH
MAREK RAUCHFLEISZ
MARIUSZ KAMIŃSKI
UNIWERSYTECKIE LICEUM OGÓLNOKSZTAŁCĄCE W TORUNIU
Dron do badań troposferycznego ozonu z precyzyjnym pozycjonowaniem i bezprzewodową transmisją danych pozwala na szybki i sprawny monitoring stężenia ozonu szczególnie w miejscach trudno dostępnych. Posiada system RTH automatycznego powrotu do miejsca startu na zadanej wysokości. Możliwy jest również autonomiczny lot po wcześniej zaprogramowanej trasie.
Skonstruowany dron posiada system lokalizacji oparty nie tylko na GPS, ale również o GLONASS. Do elementów nowatorskich należy wyposażenie projektu w funkcje wizualizacji parametrów i stanów normatywnych, ostrzegawczych i alarmowych. Opracowany dron jest użytecznym i funkcjonalnym mobilnym narzędziem do monitorowania poziomu ozonu spełniającym zadania informacyjne, kontrolne i ostrzegawcze. Może być wykorzystany do badań nad ozonem troposferycznym, przyczynić się do lepszego poznania mechanizmów tworzenia się ozonu na określonym terenie i w określonych warunkach.
SPECJALISTYCZNY DRON DO BADAŃ TROPOSFERYCZNEGO OZONU Z PRECYZYJNYM POZYCJONOWANIEM
I BEZPRZEWODOWĄ TRANSMISJĄ DANYCH
Założenia i cel projektu
Głównym celem projektu było opracowanie skutecznego sposobu mobilnego monitorowania troposferycznego ozonu w różnych lokalizacjach. Takie zadanie spełni specjalistyczny dron do badań troposferycznego ozonu, który umożliwia precyzyjne pozycjonowanie i zapewnia bezprzewodowe przesyłanie danych. Może być wykorzystany jako ważny element informacyjny i ostrzegawczy, a dzięki temu przyczyni się do zmniejszenia ryzyka zdrowotnego. Może być również zastosowany w badaniach naukowych do oceny smogu fotochemicznego i jego wpływu na organizmy żywe. Duża mobilność zaproponowanego rozwiązania jest niewątpliwym atutem, pozwalającym na wychwycenie miejsc, gdzie zanieczyszczenia są o wiele wyższe, niż w okolicy. W wielu miejscach w Europie prognozuje się występowanie wzrastających stężeń ozonu, co wynika ze zmian klimatycznych oraz wzrastających stężeń prekursorów ozonu. Z uwagi na to, iż w aglomeracjach miejskich dron do badań troposferycznego ozonu jest w stanie zmierzyć lokalne stężenie ozonu w wielu miejscach w krótkim czasie (nawet takich, do których ciężko byłoby dotrzeć), rozwiązanie to wydaje się być idealnym uzupełnieniem stacji Głównego Inspektoratu Ochrony Środowiska, których jest w całej Polsce zaledwie 100. Wspomniane stacje mają stacjonarną lokalizację, nie zawsze znajdują się w miejscach, w których potencjalnie ozonu może gromadzić się najwięcej. W Polsce przekroczenia występują w wielu województwach: małopolskim, śląskim, dolnośląskim, opolskim oraz mazowieckim, łódzkim, lubuskim, kujawsko-pomorskim.
SPECJALISTYCZNY DRON DO BADAŃ TROPOSFERYCZNEGO OZONU Z PRECYZYJNYM POZYCJONOWANIEM
I BEZPRZEWODOWĄ TRANSMISJĄ DANYCH
W ostatnich latach stężenie ozonu w troposferze stale się zwiększa. Spowodowane jest to m.in. wzrostem stężeń tlenków azotu ze względu na dynamicznie rozwijający się transport samochodowy i przemysł paliwowy. Ozon jest zanieczyszczeniem wtórnym, nie jest bezpośrednio emitowany do atmosfery, lecz tworzy się w powietrzu w wyniku reakcji tlenków azotu i lotnych związków organicznych pod wpływem promieniowania słonecznego.
W takich warunkach zachodzą reakcje fotochemiczne w wyniku których powstaje ozon.
Stężenie ozonu zależy od ilości jego prekursorów w powietrzu i promieniowania słonecznego.
SPECJALISTYCZNY DRON DO BADAŃ TROPOSFERYCZNEGO OZONU Z PRECYZYJNYM POZYCJONOWANIEM
I BEZPRZEWODOWĄ TRANSMISJĄ DANYCH
Ozon pożyteczny czy szkodliwy
Ozon to jedna z alotropowych odmian tlenu. Jest niezbędny w stratosferze, ponieważ chroni przed szkodliwym promieniowaniem UV.
Jednak w troposferze jest szkodliwy dla organizmów żywych, zarówno dla roślin, zwierząt, jak i ludzi. Szczególnie latem istnieje niebezpieczeństwo przekroczenia dopuszczalnych wartości ozonu i powstania smogu ozonowego. Ozon troposferyczny jest także trzecim głównym gazem cieplarnianym i przyczynia się do globalnego ocieplenia. Wysokie stężenie ozonu troposferycznego należy do głównych problemów zanieczyszczenia powietrza (obok problemów z pyłem zawieszonym i benzo-(α)-pirenem) zarówno w Polsce, w Europie, jak i na świecie. Ozon troposferyczny, zwany również smogiem fotochemicznym, występujący przy powierzchni ziemi, wywołuje problemy zdrowotne, uszkadza tkanki płucne, niszczy roślinność - szczególnie w okresie wegetacji, przyspiesza starzenie. Wysokie stężenie ozonu powoduje uszkodzenia drzewostanów, co zaobserwowano m.in. w ekosystemach leśnych na południu Polski.
Stężenie ozonu [µg/m3] Skutki oddziaływania ozonu
40 wyczuwalny zapach
100 ból głowy, podrażnienie oczu
110 podrażnienie dróg oddechowych, obniżenie wydolności *
160 zapalenie dróg oddechowych *
180 wartość progowa informowania społeczeństwa o ryzyku wystąpienia przekroczeń poziomów dopuszczalnych
200 problemy z oddychaniem
240 alarmowe poziomy stężeń ozonu
260 możliwość wystąpienia ataków astmy
400 obniżona wydolność, trwałe zniszczenia komórek 1000 uszkodzenia chromosomów
* – u osób z grupy ryzyka
Tabela 1. Skutki oddziaływania i graniczne wartości stężeń troposferycznego ozonu dla organizmów ludzkich.
SPECJALISTYCZNY DRON DO BADAŃ TROPOSFERYCZNEGO OZONU Z PRECYZYJNYM POZYCJONOWANIEM
I BEZPRZEWODOWĄ TRANSMISJĄ DANYCH
Projekt, materiały, metody, opis i konstrukcja drona
Pierwszym krokiem w projektowaniu drona był wybór elementów, z których powstanie. Należało mieć przede wszystkim na uwadze jego przyszłe zastosowanie, a także maksymalny zasięg działania, czas trwania lotu, możliwość uniesienia urządzeń o określonej masie, bezprzewodową transmisję pozyskiwanych danych, stabilność i niezawodność. Wiązało się to z wyborem układu heksakoptera o odpowiednio dużej nośności, mogącym podnieść znaczny ładunek, a jednocześnie zapewniającym bezpieczeństwo lotu. Prace można podzielić na kilka głównych etapów. Pierwszym było zaprojektowanie całego systemu, następnie zakupienie wszystkich elementów. Kolejnym - skonstruowanie drona o odpowiednich parametrach, oprogramowanie, sprawdzenie działania po-szczególnych urządzeń i modułów, testy stacjonarne, a następnie oblatywanie i testy w terenie. Po tym nastąpiło opracowanie i zbudowanie, a następnie oprogramowanie urządzenia pomiarowego do badania stężenia ozonu, przetestowanie urządzenia i podłączenie go do drona. Ostatnim - testy w terenie całego układu.
Doświadczenie zebrane podczas lotów dronami wiodących światowych producentów i setki godzin w powietrzu były bardzo pomocne w stworzeniu od podstaw własnego drona. Pomogło to również w jego oprogramowaniu, ustawieniu parametrów, analizie lotów.
SPECJALISTYCZNY DRON DO BADAŃ TROPOSFERYCZNEGO OZONU Z PRECYZYJNYM POZYCJONOWANIEM
I BEZPRZEWODOWĄ TRANSMISJĄ DANYCH
Oprogramowanie kontrolera lotu wykonano za pomocą programu Mission Planner. Dzięki temu wgrano odpowiedni firmware do kontrolera i ustawiono parametry lotu. Jedną z ważniejszych operacji było ustawienie parametrów regulatora PID, które odpowiadają za płynny lot, wygaszanie wychyleń wielowirnikowca i szybkość reakcji na wychylenia drążków sterowniczych. W tym celu wykonano kilka lotów testowych. Po każdym locie przeglądano logi lotu. Zastosowano układ telemetrii, umożliwiający odbiór danych w trakcie lotu i prezentację ich na ekranie urządzenia z systemem Android lub iOS. Profil lotu można przeanalizować nakładając dane z GPS na mapy Google Earth.
SPECJALISTYCZNY DRON DO BADAŃ TROPOSFERYCZNEGO OZONU Z PRECYZYJNYM POZYCJONOWANIEM
I BEZPRZEWODOWĄ TRANSMISJĄ DANYCH
Wysokość lotu z czujnika barometrycznego w metrach (kolor zielony). Pobór prądu przez drona w Amperach (kolor czerwony).
Widoczne są także użyte tryby lotu.
Profil lotu można przeanalizować nakładając dane z GPS na mapy Google Earth.
SPECJALISTYCZNY DRON DO BADAŃ TROPOSFERYCZNEGO OZONU Z PRECYZYJNYM POZYCJONOWANIEM
I BEZPRZEWODOWĄ TRANSMISJĄ DANYCH
Urządzenie pomiarowe do badania stężenia ozonu Urządzenie pomiarowe do badania stężenia ozonu zaprojektowano na bazie Arduino Nano z mikrokontrolerem Atmega 328P, traktowanym zegarem 16MHz oraz pracującym na logice napięciowej 5V. Jako czujnik ozonu wykorzystano moduł MQ131 o zakresie pomiarowym 10-1000 ppb. Do komunikacji pomiędzy modułem nadajnika a odbiornika zastosowano moduły NRF24L01. Umożliwiają one komunikację z prędkościami 250kbps, 1Mbps i 2Mbps. Do prezentacji wyników w module naziemnym zastosowano kolorowy wyświetlacz LCD.
1
3
2
1. Moduł nadajnika.
2. Elementy odbiornika na płycie bazowej.
3. Gotowy zestaw miernika stężenia ozonu.
SPECJALISTYCZNY DRON DO BADAŃ TROPOSFERYCZNEGO OZONU Z PRECYZYJNYM POZYCJONOWANIEM
I BEZPRZEWODOWĄ TRANSMISJĄ DANYCH
Parametry drona do badań troposferycznego ozonu
SPECJALISTYCZNY DRON DO BADAŃ TROPOSFERYCZNEGO OZONU Z PRECYZYJNYM POZYCJONOWANIEM
I BEZPRZEWODOWĄ TRANSMISJĄ DANYCH
Typ hexakopter
Komunikacja 2,4 GHz
Nawigacja GLONASS, GPS
Sterowanie kontroler + podgląd na smartfonie lub tablecie
Prędkość maksymalna 55 km/h
Zasięg w zasięgu wzroku (testowano zgodnie z licencją operatora VLOS)
Bateria 10000 mAh 3S LiPol
Czas pracy 20 minut
Czujniki czujnik stężenia ozonu
Zakres pomiarowy O3 10-1000 ppb Waga z czujnikiem O3 2,9 kg
Wysokość 465 mm
Szerokość / długość (ze śmigłami) 770 mm / 815 mm Dodatkowe
informacje
Możliwość zaprogramowania trasy lotu autonomicznego.
System RTH automatycznego powrotu do miejsca startu na zadanej wysokości.
Możliwy lot z jednym uszkodzonym silnikiem.
SPECJALISTYCZNY DRON DO BADAŃ TROPOSFERYCZNEGO OZONU Z PRECYZYJNYM POZYCJONOWANIEM
I BEZPRZEWODOWĄ TRANSMISJĄ DANYCH
Podsumowanie
Stworzona konstrukcja to innowacyjny w pełni autorski projekt zbudowany od podstaw, wykorzystujący napisane przez autora pracy oprogramowanie dedykowane do tego systemu. Opracowanie prezentowanego projektu wymagało wkładu twórczego autora, bez którego nie byłoby możliwe połączenie wcześniejszych rozwiązań. Opracowany dron to nowatorskie i funkcjonalne mobilne narzędzie do monitorowania poziomu ozonu spełniające zadania informacyjne, kontrolne i ostrzegawcze. Skonstruowany heksakopter posiada system RTH - automatycznego powrotu do miejsca startu na zadanej wysokości. Możliwy jest również autonomiczny lot po wcześniej zaprogramowanej trasie. Do elementów nowatorskich należy również wyposażenie systemu w funkcje wizualizacji parametrów i stanów normatywnych, ostrzegawczych i alarmowych. Zastosowane rozwiązania techniczne i ich oprogramowanie zostały opracowane przez autora. Praca w formie prototypu przeszła pozytywnie testy oblatywania przez licencjonowanego operatora bezzałogowych statków powietrznych UAVO.
Autor projektu podczas testów
oblatywania w terenie specjalistycznego drona do badań troposferycznego ozonu.
SPECJALISTYCZNY DRON DO BADAŃ TROPOSFERYCZNEGO OZONU Z PRECYZYJNYM POZYCJONOWANIEM
I BEZPRZEWODOWĄ TRANSMISJĄ DANYCH
Marek Rauchfleisz jest uczniem Uniwersyteckiego Liceum Ogólnokształcącego w Toruniu. Interesuje się fizyką, matematyką, informatyką, robotyką, naukami przyrodniczymi. Ciekawość świata i pasja związana z nowoczesnymi technologiami jest dla Marka motywacją do zgłębiania wiedzy naukowo-technicznej i opracowywania własnych innowacyjnych rozwiązań. Marka prace były wielokrotnie nagradzane m.in. przez Stowarzyszenie Polskich Wynalazców i Racjonalizatorów, Urząd Patentowy Rzeczpospolitej Polskiej, Naczelną Organizację Techniczną, Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Marek, jako pierwszy uczeń w Polsce otrzymał tytuł Ambasadora Szkolnej Wynalazczości.
Sześciokrotnie zdobył medale podczas międzynarodowych wystaw innowacji, trzykrotnie otrzymał Dyplom Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego, dwukrotnie - nagrodę Prezesa Stowarzyszenia Polskich Wynalazców i Racjonalizatorów, nagrodę Europejskiego Urzędu Patentowego, międzynarodową nagrodę WIPO Best School Inventor przyznaną przez Światową Organizację Własności Intelektualnej z siedzibą w Genewie, tytuł Ambasadora Innowacji podczas Giełdy Wynalazków nagrodzonych na międzynarodowych wystawach innowacji, nagrodę specjalną w konkursie Mój innowacyjny wynalazek Kujawsko-Pomorskiej Agencji Innowacji.
Marek od sześciu lat jest stypendystą Programu pomocy wybitnie zdolnym Krajowego Fun-duszu na rzecz Dzieci w Warszawie, czterokrotnym stypendystą Ministra Edukacji Narodowej, wielo-krotnym stypendystą programu Prymus Pomorza i Kujaw, Humaniści na start oraz stypendystą Pre-zydenta Miasta.
W 2018r. Marek został wyróżniony przez Marszałka Województwa Kujawsko-Pomorskiego w kategorii Nauka, badania naukowe i postęp techniczny. Nagrody Marszałka to najbardziej prestiżowe wyróżnienia, przyznawane za najwartościowsze dokonania w 13 kategoriach, promujące nowator-skie przedsięwzięcia, twórcze i aktywne postawy.
W tym samym roku otrzymał również Nagrodę Prezydenta Miasta w kategorii Nauka, przyznawaną dorocznie dla wybitnych, uznanych i wyjątko-wych torunian.
Od 2019r. Marek jest licencjonowanym operatorem bezzałogowych statków powietrznych, posiada świadectwo kwalifikacji personelu lotniczego UAVO wydane przez Urząd Lotnictwa Cywilne-go (ULC).
