Autonomous Targeting System for a Firefighting Drone – Detection and localization of hotspot

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Rodrigues, Gonçalo Jose da Silva
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10316/98149
Resumo: Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
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spelling Autonomous Targeting System for a Firefighting Drone – Detection and localization of hotspotSistema de Mira Automática para um Drone de Combate a Incêndios – Deteção e localização do ponto quenteIncêndioFlorestaCombate a IncêndiosDronePonto QuenteForest FireForestFirefightingDroneHotspotDissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaForest fires are a very present reality in the Portuguese panorama, possibly being thenatural disaster that most affects the country, both in environmental terms, as well as ineconomic and social terms. Firefighting is a very dangerous type of activity that sometimestakes the life of those who combat it. To reduce the risk to which firefighters are subject, itis necessary to develop new strategies and techniques that preserve the physical integrity offirefighter. For this, it makes sense to resort to technological advances already made to tryto develop a solution that helps firefighters fight fires without constantly being in danger.This work consists of the development of an autonomous targeting system that mustdetect and locate hotspots through an IR sensor, and that will be incorporated in a drone thatmust work as autonomously as possible. The main objectives of this work are thedevelopment of an algorithm that determines the location of the hotspot, the study of thewind effect on the waterjet that will hit the hotspot, and the development of an algorithmthat determines the correct movements so that the waterjet hits accurately on the hotspot.For the development of this work, the IR sensor Flir Lepton 3.5 was used, whoseobjective is to generate a matrix of values that indicate the temperature in each pixel. It willbe this sensor that will indicate the position in which the hotspot is located. Another keysensor is the PX4Flow. This sensor has a sonar attached that allows the user to knowaccurately how high the drone is from the ground. This sensor is very important in definingthe trajectory of the waterjet. There is also a flight controller, which is the Pixhawk 4 mini,and which is responsible for indicating parameters such as the “yaw” angle at which thedrone is. All information is sent to the Adafruit Huzzah32 microcontroller. This device isresponsible for communication via Wi-Fi between the drone and the user.The first steps of this work consisted of determining the distance at which the hotspotwas from the drone, according to the characteristics of the matrix generated by the IR sensor.Then the trajectory of the waterjet was determined. For this, it was necessary to analyze theeffect of airflow on a waterjet in a wind tunnel to determine its aerodynamic characteristics.Knowing the distance at which the hotspot is from the drone and knowing the trajectory ofthe waterjet, it is possible to know the movement that the drone must do to be aligned withthe hotspot. The next step of this work consisted of making the communication between thesensors and controllers. For this, communication protocols, like I2C and SPI, were used. AC# interface was also developed that allows the user to remotely control the drone and, at the same time, receive data via Wi-Fi in real-time for all the required parameters. The laststep of this work consisted of conducting experimental tests on this entire system installedin the drone, to verify if the entire theoretical approach was done correctly.Os incêndios florestais são uma realidade bem presente no panorama português,sendo possivelmente a catástrofe natural que mais afeta o país, quer em termos ambientais,como económicos e sociais. O combate aos incêndios constitui um tipo de atividade muitoperigosa, e que por vezes tira a vida a quem a realiza. Na tentativa de reduzir o risco a queos bombeiros estão sujeitos, é necessário desenvolver novas estratégias e técnicas quepermitam preservar a integridade física dos bombeiros. Para isso faz sentido recorrer aosavanços tecnológicos já feitos para tentar desenvolver uma solução que auxilie os bombeirosno combate aos incêndios sem que estes estejam constantemente sob perigo.Este trabalho consiste no desenvolvimento de um sistema de mira automática quedeve detetar e localizar pontos quentes através de um sensor IR, e que será incorporado numdrone que deve funcionar da forma mais autónoma possível. Os principais objetivos destetrabalho são o desenvolvimento de um algoritmo que determine a localização do pontoquente, o estudo do efeito do vento no jato de água que irá atingir o ponto quente, e odesenvolvimento de um algoritmo que determine o ângulo “yaw” do drone e o ângulo “tilt”da agulheta de forma que o jato de água incida sobre o ponto quente.Para o desenvolvimento deste trabalho foi utilizado o sensor IR Flir Lepton 3.5, cujoobjetivo é gerar uma matriz de valores que indiquem a temperatura em cada pixel. Será estesensor que indicará qual a posição em que se encontra o ponto quente. Outro sensorfundamental é o PX4Flow. Este sensor tem acoplado a si um sonar que permite ao utilizadorsaber de forma muito aproximada a que altura se encontra o drone do solo. Este sensor émuito importante na definição da trajetória do jato de água. Existe ainda um controlador devoo, que é o Pixhawk 4 mini e que é responsável por indicar parâmetros tais como o ângulo“yaw” a que o drone se encontra. Toda a informação é enviada para o microcontroladorAdafruit Huzzah32. Este dispositivo é responsável pela comunicação via Wi-Fi entre o dronee o utilizador.As primeiras etapas deste trabalho consistiram em determinar a distância a que oponto quente se encontrava do drone, de acordo com as características da matriz gerada pelosensor IR. De seguida foi determinada a trajetória do jato de água. Para isso foi necessárioanalisar o efeito de um escoamento de ar sobre um jato de água num túnel de vento de forma a determinar as suas características aerodinâmicas. Sabendo a distância a que o ponto quenteestá do drone e sabendo a trajetória do jato de água, é possível saber qual o movimento queo drone tem de realizar para se enquadrar com o ponto quente. A etapa seguinte destetrabalho consistiu em fazer a comunicação entre os sensores e os controladores. Foi aindadesenvolvida uma interface em C# que permite ao utilizador controlar remotamente o dronee, ao mesmo tempo, receber dados via Wi-Fi em tempo real de todos os parâmetrosrequeridos. A última etapa deste trabalho consistiu em realizar ensaios experimentais a todoeste sistema instalado no drone, de forma a verificar se toda a abordagem teórica foi feita deforma correta.Outro - European Fund for Regional Development through national funds (Compete2020 and Portugal2020)2021-11-19info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttp://hdl.handle.net/10316/98149http://hdl.handle.net/10316/98149TID:202921611engRodrigues, Gonçalo Jose da Silvainfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2022-05-25T10:00:41Zoai:estudogeral.uc.pt:10316/98149Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:16:03.109114Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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