Разработка метеозонда на основе применения БПЛА для контроля экологических и метеопараметров

В настоящее время для исследования и измерения метеорологических параметров атмосферы применяются радиозонды, имеющие ряд недостатков – большая погрешность измерений, одноразовость применения, использование дополнительных средств контроля траектории метеозонда. В данной работе предлагается вариант реализации метиозонда, лишённого перечисленных недостатков и позволяющего увеличить точность метеопрогнозов. Функционал оборудования расширен за счет доработки оборудования для контроля уровня загрязнения атмосферы газами. Достичь это возможно за счет более частых измерений параметров атмосферы с различных мест и удаленных территорий при помощи полетов коптера.

Актуальность данной темы обусловлена необходимостью модернизации устаревшего метеооборудования для оптимизации затрат на экологического и метеорологические исследования атмосферы. Применяемые радиозондами являются затратными, вследствии необходимости содержании газовых станций и невозможности возврата метеодатчиков. Снизить стоимость исследования можно за счет отказа от радиопередатчика при использования коптера, как транспорта для возврата метеооборудования. Также экологические наблюдения возможно производить на территории города при облете наиболее загруженных районов.

Целью поставлено разработать метеозонд для определения экологических и метеопараметров атмосферы. В соответствии с поставленной целью решены следующие задачи: проведен анализ современных устройств контроля параметров атмосферы; изучены основные типы электронных устройств для создания метеозонда и определены их особенности; рассмотрены основные принципы получения информации об атмосферных явлениях с помощью экологического и метеооборудования.

При выполнении работы были использованы методы исследования, такие как анализ и синтез, наблюдение, сравнение, моделирование, научный эксперимент.

Метеозонд фиксирует параметры температуры, давления, влажности, направление и интенсивность воздушных потоков, местоположение и экологические параметры (уровень угарного и природных газов в атмосвере). Ведет базу данных измерений.

Работа над проектом предусматривает следующие этапы реализации:

1. Постановка проблемы, возможные пути её решения. Создание макета действующей метеостанции.

2. Проведение расчетов, подбор оборудования, консультации с метеоцентром. Тестирование оборудование.

3. Этап отладки оборудования для применения. Работа на метеоцентре с аппаратурой и оборудованием.

На первом этапе работы создан макет метеостанции состоит из модели ветротурбины, электронного оборудования и компьютера. Были рассмотрены виды современного оборудования для выполнения задач метеонаблюдения, выявлены слабые стороны в этой области. Этап работы над проектом в 2017 году приведен в Приложениях №1, №2.

После исследования были определены параметры оборудование устраивающие требованиям проекта. Посещение метеостанции в 2018г. позволило ознакомиться с методами наблюдения за эко-мереорологической обстановкой в городе. Изучены характеристики и принцип работы платы Arduino. Проведена работа по сбору и отладке датчиков измерения параметров воздуха: температуры, влажности, давления, с контролем высоты над землей. Настроен дисплей для демонстрации данных с датчиков, поступающих с метеозонда. Для этого были подобраны и установлены дополнительные библиотеки для Arduino, проведена отладка оборудования. При установке на беспилотный летательный аппарат (коптер) решена проблем

– создана собственная облегченная плата с встроенным блоком для карты памяти. При разработке платы использован «Метод кислотного травления» в процессе изготовления разработан рисунок, разведены дорожки печатной платы, переносен рисунок на фальгированный текстолит, вытравлена плата, припаяны элементы и отлажена плата. Дальнейшее усовершенствование облегченной платы в 2018 году позволило расширить функции оборудования. Были добавлены датчики-газоанализаторы для определения наличия угарного и природных газов для контроля экологической обстановки. Этап работы над проектом в 2018г. приведен в Приложениях №3, №4.

Выявлены и частично решены экспериментальные проблемы:

- для подъема оборудования метеозонда с помощью коптера определенной мощности, рассматривались варианты облегчения оборудования и была создана собственная плата малого веса, которую смог поднять имеющийся коптер.

- для организации связи с оборудованием либо фиксации результатов измерений на носитель информации--на плату была установлена карта памяти для записи показаний в полете;

- проблема дальности и времени перемещения коптера без дополнительных источников питания нерешаема при применении донной модели коптера;

- проблема условий эксплуатации оборудования в разных погодных условиях при проведении измерений задача неразрешима при коптере малой мощности.

Изучение электронного оборудования и испытания проводились учащимися совместно. Индивидуально работа выполнялась по направлениям:

- создание макета ветротурбины, сборка оборудования Arduino - Молодецкая Екатерина,

- создание собственной облегченной платы, написание программы для работы оборудования – Беккер Иван.

Результат позволил представить работу на конкурс «Система приоритетов» и был признан победителем в заочном этапе. На конкурсе «Старт в науку» прошел заочный отбор. В конкурсе

«Большие вызовы», предоставил возможность участия в проектной смене в июле 2018г. в ОЦ Сириус. Вывод: эксперементальная разработка показала, что создание метеозонда на основе беспилотного летательного аппарата возможно для целей применения в метеорологии, будет эффективно и экономично при ежечасовом использовании.

Результатами от внедрения станут: модернизация экологического и метеорологического оборудования, проведение измерений в атмосфере непрерывно или с заданной частотой, повышение точности эко-метеопрогнозов.

В перспективе развития, оснастив установку электронным оборудованием, управляемым по принципу работы интернета вещей сделает доступным управление из любой точки-это позволит оперативно принимать меры по улучшению экологической обстановки, станет привлекательным и удобным для посещения туристами удаленных мест Алтайского края.

Список используемых источников

1. Петровский Ю.С. В помощь метеонаблюдателю-радисту. - М.: Воениздат, 1962.–182 с.

2.Грустнаяисторияожизниметеозондов[Электронныйресурс]//Режим доступа: http://www.4turista.ru/content/grustnayaistoriya-o-zhizni-meteozondov.

3. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейства Classic фирмы Atme:- Додэка, 288с.

4. Ходжаева Г.К. Метеорологические методы и приборы наблюдений : Учебное пособие.- Нижневартовск: Изд-во Нижневарт. гос. ун-та, 2013.- 189с.

5. Петин В.А. Проекты с использованием контроллера ардуино:–БХВ-Петербург,-2014.-400с.

Библиотеки

1.Для датчика BMP 180 или BMP085 http://adatum.ru//file/bmp085.rar,2.Для датчика DHT11(DHT22)http://iarduino.ru/lib/8bbf566690821e107581e8c9caeea535.zip,3.Длядатчика DS18B20 https://github.com/milesburton/Arduino-Temperature-Control-Library/archive/master.zip

• Цели
• Задачи
• Актуальность
• Результаты
• Применение
• Оборудование