Projekt i wykonanie bezzałogowego statku powietrznego (BSP) typu oktokopter do akwizycji danych ze środowiska podwodnego sonarem Ping 360

pol Article in Polish DOI: 10.14313/PAR_257/67

send Jakub Tkaczyk , Maciej Tyszecki , Jacek Jabłoński , Paweł Piskur Akademia Marynarki Wojennej im. Bohaterów Westerplatte, Wydział Mechaniczno-Elektryczny, Katedra Automatyki Okrętowej, ul. Śmidowicza 69, 81-127 Gdynia

Download Article

Streszczenie

W artykule omówiono projekt, budowę oraz testy bezzałogowego statku powietrznego (BSP) przeznaczonego do zastosowań morskich. Konstrukcja BSP obejmuje specjalnie opracowane pływaki, umożliwiające unoszenie się na powierzchni wody. BSP został zaprojektowany do pozyskiwania danych w toni wodnej za pomocą sonaru Ping360. Sterowanie odbywa się za pomocą dedykowanego kontrolera zdalnego, a alternatywnie BSP może realizować autonomiczne misje według zaprogramowanego scenariusza. Dane sonarowe są przesyłane w czasie rzeczywistym do operatora przy stacji naziemnej, co umożliwia ich bieżącą analizę. W artykule szczegółowo omówiono kolejne etapy projektowania i budowy, w tym konstrukcję ramy i pływaków, architekturę systemu oraz warstwę elektroniczną i sprzętową. W końcowej części zaprezentowano wyniki analizy parametrów lotu, uzyskane zarówno podczas testów nad lądem, jak i w warunkach morskich.

Słowa kluczowe

bezzałogowy statek powietrzny, bezzałogowy system morski, BSM, BSP, lądowanie na wodzie, pływaki, sonar, sterowanie zdalne, system autonomiczny, transmisja danych

Design and Implementation of an Octocopter-type Unmanned Aerial Vehicle (UAV) for Underwater Environmental Data Acquisition Using the Ping 360 Sonar

Abstract

The article presents the design, construction and testing of an unmanned aerial vehicle (UAV) for marine applications. The UAV design includes specially developed floats, allowing it to float on the surface of the water. The UAV is designed to acquire data in the water’s depths using Ping360 sonar. It is controlled using a dedicated remote controller, or alternatively, can carry out autonomous missions according to a preprogrammed scenario. The sonar data is transmitted in real time to the operator at the ground station for ongoing analysis. The article discusses in detail the subsequent design and construction stages, including the frame and float design, the system architecture, and the electronic and hardware layers. The final section presents the results of the analysis of flight parameters, obtained both during tests over land and in sea conditions.

Keywords

drone, maritime environment, reconnaissance, sonar, UAV, Unmanned Aerial Vehicle, water landing

Bibliography

  1. Telli K., Kraa O., Himeur Y., Ouamane A., Boumehraz M., Atalla S., Monsoor W., A Comprehensive Review of Recent Research Trends on Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), “Systems”, Vol. 11, No. 8, 2023, DOI: 10.3390/systems11080400.
  2. Yang Z., Yu X., Dedman S., Rosso M., Zhu J., Yang J., Xia Y., Tian Y., Zhang G., Wang J., UAV remote sensing applications in marine monitoring: Knowledge visualization and review, “Science of The Total Environment”, Vol. 838, Part 1, 2022, DOI: 10.1016/j.scitotenv.2022.155939.
  3. Sotoudehfar S., Sarkin J.J., Drones on the Frontline: Charting the Use of Drones in the Russo-Ukrainian Conflict and How Their Use May Be Violating International Humanitarian Law, “International and Comparative Law Review”, Vol. 23, No. 2, 2023, DOI: 10.2478/iclr-2023-0018.
  4. Chávez K., Learning on the Fly: Drones in the Russian-Ukrainian War, “Arms Control Today”, Vol. 53, No. 1, 2023, 6–11.
  5. Jeelani I., Gheisari M., Safety challenges of UAV integration in construction: Conceptual analysis and future research roadmap, “Safety science”, Vol. 144, 2021, DOI: 10.1016/j.ssci.2021.105473.
  6. Feron E. (ed.) Advances in Control System Technology for Aerospace Applications, Springer, LNCIS, Vol. 460, 2016, DOI: 10.1007/978-3-662-47694-9.
  7. Zhu H., Nie H., Zhang L., Wei X., Zhang M., Design and assessment of octocopter drones with improved aerodynamic efficiency and performance, “Aerospace Science and Technology”, Vol. 106, 2020, DOI: 10.1016/j.ast.2020.106206.
  8. Bin H., Justice A., The design of an unmanned aerial vehicle based on the ArduPilot, “Indian Journal of Science and Technology”, Vol. 2, No. 4, 2009, 12–15, DOI: 10.17485/ijst/2009/v2i4/29423.
  9. Chintanadilok J., Patel S., Zhuang Y., Singh A., Mission planner: An open-source alternative to commercial flight planning software for unmanned aerial systems, “Agricultural Education and Communication”, Vol. 2022, No. 4, 2022, DOI: 10.32473/edis-AE576-2022.
  10. Yan H., Yang S.-H., Chen Y., Fahmy S.A., Optimum battery weight for maximizing available energy in UAV-enabled wireless communications, “IEEE Wireless Communications Letters”, Vol. 10, No. 7, 2021, 1410–1413, DOI: 10.1109/LWC.2021.3069078.
  11. Mu J., Zhang R., Cui Y., Gao N., Jing X., UAV meets integrated sensing and communication: Challenges and future directions, “IEEE Communications Magazine”, Vol. 61, No. 5, 2023, 62–67, DOI: 10.1109/MCOM.008.2200510.
  12. Yaşa Y., An Efficient Brushless DC Motor Design for Unmanned Aerial Vehicles, “Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi”, No. 35, 2022, 288–294, DOI: 10.31590/ejosat.1083838.
  13. Andria G., Di Nisio A., Lanzolla A.M.L., Spadevecchia M., Pascazio G., Antonacci F., Design and performance evaluation of drone propellers, 5th IEEE International Workshop on Metrology for AeroSpace (MetroAeroSpace), IEEE, 2018, 407–412, DOI: 10.1109/MetroAeroSpace.2018.8453604.
  14. Hassija V., Chamola V., Agrawal A., Goyal A., Luong N.C., Niyato D., Yu F.R., Guizani M., Fast, reliable, and secure drone communication: A comprehensive survey, “IEEE Communications Surveys & Tutorials”, Vol. 23, No. 4, 2021, 2802–2832, DOI: 10.1109/COMST.2021.3097916.
  15. Bandini F., Olesen D.H., Jakobsen J., Kittel C.M.M., Wang S., Garcia M., Bauer-Gottwein P., Technical note: Bathymetry observations of inland water bodies using a tethered single-beam sonar controlled by an unmanned aerial vehicle, “Hydrology and Earth System Sciences”, Vol. 22, No. 8, 2018, 4165–4181, DOI: 10.5194/hess-22-4165-2018.
  16. Hansen T., Belenis B., Firvida M.B., Creutz T., Birk A., Scanning Sonar Data from an Underwater Robot with Ground Truth Localization, “IEEE Access”, Vol. 12, 2024, 129202–129211, DOI: 10.1109/ACCESS.2024.3420766.
  17. Metni N., Pflimlin J.-M., Hamel T., Souères P., Attitude and gyro bias estimation for a VTOL UAV, “Control Engineering Practice”, Vol. 14, No. 12, 2006, 1511–1520, DOI: 10.1016/j.conengprac.2006.02.015.