TinyML空中森林火灾探测

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资料介绍

描述

问题

森林火灾在全世界都是一个严重且致命的问题，尤其是在我们的家乡加利福尼亚州。2021 年，仅加利福尼亚州就有 7,480 场野火烧毁了 2,281,050 英亩的土地，随着气候变化，这个问题只会变得更糟。野火威胁着我们的家园和野生动物，一旦它们蔓延，在不严重危及我们的消防员的情况下几乎不可能停止。防止野火变得如此严重的一种方法是早期检测系统。

具体来说，我们决定制造一架高效的遥控飞机，它能够在使用机载摄像头、TinyML 和卫星调制解调器检测和报告野火的同时自主飞行。

TinyML 空中探测

早期森林火灾探测只有两种可能的方法：放置在固定位置周围的传感器或测量土地的航空设备。后者是更好的方法，因为它更可靠、更实惠、覆盖范围更广，并且可以部署在任何地方。此外，将传感器放置在野生动物身上可能会对生态系统造成破坏。

空中设备受到重量和功率的限制，因此使用红外热像仪来探测火灾并不理想——像样的热像仪重量很重，耗电量太大。TinyML 解决了这些限制，因为可以在机上处理常规图像，从而允许小型、轻便、高效的硬件。

使用的数据集是火焰数据集，它由有火和无火的景观航拍照片组成。还包括其他数据集，例如火灾数据集和森林火灾。在训练 CNN 100 个时期后，我们实现了大约 96% 的验证准确率，并且通过量化，该模型能够适合 Arduino Nano 33 BLE 的内存。要了解更多关于我们如何训练模型的信息，请查看 Jupyter Notebook。

卫星

1 / 2 • RockBlock 卫星接口

能量消耗

为节省电量，Arducam OV2640、Arduino Nano 33 BLE 和卫星模块在拍摄每张照片后休眠 500 毫秒。完整的设备（包括 GPS，耗电 150 毫安）对飞机的电池寿命影响很小（≈ 总耗电量的 0.3%）。这架飞机可以以 30 英里/小时的速度（飞行约 45 英里）在空中持续至少 90 分钟，并且如果电池更多（有空间），飞机可以飞行更长的时间。此外，当在高空飞行时，飞机一次飞行可以覆盖相当大的陆地。

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建造飞机

我们决定使用飞机，因为飞机会产生自己的升力，使它们比多旋翼飞行器更节能。它们还可以覆盖更远的距离，这在寻找广阔森林中的火灾时非常有用。

1. 使用随附的说明获取并组装飞机。

我们使用了 ASW28 V2 电动滑翔机，这是一种以高效着称的流行滑翔机。

整机CAD渲染图

2. 获得以下物品（如下图所示）。

图 1：标记的航空电子设备视图

图 2：航电层

答：Pixhawk 4

B：这里 GNSS GPS/罗盘

C：辅助 GPS/指南针

D: Pixhawk 电源管理板

E：RFD900x 遥测调制解调器

F：空速传感器

G：TBS Crossfire Diversity Nano RX

H：电调

一：电机

J：空速管

K：皮托管

L：面包板

男：相机

*注意：大多数现成的飞机套件中都包含电机和 ESC。

3. 为空速管和空速管在泡沫上切槽，将空速管穿入机身。

连接皮托管和空速管

4. 获得一块轻质轻木板来固定所需的航空电子设备。此板如图1所示，配套B和E。

5. 在飞机底部开一个洞，让相机可以看到地面。

确保摄像机有足够的地面视野。

6. 使用双面胶带，将图 1 和图 2 中所示的所有航空电子设备连接到各自的位置。

从飞机前面看航空电子枢纽

7. 根据随附的示意图（见页面底部）连接航空电子设备。

1 / 2 •有线面包板和卫星模块视图

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飞行

Q地面控制

对于我们的地面站软件，我们选择了 QGroundControl，因为它可以与 PX4（在 Pixhawk 飞行控制器上运行的固件）配合使用。这是我们的一项任务的示例。这是一张交互式地图，显示了我们的飞机所走的路线，以及来自飞行的大量传感器数据。除了安全至上的发射之外，这架飞机在所有时间都保持完全自主。这种自主飞行包括飞机前往多个预定航路点，标志着未来不仅在自主飞行，而且在公共安全，特别是森林火灾安全方面迈出了重要一步。