هوشمندسازی سخت افزاری و نرم افزاری پهپاد

هوشمند سازی سخت افزاری و نرم افزاری پهپاد، امکان بهره‌وری بیشتر، دقت بالاتر و عملکرد خودکار در کاربردهای مختلف را فراهم می‌آورد. از شناسایی و نقشه‌برداری تا عملیات امداد و نجات و حمل‌ونقل، ترکیب هوش مصنوعی با سیستم‌های پهپادی تحولی چشمگیر ایجاد کرده است. در این مسیر، استفاده از الگوریتم‌های پیشرفته، سنسورهای هوشمند و طراحی‌های نوآورانه سخت‌افزاری، نقش کلیدی در افزایش توانایی‌ها و قابلیت‌های این ابزارها دارد. این مقدمه به بررسی اهمیت و کاربردهای هوشمندسازی در عرصه پهپادها می‌پردازد.

پهپادها ترکیبی پیچیده از مکانیک، سخت افزار و نرم افزار هستند. بسیاری از کاربران پهپاد، از سیستم‌های داخلی که با هم ترکیب می‌شوند و یک پهپاد را تشکیل می‌دهند، آگاه نیستند. و از عملکرد تک تک اجزا نیز آگاهی ندارند. در این مقاله می خواهیم در مورد اجزای مختلف پهپاد صحبت کنیم و یک نمای کلی از اجزای مختلف مورد نیاز برای راه اندازی یک پهپاد را ارائه دهیم.

بخش های اصلی

نرم افزار

سخت افزار

هوشمند‌سازی سخت‌افزاری و نرم‌افزاری پهپاد به معنای افزودن قابلیت‌های هوشمندانه به سیستم‌های کنترل، ارتباطات و عملکرد پهپاد‌ها است.

مزایای هوشمند‌سازی

افزایش قابلیت اطمینان وقابلیت کارکرد

بهبود عملکرد در شرایط نامطلوب

افزایش طول عمر باتری

امکان انجام وظایف پیچیده‌تر

کاربردهای هوشمند‌سازی

خودکار کردن پروتوکل‌های پرواز

تشخیص و اجتناب از موانع

اتوماسیون عملیات پرواز

پهپادها (پرنده‌های هدایت‌پذیر از دور) دارای اجزای سخت‌افزاری مختلفی هستند که عملکردهای مختلف پرواز، هدایت و ثبت داده‌ها را فراهم می‌کنند. اجزای اصلی سخت‌افزاری یک پهپاد عبارتند از:

بدنه: چارچوب اصلی پهپاد که معمولاً از مواد سبک مانند فیبر کربن یا پلاستیک مقاوم ساخته شده است. بدنه به اجزای دیگر پهپاد شکل و استحکام می‌بخشد. موتورها: موتورها معمولاً به‌صورت موتورهای براشلس (بدون جاروبک) هستند که نیروی لازم برای چرخش پره‌ها و پرواز پهپاد را تأمین می‌کنند.

پره‌ها (ملخ‌ها): این قطعات به موتورها متصل می‌شوند و با چرخش، نیروی لازم برای پرواز پهپاد و ایجاد تعادل در هوا را ایجاد می‌کنند. باتری: منبع تغذیه‌ی پهپاد که انرژی الکتریکی لازم برای موتورها و دیگر سیستم‌ها را تأمین می‌کند. نوع و ظرفیت باتری به مدت پرواز و قدرت پهپاد تأثیر می‌گذارد.

کنترل‌کننده پرواز (Flight Controller): واحد کنترل مرکزی که داده‌های سنسورها را دریافت و تجزیه و تحلیل می‌کند و دستورهای لازم را برای تعادل، حرکت و جهت‌دهی پهپاد به موتورها ارسال می‌کند.

GPS: سیستم موقعیت‌یاب جهانی که موقعیت دقیق پهپاد را نسبت به کره زمین مشخص می‌کند. این سیستم برای پروازهای خودکار و بازگشت به خانه مفید است. سنسورها: شامل سنسورهای مختلفی مثل ژیروسکوپ، شتاب‌سنج، قطب‌نما و بارومتر است که به کنترل‌کننده پرواز کمک می‌کنند تا وضعیت و موقعیت پهپاد را در حین پرواز تشخیص دهد.

دوربین‌ها: برخی از پهپادها به دوربین‌هایی برای تصویربرداری، فیلم‌برداری یا ارسال تصاویر زنده مجهز هستند. کیفیت دوربین بسته به نوع و کاربرد پهپاد متغیر است.

فرستنده و گیرنده (Transmitter & Receiver): این سیستم‌ها ارتباط بین کنترلر دستی (ریموت کنترل) و پهپاد را برقرار می‌کنند و برای ارسال و دریافت دستورها و داده‌ها استفاده می‌شوند.

آنتن‌ها: پهپادها برای دریافت سیگنال‌های GPS و همچنین ارتباط با کنترل‌کننده زمینی به آنتن‌های خاص نیاز دارند. لندینگ گیر (Landing Gear): بخش‌هایی که برای فرود ایمن پهپاد طراحی شده‌اند و از تجهیزات حساس در زمان فرود محافظت می‌کنند. هر یک از این اجزا به‌صورت هماهنگ با هم کار می‌کنند تا پهپاد بتواندبه‌طور پایدار پرواز کند، داده‌ها را جمع‌آوری کند و به دستورات پاسخ دهد.

نرم افزار پهپاد

از آنجایی که نرم افزار پهپاد مغز پهپاد است، باید نحوه عملکرد آن را توضیح داده شود. نرم افزار Drone به گونه ای طراحی شده است که به پهپاد می گوید در حین پرواز از A به B به کجا برود و چه کاری انجام دهد. برای درک و اتصال تمام اطلاعات لازم پهپاد، بخش نرم افزار به یک سیستم بسیار پیچیده تبدیل می شود. نرم افزار نصب شده در پهپاد در یک سیستم لایه ای عمل می کند.

سیستم‌عامل پروازی (Flight Control Software): مسئول کنترل و هدایت پهپاد است. این سیستم معمولاً به وسیله نرم‌افزارهایی مانند ArduPilot یا PX4 توسعه داده می‌شود. وظیفه انجام محاسبات مربوط به ثبات پروازی، ناوبری، و کنترل وضعیت پرنده را بر عهده دارد.

سیستم ناوبری و موقعیت‌یابی (Navigation & Positioning Software): برای موقعیت‌یابی و حرکت پهپاد استفاده می‌شود. شامل نرم‌افزارهایی است که از سنسورهایی مانند GPS، GLONASS، یا Galileo برای تعیین موقعیت استفاده می‌کنند. همچنین ممکن است سیستم‌هایی مانند Visual Odometry یا SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) برای ناوبری بدون GPS استفاده شوند.

پردازش تصویر و بینایی کامپیوتری (Computer Vision Software): برای تشخیص و شناسایی اشیاء و مسیریابی در محیط‌های پیچیده به کار می‌رود. این نرم‌افزارها معمولاً از الگوریتم‌های پردازش تصویر مانند OpenCV برای شناسایی و ردیابی اهداف یا موانع استفاده می‌کنند. به علاوه، ممکن است از دوربین‌های RGB، دوربین‌های حرارتی یا LiDAR برای جمع‌آوری اطلاعات استفاده شود.

سیستم ارتباطی و ارسال داده (Communication & Data Link Software): شامل نرم‌افزارهایی است که برای برقراری ارتباط با ایستگاه کنترل زمینی و ارسال داده‌ها از قبیل اطلاعات پروازی و تصاویر استفاده می‌شود. این سیستم‌ها معمولاً از پروتکل‌هایی مانند MAVLink برای انتقال اطلاعات میان پهپاد و ایستگاه کنترل زمینی بهره می‌برند.

سیستم خودکار پرواز (Autopilot Software): این نرم‌افزار وظیفه انجام پروازهای خودکار را بر عهده دارد. شامل برنامه‌ریزی مسیر پروازی، تنظیم ارتفاع، سرعت، و تغییرات در مسیر است. در این قسمت ممکن است از الگوریتم‌های پیچیده‌ای برای شبیه‌سازی شرایط مختلف پرواز و تصمیم‌گیری در زمان واقعی استفاده شود.

مدیریت انرژی و باتری (Power Management Software): این نرم‌افزار وظیفه نظارت بر مصرف انرژی و وضعیت باتری را بر عهده دارد. همچنین میزان انرژی مورد نیاز برای ادامه پرواز را تخمین می‌زند و در صورت نیاز، به طور خودکار پهپاد را به محل شارژ بازمی‌گرداند.

سیستم مدیریت پرواز چندگانه (Mission Planning & Management Software): این نرم‌افزار به اپراتور اجازه می‌دهد که برنامه‌های پروازی پیچیده و مسیرهای خاصی را برای چندین پهپاد به طور همزمان ایجاد کند. همچنین برای پایش وضعیت و هماهنگی بین پهپادها کاربرد دارد.

سیستم پشتیبانی از حمل بار (Payload Software): در پهپادهای باربردار، نرم‌افزاری برای مدیریت و کنترل بار (payload) مانند دوربین‌ها، سنسورها، یا سایر تجهیزات خاص وجود دارد. این نرم‌افزار مسئول اطمینان از هماهنگی دقیق با سیستم پروازی و انجام عملیات‌های خاص با بار است.

صنعت پهپاد تقریباً هر روز به سرعت در حال پیشرفت است، گسترش آن نه تنها در ارتش، بلکه در روزنامه نگاری، تحویل بسته ها، کمک به آتش نشانان، نظارت، صنعت فیلمبرداری و بسیاری موارد دیگر قابل تشخیص است.
بر اساس چندین پیش‌بینی جهانی، اگرچه هواپیماهای بدون سرنشین بخش بزرگی از زندگی ما در آینده خواهند بود، بازار اصلی پهپاد نظامی باقی خواهد ماند. بنابراین، لازم است کاربران درک کاملی از عملکرد داخلی پهپاد داشته باشند. و برخی از دانشگاه ها حتی شروع به ارائه مدارک تحصیلی کرده اند که به طور کامل به پرواز هواپیماهای بدون سرنشین اختصاص دارد.

هوشمندسازی سخت افزاری و نرم افزاری در سامانه جوتیار

سنسورها و ماژول‌های ارتباطی: پهپادها با استفاده از سنسورها و ماژول‌های ارتباطی می‌توانند داده‌های زمان واقعی و مرتبط را جمع‌آوری کنند و از آن‌ها برای بهینه‌سازی عملیات  استفاده کنند. ماژول‌های ارتباطی به پهپادها امکان استفاده از سیستم‌های مکان‌یابی مانند GSMT، GPRS، GPS را می‌دهند تا محل دقیق تجهیزات را شناسایی کنند و در صورت نیاز به تعیین محل دقیق آن‌ها کمک کنند. همچنین سنسورها و ماژول‌های ارتباطی می‌توانند داده‌های هواشناسی مانند میزان دماو رطوبت، سرعت باد، و غیره را از محیط اطراف جمع‌آوری کنند و بر روی پهپادها ارسال کنند. این داده‌ها می‌توانند به کشاورزان کمک کنند تا تصمیمات خود را بر اساس شرایط محیطی بهتر بگیرند.

یکی از بخش های مهم سامانه جوتیار در راستای کشاورزی هوشمند توسعه سخت افزاری و نرم افزاری مدیریت تجهیزات کشاورزی مانند تراکتورها، پهپادها، کمباین و … جهت مدیریت روند فعالیت های کشاورزی و استفاد بهینه از تجهیزات، زمان، هزینه و نیرو می باشد.

پردازش داده‌ها: بعد از دریافت اطلاعات در بخش مدیریتی مربوطه قابلیتی در سامانه جوتیار طراحی گردیده است که امکان پایش و آنالیز داده های دریافت شده از تجهیزات به صورت هوشمند نیز فراهم گردیده است. داده‌های جمع‌آوری شده توسط سنسورها و ماژول‌های ارتباطی در سیستم پردازش داده‌ها مورد بررسی قرار می‌گیرند.

تیم فضاکاو در راستای اجرای کشاورزی هوشمند در کشور با طراحی و توسعه سامانه هوشمند پایش ماهواره ای و هوایی کشاورزی علاوه بر پایش و نظارت بر وضعیت رشد و سلامت محصول، امکان مدیریت هوشمند تجهیزات پهپادی را فراهم کرده است.

اهداف طرح

طراحی و پیاده‌سازی کشاورزی هوشمند بر روی تجهیزات کشاورزی

پیاده‌سازی یک سیستم مدیریت تجهیزات و بررسی داده‌ها

صرفه‌ جویی در زمان، نیروی کار و هزینه‌های ورودی

حذف خطاهای انسانی