Konstruktér Martin Suchomel testuje speciální dron pro Severočeské muzeum v Liberci | foto: Jaroslav Šanda
Agenda pracovníků Severočeského muzea v Liberci je velmi různorodá. Práce s historickými předměty je jen jednou položkou vedle kupříkladu dlouhodobého geologického průzkumu Jizerských hor, mapování historie města Liberce či skládání střípků temné válečné historie regionu. Nástroj ve formě speciálního dronu nyní zcela promění systém práce a navíc dá prostor i pro další vývoj.
„My dnes nezachraňujeme jenom movité předměty, jako třeba středověké truhly, ale zachraňujeme i předměty, stavby a jevy v podobě jejich obrazu – digitálních dat. Když se někde například bourá dům, tak je dobré, mít jej digitálně naskenovaný, tedy mít digitální model tohoto domu pro budoucí prezentace i pro uchování té věci. To je dnes v archeologii, či v památkové péči úplně standardní záležitost,“ vysvětluje muzejník Ivan Rous, když popisuje jednu z oblastí, kde se nový nástroj uplatní v praxi.
Unikátní systém se skládá z několika zařízení, která mohou pracovat v různých režimech na zemi i ve vzduchu. Zavěšením přístrojů pod létající zařízení se otevírá celá řada dalších možností. Kupříkladu z 3D skenu sbírkového předmětu lze rázem skenovat celé plochy, či dokonce krajinu. To jsme ovšem jen u jednoho druhu závěsu, tzv. payloadu.
Zleva: konstruktér Martin Suchomel a muzejník Severočeského muzea v Liberci Ivan Rous. Na zemí leží značky, využívané ve fotogrametrii. | foto: Aleš Vašíček
Speciálně navržený dron pro potřeby muzejníků bude mít za úkol nosit přístroje jako Lidar, termokameru, fotogrammetrické zařízení a magnetometr. Nedílnou součástí vybavení je i software a GPS systém, bez nichž by získaná data nebylo možné řádně zpracovat.
Dodavatel dronu a závěsných zařízení musel splnit náročnou poptávku muzejníků, jak popisuje konstruktér Martin Suchomel: „Při stavbě dronu jako nosné platformy je důležité vědět, jaké přístroje platforma ponese. Od toho se odvíjí všechno ostatní. Nejdůležitější zařízení, které měl dron nést, byl lidar, což je zjednodušeně řečeno laserový radar. Dále další užitečnou zátěž, to znamená termokameru, kameru v optickém spektru pro potřeby třeba fotogrammetrie nebo jakéhokoliv dalšího snímkování a magnetometr.“
Dron pro Severočeské muzeum v Liberci společně se třemi druhy závěsného zařízení: (zleva) lidar, termokamera, fotogrametrické zařízení | foto: txrobotics
Konstruktéři dronu vycházeli z parametrů lidaru, jako referenčního payloadu. „Víme, kolik váží, víme, jak dlouho potřebujeme s lidarem letět souvisle bez přerušení letu. Lidar, který váží do dvou kilogramů, budeme používat alespoň 50 minut bez přerušení, když skenujeme kupříkladu venkovní terén. Každé přerušení skenování znamená komplikaci při napojování dat.“
Tyto základní požadavky na zařízení postupně určily velikost dronu, výkon jeho motorů, rozměr vrtulí, druh napájení a další parametry.
„Existuje značné množství nejrůznějších parametrů, ale jenom pár kombinací zajistí požadovanou výdrž ve vzduchu. Samozřejmě existují ještě sekundární parametry, např. maximální rychlost dronu, požadované limity na rychlost větru a v neposlední řadě i teplotní minima požadovaná pro provoz dronu. Zcela zásadní pro konstukci dronu byl požadavek na možnost jeho složení do kompaktního tvaru tak, aby s ním mohla pohodlně manipulovat jedna osoba, což u takto velkého dronu není vůbec snadný úkol,“ vyjmenovává Martin Suchomel. Cílem bylo využít dostupné komponenty jako motory či vrtule v kombinaci s vlastní konstrukcí.
„Všechny standardní komponenty, které vyhovují požadovaným specifikacím, používáme hotové. Preferujeme komponenty, které jsou konstrukčně otevřené, abychom do nich mohli zasahovat my nebo kdokoliv jiný a existovala k nim dostupná patřičná dokumentace. Všechno, co nevyhovuje definovaným specifikacím, vytváříme sami, software i hardware,“ doplňuje Suchomel. Za zcela zásadní považuje použití otevřeného softwaru, což v budoucnu umožní prakticky neomezené rozšiřování využití celého systému.
Jedním z požadavků na dron pro Severočeské muzeum v Liberci bylo i to, aby s ním mohla pohodlně manipulovat jen jedna osoba a dron se dal složit do kompaktního tvaru. Tým Martina Suchomela vyvinul mj. i vlastní sklápěcí systém ramen.
Orientace v prostoru
Práce s tímto speciálním dronem vyžaduje naprosto přesnou orientaci v prostoru, kterou zajišťuje RTK GPS. Systém GPS nefunguje samostatně, ale v kombinaci s dalším zařízením, které zůstává na zemi, anebo si GPS na dronu stahuje informace přes základnovou stanici Českého úřadu zeměměřičského a katastrálního.
Dron pro Severočeské muzeum v Liberci před zkušebním startem se senzorem magnetometru
„Takto systém dosahuje poměrně vysoké přesnosti, řádově osm milimetrů ve všech osách. Základnová stanice je v podstatě geodetická GPS, která vytváří druhou část tohoto systému. Postaví se na zem do známého místa, anebo si dostatečně dlouho stahuje data, aby stabilizovala svoje umístění. Komunikuje přes rádiový komunikační kanál s pohyblivou GPS (která se označuje jako Rover) a vytváří korekční data,“ vysvětluje Suchomel.
Celý systém je doplněný ještě o sklonoměry na kamerovém závěsu pod dronem. Jejich data jsou potřeba kupříkladu pro korekci fotogrammetrických výstupů.
| Typ / výrobce | ALBA-1300-HEQ, Texxar cz s.r.o. / TX Robotics |
|---|---|
| Vzdálenost os rotorů | 1350mm |
| Rozměr vrtulí | 32" |
| Výdrž „hover“ při 2kg užitečné zátěži | 55 minut |
| Maximální užitečná zátěž | 20 kg |
| Napájecí systém | 48V / 12S Lipol HV, 25000mAh |
| Montáž payloadu | Rychlovýměnný systém Gremsy |
| Prázdná hmotnost s bateriemi | 12.2 kg |
Na odolnou a všem požadovaným parametrům vyhovující platformu, jež se spolehlivě orientuje v daném prostoru, lze zavěsit následující zařízení:
1 Fotogrametrické zařízení
„Je to průmyslové provedení Sony A6 se 24megapixelovým snímačem. Používá to stejný systém objektivů, ale je to kompletně řiditelné přes sérový port. To znamená, je vše perfektně zaintegrovatelné do takovéhoto systému,“ vysvětluje Martin Suchomel a jeho pracovní využití dále rozvádí muzejník Ivan Rous:
„Toto zařízení je pro nás úplný základ. Při studiu jakékoli oblasti si nejprve pořídíme její ortofoto a zároveň můžeme začít tvořit digitální model na základě fotogrametrie.“
| Snímač | Sony 24Mpix APS-C |
|---|---|
| Objektivy | Sony FE mount |
| Montáž | 3-osý gimbal na rychlovýměnné mnontáži |
| Poziční reference | RTK GPS, vlastní IMU, laserový dálkoměr |
Fotogrametrická kamera je zároveň základním nástrojem i pro skenování budov, kde se využívá fotografií pořízených z různých směrů.
Zařízení pro fotogrametrii v závěsu pod dron
2 Termokamera
Zvolená termokamera je vyráběná českou firmou, ale využívá americký senzor Flir. Kombinuje termo snímkování s kamerou ve viditelném spektru a dokáže oba obrazy proložit, aby bylo jasné, čeho se konkrétní snímek týká.
„Je to radiometrická kamera, to znamená, že údaje o teplotách, které poskytuje, mají jasně definovanou přesnost. Lze tak následně kupříkladu vytvořit 3D tepelný model,“ doplňuje konstruktér Suchomel.
| Typ / Výrobce | Wiris PRO / Workswell s.r.o. |
|---|---|
| Snímač | Flir 640x512px / 1266x1010 px mikrobolometriclé pole, 30Hz |
| Rozsah teplot | -40 až +550C |
| Citlivost | 0.03 C (30mK) |
| Spektrální rozsah | 7.5-13.5 um |
| Montáž | 3-osý gimbal na rychlovýměnné montáži |
Praktické využití nabízí termokamera v mnoha oblastech. V jednom z prvních projektů, který popisuje Ivan Rous, budou muzejníci s její pomocí zjišťovat různé tepelné setrvačnosti různých materiálů v krajině. Takto by mělo být možné odlišit strusku od obyčejné hlíny a doložit tak historickou výrobu železa. Další možné využití zasahuje do přírodovědy. Pomocí termokamery je například možné vysledovat vodní toky, které jsou jinak ukryté třeba pod travním porostem.
Termokamera v závěsu pod dron
„Jednáme o projektu s CHKO Jizerské hory, kdy cílem bude zjistit odtokové poměry z rašelinišť. Stejně tak termokamera může sloužit pro zjišťování podzemních objektů, třeba jeskyní či geologických jevů. Máme například projekt, který se zabývá žilnými horninami v granitovém masivu. Tam by opět termokamera mohla být, díky rozdílné tepelné setrvačnosti hornin, užitečným pomocníkem při geologickém mapování, nehledě na objevování termálních pramenů, které někdy geologické anomálie doprovázení,“ doplňuje Rous.
3 Lidar
„Laserový radar se skládá ze senzoru, skenovací hlavy a z počítače, který má za úkol skenovací hlavu ovládat a zároveň lokálně ukládat data na velmi rychlý disk. Konkrétně tato hlava ukládá 240 Mb za sekundu, to znamená, bavíme se si o 25 MB dat za každou sekundu a chceme létat 50 minut,“ začíná Martin Suchomel výklad k nejdůležitějšímu zařízení celého sytému a pokračuje:
„Lidar je, zjednodušeně řečeno, laserový dálkoměr, který ale v tomto případě rotuje rychlostí 20 otáček za sekundu. Při této rotaci změří za jednu otáčku 2048 vzdáleností včetně informace o úhlu, v jakém to bylo změřeno. A aby to bylo ještě zajímavější, tak těchto laserů je tam 128 současně. Tedy celkem se jedná o zhruba 262 000 vzdáleností. Ty nám míří do různých směrů. V tomto konkrétním případě tvoří úhel 45 stupňů.“
Lidar je, zjednodušeně řečeno, laserový dálkoměr, který rotuje rychlostí 20 otáček za sekundu. Při této rotaci změří za jednu otáčku 2048 vzdáleností včetně informace o úhlu, v jakém bylo měřeno. Těchto laserů je zde 128. Celkem se jedná o zhruba 262 000 vzdáleností. Ty míří do různých směrů v úhlu 45 stupňů.
Data lidaru jsou přesně časově sladěná s polohovými daty RTK GPS a s daty inerciálně navigační jednotky, která měří, v jaké pozici lidar je, jak je nakloněný a současně s jakým zrychlením se natáčí. To vše slouží později při počítačovém zpracování k vytvoření 3D obrazu skenovaného objektu či plochy.
Ukázka 3D scanu budovy pomocí lidaru
„Celé zařízení se pohybuje na dronu, to znamená, že samotné zpracování je velmi náročná disciplína a v podstatě je to věc, která je tuto chvíli předmětem vědeckých prací mnoha univerzit. Metodika se dále zpřesňuje, zlepšuje, zrychluje. Proto má smysl uložit všechna dostupná data, protože později, třeba po pěti, po deseti letech se může objevit lepší algoritmus pro zpracování a dostaneme výrazně lepší výsledek,“ doplňuje Suchomel.
Lidar v konfiguraci pro rucni mereni. Takto ho lze pouzit pro scanovani interieru budov nebo podzemnich prostoru.
Tento lidar se dá jak zavěsit na dron, tak využít pro ruční skenování vnitřních prostor – budov, dolů, jeskyní apod. Veškerý software tohoto systému je plně otevřený a lze ho tedy dále rozšiřovat.
| Typ / Výrobce | UAVScan-128 / Texxar cz s.r.o / TX Robotics |
|---|---|
| Snímač | Ouster / Velodyne OS1-128 |
| Maximální vzdálenost | 220m / 90m pří 10% odrazivosti |
| Počet laserových kanálů | 128 |
| Směrodatná odchylka | 0.5 cm |
| Rychlost scanování | 5.2M bodů/s, 20Hz |
| Zorné pole | 360 stupňů rotace, 45 stupňů úhel svazku |
| Paměť pro naměřená data | 1TB NVMe SSD |
| Komunikace | 1G ethernet, Wifi, USB mass storage |
| Montáž | Rychlovýměnný systém na UAV, měřící tyč, ruční s napájením a LCD |
4 Magnetometr
Součástí celého systému je i magnetometr na bázi protonové precese.
„Je to zařízení principiálně velmi staré, ale za to velmi spolehlivé a relativně levné proti jiným technologiím, jako je třeba césiový magnetometr a podobně,“ pochvaluje si Suchomel.
Muzejník Ivan Rous drží v rukou senzor magnetometru, vyvinutý tak, aby se mohl zavěsit pod dron.
Zařízení je uzpůsobené tak, aby se snímač dal zavěsit pod dron ve vzdálenosti asi 10 metrů. Tato vzdálenost eliminuje případné ovlivnění měření elektrickými motory dronu. Snímač je cívka v kapalině, která dokáže měřit intenzitu magnetického pole země.
„Každou sekundu získám jedno měření magnetického pole země a pokud to mám na dronu, který letí rychlostí třeba pět metrů za sekundu, tak vím, že každých pět metrů mám naměřený jeden poměrně spolehlivý bod, na rozdíl například od césiového, který má tu výhodu, že je velmi přesný, je velmi rychlý, ale má několik nevýhod při použití na dronu jako je například velká směrová chyba,“ dodává Suchomel.
| Typ / Výrobce | PPM-1 / Texxar cz s.r.o / TX Robotics |
|---|---|
| Citlivost | 0.25nT |
| Absolutní přesnost | +/- 0.5nT |
| Interval měření | 0,6 - 5s |
| Komunikace | Wifi/BT |
| Max gradient | 1200 nT/m |
Unikátnost koncepce ve spojení s dronem spočívá i v možnosti, zavěsit pod sebe několik senzorů a provádět tzv. gradientní magnetometrická měření v několika výškových úrovních zároveň. Tento způsob měření ale bude věcí dalšího výzkumu metodiky.
Co se praktického využití, to leží podle muzejníka Rouse hlavně v geologickém průzkumu, ale paradoxně pro archeologii je napsán první projekt.
„Tímto zařízením se dají identifikovat třeba staré sopky, dokonce i zlomy, dokonce jsme zjistili, že pokud máme dostatečně citlivé zařízení, tak třeba i křemenné žíly, na což se to běžně úplně nepoužívá. Tento dron je také dostatečně masivní na to, abychom mohli magnetometr dát do hlubokého podvěsu, daleko od rušení, které způsobují motory dronu. Tím se dostaneme na požadovanou přesnost, která je důležitá pro velmi slabé anomálie.“
Magnetometrická mapa Bukovce. Pozemní měření zde není možno provést všude a obrovské anomálie až 20 tisíc nT ztěžují interpretaci. Typický příklad lokality, kde je magnetometrie z dronu nezbytností.
Ivan Rous zároveň dodává, že magnetometr je dobře využitelný i v archeologii. „V archeologii se na základě nějakých drobných anomálií dají magnetometrem odhalit nějaké větší struktury. Může jít třeba o haldy strusky ze starých železářských lokalit, ale i o ocelové vraky pod vodou či pod zemí. To se týká aktuálně Labe, ale i Atlantiku.“
Pro strovnání: Úhledná maarová diatréma u Bedřichova. Zde naopak dron nepomůže, ale vzhledem k záběru jistě odhalí podobné struktury v okolí.
Na magnetometrickém měření za pomoci dronu je zcela zásadní to, že ulehčí práci.
„Klasický příklad jsou tzv. maarové diaatrémy, tedy typ sopky v Jizerských horách, která je několik milionů let stará. Když se to měřilo klasickou metodou, to znamená, dělaly se nějaké profily, kde se zapisovala velikost magnetického pole u každého bodu, tak než jsme se dostali třeba na 400–500 měření, tak to v tom terénu zabralo dva až tři dny práce. Pokud zavěsíme magnetometr na dron, tak úplně stejné měření jsme schopni udělat třeba za jednu jedinou hodinu letu. Za hodinu budeme mít stovky bodů, ale navíc v pravidelném rastru! Při pozemním měření chodíme průseky, schůdným terénem a to vytváří nepravidelnou síť, kde se může leckterá anomálie ztratit. Nehledě na některé struktury, které naopak mají tak obrovské anomálie, že jsou pozemní technikou neměřitelné. To se týká Bukovce v Jizerských horách.“
Rous dodává, že nejde jen o úsporu času, ale i možnost, prozkoumávat člověku nepřístupné oblasti či možnost operativního návratu dronu do oblasti se zajímavou magnetometrickou odezvou.
Pozemní stanice
Pozemní základnovou stanici tvoří vysoce odolný počítač, ovšem opět postavený tak, aby byl v případě potřeby lehce opravitelný. Jeho tělo je vyfrézováno z hliníkového bloku a zabudované do odolného kufru. Počítá se s použití v extrémních podmínkách terénního průzkumu. Počítač primárně slouží k programování dronu, ale také samozřejmě k práci s veškerými periferiemi. K přípravě misí, přípravě dat i klidně ke zpracování dat. Napájení lze v případě potřeba zajistit jakýmkoli zdrojem v rozsahu 9 až 36 V.
Vysoce odolný počítač je integrován do víka odolného kufru v těle, které je vyfrézované z hliníkového bloku. PC běží na systému Linux a lze jej napájet téměř jakoukoli baterií o napětí 9 až 36V.
| Procesor / RAM | Intel i7 / 16GB |
|---|---|
| Display | 20" LCD 1200 cd/m2, dotykový, LED podsvícení, čitelný na přímém slunci |
| Úložiště | 1TB NVMe SSD |
| Externí rozhraní | 4x USB 3.0 / 2.5Gbit ethernet / HDMI / Wifi6 |
| OS | Windows / Linux |
| Napájení | Dvojité 9-36V / 80W |
Software
Jedním ze základních požadavků na systém bylo využití otevřeného Open Source softwaru. Jak konstruktér Suchomel, tak muzejník Rous vítají výhody, které to skýtá.
„Muzea mohou kupříkladu spolupracovat s vysokými školami a studenti si na tomto systému mohou stavět svoje diplomové či disertační práce. Všechno je otevřené a lze zde získat první zkušenost. Studenti mohou zároveň přispět k posunutí těchto technologií mimo komerční sféru a mimo „vendor locking“. Tedy mimo systém, kdy se výrobci platí za cloudové řešení a bez něhož to prostě nefunguje,“ říká konstruktér Martin Suchomel a doplňuje:
„Co se týká hardwaru, tam si myslím, že ty věci máme velice dobře podchycené a jsme schopni na nich efektivně pracovat, ale co nás nejvíce brzdí, tak je nedostatek lidí nadšených pro věc, kteří umí programovat a kteří by chtěli systém rozvíjet dál. Jedná se především o algoritmy a technologie pro zpracování naměřených dat.“
Suchomel upozorňuje, že zde je velký potenciál pro budoucí vývojáře, protože algoritmy pro zpracování dat lidarů, případně jich vhodného kombinování s obrazovými daty, pořád nejsou uspokojivě dořešené a jsou stále součástí výzkumu na mnoha světových univerzitách. Týká se to například georeferencování dat, vyrovnávání dat, navazování dat na sebe, odstraňování různých chyb atd. Tento nový systém Severočeského muzea v Liberci tak může v budoucnosti posloužit nejen jako vysoce výkonný nástroj výzkumu, ale i jako platforma pro další vývoj.
