Modular Airborne Reckoning System (MARS)

Modular Airborne Reckoning System (MARS) Hvordan kan intelligente droner brukes til å gi et helhetlig bilde av skadeomfanget etter en naturkatastrofe? av Bent Arnesen, Christian Finstad, Marcus Løken, Fredrik Jonsson Ruud, Stian Sandøy, Kristian Wille October 2014

Innholdsfortegnelse 1 Lagbeskrivelse 3 2 Introduksjon 4 3 Modular Airborne Reckoning System (MARS) 5 3.1 Scenario...................................... 5 3.2 Beskrivelse av produktet............................. 6 3.2.1 MARS-konteiner som mobil basestasjon................. 6 3.2.2 UAV.................................... 6 3.2.3 Sensorer og instrumenter......................... 7 3.2.4 Styring og økt dekning.......................... 8 3.2.5 Sporingssystem.............................. 9 3.3 Realiserbarhet................................... 9 3.4 Markedspotensiale................................ 10

1 Lagbeskrivelse Laget va rt besta r av seks studenter fra studieprogrammet Ingeniørvitenskap & IKT, fem av oss med spesialiseringen Marin Kybernetikk og en med Konstruksjonsteknikk. Vi har en lagsammensetning med god innsikt i IKT-systemer og med en bred kunnskap innenfor de klassiske ingeniørfagene. Vi er alle svært kreative og selvstendige, og stiller opp med et mangfold ulike ideer og ser problemene fra forskjellige synsvinkler. En av va re største fordeler som en gruppe er at vi kjenner hverandre godt fra før, og at vi kjenner hverandres styrker og svakheter. 3

2 Introduksjon Klima er et tema som har vært på dagsordenen i lang tid. Global oppvarming og mer ekstremvær resulterer i stadig flere tapte menneskeliv. I områder der ekstremvær har herjet, oppstår det store behov for humanitær bistand. Mangel på kommunikasjon, vann og mat er i mange tilfeller kritisk, og rask evakuering av skadde og sårede er nødvendig. En ofte forekommende konsekvens av ekstremværets ødeleggelser er at ras og flom fører til isolasjon som gjør redningsarbeid svært vanskelig. For å gjennomføre og koordinere redningsaksjonen er det essensielt for redningsmannskaper å få informasjon om hvor det befinner seg personer, hvilke akutte behov de har, hvilke veier som er ødelagt og hvilke områder som er flomutsatt. Dette er viktig informasjon for koordinering av redningsaksjonen, og en rask stadfesting av skadeomfanget kan begrense tapet av menneskeliv. I de siste årene har utviklingen av ubemannede autonome fartøy (UAV) steget kraftig. Nye og innovative løsninger har gjort det mulig å ta i bruk UAV-er flere områder både militært og sivilt, men teknologien er enda lite brukt i forbindelse med ekstremværsituasjoner. 4

3 Modular Airborne Reckoning System (MARS) 3.1 Scenario Meldingen har kommet: en forferdelig storm er på vei inn mot Trøndelag. Det ble varslet om stormen noen dager i forveien, og nå er den bare få timer unna. Ingen hadde sett for seg hvor voldsom stormen skulle bli, og de fleste har ikke rukket å evakuere. MARS-konteinere blir plassert ut på strategiske steder før stormen når kysten, et sted nærme nok til at dronene vil være på plass kort tid etter at signalet er gitt. Det har nå gått over 30 timer siden stormen feide inn over Trøndelagskysten og vinden begynner endelig å gi seg. Dronene tar av. Dronenes mål er å lokalisere mennesker og få en oversikt over hvor det trengs hjelp. De er utstyrt med CBS (Compact Base Station) for telefonsignaler, og de vil sette opp et midlertidig telefonnett over store deler av Sør-Trøndelag. Ved hjelp av triangulering av singalene vil de kunne finne ut hvor menneskene er. Alle telefonene som befinner seg i sonen blir automatisk oppringt, og brukeren må svare på noen enkle spørsmål for å kartlegge deres behov. Dronene tar bilder med termisk og optisk kamera. Det termiske kameraet ser etter mennesker mens de optiske bildene blir sammenliknet med tidligere satellittbilder av området. Videre danner de, sammen med informasjon fra telekommunikasjon, et interaktivt og dynamisk bilde av skadeomfanget. Informasjonen blir presentert på en brukervennlig måte for de som leder redningsaksjonen, og vil vise hvilke bygninger som er ødelagt, hvilke veier som kan brukes og hvor folk befinner seg. Med informasjonen som er samlet inn legges det nå en plan for hvordan redningsoperasjonen kan fortsette. Ved å se på hvor folk befinner seg og hvilke bygninger som kan brukes finner man strategiske områder for plassering av nødrasjoner og sanitetsutstyr. Når situasjonen er under kontroll og man har fått opp vanlig mobildekning, flyr dronene tilbake til basestasjonen. MARS-konteinerene blir så fraktet tilbake til lagringsstedet og er klare for et nytt oppdrag. 5

3.2 3.2.1 Beskrivelse av produktet MARS-konteiner som mobil basestasjon MARS-konteineren er en fremskutt kontrollenhet som samler inn, behandler og videreformidler informasjon fra dronene. Den lagrer dronene under transport, har ladere til UAV-ene og fungerer som en kommandosentral for operatørene. Her fa r dronene, ved hjelp av et brukervennlig grensesnitt for operatørene, beskjed om hvilke omra der som skal dekkes. Basestasjonen plasseres ved flatt terreng, ideelt sett en veistrekning, og bruke denne som flystripe for dronene. I nærmeste fremtid vil det nok ikke være mulig a ha fly som kan holdes operative gjennom en hel redningsoperasjon, sa man ma ha noen reservefly det kan rulleres med na r dronenes batteri/drivstoff ga r tomt eller dersom skader/feil skulle oppsta. Figur 1: MARS-konteiner med utfelt antenne og UAV-er flyvende over. 3.2.2 UAV Man kan lage sitt eget spesialiserte design av fartøyet, men det er enklere a bruke et som allerede eksisterer. En av de største utfordringene til designet av dronen vil være a sikre lang operasjonstid før den ma ned pa bakken igjen. Dronen ma være et fly, da disse er overlegne helikoptre na r det kommer til hvor lenge de kan være operative i luften. Det er sentralt a velge sa lette komponenter som mulig. I dag ville vi valgt a bruke bensin som drivstoff, siden bensin har en mye høyere energitetthet til vekt og volum enn dagens batterier, men dette kan enkelt erstattes na r nyere og bedre teknologi dukker opp. Pa selve flyet er tanken a ha 6

propellen bakerst og sensorene foran for å forhindre støy på sensorene. Stort vingespenn gir flyet økt løft og muligheten for en lav marsjfart, som igjen hjelper flyet til å kunne holde seg oppe lenger. 3.2.3 Sensorer og instrumenter Systemet må være pålitelig. For å øke dette må man ha mer redundans. Det betyr at UAV-ene må ha flere sensorer, slik at den vil være operativ selv om en sensor slutter å virke. Graden av redundans må også veies opp mot pris og vekt. For redningsaksjoner er det infrarøde og optiske kameraet kritisk. Det er viktig at disse komponentene både holdes stabile og sikre under flyvning. Her kan dagens utviklede gimbalteknologi benyttes. Kommunikasjonsenhetene i flyet består av to forskjellige sendere og mottakere. Et sett til GSM-nettverket (Globalt System for Mobilkommunikasjon) som skal gjøre det mulig å kommunisere med telefonenheter på bakken, og et sett til kommunikasjonen med satellitter som videresender signalene til konteineren. Dette er en mulig løsning for kommunikasjonen, men kan også erstattes med ny teknologi i 2050. For mobiltelefonnettet er GSM i dag det beste med tanke på pris, energieffektivitet og pålitelighet. En stor fordel med å ha sender og mottaker oppe i luften er at vi ikke trenger å bekymre oss så mye for at terreng blokker signalet. For å maksimere rekkevidden må vi helst bruke den nedre delen av frekvensspekteret, da lange bølger generelt kan gå lengre en korte bølger. Det vil være et kompromiss mellom hvor høy båndbredde og hvor lang rekkevidde man kan ha, dvs. hvor mange telefonsamtaler systemet kan håndtere samtidig og hvor langt signalene kan gå. GSM (2G) som nettverksstandard er et naturlig valg, da dette er en godt etablert teknologi som brukes over hele verden. GSM opererer mellom 800 og 1800 Mhz. Vi ønsker å oppnå en så lav frekvens som mulig. Mobile kommunikasjonsnettverk finnes allerede. Den fysiske komponenten er på størrelse med en koffert og har en rekkevidde på litt under en kilometer. Hvor store systemer vi kan ha, og dermed hvor stor rekkevidde vi kan ha, vil være avhengig av størrelsen på UAV-ene vi bruker. Å spare energi vil være sentralt for å kunne ha lange operasjonstider. For at eksisterende mobile kommunikasjonsnettverk skal kunne brukes på måten vi tenker, hadde det vært en fordel å gjøre de enda lettere og energigjerrige en det de er i dag. Dette krever ikke nødvendigvis revolusjonerende teknologi, bare et større fokus på valg av komponenter som passer til våre formål. 7

Figur 2: UAV-er sender informasjon direkte til MARS-konteineren, hvor den blir analysert. Bildet er illustrativt og avtandene er mye kortere enn hva de faktisk vil være. Konteineren vil være plassert mye lengre unna sentrum av skadestedet. 3.2.4 Styring og økt dekning Flyene vil operere innenfor et gitt omra de som enkelt programmeres av operatøren pa basestasjonen. Ut fra hvor mange fly som er med pa operasjonen kalkuleres den optimale ruten og høyden for hvert enkelt fly, slik at hele omra det dekkes pa mest mulig effektiv ma te. Flere MARS-konteinere kan plasseres ut for a øke dekningsgraden, noe som vil være nødvendig i tilfeller hvor det er større omra der som skal dekkes. I et slikt tilfelle vil de utplasserte MARS-konteinerene automatisk opprette et nettverk, og hele operasjonen kan styres fra e n konteiner. En stor mengde droner i luften vil nødvendigvis bety at jobben med a lade dronene blir større, men det totale antall mennesker direkte involvert vil likevel holdes lavt. 8

Figur 3: Eksempel på grafisk brukergrensesnitt til droneoperatøren(e). 3.2.5 Sporingssystem Med et tradisjonelt telefonmast-oppsett vil man trenge tre eller flere master for å kunne triangulere posisjonen til en mobil. Med en UAV vil man derimot kunne ta målinger på flere forskjellige steder på grunn av bevegelsen til UAV-en. Sett at menneskene på bakken ikke beveger seg for mye mellom målingene trenger man bare én UAV som tar tre målinger på tre forskjellige steder. For å oppnå bedre nøyaktighet vil det lønne seg å ta flere målinger og bruke et snitt av målingene til å finne posisjonen. Rekkevidden på signalene vi kan sende og motta vil være avgjørende for hvor tett UAVene burde fly. Et vanlig sett av telefonmaster kan ikke triangulere en mobil så nøyaktig, hvor en stor grunn til dette er at de ikke måler avstanden til mobilen veldig bra. Metoden de bruker for å måle det på er å se hvor sterkt signal de får tilbake fra mobilen, og kan ut fra dette avgjøre circa hvor langt unna mobilen befinner seg. I et vanlig telefontårn er ikke sensorene som måler styrken på signalet så veldig nøyaktige, så dette er noe man kan forbedre. De fleste mobiler har i dag GPS. Det beste hadde vært om vi kunne lest av dette signalet, men vi er usikre på om det ville vært mulig. Hvis vi kunne ha gjort det, ville vi kunne finne en mobil ned til bare noen meters feilmargin. 3.3 Realiserbarhet Dagens droneteknologi er relativt veletablert, og videreutvikling av teknologien er et fokus innen flere markedssegmenter. For å vise at prosjektet er realiserbart ser vi nærmere på deler av systemet. Komponentene som må implementeres i dronene, annet enn det rent mekaniske, vil nyt- 9

tiggjøre seg av teknologi innen telefoni, infrarøde og optiske kamera, kommunikasjon mellom UAV-er, autonome styringssystemer med autopilot, formasjonsstyring og stistyring, men mulighet for fjernstyring kan også være implementert. MARS-modulene er vanlige ISO-konteinere, ideelt utformet i aluminium dersom de skal fraktes via luften. Fordelen med å bruke konteinere er at designkostnadene holdes lave og at gamle konteinere kan gjenbrukes. Nødvendig infrastruktur for å frakte konteinere er allerede på plass i de aller fleste land. Eksempelvis i båthavner, gods- og lasteterminaler. Konteinere kommer i håndterlige størrelser som lett kan plasseres og forankres der de trengs. Mye av begrensningen i dagens teknologi er energitettheten i batterier. Dette kan korte ned flytiden en god del hvis man har komponenter som er for energikrevende. Men til tross for dette vil man, selv med dagens teknologi, kunne konkludere med at MARS-prosjektet er realiserbart. 3.4 Markedspotensiale Produktet vil bli et viktig verktøy for de som leder redningsaksjoner i utsatte områder. Det er statlige instanser, f.eks Federal Emergency Management Agency i USA, som utgjør hovedmarkedsgruppen til produktet. Det er flere markedsstrategier som kan benyttes for at produktet skal gi fortjeneste; først og fremst kan man selge hele pakker som inneholder MARS-moduler inkludert alt utstyr og opplæring til bruk av dronene. Dessuten er det mulig å leie ut moduler slik at de er tilgjengelige der de trengs når ulykken inntreffer. Den modulære egenskapen til produktet er en stor fordel for markedspotensialet. Det innebærer at kunder lett kan sende inn hele moduler for reparasjoner og/eller oppgraderinger. Det er også mulig å sette sammen flere moduler til et større nettverk for større dekning over et kriserammet område. Modulene kan enkelt flyttes, så kunden trenger ikke å la produktene stå stasjonært på alle stormutsatte områder. 10