Выбросы метана — проблема многих отраслей промышленности, сельского и городского хозяйства. Этот газ ускоряет процесс глобального потепления и загрязняет окружающую среду. Важно находить и контролировать источники выбросов метана, чтобы определять ущерб, по возможности сокращать и устранять его. Наземный мониторинг осложняется тем, что территории выбросов труднодоступны, представляют опасность для человека и занимают большие площади. А применение беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) — дорого, в том числе из-за зарубежного коммерческого ПО. Ученые ПНИПУ и специалисты по аэросъемке из ООО «Беспилотные авиационные системы» разработали программно-аппаратный интерфейс, который делает дистанционный мониторинг более экономичным, простым и удобным в применении для конечного пользователя.
Исследование опубликовано в журнале «Drones», 2023. Разработка проводилась при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № FSNM-2020-0024).
Ученые ПНИПУ и специалисты по аэросъемке решили мониторить метановые выбросы через показатели состава воздуха в реальном времени при помощи бортовых приборов беспилотника. Для этого они использовали БПЛА на базе открытой архитектуры — квадрокоптер X-FLY (Россия) с полётным контроллером Pixhawk Cube Black. Его масса с батареей составила 3,8 кг, продолжительность полёта с полезной нагрузкой 0,5 кг при нормальных условиях – 25 мин.
Для определения концентрации метана в воздухе выбрали популярный в данной сфере лазерный детектор Laser Methane mini. Его отличают малый вес, широкий диапазон измерений, высокая чувствительность и скорость измерений. Лазерные детекторы способны за одно измерение получать информацию обо всей приземной воздушной толще над заданной точкой земной поверхности. Они нечувствительны к изменению метеорологических условий в отличие от электрохимических датчиков, на их показания не влияет нисходящий поток воздуха, создаваемый винтами мультироторных БПЛА.
Чтобы интегрировать БПЛА и лазерный детектор метана, исследователи создали специальный программно-аппаратный интерфейс под названием LaserHub+. Инженеры изучили зарубежные аналоги, провели реверс-инжиниринг (разбор готового устройства на его составляющие), расшифровали потоки данных с детектора и создали отечественный аналог.
Раньше пользователю, который хотел получить точную карту концентраций газа, приходилось покупать изделие за 600-700 тыс. рублей, теперь можно взять LaserHub+, его себестоимость — 2,5 тыс. рублей.
Он передает данные и координаты измерений концентрации метана от детектора к беспилотнику, а затем — на наземную станцию?? управления в режиме реального времени. После этого данные газовой разведки можно легко извлечь в формате листа Excel и проанализировать в специализированных программах.
— Модуль LaserHub+ представляет собой более простую, чем известные существующие комплексы, конструкцию. Конечный пользователь может самостоятельно собрать ее из доступных комплектующих по готовым чертежам и программным кодам. Использование LaserHub+ позволяет обойтись одной бесплатной общедоступной программой для настройки оборудования, планирования полётов и извлечения собранных данных вместо комплекса специализированных коммерческих программ, — рассказывает кандидат биологических наук, младший научный сотрудник лаборатории рационального природопользования и природоподобных технологий ПНИПУ Тимофей Филькин.
Разработанное техническое решение протестировали в ходе газовых съёмок полигонов и свалок твердых коммунальных отходов и убедились в его эффективности.
Исследования выбросов метана требуют применения современных методов и технических средств измерения концентрации газа в воздухе. Разработанный учеными ПНИПУ и специалистами ООО «Беспилотные авиационные системы» программно-аппаратный интерфейс LaserHub+ доступен, прост в использовании и универсален, поскольку может работать с другими беспилотниками вертолетного типа и другими моделями лазерных детекторов.