[論文レビュー] Design, Development and Evaluation of a UAV to Study Air Quality in Qatar

Khalid Al-Hajjaji, Mouadh Ezzin+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2017

Air Quality Monitoring and Forecasting被引用数 11

ひとこと要約

本論文では、カタールにおけるリアルタイムの空気質モニタリングを目的とした部分的に自律型の無人航空機（UAV）システムを提案する。温度、湿度、チリ、CO、CO2、O3のセンサーを統合し、データを無線で地上サーバーに送信し、ウェブまたはAndroidを介して準リアルタイムの可視化を実現した。アル・シャマル空港での実地検証により、移動式で多汚染物質を対象とした環境センシングの概念実証が成功した。

ABSTRACT

Measuring gases for air quality monitoring is a challenging task that claims a lot of time of observation and large numbers of sensors. The aim of this project is to develop a partially autonomous unmanned aerial vehicle (UAV) equipped with sensors, in order to monitor and collect air quality real time data in designated areas and send it to the ground base. This project is designed and implemented by a multidisciplinary team from electrical and computer engineering departments. The electrical engineering team responsible for implementing air quality sensors for detecting real time data and transmit it from the plane to the ground. On the other hand, the computer engineering team is in charge of Interface sensors and provide platform to view and visualize air quality data and live video streaming. The proposed project contains several sensors to measure Temperature, Humidity, Dust, CO, CO2 and O3. The collected data is transmitted to a server over a wireless internet connection and the server will store, and supply these data to any party who has permission to access it through android phone or website in semi-real time. The developed UAV has carried several field tests in Al Shamal airport in Qatar, with interesting results and proof of concept outcomes.

研究の動機と目的

• カタールの都市部および工業地域におけるリアルタイムの空気質モニタリングを目的とした低コストで部分的に自律型のUAVの開発。
• 温度、湿度、微粒子状態物質（チリ）、CO、CO2、O3の複数の環境センサーをUAVプラットフォームに統合し、空間的に分散した空気質データ収集を実現。
• センサーデータとライブ動画ストリームを地上ステーションにリアルタイムで無線送信し、監視と可視化を可能にする。
• 実際の環境、特にカタールのアル・シャマル空港で実施した実地試験を通じて、UAVシステムの検証。
• 電気工学とコンピュータ工学の統合的でスケーラブルなソリューションを提供し、環境センシングとデータ配信を実現する。

提案手法

• オフザシェル部品を用いて、積載能力と飛行安定性に重点を置いたカスタムマルチローターUAVを設計・組立。
• 電気工学チームが、温度、湿度、微粒子状態物質（チリ）、CO、CO2、O3の6つの環境センサーを統合し、ガスおよび粒子状物質のリアルタイム検出を実現。
• センサーをマイコンコントローラーに接続し、データ取得を実施。無線通信モジュールを介して地上サーバーにデータを送信。
• コンピュータ工学チームが、ウェブおよびAndroidインターフェース上でセンサーデータとライブ動画ストリームを受信・保存・可視化するための専用ソフトウェアプラットフォームを開発。
• GPSモジュールとオートパイLOTシステムを搭載し、事前に定義されたウェイポイントに従った部分的自律飛行ミッションを可能に。
• 無線インターネット接続を介してデータを中央サーバーに送信し、準リアルタイムでのアクセスとリモート監視を実現。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低コストで部分的に自律型のUAVは、砂漠都市環境における複数汚染物質のリアルタイム空気質データ収集を効果的に行えるか？
• RQ2 飛行中のUAV搭載センサーセットは、CO、CO2、O3、チリ、温度、湿度をどれほど正確かつ信頼性高く測定できるか？
• RQ3 移動するUAVからの無線データ送信は、リアルタイム監視に必要なデータ整合性と低遅延をどの程度確保できるか？
• RQ4 多分野にまたがる工学的統合的アプローチにより、センシング、通信、可視化システムを統合した機能的なUAVプラットフォームを環境モニタリング用途に成功させるか？
• RQ5 アル・シャマル空港のような実際の環境にこのようなUAVを導入した場合の実用的制限要因と性能結果は何か？

主な発見

• UAVはアル・シャマル空港で複数回の実地試験を完了し、安定した飛行性能と信頼性の高いデータ収集を実証した。
• 温度、湿度、チリ、CO、CO2、O3のリアルタイムセンサーデータが、地上ステーションに一貫して取得・送信された。
• 無線によるデータ送信により、センサーリーディングとライブ動画の準リアルタイムアクセスが可能となり、飛行作業中に最小限の遅延が観察された。
• 低コストのUAVプラットフォームを用いた移動式で多汚染物質を対象とした空気質モニタリングの概念実証に成功した。
• 電気工学とコンピュータ工学の部品統合により、環境モニタリング用途に適した機能的でスケーラブルなシステムが実現された。
• 実地結果により、カタールの乾燥気候のような困難な環境でも、空間的に分解能の高い空気質データ収集にUAVを活用することが可能であると確認された。