Forest monitoring through a hybrid system with networks of aerial drones and sensors

Abstract

With the technological advances in recent years, the costs of various technologies are decreasing, allowing elements such as aerial drones and sensors to be increasingly accessible, smaller, transportable and also more stable in flight. These developments allow these elements to be used in various areas such as agriculture, surveillance, search and rescue; however, most of the solutions presented require a pilot or require the aerial drone to make a set of decisions that must be predefined before flight. One of the areas where aerial drones can be useful is in monitoring fires and firefighters in forest fire scenarios. One of the solutions proposed in this Dissertation is an algorithm that uses an aerial drone and a temperature sensor to delineate a warm area - a forest fire. Another proposed solution is to rescue firefighters by monitoring them and providing the data for a successful and effective rescue. Lastly, a drone network solution that flies over firefighters in action is proposed, making decisions based on the data they gather from firefighters, which they obtain from their own sensors and which they receive from neighboring aerial drones. Drones are strategically positioned to be able to obtain the information and provide it to a ground station, which contains an interface where it is possible to manage the aerial drones, and view the collected data in a list or in a map, in case of locations. From the developed algorithms, namely the algorithm with the function of tracing the fire perimeter, it was possible to delimit a simulated fire of 404 square meters, using a temperature sensor and a GPS sensor, in approximately 4 minutes. It was also possible to monitor firefighters in action and verify the existence of multi-hop and non-multi-hop scenarios while collecting data and sending it to the ground station, and also to verify that the existence of multi-hop or not, depends on the adaptation of the positioning of the aerial drones in space, according to the movement of the firefighters. In the same scenario described above, it was concluded that the control and telemetry data that is sent from the aerial drones to the ground station occupies less than 1Mbps bandwidth, with 3 aerial drones and 8 firefighters. In the rescue algorithm, it was concluded that the aerial drone can get close enough to the firefighter who is 19 meters away, to collect data in less than 1 minute.

Com os avanços tecnológicos que se têm vindo a sentir nos últimos anos, decrescem os custos das mais diversas tecnologias, permitindo que elementos como drones aéreos e sensores sejam cada vez mais acessíveis, cada vez mais pequenos, transportáveis e também mais estáveis em voo. Estes desenvolvimentos permitem que estes elementos sejam utilizados em variadas áreas, como agricultura, vigilância, procura e resgate; contudo, a maioria das soluções apresentadas requerem um piloto ou requerem que o drone aéreo tome um conjunto de decisões que têm obrigatoriamente de ser pré-definidas antes do voo. Uma das áreas onde os drones aéreos podem ser úteis é na monitorização de incêndios e de bombeiros em cenários de incêndio florestal. Uma das soluções propostas nesta Dissertação consiste num algoritmo que recorre a um drone aéreo e a um sensor de temperatura para delinear uma área quente – um fogo florestal. Outra solução proposta consiste no resgate de bombeiros, monitorizando-os e providenciando os dados possíveis para a execução de um resgate bem sucedido e eficaz. Por último, é proposta uma solução de uma rede de drones que sobrevoa os bombeiros em ação, tomando decisões baseadas nos dados que recolhem dos bombeiros, que obtêm dos próprios sensores e que recebem dos drones aéreos que lhes são vizinhos. Os drones aéreos posicionam-se de forma estratégica para conseguir obter a informação e providenciá-la a uma estação terrestre, que contém uma interface onde é possível fazer a gestão dos drones aéreos, e visualizar os dados recolhidos em lista ou no mapa, no caso de localizações. Dos algoritmos desenvolvidos, nomeadamente o algoritmo com a função de traçar o perímetro do fogo, foi possível delimitar um incêndio simulado de 404 metros quadrados, recorrendo a um sensor de temperatura e a um sensor GPS, em aproximadamente 4 minutos. Foi também possível monitorizar bombeiros em ação e verificar a existência de cenários multi-hop e non-multi-hop durante a recolha de dados, e envio dos mesmos para a estação terrestre; foi ainda possível verificar que a existência de multi-hop, ou não, depende da adaptação do posicionamento dos drones aéreos no espaço, de acordo com a movimentação dos bombeiros. No mesmo cenário descrito anteriormente, foi possível verificar que os dados de controlo e telemetria que são enviados dos drones aéreos para a estação terrestre ocupam menos de 1Mbps de largura de banda, com 3 drones aéreos e 8 bombeiros. No algoritmo de resgate, foi possível concluir que o drone aéreo consegue aproximar-se o suficiente do bombeiro que está a 19 metros de distância, de forma a conseguir obter dados do mesmo, em menos de 1 minuto.