Como se da la Geolocalizacion con camara térmica y UAV

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Geolocation and counting of people with aerial thermal imaging for rescue purposes

1Córdova C. Andrea, 2Jiménez Q. Byron, 3Pardo I. Jorge. 4Toalombo Ch. Inti,

1,2,4 DEM, Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, Latacunga Ecuador

3UGT, Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, Latacunga Ecuador

1,2{3yr0nj, engineerinti}@gmail.com,3 japardo@espe.edu.ec

Resumen— La termografía ha ido ganando lugar en operaciones de rescate al fusionarse con tecnologías de vuelo como los Unmanned Aerial Vehicles (UAV). Debido a que es un medio no invasivo, poderoso de supervisión en areas no perceptibles para el ojo humano o para una cámara normal de rango visible. Por lo tanto, en este paper se ha planteado realizar un sistema basado en la conjunción de un UAV y un algoritmo de conteo y geolocalización de personas con tomas aéreas en zonas de difícil acceso, integrando una cámara térmica a un UAV, siendo así de utilidad en diferentes escenarios, ya sea lugares donde existan inundaciones, incendios o vegetación como áreas boscosas.  Para el efecto se configuran las trayectorias de navegación del vehículo desde una estación terrena ayudándose de un software dedicado exclusivamente a misiones de telemetría. Durante el recorrido de la misión se grabarán imágenes térmicas desde una altura especificada por él operador, que posteriormente serán procesadas para filtrar, discriminar, contar y geolocalizar a personas en riesgo. El procesamiento se realiza mediante el uso de herramientas de Visión Artificial combinado con Redes Neuronales Artificiales (RNA).

Índice de Términos— Geolocalización, RNA, Telemetría, Termografía, UAVs

1. INTRODUCCIÓN

El uso de las cámaras térmicas en aplicaciones militares e industriales ha despertado un creciente interés en la comunidad de investigadores, que han estado experimentando su uso en aplicaciones de búsqueda y rescate. Mientras que el procesamiento de imágenes con herramientas de visión artificial en el rango de luz visible ha sido estudiado durante décadas, llegando incluso a utilizar técnicas de aprendizaje de máquina para la detección visual de objetos con procesamiento extremadamente rápido de imágenes, la investigación en el campo de las aplicaciones de metodologías desarrolladas en imágenes térmicas apenas está tomando fuerza  [1,6]. De la misma forma la tendencia en los últimos años ha sido el desarrollo de tecnologías de vuelo como los UAVs, que al igual que la termografía estaban inicialmente enfocadas exclusivamente a aplicaciones militares. Las prestaciones que brindan estos dispositivos tecnológicos han permitido a los investigadores emplear vehículos aéreos en diversas aplicaciones. Debido a los avances en el desempeño autónomo de los UAV, la intervención de un operador se ha reducido y ha dado lugar a que estos dispositivos con cierto grado de inteligencia sean utilizados en una amplia gama de trabajos considerados peligrosos o difíciles de realizar por los seres humanos  [1]. Esto incluye aplicaciones de búsqueda y rescate (SAR), que implican realizar tareas de identificación y extracción de información de personas en situaciones de emergencia ocasionadas por desastres naturales.  

[2] Describe un sistema de detección, clasificación y rastreo automático en tiempo real de objetos en la superficie del océano, usando un UAV equipado con una cámara térmica. El análisis de las imágenes térmicas se hace a bordo del vehículo aéreo, reduciendo en gran medida la necesidad de una comunicación rápida y estable a la estación terrena y evitando retrasos en el proceso de toma de decisiones. El sistema es capaz de rastrear varios objetos simultáneamente, donde el usuario tiene control directo con los tipos de objetos que desea seguir.

[3] Describe un SAR usando dos cámaras, una de ellas ofrece video térmico y la segunda es una cámara a color estándar. La técnica presentada detecta humanos a una velocidad de 25Hz, analizando primero la imagen térmica para encontrar siluetas de temperatura humana y luego usando las regiones correspondientes al color de la silueta para clasificar cuerpos humanos. Además, el sistema detecta las posiciones humanas, que son geolocalizadas y se construye un mapa de puntos de interés.

El proyecto SHERPA ha creado robots colaborativos para ayudar en tareas de rescate de personas en un medio hostil o en casos de emergencia en los Alpes Italianos. Trabajan con, avionetas a escala reducida, drones y unos pequeños helicópteros autónomos a los que llaman “Hawks”, en los que pueden transportar materiales técnicos cómo escáneres y cámaras térmicas, pero además víveres y agua. El proyecto tiene la ventaja de no interrumpir la búsqueda durante la noche o cuando la visibilidad es pésima. El operador establece la misión, delimita el área de interés y con solo pulsar un botón obtiene los planos escaneando el área para su postprocesamiento. [4]

El volcán Cotopaxi es considerado uno de los volcanes más peligrosos. Según el Instituto Geofísico (IG) centro de investigación en Ecuador para el diagnóstico y vigilancia de los peligros sísmicos y volcánicos, se han producido cinco grandes erupciones desde su activación en 1532 afectando a más de 300.000 personas. [5]

Las eventuales reactivaciones del volcán Cotopaxi nos ha impulsado a desarrollar un prototipo de SAR el primero en Ecuador, de bajo costo que ayude a los organismos de rescate a optimizar recursos, en misiones de búsqueda y localización de personas en zonas de difícil acceso.  [5]

El paper está organizado de la siguiente manera. En primer lugar, la selección de componentes como el UAV y la Cámara Térmica. A continuación, se describe el desarrollo del sistema SAR el cual integra la configuración de las trayectorias autónomas del UAV, él diseño del algoritmo que permite procesar las imágenes térmicas, la toma de muestras para el entrenamiento de la RNA, el entrenamiento de la RNA, el conteo y geolocalización. Finalmente se realiza la conclusión del paper a partir  de la evaluación del rendimiento del sistema recogiendo datos de varias pruebas de vuelo.

1. SELECCIÓN DE DISPOSITIVOS

1. Cámara Térmica

Para nuestro proyecto se requiere obtener imágenes térmicas aéreas, adquiridas con la ayuda de una cámara térmica sin funciones radiométricas debido a que para este caso en particular dichas funciones no son relevantes. Se han analizado las características técnicas de tres cámaras térmicas, como la Zenmuse XT, Workswell Wiris y Flir Vue Pro. Las tres cámaras comparten funcionalidades similares variando levemente en sus características, la principal diferencia es que las dos primeras cámaras poseen funciones radiométricas permitiendo realizar mediciones de un punto de la imagen térmica  en el rango de -40°C a 1500°C y la tercera no posee dichas funciones. Por lo tanto se utilizó la cámara térmica Flir Vue Pro la cual posee las funcionalidades necesarias para ser utilizada en un SAR y sus características técnicas son descritas en la tabla I.

    TABLE I

Technical characteristics of thermal camera

1. UAV

El dispositivo más idóneo para el desarrollo del proyecto, es el drone Phantom 3 Professional de la marca DJI, el mismo es considerado como la mejor opción ya que posee características optimas como son: Seguridad, Carga Útil, Estabilidad, Distancia Máxima, Modos de vuelo. Las cuales se detallan a continuación.

Una de las características más importantes que posee el Phantom 3 Pro es la seguridad de vuelo, el cual nos permita la opción de RETURN TO HOME de manera automática en caso de alguna anomalía durante el vuelo, también está comprobado que la Carga Útil que puede levantar con gran estabilidad es de hasta 2.5 lbs según pruebas recopiladas en la investigación. A través de sus sensores internos, su sistema de GPS y posicionamiento por visión le permite una estabilidad en cada punto de vuelo que se encuentre. Otras de las características importantes son, la distancia máxima la cual tiene un alcance de hasta 5 Km, así como una velocidad máxima de 16 m/s. Además, cuenta con varios modos de vuelo inteligentes los cuales vienen definidos en su aplicación su aplicación DJI GO los cuales son: Follow Me, Course Lock, Waypoints, Home Lock, Point Of Interest.

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