Разработка портативного цифрового альтиметра на основе пары барометрических сенсоров Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 519.684.6

РАЗРАБОТКА ПОРТАТИВНОГО ЦИФРОВОГО АЛЬТИМЕТРА

НА ОСНОВЕ ПАРЫ БАРОМЕТРИЧЕСКИХ СЕНСОРОВ

Б.В. Костров, Н.Н. Гринченко, В.Ю. Потапова, А.С. Тарасов

Рассматривается модель портативного альтиметра, позволяющего в сочетании с GPS производить построение высокоточных высотных карт местности.

Ключевые слова: высотометр, альтиметр, Arduino, барометр, ГИС.

Высотные карты, наиболее доступные в сети Интернет обладают низкой точностью. Это связно с тем, что сканирующие спутники используют сенсоры SIR-C и X-SAR, которые обеспечивают достаточно низкую разрешающую способность. В связи с этим, падает и качество получаемых данных в условиях леса [1, 2] или городской застройки. Для устранения влияния растительности в наиболее частом случае применяют лазерную съёмку или Лидар (от англ. Light Identification Detection and Ranging — световое обнаружение и определение дальности). Однако стоимость подобного оборудования, равно как и его аренда, могут повлечь большие расходы. В качестве альтернативного источника высотных данных, не уступающего по точности лазеру в данной статье рассматривается барометрический альтиметр (высотомер).

Работа альтиметра основана на замере давления и температуры в точке определения высоты и на дальнейшем их применении барометрической формуле термодинамики [3]:

mgDh

Ph = P0e RT ,

где Ph - значение давления в точке замера, Па; P0 - значение давления в некоторой стационарной точке, от которой начинается отсчёт, Па; m - молярная масса воздуха, m = 29 г/моль; g - ускорение свободного падения, m = 9,81 м/с ; R - универсальная газовая составляющая, R = 8,31 Н*м/моль/К; T - температура воздуха в точке замера, К; Dh - искомый перепад высот.

После выражения Dh формула приобретает вид:

Dh =

TR ln( P) р0

Исходя из данной формулы можно сделать вывод, что на результат сильное влияние оказывают также температура воздуха и давление в так называемой «нулевой» точке.

Под «нулевой» точкой в данной статье понимается некоторое стационарное по высоте и координатам расположение на местности, в котором на всём протяжении работ будет производится фиксация P0. Так как высота расположения стационарного датчика над уровнем моря не всегда известна на момент его установки, система определяет относительное значение этого параметра, относительно стационарного модуля. В дальнейшем под понятием высота будет пониматься её относительное значение.

Разработанная система представлена двумя модулями - стационарным и подвижным. Оба модуля разработаны на основе 8-битного RISC-микроконтроллера AtMega328. В качестве подсистемы приёма-передачи информации был выбран низкочастотный передатчик LoRA, способный производить обмен на расстоянии в несколько километров. Это позволило повысить точность получаемых значений, а также избежать постобработки полученных данных на основе матрицы синхронизации.

Подвижный модуль обладает набором датчиков BMP180 для фиксации давления и температуры, а также обладает Bluetooth и LoRA передатчиком для взаимодействия со стационарным модулем и рабочей станцией [4].

Стационарный модуль, в отличие от подвижного лишён Bluetooth-передатчика и датчика температуры, однако имеет встроенное питание, ёмкостью 1 A/ч, достаточного для работы модуля на протяжении суток.

Алгоритм построения высотных карт с использованием этой системы достаточно простой. Для начала выбирается место расположения «нулевой» точки (наиболее желателен выбор самого низкого положения внутри рабочей области). После установки и включения стационарного и подвижного модулей выполняется их синхронизация. Это позволит добиться минимизации систематической погрешности в измерениях [5]. Также настраивается на приём и рабочая станция. После этого выполняется обход (объезд) анализируемой области [6].

Для постобработки получаемых данных применяется кроссплат-форменное Windows-приложение «мГИС Картограф», позволяющие по каналу Bluetooth выполнять захват данных с подвижного модуля и выполнять склеивание высотных карт для дальнейшей выгрузки в необходимом формате или построения изолиний (горизонталей).

Специальной модуль подсистемы «мГИС Картограф» позволяет на основе билинейной интерполяции получить значения высот даже в тех местах, где измерения не производились, основываясь на данных в соседних точках.

Для предотвращения влияния случайных выбросов значений, а также значительных искажений в областях с высокой плотностью полученных измерений перед выполнением интерполяции производится Гауссова фильтрация. Она позволяет снизить зашумлённость при получении итоговых результатов [5].

Результат визуализации карты высот, спроектированной на основе барометрических данных после Гауссовой фильтрации и билинейной

интерполяции

В данный момент остаётся весьма актуальной проблема подготовки высотных карт на площадях, превышающих радиус работы приёмопередающего модуля. При уходе на расстояние свыше нескольких километров, несмотря на устойчивую связь со стационарным модулем прежде всего падает точность измерений. Для устранения подобных ситуаций на данный момент рассматривается возможность использования двух и более стационарных модулей, переносимых по мере необходимости в новые рабочие области.

Список литературы

1. Kolesenkov A.N., Kostrov B.V., Ruchkin V.N. Emergencies monitoring and preventing // сб. Proceedings - 2013 2nd Mediterranean Conference on Embedded Computing, MECO, 2013. С. 263 - 265.

2. Колесенков А.Н., Костров Б.В., Ручкин В.Н. Нейронные сети мониторинга чрезвычайных ситуаций по данным ДЗЗ // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2014. Вып. 5. С. 220 - 225.

3. Андреев В. Д. Избранные проблемы теоретической физики. Киев: Аванпост-Прим, 2012.

4. Тарасов А.С. Использование навигационных возможностей современных мобильных устройств в пользовательских программах. // XIX НТК «Новые информационные технологии в научных исследованиях и образовании», РГРТУ. 2014. С.177-179.

103

5. Костров Б.В .Корреляционно-экстремальный метод обнаружения цифровых сигналов // Цифровая обработка сигналов, 2011. № 2. С. 46 - 50.

6. Бабаев С.И., Елесина С.И., Костров Б.В. Сравнение модифицированного поискового и генетического алгоритмов нахождения глобального экстремума в системах навигации // Вопросы радиоэлектроники, 2010. Т. 1. № 1.С. 145 - 152.

Костров Борис Васильевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, ko-strov. b. vaevm.rsreu.ru, Россия, Рязань, Рязанский государственный радиотехнический университет,

Гринченко Наталья Николаевна, канд. техн. наук, доц., grinchenko nnamail.ru, Россия, Рязань, Рязанский государственный радиотехнический университет,

Потапова Валентина Юрьевна, студент-бакалавр, техник, Valenti-na2008.91@mail.ru, Россия, Рязань, Рязанский государственный радиотехнический университет,

Тарасов Андрей Сергеевич, студент-бакалавр, техник, vb2005@yandex.ru, Россия, Рязань, Рязанский государственный радиотехнический университет

PORTABLE DIGITAL ALTIMETER DEVELOPMENT, BASED ON PAIR

OF PRESSURE SENSORS

B.V. Kostrov, N.N. Grinchenko, V.Y. Potapova, A.S. Tarasov

The article describes the model of a portable altimeter, which allow creating a high-precision elevation maps in combination with GPS.

Key words: altimeter, Arduino, pressure sensor, GIS.

Kostrov Boris Vasileevich, doctor of technical science, professor, head of chair, kostrov. b. v@evm. rsreu. ru, Russia, Ryazan, Ryazan State Radio-Engineering University,

Grinchenko Natalia Nikolaevna, candidate of technical science, docent, grinchen-ko nn a mail. ru, Russia, Ryazan, Ryazan State Radio-Engineering University,

Potapova Valentina Jyrievna, student, Valentina2008.91@mail.ru, Russia, Ryazan, Ryazan State Radio-Engineering University.

Tarasov Andrei Sergeevich, student, vb2005@yandex. ru, Russia, Ryazan, Ryazan State Radio-Engineering University