Praktické využití dálkových akustických zařízení na dronách (UAV)

S hlubokým pronikáním technologie UAV do různých oblastí se jejich vlastnosti vysokého pozorovacího úhlu a flexibilní pohyblivosti staly důležitou podporou ve scénářích, jako je bezpečnostní monitorování, nouzové zásahy a veřejná správa. Tradiční funkce UAV se však zaměřují převážně na sběr obrazu a přenos dat a postrádají efektivní zvukovou interakci a odstrašovací schopnosti. Díky klíčovým výhodám směrového šíření zvuku a dálkového ovládání tvoří dálková akustická zařízení společně s UAV systém spolupráce "vzduch - prostor - země", který efektivně naplňuje mezeru v hlasové interakci UAV a dále rozšiřuje jejich aplikační hodnotu ve složitých scénářích.

I. Aplikační scénáře Dálkových akustických zařízení adaptovaných pro UAV

Kombinace dálkových akustických zařízení a UAV přesně odpovídá následujícím čtyřem základním scénářům a řeší tak bolestné body praktických operací v různých oblastech:

• Scénáře veřejné bezpečnosti a bezpečnostního monitorování: Na místě velkých akcí (např. koncerty a sportovní události) mohou drony vybavené dálkovými akustickými zařízeními vysílat oznámení k udržování pořádku v reálném čase (např. „Dodržujte prosím pokyny na místě, nehromaďte se“). Během hlídek ve městě mohou při zjištění neobvyklých situací, jako je shromažďování podezřelých osob nebo vrhy předmětů z výšky, vysílat varovná hlášení směrově a synchronizovat tak aktuální situaci do pozemního velícího střediska. V klíčových oblastech, jako jsou letiště a železniční tratě, mohou provádět leteckou detekci proti cílům porušujícím zákaz vstupu (např. osoby či vozidla vnikající na startovací dráhu).
• Scénáře nouzového záchranářství: Po katastrofách, jako jsou lesní požáry, povodně a zemětřesení, mohou drony rychle dosáhnout postižené oblasti. Prostřednictvím dálkových akustických zařízení mohou uvězněným osobám vysílat trasy záchrany (např. „Prosím, přesuňte se na vyvýšené místo ve směru jihovýchod, záchranný tým již dorazil“) a informace o bezpečném obejití nebezpečí. Při mořském pátrání a záchraně mohou poskytovat polohové pokyny osobám spadlým do vody (např. „Zůstaňte nad hladinou, záchranná loď se blíží“) a současně pomáhat pozemnímu týmu lokalizovat cílovou pozici. Při pátrání po pohřešovaných osobách v horách mohou opakovaně vysílat oznámení o pohřešované osobě, čímž rozšíří dosah informací.
• Ekologická ochrana a scénáře řízení zvířat: V přírodních rezervacích mohou být drony vybavené dálkovými akustickými zařízeními použity k vysílání varovných hlasů na nezákonné pytláky, čímž vytvoří leteckou odrazovou oporu. Na letištích a v zemědělských oblastech mohou napodobovat zvuky přirozených nepřátel (například volání dravých ptáků) nebo specifické frekvenční zvukové vlny, aby dosáhly ekologického odrážení ptáků, a tak předešly srážkám ptáků s letadly a poškozování plodin. Při sledování migračních tras volně žijících zvířat mohou vysílat varovné zvuky pro zvířata, která se blíží k oblastem lidské aktivity, a tím snižovat konflikty mezi lidmi a volně žijící zvěří.
• Veřejné služby a scénáře osvěty: Při nouzové osvětě, jako je prevence epidemie ve městech nebo ochrana před povodněmi, mohou drony nesoucí zařízení opakovaně vysílat pokyny a oznámení politiky do čtvrtí a ulic (např. „Prosím, včas proveďte test na nukleové kyseliny a důsledně dodržujte osobní ochranu“). Na venkově mohou zemědělcům přinášet pokyny pro zemědělskou techniku a vysvětlení politik. V turistických oblastech mohou vysílat bezpečnostní rady pro cestování (např. „Prosím, nedrážejte stanovenou trasu cestování a dávejte pozor na protiskluzové opatření“) a výzvy k civilizovanému chování.

II. Základní potřeby zákazníků v Scénářích UAV

V aplikačních scénářích UAV se potřeby zákazníků týkající se dálkových akustických zařízení soustřeďují kolem „lehkosti, vysoké účinnosti a stability“, konkrétně se projevují následovně:

• Nízká hmotnost a nízké zatížení: Efektivní nosnost dronů je omezená (většinou 1–5 kilogramů). Proto je vyžadováno, aby vzdálená akustická zařízení byla malá a lehká (obvykle do 3 kilogramů). Mají být integrovatelná do dronu nebo jeho upevňovacího rámu, aniž by to ovlivnilo výdrž při letu (musí zajistit let trvající déle než půl hodiny) a ovládací stabilitu dronu. Zároveň musí podporovat rychlou demontáž a montáž za účelem usnadnění údržby zařízení.
• Požadavky na přenos zvuku na dlouhé vzdálenosti: Provozní výška UAV je nejčastěji 50–100 metrů. Zařízení proto musí zajistit přenos zvuku na dlouhé vzdálenosti ve vysoké nadmořské výšce. Efektivní vzdálenost přenosu zvuku ve volném prostoru nesmí být menší než 1 000 metrů a hlasový signál nesmí být zkreslený ani obsahovat šum. I ve větrném, deštivém a hlukovém prostředí musí být personál na zemi schopen jasně přijímat informace. U konkrétních cílů se vyžaduje schopnost směrového přenosu zvuku, aby nedocházelo k rozptylu zvuku a rušení nepodstatných oblastí.
• Požadavky na dálkové ovládání a koordinaci: Podporuje dálkové ovládání prostřednictvím ovladače UAV nebo pozemního příkazového panelu, včetně úpravy hlasitosti, přehrávání přednastavených hlasových zpráv a vstupu hlasu v reálném čase. Není nutné manuální přiblížení k UAV pro nastavení. Zároveň musí být propojeno s GPS pozicí UAV, vysokorychlostní kamerou a infračerveným senzorem. Když senzor detekuje cíl (např. uvízlé osoby nebo abnormální objekty), automaticky spustí akustické zařízení.
• Požadavky na ekologickou přizpůsobitelnost a bezpečnost: UAV provozované převážně v komplexních venkovních prostředích. Proto je zařízení vyžadováno, aby mělo vodotěsné, prachotěsné, větruvzdorné a odolné vůči vysokým a nízkým teplotám schopnosti, splňovalo ochrannou úroveň IP65 a mohlo stabilně pracovat v rozmezí teplot od -40 °C do 60 °C a při síle větru nižší než stupeň 6. Současně je vyžadována nízká spotřeba energie a možnost přímého připojení k napájecímu systému UAV, aby nedocházelo k ovlivnění provozu kvůli častému dobíjení. Co se týče regulace intenzity zvuku, je vyžadováno dodržování environmentálních norem, aby nedošlo k poškození sluchu osob nebo zvířat.

III. Základní charakteristiky dálkových akustických zařízení přizpůsobených UAV

Pro splnění potřeb scénářů UAV musí mít dálková akustická zařízení následující cílené technické charakteristiky, které zajistí efektivní spolupráci s UAV:

• Ultra-lehký design: Skříň je vyrobena z vysoce pevných lehkých materiálů (např. uhlíkové vlákno a technické plasty). Celkový objem zařízení je omezen na 20 cm × 20 cm × 20 cm a hmotnost nepřesahuje 3 kg. Zároveň je konstrukční uspořádání optimalizováno tak, aby snížilo odpor při letu a neovlivnilo aerodynamický výkon UAV. Některá zařízení mají modulární konstrukci, díly (např. dodatečné baterie a moduly směrového přenosu zvuku) lze podle potřeby přidávat nebo odebírat, čímž se zvyšuje přizpůsobivost zařízení.
• Vysoká hladina zvukového tlaku a široké frekvenční pásmo výstupu: Výstup hladiny zvukového tlaku může dosáhnout 130 dB – 150 dB, pokrývá citlivé frekvenční pásmo lidského ucha 200 Hz – 20 000 Hz, čímž zajišťuje jasnou rozlišitelnost hlasového signálu. K optimalizaci dráhy šíření zvukové vlny za účelem snížení útlumu ve vzduchu je použit profesionální akustický algoritmus. I ve výšce 50 metrů mohou být hlasové informace na zemi stále jasně přijaty. Současně podporuje více než 10 úrovní regulace intenzity zvuku, aby vyhovoval různým scénářům použití.
• Nízká spotřeba energie a víceúčelová adaptace napájení: Použitý nízkoenergetický čip a úsporný obvod snižují pracovní příkon pod 8 W a režim čekání pod 2 W. Zařízení lze přímo připojit k bateriovému napájecímu systému dronu bez nutnosti dodatečného záložního zdroje. Některá zařízení mají vestavěnou malou záložní baterii, která může zajistit nepřetržitý provoz zařízení déle než 1 hodinu v případě výpadku napájení dronu, čímž zaručuje nepřerušený přenos klíčových informací.
• Silná environmentální přizpůsobivost: Skříň splňuje ochranný standard IP65 a odolává mytí deštěm i vnikání písku a prachu. Zároveň má odolnost proti větru (může stabilně pracovat při síle větru pod stupněm 6) a odolnost proti vysokým a nízkým teplotám (může normálně fungovat v rozmezí teplot od -40 °C do 60 °C). Vnitřní obvod využívá návrh odolný proti elektromagnetickému rušení, aby se vyhnul vlivu elektromagnetických signálů generovaných komunikačním modulem a motorem UAV a zajistil stabilní přenos zvuku.

IV. Integrační řešení dálkových akustických zařízení s jiným vybavením

V systému UAV je třeba dálková akustická zařízení integrovat s různými typy vybavení, aby vytvořila společný systém „vnímání – rozhodování – provedení“. Konkrétní integrační řešení jsou následující:

• Integrace s vybavením pro vnímání: Je propojena s vysokorychlostní kamerou UAV, infračerveným termovizním snímačem a laserovým radarem. Když kamera detekuje abnormální situace, jako je „shromažďování osob“ a „neoprávněný vstup“, nebo když termovizní snímač detekuje známky života v postižené oblasti, automaticky spustí dálkové akustické zařízení, které přehraje odpovídající hlasovou zprávu (např. „Shromažďování zde není povoleno, okamžitě opusťte lokalitu“ a „Záchranáři vás našli, zůstaňte prosím klidní“). Laserový radar přesně měří vzdálenost k cíli a pomáhá zařízení automaticky upravovat hlasitost tak, aby byl zvuk v cílové oblasti jasně slyšitelný.
• Integrace s komunikačním zařízením: Je připojeno k 4G/5G komunikačnímu modulu nebo satelitnímu komunikačnímu modulu UAV, čímž umožňuje řízení na velmi dlouhé vzdálenosti. Když UAV pracuje v odlehlých oblastech bez signálu veřejné sítě (například v horách nebo nad oceánem), mohou pozemní personál poslat příkazy (například změna pracovního režimu nebo aktualizace přednastaveného hlasu) akustickému zařízení prostřednictvím satelitního spojení. Zařízení může v reálném čase přenášet informace o stavu provozu (například stav baterie, hlasitost, chybové hlášení) zpět na pozemní operační centrum, což usnadňuje dálkové monitorování a odstraňování závad.
• Integrace s vybavením pro polohování a navigaci: V kombinaci s GPS/Beidou polohovacím systémem UAV, když dron vstoupí do přednastavené citlivé oblasti (např. vzdušný prostor nad školami a nemocnicemi), se vzdálené akustické zařízení automaticky přepne do režimu nízkého hlasitosti, aby se předešlo hlukovému rušení. Když se dron odchýlí od provozní trasy (např. v důsledku větru mimo záchrannou oblast), zařízení okamžitě přehraje upozornění na chybnou polohu a odešle poplach na pozemní platformu, aby pomohlo operátorovi upravit trasu.
• Integrace s výstražným světelným zařízením: Je propojeno s LED výstražným světlem a blikajícím světlem UAV, čímž vytváří efekt „souhru zvuku a světla“. Když dálkové akustické zařízení spustí varovný režim, synchronně se zapne výstražné světlo (např. červené blikající světlo). Dvojitou stimulací zraku a sluchu se posiluje varovný efekt na cíl. Například při noční záchraně může „souhru zvuku a světla“ pomoci uvězněným osobám rychle lokalizovat polohu UAV a zlepšit tak účinnost záchrany.

V. Klíčové výhody kombinace dálkových akustických zařízení a UAV

Ve srovnání s tradičními pozemními akustickými zařízeními nebo samostatně pracujícími UAV může kombinace dálkových akustických zařízení a UAV projevit významné výhody v mnoha ohledech:

• Rozšíření dosahu a efektivity: UAV mohou rychle pokrýt velkou plochu (jedna operace může pokrýt více než 10 čtverečních kilometrů). V kombinaci s dálkovými akustickými zařízeními je efektivita přenosu informací 5 až 10krát vyšší ve srovnání s ručním rozhlasovým vysíláním na zemi. Například při šíření informací o prevenci epidemie v komunitě o rozloze 5 čtverečních kilometrů mohou UAV v kombinaci se zařízeními dosáhnout pokrytí celé oblasti během 1 hodiny, zatímco ruční šíření informací po zemi trvá 1 až 2 dny.
• Zlepšení bezpečnosti provozu: V nebezpečných situacích (např. místa požárů a úniky toxických plynů) mohou drony nahradit personál při vstupu do vysoce rizikových oblastí za účelem provedení operace. Dálková akustická zařízení umožňují pozemnímu personálu dokončit přenos informací a odstrašování, aniž by se musel přibližovat k nebezpečnému prostředí, čímž se výrazně snižuje riziko zranění personálu. Například při havárii na chemičce drony nesoucí zařízení vstoupí na místo události a vysílají pokyny k evakuaci, čímž se předejde riziku otravy záchranářů.

Realizace přesného provozu: Díky směrové technologii přenosu zvuku a přesné lokalizační schopnosti dronů lze zvuk přesně přenášet do cílové oblasti, čímž se zabrání plýtvání zdroji a rušení životního prostředí způsobenému šířením zvuku. Například při odpuzování ptáků na letišti mohou drony přesně pokrýt startovací dráhu odrazenými zvukovými vlnami, aniž by to ovlivnilo okolní obytné oblasti.

• Snížení provozních nákladů: Jedno UAV ve spojení s dálkovým akustickým zařízením může nahradit pracovní výkon 3 až 5 zaměstnanců na zemi. Navíc náklady na jednu letovou operaci (elektřina, údržba) u UAV jsou nižší než pracovní náklady. Dlouhodobý provoz může výrazně snížit investice do práce a času. Například při bezpečnostních hlídkách ve městě jedno UAV pokryje potřebu hlídkování na 3 až 4 ulicích a náklady se tak sníží o více než 40 % ve srovnání s ručními hlídkami.

VI. Případy použití dálkových akustických zařízení na UAV

Případ 1: Společné využití odstraňování ptáků pomocí UAV a dálkových akustických zařízení na letištích

Mezinárodní letiště nasadilo 10 průmyslových dronů, z nichž každý je vybaven dálkovým akustickým zařízením, vysokorychlostní kamerou a systémem GPS. Během každodenního provozu tyto drony hlídkují kolem vzletových a přistávacích drah a ramp podle předem nastavených tras. Jakmile kamera detekuje shluk ptáků, automaticky se akustické zařízení přepne do směrového režimu a přehrává zvuk napodobující chrliče (například skřeky orel). Současně jsou používány ultrazvukové vlny určité frekvence, čímž je dosaženo ekologického odháníní ptáků. Pokud ptáci nepřestanou okamžitě, lze prostřednictvím pozemní platformy dálkově upravit intenzitu a typ zvuku pro pokračující odhánění. Kromě toho mohou během špičky při startech a přistáních letadel drony kroužit ve výšce 50 metrů nad dráhou a vysílat varovnou hlášku: „V oblasti bezpečného prostoru letiště je zakázáno provozovat pilotované letouny“, a tím zabránit neoprávněnému vniknutí jiných dronů. Po zavedení tohoto řešení počet incidentů s nárazy ptáků na letadla klesl o 90 % a náklady na odhánění ptáků se snížily o 60 % ve srovnání s tradičním pozemním odháněcím zařízením.

Případ 2: Praktické použití dron pro záchranné akce při lesních požárech a dálkových akustických zařízení

Při záchranné akci při lesním požáru v horské oblasti nasadil záchranný tým 5 záchranných dronů. Každý drone byl vybaven dálkovým akustickým zařízením, infračerveným termovizním přístrojem a satelitní komunikační jednotkou. Drony rychle průzkumem z vzduchu zjistily rozsah požáru. Když infračervený termovizní přístroj detekoval uvězněné osoby na okraji ohně, bylo okamžitě aktivováno dálkové akustické zařízení, které do tohoto prostoru přehrávalo hlasovou instrukci: „Prosím, přesuňte se do bezpečné oblasti směrem k severozápadu, kde záchranný tým vybudoval dočasné útočiště.“ Zároveň zařízení pomocí satelitního spojení synchronizovalo polohu uvězněných osob do pozemního velícího střediska, aby pomohlo záchrannému týmu stanovit záchrannou trasu. V oblastech, kde se oheň rychle šířil, mohly drony létat v předstihu 1 kilometr před čarou požáru a vysílat varování do okolních vesnic: „Požár se brzy bude šířit do oblasti XX, prosíme, evakuujte se okamžitě podle předem stanovené trasy.“ Tím pomáhaly obyvatelům evakuovat se včas. Během této záchranné akce kombinace dálkového akustického zařízení a drone umožnila záchrannému týmu najít 12 uvězněných osob během 3 hodin, aniž by došlo ke ztrátám na životech. Účinnost přenosu informací byla 8krát vyšší než u tradičního pozemního rozhlasového vysílání.