Команда ученых и инженеров НАСА и Геологической службы США (USGS) совместно попыталась выяснить, сможет ли небольшой пилотируемый дрон, оснащенный специальной полезной нагрузкой, помочь создать подробные карты скорости течения воды. Реки снабжают наши общины и фермы пресной водой, служат домом для различных существ, перевозят людей и товары, а также вырабатывают электроэнергию.

Но речные потоки также могут переносить загрязняющие вещества вниз по течению или внезапно подниматься вверх, создавая опасность для людей, дикой природы и имущества. Поскольку НАСА продолжает свою постоянную приверженность лучшему пониманию нашей родной планеты, исследователи работают над ответом на вопрос, как мы можем быть в курсе того, где и как быстро меняются речные потоки.

Ученые НАСА и Геологической службы США объединились, чтобы создать пакет инструментов размером примерно с галлон молока, названный системой наблюдения за рекой (RiOS). Он оснащен тепловизионными и видимыми камерами для отслеживания движения объектов водной поверхности, лазером для измерения высоты, навигационными датчиками, бортовым компьютером и системой беспроводной связи. В 2023 году исследователи вывезли RiOS для тестирования на участке реки Сакраменто в Северной Калифорнии и планируют вернуться для третьего и последнего полевых испытаний осенью 2024 года.

«Развертывание RiOS над рекой для оценки производительности системы в реальных условиях невероятно важно», — сказал Карл Леглейтер, главный исследователь Геологической службы США в рамках совместного проекта NASA-USGS StreamFlow. «В ходе этих тестовых полетов мы продемонстрировали, что бортовая полезная нагрузка может использоваться для проведения расчетов – анализа – практически в реальном времени, пока дрон летит над рекой. Это была одна из наших главных целей: обеспечить минимальные задержка между моментом получения изображений и получением подробной информации о скорости течения и характере течения в реке».

Чтобы реализовать эту концепцию бортовых вычислений, команда использует программное обеспечение с открытым исходным кодом в сочетании с собственным кодом для создания карт скорости поверхности воды или поля потока на основе серии изображений, снятых с течением времени.

«Вы можете подумать, что нам нужна возможность видеть дискретные физические объекты — например, палки, ил или другой мусор, движущиеся вниз по течению, — чтобы оценить скорость потока, но это не всегда так и не всегда возможно», — сказал Леглейтер. «Используя высокочувствительную инфракрасную камеру, мы вместо этого обнаруживаем движение тонких различий в температуре воды, переносимой вниз по течению».

Те же самые крошечные перепады температур возникают везде, где есть неровности, например, на границе между воздухом и водой или льдом внизу. Зная это, члены команды НАСА StreamFlow использовали это явление в своих интересах при разработке методов возможных будущих высадочных планетарных миссий для навигации в отдаленных и труднодоступных местах, включая Европу, ледяную луну, вращающуюся вокруг Юпитера.

«Ледяные поверхности представляют собой сложные визуальные условия, такие как отсутствие контраста», — сказал Уланд Вонг, соисследователь и руководитель НАСА проекта StreamFlow в Исследовательском центре Эймса НАСА в Силиконовой долине в Калифорнии. «Наша технология может точно отслеживать статическую поверхность ледяной местности во время полета над ней или движущуюся поверхность, например, воду, зависая над ней, чтобы обеспечить безопасность космического корабля при сборе ценных данных».

Чтобы подготовиться к полевым испытаниям на реке Сакраменто, команда НАСА создала робототехнический симулятор, позволяющий запускать тысячи виртуальных полетов дронов над испытательным полигоном реки Сакраменто с использованием полей потока, смоделированных Геологической службой США. Эти симуляции помогают команде создать интеллектуальное программное обеспечение, способное выбирать лучшие маршруты для полета дрона и обеспечивать эффективное использование ограниченного заряда батареи.

Следующим шагом в партнерстве станет разработка НАСА методов, позволяющих сделать систему более автономной. Исследователи хотят использовать расчеты речных потоков, выполняемые на борту в режиме реального времени, чтобы определить, куда дрону следует лететь дальше.

«Опускается ли дрон, чтобы получить данные с более высоким разрешением об определенном месте, или остается высоко и снимает широкоугольный вид?» — спросил Вонг. «Если он определит области с особенно быстрым или медленным течением, сможет ли дрон быстрее обнаружить области наводнений?»

Геологическая служба США в настоящее время управляет обширной сетью, состоящей из тысяч автоматических водомеров и стационарных камер, установленных на мостах и ​​берегах рек для мониторинга речных потоков в режиме реального времени по всей стране.

«Дроны могли бы позволить нам проводить измерения во многих других областях, что потенциально позволит нашей сети стать больше, надежнее и безопаснее для мониторинга и обслуживания нашими техническими специалистами», — сказал Пол Кинзел, со-исследователь StreamFlow в USGS. «Дроны могут помочь защитить наших людей и оборудование, а также рассказать нам, как окружающая среда меняется с течением времени в максимально возможном количестве мест».