Energy and operational analysis of continuous surveillance systems based on multirotor UAVs

Abstract

Drones are used in many applications, including continuous surveillance and monitoring. They can be used in cases, when the deployment time of surveillance system should be as fast as possible, or when a centralized electric grid is not available: accompanying fire extinguishing and liquidation of emergencies, 24/7 surveillance of the border area, monitoring of open-air events. They also can be used as stationary cameras, carrier of means of radio-electronic intelligence, weather conditions intelligence in airport areas, monitoring of crops, etc. The optimal solution for surveillance of large areas, such as critical infrastructure facilities (nuclear power plants, dams), and military facilities (field bases, ammunition warehouses), is the utilization of a group of drones when a single drone will observe his sector. The development of such systems and analysis of conditions for continuous surveillance taking into account the limitations of drone batteries require deep studies of drone energy consumption in various operation modes. The paper proposes a comprehensive investigation of operation modes of continuous surveillance systems, based on drones with electric-supplied propulsion systems, and optimization of its parameters. In the study, a comprehensive analysis of drones’ energy demands was done and conditions for continuous surveillance were found. Finally, the conclusion was set that external parameters, such as wind speed and direction, can significantly decrease the achievable distance to the observing point.Дрони застосовуються у багатьох сферах, зокрема для систем безперервного спостереження та моніторингу. Вони можуть бути використані у випадках, коли час розгортання такої системи спостереження має бути максимально швидким та зазвичай коли централізована електрична мережа недоступна: гасіння пожеж та ліквідація надзвичайних ситуацій, цілодобове спостереження за прикордонною зоною, моніторинг заходів під відкритим небом. Вони також можуть бути використані як стаціонарні відеокамери, носій засобів радіоелектронної розвідки, розвідки погодних умов у районах аеропортів, моніторингу посівів, тощо. Оптимальне рішення для спостереження за великими територіями, такими як об’єкти критичної інфраструктури (АЕС, греблі), так і військових об’єктів (польові бази, склади боєприпасів), є застосування груп дронів, коли один дрон буде спостерігати за своїм сектором. Розробка таких систем та аналіз умов безперервного спостереження з урахуванням обмежень батарей дронів потребує глибоких досліджень енергоспоживання дронів у різних режимах роботи. У статті запропоновано комплексне дослідження режимів роботи системи безперервного спостереження на основі дронів з електроприводом та оптимізація її параметрів. У ході дослідження було проведено комплексний аналіз енергетичних потреб дронів і знайдено умови для постійного спостереження. Нарешті було зроблено висновок, що зовнішні параметри, такі як швидкість і напрямок вітру, можуть значно зменшити досяжну відстань до точки спостереження.