Rohkeat droonikokeilut Pohjois-Pohjanmaan alueella

Droonien käyttö on yleistynyt viime vuosina rajusti niin tutkimus- kuin liiketoimintamielessä. Droppi-hankkeessa toteutettiin erilaisia rohkeita kokeiluja droonien avulla. Tähän raporttiin on koottu kokemukset ja yhteenveto neljästä kokeilusta, jotka toteutettiin noudattaen Pohjois-Pohjanmaan ilmastotiekartan kärkiteemoja. Hankkeessa on myös tuotettu selvitys Pohjois-Pohjanmaan tilannekuvasta, joka kokoaa yhteen nykytilanteen Pohjois- Pohjanmaan ilmastotiekartan osalta, vaatimusmäärittelyt rohkeille kokeiluille sekä mahdolliset jatkotoimenpiteet.

Sisällys

1 Johdanto
2 Hankkeen toimenpiteet
2.1 Pohjois-Pohjanmaan alueen tilannekuva
2.2 Toteutetut rohkeat kokeilut
2.2.1 Kuvauspaikkojen etsintä elokuvatuotantoon
2.2.2 Metsätaimien siirto droonilla
2.2.3 Konttien tunnistus Oulun satamassa
2.2.4 Leikkuupuimurin käytön etäopetus
3 Yhteenveto ja johtopäätökset
Lähteet

1 Johdanto

Pohjois-Pohjanmaa on sitoutunut vauhdittamaan kansallista hiilineutraalisuustavoitetta ja laatinut työtä ohjaamaan ilmastotiekartan. Se antaa toimintaympäristön kehittämisen suuntaviivat, jotta alan kehittäjäorganisaatiot voivat kohdistaa käytössä olevia resurssejaan oikein. Kehittämällä toimintaympäristöä ympäristö, talous, sosiaaliset ja kulttuuriset vaikutukset sekä korkeatasoinen TKI-tuki huomioiden ilmastonmuutoksen hillintä on sekä mahdollista että mahdollisuus.

Droppi – Rohkeat kokeilut Pohjois-Pohjanmaan alueella -hankkeessa haettiin drooneilla toteutettujen rohkeiden kokeilujen kautta sovelluskohteita ja ratkaisuja, joissa miehittämättömien ilma-alusten avulla päästöjä ja energian käyttöä voidaan tehostaa eri osa-alueilla.

Nämä osa-alueet ovat ilmastotiekartan seitsemän kärkiteemaa:

1. älykäs bio- ja kiertotalous,
2. kestävä, tehokas ja vähäpäästöinen energiantuotanto,
3. vähäpäästöinen liikenne,
4. maatalous hiilensitojana,
5. ilmastoviisas ja kiertotaloutta edistävä maankäyttö,
6. metsät ja suot hiilinieluina sekä
7. elinvoimaa ja liiketoimintamahdollisuuksia luovat sektorirajat ylittävä yhteistyö ja toimintamallit.

Hanke toteutettiin 1.5.2022–31.12.2023. Hankkeen päätoteuttaja oli Oulun ammattikorkeakoulu, Arctic Drone Labs ja osatoteuttana Oulun yliopisto, BISG (Biometriikka ja älykkäät systeemit).

Hanketoimijoiden näkökulmasta hankkeen tavoitteena oli parantaa osallistujien osaamista sekä kehittää innovaatioita alueelta löytyvien vahvuuksien pohjalta. Esimerkiksi teknologia- ja ympäristöosaamisen, pk-yritysten innovaatiotoiminnan vahvistamisen sekä maaseutuelinkeinojen (maa- ja metsätalous) taitojen kohtauttaminen toteutetaan monialaisten rohkeiden kokeilujen kautta. Hankkeen rohkeat kokeilut toteutettiin temaattisesti ilmastotiekartan seitsemän kärkiteeman mukaisesti siten, että pääpaino kokeiluissa osui kärkiteemoihin 3) vähäpäästöinen liikenne, 4) maatalous hiilensitojana sekä 7) elinvoimaa ja liiketoimintamahdollisuuksia luovat sektorirajat ylittävä yhteistyö ja toimintamallit.

2 Hankkeen toimenpiteet

Hankkeen ensimmäinen toimenpide oli kuvata Pohjois-Pohjanmaan alueella hankkeen aloituksen aikainen ja hankkeen aikana vallitseva tilannekuva, jossa kuvataan hankkeen lähtötilanne Pohjois-Pohjanmaan ilmastotiekartan (2/2021) pohjalta sekä päivittää tilannekuva hankkeen päättyessä.

Toisena toimenpiteenä oli löytää uusia liiketoimintamahdollisuuksia Pohjois-Pohjanmaan alueelle tutkimalla ja hyödyntämällä miehittämättömien ilma-alusten eli droonien käyttöä uusissa tuotteissa ja palveluissa kytkien ilmastotoimet elinkeinoihin ja uusiin liiketoimintamahdollisuuksiin, jotka siten tukevat vihreä siirtymää, hiilineutraalin ja ekologisesti kestävän yhteiskunnan rakentamista ja kestävää kilpailukykyä niin yksityisellä kuin julkisella puolella.

Kolmantena toimenpiteenä hankkeessa toteutettiin neljä niin kutsuttua rohkeaa kokeilua, jotka noudattivat Pohjois-Pohjanmaan (POP) ilmastotiekartan seitsemää kärkiteemaa. Kokeilut valittiin siten, että mikro- ja pk-yrityksille järjestettiin avoin ja jatkuva rohkeiden kokeilujen haku. Toteutuksiin valitut rohkeat kokeilut toteutettiin ostopalveluna. Varsinaisia kokeiluja toteutettiin yhteistyössä kahden yrityksen kanssa.

2.1 Pohjois-Pohjanmaan alueen tilannekuva

Selvitys Pohjois-Pohjanmaan tilannekuvasta [1] kokoaa yhteen nykytilanteen Pohjois-Pohjanmaan ilmastotiekartan osalta, vaatimusmäärittelyt rohkeille kokeiluille sekä mahdolliset jatkotoimenpiteet.

Hanke käynnistyi toimenpiteellä, jonka tehtävänä oli kerätä ja kuvata hankkeen lähtötilanne Pohjois-Pohjanmaan ilmastotiekartan pohjalta. Toimenpiteen toteuttaja oli Oulun ammattikorkeakoulu ja toimenpiteen tuloksena syntyi raportti Pohjois-Pohjanmaan tilannekuvasta.

Tilannekuva rakennettiin käytettävissä olevan Pohjois-Pohjanmaan (POP) ilmastotiekartan (2/2021) pohjalta. Pohjois-Pohjanmaan (POP) ilmastotiekartassa on seitsemän kärkiteemaa:

1. Älykäs bio- ja kiertotalous toimivat ilmastotyön perustana.
2. Energian tuotanto ja käyttö on kestävää, tehokasta ja vähäpäästöistä.
3. Liikenne on vähäpäästöistä.
4. Maatalous kehittyy hiilensitojana.
5. Maankäyttö on ilmastoviisasta ja kiertotaloutta edistävää.
6. Metsät ja suot toimivat tehokkaina hiilinieluina, turve hyödynnetään kestävästi.
7. Yhteistyö ja sektorirajat ylittävät toimintamallit luovat elinvoimaa ja liiketoimintamahdollisuuksia.

2.2 Toteutetut rohkeat kokeilut

Droppi-hankkeessa tehtiin ostopalveluna neljä erillistä rohkeaa kokeilua kahden eri yrityksen toteuttamana. Ensimmäisen kokeilun, joka oli kuvauspaikkojen etsintä elokuvatuotantoon, toteutti Zone ii Oy/Locca Lidar Ltd. Seuraavat kolme kokeilua, jotka olivat metsätaimien siirto droonilla, konttien tunnistus Oulun Satamassa ja leikkuupuimurin käytön etäopetus, toteutti ALD Trade Oy.

2.2.1 Kuvauspaikkojen etsintä elokuvatuotantoon

Hankkeen ensimmäisessä kokeilussa pilotoitiin virtuaalista kuvauspaikkojen etsintää elokuva- ja TV-alalle tuottaen mittatarkkoja 3D-malleja todellisista paikoista laserkeilain- ja fotogrammetria-aineistoja yhdistäen. Elokuva-alan lisäksi näitä hankkeessa tuotettuja malleja ja menetelmiä voisi käyttää välittömästi esimerkiksi peliteollisuudessa ja tiedeviestinnän visualisoinnissa. Materiaalilla ja osaamisella on suora kytkös myös syntymässä olevaan metaversumiin sen 3D-virtuaalitiloina. Testikuvaukset antoivat arvokasta tietoa koko työprosessista ja osoittivat selkeästi, mihin kohtiin työvirtaa (workflow) tarvitaan lisää osaajia ja resursseja. Pilotit toteutettiin Zone ii Oy/Locca Lidar Ltd.:n ja Oulun ammattikorkeakoulun yhteistyönä.

Kuvausalueiden kartoitukset toteutettiin Kuusamossa sekä Turkansaaressa Oulussa. Kuvaukset tehtiin laserkeilain- sekä RGB-tekniikalla.

Asiakkaiden kyky ottaa uusia menetelmiä käyttöön on suurin kynnys sovellettaessa tätä menetelmää tuotantokäyttöön. Fotorealististen kuvauspaikkojen tallennus 3D-malliksi hyväksikäyttäen pistepilvikarttoja, jolloin se olisi mittatarkka ja yhteensopiva, on huomattavan työläs sekä aikaa ja koneen käsittelytehokkuutta vaativa toimenpide, eikä se tällaisenaan vastaa tämän hetken tarpeita ”sisäänheittotuotteena” kuvauspaikkojen etsintävaiheessa. Keveämmät laserkeilainlaitteet pienempinä tiedostoina liikkuvat asiakkaalle paljon ketterämmin ja ovat siksi kuvauspaikkojen etsintävaiheessa käyttökelpoisempia. Fotogrammetria on edennyt niin isoin harppauksin, että sillä tuotetut materiaalit saavuttavat helposti riittävän laatutason etsintävaiheen materiaaleille.

Kaluston osalta suunnittelussa on otettava tarkasti huomioon sääolosuhteet ja lentolupa-asiat. Kokeilun aikana keskustelut ja asiantuntemuksen vaihto ovat synnyttäneet useita arkikielisiä ilmaisuja teknologiaa tuntemattomille asiakkaille kertomaan, mitä ja miten tehdä sekä erityisesti miksi tehdä. Koko tuotanto on suunniteltava, aikataulutettava ja budjetoitava alusta asti videotuotantoa varten, jotta lopputuloksessa onnistutaan.

Tässä vaiheessa lentävä laserkeilain puolustaa paikkaansa. Teknologia tuntuu loikkivan eteenpäin hyvää vauhtia, ja jo lähitulevaisuudessa nämä käytettävät työtavat edistyvät ja yleistyvät. Syntyneitä materiaaleja on jo päästy testaamaan Led-studiossa, joka edistää aiheen haltuunottoa. Materiaaleja on päästy käyttämään varsinaisessa ydinliiketoiminnassa ja muun muassa Kuusamon Kuntivaaralla taltioitua materiaalia esitellään kevään aikana mahdollisille asiakkaille ennen heidän Suomeen saapumistaan ja lopullista kuvauspaikan valintaa.

2.2.2 Metsätaimien siirto droonilla

Kokeilun ideana oli käyttää raskasta droonia kuljettamaan puuntaimia istutusalueelle. Tavallisesti taimet kuljetetaan alueelle mönkijällä ja loppumatka kävellen. Soisilla alueilla kiertotie istutusalueelle voi olla pitkä ja raskas. Droonin avulla taimet voidaan siirtää istutusalueelle huomattavasti nopeammin ja ympäristöystävällisemmin. Droonin hiilidioksidipäästöt ovat vähäisemmät kuin mönkijän, eikä se vahingoita metsän aluskasvillisuutta.

Kokeilussa oli tarkoitus käyttää Walkera QL1600 -hybrididroonia, joka on öljy- ja sähkökäyttöinen (hybridi). Se on myös nopeampi ja lentoaika on pitkäkestoisempi kuin kevyemmillä drooneilla. Se voi kuljettaa 10 kilogramman hyötykuorman ja se on varustettu vinssillä, jolla taimet voidaan laskea istuttajille puiden korkeudelta. Kokeilussa kuitenkin päädyttiin käyttämään kevyempää DJI M600 -droonia. Drooniin rakennettiin vinssi ja taimien siirtoon tarkoitettu laatikko. Tällä droonilla pystyttiin siirtämään 3 kilogrammaa taimia. DJI-droonissa ei ollut kameraa, eikä sillä voinut tehdä reittilentoa, joten ei ollut mahdollista tehdä automaattisia lentoja paikalla ja kameran puutteen takia taimien laskupaikalla oli oltava toinen henkilö, joka opasti droonin lentäjää puhelinyhteydellä laskemaan taimet oikeaan paikkaan.

Kokeen tavoitteena on suorittaa onnistuneesti taimien toimitus droonilla, mitata siihen kuluva aika ja verrata sitä maastossa tehtyyn toimitusaikaan. Droonin vaihtuminen ei merkittävästi vaikuttanut kokeiluun. Pilotin livekuva droonista olisi lisännyt tehokkuutta droonin operointiin laskupaikalla. Toistuvat siirtymät lastaus- ja laskeutumispaikan välillä olisivat olleet hieman nopeampia automaattilennolla.

Kokeilun tuloksena kuitenkin päästiin testaamaan, kuinka hyvin taimien kuljetus droonilla toimii sekä millaisia hyötyjä kyseisellä siirtotavalla voidaan saada. Hyödyt olivat lähinnä mitattavissa ajassa, hiilidioksidipäästöissä sekä siinä, että droonilla on helpompi liikkua vaikeakulkuisessa maastossa. (Kuva 2.)

2.2.3 Konttien tunnistus Oulun satamassa

Kokeilussa käytettiin kahta 5G-droonia, joissa käytettiin kahta eri Elisa Oyj:n SuperSight tekoälypalvelua. Tekoälypalvelua käytettiin drooneihin asennetuilla 5G puhelimilla, joissa oli Elisan ohjelmisto. Ohjelmistoa voidaan vaihtaa puhelimessa kokeilun aikana ja näin on mahdollista kokeilla eri palveluja. Droonin oma kamera voidaan myös asettaa striimaamaan livekuvaa droonin 4G/5G yhteyden yli AI-reunapilvipalveluihin. Tällöin voidaan käyttää droonin omaa vakaajaa, jolloin kuvasta saadaan vakaampi ja kameran kulmaa voidaan ohjata lennon aikana. Jos kamerassa on zoom-objektiivi, kuvausta voidaan tehdä myös joustavammin eri korkeuksilta.

Pääasiallinen kokeilu Oulun satamassa oli testata, kuinka hyvin konttien tunnistamiseen tehty tekoäly toimii droonissa. Tekoäly on opetettu tunnistamaan kontit kiinteillä kameroilla esimerkiksi sataman porteilla ja nostureissa. Droonilla kuvattaessa kamera liikkuu ja näkee useita kontteja samanaikaisesti. Kontit tulevat kuvaan eri suunnista.

Konttien tunnistus toimi hyvin, mutta varsinkin usean kontin pinoissa tekoäly otti kuvia (kuva 3) useammin kuin kerran. Se siis tunnisti samoja kontteja uudestaan. Mallille tulisi opettaa, droonilentoja varten, missä vaiheessa konttia kohti lennettäessä kuva otetaan. Konttipiha oli selvästi todella haastava tekoälylle ja drooni otti alueelle lennettyjen kahden lennon aikana 628 kuvaa eli se siis tunnisti uuden kontin 628 kertaa. Alueella oli kontteja noin 200 kappaletta ja osan yli lennettiin kahdesti. Kolmen kontin yli lentäessä tekoäly otti kuusi kuvaa eli se siis tunnisti samat kontit ainakin kahdesti. Elisa Oyj seurasi lennon dataa livenä ja he havaitsivat, että kovan tuulen aiheuttamat kuvan heilumiset aiheuttivat tuplatunnistuksia. Kokeilussa älykamera oli jousitetussa kiinnikkeessä kiinni droonissa, jonka takia kuva pääsi heilumaan tuulisessa säässä. Jos kamera olisi vakautetussa gimbaalissa, olisivat tulokset todennäköisesti parempia.

2.2.4 Leikkuupuimurin käytön etäopetus

Kokeilu toteutettiin Ruukin luonto- ja hevoskeskuksen pelloilla (kuva 4) ja siihen osallistuivat Oulun yliopisto, BISC, ADL Trade Oy ja Oulun ammattikorkeakoulu.

Kokeessa käytettiin ääniohjattua droonia ja majakkaa, jota drooni seuraa. Majakka sijoitettiin leikkuupuimurin sisään, joten drooni seurasi sitä automaattisesti. Äänikomennoilla pystyttiin muuttamaan kulmaa tai etäisyyttä leikkuupuimurista. Droonin ja kahden kiinteän kameran livekuva striimattiin opettajalle, joka pystyi seuraamaan puimurin toimintaa eri kulmista ja opettamaan puimurin tehokkaampaa käyttöä.

Kokeilussa käytettiin pientä 250 gramman droonia, joka ei aiheuta vaaraa ympäristölle. On myös mahdollista käyttää mallia, jossa on droonipesä, jolloin droonipesä asennetaan puimuriin. Drooni lentää jatkuvasti puimuria seuraten ja sen sijaintia suhteessa puimuriin voidaan muuttaa äänikomennoilla. Kouluttaja tai kuljettaja voi siis ohjata droonia äänellä koulutuksen aikana, jolloin droonin ohjaus ei vaadi erillistä ohjaajaa.

Droonia voidaan ohjata myös manuaalisesti esimerkiksi koulutuksen jälkeen. Droonia voidaan käyttää myös leikattavan alueen valvontaan, jolloin kuvassa voi näkyä eläimiä tai vieraita esineitä puimurin edessä. Tämä voi parantaa puimurin turvallisuutta ja estää vieraiden esineiden, kuten peltipurkkien, pääsyn viljaan. Tekoäly voidaan myös opettaa tunnistamaan vieraita esineitä tai eläimiä kentällä ja varoittamaan niistä automaattisesti. Jos kentällä käytetään useita leikkuupuimureita, drooni voi lentää koko peltoalueen läpi automaattisesti ja raportoida vieraiden esineiden GPS-koordinaatit, jotta ne voidaan tarkistaa ennen leikkaamista.

Testit sujuivat hyvin. Drooni seurasi leikkuupuimuria erittäin hyvin ja myös kiinteissä kameroissa oli hyvä kuvakulma, joten testistä saatiin hyvä monikanavavideo. Ääniohjauksessa oli kuitenkin hieman ongelmia. Ajoneuvon sisällä oleva taustamelu teki äänikomennoista epäluotettavia. Tämä ongelma poistuu, kun käytetään erillistä mikrofonia. Droonin seurantamalleja tulisi myös parantaa. Kokeilu osoitti, että kehitettävää on niin teknologiassa kuin toimintamalleissa.

3 Yhteenveto ja johtopäätökset

Droonien käytön yleistymisen myötä on tärkeää tehdä niin tieteellistä kuin soveltavaa tutkimusta droonien käyttömahdollisuuksista ja niiden käyttöön liittyvistä haasteista. Droppi-hankkeessa tuloksina syntyi julkinen raportti Pohjois-Pohjanmaan tilannekuvasta, verkkosivusto sekä neljä drooniteknologiaa hyödyntävää ilmastokartan tavoitteita edistävää rohkeaa kokeilua Pohjois-Pohjanmaan alueella. Hankkeessa saatiin myös tietoa ja ymmärrystä siitä, millaisia palvelu- ja yhteistoimintamalleja ja uusia miehittämättömiä ilma-aluksia hyödyntäviä tuote- ja palvelukonsepteja nykytekniikka mahdollistaa.

Kokeilut osoittivat myös, että kehitettävää löytyy niin teknologian, lainsäädännön ja droonitoiminnassa käytettävien toimintamallien saralla. Droonien käytölle haasteita aiheuttavat muun muassa käytön luvanvaraisuus ja tällä hetkellä lupaprosessin hitaus. Haasteina ovat myös droonien tietoturva-asiat, teknologiset ratkaisut sekä lisävarusteiden saatavuus.

Hankkeessa kokeiltiin erilaisia tapoja käyttää drooneja. Kaikissa onnistuttiin suunnitelmien mukaisesti, joskaan haasteitta ei selvitty. Kokeilut osoittivat, että drooneja voidaan käyttää eri tavoin kansalaisten, yritysten ja yhteiskunnan hyödyksi, mutta niiden käyttö ei ole kuitenkaan yksinkertaista ja vaatii hyvää suunnittelua sekä aikaa toteuttaa eri toimenpiteet. Tekoälyä (AI) käytetään yhä enenevässä määrin, mutta kokeilut osoittivat myös, että sen käytössä on vielä haasteita ja kehittämistä.

Tuija Väyrynen
projektipäällikkö
TKI-yksikkö/Vähähiilisyys
Oulun ammattikorkeakoulu

Droppi – Rohkeat kokeilut Pohjois-Pohjanmaan alueella

Tavoite: DROPPI-hankkeen tavoitteena on löytää uusia liiketoimintamahdollisuuksia Pohjois-Pohjanmaan alueella tutkimalla ja hyödyntämällä miehittämättömien ilma-alusten (UAV, unmanned aerial vechiles) eli droonien käyttöä uusissa tuotteissa ja palveluissa, jotka tukevat vihreää siirtymää, hiilineutraalin ja ekologisesti kestävää kilpailukykyä sekä yksityisellä että julkisella sektorilla.

Kesto: 1.5.2022–31.12.2023

Rahoittajat: Pohjois-Pohjanmaan liitto

Koordinaattori: Oulun ammattikorkeakoulu

Osatoteuttajat: Oulun yliopisto, Biometrics and Intelligent Systems Group, BISC (Biometriikka ja älykkäät systeemit)

Lisätietoa: DROPPI — The bold drone experiments in the Northern Ostrobothnia — Arctic Drone Labs

Hankkeen kaikki julkaisut Oamk Journalissa

Lähteet

[1] Pohjois-Pohjanmaan liitto. (2020). Pohjois-Pohjanmaan ilmastotiekartta 2021−2030. Kohti hiilineutraalia Pohjois-Pohjanmaata. https://www.pohjois-pohjanmaa.fi/wp-content/uploads/2021/02/Pohjois-Pohjanmaan-ilmastotiekartta-2021-2030.pdf