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Autonome Unmanned Vehicle Systems

Das Institut für Theoretische Elektrotechnik und Systemoptimierung (ITE) forscht unter anderem an der Fusion komplementärer Sensordaten in integrierten Navigationssystemen. Die daraus resultierende Navigationslösung kann in unterschiedlichen Bereichen Anwendung finden. Eine dieser Anwendungen stellt der AirQuad dar. Hierbei handelt es sich um ein autonomes Unmanned Aerial Vehicle (UAV, unbemanntes Fluggerät), welches am ITE entwickelt wird. Der Fokus liegt im Bereich des Systemdesigns, der Systemarchitektur und der System-Intelligenz.

  

Drohne

Das UAV ist ein durch vier Elektromotoren betriebener Helikopter, das durch seinen Durchmesser von ca. 1m und seiner Nutzlast von 1,5kg zur Klasse der Mikrofluggeräte gehört. Durch seine Fähigkeit zu schweben, ist es für viele Rettungs- und Sicherheits-Anwendungen sehr gut geeignet.

 

Der Fokus des ITE liegt in der Entwicklung eines autonomen Fluggeräts, das sowohl in Innenräumen als auch im Außenbereich selbstständig Aufgaben durchführen kann. Insbesondere bei der autonomen Erkundung von Gebäuden zur Unterstützung von Rettungskräften ist es entscheidend jederzeit unabhängig von GNSS (Global Navigation Satellite System) eine möglichst präzise Selbstlokalisierung durchführen zu können. Zu diesem Zweck werden komplementäre Sensorinformationen (Laser-Entfernungsmessungen, Kamerabilder, Messungen eines Barometer-Altimeters, Inertialsensormessungen und Magnetfeldsensorinformationen) fusioniert. Neben der Selbstlokalisation ist eine Umfelderkennung für ein autonom agierendes System essentiell. Dadurch lassen sich kritische Situationen (z.B. mögliche Kollisionen) vermeiden sowie anzufliegende Ziele, wie Gebäudedurchgänge detektieren. Dies bildet die Grundlage für die autonome Durchführung von Missionszielen wie zum Beispiel

 

 

der Passage von Gebäudedurchgängen.

Das aktuelle Arbeitsgebiet des ITE  hat das Ziel die oben genannten Methoden durch die Forschung an folgenden Schwerpunkten zu erweitern:

Tiltrotor Quadrokopter

Bei einem konventionellen Quadrokopter ist es nicht möglich die Fluglage und Geschwindigkeit entkoppelt voneinander vorzugeben. Dies wird am ITE durch die Entwicklung eines Tiltrotor Quadrokopters gelöst. Bei diesem System lassen sich die Rotoren einzeln um die jeweilige Auslegerachse schwenken. Dadurch ist es möglich das Fluggerät auf der Stelle stehend verschiedene Lagen im Raum einnehmen zu lassen. Neben der entkoppelten Geschwindigkeits- und Lagevorgabe zeichnet sich dieses Gerät auch durch eine hochdynamische Manövrierbarkeit aus. Dieses sehr dynamische System besitzt einen hohen Grad an Komplexität weswegen am ITE speziell dafür nichtlineare Regelungsalgorithmen erforscht und entwickelt werden.

Erkundung in urbanem Gebiet

Insbesondere in Gebäudenähe kann es aufgrund der Abschattung von Satelliten und Mehrwegeausbreitung zu einer signifikanten Verschlechterung der Navigationslösung eines GNSS-gestützten Navigationssystems kommen. Daher werden am ITE Methoden zur Verbesserung der Genauigkeit der Navigationslösung mittels der Fusion verschiedener Sensoren entwickelt. Weiterhin steht die Steigerung der Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der Navigationslösung durch an verschiedene Situationen angepasste Navigationsfilter und Integritätschecks im Mittelpunkt des Forschungsinteresses. Dies ermöglicht den autonomen Flug von MAVs in schwierigen Situationen, ohne dass menschliches Eingreifen nötig ist.

Autonome Erkundung von Innenräumen

Die Erkundung von Gebäuden durch unbemannte Fluggeräte kann Rettungskräften wichtige Informationen außerhalb ihres eigenen Sichtbereichs liefern und damit unnötige, unkalkulierbare Risiken für Ersthelfer vermeiden. Um solche Aufklärungsmissionen erfolgreich durchführen zu können, muss das MAV dazu in der Lage sein, in unbekannter Umgebung alle zugänglichen Innenräume selbstständig zu erkunden, flexibel auf Hindernisse zu reagieren und dann sicher zur Bodenstation zurückzukehren. Dies stellt die in Rechenkapazität und Traglast limitierten Mikro-Helikopter vor eine Vielzahl dynamischer Herausforderungen, auf die klassische Systeme oft nicht in Echtzeit reagieren können. Deshalb wird am ITE ein multi-sensorielles System zur autonomen Erkundung entwickelt, das insbesondere reaktive Strategien für den sicheren und effizienten Einsatz in Innenräumen – d.h. ohne GPS-Empfang - beinhaltet. Die Onboard-Verarbeitung heterogener Sensordaten soll nicht nur die umfassende Erkundung ermöglichen, sondern das Fluggerät auch zur robusten und situationsbewussten Navigation befähigen. Missionsspezifisch akquirierte Daten können dann direkt z.B. in Gebäudepläne für Rettungskräfte überführt werden.

Kartierung von Innenräumen

Mithilfe verschiedener Sensoren, insbesondere des Laser-Entfernungsmessers, lässt sich bei gleichzeitiger Eigenlokalisierung die Geometrie der Umgebung abbilden. Solche metrischen Karten eignen sich zur Navigation des Fluggeräts, jedoch weniger zur Interpretation der zugrunde liegenden Szene. Deshalb wird die metrische Karte mit missionsspezifischen, qualitativen Merkmalen erweitert. Die resultierende Karte befähigt zum einen das Fluggerät zur Situationserkennung und zum anderen die Rettungskräfte zur besseren Planung des Einsatzes.

 

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