Visuelle Navigationsmethoden für Nanokopter

01.03.2014 -

Abgeschlossen
TU München & Siemens AG

Name des Teilnehmers: Jakob Engel

Beschreibung des IT-Forschungsprojektes: In den vergangenen Jahren haben ferngesteuerte Quadrocopter stark an Interesse gewonnen. Lange sind sie nicht mehr nur Gegenstand der Forschung, sondern werden immer öfter in der Industrie eingesetzt oder als Hightech Spielzeuge vermarktet. Quadrocopter können (ähnlich zu Helikoptern) zu jeder Zeit in jede Richtung fliegen oder auch still in der Luft stehen. Sie eignen sich damit hervorragend für den Einsatz auf engem Raum, beispielsweise in oder in der Nähe zu Gebäuden, Vegetation oder Menschen. Bereits heute gibt es vielfältige Einsatzmöglichkeiten: Quadrocopter werden bereits heute von der Polizei zur Überwachung von Gefahrensituationen eingesetzt.

Weiterhin werden Quadrocopter immer öfter von der Filmindustrie zur Aufnahme von Szenen aus der Luft eingesetzt: Da ferngesteuerte Quadrocopter im Gegensatz zu bemannten Helikoptern auch in bzw. in der Nähe von Gebäuden fliegen können, erlaubt dies Aufnahmen aus neuen, vorher nicht zugänglichen Perspektiven. Weiterhin denkbar ist der Einsatz von Quadrokoptern zur schnellen Suche nach Überlebenden nach Naturkatastrophen (Flug durch e.g. eingestürzte Gebäude). Insbesondere im Schwarm agierend können mithilfe autonom agierender Quadrokopter große Gebiete schnell erkundet und abgesucht werden.

Ein limitierender Faktor in vielen Einsatzszenarien ist die Größe bzw. das Gewicht der eingesetzten Quadrocopter, also die Hardware: Die heute eingesetzten Modelle haben typischerweise ein Fluggewicht zwischen 2 und 5kg und einen Durchmesser von einem halben bis zu einem Meter. Plattformen dieser Größe haben eine verhältnismäßig hohe Nutzlast, können also starke Akkus (?> längere Flugzeit) mehr Sensoren (Hochqualitative Kameras, GPS, Laserscanner, Wärmebildkameras, ...) und on?board Rechenkraft tragen. Neben einer besseren Qualität der akquirierten Bilddaten erleichtert dies auch ungemein die Integration autonomen Verhaltens, da mehr und genauere Sensordaten sowie mehr Rechenkraft verfügbar stehen. Derartige Flugroboter können jedoch nicht auf engem Raum, wie beispielsweise in engen Gebäuden, oder in der Nähe von Menschen eingesetzt werden. Des Weiteren stellen sie eine nicht zu vernachlässigende Gefahr für ihre Umgebung dar (insbesondere auch für Menschen) und sind schwer zu transportieren.

Im Projekt NanoVis soll daher die Miniaturisierung von Quadrokoptern hin zu Nanokoptern mit einem Gewicht von deutlich unter 500g erforscht und erprobt werden.

Durch das enorm geringe Gewicht sind derartige Plattformen nicht nur außerordentlich robust (sie überstehen im Allgemeinen Stürze aus mehreren Metern Höhe), sondern stellen außerdem auch keine Gefahr für ihre Umgebung dar. Da sie weiterhin enorm klein sind (Durchmesser: 10cm) sind sie leicht transportabel und können potenziell auch in engen Gebäuden, wie beispielsweise Büroräumen oder Wohnungen eingesetzt werden. Ein weiterer Vorteil ist der geringe Preis gegenüber größeren Modellen: Nanokopter, in Serie produziert, können deutlich unter 100 EURO kosten und sind damit potenziell in großer Menge (z.B. zur Schwarm?Erkundung von Katastrophengebieten) einsetzbar.

Der zweite limitierender Faktor betrifft die Software und ist die Steuerung der Quadrokopter: In nahezu allen Fällen wird diese von einem speziell ausgebildeten, teleoperierenden Piloten übernommen, der über eine Sichtverbindung zum Quadrokopter verfügen muss. Insbesondere ohne GPS?basierte Hilfestellungen verlangt das Fliegen eines Quadrokopters dabei höchste Konzentration, da pausenlos externe Störeinflüsse (Wind, Luftströmungen) ausgeglichen werden müssen: Im Gegensatz zu Boden?gebundenen Fahrzeugen kann ein Quadrokopter nicht einfach stehen bleiben bzw. anhalten. Daher ist autonomes Verhalten wünschenswert, nicht nur um Personal zu sparen, sondern insbesondere auch um den Einsatz in Notsituationen (wo unter Umständen kein ausgebildeter Pilot vor Ort ist) oder im Schwarm zu ermöglichen. Dies kann anfangen bei den Piloten unterstützenden Funktionen (autonomes Position halten, bzw. das Ausgleichen von St.reinflüssen) und dem Anfliegen von definierten Zielpunkten bis hin zu autonomer Hindernissvermeidung, Pfad?Planung in komplexen Umgebungen oder der voll?autonomen Missionsplanung (autonom entscheiden, wohin geflogen werden soll). Je kleiner der Quadrokopter, desto anspruchsvoller werden diese Aufgaben, da weniger komplexe Sensorik eingesetzt werden kann.

Im Rahmen von NanoVis sollen daher Methoden entwickelt werden, die es Nanokoptern mit einem Gewicht von deutlich unter 500g ermöglichen, einfache Grade der Autonomie zu erreichen.

Video zum Projekt

Software Campus-Partner: TU München, Siemens AG

Umsetzungszeitraum: 01.03.2014 - 29.02.2016