Flugplattformen

Hauptbestandteil des Projekts sind drei Flugroboter, die mit verschiedensten Sensoren ausgestattet unterschiedliche Teilbereiche der Akquise abdecken.

OctocopterDas Rahmensystem aller Roboter basiert auf der Octocopter-Plattform Goliath Coax 8 der Firma Cadmic GmbH. Sie bieten eine schnell zerlegbare und gleichzeitig robuste Konstruktion, die im geschützten Innenraum ausreichend Platz für Elektronikkomponenten und am Gehäuseäußeren viele Möglichkeiten für die Befestigung zusätzlicher Hardware bereitstellt. Das System ist für ein Gesamtgewicht bis 7kg geeignet. Zusätzliche Anpassungen betreffen den Anbau und die Fixierung von Bordelektronik und Bordsensorik.
Das Rahmensystem setzt sich aus dem Goliath-Rahmen, den Anbauten für zusätzliche Hardware, dem Antrieb der Flugplattformen und der Stromversorgung zusammen. Direkt am Rumpf sind die vier Auslegerarme befestigt. Diese sind horizontal ausgerichtet und stehen in einem Winkel von 45° vom Rumpf ab. Unter dem Rumpf sind vier Landebeine angebracht, die sich jeweils genau unter einem Auslegerarm befinden. Im Rumpfinneren sind die Motorregler untergebracht. Flugregler,Bordrechner, Akkus und weitere Elektronikkomponenten werden auf einer zusätzlichen Elektronikebene befestigt, die am Rumpf fixiert wird. Eine Haube dient als Abdeckung und schützt die Elektronik im Plattforminneren vor leichter Witterung. Die Haube wird auf der Rumpfoberseite festgeschraubt.

Alle Komponenten des Antriebs sind Bestandteil der Lieferung von Cadmicopter und werden deshalb dem Rahmensystem zugeordnet. Zum Antrieb gehören:

  • Motorregler, Typ Herkules III, steuern die Drehgeschwindigkeit der Motoren,
  • BLDC-Motoren, TIGER MN4012-13 340KV, treiben die Propeller an,
  • Propeller, erzeugen den notwendigen Schub.

Die Motoren sind an den Auslegerarmen befestigt und daher gleichmäßig um den Schwerpunkt verteilt. An jedem Ausleger befinden sich ein nach oben und ein nach unten gerichteter Motor, deren Propeller sich aus Sicht der Plattform gegenläufig drehen. Jeweils über Kreuz angebrachte Motoren der Plattform haben die gleiche Drehrichtung. Jeder Motorregler ist mittels I2C Bus Protokoll an den Flugregler angeschlossen.

Die Stromversorgung der einzelnen Flugroboter erfolgt über je zwei wiederaufladbare Lithium-Inonen-Akkus (SLS XTRON 5000mAh 6S1P 22,2V 30C/60C ). Für Elektronikkomponenten notwendige Spannungen ungleich der gelieferten 22,2 V werden durch Schaltregler bereitgestellt.

Die Anbringung zusätzlicher Hardware (z. B. Sensoren, Scheinwerfer usw.) an das Goliath-Rahmensystem erfolgt über verschiedene Anbauten an der Rumpfunterseite, der Haubenoberseite und den Landebeinen. Art und Anzahl der Anbauten richten sich nach dem Einsatzzweck des Flugroboters. Für jeden Sensortyp steht ein spezieller Sensorträger zur Verfügung. Je nach Ausstattung der Plattformen unterscheiden sich somit auch Anzahl, Ort und Art der Anbauten.

Basis-Sensorik

Alle drei Plattformen sind mit grundlegender Sensorik versehen, die eine einfache Navigation und Systemüberwachung ermöglicht. Ebenfalls auf allen Plattformen sind weitere Sensoren für eine verbesserte Navigation und Hinderniserkennung. Spezifische Sensorik ist – entsprechend der Aufgabenverteilung – jeweils nur auf einzelnen Plattformen angebracht.

Die Basissensorik erlaubt den Flugrobotern eine globale und inertiale Navigation sowie die Überwachung wichtiger Systemparameter. Für diesen Zweck verfügt jede Plattform über:

  • GPS-Empfänger, ermittelt die globale Position des Flugroboters,
  • Inertial Measurement Unit (IMU ), umfasst diverse Sensoren für die Bewegungs-/ Höhen- und Temperaturmessung,
  • Spannungsmessung, überwacht die Spannung der Akkus bzw. der Akkuzellen und die verbleibende Akku-Kapazität.

Die Basissensorik ist im Rumpfinneren untergebracht. Der GPS-Empfänger dient der Erfassung der globalen Roboterposition im Referenzkoordinatensystem. Zusätzlich zur Position stehen auch abgeleitete Geschwindigkeitsinformationen zur Verfügung. Weiterhin können die aktuelle Satellitenkonfiguration, die Signalstärke, DOP-Werte (Dilution of Precision; Verringerung der Genauigkeit durch die (unvorteilhafte) relative Position von Satelliten) und die GPS-Satellitenzeit ausgelesen werden. Die Inertial Measurement Unit (kurz: IMU ) erlaubt die Messung der relativen Bewegungen einer Flugplattform, d. h. deren relative Orientierung und translatorische Geschwindigkeit und Höhe. Diese Daten werden sowohl
für die Stabilisierung und Lageregelung, als auch für die Navigation verwendet. In der IMU sind verschiedene Sensoren (Gyroskop, Beschleunigungssensor, 3-Achsen-Magnetometer, barometrisches Altimeter, Temperatursensor) in einem Gehäuse verbaut, das auf der Platine der Flugreglers befestigt ist. Die Spannungsmessung erfolgt über das Graupner Electric Air-Modul, das mit den Akkus verbunden und direkt an den RC-Empfänger angeschlossen ist.

UltraschallsensorenZur Zusatzsensorik zählen Ultraschallsensoren und Navigationskamera. Die Ultraschallsensoren SRF08 messen die Distanz bis zum nächsten, sich in Sichtrichtung befindenden Objekt. Sie dienen damit der Kollisionsvermeidung und stellen sicher, dass sich der Flugroboter einem Hindernis nur höchstens auf die minimal erlaubte Entfernung nähert. Durch eine geeignete Anbringung und überlappende Schallkegel können bei horizontalem Flug auch kleine Hindernisse erkannt werden. Die Entfernungssensoren unter und über der Plattform sind entlang der Hauptflugrichtung gekippt und sichern die Bereich direkt über bzw. unter dem Roboter durch überlappende Bereiche.

Die Navigationskamera Chameleon CMLN-13S2M-CS stellt Informationen über die Umgebung bereit und erlaubt, zusammen mit der IMU, die Bestimmung der kinematischen Zustände des Flugroboters. Durch das Fischaugenobjektiv Lensagon BF2M12520 kann die gesamte untere Hemisphere abgebildet werden; die Linse beschränkt den Bildbereich jedoch auf einen kreisförmigen Ausschnitt. Die Navigationskamera beinhaltet einen global shutter, so dass kurze Belichtungszeiten ermöglicht werden und daher auch schnelle
Bewegungen nicht zu Verwischungseffekten der Bilddaten führen.

Für Flug der Plattform unbedingt notwendig ist der Flugregler. Er wird vom Institut für Flugmechanik und Flugregelung der Universität Stuttgart bezogen. Der Flugregler besteht aus einem FPGA-Modul, das auf einem Trägermodul und einem Schnittstellenmodul angebracht ist. Auf letzterem ist auch die Inertial Measurement Unit befestigt. Der Flugregler liest die Daten der IMU und des GPS-Empfängers aus und leitet deren Daten an den Bordrechner weiter. Als Eingangssignale können dem Flugregler gewünschte Orientierungen bzw. Geschwindigkeiten der Plattform vorgegeben werden. Der Flugregler berechnet daraus die Drehzahl der acht Motoren, so dass sich die Flugplattform entsprechend dem gewünschten Verhalten bewegt. Die Vorgaben zur Bewegung werden im Allgemeinen durch den Bordrechner vorgegeben. Sollte eine Eingriff in ein Flugmanöver notwendig sein, kann an der Fernsteuerung auf manuelle Bedienung umgeschaltet werden. In diesem Fall erfolgen Flugvorgaben direkt vom menschlichen Piloten per Fernbedienung.

Spezifische Sensorik

Als Spezifische Sensorik werden Laserscanner, hochauflösende RGB-Kamera, Dreikamerasystem und Stereokamera bezeichnet. Jeder der Sensoren wird nur auf einer der Flugplattformen angebracht.

Flugroboter Rot

Flugroboter Rot
Dieser Roboter ist mit dem Laserscanner Hokuyo UTM-30LX-EW ausgestattet. Er ermöglicht während des Fluges die Erstellung eines groben 3D-Modells des Zielobjektes. Dieses Modell kann einerseits für die Hindernisvermeidung genutzt werden und andererseits dem Nutzer an der Basisstation einen guten und schnellen Überblick über das Explorationsobjekt bieten.

Flugroboter Grün

Flugroboter Grün
Besonderes Merkmal dieses Roboters ist die hochauflösende RGB-Kamera Prosilica GT3300C. Sie dient der Foto-Dokumentation des Explorationsobjektes. Jeder Zentimeter der Oberfläche des Zieles wird auf den Bilddaten festgehalten und kann im Nachhinein vom Nutzer begutachtet werden. Weiterhin werden die Bilddaten genutzt, um eine hochgenaues 3D-Modell des Objektes zu erstellen.

Flugroboter Blau

Flugroboter Blau
Das Dreikamerasystem dieses Roboters besteht aus einer RGB-Kamera Mako G-419C, einer Nahinfrarotkamera (NIR) Mako G-223B und einer Wärmebildkamera FLIR A65. Mithilfe der NIR-Kamera können im Bildmaterial organische Elemente (z. B. Pflanzen) schnell und zuverlässig erkannt werden. Die Wärmebildkamera ermöglicht die Messung absoluter Temperaturen und eigent sich somit vor allem zur Detektion von Bauschäden durch Wasser, da dort deutliche Temperaturunterschiede erkennbar sind.
Die Stereokameras XCL-C30C können genutzt werden, um dem Nutzer bzw. Bediener einen besseren Eindruck vom Flug der Roboterplattform zu geben. Mit Hilfe einer Augmented Reality-Brille kann das Gefühl einer First-Person-Fluges vermittelt werden, bei dem der Nutzer das Explorationsobjekt so sieht wie die Plattform.

Bei der Auswahl der Basis- und Zusatz-Sensoren wurden insbesondere berücksichtigt, dass der Standard der Schnittstelle frei verfügbar, bzw. beschaffbar ist. Großer Wert wurde außerdem auf die Minimierung der Anzahl verschiedener Betriebsspannungen gelegt.

Boardrechner

Hauptkomponente des Bordrechners stellt ein Evaluationsboard der Firma enclustra basierend auf einem Zynq-7000 System-on-Chip (SoC) der Firma Xilinx dar. Der verwendete SoC-Chip ist eine Kombination aus Field Programmable Gate Array (FPGA) und einem ARM Prozessor mit zwei Cortex-A9-Kernen. In Kombination bieten diese beiden Komponenten sowohl ausreichend Rechenleistung (ARM 2 x 800 MHz) also auch die Möglichkeit, anwendungsspezifische Hardwarekomponenten im programmierbaren Logik-Teil (FPGA) zu implementieren und zur Laufzeit des Systems auszutauschen (FPGA).

Als Erweiterung zum angeschafften Evaluationsboard ist eine Platine entworfen worden. Auf dieser befinden sich neben weiteren Schnittstellen zur Sensoranbindung mehrere Spannungsregler, welche die Betriebsspannungen für andere Komponenten bereitstellen.