Unbemannte Flugsysteme zur Geodatenerfassung

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Unbemannte Flugsysteme zur
Geodatenerfassung
Christian Briese
Vienna University of Technology
Department of Geodesy and Geoinformation
http://www.geo.tuwien.ac.at/
http://archpro.lbg.ac.at/
Motivation

www.nanokopter.at
„Der Traum vom Fliegen“ - Auf in den Himmel, aber wie?
Im 15. Jahrhundert machte sich Leonardo da Vinci (1452-1519) daran, das erste Flugzeug zu
erfinden. Da Vinci kam auf die Idee, dass man sich in die Luft schrauben könnte,
vorausgesetzt, man kann diese Schraube schnell genug drehen. Er erfand damit den ersten
Hubschrauber zumindest theoretisch, denn erst im 20. Jahrhundert wurden die ersten richtigen
Hubschrauber gebaut (http://www.luftfahrtarchiv.eu)

Motivation – Unmanned Aircrafts (UA)
• Selbst etwas flugfähiges inkl. Sensoren in die Luft zu bringen und zu steuern
(verbunden mit niedrigen Kosten) – den gesamten Aufnahmeprozess in die
Hand zu nehmen
• Abdeckung der Datenerfassungslücke zwischen terrestrischer und bemannter
Luftfahrt
• Hohe Sensorauflösung durch niedrige Flughöhe
• Miniaturisierung von Sensoren und auch Fluggeräten
• Einfache und schnelle Einsatzmöglichkeit
• Erfassung von Gebieten mit Gefährdungspotential für die bemannte Luftfahrt
Frage: Welches UAV/UAS?
Innsbrucker Hofburg-Gespräch, “Drohneneinsatz im zivilen Bereich“, 5. April 2013
2
Begriffe

Unmanned Aerial Vehicles (UAV)
MSN Encarta: "uncrewed reconnaissance vehicle: an uncrewed aerial vehicle that
can fly over combat zones and staging areas, dropping supplies to troops, releasing
bombs, carrying out reconnaissance on enemy forces."

Unmanned Aircraft System (UAS)
is the term introduced by the Federal Aviation Administration (FAA) and adopted by
the United States Department of Defense (DoD) and the Civil Aviation Authority
(United Kingdom) (CAA) to replace all previous terms used to describe aircraft
without the flight crew onboard. Some of these terms include: Unmanned Aerial
Vehicle (UAV), drones, Remotely Piloted Vehicle (RPV), models, radio control (R/Cs),
etc.
A typical UAS consists of the Unmanned Aircraft (UA), the Control System, the
Control Link, and other related support equipment.
Industry and the regulators have now adopted UAS rather than UAV as the preferred
term for Unmanned Aircraft or Aerial Systems as UAS encompasses all aspects of
deploying these aircraft and not just the platform itself.
3
UA Klassifizierung
Luftschiffe / Ballone
Helikopter
Micro-Flugzeuge
Flächenflugzeuge
Motorisierte Fallschirme
HALE systems
4
UAS Organisationen
UVS International, http://www.uvs-international.org/
Global access initiative

UAVS, http://www.uavs.org/
Representing all UK AUS interests

UAV DACH, http://www.uavdach.org
Eine Initiative zur Integration von Unbemannten
Luftfahrzeugen in den zivilen Luftraum

AscTec, AirRobot, ADSE, Autoflug, CASSIDIAN, CENALO, DFS, Diehl BGT, DLR, EMT, ESG,
FKIE, FU-Berlin, H.S. München, IABG, ILR, Mavinci, Microdrones, Microflown, NLR, OHB, RDE,
RUAG, RWTH Aachen, Stemme, Swiss UAV, TU-Berlin, UNI-Rostock, …
5
UA Steuerung

Gefesselte UA

Ferngelenkte UA
• Mit / ohne Telemetrie

Automatisiert fliegende UA
• Sensoren unterstützen bei der Befliegung

Autonom fliegende UA
• Sensoren dienen zum autonomen fliegen
• Telemetrie- und Sensordatendownlink
6
UA in der Photogrammetrie - Historisch

Heckes, J., 1984: Überblick über Flugsysteme für photogrammetrische Luftaufnahmen im
Nahbereich, Volume XXV Part A5, 1984, XVth ISPRS Congress, Technical Commission V:
OTHER APPLICATIONS OF PHOTOGRAMMETRY AND REMOTE SENSING, 17-29 June
1984, Rio de Janeiro, Brasil , 392-401:
7
UA Sensoren







Foto- und Videokameras
GNSS
INS (Beschleunigungs- und Neigungssensoren)
Infrarotkameras
Laserscanner
Multi- bzw. Hyperspektralkameras
…
8
Georeferenzierung der Sensordaten

Direkte Georeferenzierung
Direkte Beobachtung der Sensororientierung in
einem übergeordneten Koordinatenrahmen (meistens
globaler Bezugsrahmen)
Kraus, 2004. Photogrammetrie, Dümmler.

Indirekte Georeferenzierung
Bestimmung der Orientierung der Sensordaten
mittels Pass- und Verknüpfungspunkten (im übergeordneten Referenzsystem) anhand der Sensordaten
Kraus, 2004. Photogrammetrie, Dümmler.
9
UA am GEO::TU - Historisch
Ballone:



Jobst, W., Kandler, M., Haitzmann, H., Kager, H., Vozikis, E., Waldhäusl, P.,
Archäologie und Photogrammetrie. Ballonaufnahmen, Pläne und Orthophotos von Carnuntum und des
Kultbezirkes auf dem Pfaffenberg. Entzerrte Amateuraufnahmen von Mosaiken aus Ephesos. ArchitekturPhotogrammetrie. Bundesdenkmalamt Wien (Herausgeber), 1983 S.270-273.
Lubowski, G., Waldhäusl, P., Ballonphotogrammetrie. Österreichische Zeitschrift für
Vermessungswesen und Photogrammetrie, 68. Jahrgang, Heft 1, 1980 S.30-39.
Lubowski, G., Waldhäusl, P., Ballonphotogrammetrie. Presented Paper, 14. Kongreß der
Internationalen Gesellschaft für Photogrammetrie, Kommission V, Hamburg 1980. International Archives
of Photogrammetry XXIII, B5. 1980 S.781-789.
Helikopter:

Zischinsky, Th., Dorffner, L., Rottensteiner, F.: Application of a New Model Helicopter System in
Architectural Photogrammetry. International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, Vol
XXXIII, Part B5, Amsterdam 2000, pp. 959 - 965:
10
UA am GEO::TU - bis heute I
2008: 1. GEO::TU Quadrokopter basierend auf der Mikrokopter
Plattform (http://www.mikrokopter.de/)

•
•
•

Erste Flugtests
Sensordatenanalyse
Winkelmesstisch
2009: Diplomarbeit Philipp Glira: „Direkte Georeferenzierung von Bildern eines
unbemannten Luftfahrzeuges mit Lowcost-Sensoren“
•
•
•
Quadrokopter (MikroKopter)
Inkl. Navi-Control
Inkl. MK-GPS
11
UA am GEO::TU - bis heute II

2010: Passpunktfeld
• 24 Passpunkte am Modellflugplatz

2010: UA Test zur Schilfdokumentation
12
UA am GEO::TU - bis heute III

2011: DI Neuner (twins.nrn), Steinbruch: Hexakopter

2011: DA Bogensberger (laufend): Falcon 8 (http://www.asctec.de)
13
UA am GEO::TU - bis heute IV

2012: DA Wieser (laufend): Hexakopter twins.nrn und Quest UAV GridIT
http://www.twins.co.at/
http://www.grid-it.at/
2012: Steinbruch Halbturn:
Neuner and Grid-IT
14
UA am GEO::TU - bis heute V

Fortsetzung: DA Wieser (laufend): ArduPilot Mega 2.0/2.5+

2013: DA Scherr (laufend): Hexakopter twins.nrn
Direkte Georeferenzierung im cm-Bereich
http://ppmgmbh.com
http://www.twins.co.at/
15
MikroKopter - Systemeigenschaften

MikroKopter (www.mikrokopter.de)
Zusammenbau ≈ 2 Tage
leicht lenkbar
Automatisierter und autonomer
Flugmodus
relativ günstig ( ca. 900 - 5000 €)
diverse Sensoren an Bord
→ IMU, GNSS, Luftdrucksensor, Magnetometer

OpenSource-Projekt






Modifikation des Quelltextes zur:
• Aufzeichnung der originären Sensordaten der IMU und
• Auslösung der Kamera in konstantem Intervall mit
• Registrierung Auslösezeitpunkte möglich
16
MikroKopter – Aufbau I
17
MikroKopter – Aufbau II
18
MikroKopter - Erstflug
19
MikroKopter - Verbesserungen
 Kamerahalterung: Vibrationsdämpfung, fixe vertikale
Ausrichtung
 Landegestell (Hula-bub)
 Kamera
• Automatisches Kameraauslösen mit konstantem Zeitintervall
• Kein Zoom und Focus, fixe kurze Belichtungszeit
20
Kamera
•
Canon IXUS 80
8 Mpixel, ~6-18mm Brennweite
Calibriert via Testfeld, fixierter Zoom und Focus, wird als konstant
innerhalb einer Flugmission angesehen (Hypothese)
Radiale und tangentiale Verzeichnungsparameter bestimmt
Kurze Belichtungszeit für scharfe Abbildungen (Vibrationen)

Canon Hack Development Kit

•
•
•
• Firmware „update“ der Kamera
• Manuelle Einstellmöglichkeiten des Focus,
Belichtungszeit, …
•
•
Auslösesignal
Konstante Auslösewiederholung via
MK FC
Kameraverzeichnung
21
Testbild
22
Testbild - Detail
23
MikroKopter – Funktionen I

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
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



Individuelle Gestaltung des Kopters möglich
Bis zu 12 Motoren ansteuerbar
Leicht erweiterbar: Vorhandene Bauteile können weiter genutzt werden.
Komfortables und einfaches Einstellen der Software über das KopterTool
Steuern des Kopters in alle Richtungen und Ausführen von Funktionen über einen
einfachen Sender möglich
Anschluss von bis zu 5 Servos für externe Steuerfunktionen (z.B.
Kamerahalterung)
Automatischer Ausgleich einer optional angeschlossenen Kamerahalterung
Datenübertragungsmodule anschließbar (z.B. Wi.232/Bluetooth)
Anzeige der aktuellen Position des Kopters über das KopterTool-OSD in einer
Karte
Anzeige und Loggen der Telemetriedaten im KopterTool-OSD
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MikroKopter – Funktionen II

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
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





Automatische Lagestabilisierung
Automatische Höhenregelung
Automatisches Halten der Position (PositionHold)
Automatisches Zurückfliegen zum Startpunkt (ComingHome)
Automatisches FailSafe bei Empfangsausfall mit automatischer Landung
Unabhängige Richtungskontrolle (CareFree)
Automatischer Wegpunkteflug (WP)
Automatisches Abfliegen von
Point Of Interest (POI)
Automatisches Abfliegen von Rasterflächen
Automatisches Folgen eines FollowMe Senders
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ArduPilot Mega 2.0/2.5 - Systemeigenschaften
http://diydrones.com/
26
ArduPilot Mega 2.0/2.5 – Funktionen I
Flight modes

MANUAL
Regular RC control, no stabilization.

STABILIZE
RC control with stabilization; let go of the sticks and it will level.

FLY BY WIRE_A
The autopilot will hold the roll and pitch specified by the control sticks. Throttle is manual. The plane will
not roll past the limits set in the configuration of the autopilot. Great for new pilots learning to fly.

FLY BY WIRE_B
Requires airspeed sensor. The autopilot will hold the roll specified by the control sticks. Pitch input from
the radio is converted to altitude error, which the autopilot will try and adjust to. Throttle is controlled by
autopilot. This is the perfect mode to test your autopilot as your radio inout is substituted for the navigation
controls. If no airpseed sensor is present, this will default to FBW-A.

AUTO
Aircraft will follow GPS waypoints set by configuration utility. You can also "nudge" the aircraft manually in
this mode.)
27
ArduPilot Mega 2.0/2.5 – Funktionen II

RTL
Aircraft will return to launch point and circle there until manual control is regained. You can also "nudge"
the aircraft manually in this mode.

LOITER
Aircraft will circle in current position. You can also "nudge" the aircraft manually in this mode.
Advanced modes

TAKEOFF
Auto Takeoff is set by the mission control scripting only. Throttle is manual (it respects the limits of the
autopilot settings so if you have 65% throttle as the max, it will not go above 65%.) Once the plane is
moving faster than a few m/s it will lock onto a heading and hold that heading until the desired altitude is
reached.

LAND
Auto Land is set by the mission control scripting only. Throttle is controlled by the autopilot. After getting
closer than 30 meters, the course will lock to the current heading. Flare, throttle, flaps, gear, and other
events can be scripted based on distance to landing point.
28
ArduPilot Mega 2.0/2.5 – Datalogging

On-board SD-Card, Downlink, Andropilot (Smartphone/Tablet)
29
Aktuelle Forschungsziele

Direkte Georeferenzierung, MikroKopter vs. ArduPilot vs. …

Vergleich direkter vs. indirekter Georeferenzierung

Automatische Bildorientierung

Automatische Oberflächenerstellung

Multi-temporale Anwendung

Praktische Datenerfassungsbeispiele
• Gletscher
• Infrastrukturobjekte
• Archäologische Dokumentation
• Vegetationserfassung
• …
30
𝑛𝑛
𝑆𝑆𝑛𝑛 = � 𝑎𝑎𝑖𝑖
𝑖𝑖=0
Zusammenfassung

Neben hochwertigen UAV Systemen stehen auch interessante und günstige
Flugplattformen zur Verfügung

Auswahl der Flugplattform schwierig, sehr individuell
Leicht vs. große Sensortragkraft

Bereits gut funktionierende Flugassistenzsysteme/Flugautopiloten (VIELE!)
Manuell → automatisiert → autonom

Rechtliches Regelwerk ist zu beachten (Änderung des Luftfahrtgesetzes in Ö),
Regelungen innerhalb Europas sehr unterschiedlich

Sicherheitsvorkehrungen, Standardisierungen, …

Potential die Lücke zwischen terrestrischer und manngetragener Datenerfassung
zu schließen
31

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