Präzise Positions- und Orientierungsbestimmung eines UAVs in Echtzeit

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1 Geodätische Woche Oktober 2013 Präzise Positions- und Orientierungsbestimmung eines UAVs in Echtzeit Christian Eling, Lasse Klingbeil, Markus Wieland und Heiner Kuhlmann

2 Inhaltsverzeichnis Einleitung Georeferenzierung im Kontext von UAV-Anwendungen Direkte Georeferenzierung Das direkte Georeferenzierungssystem Systemkomponenten UAV Plattform Der Work-Flow Die Softwareentwicklung RTK-GPS Orientierungsbestimmung Ergebnisse Ausblick 2 C. Eling et al Geodätische Woche

3 UAV Anwendungen Typische UAV Anwendungen: Präzisionslandwirtschaft (Phänotypisierung, Pflanzenmonitoring ) Infrastrukturinspektion (Strommasten, Leitungen, ) Aufnahme von archäologischen Ausgrabungsstätten Ingenieurgeodäsie (Kiesgruben, Müllkippen, ) Georeferenzierung für: Rektifizierung von Bildern / Punktwolken Mobile Mapping Navigation (autonomer oder Wegpunkte-Flug) Fig.: Getreidefeld [galerie.chip.de] 3 Fig.: Archäologische Ausgrabungsstätte [visitabudhabi.ae] C. Eling et al Geodätische Woche

4 UAV Anwendungen Typische UAV Anwendungen: Präzisionslandwirtschaft (Phänotypisierung, Pflanzenmonitoring ) Infrastrukturinspektion (Strommasten, Leitungen, ) Aufnahme von archäologischen Ausgrabungsstätten Ingenieurgeodäsie (Kiesgruben, Müllkippen, ) Georeferenzierung für: Rektifizierung von Bildern / Punktwolken Mobile Mapping Navigation (autonomer oder Wegpunkte-Flug) Fig.: Getreidefeld [galerie.chip.de] 4 DFG Project FOR 1505: Mapping on Demand Fig.: Archäologische Ausgrabungsstätte [visitabudhabi.ae] C. Eling et al Geodätische Woche

5 Georeferenzierung Direkte Georeferenzierung Fig.: Onboard Sensorsystem [Nagai et al. 2009] basiert auf einem onboard Multisensor-System für Echtzeit Anwendungen geeignet (z.b. Navigation) funktioniert voll automatisch bekannt aus Airborne-Anwendungen (Photogrammetrie/Laserscanning) Indirekte Georeferenzierung: basiert auf markierten Bodenpunkten Vorbereitung und Auswertung sehr zeitaufwändig nicht echtzeitfähig für die Navigation nicht geeignet! 5 Fig.: Ground control point [Eisenbeiss et al. 2005]

6 Georeferenzierung Direkte Georeferenzierung Fig.: Onboard Sensorsystem [Nagai et al. 2009] basiert auf einem onboard Multisensor-System für Echtzeit Anwendungen geeignet (z.b. Navigation) funktioniert voll automatisch bekannt aus Airborne-Anwendungen (Photogrammetrie/Laserscanning) Indirekte Georeferenzierung: basiert auf markierten Bodenpunkten Vorbereitung und Auswertung sehr zeitaufwändig nicht echtzeitfähig für die Navigation nicht geeignet! 6 Fig.: Ground control point [Eisenbeiss et al. 2005]

7 Inhaltsverzeichnis Einleitung Georeferenzierung im Kontext von UAV-Anwendungen Direkte Georeferenzierung Das direkte Georeferenzierungssystem Systemkomponenten UAV Plattform Der Work-Flow Die Softwareentwicklung RTK-GPS Orientierungsbestimmung Ergebnisse Ausblick 7 C. Eling et al Geodätische Woche

8 Entwicklung eines direkten Georeferenzierungssystems Anforderungen an das System anwendbar auf Leichtgewicht UAVs (weniger als 5 kg Gewicht) hohe Genauigkeit Positionsgenauigkeit: < 5 cm Orientierungsgenauigkeit: < 1 deg echtzeitfähig für Abtastraten von ca. 10 Hz hohe Robustheit/Zuverlässigkeit Ausfälle/Signalunterbrechungen einzelner Sensoren müssen überbrückbar sein PO-Box kompaktes, leichtes, echtzeitfähiges Multisensorsystem Kombination von GPS, IMU und Kameras Sensorfusion mit geeigneten Filtern Eigens entwickelte Algorithmen/Software RTK-GPS GPS/IMU Orientierungsbestimmung GPS Geschwindigkeiten 8 C. Eling et al Geodätische Woche

9 Systemkomponenten Tab.: Systemkomponenten des direkten Georeferenzierungssystems Komponente Hersteller Spezifikationen Gewicht Preis OEM 615 Novatel 120ch, dual-frequency, GNSS receiver module 24 g 8900 ADIS16488 Analog Triaxial gyroscopes, accelerometers, 45 g 1600 Devices magnetometers & pressure sensors, SPI 3G+C navxperience multi-frequency GNSS antenna 100 g 1000 LEA6T Ublox 50ch, single-frequency, GPS receiver module 2 g 70 ANN-MS Ublox single-frequency GPS antenna 42 g 30 sbrio-9606 National Instruments 400 MHz processor, FPGA, 256 MB DRAM 90 g 1200 XBee Pro 868 XBee Long-range RF module, 500mW transmit power 4 g 70 PCB - 6-layer board, in-house designed 40 g 100 Other components - e.g. DC/DC, HF MCX, USB-chip FTDI, GPS SAW EPCOS, g 70 Summe 387 g C. Eling et al Geodätische Woche

10 PO-Box 10 Abb.: die PO-Box Die PO-Box Größe: 10.2 x 11.0 x 4.5 cm Gewicht (ohne Antennen): 240 g Gewicht (mit Antennen): 387 g Stromverbrauch: Lithium Polymer Akku (ca. 800 ma bei 12 V)

11 Die UAV Plattform 11

12 Der Work-Flow 12 Abb.: Work-Flow der PO-Box

13 Inhaltsverzeichnis Einleitung Georeferenzierung im Kontext von UAV-Anwendungen Direkte Georeferenzierung Das direkte Georeferenzierungssystem Systemkomponenten UAV Plattform Der Work-Flow Die Softwareentwicklung RTK-GPS Orientierungsbestimmung Ergebnisse Ausblick 13 C. Eling et al Geodätische Woche

14 Der Work-Flow 14 Abb.: Work-Flow der PO-Box Zur Zeit: Getrennte Software für die Orientierungs- und die Positionsbestimmung Ziel: Übergeordneter Filter

15 RTK-GPS Entwicklung eigener RTK-GPS Algorithmen differentielles GPS (zwei Empfänger) Trägerphasenbeobachtungen schnelle Mehrdeutigkeitslösung Ziel: Tightly-coupled IMU/GPS cm-genauigkeit single-difference fractional part GPS satellite 15 single-difference integer part rover/po-box master station C. Eling et al Geodätische Woche

16 Orientierungsbestimmung Zur Zeit verfügbare Sensoren: Gyroskope: 3D-Drehraten kurzzeitstabil, Drift Akzelerometer: direkte Bestimmung von Roll und Pitch, Voraussetzung: System ist unbeschleunigt 16 Magnetsensor: direkte Bestimmung von Yaw gestört durch magnetisches Material auf dem UAV GPS-Basislinie Yaw und Pitch langzeitstabil hohe Genauigkeit (< 0.3 deg) Voraussetzung: Mehrdeutigkeitslösung (Einfrequenzempfänger) C. Eling et al Geodätische Woche

17 Orientierungsbestimmung Attitude filter Bestimmung einer Näherungslösung unter Verwendung der Gyros, den Akzelerometern und dem Magnet Finale Orientierungsbestimmung unter Verwendung von GPS, Gyros und Akzelerometern 17 Schritt 1 Ambiguity resolution filter Schritt 3 Verwendung der Näherungslösung zur Beschleunigung der Mehrdeutigkeitslösung der GPS Basislinie Nutzung des onboard GPS Basisvektors für die Orientierungsbestimmung, bei fixierten Mehrdeutigkeiten Schritt 2

18 Orientierungsbestimmung Attitude filter Bestimmung einer Näherungslösung unter Verwendung der Gyros, den Akzelerometern und dem Magnet Finale Orientierungsbestimmung unter Verwendung von GPS, Gyros und Akzelerometern 18 Schritt 1 Ambiguity resolution filter Schritt 3 Verwendung der Näherungslösung zur Beschleunigung der Mehrdeutigkeitslösung der GPS Basislinie Nutzung des onboard GPS Basisvektors für die Orientierungsbestimmung, bei fixierten Mehrdeutigkeiten Schritt 2 Zur Zeit: Näherungslösung wurde getestet und auf der PO-Box implementiert => siehe Vortrag Florian Zimmermann et al.

19 Inhaltsverzeichnis Einleitung Georeferenzierung im Kontext von UAV-Anwendungen Direkte Georeferenzierung Das direkte Georeferenzierungssystem Systemkomponenten UAV Plattform Der Work-Flow Die Softwareentwicklung RTK-GPS Orientierungsbestimmung Ergebnisse Ausblick 19 C. Eling et al Geodätische Woche

20 Ergebnisse verschiedene Testflüge zusätzliches Equipment: GPS Referenzstation Laptop für WiFi Verbindung zur PO-Box Fernsteuerung berechnete Positionen und Orientierungen werden auf einem USB- Stick während des Flugs gespeichert 20

21 Ergebnisse 21 erste Mehrdeutigkeitslösung in der ersten Epoche Float Lösungen in 81 Epochen und fixierte Lösungen in 3246 Epochen (97.5 %)

22 Ergebnisse Relative Höhen zwischen dem Master und dem Rover während eines Testflugs: 22 Vergrößerung

23 Ausblick Das neu entwickelte direkte Georeferenzierungssystem ist bereits auf einem UAV anwendbar und liefert gute Ergebnisse. Aktuelle und geplante Arbeiten: Integration der Einfrequenz GPS-Basislinie in die Orientierungsbestimmung Einbindung der IMU in die RTK-GPS Algorithmen zur Verbesserung der Mehrdeutigkeitslösung und der Cycle-Slip Detektion Integration der Ergebnisse der visuellen Odometrie aus den Stereokamera- Systemen in die Positions- und Orientierungsbestimmung Validierung der Ergebnisse 23

24 Vielen Dank für die 24 Aufmerksamkeit! M.Sc. Christian Eling Institut für Geodäsie und Geoinformation Universität Bonn

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