Plattform für eine autonome Flugdrohne : Entwicklung und Realisierung einer Drohne mit elementarer Lageregelung

Abstract

Flugdrohnen sind unbemannte, flugfähige Geräte. Einhergehend mit dem technischen Fortschritt hinsichtlich der Leistungsfähigkeit von Computersystemen bekommen autonome Flugdrohnen für die Forschung immer mehr Bedeutung.<br />Besonders im Bereich der Multikopter existieren viele universitäre Projekte, welche auf verschiedenen Konzepten mit unterschiedlichen Zielen basieren. Bei vielen Ansätzen sind entweder die autonomen Fähigkeiten eingeschränkt, oder Rechenaufgaben werden auf externe Computer ausgelagert.<br />Bei der Flugdrohne dieser Diplomarbeit handelt es sich um einen sogenannten Hexakopter, welcher seine Fluglage alleine durch das gezielte Ansteuern seiner sechs Motoren kontrolliert.<br />Diese Arbeit zeichnet sich besonders dadurch aus, dass die gesamte für ein autonomes Handeln notwendige Rechenleistung in der Drohne integriert ist und der unkomplizierte Einsatz von freier Software im Hauptcomputer möglich ist. Dadurch ist die Möglichkeit von umfassenden Funktionserweiterungen gewährleistet.<br />Die vollständige Unabhängigkeit von externen Geräten sowie die einfache Erweiterbarkeit stellen die wesentlichen Ziele dieser Arbeit dar. Um dies zu erreichen, wird ein leistungsfähiges, aber Energie sparendes, auf Linux basierendes Embedded Computersystem eingesetzt. Dieser Computer kommuniziert über WLAN mit einer Bodenstation, wodurch die Verbindung der Drohne mit dem Anwender gegeben ist. Das Embedded Computersystem wird durch einen Mikrocontroller unterstützt, da die notwendige Echtzeiterweiterung für Linux die zeitlichen Ansprüche der Fluglageregelung nicht erfüllen kann. Der Mikrocontroller übernimmt alle Aufgaben, welche strengen zeitlichen Anforderungen unterliegen.<br />Die Flugdrohne soll nach dieser Diplomarbeit weiterverwendet und erweitert werden. Denkbar wären Kamerasysteme zur Objekterkennung und Verfolgung oder ein UMTS Modul um über das Mobilnetz Kontakt mit einer Bodenstation zu halten. Es gibt noch unzählige Möglichkeiten den Funktionsumfang der Drohne zu erweitern. Hier sind technisch kaum Grenzen gesetzt.<br />

Drones are unmanned aerial vehicles. Along with the technological advances regarding computation power of computer systems, autonomous drones gain more importance in research and science. Especially in the field of multicopters there are many projects of universities which aim for different goals, based on different concepts. Many approaches have just limited autonomous skills or they use off-board computation for complex algorithms.<br />The drone in this project is a hexacopter which controls its attitude by actuating six motors.<br />The special feature of this thesis is, that the whole computational power for the autonomous handling is located on-board. Another feature is the easy use of free software in the main computer. Hence, the ability of comprehensive extensions is ensured.<br />The complete independence of external devices and the easy extendability are the main goals of this thesis.<br />By using an energy-saving, linux based, embedded computer system these goals are fulfilled. A wifi communication system connects the embedded computer with a ground station. This station enables the user interaction with the drone. The embedded computer system is supported by a microcontroller, because the real-time extension for linux is not capable to fulfill the timing constraints of the flight attitude control. The microcontroller is responsible for all tasks with strict timing constraints.<br />The development of the drone should be continued. In the future it could use a camera system to detect and track objects. The drone could use a UMTS module for establishing an alternative communication link to the ground station. There are many possibilities to expand the functionality and nearly no technical limits.