Rotating quadcopter flight for collision avoidance with static front facing LiDAR sensor

Abstract

Autonomes Fliegen erfordert immer auch Kollisionsvermeidung, um Schäden am Quadcopter und seiner Umgebung zu vermeiden. In dieser Arbeit wird ein Flugregler auf Basis des BMF055 entwickelt, der den grundlegenden Flugbetrieb des Quadcopters übernimmt. Für zukünftige Arbeiten und besseres Debugging unterstützt der Flugregler auch software in the loop und kann mit einer Simulation (wie gazebo) verbunden werden. Die Kollisionsvermeidung basierend auf dem Rotationsflug und einem nach vorne gerichteten Lidarsensor welcher auf einem separaten Controller entwickelt wurde, um die Einschränkungen des BMF055 zu umgehen. Dieser dezentrale Ansatz ermöglicht es zukünftigen Arbeiten, den BMF055 als Ganzes zu ersetzen. Weiters wird ein Test-Quadcopter entwickelt, um die vorgeschlagene Kollisionsvermeidung in der realen Welt zu bewerten. Die Tests in der Simulationsumgebung und am Prototyp des Quadcopters zeigten, dass aufgrund der Begrenzung der Rotationsgeschwindigkeit des Quadcopters und der Abtastrate von nur einem Sensor eine sichere Kollisionsvermeidung nicht möglich ist. Mit einem Sensor in jede Richtung und einer Rotationsgeschwindigkeit von 180 Grad/s konnte der Quadrocopter die meisten Kollisionen vermeiden, aber nicht zuverlässig genug für ein Kollisionsvermeidungssystem.

Autonomous flight always requires also collision avoidance to avoid damage of the quadcopter and the environment it operates. In this work a flight controller based on the BMF055 is developed handling the basic flight operation of the quadcopter. For future work and better debugging the flight controller also supports software in the loop and can be connected to a simulation (like gazebo).The collision avoidance based on the rotational flight and a front facing lidar sensor is developed on a separate controller to bypass the limitations of the BMF055. This Decentralized Approach enables future works to replace the BMF055 as whole. A test quadcopter is also developed to evaluate the proposed collision avoidance in the real world.The tests in the simulation environment and on the prototype quadcopter showed that one front facing sensor is not enough for a save collision avoidance due to the limitation in rotational speed of the quadcopter and the sampling rate of one front facing sensor. With a sensor in each direction and a rotation speed of 180 degree/s the quadcopter was able to avoid most collisions but not reliable enough for a collision avoidance system.