Distance measurement using laser range finder for telescope-based UAV swarm tracking

Abstract

Die Kommerzialisierung von Drohnen hat in den letzten Jahren den privaten Markt überschwemmt und die Nutzung von UAVs (Unmanned Aerial Vehicles) durch die Allgemeinheit hat sich in kurzer Zeit vervielfacht. Dies bringt rechtliche sowie sicherheitskritische Herausforderungen mit sich, speziell für Hochrisikogebiete wie Flughäfen oder Kernkraftwerke. Um Gefahrensituationen vorzubeugen, werden Systeme benötigt, die UAVs präzise detektieren und lokalisieren können, um rechtzeitig Gegenmaßnahmen ergreifen zu können. In dieser Arbeit wird ein Entfernungsmessverfahren auf der Grundlage eines LRF (Laser Range Finder) vorgeschlagen, um optische UAV-Erkennungs- und Verfolgungssysteme zu erweitern. Die meisten optischen Erkennungssysteme sind in der Lage, UAVs mit Hilfe fortschrittlicher Computer-Vision-Algorithmen zu erkennen und zu klassifizieren, jedoch fehlt ihnen die Fähigkeit zur genauen Ziellokalisierung, da die Entfernungsinformationen fehlen. Ziel dieser Arbeit ist es daher, ein System zu entwickeln, das in der Lage ist, die Entfernung zu mehreren Drohnen in Echtzeit präzise zu messen, um eine genaue Lokalisierung zu ermöglichen. Die Messung basiert auf dem ToF-Prinzip (Time of Flight), wobei der Einfluss verschiedener Laserparameter mit Hilfe eines Ausbreitungsmodells berechnet wird. Basierend auf der Position eines Ziels innerhalb eines Kamerabildes wird der Laserstrahl durch einen FSM (Fast Steering Mirror) auf das Ziel ausgerichtet. Zu diesem Zweck wird der Laserstrahl durch ein Teleskop geführt, um sich mit dem optischen Pfad zwischen Kamera und Ziel zu überlappen. Dadurch reduziert theoretisch die Anzahl der erforderlichen Entfernungsmessungen auf eine einzige Messung, da der Laser perfekt ausgerichtet ist und keine anfängliche Suche nach einem Ziel erforderlich ist. Das implementierte System zeigt, dass abhängig von der Zielgröße die Entfernung zu einem Objekt mit einer einzigen Messung des LRF mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit erfasst werden kann. Die daraus resultierende Bandbreitenersparnis ermöglicht eine Echtzeit Entfernungsmessung, die mit den verwendeten Komponenten mit 15 ms Verzögerung pro Objekt möglich ist.

The development and commercialization of drones has flooded the private market in recent years and the use of UAVs (Unmanned Aerial Vehicles) by the general public has multiplied within a short time. This results not only in legal, but also safety-critical issues, which effect high-risk areas like airports or nuclear power plants. To prevent hazardous situations, systems are needed that can precisely detect and localize UAVs in order to take timely countermeasures in case of potential danger. In this thesis, a distance measurement method is proposed based on a LRF (Laser Range Finder) to enhance optical UAV detection and tracking systems. Most optical detection systems nowadays are able to detect and classify UAVs using advanced computer vision algorithms, however, they lack the capability of accurate target localization due to the absence of distance information. Therefore, the goal of this thesis is to develop a system which is capable of precisely measuring the distance to multiple drones in real time to facilitate accurate localization. The measurement is based on the ToF (Time of Flight) principle and the influence of different laser parameters and the required laser power is calculated utilizing a propagation model. Based on the positional information of a target within a camera frame the laser beam is aligned with the target by a FSM (Fast Steering Mirror). For this purpose, the laser beam is guided through a telescope, in order to overlap with the optical path between camera and target. This strategy theoretically reduces the number of needed distance measurements to a single measurement as the laser is perfectly aligned and no initial search for a target isneeded. The implemented system shows that depending on the target size, the distance to an object is acquirable by performing a single measurement with the LRF with a certain probability. The resulting savings in terms of bandwidth allows for real time multi-drone distance measurement, which is possible with a maximum of 15 ms of delay per object with the components used.