Autonome Lokalisierung und Navigation eines unbemannten Luftfahrzeugs (UAV) mithilfe eines Smartphones als zentrale Recheneinheit

Abstract

Als UAV (Unmanned Aerial Vehicle) werden Fluggeräte bezeichnet, die ohne Pilot an Board gelenkt werden. Sie werden als technische Hilfsmittel eingesetzt, um für den Menschen schwer erreichbares Gelände zu erkunden, beispielsweise zur Suche von Überlebenden bei Katastropheneinsätzen wie Erdbeben oder Überschwemmungen. Meist werden UAVs von einer Person per Fernsteuerung oder einem Computer über eine Basisstation gesteuert. Voraussetzungen dafür sind eine permanente Verbindung zum UAV, Sichtkontakt und zusätzliche Infrastruktur sowie Hardware für die Basisstation. In vielen Fällen ist es jedoch nicht möglich, diese Kriterien zu erfüllen. Hier ist es notwendig, dass sich das UAV in einer unbekannten Umgebung autonom lokalisieren und navigieren kann, ohne dafür Befehle von einer Basisstation oder einem Piloten zu empfangen.<br />Zur Lokalisierung kann speziell in Innenraum-Anwendungen nur selten ein GPS-Signal herangezogen werden. Eine alternative Möglichkeit zur Lokalisierung ist die Verwendung von Landkarten. Eine solche Karte ist allerdings in den seltensten Fällen im Vorhinein (a-priori) vorhanden, weshalb es sich anbietet, diese automatisch während des Flugs zu erstellen. Hierfür ist zusätzlich eine leistungsstarke Hardware notwendig, die entsprechend leicht sein muss, um vom UAV getragen werden zu können. Die leistungsstarke Rechenkapazität aktueller Smartphones ermöglicht komplexe Applikationen auf mobilen Endgeräten bei geringem Zusatzgewicht.<br />Die Autoren zeigen im Rahmen dieser Arbeit, dass ein UAV für Innenraum Anwendungen aus preisgünstigen Komponenten gebaut werden kann und ein handelsübliches Smartphone an Board des UAVs als Einheit zur autonomen Steuerung verwendet. Zu diesem Zweck wurden die Anforderungen an ein UAV, insbesondere hinsichtlich des zusätzlichen Gewichts eines Smartphones, analysiert und ein entsprechender Prototyp konstruiert.<br />Dieser Prototyp ist in der Lage, sich mithilfe speziell dafür entwickelter Algorithmen in einer für das UAV unbekannten Testumgebung aus 2D-Markern zu lokalisieren. Durch eine Tracking-Software werden diese Marker eindeutig identifiziert und ermöglichen das Erstellen einer Karte zur Laufzeit. Anhand dieser Karte kann sich das UAV lokalisieren und während des Flugs Steuerbefehle für die autonome Navigation generieren. Die durchgeführten Tests zeigen, dass ein handelsübliches Smartphone eine sehr gute Möglichkeit bietet, die notwendigen Komponenten wie Prozessor, Kamera und Kommunikationseinheit in einem leichten und kostengünstigen Gerät zu vereinen. Der entwickelte Prototyp ist in der Lage, autonom eine für ihn unbekannte Umgebung zu erkunden sowie ohne externen Piloten oder Basisstation zu navigieren.<br />

An UAV (Unmanned Aerial Vehicle) is an aircraft flying without an on-board human pilot. For example they can be utilized to explore for human unreachable areas in case of environmental catastrophes like earthquakes and flooding. In most cases, its flight is controlled either by a human or computer pilot via a remote ground-station. Therefore a reliable connection, visual contact and additional hardware for the remote station is required. If these requirements cannot be met, approaches for autonomous localization and navigation are necessary.<br />Therefore, a GPS Signal can be used as ground-truth for positioning.<br />However, for indoor purpose and GPS denied areas, other approaches need to be considered. An alternative approach can be localization based on maps that have been generated on run-time during flight. This requires additional powerful hardware, which has to be carried by the UAV. A powerful device like a conventional Smartphone allows for handling complex applications on a light weighted mobile device. In the following work, the authors demonstrate a flexible, low-weight, low-cost quadrotor platform for autonomous exploration of GPS denied environments.<br />Therefore, a Smartphone is used as central on-board hardware device.<br />Camera, sensors, communication technologies and processing unit are integrated in one common device which allows reduction of weight and costs and migration to newer hardware with low effort. The developed UAV prototype is able to carry a Smartphone and perform steer commands from the on-board device. The implemented Smartphone application enables the UAV to locate itself in an unknown 2D-marker area. A tracking software is used to identify the markers, which are then combined to an internal map during run-time. Based on this map, the UAV is able to localize itself and generate steer commands for autonomous navigation.