Autonome Fixed-Wing-Drohne für Wettermessungen

MovingSensors Messsystem
2016 – 2017

Für das Monitoring und die Vermessung von kalbenden Gletschern im Rahmen des ETH-Projekts Sun2Ice in Nordwest-Grönland kamen mehrere Fixed-Wing-Drohnen zum Einsatz. Für die Abschätzung der Machbarkeit der zum Teil sehr langen Flugmissionen von über 200 km waren Informationen zu Windstärke, Windrichtung, Temperatur und Feuchtigkeit zentral.

Da im Projektgebiet diese Informationen nicht zur Verfügung standen, bauten wir eine kleine autonome Fixed-Wing-Drohne mit Messelektronik für Temperatur, Feuchtigkeit und Lichtmenge. Diese Drohne flog autonom bis über die Flughöhe der eigentlichen photogrammetrischen Drohnen und erfasste die notwendigen meteorologischen Parameter.

Beschreibung

In extremen Witterungsbedingungen besteht die Gefahr, dass Mess-Drohnen vereisen und abstürzen. Um die Wetterbedingungen, d.h. die Windgeschwindigkeiten und -richtungen sowie die Temperatur- und Feuchtigkeitswerte, auf der Flughöhe der photogrammetrischen Mess-Drohnen (rund 600 Meter über Grund) zu erfassen, wurde die Wetter-Drohne bis in eine Höhe von 1000 Meter über Grund entsandt. Als Ausgangsort für die Messungen diente die Ortschaft Qeqertat.

Die automatisch geflogene Mission der Wetter-Drohne wurde so ausgelegt, dass sie sich in Kreisen bis in 1000 Meter Höhe hoch- und dann wieder herunterschraubt.

Während dieses Flugs wurden durch die Messelektronik – zusammengebaut aus Elementen von Tinkerforge und der eigens in Python geschriebenen Software – alle 50 Meter die Temperatur, Feuchtigkeit und Lichtintensität gemessen. Durch die geflogenen Kreise und über die gemessenen Luft- und GPS-Geschwindigkeiten konnte die Windgeschwindigkeit und -richtung hergeleitet werden.

Nach der Rückkehr der Wetter-Drohne konnten die registrierten Messwerte ausgelesen und ausgewertet werden. Die so gemessenen Parameter standen als Höhenprofil zu Verfügung und wurden für die weitere Planung der photogrammetrischen Flüge verwendet.

Weiterführende Informationen

Indoor-Navigation und Registrierung von Fotoaufnahmen

MovingSensors Messsystem
2015 – 2017

Was macht man zur Ortsbestimmung in Tunneln oder Innenräumen? Leider funktioniert GPS weder in Innenräumen noch im Untergrund. Um eine passende Alternative für eine schnelle Positionierung von Messgeräten in Innenräumen und Tunneln zu finden, haben wir ein System evaluiert und getestet, das mit fest installierten und eingemessenen Basisstationen arbeitet.

Dafür wurden ein oder mehrere Messgeräte verwendet, welche sich mit den Informationen der fest installierten Basisstationen orientieren können. Die berechneten Koordinaten der Messgeräte wurden gespeichert, mit weiteren Messdaten angereichert und standen damit für weitere Auswertungen zu Verfügung.

Beschreibung

Die Elektronik des bestehenden Indoor-Navigationssystems pozyx.io erweiterten wir mit eigenem C++-Code unter der Verwendung der Arduino-Umgebung. Diese Erweiterung umfasste die Speicherung der gemessenen Positionen, Informationen weiterer Sensoren (zum Beispiel Temperatur) und die Erfassung der Bildauslösung der Sony-Systemkameras.

Das Kamerasignal wurde über den Blitzschuh der Kamera abgegriffen und an die Elektronik weitergeleitet. Bei der Erfassung eines Kamerasignals wurde die Position in allen drei Achsen (X, Y, Z) abgespeichert.

Dabei bildeten das Registrieren des Trigger-Signals und der Speicherung der Koordinaten die Basis, um die Messwerte und die Positionen der Sensoren im Raum zu kombinieren.

Für die Kontrolle der Genauigkeit der gemessenen Positionen entwickelten wir ein Gehäuse, welches über ein Vermessungsstativ exakt positioniert werden kann, oder mit einem zentrisch montierten Vermessungsreflektor und einem Tachymeter eingemessen werden kann.

Weiterführende Informationen

  • Verwendete Elektronik: pozyx

uBlox-RTK-GPS für Messaufgaben

MovingSensors Messsystem
2019 – 2020

Das Messsystem von MovingSensors arbeitet mit präzisen 2-Phasen-GPS-Systemen, die mit Real-Time-Kinematic direkt hochgenaue Positionsdaten in das Messsystem einspeisen. Diese Systeme sind jedoch sehr kostspielig – und oftmals ist eine solch hohe Genauigkeit im Sub-Zentimeter-Bereich gar nicht erforderlich.

Für die Erfassung der Positionsdaten im Bereich von wenigen Zentimetern wurde die Einbindung eines wesentlich billigeren GPS-Systems in das Messsystem erarbeitet.

Beschreibung

Hochgenaue geodätische GPS-Systeme liefern zuverlässig Positionen im Sub-Zentimeter-Bereich – dafür ist dann aber mit Anschaffungskosten von rund CHF 50’000 zu rechnen. Für viele Messaufgaben reichen 1-Phasen-GPS-Systeme völlig aus, bei denen die gemessenen Positionen mit einer eigenen Referenzstation und einer Funkverbindung auf eine Genauigkeit von wenigen Zentimeter korrigiert werden. Dafür belaufen sich die Kosten für die Hardware und die grundlegenden Software-Lösungen solcher 1-Phasen-GPS-Systeme auf gerade einmal CHF 600 bis 1’000.

Diesen tiefen Kosten steht aber dennoch ein gewisser Aufwand entgegen, um das GPS-System mit dem MovingSensors-Messsystem zu verbinden. Die Herausforderung besteht in der korrekten Konfiguration des GPS, der Programmierung einer einfachen Plattform für die Dateneingabe von Referenzstationen und die physische Verkabelung zum Messsystem. Als Datenaustausch wurde die Standard-GPS-Schnittstelle NMEA verwendet.

Mehrere Anbieter solcher GPS-Lösungen arbeiten neu auch intensiv an Low-Cost-2-Phasen-Systemen. Diese erste Implementierung ist also eine gute Vorbereitung für die kommenden, neuen Generationen von GPS-Systemen.

Weiterführende Informationen

  • Verwendete Elektronik: uBlox

Autonomer Rover und Prototyp MovingSensors Messkopf

MovingSensors Messsystem
2015–2017

MovingSensors entwickelte einen schnellen Prototyp, um die Entwicklung der Auswertungssoftware und der kartografischen Darstellung der Beleuchtungsmessungen am Flughafen Zürich zu unterstützen. Dieser Prototyp umfasste die gleiche Messanordnung wie der eigentliche Messkopf von MovingSensors, welcher unter anderem am Flughafen Zürich im Einsatz ist.

Zusätzlich wurde dieser prototypische Messkopf mit einem autonomen Fahrzeug/Rover kombiniert. Damit konnte er für die automatische Erfassung von grossen beleuchteten Flächen (z.B. von Sportplätzen) eingesetzt werden.

Beschreibung

Die fünf am Messkopf montierten Lichtsensoren und die Steuerung wurden mit Bauteilen von Tinkerforge realisiert. Für die eigentliche Steuerung der Sensoren und die Speicherung der Messdaten verwendeten wir Python und nutzten die von Tinkerforge zu Verfügung gestellten Programmierschnittstelle. Diese Kombination ermöglichte schnelle Tests der gesamten Messkette und der anschliessenden Auswertung mit PostGIS und QGIS. Die wertvollen Erfahrungen mit dem Prototyp konnten wir in die Entwicklung des eigentlichen Messkopfes einfliessen lassen und so die Schnittstellen zwischen Mess- und Auswertesystem optimieren.

Den autonomen Rover realisierten wir basierend auf der Pixhawk-Plattform und planten die zu fahrenden Missionen mit der Software MissionPlanner. Der Rover fuhr wie geplant die Mission autonom ab und registrierte bei jedem definierten Waypoint die Messwerte der fünf Lichtsensoren. Getriggert wurden die Sensoren über eine Weiterleitung des Photo-Trigger-Signals von der Pixhawk-Plattform zur Tinkerforge-Messelektronik.

Um eine hohe Genauigkeit bei der Navigation zu den einzelnen Messpunkten zu garantieren, verwendeten wir für den Prototyp zusätzlich ein Real-Time-Kinematic-GPS (RTK-GPS) mit eigener Basisstation. Das RTK-Signal wurde über die RTK-Injection von MissionPlanner und APM-Rover zum Rover übermittelt.

Weiterführende Informationen

Publikation: Langdistanz-UAV für das Monitoring von kalbenden Gletschern in Grönland

Im Rahmen meiner Teilzeitanstellung in der Glaziologie der ETH Zürich zwischen 2012 und 2018 hatte ich die einmalige Chance, an einem UAV-Projekt mitzuarbeiten. Zusammen mit meinem damaligen Arbeitskollegen Guillaume Jouvet entwickelten wir ein UAV-System, das für sehr grossen Flugdistanzen von bis zu 180 km ausgelegt ist.

Diese enorme Reichweite war für das parallele Monitoring mehrerer kalbenden Gletscher im Fjord von Inglefield Bredning in Nordwestgrönland notwendig. Nur deshalb konnten wir während der Expedition im Sommer 2017 mit unseren UAV’s von der Insel und Ortschaft Qeqertat aus während rund zwei Wochen ein Monitoring von fünf kalbenden Gletschern gleichzeitig durchführen.

Die Entwicklung dieser Langdistanz-UAV’s ist jetzt in einem technischen Paper in frontiers in Earth Science publiziert (G. Jouvet, Y. Weidmann, E. van Dongen, M. P. Lüthi, A. Vieli, and J. C. Ryan, “High-Endurance UAV for Monitoring Calving Glaciers: Application to the Inglefield Bredning and Eqip Sermia, Greenland,” Front. Earth Sci., vol. 7, p. 206, 2019.). Das Paper geht dabei auf besonders auf die Konzeption und den Bau ein und beschreibt die Besonderheiten, die es für die erfolgreiche Anwendung in den hohen Breitengraden von Nordgrönland zu beachten galt. Wir hoffen, dass unsere Erkenntnisse damit für weitere Projekte genutzt werden können.

Der Expedition 2017 mit dem Bau und der Anwendung der Langdistanz-UAV ging eine mehrjährige, sehr intensive Arbeit voraus. Während zwei Expeditionen 2015 und 2016 mussten wir uns zuerst das gesamte Rüstzeug erarbeiten. Dass dies nicht immer einfach war, ist in der SRF-Reportage Expedition in die bedrohte Arktis von 2015 dokumentiert. Guillaume Jouvet hat zudem über den ersten Einsatz unseres UAV-Eigenbaus 2016 einen schönen Kurzfilm gedreht. Eine ausführliche Präsentation gibt einen zusätzlichen Gesamteindruck des Projektes.

Prototypenentwicklung

GeoIdee entwickelt Hardware-Prototypen für Mess- und Kontrollaufgaben, sowie die dazugehörigen Lösungen für die Datenkommunikation, -speicherung und -auswertung und die Verknüpfung mit Geografischen Informationssystemen.

Besonders wichtig ist uns dabei die schnelle und übersichtliche kartografische Darstellung der Messwerte und -analysen.

Fallbeispiele und Referenzprojekte

Autonomer Rover und Prototyp MovingSensors Messkopf
Indoor-Navigation und Registrierung von Fotoaufnahmen
uBlox-RTK-GPS für Messaufgaben
Autonome Fixed-Wing-Drohne für Wettermessungen
Publikation: Langdistanz-UAV für das Monitoring von kalbenden Gletschern in Grönland
Indoor-Navigation auf dem Prüfstand in der Tunnelbaustelle Gubrist

Beiträge

Autonome Fixed-Wing-Drohne für Wettermessungen
Indoor-Navigation und Registrierung von Fotoaufnahmen
uBlox-RTK-GPS für Messaufgaben
Autonomer Rover und Prototyp MovingSensors Messkopf
Publikation: Langdistanz-UAV für das Monitoring von kalbenden Gletschern in Grönland
Indoor-Navigation auf dem Prüfstand in der Tunnelbaustelle Gubrist

Alle Projekte Prototypenentwicklung

AuftraggeberProjektnameKategorieJahr
MovingSensorsWeiterentwicklung MesssystemPrototypenentwicklung2018 - 2019
MovingSensorsLow-Cost RTK-GPSPrototypenentwicklung2018 - 2019
MovingSensorsIndoor NavigationPrototypenentwicklung2015 - 2017
KSL Ingenieurbüro AGKonzept und Prototyp Grossflächige in-situ BeleuchtungsmessungenPrototypenentwicklung2016 - 2017
MovingSensorsUnbemanntes Landfahrzeug (UGV) für MessaufgabenPrototypenentwicklung2016 - 2017
MovingSensorsFixed-Wing Wetter-Drohne (UAV)Prototypenentwicklung2016 - 2017

Indoor-Navigation auf dem Prüfstand in der Tunnelbaustelle Gubrist

Was eignet sich besser für einen Praxistest eines Indoor-Navigationssystems als eine Tunnelbaustelle? Sie bietet eine staubige, dunkle und oftmals wenig übersichtliche Situation, in der sich neben der eigentlichen Applikation des Indoor-Navigationssystems auch dessen Praxistauglichkeit sofort testen lässt. Und mit dem ausgedehnten 3D-Passpunktnetz der Vermessung steht auch eine optimale Testumgebung für die Genauigkeit des Systems zur Verfügung.

Die ständig zirkulierenden Lastwagen und Mannschaftswagen führten immer
wieder zu Abdeckungen der Positionssender. Damit wurde auch die Stabilität der
gemessenen Position getestet: Mit dem verwendeten System und der zusätzlich
programmierten Applikationen konnten in der Lage eine Genauigkeit von unter
20cm erreicht werden. Die Höhengenauigkeit war zwar wesentlich schlechter, doch
das war auf die nicht optimale vertikale Verteilung der Sender zurückzuführen.

Fazit:
Grundsätzlich ein erfolgreicher Test, der für weitere Entwicklungsschritte
motiviert!