TY - THES A1 - Gageik, Nils T1 - Autonome Quadrokopter zur Innenraumerkundung : AQopterI8, Forschung und Entwicklung T1 - Autonomous Quadrocopter for Indoor Exploration, AQopterI8, Research and Development N2 - Diese Forschungsarbeit beschreibt alle Aspekte der Entwicklung eines neuartigen, autonomen Quadrokopters, genannt AQopterI8, zur Innenraumerkundung. Dank seiner einzigartigen modularen Komposition von Soft- und Hardware ist der AQopterI8 in der Lage auch unter widrigen Umweltbedingungen autonom zu agieren und unterschiedliche Anforderungen zu erfüllen. Die Arbeit behandelt sowohl theoretische Fragestellungen unter dem Schwerpunkt der einfachen Realisierbarkeit als auch Aspekte der praktischen Umsetzung, womit sie Themen aus den Gebieten Signalverarbeitung, Regelungstechnik, Elektrotechnik, Modellbau, Robotik und Informatik behandelt. Kernaspekt der Arbeit sind Lösungen zur Autonomie, Hinderniserkennung und Kollisionsvermeidung. Das System verwendet IMUs (Inertial Measurement Unit, inertiale Messeinheit) zur Orientierungsbestimmung und Lageregelung und kann unterschiedliche Sensormodelle automatisch detektieren. Ultraschall-, Infrarot- und Luftdrucksensoren in Kombination mit der IMU werden zur Höhenbestimmung und Höhenregelung eingesetzt. Darüber hinaus werden bildgebende Sensoren (Videokamera, PMD), ein Laser-Scanner sowie Ultraschall- und Infrarotsensoren zur Hindernis-erkennung und Kollisionsvermeidung (Abstandsregelung) verwendet. Mit Hilfe optischer Sensoren kann der Quadrokopter basierend auf Prinzipien der Bildverarbeitung Objekte erkennen sowie seine Position im Raum bestimmen. Die genannten Subsysteme im Zusammenspiel erlauben es dem AQopterI8 ein Objekt in einem unbekannten Raum autonom, d.h. völlig ohne jedes externe Hilfsmittel, zu suchen und dessen Position auf einer Karte anzugeben. Das System kann Kollisionen mit Wänden vermeiden und Personen autonom ausweichen. Dabei verwendet der AQopterI8 Hardware, die deutlich günstiger und Dank der Redundanz gleichzeitig erheblich verlässlicher ist als vergleichbare Mono-Sensor-Systeme (z.B. Kamera- oder Laser-Scanner-basierte Systeme). Neben dem Zweck als Forschungsarbeit (Dissertation) dient die vorliegende Arbeit auch als Dokumentation des Gesamtprojektes AQopterI8, dessen Ziel die Erforschung und Entwicklung neuartiger autonomer Quadrokopter zur Innenraumerkundung ist. Darüber hinaus wird das System zum Zweck der Lehre und Forschung an der Universität Würzburg, der Fachhochschule Brandenburg sowie der Fachhochschule Würzburg-Schweinfurt eingesetzt. Darunter fallen Laborübungen und 31 vom Autor dieser Arbeit betreute studentische Bachelor- und Masterarbeiten. Das Projekt wurde ausgezeichnet vom Universitätsbund und der IHK Würzburg-Mainfranken mit dem Universitätsförderpreis der Mainfränkischen Wirtschaft und wird gefördert unter den Bezeichnungen „Lebensretter mit Propellern“ und „Rettungshelfer mit Propellern“. Außerdem wurde die Arbeit für den Gips-Schüle-Preis nominiert. Absicht dieser Projekte ist die Entwicklung einer Rettungsdrohne. In den Medien Zeitung, Fernsehen und Radio wurde über den AQopterI8 schon mehrfach berichtet. Die Evaluierung zeigt, dass das System in der Lage ist, voll autonom in Innenräumen zu fliegen, Kollisionen mit Objekten zu vermeiden (Abstandsregelung), eine Suche durchzuführen, Objekte zu erkennen, zu lokalisieren und zu zählen. Da nur wenige Forschungsarbeiten diesen Grad an Autonomie erreichen, gleichzeitig aber keine Arbeit die gestellten Anforderungen vergleichbar erfüllt, erweitert die Arbeit den Stand der Forschung. N2 - The following scientific work describes entirely the development of an innovative autonomous quadrotor, called AQopterI8, for indoor exploration and object search describing solutions in the fields of signal processing, control theory, software and hardware. The main topics are autonomy, collision avoidance and obstacle detection. The AQopterI8 uses an IMU (inertial measurement unit) for attitude control and together with ultrasonic, infrared and pressure sensors for height control. Furthermore ultrasonic, infrared, stereo vision, pmd (photonic mixing device) and laser sensors enable the quadrotor to fly autonomously, detect obstacles and avoid collisions (distance control). All ressources are on-Board and the quadrotor requires no external system such as GPS or OTS (optical tracking system) cameras. The evaluation shows, that the AQopterI8 can control its distance to moving obstacles such as persons, can fly through corridors and search, localize and count autonmously target objects. The work was marked with the university promotion prize from the chamber of commerce (IHK Mainfranken) and has been many times in the media such as newspaper, radio and television. KW - Quadrokopter KW - Hinderniserkennung KW - Flugkörper KW - Kollisionsschutz KW - Weighted Filter KW - WF KW - Triple Awareness Fusion KW - TAF KW - CQF KW - UAV KW - Kollisionsvermeidung Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-130240 ER - TY - JOUR A1 - Strohmeier, Michael A1 - Montenegro, Sergio T1 - Coupled GPS/MEMS IMU Attitude Determination of Small UAVs with COTS JF - Electronics N2 - This paper proposes an attitude determination system for small Unmanned Aerial Vehicles (UAV) with a weight limit of 5 kg and a small footprint of 0.5m x 0.5 m. The system is realized by coupling single-frequency Global Positioning System (GPS) code and carrier-phase measurements with the data acquired from a Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) Inertial Measurement Unit (IMU) using consumer-grade Components-Off-The-Shelf (COTS) only. The sensor fusion is accomplished using two Extended Kalman Filters (EKF) that are coupled by exchanging information about the currently estimated baseline. With a baseline of 48 cm, the static heading accuracy of the proposed system is comparable to the one of a commercial single-frequency GPS heading system with an accuracy of approximately 0.25°/m. Flight testing shows that the proposed system is able to obtain a reliable and stable GPS heading estimation without an aiding magnetometer. KW - Attitude Heading Reference System (AHRS) KW - magnetometer KW - MEMS IMU KW - Real-time Kinematics (RTK) KW - GPS KW - UAV KW - attitude determination Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-171179 VL - 6 IS - 1 ER - TY - JOUR A1 - Gageik, Nils A1 - Benz, Paul A1 - Montenegro, Sergio T1 - Obstacle Detection and Collision Avoidance for a UAV with Complementary Low-Cost Sensors JF - IEEE Access N2 - This paper demonstrates an innovative and simple solution for obstacle detection and collision avoidance of unmanned aerial vehicles (UAVs) optimized for and evaluated with quadrotors. The sensors exploited in this paper are low-cost ultrasonic and infrared range finders, which are much cheaper though noisier than more expensive sensors such as laser scanners. This needs to be taken into consideration for the design, implementation, and parametrization of the signal processing and control algorithm for such a system, which is the topic of this paper. For improved data fusion, inertial and optical flow sensors are used as a distance derivative for reference. As a result, a UAV is capable of distance controlled collision avoidance, which is more complex and powerful than comparable simple solutions. At the same time, the solution remains simple with a low computational burden. Thus, memory and time-consuming simultaneous localization and mapping is not required for collision avoidance. KW - infrared KW - collision avoidance KW - autonomous KW - UAV KW - quadrocopter KW - obstacle detection KW - quadrotor KW - distance measurement KW - ultrasonic autonomous aerial vehicles KW - helicopters KW - infrared detectors Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-125481 N1 - (c) 2015 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other users, including reprinting/ republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted components of this work in other works VL - 3 ER - TY - JOUR A1 - Strohmeier, Michael A1 - Walter, Thomas A1 - Rothe, Julian A1 - Montenegro, Sergio T1 - Ultra-wideband based pose estimation for small unmanned aerial vehicles JF - IEEE Access N2 - This paper proposes a 3-D local pose estimation system for a small Unmanned Aerial Vehicle (UAV) with a weight limit of 200 g and a very small footprint of 10 cm×10cm. The system is realized by fusing 3-D position estimations from an Ultra-Wide Band (UWB) transceiver network with Inertial Measurement Unit (IMU) sensor data and data from a barometric pressure sensor. The 3-D position from the UWB network is estimated using Multi-Dimensional Scaling (MDS) and range measurements between the transceivers. The range measurements are obtained using Double-Sided Two-Way Ranging (DS-TWR), thus eliminating the need for an additional clock synchronization mechanism. The sensor fusion is accomplished using a loosely coupled Extended Kalman Filter (EKF) architecture. Extensive evaluation of the proposed system shows that a position accuracy with a Root-Mean-Square Error (RMSE) of 0.20cm can be obtained. The orientation angle can be estimated with an RMSE of 1.93°. KW - UAV KW - navigation KW - pose estimation KW - distance measurement KW - DecaWave KW - extended Kalman filter KW - UWB Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-177503 VL - 6 ER -