TU BRAUNSCHWEIG
| Carl-Friedrich-Gauß-Fakultät | Informatik
Informatikzentrum

Untersuchungen zur 3D-Kollisionsvermeidung mittels Ultraschall für UAV-Schwärme

Betreuer PD Dr. Christian Werner
Art Bachelorarbeit, Projektarbeit
Status offen
Beginn

Einleitung

Townsend-Langohr (Corynorhinus townsendii)

Fledermäuse können mit Ultraschall sich sehr präzise in Ihrer Umwelt orientieren und sogar kleine Beutetiere sicher detektieren. Auch größere Gruppen von Fledermäusen können gemeinsam jagen, offenbar ohne dass sich ihre Ultraschallsignale gegenseitig beeinflussen.

Bei technischen Anwendungen kommen Ultraschallsensoren beispielsweise in der Automobilindustrie seit Langem erfolgreich zum Einsatz, insbesondere für Parkassistenzsysteme aber auch für das autonome Fahren.

UAV with custom flight controller

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) gewinnen zunehmend an Bedeutung, sowohl für militärische aber auch für viele zivile Anwendungen. Eine automatische Steuerung mit Hilfe von Positionierungssystemen, wie beispielsweise GPS, ist dabei leicht möglich und findet bereits heute praktische Anwendung.

Das automatische Steuern von UAVs in geschlossenen Räumen ohne Positionierungssysteme ist dagegen deutlich schwieriger. Viele Autoren haben hierbei die Möglichkeiten des Einsatzes von Ultraschallsensoren untersucht; allerdings beschränken sich die meisten Untersuchungen auf 2D, was für eine Kollisionsvermeidung eines UAVs im Allgemeinen nicht ausreichend sein dürfte. Außerdem wurde die Frage, ob auch das Fliegen im Schwarm damit möglich ist, bislang kaum untersucht.

Aufgabenstellung:

In dieser Arbeit soll untersucht werden, welche Aspekte ausschlaggebend sind, um eine 3D-Kollisionsvermeidung mit Ultraschall auch unter der Maßgabe realisieren zu können, dass sich mehrere, gleichartige UAVs in einem gemeinsamen Luftraum bewegen. Insbesondere sind die folgenden Fragen zu beantworten:

  • Welche Sensoreigenschaften sind für diese Anwendung vorteilhaft (Tastweite, Frequenz etc.)
  • Welche Möglichkeiten gibt es, um zuverlässig zwischen Nutz- und Störsignal zu unterscheiden, wenn sich mehrere Fahrzeuge in Sensorreichweite befinden (Vermeidung der Detektion eines Signals, welches von einem anderen Fahrzeug ausgesandt wurde. Ist dieses Problem überhaupt praktisch relevant?
  • Was ist die minimale Anzahl von Sensoren, die für eine 3D-Kollisionsvermeidung erforderlich sind?
  • Muss man mit Zeitmultiplexing arbeiten, um zu vermeiden, dass sich die Ultraschallsignale der Sensoren eines einzelnen UAV gegenseitig beeinflussen?
  • Gibt es in der Praxis Einschränkungen, dass Hindernisse aus bestimmten Materialien nicht erkennt werden können? Gibt es hierfür Lösungsansätze?
  • Vermutlich müssen die UAVs das Emittieren der Ultraschallimpulse koordinieren. Wie könnte das Kommunikationsprotokoll hierfür aussehen?

Es sollen zwei Dummy-Modelle von UAVs aufgebaut werden, die mit realen Sensoren (aber keinem Antrieb) und jeweils einem Mikrokontroller auszustatten sind. Anhand dieser Dummy-Modelle sind in geeigneter Weise Messreihen durchzuführen, um die o.g. Fragen zu beantworten. Ausgangspunkt der Experimente soll der kostengünstige Sensor HC-SR04 sein, der sich beispielsweise sehr leicht mit einem Arduino-Board steuern lässt.

Die erforderlichen Sensoren und Mikrocontroller-Boards werden zur Durchführung der Arbeit zur Verfügung gestellt.

Voraussetzungen

  • Grundkenntnisse über Verteilte Systeme
  • Grundkenntnisse in Akustik und Signalübertragung (Multiplexverfahren etc.)
  • Grundkenntnisse in der Programmierung von Mikrokontrollern und im Umgang mit Sensoren
  • Ganz viel Spaß am Experimentieren!

Einstiegsliteratur:

  • http://www.ijettjournal.org/volume-17/number-2/IJETT-V17P218.pdf
  • http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=7105819

aktualisiert am 10.08.2015, 20:20
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