Nahfeldnavigation unbemannter Flugsysteme zur Inspektion von Infrastrukturen

• Close range navigation of remotely piloted aircraft systems for infrastructure inspection

Eschmann, Christian; Moormann, Dieter (Thesis advisor); Alles, Wolfgang (Thesis advisor)

Aachen (2016)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2016

Kurzfassung

Als Folge komplexer, alternder Bauwerke existiert vor allem in Industriestaaten heutzutage eine immer größer werdende Zahl schadensanfälliger Infrastrukturen. Durch die gleichzeitig oft sehr exponierte Lage wie auch Gestaltung der Objekte fehlen zudem adäquate, automatisierte Methoden, um die Instandhaltung und Überwachung dieser Infrastrukturen zu überwachen. Aufgrund der aktuellen Entwicklungen auf dem Gebiet der Robotik ergeben sich vermehrt neue Möglichkeiten für den Einsatz unbemannter Flugsysteme (Remotely Piloted Aircrafts, RPA), die im Fall der luftgestützten Inspektion als fliegende Sensorplattformen eine zeit-effektive Datenakquisition unter Einsparung von personellen und materiellen Kosten erlauben. Voraussetzung für den sicheren wie auch wirtschaftlichen Alltagseinsatz stellt das Vorhandensein einer präzisen wie auch verlässlichen Navigationsmethode als Grundlage für reproduzierbare Ergebnisse der Anwendung als automatisierte Inspektionsrobotik.In dieser Dissertation wird die sichere und definierte Annäherung, Positionierung und Bewegung unbemannter Flugsysteme in geringen Abständen zu Strukturen erörtert. Hierzu werden anfangs fünf zerstörungsfreie Prüfverfahren die luftgestützte Infrastruktur-Inspektion näher beleuchtet, die grundsätzlich für eine Integration in unbemannte Flugsysteme zur Verfügung stehen. Anhand der Erläuterungen des Inspektionsprozesses werden anschließend die Anforderungen an das Gesamtsystem formuliert. Um der Navigationsmethode ein konkretes Flugsystem zuschreiben zu können, wird für verschiedene Flugsystemkonfigurationen anhand deren Charakteristika eine Systembewertung durchgeführt, welche mit der Auswahl eines Systems für die finale Validierung der Navigationsmethode schließt. Äquivalent zum Flugsystem werden hinsichtlich der Navigationssensorik drei grundsätzlich zur Verfügung stehende Messverfahren aufgezeigt und in einer direkten Vergleichsbewertung die finale Sensortechnologie ermittelt. Die gewählte Navigationssensorik wird einer eingehenden Evaluation unterzogen, die Aufschluss über das exakte, spezifische Sensorverhalten gibt, welches essentielle Grundlage für die Erstellung eines späteren Simulationsmodells der Sensorik ist. Der Kernaspekt der Nahfeldnavigation wird zuerst in Form eines allgemeingültigen Ansatzes formuliert, der im weiteren Verlauf an die im Vorfeld aufgezeigten Kriterien sowie speziell der gewählten Navigationssensorik angepasst wird. Nach Schaffung der theoretischen Grundlage erfolgt die Vorstellung eines Integrationskonzeptes, welches konkret die Modellbildung der Positionsregelung auf Basis von Flugmodi sowie die Modellbildung des LiDAR-Sensors in Form eines komplexen Modells auf Grundlage der Evaluierungsergebnisse behandelt. Das aufgezeigte Konzept zur Integration wird auf Basis der erstellten Modelle simulativ anhand eines individuell angelegten Szenarios unter Laborbedingungen diskutiert, bevor im Freiflugversuch unter Nutzung eines realen Flugsystems die grundsätzliche Funktion der aufgezeigten Methode der Nahfeldnavigation aufgezeigt wird.