Ohne GPS Navigationseinheit für unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs)

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Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM

Metrofunk Kabel-Union GmbH

Eine kompakte Navigationseinheit haben Fraunhofer-Forscher für unbemannte Luftfahrzeuge entwickelt. Damit lässt sich die Position mit einer Genauigkeit von unter 10 cm ohne GPS bestimmen.

Das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM hat im Rahmen des Forschungsprojekts IMUcompact eine kompakte und leichte Navigationseinheit für unbemannte Luftfahrzeuge (UAV) entwickelt. Die Inertial Measurement Unit (IMU) des Systems basiert im Wesentlichen auf drei Gyroskopachsen und drei Beschleunigungssensoren, die eine zentimetergenaue Positionsbestimmung für Navigation und Geländevermessung ohne GPS-Signal ermöglichen.

Dabei basiert die IMU auf einem am Fraunhofer IZM entwickelten interferometrischen faseroptischen Miniaturgyroskop (IFOG). Das IFOG zeichnet sich durch hohe Genauigkeit und Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen aus. Zudem ist es sehr kompakt und leicht, was es ideal für den Einsatz in UAVs macht.

Die IMUcompact wurde speziell für die Bedürfnisse der zivilen Luftfahrt entwickelt. Sie ist einfach zu integrieren und kann in verschiedenen UAV-Plattformen eingesetzt werden. Sie ermöglicht auch in schwierigen Umgebungen wie in Innenräumen oder bei schlechter Sicht eine präzise und zuverlässige Navigation.

Absolute Genauigkeit von unter 10 Zentimeter

Dank einer neu entwickelten Montagemethode können die elektronischen und optischen Komponenten der IMU so angeordnet werden, dass ein hoher Miniaturisierungsgrad ohne Einbußen bei der Genauigkeit erreicht wird. Herkömmliche IMUs haben nur eine Auflösung von 25 bis 30 cm. Das am Fraunhofer IZM entwickelte Gyroskop ermöglicht nun eine absolute Genauigkeit von unter 10 cm. Die spezielle Anordnung der Messkomponenten auf einer 3D-gedruckten optischen Bank ermöglicht zudem eine hohe mechanische Festigkeit für industrielle Anwendungen bei sehr geringem Gewicht. Zusätzlich wurde eine anwendungsspezifische Leiterplatte entwickelt, die durch ihr Design sehr robust und gleichzeitig kompakt ist.

Eine der ersten praktischen Anwendungen der IMU ist die Photogrammetrie mit UAVs. Unter Photogrammetrie versteht man die Vermessung und Bestimmung von physischen Objekten durch die Kombination von 2D-Bildern und 3D-Messverfahren wie beispielsweise Lidar. Dabei darf das Gewicht der IMU nicht mehr als ein Kilogramm betragen, das gesamte Messsystem mit IMU, Lidar, Kameras, Datenlogger, PC und Stromversorgung über Akkus muss weniger als fünf Kilogramm wiegen.

Drohnen-Photogrammetrie für die automatisierte Vermessung

Mögliche Anwendungen der Drohnen-Photogrammetrie sind die automatisierte Vermessung von Fabrikgebäuden, die technische Überwachung von Offshore-Windkraftanlagen oder automatisierte Bestandsaufnahmen in der Landwirtschaft und Viehzucht. Auch bei der Schadenserfassung in Katastrophengebieten kann die drohnengestützte Photogrammetrie einen wichtigen Beitrag leisten, insbesondere wenn große Gebiete von unerwarteten Umweltereignissen betroffen sind. Auch Anbieter von Online-Kartendiensten nutzen photogrammetrische Verfahren zur Erstellung von digitalem 3D-Kartenmaterial, wofür jedoch häufig noch der kostenintensive Einsatz von Flugzeugen oder Tragschraubern mit entsprechender Messtechnik erforderlich ist.

„Als Experten in der Aufbau- und der Verbindungstechnik optischer Fasern konnte das Fraunhofer IZM gemeinsam mit Projektpartnern einen Demonstrator entwickeln, bei dem die IMU mit einem GPS-System, sowie einem leistungsfähigen integrierten Schaltkreis zu einer vollständigen, integrierten Lösung kombiniert wurde. Dieser Prototyp soll in einem weiteren Schritt nun optimiert werden, um die zivile Nutzung autonomer Drohnensysteme weiter voranzutreiben“, fassen die Projektleiterin Dr. Alethea Vanessa Zamora Gómez und der Entwickler Christian Janeczka das Projektende zufrieden zusammen.

Denkbar ist auch der Einsatz in anderen Trägersystemen wie Schiffen, der Luft- und Raumfahrt, autonomen Fahrzeugen, bis hin zu KI-basierten Logistiknetzwerken, die einen höheren Grad an Automatisierung ermöglichen.

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