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Physik | Technik
Marc Ramseier, 2001 | Luzern, LU
Diese Arbeit behandelt das Thema, wie ich eine autonome Indoor-Drohne von Grund auf entwickelt, gebaut und programmiert habe. Die Drohne hat ein eigenes Positionierungssystem, welches aus zwei Kameras besteht. Das Ziel war es, dass die Drohne autonom abheben, sich zu vorgegebenen Wegpunkten bewegen, auf einer Position schweben und sicher landen kann. In der Arbeit wurde der Prozess der Entwicklung, des Baus und der Programmierung des gesamten Systems beschrieben. Es wurden die einzelnen Entwicklungsschritte aufgezeichnet und die Ideen vorgestellt, die für das Endprodukt ausschlaggebend waren.
Fragestellung
Ist es möglich, eine autonome Drohne mit einem eigenen Positionierungssystem von Grund auf zu entwickeln? Die meisten autonomen Drohnen fliegen im Freien und orientieren sich über GPS. Für eine Drohne, die im Indoor-Bereich fliegen soll, ist GPS jedoch zu ungenau, weswegen ich ein eigenes Positionierungssystem entwickeln musste. Wie funktioniert mein System und wie genau ist es? Es gab viele neue Gebiete, die Neuland für mich waren und unzählige Tests erforderten, bis ich das Ziel erreichte.
Methodik
Um mein Ziel zu erreichen, fing ich bereits früh an zu recherchieren, was für Positionierungssysteme bereits existieren und machte mir Gedanken, wie ich mein Positionierungssystem umsetzen könnte. Ich entschied mich dafür, dass mein Positionierungssystem aus zwei sich im Raum befindenden Infrarot-Kameras besteht, welche die Drohne dauernd anvisieren und deren ihre Position weiterschicken. Nachdem ich wusste, wie mein System grob funktionieren sollte, designte ich die einzelnen Komponenten (Drohne, Kameras, Fernbedienung) in einem CAD-Programm und druckte sie mit meinem 3D-Drucker aus. Anschliessend habe ich die Schaltpläne entwickelt und umgesetzt. Nun kam die Software: Ich schrieb ein Kommunikationsprotokoll, welches auf WLAN basiert, damit die Komponenten miteinander kommunizieren konnten. Anfangs konnte meine Drohne nur manuell mit der Fernbedienung fliegen. Ich fügte immer mehr Funktionen, wie zum Beispiel die automatische Stabilisierung in einzelnen Achsen, Autostart oder die Notlandung dazu, bis man schlussendlich nur noch auf der Fernbedienung auf «Start» drücken musste und die Drohne ihren vorprogrammierten Weg von allein abflog.
Ergebnisse
Nach einer langen Entwicklungsphase und vielen Tests mit Rückschlägen gelang es mir schliesslich, dass die Drohne mit einer vernünftigen Präzision autonom abheben, sich zu vorgegebenen Wegpunkten bewegen, auf einer Position schweben und sicher landen konnte. Ausserdem erkennt sie verschiedenste Systemfehler und leitet in solch einem Fall die Notlandung ein. Die Höhe der Drohne muss momentan allerdings noch mit einem zusätzlichen Ultraschallsensor bestimmt werden.
Diskussion
Das mir gesetzte Ziel einer autonom fliegenden Drohne habe ich erreicht. Trotzdem ist dieses Projekt deswegen noch nicht abgeschlossen. Die Software und die Hardware der Drohne werden fortlaufend verbessert und erweitert. Ich habe bereits einige Tests mit einer weiteren Kamera, die sich auf der Drohne befindet, durchgeführt. Diese könnte in Zukunft für noch mehr Stabilität sorgen und die Drohne auf äussere Einflüsse reagieren lassen. Somit könnte die Drohne zusätzlich durch Mustererkennung oder Gestensteuerung ihre Umwelt wahrnehmen.
Schlussfolgerungen
Diese Maturaarbeit war ein sehr grosses Projekt und vieles musste selbst erarbeitet werden, da es sich um die eigene Entwicklung eines neuen Systems handelte. Dieses Projekt war fachlich vielseitig, da viele verschiedene Gebiete wie Mathematik, CAD-Entwicklung mit 3D-Druck, Informatik und Elektronik angewendet werden mussten. Der grösste Aufwand des Projektes bestand in der Softwareentwicklung, die umfangreich war (Bildererkennung, Kommunikation, Stabilisierung, autonomer Flug, Sicherheitssysteme).
Obwohl es ein sehr grosses und aufwändiges Projekt mit vielen Rückschlägen war, in das ich unzählige Stunden, Tage und Wochen investiert habe, hat es mir zum grössten Teil sehr viel Freude bereitet, vor allem wenn etwas nach sehr langer Arbeit schlussendlich funktioniert hat.
Würdigung durch den Experten
Andreas Reinhard
Auch wenn sich Marc Ramseier tief mit dem Bau eines Quadrocopters inklusive hartnäckiger Schwingungsprobleme auseinandersetzte: der Fokus seiner ehrgeizigen Fragestellung lag primär in der Auslegung, dem Bau sowie der Erprobung eines lokalen Positionierungssystems – einem „Home“- GPS sozusagen . Er benutzte dazu zwei observierende Infrarotkameras, die m Raum die Position der Drohne erfassten und zusammen mit der selbst geschriebenen Software die Werte zu präzisen Lagekorrekturen generierten. Damit beschritt Marc zwar kein Neuland, doch löste er auftretende Probleme eigenständig und originell.
Prädikat:
sehr gut
Kantonsschule Luzern
Lehrer: Michael Portmann