Wie implementiere ich eine genaue Entfernungsmessung (zum Boden) auf einem ebenen UAV für Höhen über 10 m?

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Wie implementiere ich eine Entfernungsmessung von Drohne zu Boden für Autopilotlandungen in Höhen über 10 m? Ich fand Ultraschall zu ungenau, geschweige denn GPS. Die maximale Höhe beträgt 1000 m, Vmax 100 km / h, Vaverage 72 km / h. Die Drohne ist planartig, kein * Copter oder so.

Vielen Dank für jede Eingabe!

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uh ... 20 m / s ist 72 km / h
AndrejaKo
Vmax beträgt 100 km / h. Der Durchschnitt beträgt 20 m / s. Vielen Dank für den Hinweis. :)
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Kevin Vermeer
@reemrevnikev, danke!
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Warum brauchst du Höhen über 10m? Wenn Sie trotzdem landen, befinden Sie sich innerhalb der 7 Meter, die ein Ultraschallsensor leisten kann.
AndreKR

Antworten:

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Sie suchen wahrscheinlich nach einem Radarhöhenmesser, aber ich denke, dass 1000 m Höhe eine Herausforderung sein wird, wenn Sie ihn selbst bauen möchten, da die Leistung erforderlich ist, um in einer solchen Entfernung eine nachweisbare Reflexion zu erzielen. Einige hundert Meter sind möglicherweise ein realistischeres Ziel für hausgemachtes Radar mit geringer Leistung.

Hier ist eine schematische Darstellung des Radar-Landehöhenmessers, der bis zu 1000 Fuß nützlich ist.

Jaroslav Cmunt
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Es gibt auch kommerzielle Ausrüstung wie diese: bennettavionics.com/radaraltimeter.html
Jaroslav Cmunt
Wir haben darüber nachgedacht. Es ist kein "Homebrew" -Projekt, also denke ich, wir haben die Mittel, um zu bauen, vielleicht sogar einen Radarhöhenmesser zu kaufen. Vielen Dank!
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Dieses Design ist ein gutes Beispiel, aber mit einem PA mit höherer Leistung (vielleicht 200 mW) und einer empfindlicheren Empfangsschaltung sowie einer verbesserten Nachbearbeitung könnten Sie problemlos 3000 m erreichen. Die Steuerung des Sweeps in einem intelligenten Herrenhaus und die Übertragung der LPF-Ausgabe in einen DSP zur Nachbearbeitung wird sehr hilfreich sein. Zu diesem Zeitpunkt haben Sie wirklich ein FMCW-Radar gebaut und können einiges an zusätzlichen Informationen daraus erhalten (Wetterbedingungen, Art der Bodenbedeckung, andere Flugzeuge unter Ihnen usw.). Die verwendete Antenne hat großen Einfluss auf die Leistung und die Art der Informationen, die Sie ermitteln können.
Mark
SiverIMA ( siversima.com ) stellt einige Frontends her, mit denen Sie sich wahrscheinlich vor der RF-Entwicklung schützen können , aber diese sind für diese Anwendung nicht billig und wahrscheinlich übertrieben. Ich habe das 10-GHz-FMCW-Frontend für Prototypentests verwendet.
Mark
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In echten Flugzeugen haben sie sowohl einen Radarhöhenmesser als auch einen barometrischen Höhenmesser. Der barometrische Höhenmesser wird in höheren Lagen verwendet, und der Radarhöhenmesser wird während des Starts und der Landung verwendet, um die Entfernung zum tatsächlichen Boden zu messen (dh in Höhen, in denen Änderungen der Geländehöhe ein erhebliches Problem darstellen - normalerweise 5000 Fuß).

vicatcu
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Oder für allgemeinere Grob- / Feinsensoren können Sie GPS für einen Grobsensor verwenden und unterhalb einer bestimmten Höhe Radar / Ultraschall / IR / was auch immer verwenden.
Nick T
@ Nick, obwohl für GPS vereinbart Höhe ist bei weitem die am wenigsten genaue Dimension. Ich habe Variationen bei einigen GPS-Empfängern in der Größenordnung von +/- 30 Metern für einen stationären Empfänger gesehen.
Vicatcu
Ich stimme Vicatcu eher zu, GPS ist viel zu ungenau. Leider ist da GPS so oder so implementiert.
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In der Realität ist ein einzelner Sensor wahrscheinlich nicht genau genug, um das zu tun, was Sie wollen. Das meiste, was ich weiß, bezieht sich auf FTF (Bodenfahrzeuge), aber ich denke, dass einige der gleichen Prinzipien gelten.

Sie möchten wahrscheinlich eine Kombination von Sensoren verwenden, um die Genauigkeit zu erhalten, die Sie benötigen. Einige davon können sehr teuer sein.

  • GPS: Ein Standard-GPS-Modul sollte in der Lage sein, eine Genauigkeit von ca. 1 m +/- zu erreichen. Wenn Sie zu einem Differential-Setup aufsteigen (eine Station am Boden, eine im Flugzeug), sollten Sie in der Lage sein, deutlich mehr Genauigkeit zu erzielen, jedoch zu viel höheren Kosten. Etwa 10 cm oder sogar 1 cm sollten möglich sein (mit Geschwindigkeitsdaten), jedoch mit deutlich höheren Kosten.

  • INS: Sie können Ihr GPS-System durch Zwischenmessungen ergänzen. Der Boom bei MEMS-Geräten hat relativ gute Festkörpersensoren zu Verbraucherpreisen verfügbar gemacht. Das Hinzufügen von Beschleunigungsmesser-, Gyrometer- und Magnetometerdaten zu den GPS-Daten sollte das Signal genauer machen und mögliche "Störungen" in Ihren GPS-Messwerten berücksichtigen.

  • Funkunterstützte Navigation: Ich bin nicht ganz auf dem Laufenden, aber viele Flughäfen verwenden eine Funkunterstützung, um die Flugzeuge zu landen. Möglicherweise können Sie untersuchen, wie diese Systeme tatsächlich funktionieren, und Ihre eigenen Systeme implementieren (natürlich legal).

Für einen detaillierteren Blick auf einige dieser Überlegungen würde ich DIYDrones ausprobieren. Sie haben einige ziemlich eng integrierte Systeme mit GPS, INS, Barometern und einer großen Anzahl anderer Sensoren zusammengestellt. Sie haben auch einige der schwierigen Filterprobleme gelöst, die mit mehreren Datenquellen in einem Flugsystem verbunden sind.

mjcarroll
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Sehr gute Punkte. Vielen Dank. Wir hatten die Idee mit der GPS-Bodenstation, ich weiß nicht, warum wir sie nicht weiterverfolgt haben, ich werde sie bei unserem nächsten Treffen noch einmal erwähnen.
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Ein möglicher kostengünstigerer Zugang zur Bodenstation und zum Rover kann RTKlib sein. Es ist eine Open-Source-RTK-Lösung (Differential). Ich glaube, dass der Ersteller der Bibliothek die Lösung auch auf ein Beagleboard portiert hat, mit einigen Hinweisen, wie man dasselbe macht. Ich glaube, dass seine Implementierung einen uBlox-Sensor (in der Größenordnung von 300 Dollar) verwendet, der mit einer teureren Basisstation gekoppelt ist, die RTK-Korrekturen erzeugen kann. Dies würde die Kosten für den Kauf von zwei RTK-fähigen Einheiten (mehrere Tausend US-Dollar) senken.
mjcarroll
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Ein Barometer würde gut funktionieren, wenn Sie eine Auflösung von etwa 10 cm erhalten. Das einzig schwierige ist, dass Ihre Drohne den Luftdruck in Bodennähe kennen muss und dieser sich mit dem Wetter ändert.

Wenn Sie eine wirklich leistungsstarke Standortkontrolle wünschen, werden Sie wahrscheinlich nicht um ein visionsbasiertes System mit einem Hochleistungscomputer herumkommen, das die Landebahn erkennen und die richtige Zone mit der richtigen Geschwindigkeit treffen kann.

dren.dk.
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Leider können wir aufgrund von Gewichtsbeschränkungen keine visionäre Lösung implementieren. Die Kern-CPU der Drohne wird bereits für Sensoreingaben und andere Bildverarbeitungen verwendet, und wir haben die maximale Nutzlast erreicht.
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Wenn Sie auf Landeplätzen landen, die unter Ihrer Kontrolle stehen, würde ich mehrere Funksender um den Standort platzieren und die Signalleistung vergleichen. Dies ist der einzige zuverlässige und einfach zu implementierende Weg.

Wenn Sie irgendwo landen möchten - nur GPS (+ -1 m in den USA möglich), Ultraschall- oder Lasermessungen sind gültige Optionen, aber keine davon ist perfekt.

BarsMonster
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Die Sache mit den Radiosendern ist sehr interessant, aber zu komplex.
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Nicht wirklich komplex. Es wäre komplex zu versuchen, die Ausbreitungsverzögerung zu messen, aber der Leistungspegel ist mit einfachen Detektorempfängern, Kondensatoren und ADCs leicht zu messen.
BarsMonster
Könnten Sie etwas mehr Informationen darüber geben, wie man die Leistung messen würde? meine googelfähigkeiten haben sich als mangelhaft erwiesen.
Kasterma
Schauen Sie sich den einfachsten HF-Empfänger an - LC-Schaltung, Diodendetektor, Kondensator, um das Signal zu glätten. Dann können Sie dies mit präzisem ADC messen.
BarsMonster
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Ein Laser-Entfernungsmesser bietet Ihnen eine gute Präzision und Genauigkeit und ist für Ihre erwartete Entfernung ausgelegt. Er kann jedoch (aufgrund der Optik) schwer sein und die Entfernung zu einem Punkt und nicht zu einem größeren Bereich auflösen.

Das Messergebnis kann sich schnell ändern, wenn Sie über ein Gebiet fahren, das sehr unterschiedlich ist (z. B. ein Wald oder eine Stadt), und es kann schwierig sein, über reflektierende Oberflächen wie Wasser, die nicht viel von dem zurückgeben, einen Messwert zu erhalten strahlen in die Richtung, in die es kam.

Dies sollte jedoch als Option in Betracht gezogen werden. Consumer-Hand-Entfernungsmesser für Jagd oder Golf kosten zwischen 50 und über 200 US-Dollar. Ich bin mir nicht sicher über die kommerziellen Preise für die Integration in ein System wie ein UAV.

Kevin Vermeer
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Wir hatten auch diese Idee und im Moment ist es unser Favorit. Da die genaue Höhenmessung nur für die Landung mit dem Autopiloten gilt, spielt es keine Rolle, dass die Höhe nur für einen Punkt gilt. Ich hoffe, die Landefläche befindet sich am Boden. :)) Das Hauptproblem, das ich bei dieser Technik sehe, ist, dass das Ergebnis mit dem Winkel des UAV variiert, was für Landevorgänge besonders schwierig ist. Oder denke ich nicht darüber nach?
Fakemustache
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Ich wollte das schon immer mal ausprobieren:

Montieren Sie eine nach unten gerichtete Kamera am UAV. Die Qualität ist meist irrelevant. Nehmen Sie in einem festgelegten Intervall Frames davon. Analysieren Sie Bildpaare, um festzustellen, wie schnell sich der Boden zu bewegen scheint. Hier gibt es viele Optionen für Algorithmen. Angesichts Ihrer GPS-Geschwindigkeit (nicht der Fluggeschwindigkeit!) Können Sie nun feststellen, wie schnell Sie tatsächlich fliegen und wie schnell sich der Boden zu bewegen scheint. In 0 Höhen beträgt die (richtig skalierte) scheinbare Bewegung 1: 1. Wenn Sie an Höhe gewinnen, verlangsamt sich die scheinbare Geschwindigkeit des Bodens.

Ben Jackson
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Interessante Technik! Das OP hat einen Kommentar zu dieser Antwort veröffentlicht, in dem es heißt: "Leider können wir aufgrund von Gewichtsbeschränkungen keine visionäre Lösung implementieren." Dennoch wäre es interessant zu sehen, ob diese Technik auch zur Steuerung der horizontalen Fluglage verwendet werden kann.
Kevin Vermeer
Das klingt wirklich schön. : DI wird es unbedingt erwähnen.
Fakemustache
Wenn Sie ein GPS anbringen können, können Sie eine Kamera anbringen. Es mag ein bisschen Mühe kosten, aber Handykameras sind winzig .
Connor Wolf
Das Problem ist nicht die Kamera, das haben wir. Das Problem sind die Kosten (Komplexität) der Bildverarbeitung, da die Kern-CPU damit umgehen muss und wir nicht in der Lage sind, sie zu ändern.
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