Diplomarbeit

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Universelle Kontrolle und Überwachung einer AR.Drone 2.0
auf Basis eines offenen und erweiterten Toolkits
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Die Diplomarbeit mit dem Titel „Universelle Kontrolle und Überwachung einer AR.Drone 2.0 auf Basis eines offenen und erweiterten Toolkits“ besteht aus drei Teilen:

  • Die Grundlagen beschreiben zunächst die Eigenschaften von Quadcoptern, dann im Speziellen die der AR.Drone 2.0 von Parrot. Hierbei werden neben technischen Spezifikationen, den verbauten Sensoren und den Übertragungsprotokollen, auch die Flugeigenschaften bei verschiedenen Manövern wie z.B. Start/Landung, Schweben, einfacher Flug oder Drehung analysiert und erläutert.
  • Der erste Teil der eigentlichen Diplomarbeit beschreibt die Anforderungen und Funktionsweisen einer in Python geschriebenen Programmierschnittstelle für eine AR.Drone 2.0. Die Stärken des Toolkits soll­ten sowohl bei der einfachen als auch vollständigen Nutzbarkeit der von der Drohne zur Ver­fü­gung gestellten Features, wie die Nutzung der Sensordaten, der Kamerabilder sowie das Setzen von Konfigurationen liegen.
  • Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Lagekontrolle von Multicoptern im Allgemeinen, im Speziellen jedoch mit der AR.Drone 2.0. Im Rahmen dieses Teils entstand unter anderem ein Framework zur Bewegungssteuerung, welches unabhängig von der Firmware der Drohne arbeitet und auch deren Limitierungen aufhebt.

Mit dem PdG-Drone-Toolkit wurde eine vollwertige Alternative zum offiziellen SDK der AR.Drone 2.0 entwickelt. Das vorgestellte Toolkit ist dabei nicht nur in der Lage, die Drohne gezielt zu steuern, sondern auch umzukonfigurieren und alle bekannten Sensordaten der Drohne in Echtzeit zu empfangen und auszuwerten.
Durch ihre einfache Handhabung ist die PdG-Drone ein perfekter Einstieg für Programmieranfänger, die innerhalb kürzester Zeit erste Erfolge erzielen werden. Jedoch werden auch die Ansprüche erfahrener oder professioneller Programmierer bedient, somit eignet sich PdG-Drone ideal für Unterrichtszwecke oder als Werkzeug zur Lösung akademischer Fragestellungen.
Die Namensgebung der Variablen, Sensordaten und Befehle sind an die des offiziellen SDKs von Par­rot angelehnt, um bei Fragen auch in alternativen Internetforen oder Literatur fündig zu werden.

So ist auch die Steuerung der Drohne durch Gesten, also die Reaktion auf definierbare optische Reize,  problemlos realisierbar. Das Konzeptprogramm „Matador“  lässt die Drohne beispielsweise wie ein Stier ein rotes Tuch angreifen. Das Programm „Hund“, bei dem ein Ball fixiert, verfolgt und nach dem Werfen gesucht wird, stellt ein weiteres einfach realisierbares Beispiel dar.

Durch die Möglichkeit der Drohne, sensorische Informationen der Umgebung zu sammeln, liegt die Entwicklung einer autonomen Navigation durch den Raum nahe. Die dafür zu lösenden Teilbereiche sind beispielsweise die Einschätzung der eigenen Position im Raum und das Erkennen von Hindernissen.
Somit sind, vorausgesetzt die Flugzeit der AR.Drone 2.0 wird entsprechend erhöht, auch professionelle Einsatzgebiete denkbar. Lösungen für die autonome Suche von Rehkitzen in Feldern, die selbstständige Lieferung kleiner Güter, oder die optische Verfolgung bzw. Überprüfung von Stromleitungen in Katastrophengebieten sind denkbar.

Die Lagestabilisierung von Multicoptern, mit be­son­de­rem Augenmerk auf die AR.Drone 2.0, wurde ebenfalls sehr erfolgreich gelöst. Durch den ungünstigen Schwerpunkt von Multicoptern erreicht man zwar eine hohe Wendigkeit, erkauft sich diese jedoch mit extremer Instabilität. Hier wurde ein sehr robuster, gutmütiger und all­ge­mein­gül­ti­ger Algorithmus zur Lageregelung entwickelt und beschrieben, der bei prinzipiell allen Multicoptern an­ge­wendet werden kann. Die Umsetzung erfolgte unter Zuhilfenahme des zuvor beschriebenen PdG-Drone-Toolkits mit der vorliegenden Drohne. Das Ergebnis ist das Programm „PdG-Flight“, welches die Bewegungsfunktionen der Drohnen-Firmware nachempfindet, jedoch vollständig extern kontrolliert wird und weniger Limitierungen kennt als das Bordsystem.

Nach der Abstimmung mit dem betreuenden Professor, wurde dieses von Anfang an als ein Open-Source-Projekt geplant und entwickelt. Da die genaue Li­zenz bis zur Abgabe nicht feststand, ist diese nicht explizit im schriftlichen Teil der Arbeit erwähnt. Die gesamte Diplomarbeit jedoch, wie auch die Weiterentwicklung „PS-Drone“, wurde unter die Artistic Licence 2.0 gestellt, eine sehr liberale und OSI (Open Source Initiative) konforme Open-Source-Lizenz der Perl Foundation.
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