Nahfeldnavigation unbemannter Flugsysteme zur Inspektion von Infrastrukturen

Eschmann, Christian; Moormann, Dieter; Alles, Wolfgang

doi:35555

Nahfeldnavigation unbemannter Flugsysteme zur Inspektion von Infrastrukturen = Close range navigation of remotely piloted aircraft systems for infrastructure inspection

Eschmann, Christian^RWTH*

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christian Eschmann

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (xii, 172 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Moormann, Dieter (Thesis advisor)^RWTH* ; Alles, Wolfgang (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-11-04

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-096859
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/674927/files/674927.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/674927/files/674927.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Flugsystemdynamik (415410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
RPA (frei) ; RPAS (frei) ; UAS (frei) ; unmanned (frei) ; aircraft (frei) ; remotely piloted (frei) ; close-range (frei) ; navigation (frei) ; infrastructure (frei) ; inspection (frei) ; NDT (frei) ; laser (frei) ; LiDAR (frei) ; LRF (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

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.

As a result of complex and aging structures an ever increasing number of infrastructures prone to damage exists, especially in industrialized countries. At the same time there is a lack of adequate and automated methods for the inspection and monitoring of these infrastructures due to the exposed location as well as the specific design of these objects. On the basis of current developments in the field of robotics, new possibilities are emerging for the use of Remotely Piloted Aircrafts (RPA), which in the case of airborne inspection can be used as flying sensor platforms allowing a less time-consuming data acquisition while saving costs for personnel and materials. The prerequisite for a safe and economical application is the existence of a precise as well as reliable navigation method as a basis for reproducible results of such automated inspection systems.This thesis discusses the safe and defined navigation procedures for the approach, positioning and control of RPA systems in the close vicinity to structures. At first, five airborne non-destructive testing procedures are examined hereto, which are basically available for integration into RPA systems. Based on the explanations of the pursued inspection process, the requirements for the entire system are then formulated. In order to be able to assign a specific RPA platform to the navigation method, a system evaluation is carried out for various RPA configurations based on their characteristics, which concludes with the selection of an appropriate RPA system for the final validation of the navigation method. Equivalent to the RPA, three measuring methods basically available are presented and evaluated with regard to their usage as airborne navigation sensors. The final sensor technology is then determined in a direct comparison followed by the selection of a specific navigation sensor. The selected sensor is subjected to an in-depth evaluation providing information about the exact, individual sensor behavior. The knowledge of these sensor characteristics is essential for the development of a complex sensor model. The core aspect of the close-range navigation is first formulated in a general approach, which is then subsequently adapted to the previously identified inspection criteria as well as the selected navigation sensor. In a next step the integration concept is presented which specifically contains the modeling of the position control on the basis of flight modes as well as the modeling of a complex LiDAR sensor model based on the evaluation results. The integration concept is evaluated in a subsequent simulation using an individually created scenario under laboratory conditions. Finally the basic function of the indicated close-range navigation method is demonstrated during flight tests using a real RPA system.

OpenAccess:
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