IV. Hardware im MiteSens Projekt
Die MiteSens FlightControl (FC) Hardware ist eine innovative und professionelle Neuentwicklung, die vom multisensorischen Design, der Zeitsynchronisation und der Motoransteuerung her alle technologischen Anforderungen zum nahtlosen UAV Out/Indoor Flug (Navigation/SLAM und Steuerung), zum Monitoring des Pflanzenbestandes (Photogrammetrie- und Georeferenzierungsaufgaben) und zum Datenmanagement der MiteSens UAS zu leisten hat. Dabei wird u. a. die taktische IMU von Analog Devices verwendet, um präzisen 3D-Beschleunigungs- und Drehratendatenwerte als Komponente der multisensorischen Datenfusion (GNSS, MEMS, Optik) zur Navigationszustandsschätzung und SLAM bereitzustellen. Weitere MEMS-Sensoren des FC-Boards sind eine zweite Onboard-IMU, ein 3D Magnetfeldsenor, ein Inklinometer sowie ein barometrischer Sensor. Als Controller wird der STM32H7 Cortex M7 Microcontroller verwendet.
Abb. 1: 3D-Ansicht der kompakten NAVKA MITESENS FC Hardware
Die hochpräzise Zeitsynchronisation der FC Box (Abb. 1) ist essentiell, um die geforderte Genauigkeit der Navigationszustandsschätzung und des SLAM in Position und Orientierung zu erreichen, sowie um einen einheitlichen Zeitbezug für die photogrammetrischen Georeferenzierung des 3D-Voxelmodells, der Roh- und der klassifizierten Bilddaten bereitzustellen. Sie wird durch die Verwendung der IEEE1588-Zeitsynchronisationsstandards und über Ethernet-Verbindungen der Komponenten erreicht. Das hochpräzise Multi-GNSS-Multifrequenz-ZED F9-Modul kann im Außen- und Innenbereich als Referenzuhr zur Zeitsynchronisation und im Außenbereich als präzise DGNSS- und PPP-Positions- und Geschwindigkeitskomponente für die Sensordatenfusion bei der Navigationszustandsschätzung und SLAM verwendet werden.
Der MITESENS Flight Controller (FC) kann mit einer 6V-Batteriespannung als Systemeingang betrieben werden und verfügt über mehrere Spannungsausgänge, um die Bordsensoren sowie externe 12-V-Geräte (Multispektralkamera, Laserscanner, Stereokamera) mit Strom zu versorgen. An Bord der FC befinden sich zwei 120-A-Stromsensoren, um die Spannung und den Stromverbrauch der FC zu überwachen, ferner können externe Sensoren zur Strommessung über Onboard-Steckverbinder an die FC angeschlossen werden.
Die sensorischen Highlights der MITESENS FC sind
- Tactical Grade Inertial Measurement als Bestandteil der Navigationszustandsschätzung und SLAM
- Positionsgenauigkeit im Zentimeter- und Subzentimeterbereich durch GNSS PPP und DGNSS RTK
- Hochgeschwindigkeits-Mikrocontroller mit bis zu 480 MHz zur effizienten Verarbeitung hoher Datenraten von den MEMS-Sensoren
- IEEE 1588-Zeitsynchronisation unter Verwendung von MEMS (IMU) zu GNSS-Zeitimpulsen als Referenz
- Ethernet-Schnittstelle für Highspeed-Datenkommunikation
- Neigungsmesser und Magnetometer zur Verbesserung der Lageinformationen in der Navigationszustandsschätzung, SLAM- und Georeferenzierungsalgorithmen
- Redundante Trägheitssensorik
- Option zur externen Anbindung von bis zu 2 weiteren GNSS-Modulen
- Onboard integriertes GNSS U-BLOX F9P-Modul
- Selektive Authentifizierung der Startberechtigung
Die MITESENS-Hardware wurde mit Autodesk Eagle PCB als 4-Lagen-Platine entwickelt. Das Boardsdesign ist robust, und die FC kann sowohl für die Remote Control als auch für die autonome Navigation und Steuerung von UAV eingesetzt werden. Die Energieverwaltung erfolgt effizient, sodass die FC-Box als Gesamtsystem auch die Stromversorgung und den Betrieb externer Sensorik leisten. Zur Stromversorgung externer Geräte stehen weitere geregelte 12V zur Verfügung. Die Taktquelle zum Mikrocontroller und Ethernet-PHY wird durch die 0-Ohm-Jumper-Konfiguration konfigurierbar gehalten. Über die Anschlüsse auf der Oberseite der Platine können verschiedene externe IEEE 1588 zeitsynchronisierte Geräte (Lidar, Kamera, Distanzsensoreinheiten) an die FC-Box angeschlossen werden. Das Systemdesign ist darauf ausgelegt, die Anbindung von bis zu 3 GNSS-Modulen an die FC-Box-Hardware zu berücksichtigen. Eine Boot-Auswahl zur MCU erfolgt über den Schalter. Zur Startberechtigung kann eine zusätzliche Antenne zur Identifizierung verwendet werden.
