Automatisierung eines Kamera-Quadrokopters zur Objektverfolgung

Engelhardt, Thomas; Abel, Dirk; Moormann, Dieter

doi:10.18154/RWTH-2021-05955

Automatisierung eines Kamera-Quadrokopters zur Objektverfolgung = Automation of a camera quadrocopter for object tracking

Engelhardt, Thomas^RWTH*

2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Thomas Engelhardt

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Abel, Dirk (Thesis advisor)^RWTH* ; Moormann, Dieter (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-05-07

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-05955
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/820967/files/820967.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Regelungstechnik (416610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Automatisierung (frei) ; Flachheit (frei) ; Multikopter (frei) ; Sensorfusion (frei) ; Trajektorienregelung (frei) ; automation (frei) ; flachheitsbasierte Regelung (frei) ; flatness (frei) ; flatness-based control (frei) ; multicopter (frei) ; sensor fusion (frei) ; trajectory control (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Mit beeindruckenden Videoaufnahmen aus der Luft lassen sich in Film-, Fernseh- und Marketingproduktionen besondere filmische Akzente setzen. Solche Videosequenzen werden häufig mit Kamera-Quadrokoptern erstellt. Die Steuerung eines Quadrokopters per Fernsteuerung erfordert allerdings viel Erfahrung und Geschick, insbesondere wenn dynamische Aufnahmen von bewegten Motiven gedreht werden sollen. Es ist daher attraktiv, die Aufgaben des Piloten zu automatisieren und den Kamera-Operator durch Assistenzfunktionen bei der Kameraführung zu unterstützen. Gegenstand dieser Arbeit ist daher die Automatisierung eines Kamera-Quadrokopters zur Verfolgung von bewegten Objekten für Filmzwecke. Um die nichtlineare Dynamik des Quadrokopters ausnutzen zu können, wurde eine flachheitsbasierte Regelung entwickelt. Diese berücksichtigt Störungen durch Wind, die von einem Störgrößen-Beobachter geschätzt werden. Neben dem Beweis der Flachheit wurde in der Arbeit die quasi-statische Zustandsrückführung hergeleitet, die die Systemdynamik eingangs-/zustandslinearisiert, und eine kaskadierte Trajektorienregelung entworfen. Für die unterschiedlichen Assistenzfunktionen wurden mehrere Methoden zur Trajektoriengenerierung implementiert. Als Sensorfusion zur Schätzung des Systemzustandes wurde ein Erweitertes Kalman-Filter ausgelegt, das als Sensorik eine IMU und einen GNSS-RTK-Empfänger nutzt. Zur Vorbereitung auf die Nutzung des europäischen Satellitennavigationssystems Galileo wurde im Testgebiet automotiveGATE ein experimenteller GPS- und Galileo-Empfänger auf dem Quadrokopter getestet. Zur Erprobung der entwickelten Automatisierung wurde ein Quadrokopter-Prototyp aufgebaut. Außerdem wurde ein Handbediengerät mit Touchscreen und Joystick realisiert, das dem Operator erlaubt, das System zu kommandieren. In Flugversuchen wurde u. a. demonstriert, wie der Quadrokopter ein Zielobjekt automatisch verfolgt und seine Kamera eigenständig so ausrichtet, dass das Zielobjekt mittig im Kamerabild zu sehen ist.

Stunning aerial videos can be used in movie, television, and marketing productions as special cinematic means. Such video footage is often created by camera quadrocopters. Controlling a quadrocopter by a radio controller however requires profound experience and skills, especially if dynamic video sequences of moving motifs are to be shot. It is therefore desirable to automate the pilot's tasks and to support the camera operator in camera guidance by assistance functions. Thus, the topic of this thesis is the automation of a camera quadrocopter for tracking of moving objects for cinematic purposes. A flatness-based controller was developed to leverage the nonlinear dynamics of the quadrocopter. This controller also takes into account the disturbances by wind, which are estimated by a disturbance observer. Besides the proof of flatness, the quasi-static state feedback, which linearizes the input-state system dynamics, was derived and a cascaded trajectory controller was designed in this thesis. Several trajectory generation methods were implemented for the different assistance functions. As sensor fusion for system state estimation, an Extended Kalman-Filter was applied, which uses an IMU and a GNSS-RTK-receiver as sensor inputs. To prepare for the usage of the European navigation satellite system Galileo, an experimental GPS- and Galileo-receiver was tested on the quadrocopter in the test facility automotiveGATE. A quadrocopter prototype was built to test the developed automation. Furthermore, a handheld device with touchscreen and joystick was realized, which allows the operator to command the system. It was demonstrated in flight tests, how the quadrocopter e. g. automatically follows a target object and rotates its camera in such way that the target object appears centered in the camera image.

OpenAccess:
PDF
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