Projekt: Avionic Architecture

Projekt: Avionic Architecture

Präsentation der Projektgruppe Avionic Architecture

Inhalt:

Warum findet dieses Projekt statt?

In den Masterstudiengängen Informatik sowie Eingebettete Systeme und Mikrorobotik an der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg findet planmäßig im zweiten Semester eine Projektgruppe statt. Im Rahmen dieser Projektgruppe sollen die Teilnehmer im Team eine komplexe Aufgabe aus dem Bereich der Informatik umsetzen. Primär werden Kenntnisse im Projektmanagement und Erfahrungen in der Arbeit als Team erworben. Die Projektgruppe dauert ein Jahr und es wird von den Teilnehmern erwartet sich innerhalb dieses Jahres als geschlossenes Team mit der Lösung dieser Aufgabe zu befassen. Bedingt durch die Teilnehmeranzahl von bis zu zwölf Personen werden hierbei auch Fähigkeiten wie Kompetenzen für Problemlösungen sowie Konfliktbewältigung trainiert.

Die Projektgruppe Avionic Architecture (PGAA) wird im Sommersemester 2014 und Wintersemester 2014/15 von der Abteilung Eingebettete Hardware- und Software-Systeme unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Nebel und Prof. Dr. rer. nat. Achim Rettberg in Zusammenarbeit mit dem OFFIS e. V. organisiert. Als Betreuer sind der Projektgruppe Malte Metzdorf, Henning Schlender und Sören Schreiner zugeordnet.

Diese Projektgruppe richtet sich in erster Linie an Studenten der Studienrichtung Eingebettete Systeme und Mikrorobotik. In diesem Studiengang befinden sich sowohl Absolventen des Bachelorstudiengangs Informatik als auch anderer gleichwertiger Studiengänge wie z.B. Elektrotechnik, Technische Informatik oder Mikrosystemtechnik.

Motivation für die Einsatzszenarien

"Fliegender" Postbote (Quelle: http://welt.de/wirtschaft/article122740502/DHL-testet-in-Bonn-Zustell-Drohne-Paketkopter.html)

Multikopter sind heutzutage in vielen universitären und industriellen Einrichtungen Gegenstand aktueller Forschungsgebiete. Die Verwendung unbemannter Flugobjekte bietet neue Anwendungsmöglichkeiten und kann die Kosten, welche ansonsten durch kostspielige Zusatzhardware entstehen, reduzieren. 

Das Einsatzgebiet erstreckt sich hierbei von fliegenden Postboten (s. Abbildung) oder Pizzalieferanten über die Vermessung, Kartierung und Inspektion von Geländeflächen und industrieller Anlagen bis hin zum fliegenden Kameramann für spektakuläre Filmaufnahmen aus der
Luft. 

Neben den kommerziellen Anwendungen ist auch im Hobbybereich ein steigender Trend in den Multikopteranwendungen zu erkennen. Dies wird durch Open-Source-Projekte und einschlägige Foren, welche einen den Einstieg in die Welt der unbemannten Flugobjekte erleichtern, weiter begünstigt. Gerade im Bereich der Luftbildaufnahmen ist ein wachsendes Interesse zu verzeichnen. Nicht zuletzt durch Crowdfunding-Projekte, welche mit Hilfe eines Multikopters und einer hochauflösenden Kamera unvergleichbare Videos aus unterschiedlichsten Blickwinkeln aufzeichnen.

Hinführung zur Problematik

Aufgabenstellung und Zielsetzung

Im Rahmen dieser Projektgruppe soll ein "mixed-critical"-System entwickelt werden, welches neben einer sicherheitskritischen Anwendung eine einfache, aber rechenintensive Anwendung umfasst. Dabei werden beide Anwendungen mit unterschiedlicher Priorität (Kritikalität) gleichzeitig auf einer Plattform verarbeitet. Als Basis hierfür dient ein Multikopter, für den eine sicherheitskritische Avionik kombiniert mit einer rechenintensiven nicht sicherheitskritischen Anwendung umgesetzt werden soll.

Aufbau des "mixed-critical"-Systems

Der Systementwurf soll hierbei modellgetrieben erfolgen. Der Vorteil der modellgetriebenen Entwicklung in diesem Kontext ist vor allem die Qualitätssicherung. Das entwickelte Systemmodell kann durch eine Simulation getestet und validiert werden.

Ziel dieser Projektgruppe ist solch ein "mixed-critical"-System modellgetrieben zu entwickeln, sodass das durch die Projektgruppe definierte Szenario erfüllt wird.

Was ist die Avionik?

Als sicherheitskritische Anwendung soll die „Avionik“ eines Multikopters entwickelt werden. Der Begriff „Avionik“ leitet sich aus dem lateinischen Wort „Avis“ (dt. Vogel) und „Elektronik“ ab, und bezeichnet im allgemeinen Sprachgebrauch die Gesamtheit aller elektronischen und elektrischen Systeme eines Fluggerätes.

In diesem Projekt ist „Avionik“ konkreter zu verstehen  als die Gesamtheit der Subsysteme zur Steuerung und Regelung des Multikopters. Die Avionik verarbeitet die Signale der Fernbedienung und setzt diese in die gewünschte Fluglage und den gewünschten Auftrieb des Multikopters um. Hierzu werden die Rotoren auf Basis verschiedener Sensorwerte (Gyroskope, Beschleunigungssensoren, Kompass) entsprechend angesteuert.

Die Ansteuerung der Motoren ist höchst sicherheitskritisch, da ein jederzeit stabiles und kontrollierbares Flugverhalten Voraussetzung ist, um potentielle Beschädigungen der Umgebung, aber auch des Multikopters selbst zu verhindern. Vor allem Menschen in der Umgebung des Multikopters dürfen unter gar keinen Umständen gefährdet werden.

Was ist die nicht sicherheitskritische Anwendung?

Die nicht sicherheitskritische Anwendung kann frei gewählt werden. Als Einschränkung ist eine hohe Rechenintensität gefordert.

Idee

Eine mögliche nicht sicherheitskritischer Task ist die Erkennung von Objekten mit Hilfe einer am Multikopter angebrachten Kamera. Durch die Kamera werden dabei Bilder der Umgebung aufgenommen und unter Verwendung diverser Bilderverarbeitungsmethoden analysiert. Daraus ergeben sich zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, wie z.B. die Stau-Erkennung im Straßenverkehr oder das Scannen von Gebäuden zur Erstellung von 3D-Modellen. Ein weiteres Szenario wäre der Einsatz des Multikopter als „fliegender Kameramann“ oder als „fliegender Linienrichter“ bei Sportveranstaltungen.

Konzept

Die Kamera erkennt ein zuvor definiertes Objekt und verfolgt dieses unabhängig von den Bewegungen des Multikopters. Der Multikopter wird weiterhin von einem Piloten gesteuert. Die Videosequenzen werden über eine Funkverbindung an eine Bodenstation gesendet, welche das Live-Bild an weitere Endbenutzer weiterleitet.

Mögliches Konzept für die Objekterkennung

Verantwortliche Ansprechpartner für dieses Projekt

(Stand: 16.03.2023)  |