Automatisierung eines Kamera-Quadrokopters zur Objektverfolgung

• Automation of a camera quadrocopter for object tracking

Engelhardt, Thomas; Abel, Dirk (Thesis advisor); Moormann, Dieter (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

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.