SU17-Forschungsdrohne – PX4-Open-Source-Industriedrohnenentwicklung mit MID-360 LiDAR, Quad-Kamera-SLAM, EGO-Swarm

Überblick

Die SU17 Research Drone ist ein Hochleistungs-Quadrocopter mit einem 6000mAh Akku, MID-360 LiDAR für 3D-Mapping, SLAM-System mit vier Kameras zur präzisen Lokalisierung und integrierte GPS+GLONASS-PositionierungMit einem Startgewicht von 2,3 kg und ein Nutzlastkapazität von 200 gbietet es 21 Minuten Flugzeit im visuellen Positionierungsmodus. Angetrieben von der Prometheus-Software unterstützt es Zielerkennung, Pfadplanung und autonome Navigation und ist damit ein Industriequalität Lösung für Forschung und Innovation.

Hardwareparameter

Flugzeug

Parameter	Beschreibung
Flugzeugtyp	Quadrocopter
Abfluggewicht (ca.)	2,3 kg (mit Schutzhülle und Batterie)
Diagonale Entfernung	320 mm
Maße	Länge: 442 mm, Breite: 388 mm, Höhe: 174 mm (ohne Schutzhülle)
Maximale Nutzlast	200 g
Schwebeflugzeit	Ca. 13 min (bei Hover bei 100%, nicht unter 0%), visuelle Positionierung: 21 min
Schwebegenauigkeit	GPS: Vertikal ±1,5 m, Horizontal ±2,0 m
	3D-LiDAR-SLAM: Vertikal ±0,08 m, Horizontal ±0,08 m
	Visuelles SLAM mit 4 Kameras: Vertikal ±0,05 m, Horizontal ±0,05 m
Windwiderstandsstufe	Stufe 4
Betriebstemperatur	-10°C bis 40°C
Haupt-MCU-Chip	STM32H743
IMU	ICM42688/BMI088
Barometer	MS5611
Kompass	QMC5883L
Schnittstelle	USB Typ C

Bordcomputer

Parameter	Beschreibung
Prozessor	Intel Core i5-8365U
Speicherkapazität	8 GB
Speicherfrequenz	LPDDR3@2133MHz
Lagerung	256 GB NVMe SSD
Netzwerkport	Baidu Apollo Ethernet X2, 12V@3A power Versorgung, unterstützt IEEE 1588-2008 (PTP v2)
Serielle Schnittstelle	TTL-Serieller Anschluss X2, 5V/3.3V@500mA power Versorgung
USB	Typ C X2 (1x USB2.0, 1x USB3.0)
HDMI	HDMI 1.4

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Akku

Parameter	Beschreibung
Modell	SU17-L
Akku-Typ	Hochdruck-Lithium-Polymer-Batterie
Nennspannung	26,4 V (max.), 21 V (min.)
Speicherspannung	22,8 V (typisch)
Nennkapazität	Akku mit 6000 mAh
Gewicht	680 g
Maße	Länge: 85,2 mm, Breite: 86.5 mm, Höhe: 135 mm

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Fernbedienung

Parameter	Beschreibung
Modell	QE-2
Kanäle	8
Sendeleistung	18 bis 20 dBm
Gewicht	294,1 g

Kardangelenk

Parameter	Beschreibung
Kontrollierbarer Winkel	-90° ~ 30° (Neigungsachse)
Streaming-Protokoll	RTSP (Standard)
Kodierungsformat	H.264
Auflösung	1080P bei 25 Bildern pro Sekunde
Diagonales Sichtfeld (D)	120°
Vertikales Sichtfeld (V)	54°
Horizontales Sichtfeld (H)	95°

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Bildübertragung

Parameter	Beschreibung
Betriebsfrequenz	2,4 GHz
Sendeleistung	18 dBm
Kommunikationsreichweite	3 km (keine Störungen, kein Hindernis)
Bildbereich	1 km (minimale Störungen, kein Hindernis)
Maximale Bandbreite	40 Mbit/s

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Vierfache Tiefenkamera

Parameter	Beschreibung
Vision-Beschleuniger	Intel Movidius Myriad X VPU
Maximale Auflösung	1296 x 816
Maximale Bildfrequenz	1280 x 800 bei 120 fps
Verschlusstyp	Global Shutter
Kodierungsformat	8/10-Bit-Einzelstream
Sichtfeld	150° diagonales Sichtfeld, 127,4° horizontales Sichtfeld, 79,7° vertikales Sichtfeld
Anzahl der Sensoren	4 (2 vorne + 2 hinten)
IMU	BMI270

GNSS

Parameter	Beschreibung
Horizontale Genauigkeit	1,5 m CEP (mit SBAS)
Geschwindigkeitsgenauigkeit	0,05 m/s
Betriebsart	GPS + GLONASS + BDS + GALILEO + SBAS + QZSS

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Ladegerät

Parameter	Beschreibung
Modell	LK150-2640500
AC-Eingangsspannung	100 V bis 240 V
DC-Eingangsspannung	26.4V
Gewicht	460 g
Ladestrom	5A

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3D-LiDAR

Parameter	Beschreibung
Modell	MITTE-360
Laserwellenlänge	905 nm
Messbereich	40 m bei 10 % Reflektivität
Sichtfeld	Horizontal 360°, Vertikal -7° ~ 52°
Mindestreichweite	0,1 m
Punktfrequenz	10 Hz (typisch)
Punktausgabe	200.000 Punkte/s
Datenschnittstelle	100 BASE-TX Ethernet
Datensynchronisation	IEEE 1588-2008 (PTP v2), GPS
Eingebaute IMU	ICM40609
Versorgungsspannung	7 bis 27 V
Maße	65 mm (B) x 65 mm (T) x 60 mm (H)
Gewicht	115 g
Betriebstemperatur	-20°C bis 55°C

Softwareparameter

Bordcomputer

Parameter	Beschreibung
Modell	Intel Core i5-8365U
System	Ubuntu 20.04
Benutzername	amov
Passwort	amov
ROS	noetisch
OpenCV	4.7.0
Visuelles Positionierungssystem	BSA_SLAM V1

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Prometheus Software

Parameter	Beschreibung
Version	Version 2.0
PrometheusGroundStation-System	v1.24.11.27 (Endgültige Version basierend auf dem Wiki-Release-Protokoll)

Details

SU17 Forschungsausgabe

Forschungsdrohne in Industriequalität

• Optionales 3D-LiDAR: Ermöglicht die Kartierung, Positionierung und Vermeidung von Navigationshindernissen.
• Prometheus Autonome Drohnensoftware: Zahlreiche Demos zum schnellen Erlernen der Drohnensteuerung.
• Flugplattform in Industriequalität: Stabil und offen, setzt einen neuen Standard für die Leistung von Forschungsdrohnen.

Hauptmerkmale

Die SU17-Forschung Drohnen-Entwicklungsplattform (als SU17 bezeichnet) verwendet ein integriertes Design, das Flugsteuerungen, Bordcomputer, SLAM-Module mit vier Kameras, Cloud-Kameras und Bildübertragungsmodule für eine hochgradige Integration umfasst und die Hardwarestabilität und -zuverlässigkeit deutlich verbessert. Ausgestattet mit der autonomen Drohnensoftware Prometheus unterstützt der SU17 Funktionen wie Zielerkennung, Verfolgung und Pfadplanung für verschiedene Flugsteuerungsszenarien.

Es integriert optional den MID-360 3D LiDAR, kombiniert mit dem FAST-LIO-Algorithmus, um 3D LiDAR SLAM zu erreichen und bietet präzise Umgebungssensoren und Positionsinformationen. In Verbindung mit dem EGO-Swarm-Pfadplanungsalgorithmus ermöglicht es effizientes Echtzeit-3D-Mapping und Hindernisvermeidung in komplexen Umgebungen.

Prometheus V2 Softwaresystem

Die Entwicklungsplattform basiert auf dem Open-Source-Framework ROS und Prometheus und bietet umfangreiche Funktionen und umfangreiche sekundäre Entwicklungs-APIs für eine effiziente Neuprogrammierung. Sie bietet Zugriff auf Positionsinformationen, Flugmodi, Batteriestatus, IMU-Daten und andere Schnittstellen für Drohnenstatus- und Sensordaten sowie Steuerschnittstellen für Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Fluglage.

Darüber hinaus enthält es Anwendungsbeispiele für zugehörige APIs. Darüber hinaus verfügt die Drohne über Sicherheitsprüffunktionen für den Flugbetrieb (Anti-Crash), die einen automatischen Abstieg unter anormalen Bedingungen ermöglichen, das Absturzrisiko verringern und einen sichereren Entwicklungsprozess gewährleisten.

SpireCV Vision-Bibliothek

Die SpireCV Vision Library ist ein SDK zur Echtzeit-Bildverarbeitung, das speziell für intelligente UAV-Systeme entwickelt wurde. Es bietet Funktionen wie Kardan- und Kamerasteuerung, Videospeicherung und -streaming, Zielerkennung, -erkennung und -verfolgung.

Dieses SDK soll Entwicklern intelligenter UAV-Systeme hohe Leistung, Zuverlässigkeit und eine optimierte Schnittstelle bieten. Mit einer funktionsreichen visuellen Verarbeitungslösung ermöglicht es Entwicklern die effiziente Implementierung verschiedener komplexer visueller Anwendungen.

Bodenstation Prometheus

Die Prometheus Ground Station ist eine Mensch-Drohne-Interaktionsschnittstelle, die auf Basis des Prometheus-Systems entwickelt und mit Qt-Technologie erstellt wurde. Sie ermöglicht eine schnelle Replikation der Funktionen des Prometheus-Systems und bietet Echtzeitüberwachung und 3D-Visualisierung des Drohnenstatus und der Steuerungsdaten.

Über die Bodenstation können Benutzer Befehle wie Abheben mit einem Klick, Schweben an der aktuellen Position, Landen und Positionskontrolle ausführen. Darüber hinaus unterstützt das System benutzerdefinierte Funktionstasten zum Starten benutzerdefinierter Skripte oder Senden benutzerdefinierter Nachrichten, wodurch der Komfort, die Effizienz und die Skalierbarkeit von Benutzervorgängen erheblich verbessert werden.

Leistungsstarke Erweiterung

Hardware-Erweiterungsports

• Serieller Anschluss 1

• Serieller Anschluss 2

• Netzwerkport 1

• Netzwerkanschluss 2

• USB-Anschlüsse:

  • USB 3.0 (kompatibel mit USB 2.0)
  • USB 2.0

Hardware-Framework

Das Bild veranschaulicht die Hardwarearchitektur der SU17-Drohne und hebt die Integration verschiedener Komponenten zur erweiterten Datenverarbeitung und Systemsteuerung hervor:

1. Kameras (Kamera 1-4):
   Verbunden mit einem VPU (Bildverarbeitungseinheit) für die Front-End-Vorverarbeitung.

2. VPU:
   Verarbeitet visuelle Daten von mehreren Kameras und leitet sie an die Verarbeitungseinheiten weiter.

3. Zentralprozessor (X86) mit iGPU und OpenVINO:
   Dient als primäre Recheneinheit für die Backend-Verarbeitung und unterstützt netzwerkverbundene Erweiterungsmöglichkeiten für verbesserte Rechenleistung.

4. ARM Single-Chip-Mikrocontroller:
   Interagiert mit der CPU über eine UART-Schnittstelle für zusätzliche Steuerungsfunktionen.

5. Front-End-Pipelining und Kamera 5:
   Verwaltet von einem dedizierten ARM-Prozessor zur weiteren Datenoptimierung.

Dieses Framework integriert mehrere Verarbeitungseinheiten und unterstützt Bildanalyse in Echtzeit, erweiterte Rechenaufgaben und eine nahtlose Kommunikation zwischen Hardwarekomponenten. Es gewährleistet die effiziente Abwicklung komplexer Vorgänge in Forschungs- und Entwicklungsanwendungen.

Software Framework

Das Diagramm veranschaulicht die Softwarearchitektur der SU17-Drohne und hebt die Integration verschiedener Systeme für autonome Funktionalität hervor:

1. BSA_SLAM (Mapping und Lokalisierung):

   • Bietet räumliche Kartierungs- und Positionierungsdaten.
   • Integriert Tiefen- und IMU-Sensoreingänge für eine genaue Umgebungswahrnehmung.

2. SpireCV Bildwahrnehmung:

   • Verarbeitet visuelle Daten, einschließlich Objekterkennung, ROI-Informationen und Zielverfolgung.

3. Benutzeranwendungen:

   • Schnittstellen für benutzergesteuerte Aufgaben wie Datenvisualisierung und Befehlseingabe.

4. Prometheus Bewegungsplanung:

   • Bewältigt die Flugbahnplanung unter Verwendung von Positions-, Geschwindigkeits- und Zieldaten.

5. ASDK-Framework für autonomes Fahren:

   • Dient als zentrale Verarbeitungsschicht und verwaltet den Datenfluss zwischen Sensoren, Kameras, Cloud-Modulen und externen Schnittstellen.
   • Unterstützt mehrere Eingabe-/Ausgabekanäle (z. B. Netzwerkports, serielle Ports).

6. MAVROS:

   • Kommuniziert mit Flugsteuerungssystemen (PX4/FMT) zur Flugzustands- und Positionssteuerung.

7. Cloud-Modul und Multi-Sync-Kameras:

   • Integriert Cloud-basierte Daten für erweiterte Verarbeitung.
   • Synchronisiert visuelle Eingaben für hochpräzise Operationen.

Blaue Linien: Entscheidungspfade für die Trajektorienplanung darstellen.

Diese Architektur weist ein modulares, erweiterbares Design auf, das eine nahtlose Kommunikation zwischen verschiedenen Hardware- und Softwarekomponenten für einen robusten Drohnenbetrieb ermöglicht.

Intelligente Offenheit: Integrierte UAV-Systemlösung

Das Diagramm stellt eine umfassende und offene Architektur für Drohnensysteme dar, wobei der Schwerpunkt auf der Modularität und Integration verschiedener Komponenten liegt:

1. Kernkomponenten:

   • FMT Open-Source-Autopilot: Bietet zuverlässige Flugsteuerung basierend auf modularer Entwicklung und unterstützt unterschiedliche Umgebungen und Datenintegration.
   • PX4 Flugsteuerungssystem: Gewährleistet Stabilität und unterstützt erweiterte modulare Anpassung.
   • SpireCV Vision Perception-Plattform: Konzentriert sich auf die Bildverarbeitung, einschließlich Objekterkennung, Verfolgung und Echtzeit-Videostreaming.

2. Wichtige Rahmenbedingungen:

   • Autonome UAV-Plattform Prometheus: Beinhaltet die Steuerung mehrerer Drohnen, Bewegungsplanung, kollaborative Navigation und reale Simulationen.
   • BSA_SLAM-System: Kombiniert visionbasiertes SLAM und LiDAR-basiertes SLAM für präzise Positionierung und Kartierung.
   • ASDK G/D-Bodenstations-Steuerschnittstelle: Ermöglicht eine nahtlose Kommunikation zwischen Bodenstationen und UAVs zur Überwachung und Anpassung in Echtzeit.

3. Workflow-Integration:

   • Hebt Prozesse wie Bewegungsplanung, Umgebungskartierung und autonome Navigation hervor.
   • Integration mit professionellen Bodenstationen zur Flugbahnkontrolle, Hindernisvermeidung und Echtzeit-Datenverwaltung.

4. Simulationsunterstützung:

   • Enthält ein Simulationssystem für autonome Missionstests, UAV-Steuerung und Komponentenvalidierung.

Dieses System stellt eine hochmoderne Lösung für die Entwicklung autonomer UAVs mit skalierbaren Funktionen für Forschung, Anwendung und Tests in verschiedenen Szenarien dar.

die Strukturkomponenten der Forschungsdrohne SU17, die ihre Stabilität und ihr fortschrittliches Design hervorheben. Zu den wichtigsten Merkmalen gehören die MID360 LiDAR für eine präzise Kartierung, Omnidirektionales Sichtsystem für eine umfassende Umweltwahrnehmung, einachsige kardanische Aufhängung für eine stabile Bildgebung und eine robuste 6S Akku für erweiterte Leistung. Weitere wichtige Komponenten sind die Propellersystem, Antenne, Navigationslichterund ein Micro-SD-Kartensteckplatz zur Datenspeicherung. Das Design integriert modernste Hardware und gewährleistet Zuverlässigkeit und hohe Leistung für verschiedene Forschungsanwendungen.