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A. Brandstätter:
"Local Positioning System for Quadcopters";
Supervisor: R. Grosu, C. Hirsch, B. Frömel; Institute of Computer Engineering, 2019; final examination: 2019-06-07.

In recent times there has been a huge development in the field of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). Quadcopters and other types of UAVs have become smaller, more powerful and cheaper. Given the availability of UAVs in a wide range of quality classes from consumer market to professional, industrial, and research applications they are not only operated outdoors but also used for an increasing number of indoor applications. UAVs can either be operated completely manually or employ assistive technologies like flight path recording or autopilot systems. For these types of indoor navigation it is essential to have accurate, timely and reliable location data which can be determined by a Local Positioning System (LPS). It is necessary to achieve a sufficient accuracy and reliability for such a LPS to safely move UAVs without crashing and hitting any obstacles. In this thesis we are dealing with the following problem: Given a bounded 3-dimensional space (indoor location), the position of an UAV should be determined within a certain precision in this space. In this work we implement a LPS based on ultrasonic signals. On the UAV a sender is placed which transmits ultrasonic signals. At the indoor location, where the UAV is operated, there are fixed receivers placed which receive the ultrasonic signals. Depending on the propagation speed of the signal and the position of the UAV the signal is received at different time instants by each receiver. Based on the differences of these time instants and the known propagation speed for the signal, which is the speed of sound in the case of ultrasonic signals, the position of the UAV is calculated. The tests which we carried out, show that the implemented LPS is capable of determining the position of an UAV at an indoor location. The position is determined with a rate of 14Hz. For static positions the standard deviation is 1.9 to 4.9cm in horizontal direction and 5.8 to 13.4cm in vertical direction. For a moving object the standard deviation is 6.0 to 7.3cm in horizontal direction. Our tests demonstrate the fitness of the implemented LPS to be used in an autopilot setup for a quadcopter. The quadcopter is able to follow a path consisting of pre-defined waypoints.

Der Bereich unbemannter Luftfahrzeuge (uLFZ), welche umgangssprachlich auch als Drohnen bezeichnet werden, entwickelte sich in jüngster Vergangenheit rasch weiter. Quadrokopter und andere Arten von uLFZ wurden bedeutend kleiner, leistungsstärker und kostengünstiger. Aufgrund der Verfügbarkeit in verschiedensten Qualitätsklassen von Unterhaltungselektronik bis hin zu professionellen, industriellen und der Forschung dienenden Anwendungen, werden diese uLFZ nicht nur im Außenbereich, sondern auch für eine steigende Anzahl an Anwendungen in Innenräumen eingesetzt. uLFZ können entweder ausschließlich manuell gesteuert werden, oder technische Unterstützungssysteme, wie etwa die Aufzeichnung des Flugpfades oder Autopilot-Funktionen, bereitstellen. Für diese Arten der Navigation in Innenräumen sind präzise, rasch verfügbare und verlässliche Positionsdaten wesentlich. Diese können durch ein lokales Positionssystem ermittelt werden. In der vorliegenden Arbeit wird daher die folgende Problemstellung behandelt: Gegeben sei ein begrenzter dreidimensionaler Raum, in welchem die Position eines uLFZ mit einer definierten Genauigkeit festgestellt werden soll. In dieser Arbeit wird ein solches Lokalisierungssystem auf Basis von Ultraschallsignalen implementiert. Auf dem uLFZ wird ein Sender platziert, welcher Ultraschallsignale aussendet. Im Raum, in welchem das uLFZ betrieben werden soll, werden mehrere ortfeste Empfänger platziert, welche die ausgesendeten Ultraschallsignale empfangen. Abhängig von der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals und der Position des uLFZ wird das Signal von jedem Empfänger zu unterschiedlichen Zeitpunkten empfangen. Basierend auf den Unterschieden dieser Zeitpunkte und der bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals, welche im Fall von Ultraschallsignalen die Schallgeschwindigkeit ist, wird die Position des uLFZ berechnet. Die durchgeführten Tests zeigen, dass mit dem implementierten System die Position eines uLFZ in Innenräumen erfolgreich festgestellt werden kann. Die Positionsbestimmung erfolgt mit einer Frequenz von 14Hz und liefert für statische Postitionen eine Standardabweichung von 1.9 bis 4.9cm in horizontaler und 5.8 bis 13.4cm in vertikaler Richtung. Für bewegte Objekte erhöht sich diese auf 6.0 bis 7.3cm in horizontaler Richtung. In den Tests konnte die Tauglichkeit des implementierten Systems für die Verwendung in einem Autopilot-System gezeigt werden. Der Quadrokopter kann damit selbständig einem Pfad, bestehend aus vordefinierten Wegpunkten, folgen.

Localization, Quadcopter, Indoor, Unmanned Aerial Vehicle, UAV, Local Positioning System, Autopilot

https://publik.tuwien.ac.at/files/publik_284107.pdf