Hochauflösende Radarsensorik für die Anwendung an zivilen Drohnen

Abstract

Zivile Drohnen finden privat wie auch kommerziell zunehmend Verwendung und werden beispielsweise von Sicherheitsbehörden, als Lieferdrohne oder zur Inspektionen von schwer zugänglichen Objekten genutzt. Für einen benutzerfreundlichen und sicheren Betrieb greifen moderne Drohnen auf eine Vielzahl von Sensoren zurück. Aktuelle Systeme nutzen satellitengestützte Positionsbestimmung, barometrische Höhenmessung und zur Detektion der Umgebung Infrarot-, Ultraschall- und Kamerasensoren. Diese Arbeit stellt Untersuchungen zur Anwendung von hochauflösenden Radarsensoren an Drohnen als Altimeter, für die Kollisionsvermeidung und für die Kartierung der Umgebung vor.

Radar-Altimeter können gegenüber der barometrischen Höhenmessung die Flughöhe über Grund messen und weitere nützliche Informationen, wie etwa das Vorhandensein von Vegetation, bereitstellen. Basierend auf durchgeführte Untersuchungen zur Detektion von Vegetation, zur Notwendigkeit eines Gimbals, zur Nutzung als Landeradar sowie Frequenz- und Bandbreitenbetrachtungen werden mehrere Konzepte und Umsetzung vorgestellt und die Vorteile gegenüber den aktuellen Sensoren gezeigt.

Bei der zwei- und dreidimensionalen Umfelderkennung werden neben der Entfernung und der Geschwindigkeit zusätzlich die Raumwinkel Azimut und Elevation gemessen. Hierfür wurde ein mehrkanaliger Radarsensor mit austauschbarem Antennen-Front-End entwickelt, an dem je nach Anforderung unterschiedliche Antennensysteme montiert werden können. Mit hoher Entfernungs- und Geschwindigkeitsauflösung sowie einem großen Sichtbereich konnte bei der zweidimensionalen Umfelderkennung gezeigt werden, dass die Detektion von stationären, bewegten und schwachen Zielen, z.B. kleine Drohnen oder feine Teile der Vegetation möglich ist. Die direkte Geschwindigkeitsmessung als Alleinstellungsmerkmal der Radarsensorik konnte zudem genutzt werden, um aus der Zielantwort die Eigenbewegung der Drohne zu bestimmen. Um unter Berücksichtigung der limitierten Nutzlast von Drohnen bei der dreidimensionalen Umfelderkennung beide Raumwinkel mit hoher Trennfähigkeit und großem Sichtbereich abzudecken, wurde ein ausgedünntes Antennensystem mit niedriger Kanalanzahl entworfen. Das für die einzelnen Kanäle verwendete Antennenelement sowie die Optimierung des Antennensystems werden detailliert beschrieben und messtechnisch validiert.

Für die Erstellung von Karten der Umgebung zur Selbstlokalisierung oder Wegplanung werden an Drohnen häufig zusätzlich Lidarsensoren montiert. Es konnte gezeigt werden, dass mit den Daten des bildgebenden Radarsensors für die Umfelderkennung hochauflösende zwei- und dreidimensionale Radarkarten erstellt werden können. Untersuchungen zur Genauigkeit der Radarkarten zeigen, dass die Kenntnis der Position der Drohne und nicht der Radarsensor ausschlaggebend ist. In Hinblick auf die limitierte Nutzlast von Drohnen konnte selbst mit den satellitengestützten Positionsdaten der genutzten Drohne ohne zusätzlichen Lidarsensor Karten der Umgebung mit einer Genauigkeit von 0,5m erstellt werden.

Die in dieser Arbeit gewonnen Erkenntnisse zeigen, dass Radarsensoren einen großen Beitrag für den sicheren Betrieb von Drohnen leisten und neue Anwendungsmöglichkeiten für Drohnen bieten können.