Diese Arbeit stellt ein ferngesteuertes Kleinflugzeug für die Erdbeobachtung vor, den Stuttgarter Adler. Dabei handelt es sich um ein Flugzeug, das auf kommerziell verfügbaren Modellbaukomponenten basiert. Es dient als Plattform für eine Nutzlast, die gezielt für die Fernerkundung von Vegetation ausgewählt ist. Es stehen zwei flugerprobte Prototypen des Flugzeuges zur Verfügung. Die Nutzlast arbeitet im sichtbaren, im nahen infraroten und im thermisch infraroten Spektralbereich. Sie besteht aus einem multispektralen Kamerasystem, einem Spektrometer und einer thermischen Infrarotkamera. Für eine hohe Datenqualität werden Instrumente aus industriellen Anwendungen eingesetzt. Das Kamerasystem besteht aus drei CCD-Kameras. Diese sind mit optischen Filtern ausgestattet und erfassen Luftbilder im grünen, roten und nahen infraroten Spektralbereich. Es kommen hochwertige Objektive zum Einsatz, die aus einer Flughöhe von 300 m eine Bodenpixelgröße von ca. 10 cm erlauben. Die Kameras verfügen über einen internen Speicher und arbeiten ohne einen zentralen Bordcomputer. Beim Spektrometer handelt es sich um ein Gitterspektrometer mit 128 Kanälen in einem Spektralbereich von 500 nm bis 1000 nm. Es wird parallel zum multispektralen Kamerasystem betrieben und erfasst einen Bodenausschnitt von ca. 1,5m×3m. Die Messdaten werden von einer Steuerelektronik erfasst und gespeichert. Im thermisch infraroten Bereich wird ein Kamerasystem mit einem ungekühlten Mikrobolometer eingesetzt. Dieses erlaubt Messungen in einem Spektralbereich von 8,5 µm bis 14 µm. Aus einer Flughöhe von 200 m wird eine Bodenpixelgröße von ca. 28 cm erreicht. Zur Ansteuerung der Kamera und Speicherung der Daten wird ein kompakter PC mitgeführt. Es steht ein Verfahren zur geometrischen und radiometrischen Kalibrierung des Kamerasystems und des Spektrometers zur Verfügung. Die geometrische Kalibrierung erfasst die innere Orientierung der Kameras mit Optik und Filter. Für die radiometrische Kalibrierung steht eine Ulbrichtkugel als kalibrierte Lichtquelle zur Verfügung. Die Anforderungen an das Flugzeug leiten sich aus den Instrumenten und den Anwendungen ab. Die Spannweite der Haupttragfläche beträgt 4,33 m, die Gesamtlänge 2,6 m. Es wird ein elektrisches Antriebssystem eingesetzt, das in zwei Antriebsgondeln untergebracht ist. Bei einem maximalen Startgewicht von 25 kg wird eine Flugzeit von bis zu 30 Minuten erreicht. Das Flugzeug zeichnet sich durch gute Gleiteigenschaften bei geringen Geschwindigkeiten sowie ausreichend großem Einbauraum für Nutzlasten aus. Der Betrieb erfolgt ferngesteuert durch einen Piloten am Boden. Für eine automatisierte Befliegung steht ein Autopilot zur Verfügung. Es wird das quelloffene Paparazzi-System eingesetzt, was flexible Anpassungen an verschiedene Einsatzgebiete erlaubt. Der Autopilot steuert die Auslösung der Nutzlast nach einem vorgegebenen Flugplan. Zur Erprobung und Inbetriebnahme des Systems wird ein schrittweises Verfahren beschrieben. In dieser Arbeit werden zwei Einsatzgebiete demonstriert. Es werden ein Flugverfahren zur streifenförmigen Erfassung eines Messgebietes sowie ein kreisförmiges Verfahren zur Untersuchung der winkelabhängigen Reflexion umgesetzt. Hierfür stehen benutzerdefinierte Routinen zur Steuerung des Flugzeuges und der Nutzlast zur Verfügung. Das Flugzeug wird auf einem zugelassenen Modellflugplatz erprobt. Nach einer generellen Inbetriebnahme und dem Einstellen des Autopiloten, werden die Instrumente der Nutzlast eingesetzt. Beide Flugverfahren werden in praktischen Versuchen umgesetzt. Eine erste Auswertung der Flüge zeigt, dass die Instrumente wie erwartet arbeiten. Die erfassten Messdaten liegen als Rohdaten für weitere Auswertungen vor. Der Stuttgarter Adler und seine Systeme stehen als Fernerkundungsplattform für weiterführende Arbeiten zur Verfügung.
This work presents a radio-controlled light aircraft for Earth observation, the Stuttgarter Adler. This is an aircraft which is based on commercially available R/C-components. It serves as a platform for a payload that is specifically selected for the remote sensing of vegetation. Two flight-tested prototypes of the aircraft are available. The payload works in the visible, near infrared, and thermal infrared spectral range. It consists of a multispectral camera system, a spectrometer and a thermal infrared camera. Instruments from industrial applications are used for high quality measurements. The camera system consists of three CCD cameras. These are equipped with optical filters and record aerial photographs in the green, red, and near infrared spectral range. High quality optics allow a ground pixel size of 10 cm from an altitude of 300 m. The cameras have an internal memory unit and work without a central on-board computer. A grating spectrometer with 128 channels in a spectral range 500 nm to 1000 nm is used. It is operated parallel to the multispectral camera system and covers a ground area of approximately 1,5m×3m. The measured data are collected and stored by an electronic control system. A camera system with an uncooled microbolometer is used in the thermal infrared range. This allows measurements in a spectral range from 8.5 µm to 14 µm. From an altitude of 200 m, the ground pixel size is 28 cm. To control the camera and store the data, a compact PC is carried. A method for the geometric and radiometric calibration of the camera system and of the spectrometer is available. The geometric calibration captures the inner orientation of the cameras with optics and filters. For the radiometric calibration, an integrating sphere is used as a calibrated light source. The requirements for the aircraft are derived from the instruments and the applications. The aircraft has a wing span of 4,33 m and an overall length of 2,6 m. It uses an electric propulsion system, which is housed in two nacelles. A flight time of up to 30 minutes is achieved with a maximum takeoff weight of 25 kg. The aircraft is characterized by a good gliding performance at low speeds and sufficiently large payload space. The system is remotely operated by a pilot on the ground. An autopilot is available for an automated aerial survey. The open source Paparazzi-system is used, which allows flexible adaptation to different applications. The autopilot controls the release of the payload according to a predetermined schedule. The aircraft is tested at an approved R/C airfield. After a general commissioning and tuning of the aircraft and the autopilot, the payload instruments are tested. Both flight procedures are tested in-flight. A first evaluation shows that the instruments work as expected. The recorded measurements are available as raw data for further analysis. The Stuttgarter Adler and its systems are available as a remote sensing platform for further work.
Auslegung und Instrumentierung eines ferngesteuerten Kleinflugzeuges für die Erdbeobachtung
Luftfahrt ; 1-140
2013
140 Seiten, Bilder, Tabellen, 46 Quellen
Hochschulschrift
Deutsch
Spektrometer , Spektralbereich , Kamerasystem , Infrarotkamera , CCD-Kamera , optisches Filter , Bordcomputer , Gitterspektrometer , Instrumentierung , Flugzeug , Nutzlast , Fernerkundung , Vegetation , industrielle Anwendung , Steuerelektronik , Kalibration , Datenspeicherung , Infrarotbereich , Lichtquelle , Inbetriebnahme , Flug , Einsatzgebiet , elektronisches Steuergerät , Luftfahrzeug , Speichereinheit , Aerophotogrammetrie , offene Quelle , Baulänge
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