Positions"nullung" bei Flugeräten

Die Positionsbestimmung beim Quadcopter macht mir immer noch Sorgen. Ich hab versucht mir ein System zu überlegen mit dem ich zwar die allgemeine Position im Raum auch nicht genauer bekomme, aber das Ding autonom zumindest den Landepunkt mit verbesserter Genauigkeit wiederfinden sollte.

Das Bild zeigt das Interferenzmuster von 4 in einem Quadrat mit 35cm Seitenlänge angeordneten Antennen, in einer Höhe von 5, 10, 15 und 20m.
Gesendet wird bei 870MHz (weil der Frequenzbereich offenbar rechtlich am unbedenklichsten ist), was auch einer Wellenlänge von ca. 35cm entspricht.

Der weiße Kreis ist die Unsicherheit der GPS-Positionsbestimmung mit einem angenommenen Radius von 7.5m, innerhalb von der das System eindeutig sein muss.

Der gedachte Ablauf ist, dass der Quadcopter die Landeposition via GPS anfliegt und dann durch dummes Ausprobieren die maximale Amplitude des überlagerten Signal sucht.

Kann sowas funktionieren? Hat jemand Erfahrung mit was ähnlichem?

Anhang 25171

Nein, leider keine Erfahrung.
Bei der Interferenz von Radiostrahlung gibt es aber immer das Problem, dass es mehrere Maxima gibt und dass Objekte in der Umgebung durch Reflektion das Interferenzmuster unvorhersehbar beeinflussen können.
Ich würde die Sache eher mit optischer Strahlung versuchen, die kann man mit einfachen Mitteln bündeln bzw. abschatten. Denkbar wäre z. B. eine Anordnung aus 4 LEDs am Landepunkt, die jeweils in die 4 Himmelsrichtungen einschließlich zum Zenit leuchten. Die 4 LEDs werden unterschiedlich kodiert, ein Fotoempfänger im Copter misst die Intensitäten der 4 Lichtstrahlen um sich entsprechend über dem Landepunkt zu positionieren. Wenn eine zusätzliche Höheninformation nötig ist, könnte diese evt. von einem Sensor am Boden gemessen werden (Ultraschall?) und zusätzlich mit den LEDs oder per Funk übermittelt werden.

Zitat:

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... Anordnung aus 4 LEDs am Landepunkt, die jeweils in die 4 Himmelsrichtungen ...

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Mir fallen dazu gerade die Lichtsignale zur Gleitpfadbbefeuerung auf Flugplätzen für Nachtflüge ein: PAPI, VASI (klick für Wiki), APAPI und HAPI (Wikilink). Immerhin sind diese Dinge jahrzehntelang erprobt - und wenn Du nachts runterkommst - ne Stadt mit viel Licht in der Nähe oder grad so lange nach SS dass es noch nicht richtig Nacht ist . . . diese simplen Anzeigen sind sooo Klasse.

Sieh mal dort nach, vielleicht kommst Du dabei auf eine passende Idee.

Zitat:

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Zitat von ranke

... und dass Objekte in der Umgebung durch Reflektion das Interferenzmuster unvorhersehbar beeinflussen können.

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Verdammt, ich wusste irgendwas hab ich vergessen :P
Ja, es ist fast ausgeschlossen, dass es keine Reflektionen gibt, damit schaut das Interferenzmuster sicher nicht so aus.

Zitat:

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Zitat von ranke

... Ich würde die Sache eher mit optischer Strahlung versuchen, die kann man mit einfachen Mitteln bündeln bzw. abschatten. Denkbar wäre z. B. eine Anordnung aus 4 LEDs am Landepunkt, die jeweils in die 4 Himmelsrichtungen einschließlich zum Zenit leuchten. Die 4 LEDs werden unterschiedlich kodiert, ein Fotoempfänger im Copter misst die Intensitäten der 4 Lichtstrahlen um sich entsprechend über dem Landepunkt zu positionieren ...

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Sowas könnt gehen. Ich dachte zuerst, dass die Unterschiede in der Intensität nicht groß genug wären, oder einen zu großen Abstand der Leuchtdioden erfordern würden. Aber die "Richtcharakteristik" der Dioden hilft mit, der Intensitätsunterschied kommt nicht von der unterschiedlichen Distanz, sondern von unterschiedlichen Winkeln zu den Dioden. Würd aber wahrscheinlich trotzdem sehr groß werden.

Wie würd ich eigentlich die Diodenspannung zerlegen können? Wie machen das andere Sensoren? Mit fällt da nur FFT ein, aber das ist ganzschön aufwendig für einen Mikrocontroller.

Zitat:

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Zitat von oberallgeier

... PAPI, VASI, APAPI und HAPI ...

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Das ist auch eine Überlegung wert. Ich hab zwar bisher keine Idee wie man das praktisch umsetzen könnte, aber man bräuchte was das nur senkrecht die volle Information hergibt und einem auch noch sagt, in welcher Richtung die Abweichung ist ... irgendeine Blendenanordung.

Bezüglich des mechanischen Aufbaus der Bodenstation würde ich folgendes vorschlagen:
Auf eine ebene Platte werden (Holz)leisten kreuzförmig angebracht. In jede der 4 Ecken die aus 2 Leisten gebildet werden, kommt jeweils eine nach oben abstrahlende LED auf die Platte. Durch die Abschattung der Leisten erreicht man, dass jede LED nur von etwa 1/4 der Hemisphäre gesehen werden kann. Je weiter man die LED aus dre Ecke herausrückt, desto mehr Überlappung der Bereiche bekommt man.
Wenn man optimierungswütig ist, kann man das analog auch mit 3 LED aufbauen, dass sollte theoretisch ausreichen.
Zur Auswerung:
Jede LED wird individuell angesteuert, so dass das Fluggerät entscheiden kann welche LED(s) gerade gesehen wird. Man wird die Anordnung möglicherweise genordet aufstellen wollen, sofern das Fluggerät seine Positionierung zur Himmelrichtung kennt.
Die LED wird man mit einer charakteristischen Frequenz ansteuern, entweder alle mit der selben (die leuchten dann zur Unterscheidung zu verschiedenen Zeiten, Zeitmultiplex) oder jede mit einer anderen Frequenz (Frequenzmultiplex). Empfängermäßig wird man das dann auswerten, es empfiehlt sich den Vorverstärker nach dem Fotoempfänger schon frequenzselektiv (Notchfilter) aufzubauen. Zur Auswertung wird man bei Zeitmultiplex noch eine Synchronisation zwischen Sender und Empfänger brauchen, bei Frequenzmultiplex ist das nicht zwingend. Wenn man Synchronisation hat, kann man die Ausgangsspannung des Verstärkers mit ADC messen und die Differenz bilden aus den Messwerten wann die LED an war zu den Messweten wann die LED aus war. Ist die Differenz nahe Null, hat man kein Signal, je größer die Differenz, desto kräftiger komt ein Signal. Eventuelle Phasendrehungen im Vorverstärker wird man berücksichtigen müssen.

Schau dir mal den IR Sensor der WIIMote an..
Das ist eine CCD cam die dir die Positionen von IR spots via I2C aus gibt.
Damit koenntest du z.B. eine Landeplattform bauen mit IR Led's..evtl eine blinkende wenn du die Richtung noch wissen willst.
Die WIIMote kostet bei Amazon z.Z. 30Eur, also nicht so wild..nur die Kommunikation war wenn ich mich recht erinner etwas knifflig.

Gruss, Andreas

Zitat:

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Zitat von ranke

Notchfilter

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Meinst du tatsächlich so eine Bandsperre, also nur die anderen 3 Sendefrequenzen blocken? Ich hätt eher einen Bandpass gemacht, aber damit bekomm ich nie die nötige scharfe Trennung.

Was den mechanischen Aufbau angeht hab ich mir das selbe überlegt, aber wie ich das filtern soll, da blick ich nicht durch.

Ich hatte an einen frequenzselektiven Verstärker gedacht, der nur die interessante(n) Frequenz(en) durchlässt und alles andere blockt. In erster Linie um Störeinflüsse (z.B. Strassenbeleuchtung, sonstige künstliche / natürliche Lichtquellen) zu filtern. Das resultierende Signal kann man gleichrichten und den Gleichspannungswert auswerten. Es wird wahrscheinlich ein Schwellwert genügen, also die Entscheidung ob die entsprechende LED gesehen wird oder nicht.
Will man mit unterschiedlichen Frequenzen arbeiten, dann müsste man das mit ausreichender Trennschärfe 3 bzw. 4 Mal aufbauen. Oder man baut es nur einmal als Bandpass für die infrage kommenden Frequenzen auf, mischt evt. mit einer bekannter Frequenz und sieht nach, welche Schwebungsfrequenzen noch da sind. Konzeptionell gibt es da mehrere mögliche Varianten und wahrscheinlich nicht nur einen Weg der auch nach Rom führt.
Wenn sich eine zuverlässige und einfache Synchronisierung anbietet, würde ich gefühlsmäßig zu nur einer Frequenz im Zeitmultiplex tendieren, das gibt weniger Dreckeffekte im Analogteil.

Ehrlich gesagt, dieses Zeitmultiplex kommt mir im Moment ziemlich katastrophal vor. Aber nur eine Modulationsfrequenz filtern zu müssen, das hätte schon was. Du meinst, der Empfänger am Kopter würde wirklich nur auf Grund der vergangenen Zeit entscheiden welche LED er grade empfängt? Ist das nicht unmöglich, dass das in den 20 Minuten oder mehr nicht asynchron wird?

Zitat:

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Du meinst, der Empfänger am Kopter würde wirklich nur auf Grund der vergangenen Zeit entscheiden welche LED er grade empfängt? Ist das nicht unmöglich, dass das in den 20 Minuten oder mehr nicht asynchron wird?

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Man kann eine Synchronisation auch ständig über die Fernsteuerung aufrecht erhalten. Ich habe mich jetzt seit ungefähr 25 Jahren nicht mehr mit Funkfernsteuerungen befasst, bin deshalb nicht auf dem Laufenden. Früher ging das so, dass am Sender der FS das Signal der einzelnen Kanäle im Zeitmultiplex auf den Träger (z.B. 35MHz) aufmoduliert wurde und am Empfänger per Schieberegister wieder auf die einzelnen Servoausgänge "verteilt". Man könnte also z.B. der Bodenstation mit den Leuchten einen eigenen Empfänger gönnen (es braucht keinen extra Kanal), der die LEDs mit den Kanälen synchronisiert. Zum Beispiel: LED Süd aktiv, wenn Kanal 1 übertragen wird, LED West aktiv, wenn Kanal 2 übertragen wird, und so weiter. Im Copter eine ähnliche Schaltung, wenn also das Servosignal am Kanal 1 ankommt, dann weiss der Copter, dass ab jetzt die Süd-LED für eine definierte Zeit sendet. Die zeitlichen Abstände zwischen den einzelnen Kanälen waren immer gleich und unabhängig von dem Stellungssignal für das einzelne Servo.
Ob die Technik heute noch so geht weiss ich nicht, ich vermute aber dass sich da nicht so viel geändert hat.
Noch etwas einfacher wäre es wenn man nur z. B. auf Kanal 1 lauscht und sagt ab dem eintreffenden Signal von Kanal 1 für 4ms Süd, dann 4ms West, ..., insgesamt 16ms, eventuell noch jeweils 0,5 ms Pause zwischen den Aussendungen um Übersprechen zu vermeiden. So ein Timing ist ja heute mit den Mikrocontrollern ein einfaches Ding.
Die Wiederholrate zwischen zwei folgenden Aussendungen des gleichen Kanals waren, soweit ich mich erinnere etwa 20ms, entsprechend 50Hz, so wie es die üblichen Servotester ja auch erzeugen.

Fernsteuerung ist keine geplant, das Ding soll ziemlich autonom unterwegs sein. Ich brauch zwar irgendeine Funkverbindung um Wegpunkte und so zu übertragen, aber da drüber kann ich wahrscheinlich nicht synchronisieren.

Ich denke aber, wenn die Reihenfolge klar ist, also zuerst Nord, dann Ost, Süd, West zb., dann muss er, aus großer Entfernung kommend, ja nur grundsätzlich entscheiden in welchem Quadranten er sich befindet.
Wenn er immer nahe genug bleibt, so dass der Kontakt nie ganz abbricht, besteht auch keine Gefahr dass man den Takt verliert.

Mal schauen wann ich dazu komme das zu bauen. Ich stell mir vor:
* Trägersignal erzeugen, paar hundert kHz (edit: ok, Photodioden spielen nur bis ca. 10kHz mit)
* 12bit Binärzähler als Frequenzteiler (1:4096) für die Modulation (edit: dann hier auch weniger, ~1:128 )
* das als Taktsignal für Schieberegister oder Dezimalzähler, der dann diesen Takt auf 4 unterschiedliche Ausgänge verteilt
* dort mit Trägerfrequenz UND-verknüpft, über Transistor jeweils zu einer LED

Am Empfänger:
* mehrstufigen, schmalbandigen aktiven Bandpass
* Gleichrichten und durch Tiefpass (sparsam, sodass genug Pause zwischen den Signalen der unterschiedlichen LEDs bleibt)
* diese möglichst DC-Spannung an ADC messen.

Zitat:

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Fernsteuerung ist keine geplant

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Klingt mutig. Also ist das kein Weg für eine permanente Synchronisation.
Eine Überlegung zum Gleichlauf zweier Quarzoszillatoren:
Üblicherweise werden die mit einer Genauigkeit von 100ppm ausgelobt, im ungünstigsten Fall weichen zwei unabhängige also um 200 ppm ab. Wenn man unmittelbar vor dem Start synchronisiert und annimmt, dass die Flugzeit 1/2h = 1.800s nicht übersteigt, dann ist mit einer maximalen Abweichung von 1.800*200/1.000.000 = 0,36s zu rechnen. Das ist mehr als ich erwartet hätte. Um eine Messung sicher einer LED zuzuordnen, dann müßte die Burstlänge jeder LED deutlich über 0,36 s liegen. Finde ich deutlich zu lang.
Quarze lassen sich aber abstimmen (z.B. durch einen Trimmer oder auch durch einen einstellbaren Zähler. Ich möchte vermuten, dass die maximale Abweichung abgestimmter Quarzoszillatoren dauerhaft auf <= 10 ppm drücken kann (ich kann die Zahl aber nicht belegen). Die Abweichung nach 30 Minuten wäre dann nur noch 18ms. Damit könnte man sicher leben. Man müsste also nur unmittelbar vor dem Start, sozusagen als Teil der Countdown Prozedur, synchronisieren. (den Gleichlauf stellt man einmal ein und prüft das gelegentlich nach).

Zitat:

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Mal schauen wann ich dazu komme das zu bauen. Ich stell mir vor:
* Trägersignal erzeugen, paar hundert kHz (edit: ok, Photodioden spielen nur bis ca. 10kHz mit)
* 12bit Binärzähler als Frequenzteiler (1:4096) für die Modulation (edit: dann hier auch weniger, ~1:128 )
* das als Taktsignal für Schieberegister oder Dezimalzähler, der dann diesen Takt auf 4 unterschiedliche Ausgänge verteilt
* dort mit Trägerfrequenz UND-verknüpft, über Transistor jeweils zu einer LED

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Das hört sich nach TTL-Grab an. Warum nicht mit einem Mikrocontroller? Das ist flexibler und einen Teil des Programmcodes kann man noch in der Auswertung brauchen. Bevor man sich detailliert die Schaltung überlegt, sollte man sich überlegen, wie das Signal aussehen soll (Burstlänge, Pausen zwischen den Bursts). Möglichst bald sollte man auch mal praktisch probieren (unter verschiedenen Beleuchtungsverhältnissen) ob sich die erhoffte Reichweite auch einstellt.

Zitat:

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Zitat von ranke

Warum nicht mit einem Mikrocontroller?

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Das kotzt mich zwar an, aber wegen dem Platzbedarf wahrscheinlich schon. Das hat mich auf eine Idee gebracht. Wenn ich schon einen Mikrocontroller habe, dann kann ich auch einen Magnetometer als Kompass draufpacken. Wenn ich dann strategisch geschickt eine Pause einfüge, also z.B. immer in der Reihenfolge Nord-Ost-Süd-West-Nichts-Nord-..., dann find ich mich zurecht wenn ich von allen Leds ein Signal kriege.