SpecDrone

Ausgangssituation

Die Entwicklung von unbemannten Luftfahrsystemen (Drohnen) ist in den vergangenen Jahren rasant vorangeschritten und zählt zu den am stärksten wachsenden Techniksparten des Jahrzehnts. Drohnen als mobile Sensorplattformen haben die Möglichkeiten für messtechnische Anwendungen revolutioniert. Neben kamerabasierten Systemen für Inspektion und Überwachung finden häufig optische Sensortechnologien für Umweltmonitoring Anwendung.

Durch den Einsatz von spektroskopischen Methoden können schädliche Gase detektiert werden, wobei eine einzelne Drohne mit einem Punktsensor instrumentiert wird und manuell gesteuert oder automatisiert nach Emissionsquellen sucht. Eine der am häufigsten untersuchte Gaskomponente weltweit ist Methan, welches neben CO2 der zweitgrößte Verursacher des Treibhauseffektes ist. Methanemissionen haben vielseitige Quellen, wobei die größten Beiträge durch die Öl- und Gasindustrie und durch Mülldeponien entstehen. Die Identifikation und Beurteilung der Quellen bedürfen der Untersuchung von großen Flächen, was mit punktförmigen Sensoren nur sehr ineffizient realisierbar ist.

Mittels Spektroskopie am offenen Pfad, wobei ein Lichtstrahl zwischen Lichtquelle und Detektor über weite Strecken (-50m) aufgespannt wird, können die gewünschten Gase entlang des Pfades detektiert werden. Diese Technologie wird üblicherweise für stationäre Anwendungen eingesetzt.

Projektziel

Das Projektziel ist die Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten von Drohnen durch die Verbesserung der Flugpräzision und Realisierung von Schwarmalgorithmen zur kooperativen Steuerung und Ausrichtung von Drohnen. Diese Entwicklungen ermöglichen den Einsatz von Gassensoren basierend auf Spektroskopie im offenen Pfad zur effektiven Untersuchung großer Flachen nach Emissionsquellen wie Methan.

Durch die Fusion aus präzisem Paarflug zweier Drohnen und Spektroskopie am offenen Pfad werden neben der Methandetektion zukünftig zahlreiche Anwendungen wie Brandgasdetektion, Untersuchung von Industrieemissionen oder Detektion von Landminen ermöglicht, welche jeweils auf die Identifikation von (umwelt-)schädlichen Emissionsquellen zur Verbesserung der Luftqualität und Reduktion der Umweltverschmutzung abzielen.
 

Lösungsansätze

Für die Zielerreichung werden konkret folgende Entwicklungen angestrebt:

• Entwurf und Instrumentierung von Kommunikationsschnittstellen zwischen Drohnen für die Realisierung von koordiniertem Paarflug.
• Entwicklung von innovativen Schwarmalgorithmen für die kooperative Steuerung und Ausrichtung der Drohnen.
• Integration einer Stabilisierungsplattform (Gimbal) und die Entwicklung der notwendigen Regelalgorithmen, welche mit den Regelstrategien der Drohne fusioniert agieren.
• Integration und Instrumentierung von geeigneten Elektronikkomponenten inklusive einer zentralen Recheneinheit (Embedded Computer) und einem DAQ System als Hardwarebasis für die Ausführung der entwickelten Regelstrategien.
• Adaption einer Drohnenplattform zur Integration der notwendigen Systemkomponenten unter Einhaltung der maximalen Zuladung von 6 kg und maximalem Fokus auf Energieeffizienz aller Komponenten.
• Entwicklung eines Methandetektors basierend auf Absorptionsspektroskopie im nahen infraroten Spektralbereich, welcher als open path Aufbau eine Mindestreichweite von 50m und eine Nachweisgrenze von 10 ppm*m erreicht.