Jugend forscht Projekt 1998: Der High-tech Bernhardiner
"Wo
Menschen von Lawinen verschüttet werden, zählt bei der Rettung
und Bergung jede Minute. Was in der Vergangenheit die traditionellen
Lawinenhunde geleistet haben, muss in Zeiten des Massen-Tourismus
mit technischem Know-how gelöst werden. Die Idee von Béla
Gipp, Jan-Olaf Stiller und Florian Krüger: Ein System, bei dem
eine Infrarotkamera von einem Modellhubschrauber aus Bilder an ein
Leitsystem weitergibt, auf dem sich die Temperaturunterschiede zwischen
warmen Körpern und Schnee erkennen lassen. Zur Orientierung des
Hubschraubers dient eine zusätzliche Echtfarbkamera, ein Ultraschallgerät
für schlechte Sicht und ein Global Positioning System (GPS).
Alles kann mit einem Programm, das die jungen Erfinder geschrieben
haben, über das Internet gesteuert und ausgewertet werden."
1999, Bundesjury 'Jugend forscht' zu dem
Projekt "Der High-tech Bernhardiner"
Technik
Der Hubschrauber
Zum Einsatz kam zuerst ein Modellhubschrauber mit einem 7,5cm³ Zweitakt-Verbrennungsmotor. Es stellte sich aber bald heraus, dass dieser Hubschrauber eine zu geringe Traglast hatte und wegen des Gewichts der Technik nicht mehr ausreichend manövrierfähig war – insbesondere bei stärkerem Wind und Schneefall.
Wir stiegen daher auf einen Graupner Modell um, das wir unseren Ansprüchen entsprechend modifizieren konnten. Mit einem 20 cm³ Motor mit 3 PS Leistung ausgestattet, erreicht der Hubschrauber jetzt eine Traglast von 3,5 kg bei ordentlichen Flugeigenschaften. Durch die Verwendung eines Leichtmetallrahmens bei dem neuen Modell war eine spürbare Gewichtsersparnis bei der Aufnahme für die Technik realisierbar. Problematisch bei dem neuen Metallrahmen gegenüber dem vorher verwendeten Holz war die Verstärkung der Vibrationen, die das Kamerabild störte, so dass eine zusätzliche Dämpfung notwendig wurde.
Zur Versorgung der zusätzlichen Technik – mit Ausnahme der Infrarotkamera – führt der Hubschrauber einen 12V, 7,2 Ah Gelakku mit.
Die Infrarotkamera
Eine zentrale Rolle beim Auffinden der Lawinenopfer spielt die Infrarotkamera. An dieser Stelle möchten wir uns noch einmal ganz speziell bei der Firma LOT-Oriel für die gute Zusammenarbeit und das außergewöhnlich großzügige Sponsoring einer Spezialanfertigung einer Infrarotkamera bedanken. Diese Kamera bleibt mit Akku knapp unter 2 kg Gewicht, so dass ein Anbau an den Hubschrauber überhaupt erst möglich wurde. Trotz des geringen Gewichts hat die Kamera eine für unsere Zwecke ausreichend gute Akkulaufzeit.
Die Echtfarbkamera
Die Echtfarbkamera ist zur Orientierung während des Fluges wichtig, sie hilft dabei auch als Ergänzung der in den Hubschrauber eingebauten Lagesensoren. Sie dient dem Auffinden des Ortes des Lawinenabganges, hilft bei der Interpretation der gelieferten Infrarotbilder und dient der Identifikation von Gegenständen und Hindernissen.
Es kommt eine CCD Kamera mit einer Auflösung von 352x288 Punkten zum Einsatz. Wegen des kleinen Objektives und der Auflösung ist die Bildqualität nicht ideal, der geringe Energierverbrauch und das Gewicht von nur wenigen Gramm bei der CCD Kamera ließ uns aber von größeren Kameras Abstand nehmen.
Die Bildübertragung
Zur Bildübertragung der von der Infrarotkamera und der Echtfarbkamera gelieferten Bilder kommen Funkübertrager im 2,4 GHz Bereich zum Einsatz. Ein solches Modul wiegt weniger als 100 Gramm und kommt mit einer geringen elektrischen Leistung aus.
Erste Befürchtungen hinsichtlich zu geringer Funkreichweite bestätigten sich im Feldversuch nicht, die Reichweite bei freier Sicht erwies sich als erstaunlich groß.
Das GPS und das Ultraschallgerät
Zur Ortsbestimmung verwenden wir das satellitengestützte GPS (Global Positioning System). Es liefert fortlaufend aktualisierte Standortdaten über ein in den Hubschrauber integriertes GSM Mobiltelefon.
Zur Höhenmessung (Abstandsmessung zum Boden) benutzen wir ein Ultraschallsystem, mit dem sich auch bei schlechter Sicht verlässliche Daten gewinnen lassen.
Steuerung
Das erste Hubschraubermodell wurde ausschließlich auf Sicht und mit einer Modellflugfunkfernsteuerung geflogen. Das Schwenken der Kameras haben wir aus der Software heraus mit DTMF Tönen realisiert, die wir sowohl mit einem 433-MHz Sender wie auch mit einem GSM-Mobiltelefon übertragen haben. Im aktuellen Modell können wir auch weiterhin mit der Modellflugfunkfernsteuerung fliegen aber auch sowohl die Flugbewegungen als auch die Kameraschwenks zuverlässig direkt vom Computer aus steuern, was wir mit einem 10-km-Testflug unter Beweis stellen konnten.
Software
Für die Steuerung des Hubschraubers und zur Anzeige der Bilder entwickelten wir eine Software, die wahlweise als Applet oder als Applikation läuft. Die digitale Aufbereitung der von den Kameras gelieferten Bilder übernimmt dabei ein separater UNIX/Linux Server, der die Bilder fortlaufend digitalisiert und als Stream an den Steuerungsrechner liefert. Die Bilddaten von der Infrarotkamera werden dabei auf dem Server mit einer Falschfarben-Software verändert, deren Quellcode uns freundlicherweise die ESA zur Verfügung gestellt hat.
Probleme
Eines der Hauptschwierigkeiten ist die Reichweite der Funksysteme. Dadurch, daß Gewicht und Energiebedarf der Sender nicht zu groß werden dürfen, sind der Reichweite Grenzen gesetzt. Bei der Steuerung des Systems setzen wir daher inzwischen auf GSM, was durch eine gute Reichweite und geringes Gewicht glänzt. Allerdings ist die GSM Netzabdeckung in abgelegenen Gebieten heute teilweise noch lückenhaft, so dass als Rückfallsystem auf jeden Fall netzunabhängige Funklösungen mit an Board sein müssen. Ein weiteres Problem bei GSM Funklösungen sind die Latenzen von teilweise bis zu 200ms.
Bei der Positionsbestimmung per GSM ist die Selected Availability (SA) zu berücksichtigen, bei der das GSM Signal durch die Betreiber immer mit einem gewissen Fehler versehen wird. Diesen Fehler halten wir jedoch für tolerabel. Möglich wäre dabei noch der Einsatz eines GPS Systemes, das Korrekturdaten auswerten kann (Differential GPS).
Ausblick
Ein Ziel ist das Ausrüsten des Hubschraubers mit einem Boardrechner, der sowohl Steuerungsaufgaben übernehmen kann als auch die Bildverarbeitung ganz oder in Teilen erledigt. Derzeit wird für das Digitalisieren der Kamerabilder und die Verarbeitung mit der Falschfarbensoftware ein intel kompatibler PC mit wenigstens 600 MHz benötigt, der aus Gewichts- und Energiegründen nicht im Hubschrauber transportiert werden kann.
Weiter werden sich mit dem neuen, breitbandigen Mobilfunknetz UMTS neue Möglichkeiten ergeben, da mit diesem System erstmals in einem Digitalfunknetz eine Bandbreite zur Verfügung stehen wird, mit der Videodaten in Echtzeit übertragen werden können und parallel auch Steuerungsdaten übertragen werden können. Allerdings müssen die Netzbetreiber die betroffene Region auch entsprechend ausgebaut haben.
Als System zur Übertragung der Steuerungsdaten käme das Satellitenfunknetz Iridium in Frage, das eine weltweite Mobilfunkversorgung ermöglicht.
Eine Filmübertragung wird damit allerdings nicht in Echtzeit möglich sein, weil die Bandbreite dafür keinesfalls ausreichend ist.
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