Wissenschaftliche Artikel der BAM
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Gasquellenlokalisierungen (Gas Source Localization, GSL) tragen dazu bei, die Folgen von Industrieunfällen und Naturkatastrophen zu mildern. Während die GSL, wenn von Menschen durchgeführt, gefährlich und zeitaufwändig ist, können Schwärme von wendigen und kostengünstigen Nanodrohnen die Effizienz und Sicherheit der Suche erhöhen. Da die geringe Nutzlast von Nanodrohnen die Sensor- und Rechenressourcen einschränkt, werden Strategien zur Koordination des Roboterschwarms verwendet, die von biologischen Schwärmen, wie Kolonien sozialer Insekten, inspiriert sind. Die meisten Schwarm-GSL-Strategien verwenden das Maximum der Gaskonzentrationsverteilung zur Schätzung der Gasquellenposition. Experimente legen jedoch nahe, dass die Intermittenz der Gasverteilung vielversprechender ist. In diesem Beitrag wird eine neuartige GSL-Strategie für Schwärme vorgestellt, die auf Pheromonkommunikation und Intermittenz der Gasverteilung basiert. Die Agenten, d.h. die Nanodrohnen, emittieren Pheromonmarker in einer virtuellen Umgebung, wenn sie eine neue Gaswolke feststellen. Die Agenten werden durch virtuelle Kräfte gesteuert und nutzen abwechselnd das Wissen des Schwarms, indem sie dem Pheromongradienten folgen, oder erkunden den Suchraum, indem sie einen Zufallspunkt ansteuern. Zur Kollisionsvermeidung werden die Agenten durchgehend von anderen Agenten und Wänden abgestoßen. Die Strategie wurde auf drei Nanodrohnen implementiert und durch ein Experiment in einem Innenraum mit einer statischen Gasquelle validiert. Die Ergebnisse zeigen eine Verbesserung gegenüber maximabasierten Verfahren und geringe Lokalisierungsfehler in Windrichtung.
In this paper, we present and validate the concept of an autonomous aerial robot to reconstruct tomographic 2D slices of gas plumes in outdoor environments. Our platform, the so-called Unmanned Aerial Vehicle for Remote Gas Sensing (UAV-REGAS), combines a lightweight Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) gas sensor with a 3-axis aerial stabilization gimbal for aiming at a versatile octocopter. While the TDLAS sensor provides integral gas concentration measurements, it does not measure the distance traveled by the laser diode’s beam nor the distribution of gas along the optical path. Thus, we complement the set-up with a laser rangefinder and apply principles of Computed Tomography (CT) to create a model of the spatial gas distribution from a set of integral concentration measurements. To allow for a fundamental ground truth evaluation of the applied gas tomography algorithm, we set up a unique outdoor test environment based on two 3D ultrasonic anemometers and a distributed array of 10 infrared gas transmitters. We present results showing its performance characteristics and 2D plume reconstruction capabilities under realistic conditions. The proposed system can be deployed in scenarios that cannot be addressed by currently available robots and thus constitutes a significant step forward for the field of Mobile Robot Olfaction (MRO).
A permanent-magnet synchronous motor (PMSM) servo drive for lightweight robotic platforms that have a high torque demand at low rotational speeds has been developed. First, a current-independent torque controller is derived and cascaded with a speed and position controller, while merely an encoder is used as a sensor device in combination with a speed estimator. Finally, the speed estimator output is compared to gyroscope measurements and the overall functioning is verified on a real system.
Carbon capture & storage (CCS) is one of the most promising technologies for greenhouse gas (GHG) management. However, an unsolved issue of CCS is the development of appropriate long-term monitoring systems for leak detection of the stored CO2. To complement already existing monitoring infrastructure for CO2 storage areas, and to increase the granularity of gas concentration measurements, a quickly deployable, mobile measurement device is needed. In this paper, we present an autonomous gas-sensitive micro-drone, which can be used to monitor GHG emissions, more specifically, CO2. Two different measurement strategies are proposed to address this task. First, the use of predefined sensing trajectories is evaluated for the task of gas distribution mapping using the micro-drone. Alternatively, we present an adaptive strategy, which suggests sampling points based on an artificial potential field (APF). The results of real-world experiments demonstrate the feasibility of using gas-sensitive micro-drones for GHG monitoring missions. Thus, we suggest a multi-layered surveillance system for CO2 storage areas.