Kurze Antwort
Ein optischer Flusssensor verfolgt die Bodenbewegung mithilfe einer nach unten gerichteten Kamera und ermöglicht es Drohnen, die Position ohne GPS zu halten. Er funktioniert drinnen, in urbanen Schluchten und überall dort, wo Satellitensignale unzuverlässig sind. Der gebräuchlichste Sensor ist der PMW3901, der mit einem ToF-Entfernungsmesser für Höhendaten gekoppelt ist. ArduPilot und PX4 unterstützen beide den optischen Fluss nativ.
Wie optischer Fluss funktioniert
Ein optischer Flusssensor ist im Wesentlichen ein Maussensor, der auf den Boden gerichtet ist. Er erfasst sequentielle Bilder der darunter liegenden Oberfläche und vergleicht Pixelverschiebungen zwischen den Bildern. Indem er misst, wie sich der Boden relativ zur Drohne bewegt, berechnet der Sensor die Geschwindigkeit in zwei Achsen (vorwärts/rückwärts und links/rechts).
Die Rohausgabe ist die Pixelflussrate, die in die tatsächliche Bodengeschwindigkeit umgerechnet werden muss. Dies erfordert die Kenntnis des Abstands zum Boden, weshalb optische Flusssensoren fast immer mit einem Entfernungssensor wie einem ToF-Modul (Time of Flight) oder LiDAR gekoppelt sind.
Ohne genaue Höhendaten sind die Fließberechnungen bedeutungslos. Der Holybro PMW3901 verwendet eine UART-Verbindung und benötigt einen separaten Entfernungsmesser für die Höhe. Der MicoAir MTF-01P kombiniert optischen Fluss und einen 12-Meter-Entfernungssensor auf einer Platine, was die Verkabelung vereinfacht.
Wann optischer Fluss anstelle von GPS verwendet werden sollte
GPS ist das Standardpositionierungssystem für Drohnen im Freien, hat aber Einschränkungen. Optischer Fluss füllt bestimmte Lücken:
| Situation | GPS | Optischer Fluss |
|---|---|---|
| Freies Fliegen im Freien | Beste Wahl | Nicht benötigt |
| Innenlager | Nicht verfügbar | Funktioniert gut |
| Unter Brücken oder Tunneln | Beeinträchtigt | Hält die Position |
| Schweben in geringer Höhe in Innenräumen | Driftet ab | Stabiler Halt |
| Urbane Schlucht mit schlechter Sicht zum Himmel | Ungenau | Hilft ergänzend |
Optischer Fluss ist kein Ersatz für GPS. Er funktioniert am besten in geringen Höhen (unter 3 Metern) über strukturierten Oberflächen. Glatte Böden, Wasser und merkmalslose Oberflächen verwirren den Sensor. Für die Outdoor-Autonomie, wo GPS unzuverlässig ist, bietet ein ToF-Entfernungsmesser in Kombination mit optischem Fluss eine vernünftige Positionierung ohne Satelliten.
Wichtige optische Flusssensoren
| Sensor | Technologie | Reichweite | Schnittstelle | Am besten geeignet für |
|---|---|---|---|---|
| Holybro PMW3901 | Nur optischer Fluss | Benötigt externen ToF | UART | ArduPilot/PX4-Builds |
| MicoAir MTF-01P | Optischer Fluss + 12m LiDAR | 0,03-12m | UART/CAN | All-in-One-Positionierung |
Der PMW3901 ist die am weitesten verbreitete Option, mit nativen Treibern in ArduPilot und PX4. Der MTF-01P ist neuer und kombiniert beide Sensoren auf einer Platine, was die Komplexität der Verkabelung reduziert. Beide sind in der Sensoren-Sammlung enthalten.
Einrichten des optischen Flusses in ArduPilot
ArduPilot unterstützt den PMW3901 direkt. Nachdem Sie den Sensor an einen UART-Port Ihres Flight Controllers angeschlossen haben:
- Setzen Sie SERIALx_PROTOCOL auf 9 (für MAVLink Optical Flow)
- Setzen Sie FLOW_TYPE auf 1 (für PMW3901 serial)
- Aktivieren Sie den Entfernungsmesser und konfigurieren Sie RNGFNDx_TYPE für Ihren ToF-Sensor
- Setzen Sie EK2_GPS_TYPE auf 3 oder höher, um nicht-GPS-Navigationsquellen zu ermöglichen
- Setzen Sie FLOW_ENABLE auf 1
Für die Positionsregelung ohne GPS setzen Sie ARMING_CHECK, um GPS-Anforderungen zu deaktivieren, oder verwenden Sie das FS_GCS_ENABLE Failsafe für den Innenbereich. Die PX4-Einrichtung folgt einem ähnlichen Muster, wobei der Parameter EKF2_AID_MASK steuert, welche Sensorquellen verwendet werden.
Der Einrichtungsprozess ist unkompliziert, wenn Sie bereits mit der ArduPilot-Konfiguration vertraut sind. Der ArduPilot-Einrichtungsleitfaden behandelt die anfängliche FC-Konfiguration, und GPS-Module für Drohnen erläutern Positionierungssensoren in einem breiteren Kontext.
Begleitcomputer und erweiterte Autonomie
Für eine fortschrittlichere Indoor-Navigation (Kartierung, Hindernisvermeidung, Wegpunktmissionen) reicht ein optischer Flusssensor allein nicht aus. Sie benötigen einen Begleitcomputer, auf dem Software wie ROS oder ein benutzerdefinierter Missionsplaner ausgeführt wird.
Das PX4 Vision V1.5 kombiniert einen Begleitcomputer mit Sensoren in einem Entwicklungskit, das für autonome Drohnenanwendungen entwickelt wurde. Alternativ können Sie mit der Pixhawk RPi CM4 Carrier Board ein Raspberry Pi Compute Module zu jedem Pixhawk-basierten Build hinzufügen. Die Maker-Kollektion bietet mehrere Boards und Kits für diese Art von Projekten.
Einschränkungen, die zu beachten sind
- Höhenbegrenzung. Die Genauigkeit des optischen Flusses nimmt ab 3 Metern ab. Der Sensor benötigt eine sichtbare Bodenstruktur, um zu funktionieren.
- Oberflächenstruktur ist wichtig. Polierte Böden, Teppiche mit sich wiederholenden Mustern und Wasser führen zu einer schlechten Verfolgung. Strukturierter Beton oder Asphalt funktionieren am besten.
- Lichtverhältnisse. Sehr dunkle Umgebungen oder direktes helles Sonnenlicht können den Sensor beeinträchtigen. Typische Innenbeleuchtung ist in Ordnung.
- Drift im Laufe der Zeit. Ohne GPS zur Korrektur akkumulierter Fehler wird die Positionierung des optischen Flusses driften. Sie ist am besten für kurzzeitiges Halten und präzise Landungen geeignet, nicht für lange autonome Missionen.