Single Board Computer für kommerzielle SWIR-Drohnen

Höhere Ziele

Viele kommerzielle Drohnen nutzen heute bereits Kamerasysteme mit Hyperspektral-, SWIR- und LiDAR-Technologie. Diese modernen Bildgebungstechnologien stellen allerdings für die Computer eine Herausforderung hinsichtlich der Datenübertragung, Speicherung und Verarbeitungsleistung dar. Für einen Drohnen-Anbieter wurde nun eine anwendungsspezifische Testplattform in Form eines kompakten Embedded Computers entwickelt.

Der Core-basierter Industriecomputer von ADL Embedded Solutions mit SWIR-Kamera und Ronin-MX-Tragesystem von DJI. Das verwendete Drohnenmodell ist eine DJI Matrice 600. (Bild: ADL Embedded Solutions GmbH)

Die Drohnentechnologie erlebt in den letzten Jahren einen Aufschwung. Immer öfter kommen auch Kamerasysteme zum Einsatz, die Technologien wie Hyperspectral Imaging, SWIR und LiDAR (Light Detection and Ranging) bereitstellen. Für Umwelt- und Schadensuntersuchungen bietet SWIR Vorteile, da es Nebel, Regen, Dunstschleier und andere atmosphärische Bedingungen durchdringen kann (Bild 1). Ursprünglich für die Ölförderung und den Bergbau entwickelt, wird Hyperspectral Imaging mittlerweile auch in der Landwirtschaft (Überwachung von Schädlingsbefall, Erkennung des Reifegrades der Pflanze,…) sowie Physik, Astronomie, Leckerkennung und Sicherheitsüberwachung eingesetzt. Im Gegensatz zu SWIR und hyperspektraler Bildgebung verwendet die LiDAR Lasertechnologie inertiale Messeinheiten um hochauflösende Karten für Geologie, Seismologie, Forstwirtschaft, Laserführung und andere Anwendungen zu erstellen. Traditionell in der militärischen Avionik oder in kommerziellen Flugzeugen eingesetzt, hat sich LiDAR weiterentwickelt und soweit verkleinert, dass sie nun auch in Drohnen eingesetzt werden kann.

Designherausforderungen

Alle drei Bildgebungstechnologien stellen für den Computer eine Herausforderung hinsichtlich der Datenübertragungsgeschwindigkeit, Speicherung und Verarbeitungsleistung dar. Je nach Anwendungsszenario kann auch der Betrieb in rauen Umgebungen mit hohen Beanspruchungen wie Feuchtigkeit, Schock und Vibration oder hohen bzw. tiefen Temperaturen erforderlich sein. Kommerzielle Drohnen haben allerdings reale Grenzen hinsichtlich ihrer Größe und Nutzlastkapazität. Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen Kosten und Nutzlast sowie Flugzeit und Reichweite. Alle diese Faktoren stellen kommerzielle Computer vor Herausforderungen. Sie müssen mechanisch robust sein, über einen erweiterten Betriebstemperaturbereich verfügen, kleine Abmessungen haben und ein geringes Gewicht aufweisen. Darüber hinaus sollten sie eine hohe Verarbeitungsleistung bieten und Speicher mit hoher Kapazität unterstützen. Unverzichtbar sind die High-Speed-Kameraschnittstellen, die bei den beengten Platzverhältnissen auch noch mit an Board sein müssen.

Kundenspezifisches Design

ADL Embedded Solutions hat zusammen mit einem Kunden einen Industriecomputer für Drohnenapplikationen entwickelt, um die nächste Generation der SWIR-Sensoren und Bildverarbeitungstechnologie zu testen und zu demonstrieren. Mit Hilfe der CAD Software Solidworks, der technischen Zeichnungen des Ronin-MX-Tragesystemes und dem Input des Kunden wurde ein kundenspezifischer Industriecomputer entwickelt. Der Single-Board-Computer ADLQM87PC (PCIe/-104) verfügt über einen Hochleistungs-Embedded Prozessor Intel Core i7 CPU und liegt in einer kompakten Aluminium-Ausführung vor. Sein thermisches Design ermöglicht zudem einen weiten Betriebstemperaturbereich. Auch von der Interface Seite bleiben keine Wünsche offen: mit 2xGigE Vision, 2x USB3.0 Vision sowie 2xHigh-Speed Cameralink bzw. optional auch CoaXPress verfügt er über eine Vielzahl an Schnittstellen. Optional kann auch eine802.11ac Wifi-Konnektivität bereit gestellt werden. Die SWIR-Kameras wurden über USB3.0 mit dem Embedded Computer verbunden und getestet. Später soll dies über Camera Link bzw. CoaXPress geschehen.

Fazit

Der Kunde konnte die Drohnentestplattform und die SWIR-Versuchskamera innerhalb von drei Wochen nach Erhalt des Computers einsetzen. Inklusive der sechswöchigen Beratungs- und Entwicklungsphase betrug die Gesamtentwicklungszeit vom Konzept bis zum operativen Einsatz des Industriecomputers weniger als zehn Wochen. Die ersten Testergebnisse für die neue SWIR-Technologie waren erfolgreich und der Kunde konnte so bereits Ende 2016 das Produkt veröffentlichen.