Moderne Drohnen aus dem Enterprise-Segment werden immer häufiger auch mit Sensoren zur Distanzmessung ausgestattet. In diesem Artikel beschäftigen wir uns deshalb mit der Laserentfernungsmessung für Drohnen und welche Anwendungsfälle es dafür gibt.
Neben mehreren Kamerasensoren für die Erfassung verschiedener Bildausschnitte (Weitwinkel oder Telezoom) im Sichtbildbereich sowie die thermische Analyse mithilfe von Wärmebildkameras, haben professionelle Drohnen teilweise auch Sensoren zur Messung von Entfernungen an Bord oder können optional mit diesen ausgestattet werden.
In der Regel wird dabei auf Lasertechnologie gesetzt, um auch Distanz über mehrere hundert Meter oder gar über einen Kilometer zu ermitteln. Was aktuelle Laser Range Finder (das ist der englische Begriff) bereits heute können und wie sie funktionieren, klären wir in den folgenden Kapiteln.
Inhalt
Wie funktioniert die Laserentfernungsmessung für Drohnen?
Die Distanzmessung mithilfe von Lasern wird auch als elektrooptische Entfernungsmessung bezeichnet. Hierbei macht man sich einen gerichteten Lichtstrahl zunutze, der auf ein Objekt abgestrahlt wird und dessen Reflexion durch eine Photodiode erkannt wird. In der Regel kommt dazu ein Laser zum Einsatz.
Es gibt dabei verschiedene Verfahren, wie aus der Reflexion die Distanz zum Objekt bestimmt werden kann. Bekannt und verbreitet ist die Laufzeitmessung, bei der die Zeit gemessen wird, die der Lichtstrahl bis zum Ziel und die Reflexion zurück zum Sensor benötigt. Daraus lässt sich dann die Entfernung ableiten.
Bildquelle: DJI | ©Weitere häufig verwendete Verfahren bestimmen die Distanz zu einem Objekt über die Phasenlage des Laserstrahls. Dazu wird die Phasenverschiebung des reflektierten Strahls gegenüber dem ausgesendeten Laser verglichen und daraus die Entfernung berechnet, da die Phasenverschiebung abhängig von der Distanz ist.
Diese generellen Technologien sind dabei nicht auf die Anwendung mit Drohnen beschränkt, sondern gelten für alle Laserentfernungsmesser.
Die entsprechende Lasereinheit und der Reflexionssensor werden im Regelfall in einer stabilisierten Payload untergebracht. Bei UAVs, die ab Werk mit Laserdistanzmessung ausgeliefert werden, befindet sich der Laser Range Finder meist im gleichen Gehäuse wie die Kamerasensoren. Somit ist der Laserdistanzmesser immer mit dem Blickwinkel der Kamera(s) synchronisiert, da alle Sensoren im Normalfall gemeinsam vom selben mechanischen Gimbal stabilisiert werden.
Der Messpunkt, auf den der Laserstrahl projiziert wird, liegt dann üblicherweise in der Bildmitte und lässt sich durch die fixe Positionierung zwischen Kamera und Entfernungsmesser in der Payload auch nicht verschieben. Die Ausrichtung des Fokus- bzw. Messpunktes geschieht dann also durch die Bewegung der gesamten Sensoreinheit – im Normalfall also durch die Neigung oder Drehung des Gimbals.
Welche Anwendungen gibt es für Laserentfernungsmessung mit UAVs?
Distanzinformationen können beim professionellen Einsatz von Drohnen vielfältig verwendet werden. Drohnen können etwa im Kontext von Rettungsmissionen oder in Katastrophengebieten schnell von einem beliebigen Standpunkt aus, die Entfernungen zu bestimmten Teilbereichen oder POIs bestimmen, um Einsatzkräfte sinnvoll auf den Weg zu schicken.
Auch lassen sich bei Inspektionen mithilfe von absoluten Distanzinformationen zu einem Untersuchungsobjekt (z.B. einem Strommast) erweiterte Metadaten generieren, um die Genauigkeit angefertigter Aufnahmen später besser beurteilen zu können.
Werden Drohnen im polizeilichen Kontext verwendet, liefert eine Drohne mit Laser Range Finder stets aktuelle Informationen über die Entfernung zu einem verfolgten Fahrzeug – z.B. bei der Bewachung oder Fahndung.
Welche Drohnenmodelle verfügen über einen Laser Range Finder?
Folgende Modelle führender Anbieter im zivilen Drohnenmarkt verfügen über Laser-Entfernungsmessung oder können entsprechend ausgerüstet werden:
- Autel EVO Max 4T
- Autel Dragonfish mit DG-T3H / DT-L20T / DT-L50T Payload
- DJI Matrice 30 / 30T (M30 / M30T)
- DJI Matrice 300 RTK (M300 RTK) mit Zenmuse H20 / Zenmuse H20N Payload
Lassen sich mit Laserentfernungsmessung auch Koordinaten bestimmen?
Grundsätzlich liefern Laserabstandsmessung erst einmal nur den absoluten Abstand zwischen der Drohne und einem Objekt in Metern. Häufig wird außerdem der absolute Höhenunterschied zwischen dem Messpunkt und der Drohne berechnet.
Mithilfe der durch GNSS (oder RTK) zur Verfügung stehenden Positionsdaten der Drohne, können viele Modelle aber auch direkt die Koordinaten des Objektes berechnen, auf die der Laser gerichtet ist. Damit ergeben sich völlig neue Möglichkeiten, um beispielsweise Rettungskräfte am Boden mit nur wenigen Handgriffen exakte Koordinaten zu übermitteln.
Die Genauigkeit der Koordinaten hängt dabei aber maßgeblich von der Positionierungsgenauigkeit der Drohne und der Entfernung ab. Die Genauigkeit der Laserdistanzmessung wird nämlich unter anderem durch die steigende Distanz negativ beeinflusst bzw. die zu berücksichtigenden Messtoleranzen werden größer.
DJI gibt für seine M30-Serie zum Beispiel eine Genauigkeit von ±0,2 m + 0,0015 * Distanz (in m) an. Bei 1000 m tatsächlicher Distanz ergibt sich also ein Messfehler von ±1,7 m. Abgetastet werden können typischerweise Entfernung zwischen 3 m und 1.200 m.
Welche Wellenlängen werden für die Distanzmessung verwendet?
Die meisten Drohnen nutzen Laser mit einer Wellenlänge von 905 nm für die Entfernungsbestimmung. Diese Wellenlänge liegt bereits außerhalb des (vom Menschen) sichtbaren Spektrums und wird daher dem Infrarotbereich zugeschrieben. Es ist also kein Laserstrahl (oder Laserpunkt) bei der Messung sichtbar.
Laser mit 905 nm werden gerne verwendet, weil sie in Hinblick auf wichtige Kriterien, wie die Reichweite, Sicherheit oder den Energiebedarf einen guten Kompromiss darstellen. Viele LiDAR-Sensoren arbeiten ebenfalls in diesem Frequenzspektrum.
Andere Wellenlängen im IR-Spektrum können potenziell aber ebenfalls verwendet werden.
Ist der Laserstrahl bei der Messung von Distanzen gefährlich?
Das kommt im Grunde auf den verwendeten Laser an. Zertifizierte Laserdistanzmesser entsprechen häufig der Laserklasse 1 oder 1M (Class 1 / Class 1M). Damit gelten die ausgesandten Laserstrahlen als „augensicher“. Bei der Klasse 1M gilt hier die Einschränkung, dass bestimmte optische Vergrößerungshilfen den Strahl so verstärken können, dass er trotzdem eine Restgefahr darstellen kann.
Laser der Klasse 1 arbeiten mit nur wenigen Milliwatt (mW) an Leistung. Bei der DJI Zenmuse H20 Payload oder der DJI M30 Serie wird der Laser laut Hersteller mit maximal 3,5 mW betrieben. Für die DJI Zenmuse H20 / H20N wird etwa die Laserklasse 1M ausgewiesen.
Am Ende machen auch nur „augensichere“ Laser für die Verwendung in Messanwendungen Sinn, denn hoch in der Luft kann niemals gänzlich ausgeschlossen werden, dass der Strahl auf unbeteiligte Personen fällt.
Wer Drohnen mit Laserentfernungsmessung verwendet, muss sich im Vorfeld aber unbedingt im Handbuch über etwaige Sicherheitsauflagen informieren, um Schäden und Verletzungen zu vermeiden.
Schlusswort
Wir hoffen euch hat dieser Artikel zum Thema Laserentfernungsmessung mit Drohnen einen guten, ersten Überblick über die Distanzmessung mit UAV vermittelt.
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