Programmierung von Drohnen und UAV

Was die Drohnenprogrammierung umfasst

Wir schreiben die Logik autonomer UAV-Missionen und richten den Flugcontroller auf der Technik des Kunden ein: Die Drohne bleibt seine, wir bereiten Firmware, Routen und das Verhalten in der Luft vor. Zur Arbeit gehören die Planung von Routen für Luftaufnahmen und Objektumflüge, die Einrichtung von Interessenpunkten für die Inspektion, die Sensorkalibrierung sowie die Festlegung von Ausfallmodi und Geozonen. Wir konfigurieren den Stack PX4 oder ArduPilot für den konkreten Rahmen, das Gimbal und die Nutzlast und verbinden die Telemetrie über MAVLink mit der Bodenstation. Gesondert richten wir Szenarien für die Rückkehr nach Hause ein sowie das Verhalten bei Verbindungs- und Satellitenverlust, damit das Gerät nicht in einen unkontrollierten Flug gerät. Die Drohnenprogrammierung auf dieser Ebene ist keine Hardware-Montage, sondern die Konfiguration des Autopiloten und das Schreiben von Missionen, die dieser Autopilot ausführt.

Wie eine autonome Mission aufgebaut ist

Im Kern steht ein Flugcontroller mit Autopilot, der GPS, Inertialsensoren, Barometer und Kompass liest und das Gerät auf der vorgegebenen Bahn hält. Eine Mission wird als Folge von Wegpunkten mit Höhe, Geschwindigkeit und Aktionen an jedem Punkt beschrieben: ein Foto machen, schweben, das Gimbal drehen, die Höhe wechseln. Bodenstation und Autopilot tauschen Befehle und Telemetrie über das Protokoll MAVLink aus, weshalb der Bediener Position, Akku und Status in Echtzeit sieht. Stabilisierungs- und Navigationsalgorithmen berechnen die Steuersignale an die Motoren Dutzende Male pro Sekunde neu und halten den Kurs bei Wind und Abdrift. Unser Teil besteht darin, dieses Szenario zusammenzustellen und Parameter sowie Auslöseschwellen so festzulegen, dass das Gerät des Kunden die Route vorhersagbar abarbeitet.

Woher die Drohnen-Autopiloten stammen

Die modernen offenen Autopiloten erwuchsen aus zwei Projekten der späten 2000er-Jahre. Die Community DIY Drones entstand im Mai 2007, und Jordi Muñoz schrieb noch Ende 2007 für Arduino ein Stabilisierungsprogramm, aus dem ArduPilot hervorging – die Version 1.0 brachte er 2009 zusammen mit Chris Anderson heraus, und im selben Jahr gewann sein Gerät den ersten Sparkfun-AVC-Wettbewerb. Parallel startete in der Schweiz Lorenz Meier an der ETH Zürich das Forschungsprojekt Pixhawk: Etwa 2008 begannen die Arbeiten, und 2009 erschienen die ersten offenen Ergebnisse zu Steuerung und Computer Vision. Bis 2011 schrieb das Team von Meier den Stack vollständig neu – so entstand PX4 in der Form, die der heutigen Plattform zugrunde liegt. Diese beiden Linien, ArduPilot und PX4, bestimmen heute die Praxis der Drohnenprogrammierung.

Warum Software und Präzision entscheiden

Luftaufnahmen und Inspektion liefern nur bei genauer Georeferenzierung ein brauchbares Ergebnis: Ein Positionierfehler von wenigen Metern verschiebt das Orthofoto und vereitelt den Aufbau eines 3D-Modells. Die Genauigkeit der Mission wird durch die Einrichtung des Autopiloten festgelegt – Sensorkalibrierung, Parameter des Navigationsfilters, korrekte Routengeometrie mit Bildüberlappung. Nicht weniger wichtig ist die Legalität: Richtig gesetzte Geozonen, Höhenlimits und das Verhalten bei Verbindungsverlust halten das Gerät im erlaubten Bereich und senken das Risiko von Verstoß und Absturz. Die Drohne fliegt und filmt physisch selbst, aber die Qualität der Daten und die Flugsicherheit bestimmt das Programm und seine Einrichtung, nicht nur die Eigenschaften von Rahmen und Kamera. Deshalb kostet ein Fehler in einem einzigen Parameter der Ausfallsicherheit mehr als die Wahl der Hardware selbst.

Stack: PX4, ArduPilot, MAVLink

Der Arbeitsstack baut sich um zwei Autopiloten und ein Transportprotokoll herum auf. PX4 ist eine modulare Architektur auf Echtzeitbasis, praktisch für die Integration eigener Module und von Computer Vision; ArduPilot ist ein ausgereifter Stack mit breiter Unterstützung von Gerätetypen und einer entwickelten Missions- und Ausfalllogik. MAVLink verbindet den Autopiloten mit der Bodenstation und externen Modulen: kompakte Binärnachrichten übertragen Telemetrie, Befehle und Missionsparameter über den Funkkanal. Darüber arbeiten wir mit Bodenstationen wie QGroundControl und Mission Planner, und für die programmgesteuerte Steuerung verbinden wir uns über MAVLink-Befehle mit dem Autopiloten. Die konkrete Wahl zwischen PX4 und ArduPilot diktiert die Aufgabe des Kunden und sein Controller, nicht die Gewohnheit – für beide Plattformen schreiben wir Missionen und passen Parameter an seiner Technik an.

Wann die wichtigsten Werkzeuge entstanden

Das Protokoll MAVLink entwickelte Lorenz Meier an der ETH Zürich und veröffentlichte es 2009 unter der LGPL-Lizenz im Rahmen des Pixhawk-Projekts. ArduPilot erhielt die MAVLink-Unterstützung in frühen Betaversionen von 2011, und PX4 integrierte es bei seinem Erscheinen etwa im März 2012; um dieselbe Zeit griff die Bodenstation QGroundControl MAVLink auf. 2017 erschien die Version MAVLink 2.0 – sie fügte die Signatur von Nachrichten zum Schutz vor Befehlsfälschung und erweiterte Pakete bis 280 Byte hinzu. PX4 selbst formte sich als eigenständige Plattform nach dem vollständigen Neuschreiben des Pixhawk-Stacks 2011, und zur selben Zeit wurde das RTOS NuttX als Basis genommen. Diese Daten sind praktisch wichtig: Sie legen fest, welche Firmware- und Nachrichtenversionen bei der Einrichtung des Autopiloten des Kunden als Bezugsgröße gelten.

Warum Sie die Aufgabe uns anvertrauen können

Die gesammelte IT-Erfahrung unseres Entwicklungsteams übersteigt 45 Jahre, und der Autopilot ist für uns in erster Linie Software und ihre Konfiguration, keine Magie der Hardware. Wir gehen eine Mission als Ingenieuraufgabe an: Wir halten Parameter fest, führen Firmware-Versionen und prüfen das Verhalten des Geräts in der Simulation und am Boden vor dem scharfen Flug. Ausfallszenarien, Geozonen und die Rückkehr nach Hause werden vorab getestet, damit der erste reale Flug nicht zur Hypothesenprüfung wird. Wir produzieren keine Drohnen und geben fremde Technik nicht als eigene aus – wir programmieren und richten die Anlage des Kunden ein und stützen uns dabei auf PX4, ArduPilot und MAVLink. Im Ergebnis erhält der Auftraggeber kein Versprechen, sondern eine reproduzierbare Einrichtung, die sich anhand der Logs prüfen und an den nächsten Geräten wiederholen lässt.