Für viele Modellflug-Piloten ist es interessant zu wissen, wie hoch die Drohne fliegt. Das folgende Video erklärt die Grundzüge des Messverfahrens mittels Bildanalyse. Show
Die Höhenmessung über Grund ist eine Entfernungsmessung des (senkrechten) Abstands zum Boden. Für diesen Zweck gibt es einige bewährte Sensoren: Oft verwendet
Weniger oft verwendet (Auszug)
Höhenmessung
ist auch ohne diese Sensoren möglich Kamera an einer Drohne, Blickrichtung im Flug nach unten. Auch die Drohne kann als Messobjekt dienen Was ist die Höhenmessung mittels Bildanalyse? Vorteile gegenüber herkömmlichen Sensoren zur HöhenmessungDie Bildvermessung bietet zahlreiche Vorteile gegenüber anderen Sensoren:
Um die Höhe der Drohne zu ermitteln, muss die Kamera genau nach unten gerichtet werden. Zusätzlich wird ein Objekt mit bekannten Abmessungen benötigt. Dies kann Notfalls eine Picknickdecke, ein Badetuch oder besser eine runde Tischdecke sein. Wenn sich das Flugmodell über dem bekannten Objekt befindet, ist es mittels einfacher geometrischer Berechnungen möglich den Abstand bzw. Die Höhe auszurechnen. Je weiter der Abstand zum (Mess-) Objekt, umso kleiner erscheint dieses auf dem Bild Wie klein die Decke mit der Höhe bzw. Entfernung wird, lässt sich berechnen. Beschreibung der Höhenmessung an einer DrohneSkizze D: Abmessung des Objektes Der mathematische Zusammenhang ist: Bei dieser Anordnung lässt sich der Winkel auch folgendermaßen berechnen Hinweis: Das Dreieck ist nicht rechtwinkelig. Der Sehwinkel lässt sich aus einem digitalen Bild folgendermaßen berechnen. ß: Sehwinkel des Objektes Den Bildwinkel können Sie bei Fixfokusobjektiven (z.B. GoPro-Kameras) oft aus dem Datenblatt entnehmen. Besser ist es, wenn Sie den Sehwinkel selber bestimmen. Dies ist nicht schwierig. Der berechnete Sehwinkel wird mit "B" bezeichnet. Folgende Werte können Sie bei einer GoPro 3 bei 1920 Pixel x 1020 Pixel annehmen: Der Wert "B" gibt an, welchem Sehwinkel ein Pixel in Grad entspricht. Je kleiner dieser Wert, umso größer erscheint das Objekt im Bild. Kamera als EntfernungsmesserAufgrund von Toleranzen bei der Herstellung ist es jedoch besser den Bildwinkel Ihrer Kamera selbst zu bestimmen und daraus den Wert "B" zu berechnen. Gehen Sie folgendermaßen vor: Für die Berechnung gilt folgende Gleichung. Genau diesen Wert rechnen Sie aus oder benutzen die Tabelle weiter unten. Beispiel Vertrauen Sie dieser Art der HöhenmessungDurch die Messungen von bekannten Objekten gewinnen Sie schnell Vertrauen in diese Messmethode. Den Abstand bzw. die Höhe bestimmen Sie mit folgender Formel. Achten Sie bei der Berechnung mit einem Taschenrechner darauf, dass die Winkelfunktion auf Grad eingestellt ist („DEG“). Einfache Berechnung des Abstandes bzw. der Höhe B: Der Sehwinkel eines Pixels. Abhängig vom Aufnahmesystem. Die Berechnung ist weiter oben erklärt. Das Messobjekt kann eine runde Tischdecke oder ähnliches sein. Notfalls auch ein Handtuch, die Straßenbreite, ein Auto etc. . Flache Objekte eignen sich besser als hohe. Somit können Sie einfach die Höhe Ihres Fluggerätes (z.B. Drohne, Quadrocopter, Hubschrauber oder Flugzeug) errechnen. Dies funktioniert auch umgekehrt, wenn Sie Ihr Fluggerät vom Boden aus fotografieren. Leider sind die Grenzen bei kleinen Modellen schnell erreicht, weswegen sich bei größeren Entfernungen (ca. ab 50 Meter, je nach Modell) der umgekehrte Weg besser eignet. Sie können das Objekt ab Boden beliebig vergrößern und so zusätzlich die Genauigkeit der Messung erhöhen. Diagramme für GoPro 3 Kamera ale Entfernungs bzw. HöhenmesserGoPro 3 Diagramme für ein Verkehrsschild bei unterschiedlichen FOV Einstellungen. Bildauflösung 1920 Pixel x 1080 Pixel. Probieren Sie es selbst und vergleichen die Werte. Beispielaufnahme Verkehrsschild mit GoPro Aus dem Bild ergibt sich eine Pixelbreite von ca. 13 Pixel. Aus dem Diagramm für das Verkehrsschild mit 60 cm Durchmesser und einem FOV von n ergibt sich eine Entfernung von 73 Meter. Die Messungenauigkeit bei dem Verkehrsschild und dem Abstand ergibt sich rechnerisch zu 7 Meter. Die ermittelten 73 Meter sind innerhalb der Toleranz. Die Berechnung der Messgenauigkeit erfolgt weiter unten. Messgenauigkeit der Entfernungs bzw. HöhenmessungPassen das Messobjekt und die Entfernung bzw. Höhe nicht zusammen, ist die Messgenauigkeit eingeschränkt. Hat das Messobjekt auf dem Bild nur noch wenige Pixel Ausdehnung, ist die Messunsicherheit groß. Die kleinste Messeinheit ist ein Pixel. Dies wird durch B ausgedrückt. Je größer die Ausdehnung des Messobjektes in Pixel, um so präziser ist die Messung. Wie präzise Sie messen können ist berechenbar. Wenn sich der Abstand um ?h verändert, verkleinert sich der Winkel Beta um Alpha. Dies gilt bei einem Höhengewinn und entspricht der praktischen Erfahrung, dass ein weiter entferntes Objekt kleiner wirkt. Sinkt die Drohne, vergrößert sich der Winkel Beta um Alpha. ?h ist in diesem Fall negativ. Im besten Fall kann das Objekt auf ein Pixel genau ausgemessen werden. Dies ist die maximale Auflösung bei der Messung. Interpolationen zwischen Pixeln werden nicht berücksichtigt. Diese Gleichung lässt sich nach D nicht analytisch auflösen. Die numerische Lösung funktioniert immer und wird später gezeigt. Um dennoch zu einer brauchbaren Formel zu gelangen, werden Näherungsverfahren verwendet. Einfache Formel für die Toleranzberechnung ermittelnFür kleine Winkel können die Winkel als Näherungsfunktionen aus der Taylor-Reihe dargestellt werden. Damit lässt sich die obige Formel folgendermaßen vereinfachen: Nach Umformung und Umrechnung der Winkel in Bogenmaß (wegen der Näherungsformel): D: Minimale Abmessung des
Messobjektes Beispiel GoPro 3 (FOV: m) Das Messobjekt sollte kreisrund sein. Abweichungen von der Kreisform sind einfach zu erkennen. Diese kommen vor bei:
Die Näherungsformel ist für praktische Zwecke vollkommen ausreichend. Höhen-Messungen mit einem Fischaugen-ObjektivBefindet sich die Drohne nicht genau über dem runden Messobjekt, sollte immer die lange Seite des Messobjekts verwendet werden. Dies trifft bei Fischaugen-Objektiven besonders zu. Beispiel: Runde weiße Tischdecken auf einer Wiese. Bei in der Höhe ausgedehnten Messobjekten kann es zu Fehlmessungen kommen. Die Messungen links im Bild messen nicht den Durchmesser, sondern enthalten auch teilweise die Höhe des Messobjektes. Dadurch entstehen Messfehler. Mit den folgenden Diagrammen können Sie die minimale Objektgröße je nach Entfernung und Einstellung der GoPro 3 Kamera einfach ermitteln. Die Bildauflösung der Kamera muss dazu auf 1920 Pixel x 1020 Pixel eingestellt werden. Wenn Sie bei 80 Meter Entfernung und einem FOV (GoPro 3) von n noch auf 1 Meter genau messen möchten, sollte das Messobjekt mindestens 4 Meter groß sein. Wenn Sie bei 80 Meter Entfernung und einem FOV (GoPro 3) von m noch auf 1 Meter genau messen möchten, sollte das Messobjekt mindestens 6 Meter groß sein. Wenn Sie bei 80 Meter Entfernung und einem FOV (GoPro 3) von w noch auf 1 Meter genau messen möchten, sollte das Messobjekt mindestens 8 Meter groß sein. Kameraeinstellungen für optimale HöhenmessungJe nach Digitalkamera ist es möglich den Bildwinkel zu verändern. Einerseits über optischen Zoom, andererseits über den Sensor selbst. Letzteres wird z.B. bei der GoPro Aktionkamera verwendet. Je nach Kameraeinstellung an der GoPro verändert sich somit der Bildwinkel (FOV – Field of view). Beispielbilder bei gleicher Entfernung und unterschiedlichen Einstellungen. Die Abstandsmessung mittels Bilderanalyse besitzt eine hohe Präzision und Messrate. Mit einer GoPro Actionkamera können problemlos 50 gute Bilder pro Sekunde aufgenommen werden. Dies entspricht einer Messzeit von 20 ms. Die hohe Genauigkeit bei hoher Messfrequenz ermöglicht es, weitere interessante Parameter zu bestimmen. Messung der AufstiegsgeschwindigkeitWenn von einer Drohne oder Modellhubschrauber die Aufstiegsgeschwindigkeit bestimmt werden soll, lässt sich dies mit der Bildanalyse ebenfalls ermitteln. Lassen Sie das Flugmodell über dem Messobjekt (z.B. eine runde Picknickdecke) schweben und anschließend senkrecht nach oben steigen. Messen Sie zu bestimmten Zeiten die Höhe und Sie können die Steiggeschwindigkeit ermitteln. Damit die Bildauswertung sicher ist, empfiehlt es sich vor der Weiterverarbeitung des Videos die Bildnummern bzw. die Zeit einzublenden. Damit kann jedes Standbild später eindeutig identifiziert werden. Messung der vertikalen BeschleunigungDurch die hohe Messrate bei der Bildaufzeichnung kann neben der Geschwindigkeit auch die Beschleunigung berechnet werden. Dazu wird die Aufstiegsgeschwindigkeit des Flugmodells zu verschiedenen Zeiten berechnet. Über die Veränderung der Geschwindigkeit über die Zeit ist es einfach möglich die Beschleunigung zu errechnen. Vergleich verschiedener HöhenmessungenNachfolgen werden verschiedene Messwerte gegenüber gestellt. Es wurden folgende Sensoren verwendet:
Bei den Sensoren besteht eine große Toleranz, obwohl die Messungen zur selben Zeit in der Drohne durchgeführt wurden. Fazit Höhenmessung mittels Bildanalyse bei einer DrohneSie sehen, dass mit einem einfachen Video viele Daten über die Drohne gewonnen werden können. Egal ob Drohne, Hubschrauber oder Flugzeug. Die Messung ist einfach nachvollziehbar und bei korrekter Ausführung genau und schnell. Die Messung kann erfolgen, sobald eine Sichtverbindung zum Messobjekt besteht. Unabhängig von schlechtem GPS-Empfang oder Problemen bei der barometrischen Messung. Für eine genaue barometrische Höhenmessung muss übrigens nicht nur das Wetter mitspielen, auch der Sensor muss so verbaut sei, dass Fahrtwind oder Wind allgemein keine Auswirkung hat. Der große Nachteil bei der Bildauswertung ist, dass diese erst nach dem Flug durchgeführt werden kann. Wenn an der Drohne keinerlei Sensoren angebracht sind, ist die Analyse der Bilddaten eine einfache Möglichkeit die Flughöhe der Drohne, Hubschraubers oder Flugmodells zu bestimmen. Entfernungsmessungen für weitere Zwecke sind ebenfalls möglich. Mit der Bildanalyse können Sie ebenfalls überprüfen, ob vorhandene Sensoren richtig arbeiten. Gerade unter ungünstigen Bedingungen liefern diese unbrauchbare Werte. Denken Sie an GPS-Höhenmessungen in der Nähe von hohen Gebäuden oder in Gebirgstälern. Die Bildaufzeichnung kann sofort nach dem Einschalten der Kamera erfolgen. Warten auf gültige GPS-Signale entfällt. Jedes Messverfahren hat Vorteile und Nachteile. Welche überwiegen, hängt immer vom zu erwartenden Einsatzszenario ab. Die Vorteile der Höhenmessung mittels Bildanalyse sind
Die Nachteile sind
Gute Messobjekte
Wir unterstützen Sie gerne bei Ihren Messaufgaben. Sprechen Sie mit uns. Akzeptieren Wir verwenden Cookies, um zu verstehen, wie Sie unsere Website nutzen, und um Ihre Erfahrung zu verbessern. Wenn Sie unsere Website weiterhin nutzen, akzeptieren Sie die Verwendung von Cookies und die Datenschutzerklärung. Welche Methode zur Einschätzung der Flughöhe und Entfernung eines UAS ist am wenigsten präzise Antwort?Welche Bedingungen erschweren die Einschätzung der Flughöhe einer Drohne? Neben anderen Faktoren sind es insbesondere Sonneneinstrahlung und Feuchtigkeit, die das Einschätzen der Flughöhe eines UAS erschweren. Übrigens: Die Flughöhe einer Drohne wird auch als AGL (Above Ground Level) angegeben.
Was ist die Flughöhe eines UAS?Zu bedenken ist hierbei Folgendes: Die maximale Flughöhe für UAS beträgt 120 m, gemessen vom nächsten Punkt der Erdoberfläche.
Welche Aussage beschreibt den Begriff Situational Awareness am besten?Dieser Begriff ist bedeutet in der Luftfahrt, sich einen Überblick zu verschaffen was als nächstes passiert. Dabei ist es besonders wichtig die Gesamtsituation richtig einzuschätzen, um in Not- oder Fehlerfall das Richtige zu tun.
Was bedeutet Open UAV?Dies beschreibt einen von der zuständigen Luftfahrtbehörde festgelegten Teil des Luftraums, der den UAS-Betrieb entweder ermöglicht, einschränkt oder ausschließt. Diese Gebiete sind dementsprechend essenziell für den rechtmäßigen Betrieb von unbemannten Luftfahrzeugen.
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