Implementierung eines drohnengestützten Borkenkäferfrühdetektionsverfahrens in die FORSTliche PRAXis; Teilvorhaben 3: Entwicklung einer Drohnenplattform mit Hochleistungs-GPS und Abstandssensorik für den baumkronennahen Konturflug für die effektive geruchsbasierte Borkenkäferdetektion

Abstract

Das Projekt adressiert den Bedarf, luftgestützt große Forstflächen autonom überfliegen und analysieren zu können. Der Bedarf ergibt sich aus den immer weiter steigenden Ausfällen aufgrund des Klimawandels und als Folge von Schädlingsbefall. Gemeinsam mit den Partnern wurde daher im Jahr 2021 das Projekt mit hohen Erwartungen gestartet, um zukünftig eine Antwort auf diese drängenden Probleme aus der Luft zu geben. Projektergebnisse: Die Sensoreinheit wurde von der Cadmium GmbH auf Basis der Vorarbeiten der Uni Göttingen und Expertise im Bereich Prototypenentwicklung der Cadmium GmbH konzeptioniert und mehrfach gebaut. Der Testaufbau der zu Beginn des Projekts als prototypischer und rudimentärer Laboraufbau realisiert wurde, konnte im Laufe des Projektes mit outdoortauglichen Komponenten in eine mobile und fliegende Messzelle inklusive Stromversorgung mit Kommunikationsmodul verwandelt werden. Die Sensortechnik erfuhr während des Projektes mehrere Updates – sowohl softwareseitig als auch hardwareseitig. Parallel entstanden so drei Messzellen, mit denen an verschiedenen Standorten (Uni Göttingen, Cadmium GmbH und Labor) Messungen zur Verifizierung und Anpassung der Daten durchgeführt werden konnten. Die größte Herausforderung bestand sicherlich darin, realistische Daten zu sammeln und diese mit den Labordaten und den Daten aus den Vor-Ort-Begehungen in den betroffenen Gebieten zu vergleichen, um ein realistisches Messverhalten garantieren zu können. Es konnte auch die Datenverbindung zum Fluggerät verfügbar gemacht werden. Somit sind die Sensor- und Positionsdaten vor Ort live verfügbar. Das war eines der Ziele des Projektes, um auch dem Piloten/Experten vor Ort sofort Feedback in den Zustand des überflogenen Gebietes zu geben. Die Navigation im bewaldeten Umfeld ist möglich, das haben die Flugtests bewiesen. Die Abstandsregulierung hat sich in den Testflügen als nutzbar herausgestellt. Im Projekt wurde die Abstandskontrolle in Flugrichtung behandelt für einen teilautonomen Flug. Der vollautonome Flug bedarf weiterer Sensorik, die in alle Richtungen des Flugsystems wirken muss, um die sichere Navigation im engen Umfeld des Waldes sicher zu garantieren. Ursprünglich wurde der Überflug von Waldgebieten als Prämisse angenommen um die aufsteigenden Geruchsmoleküle zu erfassen und messen zu können. Während der Testflüge wurde eine weitere Praxisanwendung deutlich: nämlich die Messung im Kronenbereich in allernächster Nähe (unter 1 Meter Abstand von der Rüsselspitze zur Krone). Das Positionsbestimmungssystem ist integriert und liefert präzise Positionsdaten, die zum einen die exakte Kartierung der Messpunkte ermöglicht und auch die genaue und sichere Flugposition absichert. Die besondere Herausforderung bestand darin, die externen GPS-Module mit der Flugsteuerungssoftware zu verbinden, um exakte Positionsdaten zu erhalten. Bestandsbegehungen und Befliegungen wurden begleitend bereits im ersten Jahr und dann regelmäßig an verschiedenen ausgewählten Forstbeständen durchgeführt. Auch Interessenten, die durch Fachbeiträge aufmerksam wurden, konnten zu Testzwecken vor Ort besucht werden. Datei-Upload durch TIB The project addresses the need to be able to autonomously fly over and analyze large forest areas with air support. The need arises from the ever-increasing losses due to climate change and, as a result, pest infestation. Together with the partners, the project was therefore launched in 2021 with high expectations to provide an answer to these pressing problems from the air in the future. Project results: The sensor unit was designed and built several times by Cadmium GmbH based on preliminary work by the University of Göttingen and expertise in the field of prototype development at Cadmium GmbH. The test setup, which was realized as a prototype and rudimentary laboratory setup at the beginning of the project, was transformed into a mobile and flying measuring cell including power supply with communication module during the project with components suitable for outdoor use. The sensor technology underwent several updates during the project - both in terms of software and hardware. In parallel, three measuring cells were created with which measurements could be carried out at different locations (University of Göttingen, drone and laboratory) to verify and adjust the data. The biggest challenge was certainly to collect realistic data and compare it with the laboratory data and the data from the on-site inspections in the affected areas to guarantee realistic measurement behavior. The data connection to the aircraft was also made available. This means that the sensor and position data is available on site. This was one of the aims of the project, to provide the pilot/expert on site with immediate feedback on the condition of the area overflown. Flight tests have shown that navigation in wooded areas is possible. Distance control proved to be usable in the test flights. The project dealt with distance control in the direction of flight for a semi-autonomous flight. Fully autonomous flight requires additional sensor technology, which must work in all directions of the flight system to guarantee safe navigation in the confined environment of the forest. Originally, the overflight of forest areas was assumed as a premise to detect and measure the rising odor molecules. During the test flights, a further practical application became clear: namely the measurement in the crown area in very close proximity (less than 1 meter distance from the tip of the trunk to the crown). The positioning system is integrated and provides precise positioning data, which enables the exact mapping of the measuring points and ensures the exact and safe flight position. The challenge was to connect the external GPS modules with the flight control software to obtain exact position data. Stand inspections and aerial surveys were carried out in the first year and then regularly on various selected forest stands. Interested parties, who became aware of the system through specialist articles, were also visited on site for test purposes.