Networked UAVs as aerial sensor network for disaster management applications

Zusammenfassung

Die technologischen Fortschritte der letzten Jahre ermöglichten die Entwicklung von kleinen unbemannten Fluggeräten, welche mit Kameras und anderen Sensoren ausgestattet sind. Diese erlauben die einfache Aufnahme von Bildern aus der Vogelperspektive, die vor allem in Katastrophenfällen sehr hilfreich sind. Den Einsatzkräften stehen in solchen Situationen oft nur unvollständige und inkonsistente Informationen zur Verfügung. Luftbilder helfen dabei, einen raschen Überblick über die Situation zu gewinnen und diese zu beurteilen. In diesem Artikel beschreiben die Autoren ein aktuelles Forschungsprojekt, das sich mit dem Einsatz von batteriebetriebenen, drahtlos vernetzten Quadrokoptern im Kontext des Katastrophenmanagements beschäftigt. In diesem "fliegenden Sensornetzwerk" kooperieren mehrere Quadrokopter, um eine vorgegebene Mission zu erfüllen. Das Ziel ist es, ein System zur Analyse von Luftbildern zu entwickeln, in dem mehrere Quadrokopter im Flug eine Formation bilden, das Einsatzgebiet überfliegen und dabei Bilder bzw. Videos aufnehmen. Das Bildmaterial wird im Flug an die Bodenstation übertragen und dort analysiert bzw. für den Benutzer aufbereitet. Die Autoren diskutieren in diesem Beitrag die Herausforderungen für den Einsatz von fliegenden Sensornetzwerken. Hauptaugenmerk dabei ist die starke Ressourcenbeschränkung (z. B. Energie, Rechenleistung und Gewicht) sowie die autonome Koordination der Quadrokopter. Abschließend werden erste Ergebnisse in der Auswertung von Luftbildern eines einzelnen Quadrokopters sowie der Erkennung und Verfolgung von Objekten in Luftbildern präsentiert.

Summary

Advances in control engineering and material science made it possible to develop small-scale unmanned aerial vehicles (UAVs) equipped with cameras and sensors. These UAVs enable us to obtain a bird's eye view of the environment. Having access to an aerial view over large areas is helpful in disaster situations, where often only incomplete and inconsistent information is available to the rescue team. In such situations, airborne cameras and sensors are valuable sources of information helping us to build an "overview" of the environment and to assess the current situation. This paper reports on our ongoing research on deploying small-scale, battery-powered and wirelessly connected UAVs carrying cameras for disaster management applications. In this "aerial sensor network" several UAVs fly in formations and cooperate to achieve a certain mission. The ultimate goal is to have an aerial imaging system in which UAVs build a flight formation, fly over a disaster area such as wood fire or a large traffic accident, and deliver high-quality sensor data such as images or videos. These images and videos are communicated to the ground, fused, analyzed in real-time, and finally delivered to the user. In this paper we introduce our aerial sensor network and its application in disaster situations. We discuss challenges of such aerial sensor networks and focus on the optimal placement of sensors. We formulate the coverage problem as integer linear program (ILP) and present first evaluation results.