Scaniana Jones (Autonomes Scan-Boot)

Was ist es?

"Scandiana Jones" ist ein Modellboot-Katamaran, der dank Ardurover / Ardupilot autonom fahren kann. Ausgestattet ist er mit einem Sensorpaket aus Webcams und Sonar.

Wofür ist es gut?

Das Ziel dieses Projektes ist die Erfassung von schwer zugänglichen Orten am Wasser (z.B. für Archäologen oder Umweltanalysen). Das Boot nimmt Fotos auf, die anschließend als Ausgangsmaterial für Photogrammetrie (3D-Scans) und Gaussian Splatting dienen. So lassen sich digitale Zwillinge von Schleusen, Uferböschungen, Brückenpfeilern oder Höhlen erstellen.

Inspiration

Dieses Projekt wurde inspiriert durch das Projekt "Kenterprise".

Hier sind die Komponenten, die für den Bau von Scandiana Jones benötigt werden.

Elektronik:

1. Flightcontroller: Pixhawk PX4 PIX 2.4.8 (32-Bit) mit 4G SD-Sicherheitsschalter, Summer und Funktelemetrie.
2. Computer: Raspberry Pi 3b (für die Kamerasteuerung und Datenverarbeitung).
3. Motoren: 2x DC 12V-24V 20A Unterwasser Thruster (CW & CCW) – oft als "Decoy Nest Boot Motor" zu finden.
4. ESCs (Fahrtregler): 2x ZTW Shark (wassergekühlt, bidirektional, passend für RC Boote).
5. Fernsteuerung: HOTRC DS-600 6CH 2.4GHz Sender mit passendem 6-Kanal PWM Empfänger.
6. Kameras: 2x Standard USB Webcams.
7. Sonar-Setup: Open-Echo Arduino (als Interface) und Sonar-Sensor.
8. Stromversorgung: Talentcell 12V LiFePO4 Akkupack (passend zu den Motoren/ESCs).

Bauteile (Hardware):

1. Rumpf: 2 Schwimmbretter (zerschnitten und bearbeitet).
2. Gehäuse: Eine wasserdichte Plastikbox (z.B. Ikea SAMLA Box mit Deckel, transparent, 39x28x14 cm) oder ähnliche Box für Elektronik).
3. Rahmen: Aluminiumstab für den Kameramast.
4. Verbindungen: 3D-gedruckte Klemmen und Halterungen (Dateien unten).

Software:

1. Mission Planner / QGroundControl (für Ardurover)
2. Reality Scan (für Punktwolken/Mesh)
3. Blender (Mesh-Bereinigung)
4. Postshot (für Gaussian Splatting)
5. GitHub Repo für Sonar: Neumi/open_echo

Um den Aluminiummast, die Kameras und die Motoren sicher an den Schwimmbrettern und der Box zu befestigen, werden einige Teile aus dem 3D-Drucker benötigt.

-TODO: STL Files einfügen

Die Basis des Katamarans bilden zwei handelsübliche Schwimmbretter.

1. Zuschnitt: Die Schwimmbretter wurden so zugeschnitten, dass sie als stabile Pontons fungieren.
2. Montage: Die Plastikbox wird mittig auf den Pontons befestigt. Dies dient als wasserdichtes Gehäuse für die empfindliche Elektronik.
3. Kameramast: Ein Aluminiumstab dient als Mast. Er wird mit den 3D-gedruckten Klemmen an der Box oder dem Rahmen befestigt. Die Höhe ist entscheidend, um einen guten Winkel für die Photogrammetrie zu erhalten.
4. Motoren: Die Unterwasser-Thruster werden an den hinteren Enden der Schwimmbretter montiert.

Das Herzstück ist der Pixhawk Flightcontroller, der die Steuerung übernimmt, und der Raspberry Pi, der die Daten sammelt.

Verkabelung (siehe Schaltplan/Fotos):

1. Pixhawk: Dient als Autopilot. Er ist verbunden mit dem GPS-Modul (für Geotagging und Navigation), dem Empfänger der Fernbedienung und den ESCs der Motoren.
2. ESCs & Motoren: Die ESCs werden an die Main-Outs des Pixhawk angeschlossen, um "Skid Steering" (Panzersteuerung) zu ermöglichen (ein Motor dreht schneller als der andere zum Lenken).
3. Raspberry Pi: Der Pi ist über USB mit dem Pixhawk verbunden. Er steuert die 2 Webcams an.
4. Sonar: Das Sonar kommuniziert über einen Arduino mit dem Raspberry Pi (siehe Github Link im Intro).

Tipp: Achte darauf, dass alle Kabeldurchführungen in die Box wasserdicht versiegelt sind (z.B. mit Kabelverschraubungen)!

1. Ardurover Setup:

Der Pixhawk muss mit der Ardurover Firmware geflasht werden. Im Mission Planner muss der Rahmen auf "Boat" oder "Skid Steering" konfiguriert werden. Damit kann das Boot Wegpunkte (Waypoints) per GPS autonom abfahren.

2. Raspberry Pi Skript:

Auf dem Raspberry Pi läuft ein Skript, das:

1. Alle 1 Sekunde ein Bild mit beiden Webcams macht.
2. Die GPS-Informationen vom Pixhawk abgreift.
3. Die GPS-Daten direkt in die EXIF-Daten der Bilder schreibt (Geo-Tagging).

3. Sonar:

Für die Tiefenmessung bzw. Unterwasser-Scans wird die Software von Neumi/open_echo verwendet.

Wie entsteht nun das 3D-Modell?

1. Mission planen: In Mission Planner wird eine Route entlang des zu scannenden Objekts (z.B. Ufer) festgelegt.
2. Datenerfassung: "Scandiana Jones" fährt die Route ab. Der Raspberry Pi speichert hunderte Fotos mit GPS-Tags.
3. 3D Rekonstruktion:
4. Reality Scan: Die Bilder werden importiert, um eine Punktwolke und ein Mesh-Modell zu erstellen.
5. Blender: Das Mesh wird nach Blender exportiert, um es zu bereinigen und für den 3D-Druck (als STL) vorzubereiten.
6. Gaussian Splatting: Alternativ wird die Punktwolke in "Postshot" geladen, um ein Gaussian Splatting Modell zu erstellen (fotorealistische Darstellung).