Drohnen navigieren autonom in unbekannten Regionen

Autonome Drohnen bewegen sich vorsichtig, wenn sie im fremden Terrains navigieren. Sie kartieren neue Bereiche, bevor sie sich weiterbewegen, um nicht mit Objekten zu kollidieren. Der Mechanismus kostet Zeit und ist kritisch bei Aufgaben wie Such- und Rettungsmissionen durch dichte Wälder.

Jetzt haben Ingenieure am Massachusetts Institute of Technology (MIT) ein Modell entwickelt, mit dem Drohnen ihre Flugbahn mit deutlich geringerer Verzögerung berechnen und sich damit schneller fortbewegen können. Ihre Ergebnisse präsentiert die Arbeitsgruppe auf der International Conference on Intelligent Robots and Systems 2019 in Macau (China).

Die Software Faster kalkuliert Flugbahnen

Das Programmpaket „FASTER“ (deutsch: „schneller“) schätzt den schnellstmöglichen Weg von einem Startpunkt zu einem Zielpunkt ein, ohne Berücksichtigung der Sicherheit. Während sich die Drohne fortbewegt, zeichnet sie kontinuierlich kollisionsfreie Backup-Pfade, also Rückzugsmöglichkeiten auf, die von ihrer optimalen Flugbahn abweichen.

Sollte die Software Unsicherheiten bei der Fortbewegung detektieren, weicht die Drohne von ihrer schnellsten Route ab, fliegt einen Umweg über den Sicherungspfad und gleicht die weitere Strecke neu ab. Ihre Bewegung verlangsamt sich zu diesem Zeitpunkt.

„Wir wollen generell den schnellsten Weg beschreiten, aber wir wissen nicht immer, ob dieser auch sicher ist“, sagt Jesus Tordesillas. Er ist Doktorand an der MIT-Abteilung Aeronautics and Astronautics. „Wenn wir auf dieser Strecke feststellen, dass es ein Problem gibt, müssen wir einen Backup-Plan haben.“ Als Besonderheit von FASTER nennt Tordesillas die Möglichkeit, schnelle und sichere Flugbahnen zu überlagern.

Erste Tests im Labor

Anschließend testeten Tordesillas und seine Kollegen die Navigationssoftware anhand einer Simulation. Eine virtuelle Drohne sollte sich um Zylinder bewegen, die Bäume darstellen. Diese Aufgabe gelang mit FASTER doppelt so schnell, verglichen mit kommerziellen Lösungen.

Der nächste Schritt: In Praxistests erreichten Drohnen mit FASTER-Steuerung, die in einem großen Raum um Pappkartons manövrierten, Geschwindigkeiten von 7,8 Metern pro Sekunde. Das sei eine deutliche Verschiebung der Grenzen für die Fluggeschwindigkeit von Drohnen, basierend auf deren Gewicht und Reaktionszeiten, sagt Tordesillas. Vergleichswerte nannte er nicht.

Wie arbeitet die Faster-Software?

Die Entwickler erklären auch, wie ihre neue Navigationssoftware funktioniert. Drohnen verwenden Kameras, um ihre Umgebung als Voxel, sprich als Gitterpunkte in einem dreidimensionalen Netz, zu erfassen. Dabei werden Informationen zur räumlichen Tiefe berücksichtigt.

Während die Drohne fliegt, klassifiziert Faster Voxel soweit möglich als „freien, bekannten Raum“ ohne Hindernisse oder als „bekannter Raum mit anderen Objekten“. Der Rest der Umgebung wird als „unbekannt“ klassifiziert. Informationen aus Voxeln mit diesen drei unterschiedlichen Eigenschaften sind die Basis, um Flugbahnen vom Startpunkt A zum Zielort B zu errechnen.

Gleichzeitig errechnet das Modell einen sicheren – wenn auch langsameren – Pfad mit „Rettungspunkten“. Falls erforderlich, stoppt die Drohne an einem Ort, der sicher, aber möglichst nahe an unbekannten Voxeln ist, damit die Umwege möglichst klein gehalten werden. Sobald die Drohne einen Rettungspunkt erreicht, muss die Software die nächste ganze Flugbahn durch einen bekannten oder unbekannten Raum erfolgreich berechnen. Gelingt das nicht, wird die Drohne auf die sichere Flugbahn umgeleitet.

Einsätze bei Such- und Rettungsaktionen

Eine mögliche Anwendung für Faster könnte darin bestehen, Such- und Rettungseinsätze in Waldgebieten zu verbessern, die für autonome Drohnen bislang große Herausforderungen darstellen. „Aber das unbekannte Gebiet muss kein Wald sein“, sagt Jonathan How. Er ist Professor für Aeronautics and Astronautics am MIT. „Es kann sich um jeden Bereich handeln, in dem wir nicht wissen, was auf uns zukommt. Unsere Hauptmotivation ist es, agilere Drohnen zu bauen.“

Neben der Steuersoftware braucht man aber noch weitere Technologien. So haben Ingenieure der University of South Australia und der Middle Technical University in Bagdad kürzlich gezeigt, wie es gelingen könnte, Unfallopfer aufzuspüren. Nicht immer sind die Körper sichtbar, was visuelle Erkundungen erschwert. Und Wärmebildkameras haben in einer heißen Umgebung Schwierigkeiten.

Bei einer Feldstudie erfasste die Kamera schwache Bewegungen als Folge des aktiven Herz-Kreislauf-Systems und konnte so zwischen teilweise verdeckten, aber lebenden Menschen und Schaufensterpuppen unterscheiden. Die Drohne näherte sich nur bis auf acht Meter, während andere Systeme einen Mindestabstand von drei Metern erforderlich machen.

Drohnen: Zukünftiges Massenphänomen oder Nischenprodukt?

Im Einsatz bei Such- und Rettungsaktionen sieht Christian Arbinger, Managing Partner der DiMOS Operations GmbH, ebenfalls ein klares Anwendungsfeld für Drohnen. Im Podcast „Technik aufs Ohr“ spricht er mit den Hosts über die öffentliche Wahrnehmung von Drohnen und den Stand in Deutschland.

Stand heute ist Deutschland für den kommerziellen Drohnenbetrieb schwieriges Terrain, vor allem bei Flügen außerhalb des Sichtfelds. Wir erfahren in dieser Podcast-Folge, welche Hürden es bei der kommerziellen Drohnennutzung noch zu überspringen gilt und wo Drohnen bereits erfolgreich im Einsatz sind.