Navigation von Flugdrohnen ohne GPS
Wissenschaftler am Massachusetts Institute of Technology haben eine neue Technik entwickelt, um Flugdrohnen ohne GPS durch Waldgebiete steuern zu können. Die Drohnen orientieren sich an den Bäumen.
Diese Drohne ist mit einer besonderen Fähigkeit zur Navigation ausgestattet. Ihren Weg findet sie nicht per GPS, sondern mit dem Laser-Messverfahren LIDAR.
Foto: Melanie Gonick / Massachusetts Institute of Technology
Im professionellen Einsatz werden Drohnen auch außerhalb der Sichtweite des Piloten geflogen. So ist es möglich, sie beispielsweise durch unwegsame Gebiete oder Gefahrenzonen zu lenken, ohne ein Risiko für den Menschen einzugehen. Die Steuerung erfolgt dabei normalerweise über GPS. Problematisch wird es jedoch, wenn die GPS-Signale unzureichend oder gar nicht vorhanden sind. Ein Team am Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat dafür jetzt eine Lösung gefunden. Die Wissenschaftler lassen die Drohen über das Lasermessverfahren Light detection and ranging, kurz LIDAR, Karten von ihrer Umgebung erstellen.
Positionsbestimmung mit einem Laser statt mit GPS
Wenn ein Wanderer sich in einem unwegsamen Waldgebiet verläuft, muss eine umfangreiche Such- und Rettungsaktion gestartet werden – Trupps durchkämmen die Gegend. Je nach Witterungslage kann ihre Arbeit zu einem Wettlauf gegen die Zeit werden. Drohnen sind hingegen in der Lage, eine Region deutlich schneller zu überfliegen. Außerdem erreichen sie schwieriges Terrain mit Leichtigkeit und bei einer Drohnensuche bringt sich kein Retter in Gefahr. Das sind viele gute Gründe, um ihren Einsatz voranzutreiben. Doch in der Praxis taucht häufig ein Problem auf: Das GPS-Signal reicht nicht immer aus, um die Drohnen zu steuern. Gerade in dichten Waldgebieten kommt es zu Störungen.
Die Wissenschaftler am MIT haben daher nach alternativen Navigationsmöglichkeiten gesucht. Herausgekommen sind Flugdrohnen, die ihre Position mit Laserentfernungsmessern bestimmen und dabei automatisch durch die integrierte Software eine 3D-Karte erstellen. Die Forscher haben dafür unter anderem Algorithmen programmiert, die unerforschte von bereits erfassten Bereichen unterscheiden können. Ihre Daten senden die Drohnen an eine Bodenstation, die alle Informationen verschiedener Drohnen zusammenfasst und daraus eine Karte des gesamten Geländes erstellt. Bei einem realen Einsatz würden die Drohnen zusätzlich den Fundort des Wanderers markieren – und der Rettungstrupp könnte gezielt ausrücken.
Praxistest: Flugdrohnen erstellen 3D-Karte in Echtzeit
So einfach das Prinzip klingt, für die Wissenschaftler war es eine große Herausforderung. Denn über das LIDAR-System geben die Drohnen nur Laserstrahlen ab und messen die reflektierten Impulse. Praktisch heißt das jedoch, dass jeder Baum für sie mehr oder weniger gleich aussieht. Die Lösung fanden die Forscher, als sie die Flugdrohnen so programmierten, dass sie direkt einen ganzen Cluster von Bäumen in ihrer Umgebung ausmessen sollten. Ein Algorithmus berechnet dabei die Winkel und Abstände zwischen den Bäumen. Diese sind niemals identisch. „Drohnen können diese eindeutige Signatur verwenden, um festzustellen, ob sie dieses Gebiet bereits besucht haben oder ob es sich um ein neues Gebiet handelt“, sagt Yulun Tian vom Department of Aeronautics and Astronautics.
Die Wissenschaftler testeten ihr System in einem Waldgebiet im Langley Research Center der NASA. Sie schickten mehrere Flugdrohnen los, und jede kartierte in etwa 2 bis 5 Minuten ein ungefähr 20 Quadratmeter großes Gebiet. In Echtzeit fusionierten die Kartenabschnitte miteinander. Die dabei entstandene 3D-Karte zeigt alle Geländemerkmale und weist sie in verschiedenen Farben aus. Für die Rettungsmannschaften sind das wichtige Informationen, und Tian schätzt sie im Vergleich zu den Bilder aus einer Videokamera als zuverlässiger ein. Außerdem hat er ein zweites Argument dafür, warum eine Kamera an Bord einer Drohne keine Alternative sein kann: Das Übertragen des Videofeeds an eine Bodenstation würde eine Bandbreite erfordern, die in entlegenen Waldgebieten selten vorhanden ist.
Eine Zusammenfassung der Entwicklung sehen Sie auch in diesem Video des MIT:
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