Forschungseisbrecher Polarstern 18.08.2015, 06:55 Uhr

Multikopter fliegt erstmals autonom durch die Arktis

Erstmals kann ein Multikopter nahe des Nordpols autonom fliegen – auch wenn das Erdmagnetfeld den Kompass verrücktspielen lässt. Möglich macht das eine alternative Steuerung, die Ingenieure auf dem Forschungseisbrecher Polarstern entwickelt haben. 

AWI-Ingenieure haben eine alternative Steuerung für ihren Multikopter entwickelt. Er kann dadurch trotz Magnetchaos in der Nähe des Nordpols in einem Radius von 10 km autonom fliegen. 

AWI-Ingenieure haben eine alternative Steuerung für ihren Multikopter entwickelt. Er kann dadurch trotz Magnetchaos in der Nähe des Nordpols in einem Radius von 10 km autonom fliegen. 

Foto: Alfred-Wegener-Institut

Der Nordpol lässt die autonome Navigation eines Multikopters verrückt spielen: „Die Navigation erfolgt mittels Magnetsensoren. Die Feldlinien des Erdmagnetfelds zeigen jedoch in Pol-Nähe nahezu senkrecht zum Erdboden, sodass eine exakte Navigation schwierig ist“, erklärt Ingenieur Sascha Lehmenhecker vom Alfred-Wegener-Institut (AWI) am Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung. „Aus diesem Grund sind kommerzielle Multikopter-Steuerungen für Einsätze in polaren Regionen ungeeignet.“

AWI-Ingenieure entwickeln Steuerung des Multikopters weiter

Die Ingenieure wollten sich bei der Steuerung ihres Fluggeräts nicht länger vom Nordpol an der Nase herumführen lassen. Deswegen verfolgten sie zwei Ansätze, damit die Steuerung die Missweisungen des Erdmagnetfelds in die Positionsbestimmung mit einbezieht. „Zum einen hat der Multikopter über Funk permanent Kontakt zu einer Bodenstation, die mittels der GPS-Daten des Multikopters die Missweisung berechnet“, erklärt Lehmenhecker. „Der Multikopter schickt also seine GPS-Position per Funk an eine Bodenstation und diese schickt ihm anschließend die entsprechend neu berechneten Koordinaten.“

Der Test auf einer Eisscholle in der arktischen Framstraße verlief erfolgreich. Der Multikopter flog trotz Magnetchaos autonom zu vorprogrammierten Koordinaten. 

Der Test auf einer Eisscholle in der arktischen Framstraße verlief erfolgreich. Der Multikopter flog trotz Magnetchaos autonom zu vorprogrammierten Koordinaten. 

Quelle: Alfred-Wegener-Institut

Beim zweiten Ansatz berechnen die Ingenieure mittels zwei angebrachter GPS-Empfänger die tatsächliche Veränderung der Position des Fluggeräts. Lehmenhecker: „Das ist der bessere, aber auch viel komplexere Ansatz, mit dem wir noch am Anfang der Entwicklungsarbeiten stehen.“

Erfolgreicher Test auf Eisscholle in arktischer Framstraße

Den ersten Test im Eis hat die Steuerung schon bestanden: Die Forscher hatten sich auf einer Eisscholle in der arktischen Framstraße (79° nördlicher Breite) aussetzen lassen. Dort steuerten sie ihren Multikopter manuell bis zur Sichtgrenze in etwa 3 km Entfernung. Dann starteten sie das autonome Rückflugprogramm und der Multikopter flog trotz Magnetchaos zu den vorprogrammierten Koordinaten zurück und landete selbstständig.

In späteren Einsätzen soll das etwa einen halben Meter große Fluggerät selbstständig von Eisschollen zum Forschungsschiff Polarstern fliegen. Dann wird sich zeigen, ob die Steuerung zuverlässig funktioniert, denn sowohl Eisscholle als auch Schiff sind in Bewegung.

Multikopter unterstützt Unterwasserfahrzeug Paul

Und wozu überhaupt ein Multikopter in der Arktis? Zum Einsatz kommen soll er beispielsweise in Kombination mit Paul – ein torpedoförmiges Unterwasserfahrzeug (AUV), das den Ozean unter dem Meereis erkundet. „Zur optimalen Planung seiner Tauchgänge ist es wichtig, auf genaue Informationen zur Bewegung des Meereises zurückgreifen zu können“, erläutert Lehmenhecker.

Der Multikopter schickt seine GPS-Position per Funk an eine Bodenstation. Diese berechnet die Missweisung des Erdmagnetfelds und schickt ihm neu berechnete Koordinaten zurück. 

Der Multikopter schickt seine GPS-Position per Funk an eine Bodenstation. Diese berechnet die Missweisung des Erdmagnetfelds und schickt ihm neu berechnete Koordinaten zurück. 

Quelle: Alfred-Wegener-Institut

Bisher haben die Forscher sogenannte Ice Tracker mit Hilfe eines Schlauchbootes auf der Scholle angebracht – ein aufwendiges und gefährliches Verfahren. Schließlich herrscht eine Wassertemperatur um die 0 °C, überall treiben scharfkantige Eisschollen, hungrige Eisbären sind auch in der Nähe. Deshalb soll zukünftig der Multikopter bei der Navigation des Unterwassergeräts helfen.

Bereits 2012 hatte die Tiefseegruppe das Gerät eingesetzt. Es landete ferngesteuert auf dem Eis, stellte seine Position per GPS fest und übertrug sie an das Forschungsschiff, auf dem die Forscher Pauls Tauchgang beobachteten. Nach Abschluss der Tauchgänge musste sich das Schiff der Position des Multikopters nähern, damit ein Pilot das Gerät per Fernsteuerung zurück zum Schiff fliegen konnte. Lehmenhecker: „Die aktuelle Weiterentwicklung vergrößert den Aktionsradius unserer Flugroboter von Sichtweite auf bis zu zehn Kilometer.“

Von Patrick Schroeder
Von Patrick Schroeder

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