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Drohne spielt Völkerball

Achtung, da kommt ein Ball angesaust! Forscher haben ein superschnelles Wahrnehmungs-System entwickelt, durch das Drohnen sogar gezielten Ballwürfen ausweichen können. Mithilfe sogenannter Ereigniskameras und raffinierter Datenverarbeitung konnten sie die bisherigen Reaktionszeiten auf wenige Millisekunden reduzieren. Das Konzept könnte helfen, Kollisionen mit Vögeln oder zwischen Drohnen zu verhindern, sagen die Entwickler.

Den schwirrenden Flugrobotern gehört die Zukunft, heißt es: Eines Tages werden demnach Drohnen etwa Waren ausliefern, Personen transportieren oder bei kniffligen Erkundungs- und Rettungsaktionen zum Einsatz kommen. Der technische Fortschritt der letzten Jahre hat die autonomen Fluggeräte immer schneller und wendiger gemacht – doch ein Aspekt ihrer Leistungsfähigkeit hat sich nicht entsprechend fortentwickelt: ihre Wachsamkeit. Vor allem, wenn Drohnen schnell unterwegs sind, können sie plötzlich auftauchenden Hindernissen nur schlecht ausweichen.

Noch immer zu träge

Bisherige Kamera- und Datenverarbeitungs-Systeme benötigen 20 bis 40 Millisekunden, um eine Fluganpassung zu veranlassen. Das hört sich zwar fix an – doch für wirkliche Spontanität reicht es nicht: Um einem Vogel oder einer anderen Drohne ausweichen zu können, ist eine deutlich kürzere Reaktionszeit nötig. „Schnell navigierende Drohnen haben ein besonders hohes Risiko, mit Hindernissen zu kollidieren, ganz besonders, wenn sich diese bewegen“, sagt Davide Scaramuzza von der Universität Zürich. Er und seine Kollegen widmen sich deshalb der Entwicklung von Konzepten, die Drohnen reaktionsschneller machen können.

Für ihr Projekt haben sie eine recht junge Erfindung genutzt: die sogenannte Ereigniskamera. Ihre Leistungsfähigkeit unterscheidet sich von herkömmlichen Systemen deutlich. Videokameras, wie etwa in Smartphones, machen fortlaufend Schnappschüsse einer gesamten Szene, indem sie gleichzeitig alle Pixel belichten. Um ein bewegtes Objekt zu erfassen, müssen dabei alle Pixel-Informationen analysiert werden. Ereigniskameras sind hingegen selektiver: Sie werten gezielt und nahezu instantan die Pixel aus, deren Lichtintensität sich verändert. Eine Gesamtbilderfassung ist nicht nötig. Dadurch ist eine deutlich schnellere Informationsverarbeitung möglich, erklären die Wissenschaftler.

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Für den Einsatz von Ereigniskameras bei Drohnen mussten die Forscher allerdings eine Herausforderung bewältigen: Um Bewegungen von Hindernissen korrekt erfassen zu können, muss die Eigenbewegung des Fluggeräts einberechnet werden. Die Forscher entwickelten dazu einen Algorithmus. Vereinfacht ausgedrückt, vermittelt das Berechnungsverfahren dem System die Fähigkeit, von der Kamera erfasste Bewegungen von den Effekten der Eigenbewegung der Drohne abzuziehen. Das Differenz-Signal beschreibt dabei das sich bewegenden Fremd-Objekt. Anhand dieser Information können dann Ausweichmanöver ausgelöst werden.

Völkerball mit Drohne

Was ihr System leisten kann, demonstrierten die Forscher durch „Drohnen-Völkerball“: Sie rüsteten dazu einen Quadrokopter mit den speziellen Kameras und den Algorithmen aus und testeten die Fähigkeit der Drohne, gezielten Ballwürfen auszuweichen. Wie sie berichten, gelang es dem Flugobjekt in über 90 Prozent der Fälle erfolgreich zu reagieren – sogar wenn ein Ball aus einer Entfernung von nur drei Metern mit zehn Metern pro Sekunde angeflogen kam. Das Wahrnehmungssystem reagiert dabei in bis zu 3,5 Millisekunden. Es ist somit etwa zehnmal schneller als herkömmliche Konzepte, resümieren die Wissenschaftler.

Wie sie erklären, könnte das Konzept die Einsatzmöglichkeiten von Drohnen deutlich ausweiten. Darüber hinaus könnten aber auch andere Robotersysteme profitieren: „Die Fähigkeit von Robotern, auf sie zukommende Hindernisse zuverlässig zu erkennen, spielt auch in anderen Bereichen eine entscheidende Rolle, beispielsweise in der Automobilindustrie, im Bergbau und bei der Ferninspektion mit Robotern“, sagt Scaramuzza.

Er und seine Kollegen wollen sich nun allerdings erst einmal dem Potenzial in der Drohnen-Technik widmen: Sie loten derzeit aus, inwieweit das neue Konzept die Reaktionsgeschwindigkeit von Drohnen noch weiter steigern kann. Sie testen dazu Quadrokopter, die zu noch schnelleren Flugmanövern in der Lage sind, sodass sie beim Drohnen-Volleyball vielleicht tatsächlich einmal kein Wurf mehr erwischen kann.

Quelle: Universität Zürich, Fachartikel, Science Robotics, doi: 10.1126/scirobotics.aaz9712

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