Drohnen: Algorithmen für Berechnung der Flugbahn im Voraus – trotz Hindernissen

Inspiriert von Vögeln haben Forscher Algorithmen entwickelt, die Flugbahnen für Drohnen im Voraus planen – statt kurzfristig auf Hindernisse zu reagieren.

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(Bild: sdecoret / Shutterstock.com)

Von
  • Hans-Arthur Marsiske

Die Bilder erinnern an Verfolgungsjagden aus Filmen wie "Star Wars", die Geräusche an einen Hornissenschwarm. Doch es sind Drohnen, die da laut brummend durch den dichten Bambuswald fliegen, zehn insgesamt, jede einzelne ungefähr handtellergroß. Sie weichen nicht nur jedem Hindernis sicher aus, sondern bleiben auf der schwierigen, 65 Meter langen Strecke auch als Schwarm zusammen.

Ihre beeindruckenden fliegerischen Fähigkeiten verdanken die Quadrokopter einem von Chao Xu und Fei Gao geleiteten Forschungsteam an der chinesischen Zhejiang University. In der aktuellen Ausgabe von Science Robotics beschreiben die Wissenschaftler, wie sie es geschafft haben, auf den knapp 300 Gramm schweren Drohnen die dafür erforderliche Sensorik und Rechenleistung unterzubringen. Denn der Drohnenschwarm nutzt keinerlei externe Infrastruktur wie Satellitennavigation. Pfadplanung, Kollisionsvermeidung und die Abstimmung der Drohnen untereinander erfolgen dezentral ausschließlich mithilfe der bordeigenen Tiefenkameras, Ultrabreitbandsensoren und Computer.

Die Forscher haben sich dabei von Vögeln inspirieren lassen. Anders als Insekten, die kurzfristig auf Hindernisse reagierten, würden Vögel ihre Flugbahn länger im Voraus planen, erklären sie. Das erlaube es, die Pfadplanung stärker zu optimieren und flexibler zu gestalten. Für das Fliegen im Schwarm sei es zudem wichtig, nicht nur den räumlich optimalen Kurs zu finden, sondern auch die Flugzeit zu optimieren. Neben den statischen und sehr unterschiedlichen Hindernissen im Bambuswald müssen die Drohnen außerdem auch sich untereinander im Auge behalten, um einerseits im Schwarm zusammenzubleiben, aber nicht miteinander zu kollidieren.

Die Algorithmen, die Xu und Gao mit ihrem Team dafür entwickelt haben, haben sich nicht nur im Bambusdickicht bewährt. In weiteren Videos ist zu sehen, wie der Drohnenschwarm trotz unvorhergesehener Hindernisse immer wieder zu einer vorgegebenen Formation zurückfindet; wie die Drohnen in einem lediglich sechs Meter durchmessenden Kreis nach dem Zufallsprinzip hin und her fliegen, ohne mit den Hindernissen zu kollidieren, die dort von einem Menschen auf- und abgebaut werden (ein Szenario, das von zukünftigem dichtem Flugverkehr in Städten inspiriert ist); und wie vier Drohnen einem Menschen folgen, obwohl er zeitweise durch Hindernisse verdeckt ist.

In einem Kommentar lobt Enrica Soria von der Schweizer École Polytechnique Fédérale de Lausanne die Studie als "das erste Schwarmsystem, das zu einem dezentralen, autonomen Flug in unstrukturierter Umgebung fähig" sei. Das sei ein wichtiger Schritt hin zum Einsatz von Drohnenschwärmen außerhalb von Laboratorien, nicht nur in Wäldern, sondern auch bei sicherheitskritischen Missionen in menschengemachten Umgebungen.

Als weitere Forschungsschritte empfiehlt sie zum einen, die Intelligenz des Schwarms zu erhöhen, damit er besser auf Veränderungen in der Umgebung und unerwartete Ereignisse reagieren könne. Zum anderen wäre es wichtig, Schwärme nicht nur mit gleichartigen Drohnen zu besetzen, sondern auch mit unterschiedlichen, die dann aufgrund ihrer jeweiligen Gestaltung spezielle Aufgaben übernehmen könnten. Eine weitere offene Frage sei, wie solche Drohnenschwärme effektiv durch Menschen gesteuert werden könnten.

(bme)