Selbststeuernde Drohnen auf den Äckern

In Kärnten entsteht ein Hotspot der Drohnenforschung. Die Forscher arbeiten etwa an autonomen Landwirtschaftsdrohnen, die durch eine ausgeklügelte Sensorkombination zum Ladezwischenstopp automatisch landen.

Jeden Morgen fliegen die Drohnen aus. Die Nacht über waren sie in ihrem Unterstand am Rande des Felds. Nun überfliegen sie systematisch Quadratmeter für Quadratmeter, machen Infrarotaufnahmen und werten sie in Echtzeit aus. Dort, wo das Wachstum zurückgeblieben ist, versprühen sie Pestizide oder Dünger. Von Zeit zu Zeit unterbricht eine Drohne ihre Mission und kehrt zum Unterstand zurück, um Batterien aufzuladen oder den Tank zu füllen. Ist das erledigt, nimmt sie die Arbeit genau dort wieder auf, wo sie unterbrochen wurde.

In einigen Jahren könnte die Landwirtschaft auf derartige Weise mittels autonomer Drohnen unterstützt werden. Damit die Fluggeräte ohne menschliche Steuerung auskommen, muss sich ihre Navigationsfähigkeit allerdings noch verbessern. Denn um tatsächlich zentimetergenau auf einem Ladepad landen zu können, noch dazu in einer vom Wetter geschützten, überdachten Umgebung, reichem Satellitennavigationssignale wie GPS nicht aus.

Stephan Weiss und seine Kollegen vom Institut für Intelligente Systemtechnologien im LakesidePark der Alpen-Adria-Universität Klagenfurt arbeiten an einer autonomen Navigation, die auch unter diesen Umständen funktioniert. Im Projekt „Modules“, unterstützt durch das Bridge-Programm der Förderagentur FFG, entwickeln die Forscher eine Plattform, die verschiedenartige Sensoriksysteme kombiniert.

„Multisensorsysteme stehen schon länger im Fokus unserer Forschungsgruppe“, berichtet Weiss. „Standard war bisher, dass man zwei Sensoren zusammenbringt. In diesem Projekt, das neue Anwendungen beim sogenannten Precision-Farming ermöglichen soll, erweitern wir den Ansatz.“

Die Navigation vom Feld aus werde dabei weiterhin mit GPS funktionieren. Sobald die Drohne aber aufs Aufladepad zusteuert, wechselt es auf ein UltrabreitbandModul – ein System, das Distanzmessungen mittels elektromagnetischer Impulse durchführt. Ist die Drohne dann nahe der Ladestation, wird das Ziel mittels Kamera visuell erfasst. Aus Aufnahmen aus verschiedenen Blickwinkeln, die zusammengerechnet werden, kann Tiefeninformation generiert und die Distanz abgeschätzt werden, erläutert Weiss diese „Kaskade an Sensorwechseln“.

Koordinatensysteme

Die Herausforderung besteht für den Wissenschafter nun darin, dass das autonome System selbstständig abschätzen können muss, wann das Umschalten von einer Sensorik zur nächsten am besten erfolgen soll. GPS-, Ultrabreitband- und Kameranavigation nut- zen jeweils eigene Koordinatensysteme, der Wechsel müsse dennoch nahtlos und „sanft“erfolgen, betont der Schweizer. Die jeweiligen Sensorsysteme müssten deshalb neue Parameter schnell abschätzen können, um immer wieder die Frage zu klären: „Sehe“ich mit der nächsten Sensorstufe genau genug, um einen Wechsel einzuleiten? Der Rechenaufwand soll dabei gering gehalten werden, damit auch leichte und günstige Hardware zurechtkommt.

Neben der Anwendung in der datenbasierten Landwirtschaft könnten derartige Drohnen auch bei der Inventur in Lagerhallen helfen, die Vermessung von Gebäuden erledigen oder Telefonmasten und Windräder inspizieren. Weiss legte bereits in seiner Doktorarbeit, die er an der ETH Zürich schrieb und am Jet Propulsion Lab der Nasa in Kalifornien weiterentwickelte, einen Grundstein für einen besonderen Drohneneinsatz: Der kamerabasierte Navigationsalgorithmus des Mars-Helikopters, der 2020 mit einem Rover zum Roten Planeten geschickt werden soll, hat seinen Ursprung in Weiss’ Dissertation.

Klagenfurter Flugraum

In Klagenfurt arbeitet man indes daran, den Standort als Hotspot der Drohnenforschung auszubauen. Ein neues Gebäude, das mit dem Forschungszentrum Joanneum Research Robotics als Partner gebaut wird, soll über einen bis zu 150 Quadratmeter großen und elf Meter hohen Flugraum verfügen. Dieser wird mit einem Motion-Tracking-System ausgestattet, das Flugbahnen auf Millimeter und Zehntel Grad genau verorten kann. Weiss: „Wir werden nicht nur neue Navigationsmethoden, sondern auch das Schwarmverhalten von Drohnen und weitere Aspekte mobiler Robotik besser testen können.“