Drohnen auf Schwarm-Missionen

Unbemannte Luftfahrzeuge (UAV), vulgo Drohnen,bieten vielfältige Einsatz­möglichkeiten in zivilen Bereichen. Da sie mit hochentwickelten Sensoren und Kommunikations­geräten ausgestattet sind, können Drohnen einen Schwarm bilden. Wissenschaftler des Helmholtz-Instituts Freiberg für Ressourcen­technologie und des Center for Advanced Systems Understanding haben Tests durchgeführt, um einen konzeptio­nellen Rahmen für einen autonomen Schwarm mit einem bestimmten Auftrag zu schaffen: Es sollen insbesondere unregel­mäßig strukturierte Umgebungen effizient abgescannt werden.

Ein intelligenter UAV-Schwarm ist eine Flotte autonomer Drohnen, die nach einem bestimmten Regelwerk kooperiert, um eine komplexe Mission ohne menschliches Eingreifen effizient auszuführen. Durch die Zusammen­arbeit mehrerer Drohnen in hierarchischen Gruppen können die Grenzen einzelner UAVs überwunden werden, so dass viele verteilte Aufgaben auf einmal erledigt werden können. Der vorge­schlagene konzeptionelle Rahmen basiert auf dem Leader-Followers-Paradigma, dabei verteilt die führende Drohne die Aufgaben an die weiteren Drohnen. „Unsere Forschung zielt darauf ab, den gemeinsamen wirt­schaftlichen Wohlstand, die soziale Entwicklung und den Umweltschutz zu verbessern, zum Beispiel durch die Eindämmung von Naturgefahren, die Kartierung der Erdoberfläche zur Erschließung neuer Ressourcen oder die Überwachung der Umwelt“, sagt Wilfried Yves Hamilton Adoni.

„Wir haben verschiedene Hindernisse modelliert, die bei einer Schwarm-Mission in einer unregelmäßig strukturierten Umgebung auftreten können, d.h. in einer Umgebung, in der sich informations­reiche, komplexe Bereiche mit informations­armen Bereichen abwechseln. Im Vergleich zu den derzeitigen UAV-Schwarmkonfigurationen ist das von uns vorgeschlagene System widerstandsfähiger, da es sich schnell von Systemausfällen erholen kann. Wir haben die Tests unter Berücksichtigung des aktuellen Stands der Technik sowohl in virtuellen als auch realen UAV-Schwärmen durchgeführt. Sie belegen, dass unser System zuverlässig und vertrauens­würdig ist und durchweg gute Leistungen erbringt. Unser Ansatz bestätigt beispielweise eine gute Leistung in Bezug auf den Energie­verbrauch für unser Szenario großer, unregelmäßig strukturierter Gebiete“, so Adoni.

Dabei diskutiert er Aspekte wie Befehls­ketten und Konsens­findung zwischen den Drohnen, Kommunikation zwischen dem Leader und den Followern sowie Verteilung der anfallenden Berechnungen unter den Drohnen anhand eines spezifischen Beispielsetups, das besonders geeignet ist, um Missionen in einer unregelmäßig strukturierten Umgebung zu erledigen. „Aktuell arbeiten wir an einem quelloffenen Software-Framework für ein Roboter­betriebssystem, das speziell für derartige Schwarmmissionen geeignet ist“, sagt Adoni. Die Fähigkeit von Drohnen, unzugängliche Regionen zu erreichen, ist ein wichtiger Vorteil für Erkundungs­missionen. Da ein Drohnenschwarm problemlos in der Größe angepasst und so auch ein großes Gebiet in kurzer Zeit abgedeckt werden kann, eignen sich Schwärme für Aufklärungs- und Überwachungsmissionen. 

Die Aufnahmen des Schwarms können als 3D-Visualisierung in Echtzeit übertragen werden. Dies ermöglicht es, eine realistische Karte der Umgebung zu erstellen. Die häufigsten Schwierig­keiten, die es zu bewältigen gilt, sind Kollisions­vermeidung und Hindernis­erkennung. Auch der Energie­verbrauch und die Batterielebensdauer stellen Hürden dar. Und es gelten gesetzliche Vorgaben für den Einsatz von Drohnen, die sich von Land zu Land unterscheiden. Drohnenschwärme sind als vollständig verteilte Systeme konzipiert, in denen jede Drohne die eigene Umgebung analysiert und mit anderen zusammen­arbeitet, um individuelle Aktionen auszuführen, die gemeinsam zur Erreichung des Schwarm-Gesamtziels beitragen. Das Funktions­prinzip von Schwärmen basiert auf einer Reihe von Algorithmen, die es jeder Schwarmeinheit ermöglichen, zu kommu­nizieren und Aufgaben zu delegieren, Flugbahnen zu planen und Flüge zu koordinieren, um die Gesamtziele des Schwarms effizient zu erreichen.

HZDR / Casus / JOL