15.01.2021

Rettung für trudelnde Drohnen

Neues Sensorkonzept stabilisiert Drohnenflug nach Ausfall eines Rotors.

Flugzeuge können problemlos weiterfliegen, wenn ein Motor ausfällt. Aber für Drohnen mit vier Propellern – Quadrocopter – stellt ein solcher Ausfall ein ernstes Problem. Funk­tionieren nur drei Rotoren, verliert die Drohne an Stabilität und stürzt unweigerlich ab – es sei denn, eine Notsteuerung setzt ein. Forscher der Universität Zürich und der Delft University of Technology haben nun eine Lösung dafür gefunden: Fällt ein Rotor plötzlich aus, können die Informationen von einge­bauten Sensoren genutzt werden, um die Drohne zu stabi­lisieren und sie autonom weiterfliegen zu lassen.

Abb.: Auch wenn ein Rotor einer Quadro­copter-Drohne ausfällt, lässt sich...
Abb.: Auch wenn ein Rotor einer Quadro­copter-Drohne ausfällt, lässt sich der Flug stabilisieren. (Bild: UZH)

„Wenn ein Rotor ausfällt, fängt die Drohne an, sich wie eine Ballerina um sich selbst zu drehen“, sagt Davide Scaramuzza, Leiter der Gruppe für Robotik und Wahr­nehmung der Universität Zürich. „Die schnelle Rotations­bewegung führt dazu, dass herkömmliche Steuerungen versagen. Es sei denn, die Drohne hat Zugang zu sehr genauen Positions­messungen“. Sobald die Drohne ins Trudeln gerät, kann sie ihre Position im Raum nicht mehr ermitteln und stürzt ab. Eine Lösungs­möglichkeit besteht darin, der Drohne mit Hilfe von GPS eine Referenz­position zu geben. Doch nicht in allen Umgebungen können entsprechende Signale empfangen werden. Anstatt sich auf eine GPS-Messung zu verlassen, nutzen die Wissen­schaftler vielmehr die visuellen Informationen von mehreren eingebauten Kameras.

Die Forscher bestückten ihre Quad­rotoren mit zwei Arten von Kameras: Standard­kameras, die mit konstanter Geschwindigkeit mehrere Bilder pro Sekunde aufnehmen, sowie auf unabhängigen Pixeln basierende Event Kameras, die nur einer erkenn­baren Änderung des Lichts aktiviert werden. Das Team hat zudem Algorithmen entwickelt, die Informationen von den zwei Sensoren kombinieren, um die Position des Quadrotors in der Umgebung zu verfolgen. So kann der Bordcomputer die Drohne steuern, während sie nur mit drei Rotoren fliegt – und sich dabei ständig dreht.

Tests zeigten, dass beide Kameratypen bei normalen Licht­verhältnissen gut funktionieren. „Wenn das Licht jedoch abnimmt, weisen Standard­kameras Bewegungs­unschärfe aus, was die Drohne schließlich zum Absturz bringt. Die Event Kameras funktionieren dagegen auch bei sehr wenig Licht gut“, sagt Postdoc Sihao Sun. Der Einsatz von Drohnen nimmt stetig zu, und Rotor­ausfälle können zu gefährlichen Unfällen führen. Die Wissenschaftler sind überzeugt, dass ihre Arbeit die Flugsicherheit von Quadro­coptern in Bereichen verbessern kann, in denen das GPS-Signal schwach oder nicht vorhanden ist.

UZH / JOL

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