Damit Drohnen ins Unwegsame können

In Höhlen und Kavernen, wo es dunkel ist und kein GPS vorhanden ist, sind die Ansprüche an Sensoren sehr hoch. | Foto: Jérôme André

Gitter, glänzende Oberflächen oder ein gewöhnlicher Maschendrahtzaun: Für autonome Drohnen sind das heikle Strukturen. Sie sind im Flug schwer zu erkennen, sagt Teddy Loeliger. Die Sensoren müssen ständig den Abstand zur Umgebung messen, um zuverlässig Hindernissen ausweichen zu können – auch dann, wenn Konturen verschwimmen oder Objekte im Nebel oder in Dunkelheit völlig verschwinden. «Klassische optische Systeme kommen da rasch an ihre Grenzen», so Loeliger, Leiter der Sensor-Elektronik-Gruppe an der ZHAW.

In einer kleinen Halle in Zürich testet er deshalb neuartige Sensoren. Sie senden Infrarotlicht aus, dessen Helligkeit nach einer bestimmten Frequenz (Modulationsfrequenz) verändert wird. Die Sensoren werten das reflektierte Signal aus, bestimmen daraus den Abstand zu Objekten. 3D-Time-of-Flight (3D-TOF) wird die Technologie genannt.

Um Gitter, Zäune oder Glasflächen zu erkennen, arbeiten sie mit mehreren Frequenzen. Ein Algorithmus trennt störende Interferenzen. So entstehen präzise 3D-Bilder. «Die Sensoren sind Kameras, die die exakte räumliche Information gleich mitliefern», erklärt Loeliger. Kombiniert mit herkömmlichen Farbsensoren, die in Verbindung mit KI ein Verständnis der Umgebung liefern, oder Radar ist die Technologie besonders nützlich in dunklen oder strukturlosen Umgebungen.

Doch die Technologie 3D-TOF hat einen Nachteil: den Energieverbrauch. Die Sensoren müssen ständig Licht aussenden – das leert die Batterie. Deshalb versucht Loeligers Team, nur Teile der Wellen zu nutzen, um die Datenrate und damit den Energiebedarf zu reduzieren. Auf wenige Meter funktioniert das gut, doch jenseits von zehn Metern braucht die Beleuchtung zu viel Leistung.

Davide Scaramuzza, Drohnenforscher von der Universität Zürich, setzt daher auf sogenannte Event-Kameras. Ihre Sensoren orientieren sich am menschlichen Auge. «Unser Auge schickt nicht ständig vollständige Bilder ans Gehirn. Es registriert vor allem Veränderungen», so Scaramuzza. Entsprechend überwacht im Sensor ein Pixel nur die Helligkeit in seinem Sichtfeld und meldet bei starker Änderung ein sogenanntes Event – mit Informationen über Position und Zeitpunkt im Mikrosekundenbereich.

Die Auswertung basiert auf neuronalen Netzen. Trainiert wird in einer simulierten Umgebung. «Jedes einzelne Pixel ist sozusagen intelligent», erklärt Scaramuzza. Event-Kameras funktionieren sowohl bei grellem Sonnenlicht als auch in fast völliger Dunkelheit und benötigen wenig Daten. Die Drohnen reagieren schneller als ein Mensch, mit weniger als einer Millisekunde Verzögerung.

Fällt ein System aus, übernehmen andere

Scaramuzza hat mit seinem Team Rekorde aufgestellt und mit der autonomen Drohne in Rennen gegen Profipiloten gewonnen. Er erkennt die Stärken der 3D-TOF-Technik, sieht Event-Kameras aber bei grossen Distanzen und hohen Geschwindigkeiten im Vorteil. Probleme bekommen sie, wenn Drohnen sehr schnell und nah an Hindernissen vorbeifliegen: Dann entsteht eine Flut von Helligkeitsänderungen – die Datenrate explodiert.

Am Ende geht es darum, für jede Anwendung das passende Orientierungssystem zu wählen. Event-Kameras sind ideal für grosse Übersichtsflüge, 3D-TOF hat in dunklen, engen Räumen Vorteile. «3D-TOF eignet sich gut für GPS-freie, eng strukturierte Umgebungen wie Tunnel, Kavernen oder Industrieanlagen, gerade wenn man es mit anderen Sensoren kombiniert», findet Roboter-Experte Christian Bermes von der Fachhochschule Graubünden. Dazu gehören optische Kameras, Radar oder Laserlicht zur Abstandsmessung (Lidar). Fällt ein System aus, übernehmen die anderen.

Starkes Team: Mensch und Maschine

Einsatzgebiete gibt es viele: Such- und Rettungsmissionen, Inspektion von Brücken, Tunneln und Stromleitungen, Überwachung von Wäldern und Wildtiermonitoring. Loeliger hat seine Drohnen auch im Verbund mit Menschen getestet. Seine 3D-TOF-Sensoren lassen sich mit Handzeichen steuern. Eine ideale Kombination: Der Mensch koordiniert den Einsatz, die Drohne fliegt in gefährliche, schwer zugängliche Bereiche – nahe an Stromleitungen, durch enge Passagen von Chemieanlagen und entlang von Absperrzäunen.