Ultraschallsensorik  Drohne navigiert wie eine Fledermaus

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Ultraschallsensoren und KI ermöglichen es handflächengroßen Flugrobotern, mit wenig Energie und Rechenaufwand bei Such- und Rettungsaktionen sicher zu navigieren. Das Verfahren haben sich Forschende vom Worcester Polytechnic Institute von den Navigierkünsten der Fledermäuse abgeschaut.

Manche Roboter erfassen Informationen über eine Landschaft, indem sie Radiowellen oder Lichtimpulse analysieren. Technologien, die auf Lidar und Radar basieren, sind jedoch schwer, verbrauchen viel Energie und sind kostspielig. Dunkelheit, schlechtes Wetter und Störgeräusche können lichtbasierte Wahrnehmungssysteme beeinträchtigen. Propellergeräusche erschweren die Berechnungen eines Flugroboters, der versucht, nützliche Echos aus den Propellergeräuschen herauszufiltern. Die Analyse der Daten kostet den Roboter Zeit und Energie.

Ultraschall als Alternative

Ein Team unter der Leitung von Nitin J. Sanket, Forscher am Worcester Polytechnic Institute (WPI), löst diese Problematik, indem Ultraschallsensoren und eine Form künstlicher Intelligenz zum Einsatz kommen: Damit können handflächengroße Flugroboter bei Such- und Rettungsaktionen mit begrenztem Energie- und Rechenaufwand durch Nebel, Rauch und andere schwierige Bedingungen navigieren.
Der von Fledermäusen inspirierte Fortschritt legt nahe, dass Ultraschall eine Alternative zu bestehenden Navigationstechnologien sein könnte, die das Gewicht und die Kosten einer Drohne erhöhen oder unter schlechten Bedingungen versagen. „Fledermäuse, die weniger als zwei Büroklammern wiegen, können in dunklen, feuchten und staubigen Höhlen präzise navigieren, indem sie kurze Pieptöne aussenden und die schwachen Echos mit einer begrenzten Anzahl von Neuronen wahrnehmen“, sagte Sanket, Assistenzprofessor am Department of Robotics Engineering. „Durch die Entwicklung eines ultraschallbasierten Systems, das nur zwei winzige Sensoren und wenig Rechenleistung benötigt, können wir kleinen Flugrobotern neue Möglichkeiten eröffnen, ihre Umgebung wahrzunehmen, Entscheidungen zu treffen und länger selbstständig an unübersichtlichen, gefährlichen Orten zu operieren, an denen aktuelle Flugroboter Schwierigkeiten haben.“

Genügend Akkuleistung für fünf Minuten Flug

Das von Sanket geleitete Forschungsteam rüstete eine etwa 15 cm breite, X-förmige Quadrocopter-Drohne mit Ultraschallsensoren und einer physischen Barriere aus, einem sogenannten akustischen Schutzschild, aus, um das Propellergeräusch zu dämpfen. Außerdem nutzten sie Deep Learning, um den Computer des Roboters darauf zu trainieren, schwache Ultraschall-Echomuster zu analysieren – ähnlich wie das Gehirn einer Fledermaus Geräusche verarbeitet, um Echos zu entschlüsseln.
Sie testeten den etwa 450 Gramm schweren Roboter im Freien in einem Waldgebiet und in einem Labor, das mit Hindernissen wie durchsichtigen Kunststoff- oder Metallstangen ausgestattet war. Einige Tests in Innenräumen fanden im Dunkeln mit schwarzen Hindernissen statt, während bei anderen die Forscher Nebel oder Schnee auf den Hindernisparcours bliesen. Die Drohne verfügte über genügend Akkuleistung, um etwa fünf Minuten pro Flug zu operieren, während sie den Parcours autonom navigierte.

Den Forschenden zufolge hatte der Roboter bei 180 Tests eine Erfolgsquote von 72 bis 100 Prozent bei der Navigation durch anspruchsvolle Parcours. Weniger erfolgreich war der Roboter beim Ausweichen vor dünnen Objekten wie Metallstangen, und er hatte Schwierigkeiten, schlanke Äste zu umfliegen, die Signale nur schwach reflektierten.

Sankets Forschung konzentriert sich auf von der Natur inspirierte Robotik, beispielsweise von Bienen und Fledermäusen. Die in „Science Robotics“ vorgestellte Arbeit wurde durch einen Zuschuss der National Science Foundation unterstützt.Autonome Flugroboter nutzen in der Regel Sensoren, Steuerungen, Kameras, eine Energiequelle und ausgefeilte Algorithmen, um ihre Umgebung wahrzunehmen und Navigationsentscheidungen zu treffen.
Der nächste Schritt könnte darin bestehen, kleinere, leichtere Geräte einzusetzen, die mit dem energiesparenden, auf Ultraschall basierenden System des Teams länger fliegen könnten, sagte Sanket. Zukünftige Arbeiten könnten auch die Fluggeschwindigkeiten verbessern.