Längere autonome Drohnenflüge ermöglichen

Zehn Minuten Flugzeit sind zu wenig für die allermeisten Anwendungen in der Praxis. Ein Team, bestehend aus Forschern der Universität Klagenfurt (AAU) und NASA-JPL/Kalifornien, arbeitet nun daran, das autonome Fliegen von Drohnen in mehreren Etappen mit zwischenzeitlichen Ladephasen zu ermöglichen. Die Ergebnisse hat Christian Brommer, Doktorand an der AAU, kürzlich in einer Publikation präsentiert.

Christian Brommer hat einen ganz leichten, kaum hörbaren amerikanischen Akzent von Kalifornien nach Klagenfurt mitgebracht. Wir treffen uns mit ihm, um über seine jüngste Publikation zu autonomen und langzeit-fliegenden Helikopter-Drohnen zu sprechen. Dabei wird schnell klar: Die Missionszeit dieser kleinen, schuhschachtelgroßen Drohnen ist noch geringer, als man gemeinhin annehmen könnte.

Brommers Arbeit nimmt ihren Ursprung in seiner Zeit am Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA am California Institute of Technology in Pasadena. Die dortige Wasser- und Kohlenstoffkreislaufgruppe und die Gruppe für Robotik für unbemannte Luftfahrzeuge und Mobilität arbeiten in einem Anwendungsfall zusammen: Landwirtschaftliche Nutzflächen sollen mit Helikopter-Drohnen und multispektralen Kameras an Bord abgeflogen werden.

Die daraus gewonnenen Daten sollen es den Biologinnen und Biologen ermöglichen, den Zustand der Pflanzen festzustellen. Bisher wurden dazu stationäre Instrumente, die nur einen limitierten Bereich abdecken können und Kleinflugzeuge, die erhebliche Mehrkosten mit sich bringen verwendet, um diese Aufgabe zu lösen.

Helikopter-Drohnen sind da eine agile und kosteneffiziente Alternative, haben jedoch einen Nachteil durch ihre Größe. Mit einer ungefähr smartphone-großen Batterie können diese Helikopter nur wenige Minuten lang fliegen.

Aufgabe des Forschungsteams war es nun, diesen Vorgang autonom ablaufen zu lassen. Die Helikopter-Drohne sollte während des Flugs selbst erkennen, wann die Batteriereserve zur Neige geht und rechtzeitig zu einer Ladestation zurückfliegen. Dort übermittelt der Bord-Computer die aufgenommenen Daten an eine Basis-Station, während der Helikopter automatisch aufgeladen wird. Danach sollte die Drohne zu einem neuen Flug aufbrechen können. Mit diesem Missionsschema kann ein landwirtschaftliches Feld in mehreren Etappen akkurat erfasst werden.

Damit dieser Ablauf gut funktioniert, gebe es verschiedene Herausforderungen, berichtet uns Christian Brommer: „Wir brauchen eine möglichst genaue Zustandsschätzung des Helikopters, damit er auch die ein Quadratmeter große Ladeplattform genau trifft. Dazu helfen uns Markierungen, die an der Ladeplattform angebracht sind. Diese werden von einer Kamera erkannt und ermöglichen somit eine genauere Navigation während der Landung. Für die Zustandsschätzung verwenden wir Algorithmen, die Informationen von mehreren Sensoren zusammenführen, um die bestmögliche Position des Helikopters zu bestimmen.“ Während Drohnen im Labor mit Hilfe von Motion Capture Systemen bereits sehr genau navigieren können, erschweren zahlreiche Faktoren wie Wind, Änderungen des Luftdrucks oder der Lichtverhältnisse für die Kameras, etc. im Außenbereich die punktgenaue Kontrolle über den Zustand. Hinzu kommt, dass die sonst übliche Positionsbestimmung per GPS nur eine Genauigkeit von ungefähr 5 Metern erlaubt.

Die Ergebnisse der Forschungsarbeit wurden nun kürzlich bei der international hoch renommierten Konferenz IROS (IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems) und im Journal of Field Robotics (JFR) in einer Spezial Ausgabe zum Thema „Agrarwissenschaften und Robotik“ präsentiert. Christian Brommer ist mittlerweile Stephan Weiss, den er vor Jahren im NASA Forschungszentrum in Kalifornien kennenlernte, an die Universität Klagenfurt gefolgt, um hier sein Doktorat zu absolvieren. Brommer ist in Werne, einer Kleinstadt im Nord-Westen von Deutschland aufgewachsen und der erste in seiner Familie, der einen Doktortitel anstrebt. „Das Leben am Land legte für mich auch viele Grundsteine in die Technik zu gehen, und ich konnte immer auf die Unterstützung meiner Familie zählen“, erklärt er uns im Interview. Er studierte an der Fachhochschule Dortmund und kam als Masterstudent an das JPL. Aus dem anfänglichen 6-Monats-Vertrag wurden 3,5 Jahre, die ihn nachhaltig prägten: „Man arbeitet dort mit den jeweils Besten eines Fachs zusammen. Dadurch, dass so viel geballtes Wissen an einem Ort präsent ist, hat man das Gefühl, viel mehr Möglichkeiten zu haben.“ Stephan Weiss, Professor am Institut für Intelligente Systemtechnologien an der Universität Klagenfurt, gilt als federführend im Bereich der Zustandsschätzung von Unmanned Aerial Vehicles (UAV). In seiner Forschungsgruppe ist Christian Brommer nun bestens aufgehoben, um seine nächsten Schritte in der akademischen Welt zu machen.

Christian Brommer, Danylo Malyuta, Daniel R. Hentzen, and Roland Brockers. Long-duration autonomy for small rotorcraft UAS including recharging. In Proc. IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 2018. https://ieeexplore.ieee.org/document/8594111

Danylo Malyuta, Christian Brommer, Daniel Hentzen, Thomas Stastny, Roland Siegwart and Roland Brockers. Long-Duration Fully Autonomous Operation of Rotorcraft UAS for Remote-Sensing Data Acquisition. Journal of Field Robotics (JFR) Special Issue on Agricultural Robotics. DOI:10.1002/rob.21898