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StartseiteForschung aktuellMiniaturisierte Intelligenz01.11.2006

Miniaturisierte Intelligenz

Optimierte Mathematik steuert Flugroboter

Roboterforschung. Für den an der Universität Karlsruhe entwickelten Flugroboter AirQuad sind sehr unterschiedliche Einsatzmöglichkeiten denkbar: Nach Erdbeben können verschüttete Menschen gesucht und somit Rettungsteams unterstützt werden. Auch Betriebsgelände wollen die Ingenieure mit der Drohne überwachen, Unfälle aufklären und Windkraftanlagen inspizieren.

Von Klaus Herbst

Nach einem Erdbeben wir hier in Pakistan könnte der Flugroboter Rettungsteams unterstützen. (AP)
Nach einem Erdbeben wir hier in Pakistan könnte der Flugroboter Rettungsteams unterstützen. (AP)

"Das ist jetzt ein Schwebeflug im Raum, wo praktisch die Lage des Helikopters die ganze Zeit vollständig autonom von ihm selbst ausgerichtet wird und er praktisch dann einfach kommandiert werden kann, wohin er fliegen soll. Man kann sagen, er wäre in der Lage, locker über einen Kilometer Höhe zu fliegen, allerdings nicht mehr mit Fernbedienung kontrolliert","

sagt der Ingenieur Oliver Meister über die neue Drohne AirQuad der Universität Karlsruhe. Entwickelt wurde der maximal .000 Gramm leichte kleine, spinnenbeinige Helikopter am Institut für Theoretische Elektrotechnik und Systemoptimierung. Mit einer Achsenlänge von 45 Zentimetern ist er so klein wie Spielzeug, hebt ab und steigt mit vier kurzen, karbondunkeln Rotoren behende bis auf 1000 Meter auf. AirQuad fliegt entweder vollkommen selbstständig vorgegebene Punkte ab - im komplett autonomen Modus. Oder er verharrt im Modus "Position Hold" in einer gewünschten Position; am Himmel kann so funkferngesteuert und stabil trotz Windeinfluss exakt positioniert werden. Sein Lithium-Polymer-Akku erlaubt zurzeit eine Flugdauer von 25 Minuten, das entspricht einem Aktionsradius bis zu fünf Kilometern, was durch noch bessere Akkus oder durch Brennstoffzellen noch deutlich zu steigern ist. Institutsleiter Professor Gert Trommer:

""Es hat vier durch Elektromotoren angetriebene Rotoren, die dafür sorgen, dass er schweben oder voranfliegen kann. Er hat ein Navigationssystem, welches auf der Basis von Beschleunigungsmessern und Rotationssensoren die Position im Raum bestimmt, wird durch GPS receivergestützt über die Position. Höheninformationen bekommt er durch ein Baro-Altimeter, einen Höhenmesser, der den Luftdruck misst. Weiterhin hat er einen Magnetfeldsensor drin."

Die Nutzlast maximal 200 Gramm, chemische und Strahlungs-Sensoren, Nachtsicht-Infrarot-Kamera, Video- und digitale Fotokameras. Ziele, die das Gerät autonom ansteuert, sind Erdbeben- und Katastrophengebiete, das Äußere und Innere eingestürzter oder zerbombter Gebäude, zu überwachende Fabrikgelände und Unfallorte. Optimierte Mathematik ist die Stärke des Überfliegers, sagt Trommer:

"Diese Sensoren, weil sie so klein sind, sind eigentlich schlecht - billig, schlecht aber in der Performance. Und wir haben spezielle Algorithmen hier entwickelt, die trotz der Schlechtigkeit dieser Sensoren durch die Redundanz und durch gewisse Intelligenz, durch die Algorithmik - es lebt von der Algorithmik - doch eine hohe Performance erbringt. Und das ist der Unterschied. In diesen anderen Autos, fliegenden oder fahrenden Geräten ist genug Platz für teure Sensoren und Riesenrechner. Und wir machen das mit ganz kleinen Systemen, aber mit hochwertigen Algorithmen. Es ist die Systemintelligenz, die eigentlich wir entwickeln, die Hardware besorgen wir uns."

Die Liste neuer Einsatzszenarien wird ständig erweitert. Beispielsweise Polizisten am Unfallort setzen den Flugroboter schnell zusammen, lassen ihn aufsteigen und bekommen von der Überfliegung automatisch alle Fotos und Informationen, die die Schuldfrage klären und gerichtsfest dokumentieren. Noch im Flug kann eine Umplanung der Mission der Drohne erfolgen. Mehrere Drohnen können - ein besonders innovative Anwendungsszenario - zu einem ganzen Schwarm miteinander kommunizierender Fluggeräte vernetzt werden. So ein Schwarm besitzt kollektive Intelligenz. Er schaut um die Ecke und erkennt Hindernisse und mögliche Gefahren.

"Schwarmbildung von diesen Geräten, das wird in die Zukunft gehen, und das wird die mittelfristige bis längerfristige Forschungsrichtung meines Instituts sein. Ein Gerät, was zum Beispiel sehr nahe an einer Hauswand ist, wird vielleicht tatsächlich kein GPS mehr haben, aber wenn mehrere kooperativ sind, eines fliegt über dem Haus, hat den guten GPS-Empfang, kann dann dem unteren seine Positionskoordinaten geben und so es führen. Oder wenn ein Gerät in ein Haus hinein fliegt, könnte der Funk-Link abbrechen. Aber wenn davor vor dem Fenster ein zweites steht, kann dann mit ihm als Relaisstation die Datenübertragung weiterhin aufrechterhalten werden."

Mit einer Videobrille ist der AirQuad auch bei schlechter Sicht über die mitgeführte Kamera vom Boden aus über eine Distanz von mehreren Kilometern weit zu kommandieren um Katastrophen-Orte zu überfliegen und leise in fremde Häuser einzudringen. Selbstständig GPS-navigierend findet er wieder zurück und landet - bei extrem kritischen Flugbedingungen nach einem Notfallprogramm - wieder genauso sanft wie er gestartet ist.

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