Drohne im Blindflug mit preisgünstiger Fledermaus-Echoortung
Teure Erfassungssysteme in Drohnen sind überflüssig, meinen Wissenschaftler. Ein einfaches Echoortungs-System aus Summer, Mikrofon und Signalauswertung genügt.
Ein Piezo-Summer in der Mitte und vier Mikrofone reichen als Hardware aus, um ein einfaches Ortungssystem bei einer Drohne zu realisieren.
(Bild: Frederike Dümbgen u. a.)
Ein Forschungsteam der École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) hat ein System entwickelt, das komplizierte und teure Erfassungssysteme zur Orientierung bei Drohnen überflüssig machen kann. Statt auf Kameras, Lidar und weitere Sensorik setzen sie bei ihrem System auf eine Schall-basierte Echoortung, wie sie Fledermäuse einsetzen – mit Piezo-Summern und Mikrofonen als Sensorenersatz.
Das Forschungsteam der EPFL hat sich Fledermäuse zum Vorbild genommen. Die finden sich nicht visuell in ihrer Umgebung zurecht, sondern stoßen zirpenhafte Laute im Ultraschallbereich aus. Die Echomuster des zurückgeworfenen Signals werten sie dann aus, um Hindernisse oder für sie interessante Objekte in ihrer Nähe wahrzunehmen. Dabei entwickeln sie eine hohe Erkennungsgenauigkeit.
Auswertung hörbarer Signale
Die Wissenschaftler des EPFL sind in ihrer in IEEE Robotics and Automation Letters veröffentlichten Studie "Blind as a Bat: Audible Echolocation on Small Robots" allerdings noch einen Schritt weitergegangen. Sie wollten bei Drohnen keine Ultraschallsignale aussenden und auswerten, um die Umgebung zu kartieren und Hindernisse wahrzunehmen, sondern stattdessen das Echo hörbarer Signale von einfachen Summern über teilweise bereits vorhandene Mikrofone einfangen und dann auswerten. Die Forschenden versprechen sich davon, neben einer Analyse der grundsätzlichen Machbarkeit, die Herstellungskosten und das Gewicht der Drohnen senken zu können.
Sie entwickelten dazu Navigationsalgorithmen, die die Echomuster in Echtzeit auswerten. Dabei hat das Forschungsteam darauf geachtet, dass dafür grundsätzlich ein Summer und ein Mikrofon als Erfassungs-Hardware ausreicht. Die Forschenden verwendeten allerdings keine teuren Messmikrofone und Lautsprecher, sondern einfache MEMS-Mikrofone (MEMS – Microelectromechanical System) und einfache Piezo-Summer für wenig Geld.
Erprobt hat das Team das System in einem kleinen fahrenden Roboter und einer Drohne. Der oder die Summer senden dabei Frequenz-Sweeps aus, welche die Onboard-Mikrofone einfangen und dann von den Algorithmen ausgewertet werden. In Abhängigkeit von dem Abstand und der Frequenz schwächen oder verstärken sich die Signale gegenseitig. Über die Auswertung der Lautstärke des reflektierten Signals kann so festgestellt werden, ob sich ein Reflektor wie etwa eine Wand in der Nähe befindet und in welcher Entfernung sie ist. Werden mehrere Mikrofone an verschiedenen Stellen an der Drohne eingesetzt, kann darüber auch der Winkel des Hindernisses im Verhältnis zur Drohne festgestellt werden.
Propellergeräusch statt Summer-Signale
Der von den Forschenden verwendete Mini-Quadcopter konnte mit einem Piezo-Summer in der Mitte sowie vier kreuzförmig angeordneten MEMS-Mikrofonen zuverlässig Signale aussenden und Echomuster aufnehmen sowie Hindernisse erkennen. Dazu musste das Team allerdings die Geräuschentwicklung der Propeller berücksichtigen. Das Forschungsteam ist der Ansicht, dass anstelle der Summer-Signale auch das Propellergeräusch genutzt werden könnte. Das würde die Kosten und das Gewicht weiter senken. Dazu seien aber weitere Forschungen nötig.
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(olb)