"Optischer Fluss": Autonome Mini-Drohnen kommen ohne Beschleunigungsmesser aus
Fliegende Insekten haben keinen speziellen Sinn für Beschleunigung, fliegen aber sicher in jeder Lebenslage. Ihr System lässt sich auch auf Drohnen übertragen.
(Bild: MAVLab TU Delft)
Niederländische Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Technischen Universität Delft haben ein System entwickelt, mit dem Mini-Drohnen die Richtung der Schwerkraft bestimmen können, ohne dafür einen Beschleunigungsmesser verwenden zu müssen. Das von fliegenden Insekten übernommene System des "optischen Flusses" ermöglicht es, leichte autonome Drohnen in Insektengröße zu bauen.
Praktischerweise hat sich das Forschungsteam bei seinem Projekt gleich an fliegenden Insekten orientiert. Ihnen fehle ein spezifischer Sinn für Beschleunigung, schreiben die Wissenschaftler in ihrem in Nature veröffentlichten Paper "Accommodating unobservability to control flight attitude with optic flow". Insekten kennen demnach die Richtung der Schwerkraft nicht. Dies sei allerdings eine Voraussetzung, um sicher fliegen zu können. Trotzdem gelingt es ihnen, ihre Fluglage einzuschätzen und zu kontrollieren.
Eine Frage des "optischen Flusses"
Obwohl noch keine wissenschaftlich schlüssige Erklärung für dieses Phänomen vorliegt, geht die Forschung allgemein davon aus, dass diese Insekten visuell über das Prinzip des "optischen Flusses" Bewegungen beobachten. Beim optischen Fluss handelt es sich um das Erfassen der relativen Bewegung zwischen einem Beobachter und seiner Umgebung. Das Wissenschaftsteam erklärt dies an einem Beispiel: Sitzt eine Person in einem fahrenden Zug, dann scheinen Objekte wie Bäume, die näher zum Beobachter stehen, sich schneller zu bewegen als entferntere Objekte am Horizont wie etwa Berge. Die Bäume haben dann einen höheren optischen Fluss, die Berge einen kleinen.
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Darüber allein kann jedoch nicht die Lage im Raum bestimmt werden, erklärt Guido de Croon, einer der beteiligten Wissenschaftler, der sich mit bioinspirierten Mikro-Luftfahrzeugen beschäftigt. "Wir haben jedoch herausgefunden, dass die Kombination des optischen Flusses mit einem Bewegungsmodell es ermöglicht, die Richtung der Schwerkraft zu bestimmen."
Ein solches Bewegungsmodell basiert darauf, dass ein Tier oder ein Roboter vorhersagen können, wie sie sich bewegen werden, wenn sie eine bestimmte Aktion ausführen. So kann eine Drohne die Vorhersage treffen, was passiert, wenn sie die beiden rechten Propeller schneller drehen lässt als die linken. "Da die Lage einer Drohne bestimmt, in welche Richtung sie beschleunigt, und diese Richtung durch Änderungen des optischen Flusses erfasst werden kann, ermöglicht diese Kombination einer Drohne, ihre Lage zu erfassen", erläutert de Croon.
Grenzen und Chancen des Systems
Das System hat in der Praxis jedoch einen Haken: Solange die Drohne in Bewegung ist, funktioniert der Abgleich des Bewegungsmodells mit dem "optischen Fluss" problemlos. Steht sie jedoch still in der Luft, klappt das nicht mehr. Entsprechend ist das Schweben auf einer Stelle nicht möglich. Es gibt immer kleine oszillierende Bewegungen. Das konnten die Forschenden auch anhand einer Implementierung in einem Schlagflügelroboter nachweisen. Die Lageerkennung funktioniert und die Drohne regelt ihre Lage. Allerdings kann sie nicht still auf einer Stelle schweben, sondern führt tänzelnde Bewegungen aus, ähnlich dem unberechenbaren Flugverhalten von Insekten.
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Mit ihrer Forschungsarbeit konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nachweisen, dass der "optische Fluss" eine Rolle bei der Lageregelung von fliegenden Insekten spielt. Ihre Theorie der Kombination mit dem Bewegungsmodell gibt nun eine mögliche Erklärung für den Mechanismus. Insekten können ihre Lage bestimmen, ohne eine Horizontlinie erkennen zu müssen.
Die Forschenden sehen dadurch ein hohes Potenzial der Technik für den Einsatz in autonomen Mini-Drohnen. Die Drohnen könnten auch in unübersichtlicher Umgebung sicher fliegen. Zugleich könne durch den Wegfall eines Beschleunigungsmessers das Gewicht reduziert werden. Somit lassen sich winzige Drohnen bauen, die mit weniger Sensoren auskommen. Sie könnten zur Aufklärung in Katastrophengebieten oder zur Bestäubung von Nutzpflanzen eingesetzt werden.
(olb)
