Mit Radaren ausgestattete Drohnen erkennen ihre Position selbst im Dunkeln
Fliegende Helfer: Ingenieure haben erstmals ein System entwickelt, mit dem sich Drohnen gänzlich ohne GPS und auch in dunklen Innenräumen zurechtfinden können. Dafür nutzt „MiFly“ Radarsignale im Millimeterwellen-Bereich und eine signalreflektierende Markierung an der Wand. Mit dieser Technologie rückt nun auch der kommerzielle Einsatz von Indoor-Drohnen näher. In Zukunft könnten diese zum Beispiel Waren in großen Lagerhäusern transportieren oder vermisste Personen in Innenräumen aufspüren.
Drohnen erweisen uns in immer mehr Lebensbereichen große Dienste. Die unbemannten Fluggeräte kartieren zum Beispiel Gelände, verteilen Pflanzenschutzmittel auf Feldern oder retten Badegäste vor dem Ertrinken. In Zukunft könnten autonome Drohnen sogar Pakete liefern, Umwelt-DNA aus Baumkronen sammeln und komplette Häuser und Brücken bauen.
Innenräume als Herausforderung
Auch in Innenräumen gäbe es zahlreiche Einsatzmöglichkeiten für Drohnen. Sie könnten zum Beispiel Waren in Lagerhäusern sortieren oder vermisste Personen aufspüren. Dafür müssten die Luftfahrzeuge allerdings unabhängig von einer Orientierung per GPS oder Kamera werden, da Ersteres in Innenräumen und Letzteres bei Dunkelheit nicht zuverlässig genug funktioniert.
Vor wenigen Jahren haben Ingenieure zwar bereits eine Drohne entwickelt, die sich statt mit GPS per LIDAR-Laserscan orientiert. Sie kann beispielsweise zum Kartieren von Höhlen eingesetzt werden. Aber in Räumen mit glatten Wänden und sich wiederholenden Merkmalen, wie sie etwa in einem Lagerhaus vorkommen, ist diese Technologie zu ungenau.
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Nur eine Markierung benötigt
Forschende um Maisy Lam vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben daher nun ein gänzlich neues System für die Navigation in Innenräumen erdacht. Mit „MiFly“ können Drohnen die eigene Position auch in dunklen, GPS-freien Räumen bestimmen. Dafür sendet das System Radarsignale in einer Wellenlänge von 24 Gigahertz aus, die anschließend von einer einzigen Markierung an einer der Wände reflektiert werden und der Drohne ihre Position im Raum verraten.
Damit die Signalreflexion der Markierung im Vergleich zur Reflexion der restlichen Umgebung heraussticht, haben Lam und ihr Team sie so konfiguriert, dass sie dem Signal, das sie zur Drohne zurückstreut, eine kleine Frequenz hinzufügt. „Jetzt kommen die Reflexionen aus der Umgebung mit einer Frequenz zurück, aber die Reflexionen der Markierung kommen mit einer anderen Frequenz zurück. So können wir die Reaktionen trennen und nur die Reaktion der Markierung betrachten“, erklärt Koautorin Laura Dodds.
Drohne erfasst ihre Position im Raum
Um die Selbstlokalisierung so weit zu verfeinern, dass die Drohne sich in allen Dimensionen im Raum orten kann, rüstete das Team sie mit einem zweiten Radar aus. Die Strahlung beider Radarsender ist dabei unterschiedlich polarisiert: Ein Radar sendet horizontale Wellen, das andere vertikal schwingende. „Eine polarisierte Sonnenbrille empfängt eine bestimmte Polarisation des Lichts und blendet andere Polarisationen aus. Wir haben das gleiche Konzept auf Millimeterwellen angewandt“, erklärt Lam.
Darüber hinaus wurden die vertikalen und horizontalen Signale mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen versehen, um die Interferenzen weiter zu reduzieren. Auch machten sich Lam und ihre Kollegen einen ohnehin in der Drohne verbauten Sensor zunutze, der die Beschleunigung sowie Höhen- und Lageänderungen misst. Durch die Kombination dieser Informationen mit den von der Markierung reflektierten Millimeterwellen-Messungen kann MiFly die vollständige Position der Drohne in nur wenigen Millisekunden bestimmen.
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So funktioniert „MiFly“. © MIT Signal Kinetics Lab
Zuverlässig und stromsparend
Tests in verschiedenen Innenräumen – darunter im Labor und in schummrigen Tunneln unter den Gebäuden des Campus – verliefen bereits vielversprechend. In allen Umgebungen konnten mit MiFly ausgestatte Drohnen ihre Position bis auf sieben Zentimeter genau ermitteln – selbst wenn die Markierung für sie nicht sichtbar war. Sie musste sich lediglich in maximal sechs Meter Entfernung zur Drohne befinden, um die Selbstlokalisierung zu ermöglichen.
MiFly arbeitet jedoch nicht nur zuverlässig, sondern auch energiesparend. Denn die Drohne benötigt für die Lokalisierung nur eine einzige Markierung und diese reflektiert die von der Drohne gesendeten Signale nur, statt eigene zu erzeugen. Dadurch kann die Markierung mit sehr wenig Strom betrieben werden. In Zukunft könnte sich ihr Design sogar noch kompakter gestalten lassen, wie das Team erklärt.
Außerdem bestünde die Möglichkeit, die Reichweite der Markierung auf Hunderte von Metern auszudehnen und so zu erweitern, dass sie mehreren Drohnen zeitgleich bei der Orientierung hilft – irgendwann vielleicht sogar gänzlich autonom.
Indoor-Drohnen bald Realität?
Doch schon jetzt rückt mit MiFly der Einsatz von Drohnen in Innenräumen ein bedeutendes Stück näher. „Die Infrastruktur und die Lokalisierungsalgorithmen, die wir für diese Arbeit geschaffen haben, sind eine solide Grundlage, auf der wir aufbauen und sie robuster machen können, um verschiedene kommerzielle Anwendungen zu ermöglichen“,