Seit der Mensch das Fliegen entdeckt hat, gibt es Piloten, die mit ihren Flugzeugen an die Grenzen der Physik gehen und in akrobatischen Manövern zeigen, was möglich ist. Das gleiche gilt auch für ferngesteuerte Modellflugzeuge aller Arten. Und mittlerweile auch für Drohnen. All diese Unternehmungen haben aber eines gemeinsam: Ein Mensch muss die Fluggeräte steuern. Sei es direkt aus dem Cockpit oder per Fernsteuerung. Wissenschaftler der Universität Zürich gehen nun einen Schritt weiter und lassen Drohnen Dank eines Navigationsalgorithmus selbständig akrobatische Manöver ausführen. Sie trainieren die autonomen Fluggeräte durch Simulationen so, dass sie schneller, wendiger und effizienter werden.
Das Forscherteam hat gemeinsam mit dem Mikroprozessoren-Hersteller Intel einen Quadrokopter gebaut, der lernen kann, autonom akrobatische Figuren zu fliegen. Zwar sei ein „Power Loop“ oder ein „Matty-Flip“ bei einem herkömmlichen Drohneneinsatz wohl kaum erforderlich, eine Drohne, die in der Lage ist, diese akrobatischen Manöver auszuführen, sollte aber viel effizienter sein, betonen die Wissenschaftler. Sie könnten bis an ihre physikalischen Grenzen gehen, ihre Wendigkeit und Geschwindigkeit voll ausnutzen und innerhalb ihrer Batterielebensdauer längere Strecken zurücklegen.
Mit Hilfe des neu entwickelten Navigationsalgorithmus kann eine Drohne, die lediglich mit Sensorik und Berechnung an Bord ausgestattet ist, selbständig diverse Flugmanöver ausführen. Um zu beweisen, dass dieser Algorithmus funktioniert, flogen die Drohnen unterschiedliche Elemente wie „Power Loop“, „Barrel Roll“ und „Matty Flip“. Bei all diesen Manövern muss das Fluggerät sehr hohem Schub und extremen Winkelbeschleunigungen widerstehen. „Mit dieser Navigation haben wir eine weitere Stufe zur Integration autonomer Drohnen in unseren Alltag erreicht“, sagt Davide Scaramuzza, Professor und Direktor der Gruppe für Robotik und Wahrnehmung an der Universität Zürich.
Mensch trotzdem noch immer im Vorteil
Im Zentrum des neuen Algorithmus ist ein künstliches neuronales Netz, „das die von der Bordkamera und der Trägheitssensoren gelieferten Inputs direkt in Steuerbefehle umsetzt“. Das Training dieses neuronalen Netzes geschieht, indem akrobatische Manöver simuliert werden. Das hat laut Aussagen der Forscher mehrere Vorteile. Die Manöver ließen einfach durch Referenzflugbahnen simulieren und es seien keine teuren physischen Testläufe nötig. Außerdem könne das Training einfach skaliert werden und für den Quadrokopter gäbe es kein Risiko.
„Unser Algorithmus lernt akrobatische Manöver mit einer Genauigkeit zu fliegen, die mit dem Können von professionellen menschlichen Piloten vergleichbar ist, so Scaramuzza. Daher reichen auch nur wenige Stunden an Simulationstraining aus, bis der Quadrokopter einsatzbereit ist. Eine weitere Feinabstimmung mit realen Daten ist nicht nötig, da der Algorithmus die gelernten Inputs aus den Simulationen abstrahiert und sie auf die physische Welt überträgt.
Trotz allem seien Menschen gegenüber den Drohnen aber noch immer im Vorteil, geben die Forscher zu. „Sie können unerwartete Situationen und Veränderungen in der Umwelt schnell interpretieren und sich rascher anpassen“, betont Scaramuzza. Er ist aber sicher, dass Drohnen bei Such- und Rettungsmissionen oder bei Lieferdiensten „davon profitieren, große Entfernungen schnell und effizient zurücklegen zu können“.
Titelbild: Ein Quadrokopter macht einen Matty Flip. (Bild: Elia Kaufmann)