Robotik

Drohnen fliegen im Schwarm wie Vögel

Schweizer Forscher lassen Minidrohnen im Schwarm fliegen. Sie nutzen dazu einen 25 Jahre alten Algorithmus, der das Verhalten von Fisch- und Vogelschwärmen beschreibt.

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Minidrohnen: wie Vögel im Schwarm
Minidrohnen: wie Vögel im Schwarm (Bild: EPFL)

Mit Hilfe eines vor 25 Jahren entwickelten Algorithmus haben Forscher der Ecole Polytechnique Fédérale im schweizerischen Lausanne (EPFL) kleinen Flugrobotern, sogenannten Micro Aerial Vehicles (MAVs), das Fliegen im Schwarm beigebracht. Zehn der MAVs können gemeinsam auf kleinem Raum fliegen, ohne zusammenzustoßen.

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Die MAVs sind Nurflügelflugzeuge mit einer Spannweite von 80 Zentimetern. Sie bestehen aus expandiertem Polypropylen (EPP), einem Schaumstoff auf Polypropylen-Basis, und wiegen nur 420 Gramm. Als Antrieb dient ein Propeller auf der Rückseite. Hergestellt werden sie vom Schweizer Unternehmen Sensefly, einer Ausgründung des Projekts an der EPFL.

Linux-Drohne

Das MAV verfügt über einen Mikrocontroller, der als Autopilot dient. Das System kommt mit drei Sensoren, einem Gyroskop und zwei Drucksensoren aus, um Geschwindigkeit, Lage und Flughöhe zu messen. Für die Berechnungen der Schwarmmanöver dient ein Toradex Colibri PXA270 mit einem Linux-Betriebssystem. Zur Kommunikation nutzen die Schwarmdrohnen WLAN. Mit Energie wird das MAV von einem Lithium-Polymer-Akku versorgt, der eine Flugzeit von etwa einer halben Stunde ermöglicht.

Die Drohnen stimmen sich per WLAN miteinander ab. Die Ergebnisse werden dann an den Autopiloten weitergegeben und in Flugmanöver umgesetzt. Für das Fliegen im Schwarm seien drei Elemente nötig, sagte Sabine Hauert dem US-Technologiemagazin Wired: Eine Drohne müsse sich genauso schnell und in der gleichen Richtung fortbewegen wie ihre Nachbarn. Die Drohnen dürften sich nicht berühren, und sie müssten eng zusammenbleiben.

Algorithmus aus dem Jahr 1986

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Als Grundlage für das Schwarmfliegen setzen Hauert und ihre Kollegen Severin Leven und Dario Floreano den sogenannten Boids-Algorithmus ein. Den hat Craig Reynolds, ein Experte auf dem Gebiet der Computergrafik und des künstlichen Lebens, 1986 entwickelt.

Der Algorithmus beschreibt das Verhalten von Fischen oder Vögeln in einem Schwarm. Das Muster in einem solchen ist relativ einfach: Die Mitglieder orientieren sich nur an ihren unmittelbaren Nachbarn. Genauso agieren auch die Flugroboter.

Ohne Zusammenstoß

Das Konzept scheint aufzugehen: Die Wissenschaftler haben es in mehr als 200 Flügen getestet, ohne dass es zu einer Kollision kam. Dabei kamen bis zu zehn MAVs zum Einsatz. Am Computer haben sie Schwärme mit bis zu 100 Drohnen erfolgreich simuliert.

Anwendungen gebe es eine Reihe, etwa die Kartierung aus der Luft, erklärten die Forscher. Dazu haben sie die Drohnen mit GPS und damit der weiteren Fähigkeit ausgestattet, ein bestimmtes Ziel anzufliegen. Außerdem könnte ein solcher Drohnenschwarm für die Überwachung und die militärische Aufklärung eingesetzt werden - das EPFL-Projekt SMAVNET wird vom Schweizer Verteidigungsministerium mitfinanziert.

Schwarm klaut Buch

Floreano ist auch an dem europäischen Forschungsprojekt Swarmanoid beteiligt. In dessen Rahmen werden Roboter mit verschiedenen Fähigkeiten entwickelt, die nur als Schwarm agieren können. Das Projekt hat kürzlich einen Preis für einen Film über die Schwarmroboter erhalten. Darin wird gezeigt, wie die Roboter in einer koordinierten Aktion ein Buch aus einem Regal entwenden.

Die Wissenschaftler vom Laboratory of Intelligence Systems der EPFL wollen ihre Forschungsergebnisse auf der International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS) vorstellen, die vom 25. bis zum 30. September 2011 in San Francisco stattfindet.

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