Autonom in Indoor-Umgebungen
Wenn die Drohne selbstständig durch die Halle fliegt
Eine Drohne, die in unbekannten Innenräumen autonom fliegen kann, haben Forschende am Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) im Projekt ?Autodrohne in der Produktion? entwickelt. Wie die Forschenden mitteilen, funktioniere der Indoor-Drohnenflug im Forschungsumfeld, marktreif sei das System allerdings noch nicht, da die Forschenden auf unerwartete Sicherheitsprobleme gestoßen seien.
Bild: Susann Reichert, IPH gGmbHUnbemannte Luftfahrtsysteme (engl. Unmanned Aircraft System, UAS) können sehr zuverlässig navigieren, solange sie draußen fliegen. In geschlossenen Räumen würden sie außer Kontrolle geraten und abstürzen, denn GPS funktioniert nur unter freiem Himmel.
Für den Drohnenflug im Indoor-Bereich bedarf es daher anderer Navigation – und eines neues Sicherheitskonzepts. Im Oktober 2020 begann das IPH den autonomen Drohnenflug im Produktionsumfeld zu erforschen. Ergebnisse sind eine Indoor-Navigation, der Prototyp einer autonom fliegenden Indoor-Drohne sowie ein Sicherheitskonzept. Die ’Autodrohne’ kann unbekannte Innenräume autonom erkunden, ohne von einem Drohnenpiloten ferngesteuert zu werden und ohne zuvor mit einer Umgebungskarte ausgestattet zu werden.
Prinzip der Computermaus
Die Navigation funktioniert nach dem Prinzip einer Computermaus. Mithilfe eines sogenannten Optical-Flow-Modules und einer Kamera, die auf den Boden gerichtet ist, bestimmt die Drohne ihre Position. Wenn sie sich bewegt, erkennt sie die relative Abweichung von ihrer Ausgangsposition. Für Flugstabilität soll darüber hinaus die Inertial-Measurement-Unit (IMU) sorgen: Diese misst unter anderem die Beschleunigung und Orientierung während des Fluges. Die Drohne ist zusätzlich mit einem Lidar-Sensor zur automatisierten Kollisionsvermeidung ausgestattet. Dabei handelt es sich um einen Laser-Scanner, der Hindernisse erkennen kann.
Doch wie findet sich die Drohne selbstständig und ohne Umgebungskarte zurecht? Wie die Forschenden mitteilen, erkennt sie beim Start nur ihre unmittelbare Umgebung. Während des Fluges erkundet sie Stück für Stück den Raum und der Bordcomputer erstellt in einem 3D-Raster automatisiert eine Karte, die kontinuierlich erweitert wird. Damit die Erkundung des Raumes systematisch ablaufen kann, haben die Forschenden zwei Algorithmen implementiert: Den A*-Algorithmus zur Planung von Wegstrecken sowie einen selbst entwickelten Punktwolkenfilter. Dieser identifiziert Randbereiche der Karte und unterscheidet zwischen festen Grenzen und offenen Rändern. Der Punktwolkenfilter legt einen Punkt am offenen Rand als Zielposition fest, der A*-Algorithmus plant die Route von der aktuellen Position der Drohne zu dieser Zielposition. Ist die Zielposition erreicht, legt der Punktwolkenfilter ein neues Ziel fest – so lange, bis sich im Randbereich der Karte nur noch feste Grenzen wie beispielsweise Wände, Regale oder Maschinen befinden. Dann ist der gesamte Raum erkundet.
Als möglichen Anwendungsfall beschreiben die Forschenden die Layouterfassung, etwa als Grundlage für Fabrikplanungsprojekte.
Risiken entdeckt
Für den Einsatz in der industriellen Praxis müssen die Forschenden noch einige Hürden überwinden. So sind sie bei der Entwicklung des Sicherheitskonzepts auf Risiken gestoßen, die den Markteinsatz derzeit noch verhindern und weitere Forschung notwendig machen. Dabei ist die größte Hürde die geringe Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) einiger Navigationssensoren. Elektromotoren, stromdurchflossene Leiter oder größere Metallansammlungen können die Navigationsfähigkeit einer Drohne stark einschränken und im schlimmsten Fall zum Absturz führen. In Industrieumgebungen lassen sich solche elektromagnetischen Störungen nicht verhindern. Das mache es schwierig, mit einer Drohne in einer Industriehalle zu navigieren, so die Forschenden.
Eine Drohne, die in unbekannten Innenräumen autonom fliegen kann, haben Forschende am Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) im Projekt ?Autodrohne in der Produktion? entwickelt. Wie die Forschenden mitteilen, funktioniere der Indoor-Drohnenflug im Forschungsumfeld, marktreif sei das System allerdings noch nicht, da die Forschenden auf unerwartete Sicherheitsprobleme gestoßen seien.
Bild: Susann Reichert, IPH gGmbHUnbemannte Luftfahrtsysteme (engl. Unmanned Aircraft System, UAS) können sehr zuverlässig navigieren, solange sie draußen fliegen. In geschlossenen Räumen würden sie außer Kontrolle geraten und abstürzen, denn GPS funktioniert nur unter freiem Himmel.
Für den Drohnenflug im Indoor-Bereich bedarf es daher anderer Navigation – und eines neues Sicherheitskonzepts. Im Oktober 2020 begann das IPH den autonomen Drohnenflug im Produktionsumfeld zu erforschen. Ergebnisse sind eine Indoor-Navigation, der Prototyp einer autonom fliegenden Indoor-Drohne sowie ein Sicherheitskonzept. Die ’Autodrohne’ kann unbekannte Innenräume autonom erkunden, ohne von einem Drohnenpiloten ferngesteuert zu werden und ohne zuvor mit einer Umgebungskarte ausgestattet zu werden.
IPH - Institut für Integrierte Produktion
Dieser Artikel erschien in www.it-production.com 2022 - 30.12.22.Für weitere Artikel besuchen Sie www.it-production.com
