Fliegengewicht mit Adlerblick

Der kleine Flieger vom Genfer See wiegt nur 700 Gramm. Doch er ist ein Schwergewicht an innovativer Technik. Aus dem Handkoffer geholt und gelenkt per Autopilot, steuert er selbstständig an sein Ziel. Der fliegende Roboter, den Forscher der Ecole Polytéchnique Féderale Lausanne (EPFL) entwickelt haben, erstellt dreidimensionale Bilder, die mehr Details zeigen als jedes Satellitenbild. Nach spätestens 45 Minuten kehrt die Drohne von selbst zum Startplatz zurück. Für einen präzisen Flug und eine sanfte Landung sorgen Sensoren, die den Facettenaugen von Insekten nachempfunden sind.

Die Drohne aus der Schweiz ist ein „Nurflügler”, dessen Rumpf in die Tragflächen integriert ist. Sie sieht aus wie die Miniversion eines Tarnkappenjets der US-Luftwaffe. Doch im Gegensatz dazu ist der Winzling völlig ungefährlich – wenngleich die Technologie, die er an Bord hat, mindestens genauso innovativ ist wie die des Militärjets. In dem leichtgewichtigen Flugobjekt stecken die Resultate jahrzehntelanger Forschung: Seine Entwickler haben Erkenntnisse der evolutionären Robotik genutzt – einer Technologie, mit der Roboter sich durch Erfahrungen selbst weiterentwickeln und ihre Fähigkeiten optimieren. Weitere Zutaten sind ein winziger Luftgeschwindigkeitsmesser und ein Messsystem für den optischen Fluss – die Wahrnehmung der Bewegung von Objekten, die sich im Blickfeld befinden. Damit lassen sich Entfernungen präzise erkennen – die Voraussetzung für sichere Manöver beim Landen und beim Ausweichen vor Hindernissen.

Hinter der Entwicklung des Hightech-Fliegers stehen zwei visionäre Forscher: der Schweizer Ingenieur Jean-Christophe Zufferey und der italienische Roboterwissenschaftler Dario Floreano. Zufferey wuchs im Wallis auf, dessen Landschaft geprägt ist von tiefen und schroffen Alpentälern. Er verspürte schon als Kind den Drang, der Talenge zu entfliehen. Kaum zehn Jahre alt, wünschte er sich zu Weihnachten ein Modellflugzeug, um damit abzuheben. Mit 18 Jahren saß Zufferey selbst hinter dem Steuerknüppel und absolvierte die Prüfung als Segelflugpilot. „Da lernt man am besten fliegen: Im Segelflieger spürt man den Wind und die Bewegungen der Maschine ganz direkt”, schwärmt er. Der Wunsch des Wallisers, sich als Pilot der Schweizer Armee ausbilden zu lassen, ging aber nicht in Erfüllung – obwohl er schon mit 22 ein Schulungsflugzeug flog. Mit Verve machte er stattdessen seinen Master als Ingenieur der Mikrotechnik, bevor er 2002 an der EPFL mit der Promotion begann. Bei seinem Doktorvater Floreano beschäftigte ihn erneut die Fliegerei – konkret: die Entwicklung von fliegenden Automaten.

Lernbegierige Maschinen

Floreanos Steckenpferd war schon damals die evolutionäre Robotik. In seinem Labor kurvten Miniroboter durch ein Labyrinth im Puppenstubenformat. Junge Forscher analysierten, mit welchen Strategien und Algorithmen die wuseligen Gefährte eigenständig ihren Weg durch den Irrgarten finden konnten, ohne mit den Wänden zu kollidieren. Das elektronische Gehirn der Roboter bestand aus einem Prozessor mit gerade mal 128 Kilobyte Datenspeicher, der mit optischen Sensoren verbunden war. Das Besondere war die Lernfähigkeit der Roboter. Sie waren imstande, die Wegedaten verschiedener Passagen durch das Labyrinth zu vergleichen, um daraus den optimalen Weg zu berechnen. So entstand ein neuronales Netz von Verknüpfungen, das mit jedem Versuch komplexer wurde – die Roboter lernten ständig dazu.

Als die Forscher das erkannt hatten, nahm Zufferey seine Doktorarbeit in Angriff. Er nutzte die neuen Fähigkeiten der evolutionären Roboter für die Entwicklung von Drohnen. Ohne Bodenhaftung, die es erlauben würde, über die Räder schnell die Fahrtrichtung zu ändern oder an einem bestimmten Ort zu stoppen, benötigten die Flugobjekte neue vorausschauende Orientierungshilfen. Als Vorbild dienten Insekten wie Ameisen und Fliegen, die mit ihrem winzigen Gehirn komplexe Aufgaben meistern können. Im Fokus von Zufferey stand vor allem das Facettenauge. Es ermöglicht Fliegen und Wespen, ein Ziel präzise anzusteuern und bei Gefahr rasch zu entkommen – dank eines riesigen Sehfelds, das nur vom eigenen Körper eingeschränkt wird, und einer blitzschnellen Bildverarbeitung.

Ein Meister beim Entschlüsseln des Fliegenauges ist der Physiker und Roboterforscher Nicolas Franceschini, den Floreano und Zufferey am Forschungszentrum CNRS in Marseille besuchten. Die Zusammenarbeit hatte bald Folgen. Die Forscher schufen im Lausanner Labor Räume, deren Wände ringsum mit vertikalen schwarz-weißen Streifen versehen waren.

Zufferey brachte zunächst einem kleinen Zeppelin bei, autonom im Zimmer zu navigieren. Die Streifen nutzte das Luftschiff als Leitplanken, um nicht an die Wände zu stoßen. Die Forscher hatten vor allem zwei wichtige Aufgaben zu meistern: Die Antriebs- und Navigationseinheit musste stark verkleinert werden. Und sie mussten ein optisches Verfahren entwickeln, das die Distanz zu den Mustern an der Wand messen kann.

200 Bilder in der Sekunde

Die Sehschärfe eines Facettenauges ist viel schlechter als die des menschlichen Auges. Doch bei der Bewegungsschärfe ist es überlegen: Statt 20 Bilder in der Sekunde wahrzunehmen wie der Mensch, registriert eine Fliege rund 200 Bilder pro Sekunde. Einem Menschen oder einer Fliege in Bewegung erscheint ein Objekt in der Mitte des Sehfelds starr im Vergleich zu den Objekten ringsum. Vor allem Objekte an den Rändern des Sehfelds ziehen scheinbar rascher vorbei. Denn ihre Winkel zum Sehzentrum ändern sich ständig. Und die dienen dem Gehirn als Hilfsgrößen, um die Distanz der Objekte zu ermitteln. Dabei ist das Tempo des optischen Flusses umgekehrt proportional zur Entfernung: Weiter entfernte Gegenstände ziehen scheinbar langsamer am Auge vorüber, nahe schneller. Hier ist die Fliege im Vorteil: Ihre 600 Einzelaugen in jedem ihrer beiden Augen registrieren eine Bewegung zehnmal so schnell wie ein Mensch.

Bei der Entwicklung der Drohnen lautete die Devise: Genügsamkeit bei Material und Technik. Schon die Modellfliegerei hatte Zufferey gelehrt, dass geringes Gewicht die beste Voraussetzung für guten Auftrieb ist. Sein gasgefülltes Luftschiff wog 100 Gramm und hatte einen enormen Auftrieb. Der erste autonome Modellflieger aus dem Lausanner Labor, der dem Zeppelin folgte und über zwei visuelle Sensoren verfügte, wog nur 30 Gramm. Eine andere Drohne mit Flü- geln aus einem dünnen Polyesterfilm und einem Rumpf aus Kohlenstofffaser-Gestängen bringt es sogar auf 10 Gramm.

Der zierliche Flieger benötigte für die visuelle Orientierung und Distanzmessung zwei Minikameras mit nur 102 Pixeln Auflösung – eine Kamera für horizontale und eine für vertikale Veränderungen. Zur autonomen Steuerung waren je 20 Kamerapixel für den optischen Fluss von links, von rechts und von unten ausreichend. Zwei Mikrosysteme mit Gyroskopen sorgten für Stabilität beim Fliegen, ein Luftgeschwindigkeitsmesser für konstantes Tempo.

Raus mit den Robotern!

Doch die Forscher wollten mehr: Der autonome Stubenflieger sollte hinaus an die frische Luft. Dazu entwarf Zuffereys Kollege Antoine Beyeler Sensoren für die Orientierung im Freien. Er testete sie zum ersten Mal im neuen Nurflügler, dessen technisch ausgereifte Version das Unternehmen SenseFly in zwei Varianten anbietet. SenseFly, von Zufferey und Beyeler als Spin-off der EPFL in direkter Nähe des Hochschulcampus gegründet, führt die geschickten Drohnen aus dem Labor zur kommerziellen Anwendung. Ein Resultat ist das 700 Gramm leichte Fluggerät namens „eBee”, das nun immer wieder über dem Genfer See seine Runden dreht.

Wie das Zusammenspiel von starrer konventioneller und flexibler evolutio-närer Robotertechnik in dieser Drohne funktioniert, führt Zufferey Besuchern gerne vor: Die Agilität und das geringe Gewicht des Flugapparats gehen aufs Konto der evolutionären Robotik, die Pate für den Gesichtssensor stand. Er wiegt nur einen Bruchteil herkömmlicher Orientierungssysteme mit Radar oder Lasern.

Neben diesem neuartigen Sensor haben an Bord der Drohne von fast einem Meter Spannweite ein kleines Gyroskop sowie ein sogenanntes Pitotrohr Platz, das zum Messen der Geschwindigkeit dient. Hinzu kommen eine Digitalkamera, ein GPS-Empfänger und eine Lithium-Polymerbatterie. „Als Nurflügler wurde das Fluggerät konzipiert, weil diese Gestalt gegenüber herkömmlich geformten Fluggeräten mit ähnlichem Gewicht mehr Auftrieb hat”, erklärt Zufferey.

Zum Starten der Drohne braucht der Ingenieur nur eine leichte Armbewegung zu machen – und der Flieger schraubt sich selbstständig in die Höhe. Ist er in seiner Arbeitshöhe von über 100 Metern angelangt, kommt seine konventionelle Computersteuerung zum Zug. Auf einem Tablet-PC skizziert Zufferey vor dem Start, welchen Bereich die Drohne ins Visier nehmen soll. Fliegt sie dann, GPS-gesteuert, in vorgezeichneten Schleifen dieses Gebiet ab, können die Forscher das auf dem Bildschirm verfolgen. Sie wissen stets genau, wo sich die Drohne befindet und wie hoch sie fliegt.

Das Unternehmen PIX4D, ein weiterer Spin-off der EPFL, liefert das Programm für die Darstellung der Bilder in 3D. Voraussetzung dafür ist, dass die Kamera von jeder Position zwei Aufnahmen erstellt, die sich zu 60 Prozent überlappen. Der Winkelunterschied beider Bilder ermöglicht es, daraus eine plastische Darstellung zu extrapolieren. Die Landung des Minifliegers verläuft genauso einfach wie der Start: In einem Winkel von 20 Grad senkt sich die Drohne und landet, vom visuellen Sensor geleitet, im Steilflug innerhalb von wenigen Metern Radius.

Die simple Programmierung, der komfortable Transport im Handkoffer, der einfache Start und die automatische Rückkehr machen das Flugobjekt zu einem nützlichen Werkzeug für Geoinformationssysteme (GIS), die räumliche Daten erfassen und für unterschiedlichste Zwecke analysieren – etwa, um den Abbau von Kies oder Marmor zu kontrollieren (siehe Kasten S.101, „Flug ersetzt Handarbeit”). Die Bildauflösung von drei Zentimetern pro Pixel übertrifft die Auflösung der besten Satellitenbilder um das Hundertfache. Die Aufnahmen haben eine ähnlich gute Qualität wie Bilder aus bemannten Spezialflugzeugen – sind aber weitaus preisgünstiger.

Robben nach der Landung

Doch die Wissenschaftler aus Lausanne wollen noch mehr. Ihrer Fluggeräte sollen im Schwarm und völlig autonom zu Fotoexpeditionen starten. Dazu bestücken die beiden Doktorandinnen Maja Varga und Iliana Spartali am Institut von Dario Floreano Drohnen von SenseFly mit zusätzlichen Sensoren und prüfen diese zunächst im Simulator. Und Doktorandenkollege Ludovic Daler entwickelt einen Halbleiterchip für eine neuartige Drohne mit multifunktionellen Flügeln.

An einem Prototyp demonstrierte er kürzlich, wie sich die Drohne mit diesen Flügeln nach der Landung robbend fortbewegen kann. Die neuen Roboter aus der Schweiz lassen sich auch von Kollisionen nicht beindrucken. Im Labor fliegen bereits kleine Helikopter umher, die ummantelt sind von elastischen kugeligen Stahlgerüsten. Wie ein Gummiball mit Antrieb katapultieren sie sich selbstständig durch einen künstlichen Wald und gewinnen bei jedem Aufprall mit einem Baumstamm neue Energie. Auch dafür stand die Natur Pate, sagt Floreano. „Wir haben uns an verschiedenen Tieren orientiert: Flughörnchen, die nicht nur klettern, sondern auch gleiten können, Frösche und Fische, die fliegen, und an Fledermäuse, die sich durch Ritzen zwängen und ihre Flügel zum Abstoßen benutzen.”

Jean-Christophe Zufferey legt den Schwerpunkt für den Einsatz seiner Roboterflieger inzwischen auf die Vermessung der Erde. So setzte er sieben seiner Drohnen ein, um eine dreidimensionale Abbildung des Matterhorns zu erstellen. In knapp sechs Stunden legten die Fluggeräte über 260 Kilometer in der Luft zurück und schossen fast 2200 Bilder. Das Ergebnis ist eine beispiellos detailreiche 3D-Darstellung des markanten Schweizer Berges, die aus 300 Millionen Bildpunkten besteht und selbst Strukturen von nur etwa 20 Zentimeter Größe sichtbar macht.

Auf ihren Erkundungsflügen werden die Roboterflieger immer wieder von Vögeln beäugt, die die Drohnen manchmal für ihresgleichen halten. So beobachtete Zufferey kürzlich, wie Habichte sich einer Drohne näherten, die längere Zeit über einem Punkt kreiste. Offenbar im Glauben, der Flieger lasse sich von der Thermik nach oben treiben, gesellten sich die Habichte dazu – bis sie merkten, dass der vermutete Auftrieb fehlte. Es kam auch schon vor, dass Krähen eine Drohne in ihre Gruppe aufnehmen wollten. Die Vögel kehrten immer wieder zu dem künstlichen Flugobjekt zurück und animierten es zum Mitfliegen. Am Schluss mussten sie abziehen, weil die Drohne stur ihr vorgesehenes Programm absolvierte. •

CHRISTIAN BERNHART spürt immer wieder technische Glanzstücke in der französischsprachigen Schweiz auf.

von Christian Bernhart