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An der Uni Klagenfurt lernen Drohnen jetzt auch in einem Freiluftkäfig Taxirouten, Gewächshauskontrolle oder Brückenwartung. Die Algorithmen für die Steuerung testen die Forschenden in einer Halle...
Den einen Superlativ ist man seit Kurzem los, einen anderen hat man sich gesichert: Die 2019 eröffnete Drohnenhalle der Universität Klagenfurt ist nicht mehr die größte derartige Forschungseinrichtung Europas.
Dafür gilt der im vergangenen Herbst fertiggestellte „Outdoor Drone Space Austria“ als der größte der Welt. Die an einen riesigen Käfig erinnernde Kubatur besteht aus 15 Meter hohen Stahlsäulen, die seitlich und Richtung Himmel mit einem grobmaschigen Netz umspannt sind und eine rechteckige Grundfläche von 1000 Quadratmeter einhegen.
Die derart eingezäunte Wiese und der unscheinbar-graue Baucontainer, in dem ein leistungsstarker Server, Arbeitsplätze mit Bildschirmen und ein kleines Requisitenlager für Flugoperationen untergebracht sind und der als eine Art „Mission Control“ dient, wird von den Forschenden semantisch behübschend „Arena“ genannt. Bis vor kurzem war dieses Labor der Uni Klagenfurt noch die größte Drohnenhalle Europas. Jetzt hat man dafür den weltgrößten Freiluftkäfig für Drohnen.
Es geht bei der am Gelände des Lakeside Science & Technology-Parks am westlichen Stadtrand von Klagenfurt installierten Forschungsinfrastruktur aber ohnehin nur bedingt um Größe. Vielmehr ist es die in der Halle wie im Außengelände verbaute technische Ausstattung, die der von Stephan Weiss geleiteten Forschungsgruppe „Control of Networked Systems“ neue Perspektiven bei ihrer Arbeit eröffnet. »Wir arbeiten mit Sonne, Nebel, Wind, Kälte oder Regen wie bei Einsätzen im Freien.
«So sind in der 150 Quadratmeter großen Halle an allen vier Wänden insgesamt 37 Sensoren angebracht, die auch minimale Bewegungen der Drohnen registrieren. Dafür kommen Infrarot-LEDs und kleine, kugelförmige Reflektoren auf der Drohne zum Einsatz. 60 Mal in der Sekunde wird so die Position der Drohne berechnet, mit einer „Unschärfe“ von unter einem Millimeter beziehungsweise unter einem Grad.
Um auch riskantere Tests durchführen zu können, steht zudem ein Kabelroboter mit vier Winden zur Verfügung, in den die Drohne eingehängt werden kann und im Falle einer Fehlberechnung nicht abstürzt und kaputtgeht, sondern wie bei einer Seilsicherung im Klettergarten aufgefangen wird.
„Damit brauchen wir keinen Simulator“, sagt Weiss. Das minimiert das Kostenrisiko und maximiert die Entwicklungsgeschwindigkeit. In der neuen Outdoor-Arena ist es zudem möglich, die Präzision der Algorithmen in realistischer Umgebung zu testen.
„Weil wir für viele unserer Anwendungsfälle davon ausgehen, dass die Drohnen im Freien wie in Wäldern oder in Katastrophengebieten zum Einsatz kommen, ist es wichtig, dass wir mit den üblichen Einflüssen von Wind, Kälte, Sonneneinstrahlung, Hitze, Nebel, Regen, etc. arbeiten können“, erklärt Weiss. Tatsächlich wird in Klagenfurt schon seit 2008 an neuen Technologien geforscht, die den Einsatz von Drohnen verbessern sollen. Der Lakeside Park am Rande des Universitätsgeländes bietet dafür durch die räumliche Nähe zu Unternehmen ideale Voraussetzungen.
In der funktionalen Architektur der holzverkleideten Baukörper sind neben Forschungseinheiten der Universität auch 60 Firmen – von Exposituren von Industriebetrieben bis zu Technologie-Startups – untergebracht. So befindet sich gleich neben der Drohnenhalle der Universität und nur durch ein Schiebetor getrennt eine etwas kleinere Einheit der Forschungsgesellschaft Joanneum Research. Die Tracking-Systeme sind koppelbar, das Testspektrum damit nahtlos erweiterbar.
„Wir arbeiten hier nicht im Elfenbeinturm, sondern sehr anwendungsorientiert“, sagt Weiss und verweist auf eine Drittmittelfinanzierungsquote der Forschungen von 70 Prozent. Im Fokus steht im Fall seiner Gruppe die Entwicklung von Multidrohnensystemen, in denen mehrere Drohnen autonom navigieren, sich selbstständig koordinieren und Daten austauschen. Anders als ein Rasenmähroboter bewegt sich das Objekt hier allerdings im dreidimensionalen Raum.
„Drohnen sind die Königsdisziplin der Robotik-Plattformen“, beschreibt Thomas Jantos, der als Postdoc in der Gruppe arbeitet, die Komplexität der Aufgabenstellung, während seine Kollegen Jakob Schmidinger und Martin Scheiber eine Drohne starten. Das Surren der gut 6,5 Kilo schweren Eigenbau-Kreationen ist hörbar lauter als bei kleineren, handelsüblichen Foto-Drohnen, der durch die leistungsstarken Rotoren mit ihren Karbonflügelblättern entstehende Wind deutlich spürbar. Bei einem Flugtempo von rund zwölf Metern pro Sekunde können Fehler sehr schnell fatal enden.
Die Sicherheitsvorkehrungen sind entsprechend hoch und strikt: Der Pilot trägt Schutzhelm und -brille, die Tische mit Computern, Bauteilen und Werkzeugen sind durch ein hohes Metallgitter vom Flugraum getrennt. Diese Infrastruktur dient auch Studierenden als Trainingsgelände. So konnte ein Team rund um Jakob Schmidinger erst unlängst bei einem internationalen Wettbewerb an der Uni Delft einen zweiten Platz erringen. Gefordert war die Programmierung eines Einsatzes bei einem Unfallszenario.
Die Drohnen mussten dabei selbstständig den Verletzungsgrad der Verunfallten – simuliert durch stehende und liegende Schaufensterpuppen – feststellen und die unterschiedlichen Versorgungspakete mit Rettungsutensilien autonom aufnehmen, eine Priorisierung der Flüge errechnen und die Pakete zu den entsprechenden Patienten fliegen. Die Vielzahl an Sensoren, die dafür notwendig waren, ließen das Gewicht der Drohne auf 7,5 Kilo klettern.
„Jedes Gramm beeinflusst allerdings die Flugdauer“, erklärt Martin Scheiber die Krux. Requisiten für diverse Testrettungsflüge für die Programmierung eines Einsatzes bei einem Unfallszenario. Bei allem Gamification-Ansatz: Mit Computerspielen oder Freizeitvergnügen haben derartige Aufgabenstellungen nichts gemein. Das wissenschaftliche Ziel ist klar: Drohnenschwärme sollen künftig – ähnlich einem Vogelschwarm – ohne zentrale Programmierung Aufgaben erledigen.
Dafür braucht es Drohnen, die sich über Kameras ein Bild von ihrer Umgebung machen und sich so unabhängig von GPS im Gelände orientieren können. Bei den dafür notwendigen Berechnungen und Zustandsschätzungen über die Lage der Drohnen im Raum gelten die Klagenfurter als international führend.
„Wir müssen uns da nicht verstecken“, betont Weiss den Exzellenzanspruch. Der gebürtige Schweizer verfügt über Forschungserfahrung an der ETH Zürich und streicht diesbezüglich das zwar kompetitive, aber kooperative Arbeitsklima in Kärnten im Vergleich zur in der Schweiz vorherrschenden „Ellenbogentechnik“ heraus.
Die Einsatzgebiete der entwickelten Drohnentechnologien erstrecken sich von Robotaxis und Zustelldiensten über Inspektionsflüge bei Staudämmen oder Brücken bzw. in Wäldern und Weingärten bis zu Wartungsarbeiten in Reedereien, wo riesige Schiffe – auch unter Wasser – mittels Drohnen kontrolliert werden oder Kontrollflügen durch Gewächshäuser, um den Reifegrad kleiner Tomaten zu eruieren. Stephan Weiss bringt als gebürtiger Schweizer auch Forschungserfahrung von der ETH Zürich mit nach Kärnten.
„Mittels künstlicher Intelligenz sollen die Drohnen dann autonom Analysen erstellen und notwendige Maßnahmen treffen“, umreißt Thomas Jantos den Ansatz seines von der Christian-Doppler-Gesellschaft geförderten und bis 2028 laufenden Forschungsprojekts. Stephan Weiss hat indes schon eine weitere Aufgabe im Visier: Zustandsschätzungsmethoden der Lage zwischen Drohnen und einem Boot inmitten einer Wasserfläche. Ein mögliches Einsatzgebiet liegt praktisch vor der Haustüre: der Wörthersee.der Universität Klagenfurt wird seit 2008 an neuen Technologien geforscht, die den Einsatz von Drohnen verbessern sollen.
Dafür wurde 2019 eine eigene Drohnenhalle installiert, in der Flugbewegungen millimetergenau getrackt werden können. Seit vergangenen Herbst steht dafür auch eine Freiluftarena zur Verfügung.
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