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Künstliche Schnurrhaare helfen Minidrohnen bei der Navigation im Dunkeln
Wo Kameras durch Dunkelheit, Rauch oder transparente Flächen an Grenzen kommen, könnten kleine Drohnen ihre Umgebung ertasten. Ein nur 3,2 Gramm schweres Sensorsystem mit künstlichen Schnurrhaaren lässt einen 44,1 Gramm leichten Flugroboter Hindernisse lokalisieren und Wänden folgen. Die notwendige Verarbeitung läuft vollständig an Bord und braucht für die Tastsensorik nur 34 Kilobyte Speicher.
Delft (Niederlande). Kleine Flugroboter können in enge Hohlräume vordringen, doch gerade dort geraten viele übliche Navigationssensoren an Grenzen. Kameras liefern bei Dunkelheit kaum Informationen, Laser- und optische Abstandssensoren können bei transparenten oder stark reflektierenden Flächen unzuverlässig werden, während zusätzliche Sensorik bei Drohnen unter 100 Gramm zudem leicht, sparsam und schnell sein muss.
Ratten und Maulwürfe lösen ein ähnliches Problem ohne Licht. Ihre Tasthaare verbiegen sich bei Kontakt mit Hindernissen und liefern so Informationen über nahe Oberflächen. Dieses Prinzip haben Forscher nun auf einen kleinen Quadrokopter übertragen, der seine Umgebung während des Flugs berührt, statt sie ausschließlich aus der Entfernung zu erfassen.
Forscher der Delft University of Technology (TU Delft) um Chaoxiang Ye haben dafür ein taktiles System entwickelt, das auf eine Drohne mit weniger als 50 Gramm Gesamtgewicht passt. Als Versuchsträger diente eine Crazyflie Brushless mit zwei nach vorn gerichteten künstlichen Schnurrhaaren, deren eigentliche Sensoranordnung 3,2 Gramm wiegt. Mit Halterungen, Kabeln und Steckern beträgt die gesamte zusätzliche Nutzlast rund sechs Gramm.
Jedes Tasthaar besteht aus einem 20 Zentimeter langen und 0,4 Millimeter dünnen Draht aus Nitinol. An seiner Basis erfassen drei kleine Barometer Druckänderungen, die beim Biegen des Drahts entstehen. Aus diesen Signalen kann die Bordelektronik ableiten, wie tief der Kontakt entlang der Flugrichtung liegt und wo sich eine Oberfläche relativ zur Drohne befindet.
„Wir wollen Drohnen hier mit einer reichhaltigen taktilen Wahrnehmung ausstatten, nicht zur Manipulation in der Luft, sondern für ein neues Konzept taktiler Navigation, bei dem Berührung genutzt wird, um das Unbekannte zu erkunden und hindurchzufliegen. Das bringt jedoch eine Herausforderung mit sich. Damit taktile Sensorik bei Drohnen funktioniert, muss sie leicht, verzögerungsarm und energiesparend sein. Von der Natur inspiriert haben wir die Antwort in Schnurrhaaren gefunden“, erklärt Dr. Salua Hamaza von der TU Delft.
Die Messung ist anspruchsvoller als ein einfacher Berührungsschalter. Propellerluft, Vibrationen und die mechanische Nachwirkung eines Kontakts lassen die Drucksignale driften. Das Team hat deshalb eine Verarbeitungskette entwickelt, die solche Störungen kompensiert und die Messwerte mit einem neuronalen Modell sowie einem Kalman-Filter in Abstandsschätzungen im Millimeterbereich übersetzt.
Für die Abstandsschätzung wurden zwei Datensätze mit jeweils zwölf Flügen an einer weißen Tafel und einer Glaswand aufgenommen. Je neun Flüge dienten dem Training und je drei dem Test. Die Berechnung läuft mit 50 Hertz auf dem Mikrocontroller der Drohne, der insgesamt 192 Kilobyte Arbeitsspeicher besitzt, von denen die Algorithmen der taktilen Verarbeitung 34 Kilobyte benötigen.
„Wir wollten zeigen, dass Berührung nicht zulasten von Größe oder Rechenleistung gehen muss. Unsere gesamte taktile Wahrnehmungskette läuft mit nur 34 Kilobyte Speicher an Bord und ermöglicht es einer kleinen Drohne, ihre Umgebung in Echtzeit wahrzunehmen und darauf zu reagieren“, sagt Chaoxiang Ye.
In Versuchen mit transparenten Acrylwänden flog die Drohne zunächst vorwärts und wechselte nach einem Tastkontakt in einen Modus zum Entlangfliegen an der Wand. Die Schnurrhaare lieferten dabei die Informationen über die Hindernisse, während bordseitige Trägheitssensoren und optischer Fluss die Eigenbewegung stabilisierten, sodass der Flugroboter den transparenten Hindernissen auswich und das vorgegebene Ziel er