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Flugzeuge können problemlos weiterfliegen, wenn ein Motor ausfällt. Aber für Drohnen mit vier Propellern – auch Quadrokopter oder Quadrorotor genannt – stellt ein solcher Ausfall ein ernstes Problem. Funktionieren nur drei Rotoren, verliert die Drohne an Stabilität und stürzt unweigerlich ab – es sei denn, eine Notsteuerung setzt ein.
Forschende der Universität Zürich und der Delft University of Technology haben nun eine Lösung dafür gefunden: Fällt ein Rotor plötzlich aus, können die Informationen von eingebauten Sensoren genutzt werden, um die Drohne zu stabilisieren und sie autonom weiterfliegen zu lassen.
«Wenn ein Rotor ausfällt, fängt die Drohne an, sich wie eine Ballerina um sich selbst zu drehen», sagt Davide Scaramuzza, Leiter der Gruppe für Robotik und Wahrnehmung der Universität Zürich (UZH) und der Forschungseinheit «Rescue Robotics Grand Challenge» des Nationalen Forschungsschwerpunkts Robotik des Schweizerischen Nationalfonds (SNF), welcher die Studie finanziert. «Die schnelle Rotationsbewegung führt dazu, dass herkömmliche Steuerungen versagen. Es sei denn, die Drohne hat Zugang zu sehr genauen Positionsmessungen». Sobald die Drohne ins Trudeln gerät, kann sie ihre Position im Raum nicht mehr ermitteln und stürzt ab.
Eine Lösungsmöglichkeit besteht darin, der Drohne mit Hilfe von GPS eine Referenzposition zu geben. Doch nicht in allen Umgebungen können entsprechende Signale empfangen werden. Anstatt sich auf eine GPS-Messung zu verlassen, nutzen die Wissenschaftler vielmehr die visuellen Informationen von mehreren eingebauten Kameras.
Die Forschenden bestückten ihre Quadrotoren mit zwei Arten von Kameras: Standardkameras, die mit konstanter Geschwindigkeit mehrere Bilder pro Sekunde aufnehmen, sowie auf unabhängigen Pixeln basierende Event Kameras, die nur einer erkennbaren Änderung des Lichts aktiviert werden. Das Team hat zudem Algorithmen entwickelt, die Informationen von den zwei Sensoren kombinieren, um die Position des Quadrotors in der Umgebung zu verfolgen. So kann der Bordcomputer die Drohne steuern, während sie nur mit drei Rotoren fliegt – und sich dabei ständig dreht.
Tests zeigten, dass beide Kameratypen bei normalen Lichtverhältnissen gut funktionieren. «Wenn das Licht jedoch abnimmt, weisen Standardkameras Bewegungsunschärfe aus, was die Drohne schliesslich zum Absturz bringt. Die Event Kameras funktionieren dagegen auch bei sehr wenig Licht gut», sagt Erstautor Sihao Sun und Postdoc in Scaramuzzas Labor.
Der Einsatz von Drohnen nimmt stetig zu, und Rotorausfälle können zu gefährlichen Unfällen führen. Die Wissenschaftler sind überzeugt, dass ihre Arbeit die Flugsicherheit von Quadrocoptern in Bereichen verbessern kann, in denen das GPS-Signal schwach oder nicht vorhanden ist.
Sihao Sun, Giovanni Cioffi, Coen de Visser, Davide Scaramuzza: Autonomous Quadrotor Flight despite Rotor Failure with Onboard Vision Sensors: Frames vs. Events. 5. January 2021, IEEE Robotics and Automation Letter. DOI: 10.1109/LRA.2020.3048875
